Low intrusive coupling of implicit and explicit integration schemes for structural dynamics: application to low energy impacts on composite structures

Simulation of low energy impacts on composite structures is a key feature in aeronautics. Unfortunately they are very expensive: on the one side, the structures of interest have large dimensions and need fine volumic meshes (at least locally) in order to capture damages. On the other side small time steps are required to ensure the explicit algorithms stability which are commonly used in these kind of simulations [4]. Implicit algorithms are in fact rarely used in this situation because of the roughness of the solutions that leads to prohibitive expensive time steps or even to non convergence of Newtonlike iterative processes. It is also observed that rough phenomenons are localized in space and time (near the impacted zone). It may therefore be advantageous to adopt a multiscale space/time approach by splitting the structure into several substructures owning there own space/time discretization and their own integration schemes. The purpose of this decomposition is to take advantage of the specificities of both algorithms families: explicit scheme focuses on rough areas while smoother (actually linear) parts of the solutions are computed with larger time steps with an implicit scheme. We propose here an implementation of the Gravouil-Combescure method (GC) [1] by the mean of low intrusive coupling between the implicit finite element analysis (FEA) code Z-set and the explicit FEA code Europlexus. Simulations of low energy impacts on composite stiffened panels are presented. It is shown on this application that time step ratios up to 5000 can be reached. However, computations related to the explicit domain still remain a bottleneck in terms of cpu time

Approche multiéchelle en espace et en temps pour la prévision des endommagements dans les structures composites soumises à un impact de faible énergie

The composite laminates are increasingly used in aircraft structural parts which lead to new issues such as the Low Energy Impacts (LEI). Indeed, although they have well mechanical properties relative to their mass, small shocks may be very harmfull for laminates. Controlling such situations is essential for manufacturers that why lot of testing campaigns are currently performed. Yet, they are time consuming and expensive considering the many influential parameters (energy, speed, layup...). Numerical simulations of this phenomenon by practicing the so called “virtual testing” process could be really helpfull to rationalize testing campaigns in order to save money. Yet, this practice remain currently hard to do at the industrial scale due to the excessive CPU time required for fine simulation of damages induced by the LEI. Based on this observation, this work has consisted in taking advantage of the spatial and temporal location of delamination, matrix cracking and fiber breakage that can occur during impact in order to reduce the computational cost. Thus, a space and time multiscale method has been put in place. The impacted structure is split into two areas. One is located around the impacted point, it contains all the non-regularities of the problem (contact, softening law, cohesive zone model). This domain is treated with the explicit dynamics code Europlexus. The other one corresponds to the complementary part. The mechanical problem is much more regular and it is treated with the implicit dynamics code Zset / Zebulon. A low intrusive coupling based on the GC method is carried out between these two codes. It allows to use an adapted model in both regions different time step are in particular used. A time step ratio upper to 1000 can be reach between the one of the explicit code set by the stability condition and the one used in the complementary part. As a results, significant CPU time is saved. This is confirmed by the simulation of a stiffened composite panel impacted. It is also shown that the implicit / explicit allocation can change over the calculation. To do that, a switch mechanism has been established. It thus makes it possible to transit the resolution of a portion of the structure initially solved in the code Zebulon to Europlexus. As a results, further gain is obtained.Les stratifiés composites sont de plus en plus utilisés dans les pièces de structures des aéronefs ce qui fait émerger de nouvelles problématiques comme celle des Impacts de Faible Energie (IFE). En effet, bien qu’ils possèdent des propriétés rapportées à leur masse très intéressantes ces matériaux peuvent être vulnérables aux petits chocs. Or, compte tenu des nombreux paramètres influents lors d’un tel impact (énergie, vitesse, stratification...), les essais actuellement majoritairement privilégiés à l’échelle industrielle sont long et coûteux. Ainsi, l’apport de la simulation numérique pourrait être d’une grande aide pour les constructeurs. La pratique du « virtual testing », en particulier, permettrait d’aller dans cette direction ce qui aurait pour effet de rationaliser les campagnes d’essais et les coûts financier qui en découlent. Cependant, elle peine à être mise en place ici car le temps CPU nécessaire pour la simulation fine des ndommagements induits par les IFE est trop important avec les méthodes actuelles. Partant de ce constat, ce travail a consisté à tirer avantageusement partie de la localisation spatiale et temporelle des délaminages, fissurations matricielles et ruptures de fibres qui peuvent apparaître pendant l’impact pour diminuer le coût de calcul. Ainsi une méthode multiéchelle en espace et en temps a été mise en place. Elle consiste à découper la structure impactée en deux zones. L’une est située autour du point d’impact, elle contient l’ensemble des non-régularités du problème (contact, loi adoucissante, modèle de zone cohésive). Elle est traitée avec le code de dynamique explicite Europlexus. L’autre correspond à la partie complémentaire. Le problème mécanique y est beaucoup plus régulier et il est traité avec le code de dynamique implicite Zset/Zébulon. Un couplage peu intrusif basé sur la méthode GC est donc réalisé entre ces deux codes. Il permet d’utiliser une modélisation adaptée dans chacune des deux régions ce qui permet en particulier d’utiliser des pas de temps différents. Un rapport supérieur à 1000 peut ainsi être obtenu entre celui du code explicite fixé par la condition de stabilité et celui utilisé dans la partie complémentaire. Un gain de temps CPU significatif confirmé par la simulation d’un impact réalisé sur un panneau composite raidi est ainsi obtenu. Il est également montré que la répartition implicite/explicite peut évoluer au cours du calcul. Pour cela un mécanisme de bascule a été mis en place. Il permet ainsi de faire transiter la résolution d’une partie de la structure initialement traitée dans le code Zebulon dans Europlexus. Un gain de temps supplémentaire est alors obtenu grâce à cette méthode sur le même cas d’application

The Cultural Caravan for Peace: a controversial peacekeeping projet on the roads of Malian political crisis.

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A multiscale space time approche to simulate damages in composite structures subjected to a low energy impact

Les stratifiés composites sont de plus en plus utilisés dans les pièces de structures des aéronefs ce qui fait émerger de nouvelles problématiques comme celle des Impacts de Faible Energie (IFE). En effet, bien qu’ils possèdent des propriétés rapportées à leur masse très intéressantes ces matériaux peuvent être vulnérables aux petits chocs. Or, compte tenu des nombreux paramètres influents lors d’un tel impact (énergie, vitesse, stratification...), les essais actuellement majoritairement privilégiés à l’échelle industrielle sont long et coûteux. Ainsi, l’apport de la simulation numérique pourrait être d’une grande aide pour les constructeurs. La pratique du « virtual testing », en particulier, permettrait d’aller dans cette direction ce qui aurait pour effet de rationaliser les campagnes d’essais et les coûts financier qui en découlent. Cependant, elle peine à être mise en place ici car le temps CPU nécessaire pour la simulation fine des ndommagements induits par les IFE est trop important avec les méthodes actuelles. Partant de ce constat, ce travail a consisté à tirer avantageusement partie de la localisation spatiale et temporelle des délaminages, fissurations matricielles et ruptures de fibres qui peuvent apparaître pendant l’impact pour diminuer le coût de calcul. Ainsi une méthode multiéchelle en espace et en temps a été mise en place. Elle consiste à découper la structure impactée en deux zones. L’une est située autour du point d’impact, elle contient l’ensemble des non-régularités du problème (contact, loi adoucissante, modèle de zone cohésive). Elle est traitée avec le code de dynamique explicite Europlexus. L’autre correspond à la partie complémentaire. Le problème mécanique y est beaucoup plus régulier et il est traité avec le code de dynamique implicite Zset/Zébulon. Un couplage peu intrusif basé sur la méthode GC est donc réalisé entre ces deux codes. Il permet d’utiliser une modélisation adaptée dans chacune des deux régions ce qui permet en particulier d’utiliser des pas de temps différents. Un rapport supérieur à 1000 peut ainsi être obtenu entre celui du code explicite fixé par la condition de stabilité et celui utilisé dans la partie complémentaire. Un gain de temps CPU significatif confirmé par la simulation d’un impact réalisé sur un panneau composite raidi est ainsi obtenu. Il est également montré que la répartition implicite/explicite peut évoluer au cours du calcul. Pour cela un mécanisme de bascule a été mis en place. Il permet ainsi de faire transiter la résolution d’une partie de la structure initialement traitée dans le code Zebulon dans Europlexus. Un gain de temps supplémentaire est alors obtenu grâce à cette méthode sur le même cas d’application.The composite laminates are increasingly used in aircraft structural parts which lead to new issues such as the Low Energy Impacts (LEI). Indeed, although they have well mechanical properties relative to their mass, small shocks may be very harmfull for laminates. Controlling such situations is essential for manufacturers that why lot of testing campaigns are currently performed. Yet, they are time consuming and expensive considering the many influential parameters (energy, speed, layup...). Numerical simulations of this phenomenon by practicing the so called “virtual testing” process could be really helpfull to rationalize testing campaigns in order to save money. Yet, this practice remain currently hard to do at the industrial scale due to the excessive CPU time required for fine simulation of damages induced by the LEI. Based on this observation, this work has consisted in taking advantage of the spatial and temporal location of delamination, matrix cracking and fiber breakage that can occur during impact in order to reduce the computational cost. Thus, a space and time multiscale method has been put in place. The impacted structure is split into two areas. One is located around the impacted point, it contains all the non-regularities of the problem (contact, softening law, cohesive zone model). This domain is treated with the explicit dynamics code Europlexus. The other one corresponds to the complementary part. The mechanical problem is much more regular and it is treated with the implicit dynamics code Zset / Zebulon. A low intrusive coupling based on the GC method is carried out between these two codes. It allows to use an adapted model in both regions different time step are in particular used. A time step ratio upper to 1000 can be reach between the one of the explicit code set by the stability condition and the one used in the complementary part. As a results, significant CPU time is saved. This is confirmed by the simulation of a stiffened composite panel impacted. It is also shown that the implicit / explicit allocation can change over the calculation. To do that, a switch mechanism has been established. It thus makes it possible to transit the resolution of a portion of the structure initially solved in the code Zebulon to Europlexus. As a results, further gain is obtained

Low intrusive coupling of implicit and explicit integration schemes for structural dynamics: application to low energy impacts on composite structures

Simulation of low energy impacts on composite structures is a key feature in aeronautics. Unfortunately they are very expensive: on the one side, the structures of interest have large dimensions and need fine volumic meshes (at least locally) in order to capture damages. On the other side small time steps are required to ensure the explicit algorithms stability which are commonly used in these kind of simulations [4]. Implicit algorithms are in fact rarely used in this situation because of the roughness of the solutions that leads to prohibitive expensive time steps or even to non convergence of Newtonlike iterative processes. It is also observed that rough phenomenons are localized in space and time (near the impacted zone). It may therefore be advantageous to adopt a multiscale space/time approach by splitting the structure into several substructures owning there own space/time discretization and their own integration schemes. The purpose of this decomposition is to take advantage of the specificities of both algorithms families: explicit scheme focuses on rough areas while smoother (actually linear) parts of the solutions are computed with larger time steps with an implicit scheme. We propose here an implementation of the Gravouil-Combescure method (GC) [1] by the mean of low intrusive coupling between the implicit finite element analysis (FEA) code Z-set and the explicit FEA code Europlexus. Simulations of low energy impacts on composite stiffened panels are presented. It is shown on this application that time step ratios up to 5000 can be reached. However, computations related to the explicit domain still remain a bottleneck in terms of cpu time

Atom Interferometry and Inertial Sensors

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