Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations...
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 20051
Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes
Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé
Groupe G2TR – Equipe CMAO
13 Juillet 2005
Habilitation à Diriger des Recherches
Institut National Polytechnique de Toulouse
Laboratoire Génie de Production - ENIT
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 20052
Introduction et positionnementCurriculum VitaeActivités d’enseignement et de recherche
Modélisation numérique de la coupe des métauxMise en œuvre de modèles numériques de simulation de la coupeSynthèse des difficultés de modélisation de la coupe
Lois de comportement en Grandes TransformationsFormulation mécanique en Grandes TransformationsApproche expérimentale
Développement du code de calcul DynELAImplémentation numérique et validation du code de calculParallélisation du solveur
Plateforme Orientée-Objets de développementIntégration de nouveaux algorithmesDéveloppement d’application 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 20052
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 20053
Curriculum Vitae
Olivier PantaléNé le 9 mai 1969 à Cahors (Lot)Marié, 1 enfant
Grades et titres1996 Doctorat de l’Université de Bordeaux I1992 DEA de mécanique (Bordeaux I)1992 Diplôme d’ingénieur de Production (ENIT)
Position actuelle 1998 Maître de Conférences 60ème section à l’ENIT
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 20054
Historique des activités de recherche au LGP
2000 20051991 1995
Thèse Développement numérique de DynELA
Laboratoire d’identification
Modélisation numérique de la coupe des métaux Laboratoire PEARL
J. L. Bacaria
C. Sattouf
I. Nistor
L. MenanteauATER
Vacataire
MCF section 60
Contractuel
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Olivier Pantalé – 13 Juillet 20055
Encadrement de travaux de recherche
Encadrement de thèses de doctoratJ. 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 d’un 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 l’endommagement en dynamique rapide:
Application aux structures aéronautiques
Encadrement de DEA10 stages de DEA encadrés depuis 1996
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 20056
Activités administratives
Activités liées à la rechercheMembre de l’association DYMATMembre détaché au sein du laboratoire PEARL – ALSTOMResponsable du laboratoire d’identification dynamiqueResponsable des moyens de calcul numériques de l’équipe CMAO
Activités collectives et administrativesMembre titulaire du conseil d’Administration de l’ENITResponsable de la coordination des enseignements de mécaniqueMembre de la commission informatiqueMembre de la commission bibliothèque
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Olivier Pantalé – 13 Juillet 20057
Activités d’enseignement
CoursM2R Grandes Transformations Therm. Rapides 12 h5ème A Eléments finis de structures 21 h5ème A Module optionnel CMAO 9 h5ème A Systèmes Unix 6 h4ème A Machines mécaniques et Turbomachines 24 h4ème A Thermodynamique 24 h4ème A Mécanique des milieux continus 48 h
Travaux dirigés4ème A Machines mécaniques et Turbomachines 8 h
Travaux pratiquesM2R Grandes Transformations Therm. Rapides 4 h5ème A Eléments finis de structures 4 h4ème A Eléments finis linéaires 4 h
volumes horaires exprimés en heures équivalent TD
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 20058
Objectif des travaux de recherche
Proposer un ensemble d’outils numériques et expérimentaux intégrés au sein d’une plateforme de prototypage virtuel
Développer sur le plan expérimental :Une plateforme d’identification 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.
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Olivier Pantalé – 13 Juillet 20059
Modélisation numérique de la coupe des métauxMise en œuvre de modèles numériques de simulation de la coupeSynthèse des difficultés de modélisation de la coupe
Sommaire de la présentation
Introduction et positionnementCurriculum VitaeActivités d’enseignement et de recherche
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Olivier Pantalé – 13 Juillet 200510
Modélisation numérique de la coupe des métaux
2000 20051991 1995
P. Joyot
Coupe orthogonale continue
O. Pantalé
Coupe orthogonale et oblique 3D continue
J. L. Bacaria
Coupe orthogonale et fraisage 3D discontinus
Formulation ALE
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200511
Modèles de coupe stationnaires ALEFormalisme ALE à « tendance » EulérienneEcoulement de la matière en régime stationnaireActualisation des surfaces libres du modèle
Modélisation de la coupe
Surface libre
Surface libre
Surface libre
Vitesse de coupeV c
Vitesse de coupeV c
Noeuds EulériensNoeuds Eulériens
Noeuds ALE
Pièce
Noeuds Eulériens
Outil
Noeuds Lagrangiens
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Olivier Pantalé – 13 Juillet 200512
Coupe orthogonale 2D
P. Joyot, R. Rakotomalala, O. Pantalé, M. Touratier and N. HakemA Numerical Simulation of Steady State Metal CuttingJournal for Mechanical Engineers, 212: 331-341, 1998
Influence du frottement
Influence de l’usure en cratère de l’outil
Champ de températures
Champ de contraintes
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Olivier Pantalé – 13 Juillet 200513
Coupe orthogonale et oblique 3D
O. Pantalé, R. Rakotomalala and M. TouratierAn ALE Three-Dimensional Model of Orthogonal and Oblique Metal Cutting ProcessesInternational Journal of Forming Processes, 1 (3): 371-388, 1998
Modélisation tridimensionnellePremière approche numérique 3DApports de la 3ème dimension (gonflement latéral du copeau)Corrélation température / usure de la face de coupeApports de la coupe oblique / coupe orthogonale
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200514
Coupe transitoire 2D
Modèles de coupe stationnaires ALEFormalisme ALE à « tendance » Lagrangienne
Critère d’endommagement de Johnson-Cook
Détermination expérimentale de la loi d’endommagement
J.L. Bacaria, O. Dalverny, O. Pantalé and R. RakotomalalaTransient Numerical models of metal cutting using the Johnson-Cook's Rupture CriterionInternational Journal of Forming Processes, 5: 53-70, 2002
f
D *
5*
4*
321 1ln1exp TDDDDDf
Thèse de J.L. Bacaria
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200515
Coupe transitoire 3D
Modèles de coupe transitoires ALEFormalisme ALE à « tendance » LagrangienneModélisation numérique d’une opération de fraisage
V
Pièce usinée
r
Fraise
O. Pantalé, J. L. Bacaria, O. Dalverny, R. Rakotomalala and S. Caperaa2D and 3D numerical models of metal cutting with damage effectsComputer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 193 (39-41) : 4383-4399, 2004
r=120 tr/min Vc=50 m/s
=3 mm =30°
n=8
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200516
Synthèse des difficultés liées à la SN de la coupe
Identifier au plus près des sollicitations réellesSimplicité de mise en œuvre des essais« Universalité » des lois de comportement
Développement d’une plateforme d’identificationApproche comportementale échelle mésoscopiqueGrandes Transformations Thermomécaniques rapides
Identification des paramètres des lois de comportement
O. Pantalé, I. Nistor, O. Dalverny, E. Gorce and S. CaperaaCaractérisation du comportement dynamique des matériaux à partir d’essais d’impact1er Séminaire Optimus - ENSAM de Bordeaux, mai 2004
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200517
Synthèse des difficultés liées à la SN de la coupe
Utilisation de logiciels spécialisésBoites noires non adaptées à des travaux de rechercheDifficultés liées au caractère commercial de ces codes
Développement d’un code de calcul spécifiqueChoix d’un formalisme GTModèles comportementaux évoluésAlgorithmes de contact évoluésCalcul parallèle et DDMCouplage multi-physique
Choix effectif
au sein du laboratoire
Codes de calcul commerciaux classiques non adaptés
O. Pantalé and S. CaperaaDéveloppement d'un code de calcul explicite en grandes transformations: Application à la coupe des métaux2ème Séminaire Optimus - ENSAM de Cluny, octobre 2004
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200518
Modélisation numérique de la coupe des métauxMise en œuvre de modèles numériques de simulation de la coupeSynthèse des difficultés de modélisation de la coupe
Lois de comportement en Grandes TransformationsFormulation mécanique en Grandes TransformationsApproche expérimentale développée au laboratoire
Sommaire de la présentation
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200519
Formulation co-rotationnelle objective
Plasticité J2 à écrouissage isotrope/cinématique combiné
Intégration basée sur l’utilisation du retour radial Prédiction élastique
Correction plastique
Formulation hypo-élastique GT
cccc trKp DDCs
:
eGss
eKtrpp
ntrialn
ntrialn
2
][
1
1
0)()(3
22)(
2
1
11
vtrialn
trialnn
Gf
nGss
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200520
Lois d’écoulement plastique
Lois d’écoulement:
Zerilli-Armstrong
Johnson-Cook
Ramberg-Osgood
Niveau de vitesse de déformation accessible en fonction du type d’essai
Thèse de C. Sattouf
Barres d’Hopkinson
Essais d’impact
5.102 s-1 5.103 s-1 5.106 s-1 5.1012 s-1
Techniques utilisantdes explosifs
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200521
Integration numérique
Retour radialDécomposition additive des vitesses de déformationSchéma implicite d’ordre 1
Prise en compte de l’objectivitéRotation Finale Instantanée
n+1
n
n+1e
Prédiction élastiqueCorrection plastique
O. Pantalé and S. CaperaaDevelopment of an object-oriented finite element program: application to metal forming and impact simulationsJournal of Computational and Applied Mathematics, 168: 341-351, 2004
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200522
Dispositif expérimental
Tube
Chambre de tir (sous vide)
Barrière opto-electronique
Mesure de vitesse
Culasse et réservoir
Diamètre du tube = 20 mmLongueur du tube = 1400 mmVmax = 350 m/s
Pression maxi = 180 barMasse du projectile = 30 gr
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200523
Gamme des essais expérimentaux
Essai d’extrusion rapide
Essai de traction dynamique
Essai de cisaillement dynamique
Essai de Taylor
Essai de rupture dynamique
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200524
Extraction des réponses expérimentales
Procédé macro-photographique numérique de mesure Extraction automatique des contours d’une pièceRésolution: 8 µm pour un rapport macro 1:1 (capteur 16x24 mm)
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200525
Résultats essais
Identification paramétrique
Modèle Eléments Finis
Paramètres identifiés
Résultats numériques
I. Nistor, O. Pantalé, S. Caperaa and C. SattoufIdentification of a dynamic viscoplastic flow law using a combined Levenberg-Marquardt and Monte-carlo algorithmVII Complas conference, Barcelona, 2003
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200526
Exemple d’identification
Identification à partir de deux essais dynamiques
Matériau : 42CrMo4Loi de Johnson-Cook
Test A (Mpa) B (Mpa) n C
Taylor 806 614 0.168 0.0089
Traction 817 699 0.157 0.0088
Essai de TaylorVi = 328 m/s
Essai de traction
Vi = 96 m/s
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200527
Lois de comportement en Grandes TransformationsFormulation mécanique en Grandes TransformationsApproche expérimentale
Développement du code de calcul DynELAImplémentation numérique et validation du code de calculParallélisation du solveur
Sommaire de la présentation
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200528
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++
2000 20051991 1995
Développement numérique de DynELA
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200529
Pourquoi développer un nouveau code de calcul
Code Ouvert et Maîtrisé de rechercheApproche recherche / boite noire
Code spécialisé dans le domaine de la SN en GT
Support pour le développement d’algorithmes spécialisésFormulation mécanique en GT, intégration, XFEM, DDM, …Approche informatique, parallélisation, calcul distribué, …Evolutions du logiciel et développement à la demande
Plateforme de développement Orientée-ObjetsDéclinaison d’applications spécialisées
Consolidation des connaissances en GT
Utilisation didactique dans la formation M2RSupport pour le cours de Grandes Transformations
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200530
Formulation mécanique
Formulation Lagrangienne réactualisée en Grandes Transformations
0),(),(
xxFxxFx exinM
Intégration explicite -généralisé de Chung-Hulbert
12
1
11
1
1
2
1
1
1
nnnnn
nnnn
M
nMin
nex
n
n
xxtxtxx
xxtxx
xFFx
M
(X,t)
x
référence
X
X x
courante
Description Lagrangienne
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200531
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
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200532
Interpréteur de commandesEcrit en Lex et YaccLangage OO proche du C++Concepts mathématiquesTests (if, then et else) Boucles (for et while)I/O cout, fopen, fclose et <<
Génération automatiqueDéfinition par fichiers en-têteFichiers C++, Lex et YaccM. à j. automatique documentation
Langage de commande Orienté-Objets
O. Pantalé Manuel utilisateur du code de calcul DynELA v 1.0LGP ENI Tarbes, 2003
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200533
Interface graphique du post-Processeur
Interface 3D OpenGL
Menu principalBoutons
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200534
Organisation interne des classes
Domain
NodeElementMaterial Interface
ioDomain
1+ 1+1+1+
IntegrationPoint ElementAx Element3DElement2D1+
NodalField2
1+
Données nodales telles que les coordonnées
Quantités nodales(2 instances, t et t+t)
Points d’intégration
Classe de base virtuelle servant pour tous les éléments
Définition des matériaux et lois d’écoulement
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 l’élément
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200535
Organisation interne des classes
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200536
pvvvv hep
100
MPa4500 v
GPa9.206E 29.0
MPa715v
12924.0h 93.16
r
z
26.67
6.3506.413
Validation numérique (1/2)
Traction d’un barreau cylindrique
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200537
Validation numérique (2/2)
Mur rigide
Vitesse initiale = 227 m/s
Cylindre cuivre5x50 elements
Contact sans frottement
-21.427.15Liu
3.0421.437.13Metafor
3.2321.487.08Abaqus
3.2121.427.12DynELA
lfrfcode pmax
Comparaison des résultats numériques
MPa4000 v
GPa117E35.0
MPa100h3/8930 mkg
pvv h 0
Loi d’écoulement:
l0=32.4 mm
r0=6.4 mm
O. PantaléAn object-oriented programming of an explicit dynamics code: Application to impact simulationAdvances in Engineering Software, 33 (5):297-306, 2002
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200538
Architecture à Mémoire Distribuée
Chaque processeur possède sa propre mémoire. Pas d’interférences 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 d’un programme existant.
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200539
Architecture à Mémoire Partagée
Processeurs partageant la même ressource mémoire.Changements en mémoire visibles globalement.
Compaq Proliant 80008 Intel Xeon 550 / 2Mb cache5 Gb RAM
Redhat Linux 8.0Compiler Intel C++ 7.1OpenMP
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 l’architecture.
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200540
Parallélisation OpenMP
Série Fork Calcul parallèle Join Série
Perte pure
Pertes / calcul série
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200541
Calcul des forces internes (1/5)
Calcul des forces internes pourchaque élément
Assemblage des vecteurs de forces internes locaux
Parallélisation simple
Parallélisation délicate
O. Pantalé and S. CaperaaStrategies for a parallel 3D FEM code: Application to impact and crash problems in structural mechanicsCoupled Problems - Santorini Island, 25-28 may 2005
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200542
Calcul série
1+2 = ?
=3
Processeur
Mémoire
1+2
3
23
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200543
Calcul parallèle (1/2)
1+2+3 = ?
=4
Processeur 1
Mémoire
Processeur 2
Nécessité de synchronisations
1+3
2+3
4 5
354
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200544
Calcul parallèle (2/2)
1+2+3 = ?
=6
Processeur 1
Mémoire
Processeur 2
1+3
2+4
4 6
346
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200545
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 d’une directivecritical
Variables locales
Fint variable globale
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200546
Calcul des forces internes (3/5)
Utilisation d’un 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 forfor (int row = 0; row < Fint.rows(); row++) { for (thread = 0; thread < threads; thread++) Fint(row) += FintLocal[thread](row);}
Pas de directives « critical »
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200547
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 forfor (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 forfor (int row = 0; row < Fint.rows(); row++) { for (thread = 0; thread < threads; thread++) Fint(row) += FintLocal[thread](row);}
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200548
Equilibrage de la charge des processseurs
Variation du temps CPU dû à la correction plastiquePrédiction impossible à effectuer
Element
Job
+elements: List <Element>
+waitingTime: Real
+next(): element
+waitOthers(): void
Jobs
+job: Job
+wasteOfTime: Real
+equilibrate(): void
+init(elements:List <Element>): void
+getMaxThreads(): int
+getJob(): Job
+getThreadNum(): int
Equilibrage dynamique
Coût de l’équilibrage minimal
Intégration explicite
Distribution spatiale élément/processeur quelconque
Pas de problème interfacial
Traitement temps réel
Minimisation des temps d’attente des processeurs
O. PantaléParallelization of an object-oriented fem dynamics code: Influence of the strategies on the speedupAdvances in Engineering Software, 36 (6):361-373, 2005
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200549
- Suppression totale de la directive#pragma omp critical
- Equilibrage dynamique- Opération d’assemblage 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 threadsVector Fint = 0.0; // internal force VectorVector 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 forfor (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-domainsjobs.equilibrate();
8.35
Speedup > Ncpu« Superlinear Speedup »
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200550
Performances globales de la version parallèle
1420 Élements quadrilatères 4 noeuds
MPa8730 v
GPa6.193E3.0
MPa748K
3/7800 mkg
npvv K 0
Loi d’écoulement:
0.23n
Masse projectile = 44.1 gr
Vitesse impact = 80 m/s
code max longueur diamètre épaisseur
DynELA 0.260 50.84 10.07 0.857
Abaqus 0.259 50.84 10.08 0.856
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200551
de 329 à 411 éléments / thread
Performances globales de la version parallèle
Speedup global = 5.61
1 proc 8 proc Speedup
Time step 78.5 10.6 7.40
Predictions 18.8 13.7 1.37
matrices int
74.2 9.1 8.16
Forces int 949.4 140.7 6.74
Explicit sol 37.0 28.0 1.32
End step 5.4 4.9 1.10
Total 1164.1 207.4 5.61
Gain possible : 40 à 50 secondes
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200552
Influence de l’objectivité en GT
Cisaillement d’un cube en déformations planes
Solver::setRFI(Boolean)
GPa260E3.0
3/7800 mkg
Comportement élastique:
1 m
e =10 m eG sin12 Ge12
Jaumann
Lie
Avec objectivité
Sans objectivité
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200553
Utilisation pédagogique de DynELA
Mise en évidence du vérouillage volumiqueIntégration réduite sélective
(-1,-1) (+1,-1)
(+1,+1)(-1,+1)
Point d'intégrationPoint de sous-intégration
g1 g2
g3g4
y
r
g1 g2
g3g4
Solver::setUnderIntegratePressure(Boolean)
4int
, ,1
(0) (0) (0) ( ) ( ) ( )diI I i Q Q I i Q ji Q
Qpartie pression
partiedéviatorique
F J N p w J N
Vérouillage volumique
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200554
Développement du code de calcul DynELAImplémentation numérique et validation du code de calculParallélisation du solveur
Plateforme Orientée-Objets de développementIntégration de nouveaux algorithmesDéveloppement d’application spécifiques
Sommaire de la présentation
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200555
Plateforme de développement Orientée-Objets
But des travauxUtiliser les librairies de DynELA comme plateforme de développementDévelopper et tester de nouvelles approches
Décomposition multi-domaine et multi-tempsApproche multi-physiqueFormulation X-FEM
Capitaliser les développements réalisés dans DynELA
BesoinsPlateforme de développement stabiliséeApproche Orientée-ObjetsDéveloppements en équipe
Moyens annexesOutils de développement en équipe (cvs, support Web, forum, …)
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200556
Collaboration avec le laboratoire PEARL
Moteur
Approche multi-physique
- Electrique (passive et active)
- Thermique (conduction et convection)
- Mécanique (thermo-élasticité)
Multi-physiqueMulti-domaineMuti-pas de temps
Solveur MulphyDoThèse de L. MenanteauL. Menanteau, O. Pantalé and S. Caperaa
A multigrid method for the thermomechanical behaviour simulation applicated to power electronics converterVII Complas conference, Barcelona, 2003
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200557
Décomposition en sous-domaines (1/2)
Décomposition du domaine de calcul
Domaine de calcul
Sous-domaine 1 Sous-domaine 2Interface
Résolution du problème interfacial
Résolution des sous-problèmes locaux
Parallélisation
Construction du problème interfacial
+ Interface
L. Menanteau, O. Pantalé and S. CaperaaA coupled electro-thermo-mechanical FEM code for large scale problems including multi-domain and multiple time-step aspectsCoupled Problems 2005 – Santorini Island, 25-28 mai 2005
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200558
Décomposition en sous-domaines (2/2)
λI IT
γI
fF G=
fG 0
s+ T(j) (j) (j)
Ij=1
(1) (1) (2) (2) (s) (s)I
T T T(1) (2) (s)
s+(j) (j)(j)
j=1
T T T(1) (2) (s)(1) (2) (s)
F = B K B
G = Β R Β R Β R
f - B fK
f = - f - f - fR R R
Résolution sur les sous-domaines
λ
non flottant flottant flottant
Problème interfacial
( )+ T(j) (j) (j) (j)(j) (j)u = f + RK B
-1 T(j) (j)(j) (j)u = (f + )K B
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200559
Validation de MulPhyDo
F(L,t)
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 = 2.205 106 N
E = 109 Pa
ν = 0,25
t
F
0 0.001 s 0.002 s
8 sous-domaines
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200560
Application aux convertisseurs de puissance
DBC supérieur
Connecteurs
Puce silicium
1 2 3 4
L. Menanteau, O. Pantalé and S. CaperaaA methodology for large scale Finite Element models including multi-physics, multi-domain and multi-timestep aspectssubmitted to Finite Element in Analysis and Design
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200561
Modélisation numérique de la fissuration
Approche X-FEMUtilisation de fonctions enrichies de type HeavisideModélisation numérique de la fissuration « intra » élémentsPas de remaillage de la structure
Thèse de I. Nistor
i
iii
iih uxHxNuxNxu
ˆ)()()()(
iuˆiu
ddl classiques
ddl enrichis
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200562
Critère de propagation de fissure
Critères de propagation de la fissureIndépendance / au maillage de la pièceCritère identifié à partir d’essais expérimentaux
Modèle de cohésion
Lèvres de la fissure
Zoneendommagée
Zone vierge
discontinuité de déplacement
contrainte de cohésion
GF
crit
max
I. Nistor, O. Pantalé and S. CaperaaNumerical implementation of the extended finite element method for dynamic crack analysissubmitted to Computers and Structures
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200563
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
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200564
Essai d’impact dynamiqueApproche expérimentaleModélisation X-FEM
Propagation de fissure dynamique
Vi = 67 m/s
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200565
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 comportementDétermination des lois d’endommagementModélisation numérique du processus d’emboutissageValidation sur exemple industriel (SPRIA)
Thèse de F. Abbassi
Thèse en cotutelle avec l’ESSTT
Endommagement des structures lors du processus de mise en forme par emboutissage
Tenue structurelle pour des sollicitations dynamiques (Airbag)
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200566
Plateforme Orientée-Objets de développementIntégration de nouveaux algorithmesDéveloppement d’application spécifiques
Sommaire de la présentation
Conclusions et travaux futurs
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200567
Travaux réalisés
Création du groupe de travail G2TR au sein de l’équipe 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 d’identification ICMS-G2TRProcédure d’identification numériqueDéveloppement d’essais spécifiques
Développement du code de calcul DynELAIntégration et développement d’algorithmes spécifiquesPlateforme de développement numérique OO en C++Diffusion du code de calcul sous forme de Live CD
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200568
Production scientifique
Travaux scientifiquesEncadrement
doctoral
Articles
Communications DEA
Thèses
avec actes sans actes
9 18 5 10 4
2 4 1
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Plateforme de Prototypage Virtuel pour la Simulation Numérique en Grandes Transformations Thermomécaniques Rapides
Olivier Pantalé – 13 Juillet 200569
Principales perspectives de travaux
Amélioration de l’approche expérimentaleDéveloppement de nouveaux essais expérimentauxDéveloppement de nouvelles procédures d’identification
Développement du code de calcul DynELADéveloppement de nouveaux algorithmesDéveloppement des aspects contact et comportement volumiqueTravaux complémentaires concernant la parallélisation du codeDéveloppement d’applicatifs dédiés (MulPhyDo v.2.0)
Diffusion du code de calcul DynELA et de ses applicatifsDistribution du code de DynELA et des « produits dérivés »Développement de collaborations avec des laboratoires externesMise en place d’un support technique et d’un serveur web