Stratégies de calcul frugales pour la simulation de problèmes multiphysiques : application au soudage et à la fabrication additive // Frugal computional strategies for Multi-physics simulations : application to welding and additive manufacturing

De nombreux procédés industriels s'appuient sur des phénomènes multiphysiques fortement couplés. De tels procédés peuvent impliquer des physiques telles que la mécanique des fluides, la mécanique des solides, la thermique, les changements de phase, la propagation de fronts (solidification, fissuration), … Ces physiques peuvent être caractérisées par de fortes non linéarités et des échelles de temps et d'espace qui peuvent être très variées. La simulation numérique de tels phénomènes multiphysiques conduit, en l'absence de stratégie adaptée, à des temps de calcul extrêmement importants qui rendent inaccessibles l'optimisation, l'étude paramétrique des phénomènes en jeu, ou parfois même le calcul lui-même dans un temps compatible avec le développement.
Un exemple significatif de procédé multiphysique est celui de la fabrication additive par laser (procédés LBM, LMD, ...) qui implique diverses physiques dont la thermique, la mécanique des solides, la mécanique des fluidesou encore la métallurgie.

Les outils de simulation permettent de réaliser des simulations multiphysiques fortement couplées. Néanmoins, de telles simulations ne sont possibles, dans des temps raisonnables, que sur des temps d'étude très courts et des régions d'espace limitées. Pour autant, des simulations à des échelles plus importantes, tant en espace qu'en temps, peuvent être nécessaires pour certaines applications. On se trouve alors confronté à des problèmes impliquant des physiques multiples à des échelles de temps et d'espace très variées.
Par ailleurs, l'optimisation ou l'étude paramétrique des phénomènes en jeu nécessitent de répéter ces simulations coûteuses de très nombreuses fois. Se pose alors la question, dans une logique de simulation au «juste nécessaire», de la mise en place de stratégies de calcul et couplage permettant de réduire les temps de simulation tout en contrôlant les niveaux d'erreur et donc de prédictivité des résultats numériques.
C'est sur ce point que ce projet de thèse porte: il s'agit, en s'appuyant sur des outils de simulation multi ou monophysique établis, de proposer des stratégies de couplage non intrusives permettant de réduire les temps de calcul de façon significative. Pour cela, diverses approches seront envisagéeset couplées :
- définir une stratégie de couplage permettant d'adapter les échelles de temps et d'espace
• aux temps et échelles caractéristiques des différentes physiques traitées;
• remplacer certaines physiques par des modèles réduits construits a priori (offline) ou enrichis au cours des simulations sur la base de critères d'erreur à établir;
• établir les critères d'erreur associés à la stratégie de couplage mise en œuvre afin de mettre en place des stratégies adaptatives basées sur ces critères et permettant de contrôler l'erreur.
Afin de profiter des solveurs existants, il est envisagé de privilégier des stratégies non intrusives. L'effort étant alors, pour des stratégies de calcul partitionnées, porté plus spécifiquement sur les stratégies de couplage en tant que telles. Ceci peut notamment permettre de proposer des stratégies de couplage hybrides entre des simulations complètes pour certaines physiques à certaines échelles de temps et d'espace et des méta-modèles pour d'autres physiques ou d'autres échelles de temps et d'espace.
Les stratégies proposées dans ce projet seront mises en œuvre sur le cas d'application de la simulation des procédés de fabrication additive ou d'assemblage par soudage laser. Les cas d'application envisagés sont issus des travaux réalisés dans le cadre du laboratoire FuseMétal, laboratoire commun entre le laboratoire Roberval de l'UTC et le centre de recherche d'ArcelorMittal Montataire. Des premiers travaux réalisés dans le cadre du laboratoire FuseMétal pourront servir de base aux développements réalisés au cours de ce travail de thèse.
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Many industrial processes rely on strongly coupled multi-physical phenomena. Such processes can involve physics such as fluid mechanics, solid mechanics, heat transfer, phase changes, front propagation (solidification, cracking), etc. These physics can be characterized by strong non-linearities; leading to significantly different time and space scales. In the absence of a suitable strategy, the numerical simulation of such multi-physical phenomena leads to large computation times. This makes it impractical to conduct optimization studies or parametric studies of the involved phenomena or even a single computation maybe impossible within a reasonable time-frame with respect to the development cycle.
An important example of a multi-physics process is laser additive manufacturing (LBW, LMD processes, etc.), which involves a variety of physics, including heat transfer, solid mechanics, fluid mechanics and metallurgy.
Simulation tools enable highly coupled multi-physics simulations to be carried out. However, such simulations can be completed within reasonable computational times only for short study periods and limited spatial regions. Nonetheless, simulations on larger scales, both in space and time, may be necessary for certain applications. This brings us face to face with problems involving multiple physics on a wide variety of space and time scales.
On the other hand, the optimization or parametric study of the phenomena involved means that these costly simulations have to be repeated many times. This raises the question of how to implement computation and coupling strategies that reduce simulation times while controlling error levels, and hence the accuracy/predictability of numerical results, as part of a “just-in-time” simulation approach.
This is the focus of this thesis project: using established multi or single-physics simulation tools, the aim is to propose non-intrusive coupling strategies that can significantly reduce computing times. To achieve this, various approaches will be considered, and coupled in case of single-physics approach :
• define a coupling strategy to adapt the simulation's space and time scales to the characteristic scales of different physics;
• Replace some of the physics by pre-trained (i.e., trained offline) reduced models and/or reduced models trained on-the-go using a to-be-established error criteria.
• Establish an error estimator associated to the coupling strategy in order to develop adaptive methods based on this estimator for controlling the error.
To take advantage of existing solvers, non-intrusive strategies will be prioritised. Thus, the focus will be to develop coupling strategies that treat uncoupled solvers as “black boxes”. In particular, this may enable us to propose hybrid coupling strategies between full simulations for certain physics at certain time and space scales, and meta-models for other physics or other time and space scales.
The strategies developed in this project will be applied to the simulations of additive manufacturing and laser welding processes. The envisaged applications stem from work carried out in the FuseMétal laboratory, a joint laboratory between the UTC Roberval laboratory and the ArcelorMittal Montataire research center. Initial work carried out in the FuseMétal laboratory may serve as a basis for developments carried out in the course of this thesis.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université de Technologie de Compiègne

71 Sciences pour l'ingénieur

La personne candidate aura une formation (diplome d'ingénieur ou master2 ) en mécanique et/ou mathématiques appliquées. Des compétences en mécanique des milieux continus, éléments finis et en programmation sont attendues. La personne recrutée sera dotée d'une bonne capacité d'analyse et d'adaptation. Elle devra faire preuve d'autonomie, de rigueur et de polyvalence. La personne recrutée aura un niveau d'anglais suffisant pour lire et rédiger des documents scientifiques et techniques en anglais, ainsi que pour présenter ses travaux et interagir avec un public anglophone sur des sujets complexes.
The candidate must have a degree in mechanical engineering, applied mechanics and/or applied mathematics. The candidate must be familiar with continuum mechanics, finite element method and programming. The person recruited will have good analytical and adaptation skills. He or she must be self-reliant, rigorous and versatile. The person recruited will have a sufficient level of English to read and write scientific and technical documents in English, as well as to present his/her work and interact with an English-speaking audience on complex subjects.