La simulation numérique de systèmes d’équations différentielles raides ordinaires ou algébriques est devenue partie intégrante dans le processus de conception des systèmes mécaniques à dynamiques complexes. L’objet de ce travail est de développer des méthodes numériques pour réduire les temps de calcul par le parallélisme en suivant deux axes : interne à l’intégrateur numérique, et au niveau de la décomposition de l’intervalle de temps. Nous montrons l’efficacité limitée au nombre d’étapes de la parallélisation à travers les méthodes de Runge-Kutta et DIMSIM. Nous développons alors une méthodologie pour appliquer le complément de Schur sur le système linéarisé intervenant dans les intégrateurs par l’introduction d’un masque de dépendance construit automatiquement lors de la mise en équations du modèle. Finalement, nous étendons le complément de Schur aux méthodes de type "Krylov Matrix Free". La décomposition en temps est d’abord vue par la résolution globale des pas de temps dont nous traitons la parallélisation du solveur non-linéaire (point fixe, Newton-Krylov et accélération de Steffensen). Nous introduisons les méthodes de tirs à deux niveaux, comme Parareal et Pita dont nous redéfinissons les finesses de grilles pour résoudre les problèmes raides pour lesquels leur efficacité parallèle est limitée. Les estimateurs de l’erreur globale, nous permettent de construire une extension parallèle de l’extrapolation de Richardson pour remplacer le premier niveau de calcul. Et nous proposons une parallélisation de la méthode de correction du résidu. / This PhD Thesis deals with the development of parallel numerical methods for solving Ordinary and Algebraic Differential Equations. ODE and DAE are commonly arising when modeling complex dynamical phenomena. We first show that the parallelization across the method is limited by the number of stages of the RK method or DIMSIM. We introduce the Schur complement into the linearised linear system of time integrators. An automatic framework is given to build a mask defining the relationships between the variables. Then the Schur complement is coupled with Jacobian Free Newton-Krylov methods. As time decomposition, global time steps resolutions can be solved by parallel nonlinear solvers (such as fixed point, Newton and Steffensen acceleration). Two steps time decomposition (Parareal, Pita,...) are developed with a new definition of their grids to solved stiff problems. Global error estimates, especially the Richardson extrapolation, are used to compute a good approximation for the second grid. Finally we propose a parallel deferred correction

Aktuelle technologische Herausforderungen, z.B. in der Werkzeugmaschinenentwicklung, erfordern aufgrund der steigenden Genauigkeitsanforderungen an die thermische Simulation eines zu betrachtenden Systems, dass ebenfalls die Auswirkungen relevanter, translatorischer Relativbewegungen zwischen unterschiedlichen Teilen des Systems berücksichtigt werden. Das Vorgehen, diese Bewegung in den Simulationen durch diskrete Verschiebungen zwischen den Lastschritten einer transienten Analyse umzusetzen, führt bei der Verwendung einer infinit kleinen Zeitschrittweite auf die Abbildung einer kontinuierlichen Bewegung, bringt aber gleichzeitig eine problematische Steigerung des notwendigen Rechenaufwands mit sich. Die Anwendung einer langen Zeitschrittweite bei gleichzeitiger Konservierung der Ergebnisgenauigkeit stellt nun einen Ansatz dar, die Effizienz solcher Analysen über den eingesparten Aufwand der nicht auszuwertenden Lastschritte zu steigern. In dieser Arbeit wurden durch eine gezielte Partitionierung der aus einer Ortsdiskretisierung resultierenden Systemmatrizen zunächst vier qualitativ unterscheidbare Fehlerquellen identifiziert, welche die Verwendung einer groben Zeitdiskretisierung potentiell nach sich ziehen kann. Konkret gehören dazu die Leistungsfähigkeit des zur transienten Auswertung verwendeten Integrationsverfahrens, die diskrete Umsetzung der Bewegung sowie die seltene Aktualisierung der beiden Arten von Kontaktlasten. Für die einzelnen Fehler werden die möglichen Auswirkungen jeweils allgemein quantifiziert. Für zwei, dabei als relevant identifizierte Fehlerquellen werden mit der BD- und der RUMHI-Korrektur zugehörige Verfahren entwickelt, mit denen die Ergebnisgenauigkeit trotz grober Zeitdiskretisierung aufwandsarm bewahrt werden kann. Dass ein strukturvariables, thermisches Problem durch die kombinierte dieser Korrekturverfahren deutlich effizienter berechnet werden kann, wird in der Arbeit abschließend an zwei stellvertretenden Problemen beispielhaft gezeigt.

Material point method (MPM) is a numerical tool which was originally used for modelling large deformations of solid mechanics problems. Due to the particle based spatial discretiza- tion, MPM is naturally capable of handling large mass movements together with topological changes. Further, the Lagrangian particles in MPM allow an easy implementation of history dependent materials. So far, however, research on MPM has been mostly restricted to explicit dynamic formu- lations with linear approximation functions. This is because of the simplicity and the low computational cost of such explicit algorithms. Particularly in MPM analysis of geomechan- ics problems, a considerable attention is given to the standard explicit formulation to model dynamic large deformations of geomaterials. Nonetheless, several limitations exist. In the limit of incompressibility, a significantly small time step is required to ensure the stability of the explicit formulation. Time step size restriction is also present in low permeability cases in porous media analysis. Spurious pressure oscillations are another numerical instability present in nearly incompressible flow behaviours. This research considers an implicit treatment of the pressure in MPM algorithm to simu- late material incompressibility. The coupled velocity (v)-pressure (p) governing equations are solved by applying Chorin’s projection method which exhibits an inherent pressure stability. Hence, linear finite elements can be used in the MPM solver. The main purpose of this new MPM formulation is to mitigate artificial pressure oscillations and time step restrictions present in the explicit MPM approach. First, a single phase MPM solver is applied to free surface incompressible fluid flow problems. Numerical results show a better approximation of the pressure field compared to the results obtained from the explicit MPM. The proposed formulation is then extended to model fully saturated porous materials with incompress- ible constituents. A solid velocity(v S )-fluid velocity (v F )-pore pressure (p) formulation is presented within the framework of mixture theory. Comparing the numerical results for the one-dimensional consolidation problem shows that the proposed incompressible MPM algorithm provides a stable and accurate pore pressure field even without implementing damping in the solver. Finally, the coupled MPM is used to solve a two-dimensional wave propagation problem and a plain strain consolidation problem. One of the important features of the proposed hydro mechanical coupled MPM formulation is that the time step size is not dependent on the incompressibility and the permeability of the porous medium.