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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 1.

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1 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 1 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé Groupe G 2 TR – Equipe CMAO 13 Juillet 2005 Habilitation à Diriger des Recherches Institut National Polytechnique de Toulouse Laboratoire Génie de Production - ENIT

2 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 2 Introduction et positionnement Curriculum Vitae Activités denseignement et de recherche Modélisation numérique de la coupe des métaux Mise en œuvre de modèles numériques de simulation de la coupe Synthèse des difficultés de modélisation de la coupe Lois de comportement en Grandes Transformations Formulation mécanique en Grandes Transformations Approche expérimentale Développement du code de calcul DynELA Implémentation numérique et validation du code de calcul Parallélisation du solveur Plateforme Orientée-Objets de développement Intégration de nouveaux algorithmes Développement dapplication spécifiques Conclusions et travaux futurs Sommaire de la présentation Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 2

3 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 3 Curriculum Vitae Olivier Pantalé Né le 9 mai 1969 à Cahors (Lot) Marié, 1 enfant Grades et titres 1996Doctorat de lUniversité de Bordeaux I 1992DEA de mécanique (Bordeaux I) 1992Diplôme dingénieur de Production (ENIT) Position actuelle 1998Maître de Conférences 60 ème section à lENIT

4 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 4 Historique des activités de recherche au LGP 2000200519911995 Thèse Développement numérique de DynELA Laboratoire didentification Modélisation numérique de la coupe des métaux Laboratoire PEARL J. L. Bacaria C. Sattouf I. Nistor L. Menanteau ATER Vacataire MCF section 60 Contractuel

5 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 5 Encadrement de travaux de recherche Encadrement de thèses de doctorat J. L. Bacaria (13 novembre 2001)30% Un modèle comportemental et transitoire pour la coupe des métaux C. Sattouf (30 juin 2003)40% Caractérisation en dynamique rapide du comportement de matériaux utilisés en aéronautique L. Menanteau (25 octobre 2004)50% Développement dun module de prototypage virtuel multi-physique, multi-domaine et multitemps: Application aux convertisseurs de puissance I. Nistor (début novembre 2005)30% Identification expérimentale et simulation numérique de lendommagement en dynamique rapide: Application aux structures aéronautiques Encadrement de DEA 10 stages de DEA encadrés depuis 1996

6 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 6 Activités administratives Activités liées à la recherche Membre de lassociation DYMAT Membre détaché au sein du laboratoire PEARL – ALSTOM Responsable du laboratoire didentification dynamique Responsable des moyens de calcul numériques de léquipe CMAO Activités collectives et administratives Membre titulaire du conseil dAdministration de lENIT Responsable de la coordination des enseignements de mécanique Membre de la commission informatique Membre de la commission bibliothèque

7 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 7 Activités denseignement Cours M2RGrandes Transformations Therm. Rapides12 h 5 ème AEléments finis de structures21 h 5 ème AModule optionnel CMAO9 h 5 ème ASystèmes Unix6 h 4 ème AMachines mécaniques et Turbomachines24 h 4 ème AThermodynamique24 h 4 ème AMécanique des milieux continus48 h Travaux dirigés 4 ème AMachines mécaniques et Turbomachines8 h Travaux pratiques M2RGrandes Transformations Therm. Rapides4 h 5 ème AEléments finis de structures4 h 4 ème AEléments finis linéaires4 h volumes horaires exprimés en heures équivalent TD

8 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 8 Objectif des travaux de recherche Proposer un ensemble doutils numériques et expérimentaux intégrés au sein dune plateforme de prototypage virtuel Développer sur le plan expérimental : Une plateforme didentification du comportement de matériaux soumis à de fortes sollicitations thermomécaniques. Développer sur le plan numérique : Une plateforme de simulation numérique en Grandes Transformations basée sur le code de calcul Orienté-Objets DynELA. Positionnement dans le cadre de la modélisation numérique des structures soumises à de Grandes Transformations.

9 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 9 Modélisation numérique de la coupe des métaux Mise en œuvre de modèles numériques de simulation de la coupe Synthèse des difficultés de modélisation de la coupe Sommaire de la présentation Introduction et positionnement Curriculum Vitae Activités denseignement et de recherche

10 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 10 Modélisation numérique de la coupe des métaux 2000200519911995 P. Joyot Coupe orthogonale continue O. Pantalé Coupe orthogonale et oblique 3D continue J. L. Bacaria Coupe orthogonale et fraisage 3D discontinus Formulation ALE

11 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 11 Modèles de coupe stationnaires ALE Formalisme ALE à « tendance » Eulérienne Ecoulement de la matière en régime stationnaire Actualisation des surfaces libres du modèle Modélisation de la coupe

12 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 12 Coupe orthogonale 2D P. Joyot, R. Rakotomalala, O. Pantalé, M. Touratier and N. Hakem A Numerical Simulation of Steady State Metal Cutting Journal for Mechanical Engineers, 212: 331-341, 1998 Influence du frottement Influence de lusure en cratère de loutil Champ de températures Champ de contraintes

13 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 13 Coupe orthogonale et oblique 3D O. Pantalé, R. Rakotomalala and M. Touratier An ALE Three-Dimensional Model of Orthogonal and Oblique Metal Cutting Processes International Journal of Forming Processes, 1 (3): 371-388, 1998 Modélisation tridimensionnelle Première approche numérique 3D Apports de la 3 ème dimension (gonflement latéral du copeau) Corrélation température / usure de la face de coupe Apports de la coupe oblique / coupe orthogonale

14 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 14 Coupe transitoire 2D Modèles de coupe stationnaires ALE Formalisme ALE à « tendance » Lagrangienne Critère dendommagement de Johnson-Cook Détermination expérimentale de la loi dendommagement J.L. Bacaria, O. Dalverny, O. Pantalé and R. Rakotomalala Transient Numerical models of metal cutting using the Johnson-Cook's Rupture Criterion International Journal of Forming Processes, 5: 53-70, 2002 Thèse de J.L. Bacaria

15 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 15 Coupe transitoire 3D Modèles de coupe transitoires ALE Formalisme ALE à « tendance » Lagrangienne Modélisation numérique dune opération de fraisage O. Pantalé, J. L. Bacaria, O. Dalverny, R. Rakotomalala and S. Caperaa 2D and 3D numerical models of metal cutting with damage effects Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 193 (39-41) : 4383-4399, 2004 r =120 tr/minV c =50 m/s =3 mm =30° n=8

16 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 16 Synthèse des difficultés liées à la SN de la coupe Identifier au plus près des sollicitations réelles Simplicité de mise en œuvre des essais « Universalité » des lois de comportement Développement dune plateforme didentification Approche comportementale échelle mésoscopique Grandes Transformations Thermomécaniques rapides Identification des paramètres des lois de comportement O. Pantalé, I. Nistor, O. Dalverny, E. Gorce and S. Caperaa Caractérisation du comportement dynamique des matériaux à partir dessais dimpact 1 er Séminaire Optimus - ENSAM de Bordeaux, mai 2004

17 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 17 Synthèse des difficultés liées à la SN de la coupe Utilisation de logiciels spécialisés Boites noires non adaptées à des travaux de recherche Difficultés liées au caractère commercial de ces codes Développement dun code de calcul spécifique Choix dun formalisme GT Modèles comportementaux évolués Algorithmes de contact évolués Calcul parallèle et DDM Couplage multi-physique Choix effectif au sein du laboratoire Codes de calcul commerciaux classiques non adaptés O. Pantalé and S. Caperaa Développement d'un code de calcul explicite en grandes transformations: Application à la coupe des métaux 2 ème Séminaire Optimus - ENSAM de Cluny, octobre 2004

18 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 18 Modélisation numérique de la coupe des métaux Mise en œuvre de modèles numériques de simulation de la coupe Synthèse des difficultés de modélisation de la coupe Lois de comportement en Grandes Transformations Formulation mécanique en Grandes Transformations Approche expérimentale développée au laboratoire Sommaire de la présentation

19 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 19 Formulation co-rotationnelle objective Plasticité J 2 à écrouissage isotrope/cinématique combiné Intégration basée sur lutilisation du retour radial Prédiction élastique Correction plastique Formulation hypo-élastique GT

20 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 20 Lois découlement plastique Lois découlement: Zerilli-Armstrong Johnson-Cook Ramberg-Osgood Niveau de vitesse de déformation accessible en fonction du type dessai Thèse de C. Sattouf Barres dHopkinson Essais dimpact 5.10 2 s -1 5.10 3 s -1 5.10 6 s -1 5.10 12 s -1 Techniques utilisant des explosifs

21 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 21 Integration numérique Retour radial Décomposition additive des vitesses de déformation Schéma implicite dordre 1 Prise en compte de lobjectivité Rotation Finale Instantanée n+1 n e Prédiction élastique Correction plastique O. Pantalé and S. Caperaa Development of an object-oriented finite element program: application to metal forming and impact simulations Journal of Computational and Applied Mathematics, 168: 341-351, 2004

22 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 22 Dispositif expérimental Tube Chambre de tir (sous vide) Barrière opto- electronique Mesure de vitesse Culasse et réservoir Diamètre du tube = 20 mm Longueur du tube = 1400 mm V max = 350 m/s Pression maxi = 180 bar Masse du projectile = 30 gr

23 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 23 Gamme des essais expérimentaux Essai dextrusion rapide Essai de traction dynamique Essai de cisaillement dynamique Essai de Taylor Essai de rupture dynamique

24 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 24 Extraction des réponses expérimentales Procédé macro-photographique numérique de mesure Extraction automatique des contours dune pièce Résolution: 8 µm pour un rapport macro 1:1 (capteur 16x24 mm)

25 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 25 Résultats essais Identification paramétrique Modèle Eléments Finis Paramètres identifiés Résultats numériques I. Nistor, O. Pantalé, S. Caperaa and C. Sattouf Identification of a dynamic viscoplastic flow law using a combined Levenberg-Marquardt and Monte-carlo algorithm VII Complas conference, Barcelona, 2003

26 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 26 Exemple didentification Identification à partir de deux essais dynamiques Matériau : 42CrMo4 Loi de Johnson-Cook TestA (Mpa)B (Mpa)nC Taylor8066140.1680.0089 Traction8176990.1570.0088 Essai de Taylor V i = 328 m/s Essai de traction V i = 96 m/s

27 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 27 Lois de comportement en Grandes Transformations Formulation mécanique en Grandes Transformations Approche expérimentale Développement du code de calcul DynELA Implémentation numérique et validation du code de calcul Parallélisation du solveur Sommaire de la présentation

28 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 28 Code de calcul DynELA Solveur Eléments-Finis : 80.000 lignes de code C++ Interpréteur de commande : 10.000 lignes de code C++, Lex et Yacc Post-processeur graphique : 20.000 lignes de code C++ Utilitaires : 45.000 lignes de code C++ 2000200519911995 Développement numérique de DynELA

29 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 29 Pourquoi développer un nouveau code de calcul Code Ouvert et Maîtrisé de recherche Approche recherche / boite noire Code spécialisé dans le domaine de la SN en GT Support pour le développement dalgorithmes spécialisés Formulation mécanique en GT, intégration, XFEM, DDM, … Approche informatique, parallélisation, calcul distribué, … Evolutions du logiciel et développement à la demande Plateforme de développement Orientée-Objets Déclinaison dapplications spécialisées Consolidation des connaissances en GT Utilisation didactique dans la formation M2R Support pour le cours de Grandes Transformations

30 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 30 Formulation mécanique Formulation Lagrangienne réactualisée en Grandes Transformations Intégration explicite -généralisé de Chung-Hulbert (X,t) x référence X X x courante Description Lagrangienne

31 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 31 Transfert des données au sein de la plateforme Fichier source Parser Lex & Yacc Solveur FEM Postprocesseur graphique I/O Ideas Abaqus Fichiers résultats Sorties ps, pdf, mpeg Extracteur script

32 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 32 Interpréteur de commandes Ecrit en Lex et Yacc Langage OO proche du C++ Concepts mathématiques Tests (if, then et else) Boucles (for et while) I/O cout, fopen, fclose et << Génération automatique Définition par fichiers en-tête Fichiers C++, Lex et Yacc M. à j. automatique documentation Langage de commande Orienté-Objets O. Pantalé Manuel utilisateur du code de calcul DynELA v 1.0 LGP ENI Tarbes, 2003

33 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 33 Interface graphique du post-Processeur Interface 3D OpenGL Menu principal Boutons

34 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 34 Organisation interne des classes Données nodales telles que les coordonnées Quantités nodales (2 instances, t et t+ t) Points dintégration Classe de base virtuelle servant pour tous les éléments Définition des matériaux et lois découlement Définition du domaine de calcul Interface entre le domaine et les fichiers de données Interface de contact et gestion du frottement Classes élément dérivées dépendant de la topologie et de la nature de lélément

35 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 35 Organisation interne des classes

36 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 36 Validation numérique (1/2) Traction dun barreau cylindrique

37 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 37 Validation numérique (2/2) Mur rigide Vitesse initiale = 227 m/s Cylindre cuivre 5x50 elements Contact sans frottement -21.427.15Liu 3.0421.437.13Metafor 3.2321.487.08Abaqus 3.2121.427.12DynELA lflf rfrf code Comparaison des résultats numériques Loi découlement: l 0 =32.4 mm r 0 =6.4 mm O. Pantalé An object-oriented programming of an explicit dynamics code: Application to impact simulation Advances in Engineering Software, 33 (5):297-306, 2002

38 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 38 Architecture à Mémoire Distribuée Chaque processeur possède sa propre mémoire. Pas dinterférences des données entre processeurs. Définition explicite des échanges de données entre processeurs. Avantages: Mémoire proportionnelle au nombre de processeurs. Accès rapide à la zone mémoire par les processeurs. Inconvénients: Responsabilité des communications au programmeur. Difficultés de parallélisation dun programme existant.

39 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 39 Architecture à Mémoire Partagée Processeurs partageant la même ressource mémoire. Changements en mémoire visibles globalement. Compaq Proliant 8000 8 Intel Xeon 550 / 2Mb cache 5 Gb RAM Redhat Linux 8.0 Compiler Intel C++ 7.1 OpenMP Avantages: Adressage mémoire global. Proximité de la mémoire et des processeurs. Inconvénients: Mémoire non proportionnelle au nombre de processeurs. Synchronisations sous la responsabilité du programmeur. Nombre limité de processeurs dû à larchitecture.

40 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 40 Parallélisation OpenMP SérieForkCalcul parallèleJoinSérie Perte pure Pertes / calcul série

41 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 41 Calcul des forces internes (1/5) Calcul des forces internes pour chaque élément Assemblage des vecteurs de forces internes locaux Parallélisation simple Parallélisation délicate O. Pantalé and S. Caperaa Strategies for a parallel 3D FEM code: Application to impact and crash problems in structural mechanics Coupled Problems - Santorini Island, 25-28 may 2005

42 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 42 Calcul série 1+2 = ? =3 Processeur Mémoire 1 +2 3 23

43 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 43 Calcul parallèle (1/2) 1+2+3 = ? =4 Processeur 1 Mémoire Processeur 2 Nécessité de synchronisations 1 +3 2 4 5 354

44 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 44 Calcul parallèle (2/2) 1+2+3 = ? =6 Processeur 1 Mémoire Processeur 2 1 +3 2 +4 4 6 3 4 6

45 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 45 Calcul des forces internes (2/5) Parallélisation directe sans modification de la structure du code Vector Fint; for (int elm = 0; elm < elements.size (); elm++) { Vector FintElm; elements(elm).computeInternalForces (FintElm); Fint.gatherFrom (FintElm, elements(elm)); } Vector Fint; #pragma omp parallel for for (int elm = 0; elm < elements.size (); elm++) { Vector FintElm; elements(elm).computeInternalForces (FintElm); #pragma omp critical Fint.gatherFrom (FintElm, elements(elm)); } Utilisation dune directive critical Variables locales Fint variable globale

46 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 46 Calcul des forces internes (3/5) Utilisation dun vecteur privé pour Fint dans chaque thread Vector Fint; for (int elm = 0; elm < elements.size (); elm++) { Vector FintElm; elements(elm).computeInternalForces (FintElm); Fint.gatherFrom (FintElm, elements(elm)); } // parallel computation #pragma omp parallel { Element* element; int thread = omp_get_thread_num(); while (element = elements.next()) { Vector FintElm; element->computeInternalForces (FintElm); FintLocal[thread].gatherFrom (FintElm, element); } // parallel gather operation #pragma omp parallel for for (int row = 0; row < Fint.rows(); row++) { for (thread = 0; thread < threads; thread++) Fint(row) += FintLocal[thread](row); } Pas de directives « critical »

47 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 47 Calcul des forces internes (4/5) Gestion de la répartition des éléments / processeur // parallel computation #pragma omp parallel { Element* element; int thread = omp_get_thread_num(); while (element = elements.next()) { Vector FintElm; element->computeInternalForces (FintElm); FintLocal[thread].gatherFrom (FintElm, element); } // parallel gather operation #pragma omp parallel for for (int row = 0; row < Fint.rows(); row++) { for (thread = 0; thread < threads; thread++) Fint(row) += FintLocal[thread](row); } // parallel computation #pragma omp parallel { Element* element; Job* job = jobs.getJob(); int thread = jobs.getThreadNum(); while (element = job->next()) { Vector FintElm; element->computeInternalForces (FintElm); FintLocal[thread].gatherFrom (FintElm, element); } // parallel gather operation #pragma omp parallel for for (int row = 0; row < Fint.rows(); row++) { for (thread = 0; thread < threads; thread++) Fint(row) += FintLocal[thread](row); }

48 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 48 Equilibrage de la charge des processseurs Variation du temps CPU dû à la correction plastique Prédiction impossible à effectuer Element Job +elements: List +waitingTime: Real +next(): element +waitOthers(): void Jobs +job: Job +wasteOfTime: Real +equilibrate(): void +init(elements:List ): void +getMaxThreads(): int +getJob(): Job +getThreadNum(): int Equilibrage dynamique Coût de léquilibrage minimal Intégration explicite Distribution spatiale élément/processeur quelconque Pas de problème interfacial Traitement temps réel Minimisation des temps dattente des processeurs O. Pantalé Parallelization of an object-oriented fem dynamics code: Influence of the strategies on the speedup Advances in Engineering Software, 36 (6):361-373, 2005

49 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 49 - Suppression totale de la directive #pragma omp critical - Equilibrage dynamique - Opération dassemblage optimisée Calcul des forces internes (5/5) jobs.init(elements); // list of jobs to do (instance of class Jobs) int threads = jobs.getMaxThreads(); // number of threads Vector Fint = 0.0; // internal force Vector Vector FintLocal[threads]; // local internal force vectors #pragma omp parallel { Element* element; Job* job = jobs.getJob(); // get the job for the thread int thread = jobs.getThreadNum(); // get the thread Id while (element = job->next()) { Vector FintElm; // element force vector element->computeInternalForces (FintElm); FintLocal[thread].gatherFrom (FintElm, element); } job->waitOthers(); // compute waiting time for the thread } // end of parallel region // parallel gather operation #pragma omp parallel for for (int row = 0; row < Fint.rows(); row++) { // assemble local vectors into global internal vector for (thread = 0; thread < threads; thread++) Fint(row) += FintLocal[thread](row); } // end of parallel for loop // equilibrate the sub-domains jobs.equilibrate(); 8.35 Speedup > Ncpu « Superlinear Speedup »

50 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 50 Performances globales de la version parallèle 1420 Élements quadrilatères 4 noeuds Loi découlement: Masse projectile = 44.1 gr Vitesse impact = 80 m/s code max longueurdiamètreépaisseur DynELA0.26050.8410.070.857 Abaqus0.25950.8410.080.856

51 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 51 de 329 à 411 éléments / thread Performances globales de la version parallèle Speedup global = 5.61 1 proc8 procSpeedup Time step78.510.67.40 Predictions18.813.71.37 matrices int74.29.18.16 Forces int949.4140.76.74 Explicit sol37.028.01.32 End step5.44.91.10 Total1164.1207.45.61 Gain possible : 40 à 50 secondes

52 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 52 Influence de lobjectivité en GT Cisaillement dun cube en déformations planes Solver::setRFI(Boolean) Comportement élastique: 1 m e =10 m Jaumann Lie Avec objectivité Sans objectivité

53 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 53 Utilisation pédagogique de DynELA Mise en évidence du vérouillage volumique Intégration réduite sélective (-1,-1)(+1,-1) (+1,+1)(-1,+1) Point d'intégration Point de sous-intégration g1g2 g3g4 y r g1g2 g3 g4 Solver::setUnderIntegratePressure(Boolean) Vérouillage volumique

54 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 54 Développement du code de calcul DynELA Implémentation numérique et validation du code de calcul Parallélisation du solveur Plateforme Orientée-Objets de développement Intégration de nouveaux algorithmes Développement dapplication spécifiques Sommaire de la présentation

55 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 55 Plateforme de développement Orientée-Objets But des travaux Utiliser les librairies de DynELA comme plateforme de développement Développer et tester de nouvelles approches Décomposition multi-domaine et multi-temps Approche multi-physique Formulation X-FEM Capitaliser les développements réalisés dans DynELA Besoins Plateforme de développement stabilisée Approche Orientée-Objets Développements en équipe Moyens annexes Outils de développement en équipe (cvs, support Web, forum, …)

56 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 56 Collaboration avec le laboratoire PEARL Moteur Approche multi-physique - Electrique (passive et active) - Thermique (conduction et convection) - Mécanique (thermo-élasticité) Multi-physique Multi-domaine Muti-pas de temps Solveur MulphyDo Thèse de L. Menanteau L. Menanteau, O. Pantalé and S. Caperaa A multigrid method for the thermomechanical behaviour simulation applicated to power electronics converter VII Complas conference, Barcelona, 2003

57 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 57 Décomposition en sous-domaines (1/2) Décomposition du domaine de calcul Domaine de calcul Sous-domaine 1Sous-domaine 2 Interface Résolution du problème interfacial Résolution des sous-problèmes locaux Parallélisation Construction du problème interfacial + Interface L. Menanteau, O. Pantalé and S. Caperaa A coupled electro-thermo-mechanical FEM code for large scale problems including multi-domain and multiple time-step aspects Coupled Problems 2005 – Santorini Island, 25-28 mai 2005

58 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 58 Décomposition en sous-domaines (2/2) Résolution sur les sous-domaines λ non flottant flottant Problème interfacial

59 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 59 Validation de MulPhyDo Validation du solveur mécanique multi-domaine Intégration implicite de Newmark MulPhyDo : β=0.5 et γ=0.25 Abaqus 6.3: β=0.55 et γ=0.276 Dimensions: 10 x 1 x 1 m F = 2.205 10 6 N E = 10 9 Pa ν = 0,25 t F 0 0.001 s 0.002 s 8 sous-domaines

60 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 60 Application aux convertisseurs de puissance DBC supérieur Connecteurs Puce silicium 1 2 3 4 L. Menanteau, O. Pantalé and S. Caperaa A methodology for large scale Finite Element models including multi-physics, multi-domain and multi-timestep aspects submitted to Finite Element in Analysis and Design

61 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 61 Modélisation numérique de la fissuration Approche X-FEM Utilisation de fonctions enrichies de type Heaviside Modélisation numérique de la fissuration « intra » éléments Pas de remaillage de la structure Thèse de I. Nistor ddl classiques ddl enrichis

62 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 62 Critère de propagation de fissure Critères de propagation de la fissure Indépendance / au maillage de la pièce Critère identifié à partir dessais expérimentaux Modèle de cohésion Lèvres de la fissure Zone endommagée Zone vierge discontinuité de déplacement contrainte de cohésion GFGF crit max I. Nistor, O. Pantalé and S. Caperaa Numerical implementation of the extended finite element method for dynamic crack analysis submitted to Computers and Structures

63 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 63 Etude stationnaire en mode I I. Nistor, O. Pantalé, and S. Caperaa. Numerical implementation of the extended finite element method for dynamic crack analysis. In VIII international Conference on Computational Plasticity, Barcelona, 2005

64 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 64 Essai dimpact dynamique Approche expérimentale Modélisation X-FEM Propagation de fissure dynamique V i = 67 m/s

65 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 65 Application à la mise en forme Fédération des connaissances sur la mise en forme des tôles minces dans une plateforme de prototypage virtuel Identification des lois de comportement Détermination des lois dendommagement Modélisation numérique du processus demboutissage Validation sur exemple industriel (SPRIA) Thèse de F. Abbassi Thèse en cotutelle avec lESSTT Endommagement des structures lors du processus de mise en forme par emboutissage Tenue structurelle pour des sollicitations dynamiques (Airbag)

66 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 66 Plateforme Orientée-Objets de développement Intégration de nouveaux algorithmes Développement dapplication spécifiques Sommaire de la présentation Conclusions et travaux futurs

67 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 67 Travaux réalisés Création du groupe de travail G2TR au sein de léquipe CMAO Contributions dans le domaine de la SN en GT Activités liées à la SN de la coupe des métaux (1991-2001) Modèles numériques de coupe 2D, 3D en tournage et fraisage Mise en œuvre du laboratoire didentification ICMS-G2TR Procédure didentification numérique Développement dessais spécifiques Développement du code de calcul DynELA Intégration et développement dalgorithmes spécifiques Plateforme de développement numérique OO en C++ Diffusion du code de calcul sous forme de Live CD

68 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 68 Production scientifique Travaux scientifiques Encadrement doctoral Articles Communications DEAThèses avec actessans actes 9185104 241

69 Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides Olivier Pantalé – 13 Juillet 2005 69 Principales perspectives de travaux Amélioration de lapproche expérimentale Développement de nouveaux essais expérimentaux Développement de nouvelles procédures didentification Développement du code de calcul DynELA Développement de nouveaux algorithmes Développement des aspects contact et comportement volumique Travaux complémentaires concernant la parallélisation du code Développement dapplicatifs dédiés (MulPhyDo v.2.0) Diffusion du code de calcul DynELA et de ses applicatifs Distribution du code de DynELA et des « produits dérivés » Développement de collaborations avec des laboratoires externes Mise en place dun support technique et dun serveur web


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