To get an improved understanding and knowledge of the processes and phenomena during the late phase of a core melt down accident the FOREVER-experiments (Failure of Reactor Vessel Retention) are currently underway. These experiments are simulating the lower head of a reactor pressure vessel under the load of a melt pool with internal heat sources. The geometrical scale of the experiments is 1:10 compared to a common Light Water Reactor. During the first series of experiments the Creep behaviour of the vessel is investigated. Due to the multi-axial creep deformation of the three-dimensional vessel with a non-uniform temperature field these experiments are on the one hand an excellent possibility to validate numerical creep models which are developed on the basis of uniaxial creep tests. On the other hand the results of pre-test calculations can be used for an optimized experimental procedure. Therefore a Finite Element model is developed on the basis of the multi-purpose commercial code ANSYS/Multiphysics®. Using the Computational Fluid Dynamic module the temperature field within the vessel wall is evaluated. The transient structural mechanical calculations are performed applying a creep model which is able to take into account great temperature, stress and strain variations within the model domain. The new numerical approach avoids the use of a single creep law with constants evaluated for a limited stress and temperature range. Instead of this a three-dimensional array is developed where the creep strain rate is evaluated according to the actual total strain, temperature and equivalent stress for each element. Performing post-test calculations for the FOREVER-C2 experiment it was found that the assessment of the experimental data and of the numerical results has to be done very carefully. A slight temperature increase during the creep deformation stage of the experiment for example could explain the creep behaviour which appears to be tertiary because of the accelerating creep strain rate. Taking into account both - experimental and numerical results - gives a good opportunity to improve the simulation and understanding of real accident scenarios.

To get an improved understanding and knowledge of the processes and phenomena during the late phase of a core melt down accident the FOREVER-experiments (Failure of Reactor Vessel Retention) are currently underway. These experiments are simulating the lower head of a reactor pressure vessel under the load of a melt pool with internal heat sources. The geometrical scale of the experiments is 1:10 compared to a common Light Water Reactor. During the first series of experiments the Creep behaviour of the vessel is investigated. Due to the multi-axial creep deformation of the three-dimensional vessel with a non-uniform temperature field these experiments are on the one hand an excellent possibility to validate numerical creep models which are developed on the basis of uniaxial creep tests. On the other hand the results of pre-test calculations can be used for an optimized experimental procedure. Therefore a Finite Element model is developed on the basis of the multi-purpose commercial code ANSYS/Multiphysics®. Using the Computational Fluid Dynamic module the temperature field within the vessel wall is evaluated. The transient structural mechanical calculations are performed applying a creep model which is able to take into account great temperature, stress and strain variations within the model domain. The new numerical approach avoids the use of a single creep law with constants evaluated for a limited stress and temperature range. Instead of this a three-dimensional array is developed where the creep strain rate is evaluated according to the actual total strain, temperature and equivalent stress for each element. Performing post-test calculations for the FOREVER-C2 experiment it was found that the assessment of the experimental data and of the numerical results has to be done very carefully. A slight temperature increase during the creep deformation stage of the experiment for example could explain the creep behaviour which appears to be tertiary because of the accelerating creep strain rate. Taking into account both - experimental and numerical results - gives a good opportunity to improve the simulation and understanding of real accident scenarios.

Dans le contexte de l'analyse numérique en calcul de structures, la génération de maillages conformes sur des modèles à géométrie complexe conduit à des tailles de modèles importantes, et amène à imaginer de nouvelles approches éléments finis. Le temps de génération d'un maillage est directement lié à la complexité de la géométrie, augmentant ainsi considérablement le temps de calcul global. Les processeurs graphiques (GPU) offrent de nouvelles opportunités pour le calcul en temps réel. L'architecture grille des GPU a été utilisée afin d'implémenter une méthode éléments finis sur maillage cartésien. Ce maillage est particulièrement adapté à la parallélisation souhaitée par les processeurs graphiques et permet un gain de temps important par rapport à un maillage conforme à la géométrie. Les formulations de la méthode des éléments finis ainsi que de la méthode des éléments finis étendue ont été reprises afin d'être adaptées à notre méthode. La méthode des éléments finis étendus permet de prendre en compte la géométrie et les interfaces à travers un choix adéquat de fonctions d'enrichissement. Cette méthode discrétise par exemple sans mailler explicitement les fissures, et évite surtout de remailler au cours de leur propagation. Des adaptations de cette méthode sont faites afin de ne pas avoir besoin d'un maillage conforme à la géométrie. La géométrie est définie implicitement par une fonction surfaces de niveau, ce qui permet une bonne approximation de la géométrie et des conditions aux limites sans pour autant s'appuyer sur un maillage conforme. La géométrie est représentée par une fonction surfaces de niveau que nous appelons la densité. La densité est supérieure à 0.5 à l'intérieur du domaine de calcul et inférieure à 0.5 à l'extérieur. Cette fonction densité, définie par ses valeurs aux points noeuds du maillage, est interpolée à l'intérieur de chaque élément. Une méthode d'intégration adaptée à cette représentation géométrique est proposée. En effet, certains éléments sont coupés par la fonction surfaces de niveau et l'intégration de la matrice de raideur ne doit se faire que sur la partie pleine de l'élément. La méthode de quadrature de Gauss qui permet d'intégrer des polynômes de manière exacte n'est plus adaptée. Nous proposons d'utiliser une méthode de quadrature avec des points d'intégration répartis sur une grille régulière et dense. L'intégration peut s'avérer coûteuse en temps de calcul, c'est pour cette raison que nous proposons une technique d'apprentissage donnant la matrice élémentaire de rigidité en fonction des valeurs de la fonction surfaces de niveau aux sommets de l'élément considéré. Cette méthode d'apprentissage permet de grandes améliorations du temps de calcul des matrices élémentaires. Les résultats obtenus après analyse par la méthode des éléments finis standard ou par la méthode des éléments finis sur maillage cartésien ont une taille qui peut croître énormément selon la complexité des modèles, ainsi que la précision des schémas de résolution. Dans un contexte de programmation sur processeurs graphiques, où la mémoire est limitée, il est intéressant d'arriver à compresser ces données. Nous nous sommes intéressés à la compression des modèles et des résultats éléments finis par la transformée en ondelettes. La compression mise en place aidera aussi pour les problèmes de stockage en réduisant la taille des fichiers générés, et pour la visualisation des données. / Generating a conformal mesh on complex geometries leads to important model size of structural finite element simulations. The meshing time is directly linked to the geometry complexity and can contribute significantly to the total turnaround time. Graphics processing units (GPUs) are highly parallel programmable processors, delivering real performance gains on computationally complex, large problems. GPUs are used to implement a new finite element method on a Cartesian mesh. A Cartesian mesh is well adapted to the parallelism needed by GPUs and reduces the meshing time to almost zero. The novel method relies on the finite element method and the extended finite element formulation. The extended finite element method was introduced in the field of fracture mechanics. It consists in enriching the basis functions to take care of the geometry and the interface. This method doesn't need a conformal mesh to represent cracks and avoids refining during their propagation. Our method is based on the extended finite element method, with a geometry implicitly defined, wich allows for a good approximation of the geometry and boundary conditions without a conformal mesh.To represent the model on a Cartesian grid, we use a level set representing a density. This density is greater than 0.5 inside the domain and less than 0.5 outside. It takes 0.5 on the boundary. A new integration technique is proposed, adapted to the geometrical representation. For the element cut by the levet set, only the part full of material has to be integrated. The Gauss quadrature is no longer adapted. We introduce a quadrature method with integration points on a cartesian dense grid.In order to reduce the computational effort, a learning approach is then considered to form the elementary stiffness matrices as function of density values on the vertices of the elements. This learning method reduces the stiffness matrices time computation. Results obtained after analysis by finite element method or the novel finite element method can have important storage size, dependant of the model complexity and the resolution scheme exactitude. Due to the limited direct memory of graphics processing units, the data results are compressed. We compress the model and the element finite results with a wavelet transform. The compression will help for storage issue and also for data visualization.

Ein Blick in die Baugeschichte zeigt, dass sich in Abhängigkeit der vorhandenen Baumaterialien jeweils typische, sinnvolle Konstruktionsformen herausgebildet haben. Bereits vor mehr als 10.000 Jahren errichtete man Gebäude aus Ziegelmauerwerk [1]. Im antiken Rom erlebte der opus caementitium seine Glanzzeit [2]. Beide Materialien sind sehr druck-, aber wenig zugfest. Folglich findet man hauptsächlich druckbeanspruchte Strukturen wie Wände oder Kuppeln, für Decken wurde beispielsweise Holz genutzt. Für Naturbrücken aus zugfesten Pflanzenmaterialien hingegen sind Hängekonstruktionen prädestiniert. Mit Stahl und bewehrtem Beton können auch biegebeanspruchte Konstruktionen realisiert werden. Allerdings nimmt man hierbei in der Regel in vielen Tragwerksbereichen eine mangelhafte Materialausnutzung in Kauf. [Aus: Intention] / A look at the construction history shows that typical, sensible forms of construction have developed depending on the building materials available. More than 10,000 years ago, buildings were already made of brickwork [1]. In ancient Rome, the opus caementitium experienced its heyday [2]. Both materials were very resistant to pressure, but had little tensile strength. Consequently, one mainly finds structures subject to compressive stress such as walls or cupolas; for ceilings, for example, wood was used. For natural bridges made of tension-resistant plant materials, on the other hand, suspended structures are predestined. With steel and reinforced concrete, structural elements subject to bending stress can also be realised. However, in many areas of such structures, insufficient utilisation of the material is accepted. [Off: Intention]