A neural network-based data-driven local modeling of spotwelded plates under impact

Solving large structural problems with multiple complex localized behaviors is extremely challenging. To address this difficulty, both intrusive and non-intrusive Domain Decomposition Methods (DDM) have been developed in the past, where the refined model (local) is solved separately in its own space and time scales. In this work, the Finite Element Method (FEM) at the local scale is replaced with a data-driven Reduced Order Model (ROM) to further decrease computational time. The reduced model aims to create a low-cost, accurate and efficient mapping from interface velocities to interface forces and enable the prediction of their time evolution. The present work proposes a modeling technique based on the Physics-Guided Architecture of Neural Networks (PGANNs), which incorporates physical variables other than input/output variables into the neural network architecture. We develop this approach on a 2D plate with a hole as well as a 3D case with spot-welded plates undergoing fast deformation, representing nonlinear elastoplasticity problems. Neural networks are trained using simulation data generated by explicit dynamic FEM solvers. The PGANN results are in good agreement with the FEM solutions for both test cases, including those in the training dataset as well as the unseen dataset, given the loading type is present in the training set

Caractérisation et modélisation de l'endommagement des composites bobinés. Application à la prédiction de l'éclatement des réservoirs bobinés hyperbares

Un modèle d endommagement dédié aux composites bobinés est développé à partir des outils de lamécanique de l endommagement continu, de la thermodynamique des processus irréversibles et dela théorie de représentation des fonctions tensorielles. La particularité de ce modèle est l utilisationd une approche à directions fixes de l endommagement qui associe à chaque mode de dégradationdes variables internes scalaires et des tenseurs directionnels. La rupture des fibres (considéréecomme probabiliste), les fissurations tant matricielles, que hors plan ou provoquées par lecisaillement sont ainsi prises en compte. Le modèle est capable de reproduire, dans un contextetridimensionnel imposé par les fortes épaisseurs de composite, la perte de rigidité, l interaction entreanisotropies initiale et induite, la non linéarité du comportement, les déformations résiduelles et laviscosité en cisaillement. Afin de valider cette approche, le comportement thermomécaniqued éprouvettes issues de structures bobinées a été caractérisé grâce à des essais de traction multi instrumentés (vidéo traction, émission acoustique,...). On montre que le modèle est capable nonseulement de simuler la réponse mécanique macroscopique de ces échantillons, mais également dereproduire l émission acoustique enregistrée, de distinguer les différentes formesd endommagement et de prédire précisément l éclatement des réservoirs hyperbares.A damage model dedicated to wound composite is developed by using the tools of continuousdamage mechanics, irreversible processes thermodynamics and the representation theory of tensorfunctions. The particularity of this model is the use of a fixed directions approach of damage whichassociates each degradation mode to internal scalar variables and directional tensors. Fiber breakage(considered probabilistic), matrix cracking (transverse, out-of-plane or caused by shear) are thustaken into account. The model is able to reproduce, in a three-dimensional context imposed bythick composite layers, loss of strength, interaction between initial and induced anisotropy, nonlinearitybehavior, residual strain and shear viscosity. To validate this approach, thermo mechanicalbehavior of specimens from the wound structures was characterized by tensile multi - instrumentedtests (video - traction, acoustic emission, ...). We show that the model is able to simulate not onlythe macroscopic mechanical response of these samples, but also to reproduce the recorded acousticemission to distinguish the various forms of damage and to accurately predict the burst ofhyperbaric tanks.POITIERS-ENS Mécanique Aérot (860622301) / SudocSudocFranceF

Recherche d'une méthodologie pour la simulation des réservoirs de carburant à parois souples subissant un drop test

Le sujet principal de cette contribution porte sur la recherche d'une méthodologie pour la simulation des réservoirs de carburant à parois souples subissant un drop test. Ces réservoirs sont couramment utilisés pour des applications aérospatiales et doivent remplir plusieurs fonctions, à savoir, empêcher la sortie du carburant lors d'un impact par balle et assurer l'étanchéité lors d'un crash. Ces réservoirs sont composés de plusieurs matériaux différents, parmi lesquels nous trouvons des composites à matrice élastomère et des mousses auto-obturantes. Dans le cadre du projet BALLOO (maître d'?uvre : la société PRONAL), un démonstrateur de réservoir innovant sera fabriqué (géométrie empruntée à la norme MIL-DTL-27422E) et testé suivant les préconisations de la norme européenne CS27 ou CS29. La simulation devient un élément incontournable pour guider les choix de design et caractéristiques des éléments utilisés (épaisseur, zones d'assemblages, géométrie). Néanmoins, une méthodologie pour l'usage industriel s'avère nécessaire étant donné le caractère exotique de la structure, le chargement, les matériaux et l'interaction fluide-structure. Deux approches sont envisagées pour la simulation du drop test : - une modélisation du type ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian), jugée plus proches de la physique grâce, en partie, à l'existence des lois matériaux bi phasiques pouvant représenter la présence d'une mélange eau ? air dans un même composante. Dans cette modélisation, le fluide est maillé par des éléments volumiques hexaédriques conformes avec la maille de la paroi du réservoir.   - une modélisation du fluide par SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), a priori plus robuste et mieux adaptée à une démarche de conception et optimisation industrielle. Dans ce cas, deux composantes différentes sont créées pour représenter l'air et l'eau respectivement. La technique de paroi SPH est utilisée pour contourner certains problèmes liés à l'interaction de la paroi et les particules fluides, comme la formation des vides non physiques lors d'une expansion de la paroi. Ces deux approches seront comparées en termes de qualité de résultat, robustesse, simplicité de mise en données, et utilisées pour établir la meilleure géométrie du réservoir ainsi que la position des zones de recouvrement des tissus dans la paroi. Une deuxième problématique concerne la loi matériau relative à la paroi du réservoir, il s'agit d'introduire un comportement dépendant de la vitesse de déformation, à partir d'une loi de base programmée sans cette dépendance. Une 1ère idée est l'utilisation de 2 lois matériaux différentes appliquées à 2 éléments finis différents qui partagent les mêmes n?uds (éléments confondus) : avec une loi tissu pour la toile résistante anti-crash (sans viscosité) et une loi matériau hyper-élastique Ogden/Mooney-Rivlin pour l'enduction caoutchouc (avec viscosité). L'analyse qualitative du comportement pour explorer la faisabilité et les capacités de ce type de modélisation par éléments confondus a soulevé des difficultés d'identification paramétrique. Une 2ème idée, si une telle simplification est possible (par exemple en phase de pré-dimensionnement), est l'utilisation d'une loi matériaux composites orthotropes pour éléments coques : comportement élastique linéaire orthotrope en deçà de la limite d'élasticité, puis, comportement non linéaire dissipatif (selon critère de Tsai-Wu) et un critère de rupture (par exemple, valeur maximale d'un travail de déformation anélastique ou déformation maximale en tension). L'ajout de viscosité dans la partie linéaire se ferait ici par introduction d'une série de Prony, mais l'identification paramétrique reste difficile sur toute la gamme de vitesses de déformation. Ces simulations seront faites à l'aide du code de dynamique explicite Altair RADIOSS de la suite Altair Hyperworks

Prédiction déterministe vs probabiliste de l'éclatement de réservoirs bobinées

La rupture des réservoirs en composite bobiné dédiés au stockage de l’hydrogène est un phénomène caractérisé par une importante dispersion de la pression d’éclatement, due non seulement à la variabilité intrinsèque des propriétés des fibres, mais également à la difficulté d’imposer, lors de la fabrication, une répartition homogène des fibres. Afin d’estimer cette dispersion, on propose une version probabiliste d’un modèle d’endommagement déterministe à directions fixes destiné aux matériaux composites bobinés carbone – époxy. Dans ce modèle, un ensemble de directions associées aux modes d’endommagement est choisi et fixé a priori. Ces directions sont représentées par différents tenseurs Ni. Des variables scalaires sont associées à chacune de ces directions pour représenter l’évolution des différents phénomènes, que sont la rupture des fibres, la fissuration matricielle, la micro fissuration et décohésion fibre matrice, l’endommagement hors plan, les déformations de cisaillement résiduelles et la viscosité de la matrice. Toutes ces variables internes entrent dans la définition d’un potentiel thermodynamique construit à l’aide de la théorie de représentation des fonctions tensorielles. Deux sources différentes de variabilité sont introduites : le taux volumique des fibres et la variabilité de la contrainte à rupture de la fibre seule. En utilisant une loi des mélanges, on estime la contrainte à rupture du composite dans la direction des fibres. On utilise ce modèle pour prédire l’éclatement des réservoirs de type IV fabriqués dans le cadre du projet ANR OSIRHYS IV. On implémente le modèle dans le logiciel ABAQUS via une subroutine UMAT. Des simulations axisymétriques et 3D sont réalisées. On compare les simulations déterministe et probabiliste de la pression à rupture ainsi que les courbes de déplacement axial et radial en fonction de la pression. Ces courbes montrent que la prise en compte du caractère probabiliste de l’endommagement permet de retrouver les résultats issus d’essais

OSIRHYS IV - Qualification des codes pour la prédiction du comportement mécanique des structures composites des réservoirs embarqués de stockage à 700 bars de l'hydrogène

International audienceLe stockage de l'hydrogène reste un point clé pour le déploiement à grande échelle des applications piles à combustible. Pour le moment, le stockage d'hydrogène gazeux à haute pression dans des réservoirs de type IV reste la meilleure technologie. Mais il est nécessaire d'atteindre une réduction significative des coûts de ces systèmes de stockage. Une optimisation de la structure composite par des simulations numériques est nécessaire. Le but du projet OSIRHYS IV est de développer et valider des méthodes et modèles pour l'optimisation et le design de réservoir haute pression avec connaissance de niveaux d'incertitudes. Les premières simulations d'éclatement ont été effectuées et les résultats de calculs en statique linéaire ont été comparés aux données expérimentales. Les comparaisons portent sur les masses des composants, la pression et le mode d'éclatement et des déplacements locaux. Les résultats montrent que l'analyse en statique linéaire utilisant des modèles 3D et axisymétriques peut déjà prédire avec une précision raisonnable le comportement radial du réservoir dans le cas d'un éclatement sain. Néanmoins, l'amélioration des modèles est nécessaire pour atteindre de meilleures performances. Cela passe par la connaissance des matériaux, de la géométrie du réservoir et des lois de comportements

OSIRHYS IV - Qualification des codes pour la prédiction du comportement mécanique des structures composites des réservoirs embarqués de stockage à 700 bars de l'hydrogène

International audienceLe stockage de l'hydrogène reste un point clé pour le déploiement à grande échelle des applications piles à combustible. Pour le moment, le stockage d'hydrogène gazeux à haute pression dans des réservoirs de type IV reste la meilleure technologie. Mais il est nécessaire d'atteindre une réduction significative des coûts de ces systèmes de stockage. Une optimisation de la structure composite par des simulations numériques est nécessaire. Le but du projet OSIRHYS IV est de développer et valider des méthodes et modèles pour l'optimisation et le design de réservoir haute pression avec connaissance de niveaux d'incertitudes. Les premières simulations d'éclatement ont été effectuées et les résultats de calculs en statique linéaire ont été comparés aux données expérimentales. Les comparaisons portent sur les masses des composants, la pression et le mode d'éclatement et des déplacements locaux. Les résultats montrent que l'analyse en statique linéaire utilisant des modèles 3D et axisymétriques peut déjà prédire avec une précision raisonnable le comportement radial du réservoir dans le cas d'un éclatement sain. Néanmoins, l'amélioration des modèles est nécessaire pour atteindre de meilleures performances. Cela passe par la connaissance des matériaux, de la géométrie du réservoir et des lois de comportements

A data-driven approach using Neural Networks for real-time modeling and simulation of structures with many welded points under impact

International audienceLarge structural problems with complex localized behaviour are extremely difficult to solve. In the past, intrusive and non-intrusive domain decomposition methods (DDMs) have been developed to address this challenge. To further reduce computational time, a data-driven neural network-based metamodeling of the local scale is proposed here, which could establish an efficient and accurate mapping from interface velocities to interface forces and predict their time evolution, in the context of dynamics problems. It is difficult to obtain direct input-output relationships in explicit dynamics because these quantities are highly noisy by nature. To address this fundamental problem, we develop a new architecture called Physics-Guided Neural Networks (PGNN) . The key idea is to inject high-fidelity simulation quantities (such as displacement, stress, strain, and so on) from the local domain between the input and output layers of NN to improve learning within a solution space. In this study, we only inject one of these quantities, displacement. It can also account for unmodeled physics with fewer experimental data by imposing fundamental solid mechanics principles. The proposed method is exemplified by a spotwelded plates undergoing rapid deformation. The neural networks are trained with explicit FEM solver-generated simulation data. The PGNN results are in good agreement with the FEM solutions for both the training dataset and the unseen dataset test cases. At the conference, a preliminary implementation of a local/global coupling framework for explicit dynamics with a developed metamodel will be presented