La simulation numérique des systèmes multicorps en présence d'interactions complexes, dont le contact frottant, pose de nombreux défis, tant en terme de modélisation que de temps de calcul. Dans ce manuscrit de thèse, nous étudions deux familles de décomposition de domaine adaptées au formalisme de la dynamique non régulière des contacts (NSCD). Cette méthode d'intégration implicite en temps de l'évolution d'une collection de corps en interaction a pour caractéristique de prendre en compte le caractère discret et non régulier d'un tel milieu. Les techniques de décomposition de domaine classiques ne peuvent de ce fait être directement transposées. Deux méthodes de décomposition de domaine proches des formalismes des méthodes de Schwarz et de complément de Schur sont présentées. Ces méthodes se révèlent être de puissants outils pour la parallélisation en mémoire distribuée des simulations granulaires 2D et 3D sur un centre de calcul haute performance. Le comportement de structure des milieux granulaires denses est de plus exploité afin de propager rapidement l'information sur l'ensemble des sous-domaines via un schéma semi-implicite d'intégration en temps. / Numerical simulations of the dynamics of discrete structures in presence of numerous impacts and frictional contacts leads to CPU-intensive large time computations. To deal with such realistic assemblies, numerical tools have been developed, in particular the method called nonsmooth contact dynamics (NSCD). Such modeling has to deal with discreteness and nonsmoothness, such that domain decomposition approaches for regular continuum media has to be rethought. We present further two domain decomposition method linked to Schwarz and Schur formalism. Scalability and numerical performances of the methods for 2D and 3D granular media is studied, showing good parallel behavior on a supercomputer platform. The structural behavior of dense granular packing is herein used to introduce a spacial multilevel preconditioner with a coarse problem to improve convergence in a space-time approach.

Modeling and simulation of granular matter has important applications in both natural science and industry. One widely used method is the discrete element method (DEM). It can be used for simulating granular matter in the gaseous, liquid as well as solid regime whereas alternative methods are in general applicable to only one. Discrete element analysis of large systems is, however, limited by long computational time. A number of solutions to radically improve the computational efficiency of DEM simulations are developed and analysed. These include treating the material as a nonsmooth dynamical system and methods for reducing the computational effort for solving the complementarity problem that arise from implicit treatment of the contact laws. This allow for large time-step integration and ultimately more and faster simulation studies or analysis of more complex systems. Acceleration methods that can reduce the computational complexity and degrees of freedom have been invented. These solutions are investigated in numerical experiments, validated using experimental data and applied for design exploration of iron ore pelletising systems. / <p>This work has been generously supported by Algoryx Simulation, LKAB (dnr 223-</p><p>2442-09), Umeå University and VINNOVA (2014-01901).</p>

Les méthodes par éléments discrets constituent une alternative par rapport aux méthodes<br />par éléments finis pour la modélisation du comportement d'un milieu divisé : sol, milieux<br />granulaires, etc . Dans ce mémoire l'objectif est d'étudier un matériau granulaire soumis à des sollicitations<br />cycliques : le ballast des voies ferrées soumis au passage des trains. Nous présentons à la<br />suite d'une étude bibliographique sur le comportement du ballast, la méthode de résolution NonSmooth<br />Contact Dynamics, et nous exposons l'ensemble des développements nécessaires dans le<br />cas bidimensionnel et tridimensionnel : un algorithme de détection entre polygones et entre polyèdres<br />convexes, le paramétrage, la résolution du problème de contact frottant. Nous déterminons<br />ensuite les paramètres optimaux pour des simulations de chargement cyclique. Dans une dernière<br />partie, nous présentons ensuite un ensemble de résultats montrant l'aptitude des méthodes par éléments<br />discrets à décrire l'évolution d'un massif granulaire sous chargement cyclique. L'analyse<br />d'une comparaison entre une expérience et la simulation met évidence le comportement particulier<br />de ce type de système, qui s'assimile à une couche mince granulaire où des micro-structures particulières<br />guident la réponse mécanique du milieu. Dans le cas tridimensionnel, des comportements<br />mécaniques connus ont été retrouvés, à titre d'exemple, en analysant l'évolution de structures<br />maçonnées. Nous présentons une étude de la résistance latérale de la voie ballastée, en considérant<br />des formes de grains issues de la digitalisation de grains réels, pour laquelle on retrouve un<br />comportement identifié expérimentalement.