Extensions de la th´eorie de l’homog´en´eisation au non-lin´eaire

M, ^"M et le d´eplacement macroscopique u^M = u₀. Le comportement

ho-mog´en´eis´e, macroscopique s’´ecrit :K^M =<K+KH>ω.

Bilan et limitations pour notre ´etude

Cette approche constitue une v´eritable strat´egie de calcul `a deux ´echelles. Elle met en place un probl`eme `a l’´echelle macroscopique et permet de remonter aux propri´et´es locales de la solution. En effet, connaissant le d´eplacement macro-scopiqueu<sup>M</sup>, il est possible de d´eterminer le champ de contraintes locales<sup>m</sup> par l’op´erateur de localisation (K+KH). Cependant, l’approche repose sur deux hypoth`eses fortes : la p´eriodicit´e et un rapport d’´echelle tr`es grand (ǫ pe-tit). L’hypoth`ese de p´eriodicit´e ne permet pas d’homog´en´eiser le mat´eriau pr`es des bords ou des zones `a forts gradients o`u cette hypoth`ese n’est plus v´erifi´ee.

Pour illustrer ce point, consid´erons l’exemple de la figure 1.3 repr´esentant une structure composite [0,90]_s id´ealis´ee et ´etudi´ee dans les travaux de [Loiseau 2001]. La figure 1.4 repr´esente la valeur d’un indicateur d’erreur ξE rendant compte pour chaque mailleEde la non v´erification des conditions de transmis-sion en effort et en d´eplacement entre cette mailleEet ses voisines, l’hypoth`ese de p´eriodicit´e de la solution microscopique ayant ´et´e faite. La carte de cet indi-cateur montre des valeurs ´elev´ees pr`es des bords et dans les zones de transition entre les diff´erentes couches de composites. Des traitements sp´ecifiques des ef-fets de bord ont ´et´e propos´es dans [Auriel et al. 1982, Dumontet 1986, Lecuyer et al. 1987].

1.1.2 Extensions de la th´eorie de l’homog´en´eisation au non-lin´eaire

Encourag´ees par l’accroissement des puissances de calcul, des extensions de la th´eorie classique de l’homog´en´eisation des milieux p´eriodiques ont ´et´e propos´ees

1 Strat´egies de calcul multi´echelles

1 mm 240 mm

144 mm

Figure 1.3: Structure composite[0,90]_s id´ealis´ee, encastr´ee `a une extr´emit´e et sol-licit´e `a un d´eplacement horizontal `a l’autre extr´emit´e

dans le cadre du non-lin´eaire. Ces approches reposent sur l’id´ee suivante : au lieu de chercher `a identifier un mod`ele de comportement non-lin´eaire macroscopique, d´efini a priori, au moyen de la th´eorie de l’homog´en´eisation des milieux p´eriodiques, le comportement macroscopique de la structure est dict´e par un calcul men´e sur la microstructure. Ces calculs microscopiques, g´en´eralement r´ealis´es sur une cellule

´el´ementaire de mani`ere concurrente au calcul macroscopique men´e sur la structure, ont pour entr´ee le champ de d´eformation macroscopique et pour sortie le champ de contrainte macroscopique. La r´esolution du probl`eme macroscopique est g´en´era-lement r´ealis´ee par une m´ethode ´el´ements finis classiques. Les probl`emes microsco-piques peuvent ˆetre r´esolus par une technique ´el´ements finis ´egalement [Smit et al.

1998, Feyel et Chaboche 2000] ou par des techniques comme la «Vorono¨ı Cell Finite Element Method»[Ghosh et al. 1995]. Dans ce paragraphe, deux extensions repr´esentatives sont pr´esent´ees.

M´ethode ´el´ements finis `a deux niveaux :F E²

Les premiers travaux pr´ecurseurs de cette approche sont dus `a Renard [Renard 1990]. Ils portent sur la mod´elisation des d´egradations dans les mat´eriaux com-posites. La d´ecroissance des diff´erents modules d’´elasticit´e du comportement ma-croscopique de la structure est pilot´ee par la mod´elisation mima-croscopique d’une cel-lule. L’´etat d’endommagement en un point d’int´egration du maillage macroscopique d´epend de l’endommagement microscopique, dˆu `a la d´ecoh´esion fibre-matrice par exemple, au sein de chaque cellule. Les travaux de Chaboche et Feyel [Feyel et Chaboche 2000] pr´esentent une vision ´etendue de cette m´ethode.

La m´ethode F E² propose une discr´etisation ´el´ements finis de la structure sur laquelle se base le probl`eme macroscopique. A chaque point d’int´egration de ce maillage grossier est alors associ´e le comportement d’une cellule de base du

mat´e-0 20 40 60 80 100 120 140

0 8.5 e-5

4.3 e-5

10^-8 10^-7 10^-6 10^-5

mm Indicateur d'erreur

Indicateur d'erreur

Figure 1.4: Carte de l’indicateur ξE et profil dans l’´epaisseur pour une solu-tion microscopique p´eriodique. Les valeurs ´elev´ees de l’indicateur d´esignent les zones o`u l’hypoth`ese d’une solution `a partie microsco-pique p´eriodique est remise en cause.

riau repr´esentatif de la microstructure. L’id´ee consiste `a rechercher la solution sur chaque celluleωcomme la somme d’une partie macroscopique, indic´eeM, et d’une partie microscopique, indic´eem, `a qui on impose des conditions de p´eriodicit´e sur

∂ω. Ainsi, sur une celluleω:

(x) = ^M +^m(x) avec ^M =< >_ω (1.2) u(x) = ^"Mx+u^m(x) =u^M +u^m(x) (1.3)

"(x) = ^"M +^"m(x) avec ^"M =<^">ω (1.4)

Les quantit´es macroscopiques^M et^"M en un point d’int´egration donn´e du maillage macroscopique sont suppos´ees constantes sur la cellule microscopique associ´ee `a

1 Strat´egies de calcul multi´echelles

ce point. La m´ethode de r´esolution peut ˆetre d´ecrite par deux niveaux n´ecessaires

`a l’int´egration du comportement non-lin´eaire du probl`eme macroscopique au sein d’un algorithme it´eratif de type Newton-Raphson par exemple :

•Etape globale (niveau«macro») : ´etape lin´eaire de la m´ethode de Newton-Raphson du probl`eme macro qui donne l’incr´ement de d´eformation macro-scopique∆^"M en chaque point d’int´egration,

•Etape locale (niveau«micro») : en chaque point d’int´egration (chaque cellule) :

◦D´etermination des conditions limites `a partir de∆<sup>"M</sup> : prise en compte des conditions de p´eriodicit´e et utilisation de la relation (1.3) pour d´eter-miner les conditions limites `a appliquer sur chaque cellule associ´ee `a chaque point d’int´egration,

◦M´ethode de Newton-Raphson sur chaque cellule : alternance des ´etapes de v´erification de l’´equilibre (´etape globale sur la cellule) puis de v´erifi-cation du comportement (locale pour chaque point d’int´egration de la cellule). D´etermination `a convergence du comportement tangent de la cellule par une m´ethode de perturbation,

◦D´etermination du comportement macroscopique tangent : calcul de la contrainte «macro» ^M =< >ω et du comportement tangent ho-mog´en´eis´eK^M par r´esolution d’une s´erie de probl`emes microscopiques r´esolus sur la cellule.

Notons que les calculs microscopiques men´es sur chaque cellule ´etant compl`etement ind´ependants, ils peuvent ˆetre ais´ement parall´elisables. Il est possible, sur le prin-cipe, d’ajouter un niveau suppl´ementaire et de r´ep´eter le processus pour chaque point d’int´egration de chaque cellule«micro» donnant lieu ainsi `a une m´ethode F E³. Cette technique, certes performante, pr´esente les mˆemes limitations que la th´eorie de l’homog´en´eisation classique : elle reste pertinente uniquement lorsque les ´echelles sont bien s´epar´ees.

Milieux continus g´en´eralis´es au niveau macroscopique

Dans le cas, o`u les ´echelles ne peuvent plus ˆetre s´epar´ees, une am´elioration consiste

`a utiliser des milieux continus g´en´eralis´es de type Cosserat ou second gradient [Cos-serat et Cos[Cos-serat 1909, Zhu et al. 1997, Forest et Sab 1998, Sluis et al. 1998, Kouz-netsova et al. 2002, Feyel 2003] au niveau macroscopique. Cette cin´ematique ma-croscopique enrichie, pour laquelle un champ de rotation vient s’ajouter au champ de d´eplacement classique, permet alors de mieux prendre en compte au niveau ma-croscopique de forts gradients tels que les bandes de cisaillement ou les singularit´es.

G´en´eralement difficile `a construire, le comportement du milieu continu g´en´era-lis´e est, dans la strat´egie propos´ee dans [Kouznetsova et al. 2002], d´etermin´e de

fac¸on automatique. Un milieu du second gradient est consid´er´e au niveau macro-scopique. La mˆeme s´eparation que pr´ec´edemment en partie«micro»et«macro» de la solution est op´er´ee et la mˆeme condition de p´eriodicit´e est faite pour les quan-tit´es«micro»:

(x) = ^M(x) +^m(x) = ^M +Q^M ·x+^m(x) u(x) = ^"Mx+u^m(x) = E^M ·x+1

2G^M : (x⊗x) +u^m(x)

o`u<sup>M</sup> etE<sup>M</sup> sont des tenseurs d’ordre 2 constants sur la cellule.Q<sup>M</sup>etG<sup>M</sup> sont des tenseurs d’ordre 3 constants sur la cellule et pr´esentant des propri´et´es de sym´etrie ad hoc . Les strat´egies de r´esolution du premier ordre peuvent ˆetre utilis´ees de la mˆeme mani`ere pour r´esoudre. Seules les d´efinitions de^M et^"M ont chang´e. Ici, elles ne sont plus constantes sur la cellule et peuvent prendre en compte des gradients au niveau macroscopique.

Bilan et limitations pour notre ´etude

Ces strat´egies ne fournissent donc pas une forme«close»de la loi de compor-tement macroscopique mais d´eduisent une relation entre les quantit´es duales macroscopiques en chaque point d’int´erˆet de la structure en r´esolvant des probl`emes `a l’´echelle microscopique. Elles ne n´ecessitent donc pas d’hypoth`ese a priori sur le mod`ele macroscopique qui est d´etermin´e de fac¸on automa-tique. L’enrichissement de la cin´ematique macroscopique peut permettre de prendre en compte des gradients de d´eformation et traiter ainsi plus ais´ement des probl`emes o`u la s´eparation des ´echelles«macro»et«micro»n’est plus aussi ´evidente que dans le cas des structures p´eriodiques. N´eanmoins, cette question de la s´eparation des ´echelles persiste dans le cas o`u l’on souhaite prendre en consid´eration des gradients encore plus importants tels que ceux provoqu´es par la pr´esence d’une fissure. Notons aussi que, bien que permet-tant de traiter des comportements mat´eriau complexes, ces strat´egies de calculs bas´ees sur la r´esolution de probl`emes d’homog´en´eisation spatiale ne sont pas v´eritablement adapt´ees aux probl`emes non-lin´eaires d’´evolution.