Intégration de l’élasto-plasticité dans Ellipsis
2.2 Plasticité et discrétisation élémentaire
2.2.2 Gestion du champ de pression Limites de l’interpolation avec les Q4Limites de l’interpolation avec les Q4
εp = ˙λ∂g
∂σ (2.10)
avec ˙λ le multiplicateur plastique, et g le potentiel plastique défini, pour l’exemple d’une surface de charge de type Mohr-Coulomb, par :
g = 1
2(σ3− σ1) + 1
2(σ3+ σ1)sinψ − constante (2.11) (σ1, σ2, σ3 sont les contraintes principales et ψ l’angle de dilatance).
Soit, par ailleurs, le taux de déformation plastique volumique ˙εp
v et le taux de cisaillement plastique ˙γp v définis par : ˙εp v = ˙εp 1+ ˙εp 2+ ˙εp 3 et ˙γp v = ˙εp 3− ˙εp1 (2.12)
A partir des équations 2.10, 2.11 et 2.12, il vient la relation suivante entre le taux de défor-mation volumique et le taux de cisaillement plastique :
˙εp v = ˙γp
v sinψ (2.13)
Cette équation constitue donc une autre contrainte cinématique qui est tout à fait spécifique au comportement plastique. La condition est d’autant plus contraignante pour un état de contrainte proche de la charge limite, puisque -les déformations élastiques étant proches de zéro dans ce cas- la contrainte cinématique porte alors sur les taux de déformations totaux. Par ailleurs, il est intéressant de remarquer que la contrainte d’incompressibilité n’est qu’un cas particulier de la contrainte cinématique plastique, qui correspond au cas où ψ = 0. La conséquence de cette contrainte cinématique est que la plasticité est souvent difficile à traiter numériquement avec les éléments finis, et d’autant plus avec des Q4. En pratique, plusieurs techniques spécifiques ont été développées pour améliorer les résultats en plasticité. L’intégration réduite pour les Q4 est par exemple utilisée (elle permet notamment d’empêcher l’apparition de locking en réduisant la contrainte cinématique).
D’autres stratégies ont été développées. Nous pouvons citer, parmi elles, la méthode B-bar (Zienkiewicz et al., 2005), dans laquelle la matrice de dérivées des fonctions de forme est modifiée (grâce à une résolution mixte en vitesse, déformation volumique et pression), ou la méthode de déformation améliorée ("enhanced-strain") proposée par Simo et Rifai (1990), où l’interpolation des déformations est enrichie par rapport leur champ classique.
À présent que la notion de contrainte cinématique est clairement définie, nous allons voir tout d’abord l’effet de la contrainte cinématique plastique dans le cas de l’approximation bilinéaire des Q4 en formulation mixte. Nous devons préciser ici, que pour l’instant les Q4 (en formulation mixte vitesse-pression) sont les seuls éléments utilisables dans Ellipsis, car ils sont les plus adaptés au schéma de résolution multigrille implanté dans le code (dans ce type de résolution la solution nodale est trouvée à partir d’itérations entre les résultats sur différents niveaux de maillage, plus fins ou plus grossiers (Dufour, 2002)).
2.2.2 Gestion du champ de pression Limites de l’interpolation avec les Q4
L’expression des fonctions de forme des Q4 a été rappelée dans la partie 1.4.4. La forme des surfaces d’approximation est représentée à la figure 2.12.
Figure 2.12: Fonctions de forme bilinéaires associées aux 4 nœuds d’un élément Q4 −1 0 1 −1 0 1 0 0.5 1 N(noeud 1) −1 0 1 −1 0 1 0 0.5 1 N(noeud 2) −1 0 1 −1 0 1 0 0.5 1 N(noeud 3) −1 0 1 −1 0 1 0 0.5 1 N(noeud 4)
De plus, nous avons représenté le champ des dérivées des fonctions de forme à la figure 2.13. Cette illustration permet de visualiser que, dans une direction donnée du Q4, les dérivées selon x et selon y n’ont pas le même degré d’approximation. Si nous considérons par exemple la direction y du profil en gras sur la figure, les fonctions Nx varient linéairement sur cet axe, alors que les fonctions Ny sont constantes. En effet, les équations des fonctions de forme ne sont pas celles de plans puisqu’elles présentent un terme en ”xy”.
En termes de géométrie, cette particularité traduit l’impossibilité de faire passer un plan (ou une surface donné) par 4 points quelconques.
Figure 2.13: Champ des dérivées des fonctions de forme des Q4 selon x (a) et selon y (b)
a. b.
Cette différence, selon la direction, du degré d’interpolation des champs dérivés est une fai-blesse caractéristique des Q4.
En effet, d’après la méthode des éléments finis, ces dérivées des fonctions de forme servent notamment à approximer le champ des déformations (voir équations 2.14 pour des inconnues nodales de type déplacement). Sur la direction y d’un élément, εxx varie donc de manière linéaire alors que εyy est constante (pour des inconnues nodales de type vitesse, ˙εxxet ˙εyysont respectivement linéaire et constant par élément dans la direction y), ce qui peut entraîner des perturbations dans la réponse. Voyons lesquelles.
2.2. Plasticité et discrétisation élémentaire 83 εxx(x, y) = 4 X i=1 ∂Ni(x, y) ∂x Ui εyy(x, y) = 4 X i=1 ∂Ni(x, y) ∂y Ui (2.14)
Illustration des perturbations numériques en élasticité
Soit un modèle de type éléments finis très simple, constitué d’un matériau élastique pesant à surface libre, de hauteur 1 m et de largeur 0.5 m, discrétisé en 2 éléments Q4 (voir figure 2.14 pour un modèle par exemple réalisé avec Ellipsis, où l’air doit être décrit). Les conditions aux limites sont de type glissement libre en base et sur le bord latéral gauche. x est la direction horizontale et y la direction verticale.
Solution attendue en éléments finis Tout d’abord, le calcul analytique permet d’obtenir
l’expression suivante des déformations (d’après la loi de Hooke en déformation plane, et σxx= 0 car l’échantillon n’est pas confiné latéralement) :
εyy(y) = 1 − ν2 E ρg(1 − y) (toujours > 0) εxx(y) = −ν(1 + ν) E ρg(1 − y) (toujours < 0) (2.15) trε(y) = −2ν2− ν + 1 E ρg(1 − y) (toujours > 0)
Ces trois fonctions sont donc linéaires sur la verticale, mais pour un calcul de type éléments finis, seule la linéarité de la composante εxx peut être obtenue sur la hauteur des éléments (εyy est constant sur cette hauteur comme nous l’avons vu).
Par conséquent, comme εxx diminue depuis le haut vers le bas d’un élément, le calcul EF devrait donner également trε qui diminue sur la hauteur de l’élément, et il en est de même pour la pression.
Modèle Mettons en évidence cet effet avec Ellipsis. On considère E=5 MPa, ν = 0, 35, ρ=2000 kg/m3, et g augmentant linéairement en 40 incréments jusqu’à 9,8 m/s2. Les para-mètres numériques sont présentés au tableau 2.4. Nous les avons choisis tels que la viscosité et le module de compressibilité effectifs de l’air soient négligeables devant ceux du bloc pesant d’une part, et que le temps d’application de la gravité (0,02 s) soit négligeable devant le temps de relaxation de l’échantillon d’autre part.
Table2.4: Paramètres numériques du modèle de bloc sous poids propre (∆te=5.10−4 s) Air Bloc pesant
ηef f (Pa.s) 0,5 (=η) 925
(Kv)ef f (Pa.s) 1,7 (=Kv) 2780 Temps de relaxation (η/µ) (s) - 91
Résultats et analyse Nous obtenons les profils de taux de déformation et de pression
présentés à la figure 2.15a et b (valeurs sur les points d’intégration). Comme attendu, tr( ˙ε) et p (calculés à partir des vitesses nodales) augmentent de manière globale avec la profondeur, mais diminuent d’amplitude sur la hauteur de chaque élément. Cette solution n’est pas phy-sique, mais c’est la plus précise qui puisse être obtenue avec un Q4 pour ce type de problème.
Figure2.15: Composantes de déformation sur un profil vertical de points d’intégration (a.), pression sur ce profil sans utiliser la formulation mixte (b.) et en l’utilisant (c.)
−0.10 −0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.4 0.6 0.8 1 h (m) Taux de déformations (s−1) ˙εxx ˙εyy tr( ˙ε) 0 5 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 P1 (kPa) 0 5 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 P2 (kPa) a. b. c.
Cependant, les codes de calcul permettent en général de résoudre cette imprécision, surtout en élasticité. Dans le code Abaqus Standard une ’intégration réduite sélective’ est réalisée, ce qui consiste à ne considérer qu’un point d’intégration pour la part isotrope des équations. Pour un Q4 il n’y a donc qu’une valeur de pression par élément. (Nagtegaal et al., 1974; Abaqus, 2011). En ne considérant pas de gradient du tout sur la hauteur des éléments, l’approximation est plus acceptable que le gradient obtenu avec les Q4 intégrés normalement.
Dans Ellipsis, c’est la résolution par formulation mixte qui permet de pallier cette imprécision en élasticité (elle avait été désactivée dans l’exemple précédent). En effet, rappelons qu’avec cette formulation la pression est calculée en 1 seul nœud central. Le champ de pression élé-mentaire est ensuite déduit en faisant une interpolation de p depuis ces nœuds centraux aux 4 nœuds externes, puis des 4 nœuds aux points d’intégration (les fonctions de forme sont bien utilisées dans cette dernière étape, mais pas leurs dérivées, si bien qu’on obtient un champ de pression acceptable). Le profil de pression obtenu avec Ellipsis en utilisant la formulation
2.2. Plasticité et discrétisation élémentaire 85
mixte est finalement présenté à la figure 2.15 c.
Remarque : Il est intéressant de noter que les techniques de formulation mixte et d’intégration réduite sélective, utilisées respectivement dans Ellipsis et Abaqus, sont équivalentes d’après Malkus et Hughes (1978).
Cas de l’élasto-plasticité
D’après le paragraphe 2.2.1, la prise en compte de la plasticité implique une contrainte ciné-matique reliant les taux de déformation plastiques déviatoires et volumiques. Cette relation (équation 2.13) re-couple donc des variables qui étaient soigneusement découplées par la for-mulation, celle-ci permettant notamment une meilleure approximation du champ de pression p par élément. Étudions cet effet.
Modèle Le modèle de bloc pesant précédemment présenté est à présent calculé dans Ellipsis
avec un comportement élasto-plastique (dont les paramètres sont donnés au tableau 2.5) et une discrétisation plus fine (l’échantillon de sol occupe cette fois 4 éléments en largeur et 8 en hauteur dans sa configuration initiale). Les paramètres numériques n’ont pas changés, et le matériau est bien quasiment élasto-plastique.
Table 2.5: Paramètres physiques du modèle de bloc sous poids propre
E ν ϕe0= ϕc0 C0 ϕef = ϕcf Cf ψe =ψc Bp Bc ρ
(MPa) (°) (kPa) (°) (kPa) (°) (kg/m3)
5 0,35 15 1 15 8 7 0,01 0,02 2000
D’autre part, nous menons le calcul pour ce même modèle avec Abaqus. Notons que les surfaces de charge adoptées dans les deux codes sont légèrement différentes : surface de Van Eekelen pour Ellipsis, de Mohr-Coulomb pour Abaqus (le code ne prend pas en compte de manière simple le critère de Van Eekelen). Ces deux surfaces limites sont cependant proches d’après la figure 1.3 de la section 1.1.1.
Résultats et analyse En s’intéressant aux contraintes obtenues sur le premier profil
ver-tical de points d’intégration (situés en xinitial = 0, 016 m pour Ellipsis et x = 0, 053 m pour Abaqus), nous obtenons les résultats présentés à la figure 2.16.
Remarque 1 : Les valeurs étant obtenues sur les points d’intégration, il y a plus de données pour Abaqus que pour Ellipsis (16 points d’intégration au lieu de 4, donc 4 au lieu de 2 sur la hauteur d’un élément, voir paragraphe 1.4.4).
Tout d’abord, à l’exception de la contrainte hors plan, dont le calcul diffère parfois d’un code à l’autre (dans Ellipsis elle est calculée comme les autres composantes de contrainte à partir de la matrice constitutive), les profils sont globalement similaires, dans le sens où les valeurs médianes sur chacun des 8 éléments sont sensiblement les mêmes (nous n’avons pas présenté les contraintes de cisaillement, peu élevées).
Nous remarquons cependant, que le champ de pression obtenu en élasto-plasticité avec Ellipsis varie cette fois, même en formulation mixte, de manière inverse sur la hauteur des éléments, par rapport à l’évolution globale sur le modèle. Il en va de même pour les composantes σxx, σyy et σzz. Le champ de contrainte résultant est de ce fait localement assez éloigné de la solution de référence obtenue avec Abaqus.
Figure 2.16: Comparaison des profils verticaux de contrainte obtenus pour le modèle EP avec Abaqus et Ellipsis
−50 0 5 10 0.5 1 h (m) σxx (kPa) −10 0 10 20 30 0 0.5 1 σyy (kPa) −50 0 5 10 15 20 0.5 1 σzz (kPa) h (m) −50 0 5 10 15 20 0.5 1 p (kPa) ABAQUS Ellipsis
Cette répartition inverse de la pression est très problématique en plasticité, puisque les dé-formations plastiques des géomatériaux sont très dépendantes du confinement. Une faible diminution de pression à la base des éléments peut donc entraîner des déformations plas-tiques beaucoup plus importantes qu’en haut, en accentuant encore le gradient ’inverse’ des contraintes (d’après l’équation 2.4), etc... Ce gradient ’inverse’ peut ainsi atteindre une grande amplitude.
Par ailleurs, comme la plasticité est un comportement à variables d’histoire, obtenir un état de contrainte très éloigné de la réponse physique aura une répercussion sur toute la suite du calcul.
Devant ce problème, voyons quelle solution nous avons adoptée.
Interpolation constante par les dérivées des fonctions de forme
Nous avons choisi de rendre constante par élément l’interpolation par les dérivées des fonc-tions de forme. Cette modification semble forte, mais elle ne l’est pas plus que les solufonc-tions d’intégration réduite, parfois choisies pour les Q4 (ou d’autres éléments) en éléments finis, et dans lesquelles il n’y a, de même, qu’une valeur par élément des dérivées des fonctions de forme, puisque un seul point d’intégration est alors considéré.
En pratique, la modification que nous avons faite dans le code est très simple. Pour chaque particule, nous calculons les valeurs de dérivée de fonctions de forme en considérant de ma-nière artificielle une position (0; 0) de cette particule dans le repère naturel de l’élément (c’est-à-dire une position au centre de l’élément). Les vraies positions des particules sont bien sûr conservées, puisqu’avec la MEFPIL elles permettent de décrire l’advection du matériau
2.2. Plasticité et discrétisation élémentaire 87
par rapport au champ de vitesse calculé.
Soit la particule P (x, y). En appliquant cette modification, nous obtenons par exemple l’ex-pression suivante pour le calcul du champ de déformation :
˙εij(P ) = 4 X n=1 ∂Nn(0, 0) ∂xi V n j , (2.16)
où n est le numéro local du nœud dans l’élément qu’occupe P , Vn
i est la composante i de la vitesse au nœud n, Nn est la fonction de forme du nœud n.
Cette modification est prise en compte à chaque fois que les dérivées des fonctions de forme sont utilisées, c’est-à-dire pour :
– le calcul de l’incrément de déformation appliqué dans Plasol, – le calcul des contraintes (à partir du taux de déformation),
– le calcul de la déformation volumique pour la correction de densité (voir Annexe), – le calcul de la matrice de viscosité élémentaire,
– le calcul des forces élémentaires f2 et f3 qui fait intervenir l’opérateur divergence (voir équation 2.1.1).
Concernant le calcul du tenseur de contrainte, rappelons que celui-ci, à un pas de temps donné et en élasticité ou élasto-plasticité, est la somme d’un incrément de contrainte issu du taux de déformation visco-élastique courant et de la contrainte au pas précédent (voir équations 2.7). Avec la modification du calcul de ˙ε, l’incrément de contrainte ajouté à chaque pas de temps, qui est proportionnel à ˙ε, est donc une quantité constante par élément.
Par contre, la part de contrainte issue du pas de temps précédent est spécifique à chaque par-ticule, et peut différer, au sein d’un même élément, d’une particule à l’autre, si celles-ci n’ont pas eu le même parours au travers du maillage. Même avec cette interpolation constante, le champ de contrainte par élément n’est donc pas forcément constant en élasticité ou élasto-plasticité.
Cette modification est donc très proche de l’intégration réduite, si ce n’est que le nombre de points d’intégration (=particules avec la MEFPIL) n’est pas modifié et que l’interpolation des vitesses par les fonctions de forme reste linéaire.
Benchmarks
Afin de valider cette modification de l’interpolation, nous nous sommes basés sur les résultats de contraintes pour l’échantillon élasto-plastique sous poids propre de la figure 2.14. La figure 2.17 présente les profils verticaux obtenus.
L’interpolation constante n’a pas changé la répartition globale des contraintes (les valeurs médianes sur chaque élément n’ont pas sensiblement changé).
Par contre, sur chaque élément, la répartition constante de contrainte semble plus physique qu’avant, dans le sens ou elle est plus continue. Les résultats d’Abaqus et d’Ellipsis sont aussi beaucoup plus proches.
D’après ces résultats, la modification de l’interpolation par les dérivées des fonctions de forme est donc validée.
Les avantages de ce procédé sont donc importants et l’interpolation constante sera adoptée dans la suite de ces travaux dans tous les modèles prenant en compte de la plasticité. Ce-pendant, il faut noter que la solution est appauvrie et les modèles nécessiteront un meilleur raffinage du maillage.
Figure2.17: Profils verticaux de contraintes en élasto-plasticité pour Abaqus et pour Ellipsis (avec l’interpolation constante par les dérivées des fonctions de forme pour Ellipsis)
−40 −2 0 2 4 0.5 1 h (m) σxx (kPa) −10 0 10 20 30 0 0.5 1 σyy (kPa) −50 0 5 10 15 20 0.5 1 σzz (kPa) h (m) −50 0 5 10 15 20 0.5 1 p (kPa) ABAQUS Ellipsis
2.2.3 Extension de la formulation mixte à la loi élasto-plastique