Ces travaux de thèse, menés dans le cadre du projet de recherche européen MAAXIMUS (More Affordable Aircraft through eXtended, Integrated and Mature nUmerical Sizing), portent sur la simulation numérique de problèmes d'interaction flambage-délaminage au sein de composites stratifiés. Cette interaction met en jeu des phénomènes non linéaires de natures différentes (flambages local et global de plis, initiation et propagation du délaminage, contact entre plis fissurés) qui entraînent des pertes de rigidité importantes et des instabilités, sur des géométries très élancées du fait de la forte différence d'échelle entre les zones délaminées et le pli élémentaire. En conséquence, la prédiction conduit à traiter des problèmes non linéaires de grande taille dont la résolution est uniquement envisageable par l'utilisation des architectures de calcul parallèle actuelles.Dans ce contexte de résolution parallèle, la stratégie multiéchelle LaTIn (Large Time Increment) de décomposition de domaine mixte présente de nombreux avantages déjà mis en évidence lors de travaux précédents dans le cas du délaminage et du contact en petites perturbations. Le but de cette thèse est donc de proposer une extension de la méthode aux grandes transformations.Une grande partie des travaux a été consacrée à s'affranchir des difficultés inhérentes aux structures élancées. Une étude des paramètres de la méthode dans les cas de la flexion, du flambage, du contact entre grandes surfaces fissurées et du délaminage, a été réalisée pour optimiser le taux de convergence, diminuer les temps de calcul et assurer l'extensibilité de la stratégie. / The presented work, within the framework of the European research project MAAXIMUS (More Affordable Aircraft through eXtended, Integrated and Mature nUmerical Sizing), is dedicated to the numerical prediction of combined buckling and delamination problems in composite laminates. This interaction involves non-linear phenomena of different natures (e.g. local and global buckling of plies, initiation and growth of delamination, contact between delaminated surfaces) resulting in important stiffness loss and instabilities, on very slender geometries due to the scale difference between delaminated areas and the thickness of the plies. Therefore, their prediction leads to very large and highly nonlinear numerical problems that can only be solved using parallel computing techniques.In this context, the Latin (Large Time Increment) multiscale strategy, which is based on a mixed domain decomposition, has many advantages already highlighted in previous works in the case of delamination and contact assuming small perturbations. The aim of this thesis is to include geometric nonlinearities into this existing multiscale framework.A major work has been devoted to overcome the difficulties associated with slender structures. A study of the parameters of the method in the case of bending, buckling, contact between large surfaces and delamination, was performed to optimize the convergence rate, reduce the computation time and ensure the scalability of the strategy.

Les travaux de thèse portent sur l'évaluation et la robustesse des stratégies adaptées pour la simulation de grandes structures avec non-linéarités non équitablement réparties, tels le flambage local, et des non-linéarités globales dans les structures aéronautiques. La stratégie dite de « relocalisation non-linéaire » permet l'introduction de schémas de résolution non-linéaire par sous-structure au sein des méthodes de décomposition de domaine classiques.Dans un premier temps, les performances et la robustesse de la méthode sont présentées sur des exemples de structures représentatives des cas industriels. Dans un second temps, la stratégie est complètement parallélisée et des études de « speed-up » et de « extensibilité » sont menées. Enfin, la méthode est testée sur des structures réalistes et de grandes tailles. / The thesis work focus on the evaluation and the robustness of adapted strategies for the simulation of large structures with not equitably distributed nonlinearities, like local buckling, and global nonlinearities on aeronautical structures. The nonlinear relocalization strategy allows the introduction of nonlinear solving schemes in the sub-structures of the classical domain decomposition methods.At a first step, the performances and the robustness of the method are analysed on academic examples. Then, the strategy is parallelized and studies of speed-up and extensibility are carried out. Finally, the method is tested on larger and more realistic structures.

La conception robuste de pièce mécaniques consiste à prendre en compte dans la modélisation les sources d'incertitudes.Le modèle devient alors assez représentatif de la réalité pour pouvoir diminuer les marges de sécurité, qui permettent de garantir que la pièce en fonctionnement ne sera pas mise en défaut.Dans le cas de pièces aérospatiales, une diminution des marges de sécurité est un enjeu économique majeur car cela entraîne une diminution du poids des pièces.La probabilité de défaillance est une des quantités critiques lors de la conception robuste. Celle-ci quantifie le risque de défaillance de la pièce en comparant la probabilité de résistance du matériau (caractérisée à partir d'essais sur éprouvettes) avec la probabilité de sollicitation du matériau, qui est déterminée à partir des contraintes extérieures à la pièce et des caractéristiques du matériau. C'est ce dernier problème qui a fait l'objet de cette thèse.Dans le cas d'un comportement non linéaire du matériau, la détermination de la probabilité de sollicitation impose d'exécuter de nombreuses fois un calcul de la pièce pour différentes valeurs des conditions aux limites et des paramètres du comportement matériau.Ceci devient rapidement hors de portée sans une stratégie adaptée, un calcul pouvant prendre jusqu'à 12 heures.Une stratégie dédiée à la résolution de l'ensemble de ces calculs est proposée dans ce travail. Elle tire parti de la similarité des calculs pour diminuer le temps total nécessaire. Un gain allant jusqu'à 30 est atteint sur des pièces industrielles simples en quasi-statique avec un comportement élasto-viscoplastique. / The robust design of mechanical parts consists in modeling the sources of uncertainty.The model becomes fairly representative of the reality in order to reduce safety margins, which guarantee that the operating part will not been at fault.In the case of aerospace parts, a reduction of safety margins is a major economic issue as it leads to a decrease in weight.The probability of failure is a critical quantity in the robust design. It quantifies the risk of failure of the part by comparing the likelihood of resistance of the material (characterized from tests on specimens) with the probability of solicitation of the material, which is determined from external constraints to the part and characteristics of the material. This last problem has been the subject of this thesis.In the case of a non-linear behavior of the material, determining the probability of solicitation requires to run many times a calculation of the part for different values of boundary conditions and parameters values of the material constitutive law.This is quickly becoming out of reach without an appropriate strategy, as one calculation can take up to 12 hours.A strategy dedicated to solving all of these calculations is proposed in this work. It takes advantage of the similarity of the calculations to reduce the total time required. A gain of up to 30 is reached on industrial parts with quasi-static elastic-viscoplastic behavior.

Les satellites sont mis en orbite en utilisant des lanceurs dont la conception est une des activités principales d’Airbus Defence and Space. Pour ce faire, se baser sur des expériences n’est pas facile : les souffleries ne permettent pas d’évaluer toutes les situations auxquelles un lanceur est confronté au cours de sa mission. La simulation numérique est donc essentielle pour l’industrie spatiale. Afin de disposer de simulations toujours plus fidèles, il est nécessaire d’utiliser des supercalculateurs de plus en plus puissants. Cependant, ces machines voient leur complexité augmenter et pour pouvoir exploiter leur plein potentiel, il est nécessaire d’adapter les codes existants. Désormais, il semble essentiel de passer par des couches d’abstraction afin d’assurer une bonne portabilité des performances. ADS a développé depuis plus de 20 ans le code FLUSEPA qui est utilisé pour le calcul de phénomènes instationnaires comme les calculs d’onde de souffle au décollage ou les séparations d’étages. Le solveur aérodynamique est basé sur une formulation volume fini et une technique d’intégration temporelle adaptative. Les corps en mouvement sont pris en compte via l’utilisation de plusieurs maillages qui sont combinés par intersections.Cette thèse porte sur la parallélisation du code FLUSEPA. Au début de la thèse, la seule version parallèle disponible était en mémoire partagée. Une première version parallèle en mémoire distribuée a d’abord été réalisée. Les gains en performance de cette version ont été évalués via l’utilisation de deux cas tests industriels. Un démonstrateur du solveur aérodynamique utilisant la programmation par tâche au dessus d’un runtime a aussi été réalisé. / There are different kinds of satellites that offer different services like communication, navigationor observation. They are put into orbit through the use of launchers whose design is oneof the main activities of Airbus Defence and Space. Relying on experiments is not easy : windtunnel cannot be used to evaluate every critical situation that a launcher will face during itsmission. Numerical simulation is therefore mandatory for spatial industry.In order to have more reliable simulations, more computational power is needed and supercomputersare used. Those supercomputers become more and more complex and this impliesto adapt existing codes to make them run efficiently. Nowadays, it seems important to rely onabstractions in order to ensure a good portability of performance. Airbus Defence and Spacedeveloped for more than 20 years the FLUSEPA code which is used to compute unsteady phenomenalike take-off blast wave or stage separation. The aerodynamic solver relies on a finitevolume formulation and an explicit temporal adaptive solver. Bodies in relative motion are takeninto account through the use of multiple meshes that are overlapped.This thesis is about the parallelization of the FLUSEPA code. At the start of the thesis,the only parallel version available was in shared memory through OpenMP. A first distributedmemory version was realized and relies on MPI and OpenMP. The performance improvementof this version was evaluated on two industrial test cases. A task-based demonstrator of theaerodynamic solver was also realized over a runtime system.

La simulation numérique fait partie intégrante du processus d'analyse. Que l'on veuille concevoir le profil d'un véhicule, ou chercher à prévoir le résultat d'un forage pétrolier, la simulation numérique est devenue un outil complémentaire à la théorie et aux expérimentations. Cet outildoit produire des résultats précis en un minimum de temps. Pour cela, nous avons à disposition des méthodes numériques précises, et des machines de calcul aux performances importantes. Cet outil doit être générique sur les maillages, l'ordre de la solution, les méthodes numériques, et doitmaintenir ses performances sur les machines de calculs modernes avec une hiérarchie complexes d'unité de calculs. Nous présentons dans cette thèse le background mathématiques de deux classes de schémas numériques, les méthodes aux éléments finis continus et discontinus. Puis nous présentons les enjeux de la conception d'une plateforme en prenant en compte l'ensemble de ces contraintes. Ensuite nous nous intéressons au sous-problème de l'assemblage au dessus d'un support d'exécution. L'opération d'assemblage se retrouve en algèbre linéaire dans les méthodes multi-frontales ou dans les applications de simulations assemblant un système linéaire. Puis, nous concluons en dressant un bilan sur la plateforme AeroSol et donnons des pistes d'évolution possibles. / Numerical simulation is nowadays an essential part of engineering analysis, be it to design anew plane, or to detect underground oil reservoirs. Numerical simulations have indeed become an important complement to theoretical and experimental investigation, allowing one to reduce the cost of engineering design processes. In order to achieve a high level of precision, one need to increase the resolution of his computational domain. So to keep getting results in reasonable time, one shall nd a way to speed-up computations. To do this, we use high performance computing, HPC, to exploit the complex architecture of modern supercomputers. Under these two constraints, and some other like the genericity of finite elements, or the mesh dimension, we developed a new platform AeroSol. In this thesis, we present the mathematical background, and the two types of schemes that are implemented in the platform, the continuous finite elements method, and the discontinuous one. Then, we present the design choices made in the platform,then, we study a sub-problem, the assembly operation, which can be found in linear algebra multi-frontal methods.

Dans la ligné des réseaux de stations de travail, les grappes de calculateurs représentent une alternative attrayante, en terme de performance et de coût, comparativement aux machines parallèles traditionnelles, pour l'exécution d'applications parallèles de calcul à haute performance. Une grappe de calculateurs est constituée d'un ensemble de noeuds interconnectés par un réseau dédié à haute performance. Les systèmes à image unique (Single System Image -- SSI) forment une classe de logiciel offrant aux utilisateurs et programmeurs d'une grappe de calculateurs, l'illusion d'une machine unique. Un SSI peut être conçu à différents niveaux (intergiciel, système d'exploitation) selon le degré d'exigence quant à la<br />réutilisation sans modification de modèles de programmation et d'applications existants. Dans notre contexte, les applications visées sont de type MPI ou OpenMP. Comme pour tout système distribué, le système d'interconnexion des noeuds de la grappe se trouve au coeur des performances globales de la grappe et des SSIs.<br /><br />Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception d'un système de communication dédié aux systèmes d'exploitation distribués pour grappes. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre de la conception et la réalisation d'un SSI pour l'exécution d'applications haute performance sur grappe de calculateurs.<br /><br />Notre première contribution se situe dans la conception d'un modèle de communication adapté aux communications internes aux services systèmes distribués qui constituent le SSI. En effet, de la performance des communications dépendent les performances globales de la grappe. Les transactions de communication permettent (i) de décrire un message lors de sa création, (ii) d'acheminer efficacement le message en<br />fontion des ressources disponibles, et (iii) de délivrer et traiter le<br />message au plus tôt sur le noeud destinataire.<br /><br />Notre seconde contribution correspond à la conception d'un support au déplacement de processus communiquant par flux de données (socket, pipe, etc.). En effet, au sein d'un SSI, les processus peuvent être déplacés en cours d'exécution par un ordonnanceur global. Les flux dynamiques permettent le déplacement d'une extrémité de communication sans dégradation des performances.<br /><br />Nos propositions ont été mises en oeuvre dans le prototype de SSI Kerrighed, conçu au sein du projet INRIA PARIS de l'IRISA. Ce prototype nous a permis d'évaluer le système de communication proposé. Nous avons montré une réactivité accrue des services systémes distribués ainsi qu'une absence de dégradation des performances des applications communiquant par messages (en particulier MPI) aprés déplacement d'un processus. L'ensemble de ce travail est distribué sous licence GPL en tant que partie de Kerrighed et est disponible à l'adresse: http://www.kerrighed.org.

La conception robuste de pièce mécaniques consiste à prendre en compte dans la modélisation les sources d'incertitudes.Le modèle devient alors assez représentatif de la réalité pour pouvoir diminuer les marges de sécurité, qui permettent de garantir que la pièce en fonctionnement ne sera pas mise en défaut.Dans le cas de pièces aérospatiales, une diminution des marges de sécurité est un enjeu économique majeur car cela entraîne une diminution du poids des pièces.La probabilité de défaillance est une des quantités critiques lors de la conception robuste. Celle-ci quantifie le risque de défaillance de la pièce en comparant la probabilité de résistance du matériau (caractérisée à partir d'essais sur éprouvettes) avec la probabilité de sollicitation du matériau, qui est déterminée à partir des contraintes extérieures à la pièce et des caractéristiques du matériau. C'est ce dernier problème qui a fait l'objet de cette thèse.Dans le cas d'un comportement non linéaire du matériau, la détermination de la probabilité de sollicitation impose d'exécuter de nombreuses fois un calcul de la pièce pour différentes valeurs des conditions aux limites et des paramètres du comportement matériau.Ceci devient rapidement hors de portée sans une stratégie adaptée, un calcul pouvant prendre jusqu'à 12 heures.Une stratégie dédiée à la résolution de l'ensemble de ces calculs est proposée dans ce travail. Elle tire parti de la similarité des calculs pour diminuer le temps total nécessaire. Un gain allant jusqu'à 30 est atteint sur des pièces industrielles simples en quasi-statique avec un comportement élasto-viscoplastique.

Ces travaux de thèse, menés dans le cadre du projet de recherche européen MAAXIMUS (More Affordable Aircraft through eXtended, Integrated and Mature nUmerical Sizing), portent sur la simulation numérique de problèmes d'interaction flambage-délaminage au sein de composites stratifiés. Cette interaction met en jeu des phénomènes non linéaires de natures différentes (flambages local et global de plis, initiation et propagation du délaminage, contact entre plis fissurés) qui entraînent des pertes de rigidité importantes et des instabilités, sur des géométries très élancées du fait de la forte différence d'échelle entre les zones délaminées et le pli élémentaire. En conséquence, la prédiction conduit à traiter des problèmes non linéaires de grande taille dont la résolution est uniquement envisageable par l'utilisation des architectures de calcul parallèle actuelles.Dans ce contexte de résolution parallèle, la stratégie multiéchelle LaTIn (Large Time Increment) de décomposition de domaine mixte présente de nombreux avantages déjà mis en évidence lors de travaux précédents dans le cas du délaminage et du contact en petites perturbations. Le but de cette thèse est donc de proposer une extension de la méthode aux grandes transformations.Une grande partie des travaux a été consacrée à s'affranchir des difficultés inhérentes aux structures élancées. Une étude des paramètres de la méthode dans les cas de la flexion, du flambage, du contact entre grandes surfaces fissurées et du délaminage, a été réalisée pour optimiser le taux de convergence, diminuer les temps de calcul et assurer l'extensibilité de la stratégie.

Les travaux de thèse portent sur l'évaluation et la robustesse des stratégies adaptées pour la simulation de grandes structures avec non-linéarités non équitablement réparties, tels le flambage local, et des non-linéarités globales dans les structures aéronautiques. La stratégie dite de " relocalisation non-linéaire " permet l'introduction de schémas de résolution non-linéaire par sous-structure au sein des méthodes de décomposition de domaine classiques.Dans un premier temps, les performances et la robustesse de la méthode sont présentées sur des exemples de structures représentatives des cas industriels. Dans un second temps, la stratégie est complètement parallélisée et des études de " speed-up " et de " extensibilité " sont menées. Enfin, la méthode est testée sur des structures réalistes et de grandes tailles.

Le travail réalisé lors de cette thèse s'inscrit dans le cadre du calcul haute performance sur architectures hétérogènes. Pour faciliter l'écriture d'applications exploitant ces architectures et permettre la portabilité des performances, l'utilisation de supports exécutifs automatisant la gestion des certaines tâches (gestion de la mémoire distribuée, ordonnancement des noyaux de calcul) est nécessaire. Une approche bas niveau basée sur le standard OpenCL est proposée ainsi qu'une approche de plus haut niveau basée sur la programmation fonctionnelle parallèle, la seconde permettant de pallier certaines difficultés rencontrées avec la première (notamment l'adaptation de la granularité).