Analyse sismique de l’interface sol-fondation : Modélisation physique et numérique du basculement global et du décollement local
Les fondations basculantes offrent un mécanisme potentiel pour améliorer la performance sismique en permettant un soulèvement et un tassement contrôlés, mais les incertitudes dans les interactions sol-fondation limitent leur utilisation généralisée. Les modèles actuels nécessitent des simulations numériques complexes, qui ne représentent pas de manière précise l'interface sol-fondation.
L'objectif principal de cette thèse est de modéliser la transition des effets locaux (friction, soulèvement) à la réponse globale de la structure (basculement, tassement et glissement) sous des charges sismiques, en utilisant une approche expérimentale et numérique combinée. Il s'agit donc d'assurer une modélisation numérique fiable des structures basculantes. Les objectifs clés incluent :
• Étudier la sensibilité des paramètres physiques dans la réponse sismique des systèmes sol-structure basculants en utilisant l'apprentissage automatique et des analyses numériques.
• Développer et réaliser des tests expérimentaux sous charges monotones puis dynamiques pour mesurer les réponses sol-fondation-structure en condition de basculement.
• Implémenter des simulations numériques pour tenir compte des effets d'interaction locaux et valider les résultats avec des résultats expérimentaux.
Enfin, cette recherche vise à proposer un cadre expérimental et numérique fiable pour améliorer la résilience sismique dans la conception en ingénierie. Cette thèse fournira à l'étudiant des compétences pratiques en ingénierie, ainsi qu'une expertise dans les tests en laboratoire et la modélisation numérique. Les résultats seront publiés dans des revues internationales et nationales et présentés lors de conférences, faisant avancer la recherche dans le domaine de la dynamique des sols et des structures.
Validation d'une approche d'identification sans modèle "data-driven" pour la modélisation de la rupture ductile
Ces travaux s'intéressent au passage des modèles constitutifs traditionnels vers un cadre de Mécanique Computationnelle Basée sur des Données (Data-Driven Computational Mechanics, DDCM), discipline introduite il y a peu [1]. Au lieu de s'appuyer sur des équations constitutives complexes, cette approche utilise une base de données d'états contrainte-déformation pour modéliser le comportement des matériaux. L'algorithme minimise la distance entre les états mécaniques calculés et les entrées de la base de données, garantissant le respect des équilibres et des conditions de compatibilité. Ce nouveau paradigme vise à surmonter les incertitudes et les défis empiriques associés aux méthodes conventionnelles.
Outil corollaire de la DDCM, l'Identification Basée sur des Données (Data-Driven Identification, DDI) a émergé comme une méthode puissante pour identifier les réponses en contrainte des matériaux [2, 3]. Elle fonctionne avec peu d'hypothèses et sans modèles constitutifs, ce qui la rend particulièrement adaptée à un potentiel étalonnage de modèles complexes couramment utilisés dans l'industrie.
Les objectifs clés de cette recherche incluent l'adaptation des stratégies de la DDCM vers la DDI pour la plasticité [4] et la rupture [5] en perfectionnant l'existant, l'amélioration de la DDI pour le calcul haute performance, et l'évaluation des équations constitutives à partir d'une base de données uniquement basée sur la donnée expérimentale. La méthodologie proposée consiste à collecter des cartes de mesures de champ à partir d'un essai hétérogène, en utilisant une caméra à haute vitesse et la corrélation d'image numérique. Elle adaptera la DDCM aux scénarios de fracture ductile pour la DDI, mettra en œuvre un solveur DDI dans un cadre de calcul haute performance et réalisera une évaluation d'un modèle constitutif. L'accent sera mis sur l'acier 316L, un matériau largement utilisé dans l'industrie nucléaire.
Cette thèse représente une collaboration des laboratoires CEA et Centrale Nantes qui sont spécialisés en mécanique computationnelle, mathématiques appliquées, l'ingénierie logicielle et traitement de signal.
[1] Kirchdoerfer, Trenton, and Michael Ortiz. "Data-driven computational mechanics." Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 304 (2016): 81-101.
[2] Leygue, Adrien, et al. "Data-based derivation of material response." Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 331 (2018): 184-196.
[3] Dalémat, Marie, et al. "Measuring stress field without constitutive equation." Mechanics of Materials 136 (2019): 103087.
[4] Pham D. et al, Tangent space Data Driven framework for elasto-plastic material behaviors, Finite Elements in Analysis and Design, Volume 216, 2023, https://doi.org/10.1016/j.finel.2022.103895.
[5] P. Carrara, L. De Lorenzis, L. Stainier, M. Ortiz, Data-driven fracture mechanics, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Volume 372, 2020, https://doi.org/10.1016/j.cma.2020.113390.
Caractérisation de la fuite gazeuse d’un contact rugueux au chargement et au délestage, application au cas des joints d’étanchéité métalliques
Dans de nombreuses infrastructures industrielles, des joints entièrement métalliques sont utilisés pour garantir une haute étanchéité des assemblages mécaniques en conditions thermodynamiques sévères. Leur performance est entièrement contrôlée par le comportement à l’interface de contact entre les surfaces rugueuses du joint et de la bride en vis-à-vis, assimilable à une fracture multi-échelles anisotrope. L'objectif de la thèse est alors de mieux comprendre et prédire les mécanismes d’obtention et de perte d'étanchéité des gaz en fracture rugueuse par une approche de modélisation couplée à de l’expérimentation.
Le travail se réalise dans la continuité d’études connexes déjà réalisées au laboratoire. Il se concentrera d’abord sur la mise au point d’un dispositif expérimental permettant la mise en contact de surfaces rugueuses métalliques avec un effort donné et la mesure conjointe de la fuite, au chargement du contact comme au délestage, afin de mettre en évidence et caractériser le phénomène d’hystérésis apporté par le déformation permanente de la matière au cours de la première compression. Les résultats obtenus seront comparés aux modèles numériques du laboratoire dans différentes configurations, afin de valider ces derniers. S’il apparaît que le calcul d’écoulement est bien maîtrisé, des écarts persistent dans le modèle de contact mécanique. Il devra alors être amélioré en termes de prise en compte des effets de plasticité propres au contact, de l’épaisseur finie du revêtement d’étanchéité et l’optimisation du temps de calcul. Les résultats seront ensuite transposés à un cas industriel de joint d’étanchéité HELICOFLEX, en développant une stratégie de modélisation à deux échelles, couplant l’information macroscopique à l’échelle du joint avec celle à l’échelle des rugosités.
Modélisation sous-maille des transferts interfaciaux de masse et de chaleur appliqués à la condensation des essaims de bulles
Pour évaluer la sûreté des centrales nucléaires, le CEA développe et utilise des outils de simulation multi-échelles en thermohydraulique. L’application de la CFD aux écoulements diphasiques est limitée car elle nécessite de nombreux modèles difficiles à déterminer. Parmi nos autres ces outils, les simulations numériques directes (DNS) à interfaces résolues fournissent des données de référence inaccessibles par des moyens expérimentaux. C'est par exemple le cas des essaims de bulles, où les transferts de chaleur et de masse sont influencés par des effets collectifs complexes.
Afin de réduire le coût de ces simulations DNS, nous avons récemment développé une approche [1] qui montre des résultats prometteurs : elle consiste à coupler une résolution fine des transferts thermiques aux interfaces liquide-vapeur à un champ lointain calculé sur un maillage moins résolu. Pour élargir l'application de cette méthode à des cas plus industriels, il est nécessaire de prendre en compte les collisions entre bulles et d’adapter le modèle au changement de phase.
Nous proposons au cours de cette thèse de commencer par ce travail de modélisation physique et son implémentation en C++ dans notre code open-source de simulation TRUST/TrioCFD [2]. Ensuite, nous utiliserons cette nouvelle capacité pour réaliser une étude paramétrique et une analyse physique approfondie des phénomènes qui mèneraitmèneront, à terme, à une amélioration des modèles de transfert de chaleur dans les codes industriels.
[1] M. Grosso, G. Bois, A. Toutant, Thermal boundary layer modelling for heat flux prediction of bubbles at saturation: A priori analysis based on fully-resolved simulations, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol 222, 2024, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124980
[2] Trio_CFD webpage : http://triocfd.cea.fr/recherche/modelisation-physique/two-phase-flows
Développement d'une approche macroscopique pour la dégradation à long terme des structures en béton sous irradiation
Dans les centrales nucléaires, la protection biologique en béton (CBS) est conçue à proximité de la cuve du réacteur. Cet élément, qui joue également le rôle de structure porteuse, absorbe donc les radiations. Il est ainsi exposé pendant la durée de fonctionnement de la centrale à des niveaux élevés de radiations qui peuvent avoir des conséquences à long terme. Ces radiations peuvent notamment entraîner une diminution des propriétés mécaniques des matériaux et de la structure. Etant donné son rôle clé, il est donc nécessaire de développer des outils et des modèles, pour prédire les comportements de telles structures à l'échelle macroscopique.
Sur la base des résultats existants obtenus à une échelle inférieure - simulations mésoscopiques, à partir desquelles une meilleure compréhension de l'effet de l'irradiation peut être obtenue, et des résultats expérimentaux qui viendront alimentés la simulation (propriétés des matériaux en particulier), il est proposé de développer une méthodologie macroscopique pour le comportement de la protection biologique en béton. Cette approche inclura différents phénomènes, parmi lesquels l'expansion volumétrique induite par le rayonnement, le fluage induit, les déformations thermiques et le chargement mécanique.
Les outils seront développés dans le cadre de la mécanique de l'endommagement. Les principaux défis numériques concernent la proposition et l'implémentation de lois d'évolution adaptées, et en particulier le couplage entre l'endommagement microstructural et l'endommagement au niveau structurel dû aux contraintes appliquées sur la structure.
Ce travail numérique pourra être réalisé dans un contexte de collaboration internationale. Il permettra au candidat retenu de développer un ensemble de compétences autour de la simulation de structures en béton armé en environnement complexe.
Caractérisation multi-physique pour l’amélioration des performances des supercondensateurs hybrides au potassium
Le sujet de thèse porte sur l'optimisation des supercondensateurs hybrides au potassium (KIC), qui combinent les propriétés des supercondensateurs (puissance, cyclabilité) et des batteries (énergie). Ce système, développé au CEA, représente une technologie prometteuse, bas coûts et sans matériaux critiques/stratégiques. Cependant, l’optimisation des performances nécessite encore de lever différents verrous observés lors de travaux précédents, notamment sur l’intercalation du potassium dans le graphite et les phénomènes d’échauffement de cellules en fonctionnement. Afin d'explorer en profondeur les mécanismes de fonctionnement du système KIC, une partie essentielle du projet de thèse comprendra des expériences menées à l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), où des techniques de diffraction et d'imagerie avancées seront utilisées pour analyser la structure des matériaux et leur comportement en conditions réelles de fonctionnement. Le traitement des données recueillies sera également crucial afin d'établir des corrélations entres les propriétés physico-chimiques des matériaux et les performances globales du système. Cette thèse contribuera à la compréhension fondamentale des mécanismes multi-physiques en jeu dans les KIC pour développer des stratégies de conception innovantes et ainsi améliorer leur capacité, leur efficacité énergétique et leur durée de vie.
Étude d’un procédé de lavage innovant pour le traitement de composants sodés issus d’installations utilisant du sodium liquide comme caloporteur
Le sodium est utilisé comme fluide caloporteur dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides. Compte tenu des températures de fonctionnement de ces installations, toutes les surfaces en contact avec le sodium liquide restent mouillées par du sodium résiduel une fois les circuits vidangés et égouttés. Le traitement de ce sodium résiduel est impératif pour assurer la sécurité des interventions sur les composants et structures dans un processus de démantèlement. Le procédé de référence pour cette action est le lavage à l’eau dans un puits de lavage dédié. Ce procédé met en œuvre une réaction du sodium avec l’eau sous différentes formes, en maîtrisant la cinétique de réaction, qui est instantanée et fortement exothermique sans contrôle de la mise en contact des réactifs.
Une étude exploratoire menée au CEA a fait l’objet d’une thèse soutenue en 2014 sur l’utilisation de sels pour mitiger la cinétique de réaction. Le laboratoire d’Études des technologies Sodium et Caloporteurs avancés (DES/IRESNE/DTN/STCP/LESC) possède ainsi des installations de R&D, instrumentées et dédiées à l’étude des procédés de lavage du sodium et équipées des fonctionnalités d’un puits de lavage industriel, telles que des rampes d’aspersion, des buses d’atomisation et un dispositif d’immersion.
Le principal objectif scientifique de la nouvelle thèse proposée est à présent d’identifier, de comprendre et de modéliser les mécanismes physico-chimiques impliqués dans la cinétique réactionnelle sodium-eau en présence de sels. Ces travaux permettront de limiter ou d’éviter les phénomènes d’onde de pression ou d’explosion lors du traitement du sodium résiduel des circuits de réacteurs nucléaires à neutrons rapides lors de leur assainissement-démantèlement. Le doctorant aura pour mission de définir les plans d’expérience, de participer activement à la réalisation des campagnes d’essai, d’exploiter les résultats et de proposer une interprétation des phénomènes observés (cinétiques, pic de pression, élévation locale de température…). Les essais auront pour objectif d’acquérir des données de thermodynamique et de cinétique de réaction fiables, tels que les temps de réaction, la variation de la pression dynamique, l’élévation de la température, la composition des phases gaz et liquide, la spéciation en phase liquide et la visualisation de la phénoménologie via caméra rapide. Des outils de modélisation seront mis à sa disposition pour établir et simuler un modèle de cinétique réactionnelle. À terme, les travaux proposés permettront de qualifier le procédé pour une application industrielle dans le domaine de l’assainissement/démantèlement à fort enjeu pour la filière nucléaire française.
En complément de l’expérience acquise dans le domaine du démantèlement de systèmes nucléaires, le travail proposé ouvre des perspectives professionnelles en particulier vers les centres de recherche et les départements de R&D dans l’industrie.
Un stage de master 2 est proposé par l’équipe en complément de la thèse.
Quantification des incertitudes et analyse de sensibilité pour les vibrations de structures minces sous écoulement axial
Les phénomènes d'interaction fluide-structure (IFS) sont omniprésents dans les installations industrielles où des structures sont en contact avec un fluide sous écoulement qui exerce un chargement mécanique. Pour des structures élancées et souples, l’IFS peut induire des phénomènes vibratoires et des instabilités mécaniques à l’origine de grandes amplitudes de déplacements. L'industrie nucléaire est confrontée à cette problématique, notamment au niveau des tuyauteries, des assemblages de combustible, des grappes de commande ou encore des générateurs de vapeur. Dans le cadre de la prévention et de la maîtrise des risques vibratoires, les codes de calcul sont des outils essentiels, qui, à partir de plusieurs paramètres d’entrée, permettent d’accéder à des quantités d’intérêt (variables de sortie) souvent inaccessibles expérimentalement. Cependant, la connaissance des paramètres d’entrée est parfois limitée à cause d’un manque de caractérisation (erreur de mesure ou manque de données) ou tout simplement par la nature intrinsèquement aléatoire de ces paramètres. Il est alors nécessaire de prendre en compte des incertitudes sur les paramètres d’entrée et d’effectuer une analyse de sensibilité pour les variables de sortie.
Dans ce cadre, l'objectif de cette thèse est d’analyser la réponse vibratoire d'une structure mince dont les caractéristiques géométriques sont incertaines (structure présentant un défaut de courbure, localisé ou global). Nous chercherons en particulier à comprendre comment les incertitudes géométriques affectent la stabilité de la structure flexible. Cette caractérisation se fera de manière théorique et numérique. Les calculs numériques seront réalisés avec le code TrioCFD, développé par le CEA. En fonction de l’avancée des travaux, l’effet de différentes incertitudes (liées par exemple aux caractéristiques matérielles de la structure ou aux propriétés de l’écoulement incident) pourront être envisagées. In fine, le travail réalisé dans le cadre de cette thèse permettra d’améliorer la prédiction et le contrôle des vibrations de structures minces sous écoulement axial.
Les interactions fluides-structures et les instabilités associées sont présentes dans de nombreux domaines, que soit en aéronautique avec les phénomènes de flottement d’ailes, dans le nucléaire avec les vibrations de composants sous écoulements, en biologie pour la compréhension de la locomotion animale sous-marine, dans la botanique pour la compréhension des croissances végétales, dans le sport pour l’optimisation des performances, dans la récupération d’énergie des structures flexibles excitées par un fluide. La thèse permettra à l’étudiant d’acquérir de nombreuses compétences en mathématiques, en simulation numérique, en mécanique des fluides, en mécanique des solides, de se former à la recherche dans le domaine de la mécanique des fluides et des solides, pour in-fine une carrière dans ce domaine, que ce soit dans le monde académique ou de la R&D appliquée dans de nombreux domaines d’intérêt pour les scientifiques et plus généralement pour la société. Un sujet de stage de 6 mois est également proposé en préambule de la thèse (optionnel).
Niveau exigé : Master 2 / Dernière année d’École d’Ingénieur.
Formation exigée : mécanique des milieux continus, résistance des matériaux (théorie des
poutres et des plaques), mécanique des fluides, interaction fluides-structures, simulation
numérique (éléments finis).
Dynamique multiéchelle d’une structure élancée avec singularités de frottement : application à un assemblage de combustible
La modélisation dynamique de structures complexes peut nécessiter la prise en compte de phénomènes intervenant à des échelles très différentes. Or, une modélisation fine de ce type de structures entraîne généralement des coûts de calculs prohibitifs. La modélisation multiéchelle se présente alors comme une solution alternative à cette problématique en tenant compte de chaque phénomène à l’échelle la plus adéquate.
Nous nous intéressons ici à des structures élancées soumises à des sollicitations mécaniques qui conduisent à des contacts frottants entre la structure et les éléments de maintien. Le comportement des structures élancées est en général représenté par des modèles de type poutre équivalente, mais la prise en compte précise du contact/frottement local nécessite des modèles 3D massifs.
L’originalité du travail proposé ici est de bâtir une approche multiéchelle et multimodèle efficace entre modèles poutres et massifs qui permette de prendre en compte localement le contact frottant de structures élancées. Nous nous orientons ainsi vers l’utilisation de méthodes multigrilles (ou multiniveaux) locales qui permettent naturellement un couplage multiéchelle non intrusif. La précision de ces méthodes repose alors sur le choix des opérateurs de transfert entre échelles, qui devront être définis avec soin. Il faudra également prendre en compte la non compatibilité des maillages soutenant les modèles sur les différentes échelles pertinentes. Ainsi, le modèle final sera un modèle de poutre enrichi permettant de prendre en compte des phénomènes de contact locaux.
Le modèle développé sera comparé à des résultats expérimentaux obtenus lors de campagnes d’essais déjà réalisées, et à des solutions numériques de référence, de complexité croissante, destinées à valider finement la pertinence de l’approche multiéchelle proposée.
Le potentiel fort des approches multiéchelles visées, appliqué dans ce sujet au domaine du nucléaire, pourra être valorisé par le candidat à d’autres problématiques industrielles telles que celles de l’aéronautique ou encore de l’automobile.
La thèse se déroulera dans le cadre du laboratoire commun MISTRAL entre le CEA et le LMA (laboratoire de mécanique et d’acoustique) de Marseille. Le doctorant réalisera la majeure partie de sa thèse au CEA au sein de l'institut IRESNE (Cadarache) dans les équipes spécialisées autour des méthodes numériques et de la modélisation dynamique de structures complexes. Il se rendra régulièrement à Marseille pour échanger avec les encadrants universitaires.
Alimentation à haut niveau d'isolement
Avec l’évolution rapide des technologies et les défis croissants en matière de miniaturisation et de gestion des ressources, les convertisseurs de puissance doivent faire face à des exigences de performance de plus en plus strictes. Pour répondre à ces besoins, l’utilisation de semi-conducteurs à large bande interdite, tels que le SiC (carbure de silicium) et le GaN (nitrure de gallium), devient de plus en plus courante. Ces matériaux permettent d’augmenter significativement la vitesse de commutation des convertisseurs, réduisant ainsi les pertes et améliorant leur efficacité.
Cependant, cette rapidité de commutation engendre des défis supplémentaires : la raideur des fronts de commutation peut provoquer des courants parasites qui perturbent les commandes des interrupteurs. Pour contrer ces effets indésirables, il est nécessaire d'utiliser des drivers d’interrupteurs offrant un niveau d’isolation élevé. La solution traditionnelle repose sur des transformateurs magnétiques hautes fréquences, mais ces dispositifs présentent un coût élevé, un encombrement significatif et une isolation limitée.
L’objectif de cette thèse est de concevoir une nouvelle solution pour l’alimentation des drivers de composants grand-gap, en remplaçant les transformateurs magnétiques par des transformateurs piézoélectriques. Cette approche innovante vise à réduire les coûts, l’encombrement et améliorer l’efficacité globale des systèmes de conversion de puissance.
Encadrement et Ressources : le candidat sélectionné travaillera au sein d'une équipe de recherche de pointe, reconnue pour son expertise dans le domaine de la conversion de puissance par résonateurs piézoélectriques. L'équipe dispose des ressources et du savoir-faire nécessaires pour soutenir le développement et la validation de cette technologie novatrice.