Comportement mécanique des matériaux quasi-fragiles sous sollicitations cycliques : de l’expérimentation numérique au calcul de structures.

Macroscopic mechanical behavior models are developed for their light computational costs, allowing the simulation of large structural elements, and the precise description of mechanical phenomena observed by the material at lower scales. Such constitutive models are here developed in the seismic solicitation framework, therefore implying cyclic alternate loadings at the material scale, and applied to civil engineering buildings, often made of concrete, or more generally of quasi-brittle materials. To date, macroscopic models applicable to structural computations, while representing the cyclic mechanical behavior are rare. In consequence of the intricacy of the fracture processes to homogenize, macroscopic constitutive models either do not present sufficient robustness or miss on important phenomena. One of the limitations to the resolution of this issue is the lack of experimental data. Indeed, because of the complexity of the experiments to set up, few results on alternate cyclic tests on concrete are available in the literature.A virtual testing approach has therefore been established on a microscopic model of the material, able to provide results needed to the formulation and the calibration of a macroscopic model. In the microscopic model, the material is considered as structure itself, it is developed so as to only necessitate a reduced amount of results from controlled experimental tests, in order to be used. The microscopic model, a lattice discrete element model, has been developed on the basis of an existing lattice model and extended to the simulation of multi-axial and cyclic loadings. The microscopic model has then been validated as a virtual testing tool and used to establish equations of the macroscopic model, on the basis of damage and plasticity theories. The consistency of the proposed constitutive relation, embedding progressive unilateral effect, has been achieved using non-linear elasticity. The macroscopic model has finally been calibrated, entirely with the microscopic model, and employed to simulate the response of a reinforced concrete wall under alternate shear loading. This simulation has served to showcase the numerical robustness of the proposed model, as well as the significant contribution of the uni-axial alternate behavior of concrete to the structural damping of such structures.Les modèles de comportement mécanique, dits macroscopiques, sont développés à la fois pour leur légèreté, permettant le calcul d’éléments structuraux pouvant atteindre d’importantes dimensions, et pour leur finesse de représentation des phénomènes mécaniques observés par le matériau à des échelles plus fines. Le développement de tels modèles est ici effectué dans le cadre de la sollicitation sismique, donc des chargements cycliques alternés, appliquée à des ouvrages en matériaux quasi-fragiles, et plus précisément en béton. À ce jour, les modèles macroscopiques, effectivement applicables au calcul de structures, et représentatifs du comportement cyclique du béton sont encore rares. En conséquence de la complexité du problème de fissuration à homogénéiser, les modèles macroscopiques existants affichent une robustesse limitée ou ne permettent pas de reproduire l’ensemble des phénomènes mécaniques observés par le matériau. Une des barrières à la résolution de ces deux problématiques est le manque de données expérimentales relatives aux phénomènes à modéliser. En effet, en cause de la difficulté technique de les réaliser, peu de résultats d’essais cycliques alternés sur du béton sont disponibles dans la littérature.
Une démarche d’expérimentation numérique a donc été élaborée sur la base d’un modèle fin du matériau, dit microscopique, capable de fournir les résultats nécessaires à la formulation et à l’identification d’un modèle macroscopique. Dans le modèle microscopique le matériau est considéré comme une structure à part entière, il a été développé afin de ne nécessiter qu’une quantité réduite de résultats d’essais, maîtrisés, pour être mis en oeuvre. Le modèle microscopique, un modèle particulaire lattice, a été développé sur la base d’un modèle lattice existant, enrichi pour être en mesure de simuler le comportement des matériaux quasi-fragiles sous chargements multi-axiaux et cycliques. Le modèle microscopique a alors été validé en tant qu’outil d’expérimentation numérique, et exploité afin d’établir les équations constitutives du modèle macroscopique fondées sur les théories de l’endommagement et de la plasticité. La régularité de la relation de comportement proposée, intégrant un effet unilatéral progressif, a notamment été garantie par l’utilisation d’un modèle d’élasticité non-linéaire. Le modèle macroscopique a finalement été calibré, entièrement, à l’aide du modèle microscopique, et mis à l’oeuvre dans la simulation de la réponse d’un voile en béton armé soumis à un chargement de cisaillement cyclique alterné. Cette simulation a permis de mettre en avant la robustesse numérique du modèle développé, ainsi que la contribution significative du comportement uni-axial cyclique alterné du béton à l’amortissement de telles structures

Large-Scale Molecular Dynamics Elucidates the Mechanics of Reinforcement in Graphene-Based Composites

Using very large-scale classical molecular dynamics we examine the mechanics of nano-reinforcement of graphene-based nanocomposites. Our simulations show that significant quantities of large, defect-free and predominantly flat graphene flakes are required for successful enhancement of materials properties in excellent agreement with experimental and proposed continuum shear-lag theories. The critical length for enhancement is approximately 500nm and 300nm for graphene and GO respectively. The reduction of Young's modulus in GO results in a much smaller enhancement of the composite's Young's modulus. The simulations reveal that the flakes should be aligned and planar for optimal reinforcement. Undulations substantially degrade the enhancement of materials properties

Une nouvelle loi constitutive pour la description du comportement cyclique des matériaux quasi-fragiles : effet unilatéral régularisé et effets hystérétiques

Une nouvelle loi de comportement visant à étudier le comportement du béton sous chargement cyclique est proposée. La formulation de la loi repose en partie sur une approche par expérimentation numérique à l'aide d'un modèle de type lattice. Ainsi, une prise en compte de l'effet unilatéral régularisé est proposée afin de décrire le phénomène de refermeture progressif des fissures. La loi de comportement développée a été validée à l'échelle de la structure sur le cas d'un voile en béton armé sous chargement cyclique

Ensembles are required to handle aleatoric and parametric uncertainty in molecular dynamics simulation

Classical molecular dynamics is a computer simulation technique that is in widespread use across many areas of science, from physics and chemistry to materials, biology, and medicine. The method continues to attract criticism due its oft-reported lac

Computational mechanics of multi-scale hierarchical materials

International audienc

Towards high-fidelity materials property prediction from multiscale modeling and simulation

International audienceThe current approach to materials discovery and design remains dominated by experimental testing, frequently based on little more than trial and error. With the advent of ever more powerful computers, rapid, reliable, and reproducible computer simulations are beginning to represent a feasible alternative. As high-performance computing reaches the exascale, exploiting the resources efficiently presents interesting challenges and opportunities. Multiscale modeling and simulation of materials is an extremely promising candidate for exploiting these resources based on the assumption of a separation of scales in the architectures of nanomaterials. I will present examples of concurrent multiscaling based on the heterogeneous multiscale method which benefits from the weak scaling of monolithic applications, thereby efficiently exploiting large-scale computational resources. I will also discuss our recent work on uncertainty quantification of molecular dynamics essential to design actionable multiscale simulations

Computational mechanics of multi-scale hierarchical materials

International audienc

Mechanical behavior of quasi-brittle materials under cyclic loadings : from virtual testing to structural simulations

Les modèles de comportement mécanique, dits macroscopiques, sont développés à la fois pour leur légèreté, permettant le calcul d’éléments structuraux pouvant atteindre d’importantes dimensions, et pour leur finesse de représentation des phénomènes mécaniques observés par le matériau à des échelles plus fines. Le développement de tels modèles est ici effectué dans le cadre de la sollicitation sismique, donc des chargements cycliques alternés, appliquée à des ouvrages en matériaux quasi-fragiles, et plus précisément en béton. À ce jour, les modèles macroscopiques, effectivement applicables au calcul de structures, et représentatifs du comportement cyclique du béton sont encore rares. En conséquence de la complexité du problème de fissuration à homogénéiser, les modèles macroscopiques existants affichent une robustesse limitée ou ne permettent pas de reproduire l’ensemble des phénomènes mécaniques observés par le matériau. Une des barrières à la résolution de ces deux problématiques est le manque de données expérimentales relatives aux phénomènes à modéliser. En effet, en cause de la difficulté technique de les réaliser, peu de résultats d’essais cycliques alternés sur du béton sont disponibles dans la littérature.
 Une démarche d’expérimentation numérique a donc été élaborée sur la base d’un modèle fin du matériau, dit microscopique, capable de fournir les résultats nécessaires à la formulation et à l’identification d’un modèle macroscopique. Dans le modèle microscopique le matériau est considéré comme une structure à part entière, il a été développé afin de ne nécessiter qu’une quantité réduite de résultats d’essais, maîtrisés, pour être mis en oeuvre. Le modèle microscopique, un modèle particulaire lattice, a été développé sur la base d’un modèle lattice existant, enrichi pour être en mesure de simuler le comportement des matériaux quasi-fragiles sous chargements multi-axiaux et cycliques. Le modèle microscopique a alors été validé en tant qu’outil d’expérimentation numérique, et exploité afin d’établir les équations constitutives du modèle macroscopique fondées sur les théories de l’endommagement et de la plasticité. La régularité de la relation de comportement proposée, intégrant un effet unilatéral progressif, a notamment été garantie par l’utilisation d’un modèle d’élasticité non-linéaire. Le modèle macroscopique a finalement été calibré, entièrement, à l’aide du modèle microscopique, et mis à l’oeuvre dans la simulation de la réponse d’un voile en béton armé soumis à un chargement de cisaillement cyclique alterné. Cette simulation a permis de mettre en avant la robustesse numérique du modèle développé, ainsi que la contribution significative du comportement uni-axial cyclique alterné du béton à l’amortissement de telles structures.Macroscopic mechanical behavior models are developed for their light computational costs, allowing the simulation of large structural elements, and the precise description of mechanical phenomena observed by the material at lower scales. Such constitutive models are here developed in the seismic solicitation framework, therefore implying cyclic alternate loadings at the material scale, and applied to civil engineering buildings, often made of concrete, or more generally of quasi-brittle materials. To date, macroscopic models applicable to structural computations, while representing the cyclic mechanical behavior are rare. In consequence of the intricacy of the fracture processes to homogenize, macroscopic constitutive models either do not present sufficient robustness or miss on important phenomena. One of the limitations to the resolution of this issue is the lack of experimental data. Indeed, because of the complexity of the experiments to set up, few results on alternate cyclic tests on concrete are available in the literature.A virtual testing approach has therefore been established on a microscopic model of the material, able to provide results needed to the formulation and the calibration of a macroscopic model. In the microscopic model, the material is considered as structure itself, it is developed so as to only necessitate a reduced amount of results from controlled experimental tests, in order to be used. The microscopic model, a lattice discrete element model, has been developed on the basis of an existing lattice model and extended to the simulation of multi-axial and cyclic loadings. The microscopic model has then been validated as a virtual testing tool and used to establish equations of the macroscopic model, on the basis of damage and plasticity theories. The consistency of the proposed constitutive relation, embedding progressive unilateral effect, has been achieved using non-linear elasticity. The macroscopic model has finally been calibrated, entirely with the microscopic model, and employed to simulate the response of a reinforced concrete wall under alternate shear loading. This simulation has served to showcase the numerical robustness of the proposed model, as well as the significant contribution of the uni-axial alternate behavior of concrete to the structural damping of such structures

Des simulations moléculaires et multi-échelles fiables pour sonder l’auto-assemblage des fibrilles de collagène

National audienceLes simulations numériques fondées sur la chimie théorique ont le potentiel de servir de microscopes virtuels, et ainsi de compléter les lacunes de l’expérience en laboratoire. Les simulations de modèles moléculaires peuvent être appliquées pour explorer la matière, des composites aux systèmes biologiques, afin d’en prédire leur propriétés et d’en comprendre la dynamique. Toutefois, les simulations numériques sont aujourd’hui encore trop coûteuses pour atteindre les échelles qui nous intéressent, l’échelle des propriétés et des dynamiques observables, aussi bien en temps qu’en espace. Les simulations numériques sont aussi le siège de nombreux biais et d’incertitudes, de larges campagnes de simulations sont ainsi nécessaires pour produire des prédictions exploitables. Je discuterai de récentes avancées du domaine simulation moléculaire et multi-échelle: des plus larges simulations réalisées à ce jour au coût de leur fiabilisation. Je présenterai ensuite l’application de ces méthodes à l’étude de la structure et de la dynamique d’auto-assemblage des fibrilles de collagène, deux élément clés du processus de remodelage osseux. La structure nanoscopique des fibrilles de collagène restant, à ce jour, indéterminée tout comme les mécanismes contribuant à son émergence

Des simulations moléculaires et multi-échelles fiables pour sonder l’auto-assemblage des fibrilles de collagène

National audienceLes simulations numériques fondées sur la chimie théorique ont le potentiel de servir de microscopes virtuels, et ainsi de compléter les lacunes de l’expérience en laboratoire. Les simulations de modèles moléculaires peuvent être appliquées pour explorer la matière, des composites aux systèmes biologiques, afin d’en prédire leur propriétés et d’en comprendre la dynamique. Toutefois, les simulations numériques sont aujourd’hui encore trop coûteuses pour atteindre les échelles qui nous intéressent, l’échelle des propriétés et des dynamiques observables, aussi bien en temps qu’en espace. Les simulations numériques sont aussi le siège de nombreux biais et d’incertitudes, de larges campagnes de simulations sont ainsi nécessaires pour produire des prédictions exploitables. Je discuterai de récentes avancées du domaine simulation moléculaire et multi-échelle: des plus larges simulations réalisées à ce jour au coût de leur fiabilisation. Je présenterai ensuite l’application de ces méthodes à l’étude de la structure et de la dynamique d’auto-assemblage des fibrilles de collagène, deux élément clés du processus de remodelage osseux. La structure nanoscopique des fibrilles de collagène restant, à ce jour, indéterminée tout comme les mécanismes contribuant à son émergence