On considère une structure mécanique, appelée référence (cf. figure 3.1), représen-tée par un domaineΩ et composée de deux sous-domaines ΩC(zone complémentaire) etΩL(zone locale) tels que :
( ¯Ω = ¯ΩC∪ ¯ΩL
Γ = ∂ΩC∩ ∂ΩL
(3.1)
Référence Global Local
g f f f g g ud ud ⌦C ⌦L ⌦A ⌦L ⌦C
FIGURE3.1 – Modèles continus mis en œuvre dans la méthode globale/locale Dans le cadre de l’hypothèse des petites déformations, on note u le champ de dé-placement,² le champ de déformation associé (partie symétrique du gradient de u)
etσ le tenseur des contraintes de Cauchy. Le domaine Ω est soumis à un effort
volu-mique f (en pratique il s’agit d’un effort centrifuge, provenant de la rotation de l’aube), à des conditions de Dirichlet ud sur un de ces bords∂dΩ (assemblage aube disque) et de Neumann g sur∂nΩ (pression aérodynamique du flux d’air sur le bord d’attaque de l’aube).
Afin de traiter correctement le problème d’évolution, avec une loi de comporte-ment matériau élasto-viscoplastique, on introduit un instant t appartecomporte-ment à un in-tervalle d’étudeT = [0, T ]. L’ensemble des équations présentées dans la suite doivent
être satisfaites à chaque instant t . Par souci de concision, ce dernier est volontairement omis, sauf si nécessaire.
Soit V (Ω) = ©v ∈ H1(Ω),v = ud sur∂dΩª l’espace affine des déplacements admis-sibles et V0(Ω) l’espace vectoriel associé.
L’équation d’équilibre classique est la suivante : Z Ω σ : ²(u)dx = Z Ω f · v d x + Z ∂nΩ g · v dS, ∀v ∈ V0(Ω) (3.2)
Dans une représentation fonctionnelle du comportement, un opérateur notéB, non-linéaire par rapport à u, est introduit afin de traiter la non-linéarité entre contrainte et déformation, tel que :
σ(x,t) = B (²(u (x,τ)),τ < t), x ∈ Ω, t ∈ T (3.3)
En pratique, une mise en œuvre par variables internes est employée.
Le problème mécanique à résoudre peut être mis sous la forme classique suivante : trouver un champ solution u ∈ V (Ω) tel que,
a (u, v) = l (v), ∀v ∈ V0(Ω) (3.4)
où l est une forme continue linéaire et a une forme continue coercive, linéaire par rapport à v.
Dans la suite, on utilise plusieurs sous-domaines et modèles. Quand une quantité est attachée à un modèle, il est précisé par un exposant.
2.2.1 Problème de référence
Le problème de référence (exposant R) est résolu sur le domaineΩ, composé de deux sous-domaines sans recouvrement, à savoir la partie complémentaireΩC, utili-sant une représentation grossière de la structure dans sa majorité, et une zone locale d’intérêtΩL, utilisant une représentation fine de la géométrie. C’est dans ce modèle que l’on peut insérer des détails structuraux, des optimisations topologiques ou sim-plement un raffinement de maillage. L’interfaceΓ entre ces deux sous-domaines est immergée dans le domaineΩ. L’extension à plusieurs zones de ré-analyses locales ne pose pas de soucis particuliers et a déjà été portée à son paroxysme dans [Duval et al., 2016], où les domaines locaux recouvrent totalement la structure.
Le problème de référence, qui en pratique n’est calculé qu’à but de validation, est le suivant : Trouver u ∈ V (Ω), tel que ∀v ∈ V0(Ω),
aR(u, v) := aC(u, v) + aL(u, v) = lC(v) + lL(v) =: lR(v) (3.5) 2.2.2 Décomposition global/local
Le principe de la méthode global/local est de décomposer le problème de référence en deux modèles distincts (cf. figure 3.1) :
— Le modèle global représente l’ensemble de la structure de manière grossière, c’est-à-dire que l’on peut y omettre certains détails structuraux. En particulier, le modèle de la zone d’intérêtΩL est remplacé par un modèle simplifié, sous-domaineΩA, appelé modèle auxiliaire dans la suite de ce document. Le modèle global, de par sa moindre complexité, est beaucoup moins coûteux à résoudre que le modèle de référence.
— Le modèle local correspond uniquement à la zone d’intérêt du modèle de réfé-rence. Il est piloté par les déplacements issus de l’analyse globale sur l’interface Γ. Un tel modèle peut être très coûteux numériquement, mais au moins il n’est pas alourdi pas les éléments de la zone complémentaire, comme dans le modèle de référence, ce qui constitue une économie importante.
La solution obtenue par l’algorithme de résolution est équivalente à une substi-tution du modèle local dans le modèle global. En particulier, la solution locale rem-place directement celle de la zone auxiliaire. Ainsi, dansΩA, on peut utiliser un modèle matériau homogénéisé ou une définition simplifiée du chargement. Par exemple dans [Chevreuil et al., 2013], la zone locale utilise une définition stochastique du matériau, tandis que le modèle auxiliaire reste déterministe.
Afin d’obtenir la formulation global/local, on introduit le modèle auxiliaire dans la formulation du problème de référence (3.5), afin de faire apparaître le modèle global :
Trouver u ∈ V (Ω), tel que ∀v ∈ V0(Ω), aC(u, v) + aL(u, v) = lC(v) + lL(v) aC(u, v) + aA(u, v) | {z } aG(u,v) = lC(v) + lA(v) | {z } lG(v) +¡aA (u, v) − lA(v)¢ − ¡aL (u, v) − lL(v)¢ (3.6) Le problème global aG, lGest traité par le solveur commercial en étant assemblé et résolu de manière tout à fait classique et monolithique. À partir de l’équation (3.6), on propose un premier schéma itératif, exprimé à l’itération i :
aG(ui +1, v) = lG(v) +¡aA(ui, v) − lA(v)¢ − ¡aL
(ui, v) − lL(v)¢ (3.7) Cette équation stationnaire peut être interprétée comme un point fixe sur le problème de référence, préconditionné par la résolution du modèle global. Non seulement un tel schéma itératif peut s’avérer lent à converger mais l’évaluation du membre de droite n’est pas simple en pratique et cette dernière impose que les sous-domainesΩAetΩL
coïncident.
La méthode développée par la suite requiert uniquement que l’interfaceΓ coïncide géométriquement entre les modèles ie. le bord du domaine auxiliaire doit être iden-tique à celui de la zone locale. Soit VΓl’espace trace des déplacements sur l’interface Γ et V∗
Γ son dual, à savoir les efforts d’interface, on note 〈λ,v〉Γ, l’opérateur de dualité
avecλ ∈ V∗
Γ et v ∈ VΓ.
L’idée est de remplacer le second membre de (3.7) par la résolution des problèmes local et auxiliaire. Il est enfin mis sous la forme du chargement correctif P , pris en compte sous la forme d’un effort extérieur, dont on verra qu’il est appliqué sur la fron-tière interneΓ.
Vision algorithmique On note i le numéro de l’itération courante, on initialise l’al-gorithme à i = 0 avec un chargement correctif initial nul, ie. P0= 0. À chaque itération i , on a le processus suivant :
— Problème global : Trouver uGi ∈ V¡ΩG¢ tel que, ∀v ∈ V0¡ΩG¢ , aG¡uG
i , v¢ = lG
(v) + 〈Pi, v〉 (3.8) En particulier, on obtient les déplacements sur l’interfaceΓ : uG,Γ
i . — Problème local : Trouver¡uL
i,λL i¢ ∈ V ¡ΩL¢ ×V∗¡ ΩL¢, tel que ∀¡v,µ¢ ∈ V0¡ ΩL¢ ×V∗ Γ ( aL¡uL i, v¢ = lL (v) +λL i, v® Γ µ,uL i − uGi ® Γ= 0 (3.9)
— Problème auxiliaire : Trouver¡uA i ,λA i ¢ ∈ V ¡ΩA¢ ×V∗¡ ΩA¢ tel que, ∀¡v,µ¢ ∈ V0¡ ΩA¢ ×V∗ Γ ( aA¡uiA, v¢ = lA(v) + λA i , v® Γ µ,uA i − uGi ®Γ= 0 (3.10)
De ces deux solutions, on récupère les efforts de réactionsλL i etλA i sur l’inter-face. — Mise-à-jour : 〈Pi +1, v〉 =¡aA¡uiA, vA¢ − lA¡vA¢¢ | {z } λA i,v® Γ −¡aL¡uL i, vL¢ − lL¡vL¢¢ | {z } λL i,v® Γ (3.11) avec : v|ΓA= vL|Γ= v
— Évaluation du résidu d’équilibre ri (3.19) et test de convergence : arrêt de l’algo-rithme si krik < ηGL, sinon on recommence une itération.
ηGLest une tolérance de convergence fixée par l’utilisateur. Le résidu mesure le défaut d’équilibre entre les zones complémentaire et locale, ce qui en fait un excellent indi-cateur de convergence. Les problèmes local et auxiliaire sont totalement séparés et en pratique ils sont résolus en parallèle.
En d’autres termes, on peut résumer l’algorithme de la façon suivante. Le problème global, adoptant une discrétisation spatiale grossière, est calculé à faible coût à chaque itération, en initialisant avec une charge corrective nulle. Ensuite, on extrait de la so-lution globale obtenue, les déplacements d’interfaceΓ qui sont appliqués en tant que conditions de Dirichlet, aux problèmes auxiliaire et local sur leur frontière communeΓ. En considérant une approche par multiplicateurs de Lagrange, pour l’imposition des conditions de Dirichlet, on vient extraire, des solutions locale et auxiliaire, les efforts de réactionsλL,λAcorrespondants. Ces grandeurs permettent de construire la charge corrective Pi +1à partir de l’équation (3.11). Lors de l’itération suivante, le modèle glo-bal est corrigé par cette mise-à-jour de la charge corrective et un nouveau champ de déplacements est obtenu.
2.2.3 Intérêt du problème auxiliaire
Extraction non-intrusive des efforts de réactionsλ Des précautions ont été prises afin de résoudre avec le maximum de précision chaque modèle de la méthode, notam-ment sur l’intégration temporelle, ainsi qu’au niveau de la solution plastique avec des tolérances de convergence très fines ([Passieux et al., 2013], via un algorithme multi-grilles, a recours à des calculs partiellement convergés sur certaines grilles).
En présence d’une résolution exacte, l’équation (3.11) fournit une expression de la charge corrective, en fonction uniquement des efforts de réactions de l’interfaceΓ, issus des deux représentations auxiliaire et locale, de la zone d’intérêt :
Pi +1=¡λA
i − λLi¢ (3.12)
Ces effortsλ sont une sortie standard dans la plupart des codes commerciaux, car ils sont définis sur des nœuds soumis à des conditions de Dirichlet.
Certaines formulations de la littérature n’utilisent pas de modèle auxiliaire et ont une expression de la charge corrective Pi (3.17), à partir de l’effort de réaction de la partie complémentaireλC et du résidu d’équilibre ri (3.13) en basant l’algorithme sur ce dernier.
ri= −¡λL
i + λCi ¢ (3.13)
λC désigne l’effort nodal intérieur au modèle global exercé par la zone d’intérêt sur la zone complémentaire [Gendre, 2009], autrement dit de la contrainte selon la normale sortante à la zone complémentaire surΓ.
Résidu d’équilibre via le modèle auxiliaire Comme le modèle auxiliaire est une res-triction du modèle global, il s’agit du domaine intérieur àΩGdélimité par la frontièreΓ, la solution globale restreinte surΩAest donc la même que celle du problème auxiliaire. On a en particulier pour les déplacements :
uiA= uGi |ΩA (3.14)
En outre, on peut définir l’effort de réaction de la zone complémentaire tel que : aC¡uCi , v¢ = lC(v) + λC i , v® Γ, ∀v ∈ V ¡ ΩC¢ (3.15) En utilisant l’équation (3.6) de décomposition du problème de référence et en y intro-duisant l’expression précédente deλC, on obtient :
aC¡uC i , v¢ − lC (v) | {z } λC i + aA¡uA i , v¢ − lA (v) | {z } λA = aA¡uA i , v¢ − lA (v) −¡aL(u, v) − lL(v)¢ | {z } Pi (3.16)
La charge corrective Pi engendre donc une discontinuité de contrainte normale dans le modèle global :
λC
En injectant (3.17) dans (3.12), on obtient :
λC
i + λLi + Pi +1= Pi (3.18)
et en utilisant l’expression du résidu d’équilibre (3.13) entre la zone d’intérêt et la par-tie complémentaire, on établit finalement une formule équivalente de mise à jour du chargement :
Pi +1= Pi+ ri (3.19)
Autrement dit, la charge P est ajustée en fonction du défaut d’équilibre, qui existe au niveau de l’interface, mesuré par le résidu r à l’itération courante. Cela permet par ailleurs de suivre la convergence puisque que, quand le résidu tend vers zéro, la charge corrective n’évolue plus. Les sous-domaines sont alors en équilibre.
En pratique et via les modèles mis en jeu, on a accès à la charge corrective Pi à chaque itération i grâce aux forces de réactionλA
i ,λL
i. Le résidu d’équilibre ri est donc obtenu par post-traitement à partir de ces grandeurs par l’équation (3.19).