The demand for higher velocities and heavier axle loads for freight trains leads to higher forces on the railway wheels which in turn lead to an increase in stresses on and below the surface of the wheel-rail contact. By time, this induces wear on the wheels which consequently lead to higher maintenance costs and in some cases accidents. The ability to predict the evolution of wheel profiles due to uniform wear has been demonstrated with a rather accurate precision in most operational conditions. These wear models are based on wear coefficients and since they are not usually valid for real operational conditions, the models are generally calibrated against real-life scenarios in order to adjust the coefficients from test conditions to real-life lubrication conditions. This engineering approach can be useful in prediction of wear in systems where the materials and contact conditions do not vary. However, when addressing material development focused on reducing specific damage modes, the approach is of limited use because the obtained wear coefficients are not directly related to material properties. Therefore, attempts towards developing physical fracture propagation models that relates to the contact conditions and material properties have been made. The purpose has been to retrieve vital information about where a fracture initiates and how it propagates. In the long run, it is of great interest to be able to attain information about how a material particle is removed from the contact surface. Studies for this type of model was done in the 70’s and 80’s mainly with pin-disk experiments but has not been utilized in the specific field of wheel-rail contact. The thesis is part of the FR8RAIL project arranged by the European rail initiative Shift2Rail. Literature studies have been the basis for the thesis in order to gain vital insights into fracture mechanics and other related fields. The physical fracture propagation models have been constructed in the FE software Abaqus with the implementation of the XFEM. For the 2D model, the fracture initiates at the top of the implanted inclusion when the friction coefficient is  and propagates upwards a few elements. For , the fracture initiates at the right surface boundary where the pressure distribution and traction is applied. The fracture propagation angle increases relative to the surface as the friction coefficient value is increased. The fracture for the 3D model extends broader compared to the 2D model at the top of the inclusion in the case of . The fracture initiates at the same surface location as for the 2D model for . The fracture propagation is however non-existent due to convergence problems. The FE-models constructed are initial steps towards analysing the fracture propagation and closely related phenomena for a railway freight wheel in detail. At the end of the thesis, the simplified models give mainly information about the fracture initiation, propagation and its patterns. From this first phase, further adjustments and improvements can take place in order to eliminate the margins of error. In the long run, fully integrated models with further implementations such as detailed microstructure for the contact conditions, plastic behaviour for the material, and complete three-dimensional models can finally be employed. / Efterfrågan på högre hastigheter och tyngre axelbelastningar för godståg leder till högre krafter på järnvägshjulen som i sin tur leder till ökade spänningar på och under ytan vid hjul-räl-kontakten. Med tiden induceras slitage på hjulen som följaktligen leder till höga underhållskostnader och i vissa fall olyckor. Förmågan att förutse utvecklingen av hjulprofiler på grund av enhetligt slitage har visats kunna ske med en noggrann precision under de flesta driftsförhållanden. Dessa slitagemodeller bygger på slitagekoefficienter, och eftersom de vanligtvis inte är giltiga under realistiska driftsförhållanden är modellerna i allmänhet kalibrerade mot verkliga händelseförlopp för att justera koefficienterna från testförhållandena till realistiska smörjförhållanden. Detta tekniska tillvägagångssätt kan vara användbart vid prognos av slitage i system där material och kontaktförhållanden inte varierar. När man addresserar materialutveckling inriktad på att reducera specifika skadelägen är emellertid tillvägagångssättet av begränsad användning eftersom de erhållna slitagekoefficienterna inte är direkt relaterade till materialegenskaper. Därför har försök gjorts till att utveckla fysikaliska sprickbildningsmodeller som relateras till kontaktförhållanden och materialegenskaper. Syftet har varit att erhålla viktig information om var en spricka initieras och hur den fortskrider. I det långa loppet är det även av stor vikt att kunna erhålla information om hur en materialpartikel avlägsnas från kontaktytan. Studier för denna typ av modeller har gjorts på 70- och 80-talet i huvudsak med stift- och skivexperiment men har inte använts inom det specifika området för hjul-räl-kontakt. Avhandligen ingår i FR8RAIL-projektet som arrangeras av det europeiska järnvägsinitiativet Shift2Rail. Literaturstudier har varit grunden för avhandlingen för att få väsentlig insikt i frakturmekanik och andra relaterade områden. De fysiska sprickbildningsmodellerna har konstrueras i FE-mjukvaran Abaqus med XFEM som implementering. För 2D-modellen initieras sprickan överst vid den implanterade imperfektionen när friktionskoefficienten är  och propagerar uppåt några få element. För  initieras sprickan på högra ytgränsen där tryckfördelning och friktionskraft appliceras. Utbredningsvinkeln för sprickan ökar relativt till ytan då friktionskoefficienten ökar. Sprickan för 3D-modellen breder ut sig mer jämfört med 2D-modellen överst vid imperfektionen då . Sprickan initieras på samma ytplats som för 2D-modellen vid . Sprickbildningen är dock obefintlig på grund av konvergensproblem. De konstruerade FE-modellerna är initiala steg mot att analysera sprickutbredningen och närbesläktade fenomen för ett godstågs järnvägshjul i detalj. I slutet av avhandlingen ger de förenklade modellerna huvudsakligen information om sprickinitiering, utbredning och dess mönster. Ytterligare justeringar och förbättringar kan ske efter denna första fas i syfte att eliminera felmarginalerna. På lång sikt kan slutligen helt integrerande modeller med ytterligare implementeringar såsom detaljerad mikrostruktur för kontaktförhållandena, oelastiskt materialbeteende och kompletta tredimensionella modeller användas. / FR8RAIL

Numerical simulation for Resin Transfer Molding (RTM) manufacturing process is attempted by using the eXtended Finite Element Method (XFEM) combined with the level set method. XFEM allows to obtaining a good numerical precision of the pressure near the resin flow front, where its gradient is discontinuous. The enriched shape functions of XFEM are derived by using the level set values so as to correctly describe the interpolation with the resin flow front. In addition, the level set method is used to transport the resin flow front at each time step during the mold filling. The level set values are calculated by an implicit characteristic Galerkin FEM. The multi-frontal solver of IPSAP is adopted to solve the system. This work is validated by comparing the obtained results with analytic solutions.Moreover, a localization method of XFEM and level set method is proposed to increase the computing efficiency. The computation domain is reduced to the small region near the resin flow front. Therefore, the total computing time is strongly reduced by it. The efficiency test is made with simple channel or radial flow models. Several application examples are analyzed to demonstrate ability of this method. A wind turbine blade is also treated as industrial application. Finally, a Graphic User Interface (GUI) tool is developed so as to make easy the pre/post-processing of the simulation.

Les bétons sont des matériaux composites à la microstructure complexe et constitués de phases dont le contraste des propriétés physiques et mécaniques peut être très grand. Ces matériaux posent des difficultés aux approches macroscopiques lorsqu'il s'agit de maîtriser leurs comportements effectifs comme celui du fluage. Malgré ces difficultés, EDF doit se doter d'outils permettant de modéliser de façon prédictive l'évolution des bétons des ouvrages en service ou de prescrire lecahier des charges des bétons de nouvelles installations. Ayant pour objectif de contribuer à la résolution de ce problème, ce travail de thèse développe des méthodes numériques multi échelle pour le calcul des structures constituées de matériaux fortement hétérogènes élastiques ou viscoélastiques. Plus précisément, ce travail de thèse comporte trois parties. Dans la première partie, nous nous intéressons à un composite constitué d'une matrice élastique renforcée par des inclusionsélastiques dont les formes géométriques peuvent être quelconques et dont la fraction volumique peut être importante. Pour modéliser ce matériau composite, une première approche numérique consistant à combiner la méthode des éléments finis étendus (XFEM) standard et la méthode "level-set" (LS) classique est d'abord utilisée. Nous montrons que cette première approche numérique, qui apparaît naturelle, induit en fait plusieurs artefacts numériques non rapportés dans la littérature, conduisant en particulier à une convergence non optimale par rapport à la finessedu maillage. Par suite, nous élaborons une nouvelle approche numérique ($mu $-XFEM) basée sur la description des interfaces par des courbes de niveaux multiples et sur un enrichissement augmenté permettant de prendre en compte plusieurs interfaces dans un même élément. Nous démontrons au travers des comparaisons et exemples que la convergence est améliorée de manière substantielle par rapport à la première approche numérique. Dans la deuxième partie, nous proposons une nouvelle méthode pour calculer les déformations différées des structures composées de matériaux hétérogènes viscoélastiques linéaires. Contrairement aux approches proposées jusqu'à présent, notre méthode opère directement dans l'espace temporel et permet d'extraire de manière séquentielle le comportement homogénéisé d'un matériau hétérogène viscoélastique linéaire. Concrètement, les composantes du tenseur de relaxation effectif du matériau sont d'abord obtenues à partir d'un volume élémentaire représentatif et échantillonnées au cours du temps. Une technique d'interpolation et un algorithme implicite permettent ensuite d'évaluer numériquement la réponse temporelle du matériau par le biais d'un produit de convolution. Les déformations différées des structures sont enfin calculées par la méthode des éléments finis classique. Différents tests sont effectués pour évaluer la qualité et l'efficacité de la méthode proposée, montrant que cette dernière permet d'avoir un gain en temps de l'ordre de plusieurs centaines par rapport aux approches de type éléments finis multiniveaux. La troisième partie est consacrée à l'étude de la structure de l'enceinte de confinement d'un réacteur nucléaire. Nous prenons en compte les quatre niveaux d'échelles associés à la pâte deciment, au mortier, au béton et à la structure en béton précontraint par des câbles en acier. La méthode numérique d'homogénéisation élaborée dans la seconde partie est appliquée afin de construire les lois de comportement pour chacun des trois premiers niveaux. Les résultats obtenus présentent un intérêt pratique pour résoudre des problèmes posés par EDF

Motivé par l'étude de tissus biologiques, ce travail contribue aux développements d'outils numériques permettant de prédire la réponse mécanique de matériaux hétérogènes non linéaires dans lesquels les énergies d'interfaces deviennent prépondérantes. Ainsi, une méthode d'homogénéisation multi échelle combinée à une technique de réduction de modèle basée sur la décomposition orthogonale aux valeurs propres est proposée dans un cadre thermique et hyperélastique. Les énergies d'interfaces entre les différentes phases des composites sont décrites par un modèle d'interface cohérent et prises en compte numériquement par une approche liant la méthode des éléments finis étendus et la méthode level-set. Une étude de l'étalement d'une cellule vivante entre deux lamelles fixes est ensuite réalisée. Les deux modèles utilisés pour les simulations montrent que l'assemblage cortex d'actine-membrane plasmique ne joue qu'un rôle minime dans la réponse mécanique cellulaire

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第15580号 / 工博第3292号 / 新制||工||1497(附属図書館) / 28101 / 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 / (主査)教授 杉浦 邦征, 教授 田村 武, 准教授 宇都宮 智昭 / 学位規則第4条第1項該当

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Le problème initial traité dans cette thèse relève du cadre général de la modélisation des tunnels profonds. Pour cela, on a adopté l'approche basée sur la mécanique linéaire de la rupture. L'étude s'est appuyée sur le critère mixte de Leguillon. Suite à cette étude, on a pu tirer que ce n'est pas le critère mixte qui est insuffisant mais plutôt la façon d'aborder le problème. D'où le passage à la prise en compte de l'hétérogénéité du matériau constitutif et la possibilité d'amorçage d'une fissure sous une contrainte de compression. Une première approche a été entreprise par l'étude d'une bicouche périodique sous contrainte de compression verticale. La couche de grande raideur s'est apparue le siège d'une traction transversale. Effectivement la possibilité d'amorçage d'une fissure est tout à fait probable grâce toujours à la vérification des critères d'énergie et de contrainte. Une deuxième approche consistait à observer au plus près la microstructure du matériau ; on a considéré le problème d'une inclusion elliptique dans une matrice infinie. Par la méthode des variables complexes et la technique de la transformation conforme, on a analysé le champ de contrainte autour de l'inclusion et on a mis en évidence la présence d'une traction qui dépend fortement des paramètres choisis. Par la méthode des éléments finis étendus, on a calculé la variation de l'énergie potentielle mise en jeu par la création d'une fissure. Par une démarche semblable à l'approche précédente, à savoir la vérification des critères d'énergie et de contrainte, on a conclu à la possibilité d'amorçage d'une fissure. Mots clefs : mécanique linéaire de la rupture, critère mixte de Leguillon, énergie potentielle, taux de restitution d'énergie, méthode des éléments finis étendus, bicouche périodique, méthode des variables complexes / The initial problem treated in this thesis falls within the general framework of modeling deep tunnels. For this reason, the approach based on linear fracture mechanics was adopted. The study was based on the mixed criterion of Leguillon. Following This study, the mixed criterion was not insufficient but the way to approach the problem was. Where the transition to the consideration of the heterogeneity of the material component and the possibility of initing a crack under a compressive stress. A first approach was undertaken the study of periodic bilayer under the stress of vertical compression. The layer of the highest stiffness has appeared the seat of a transverse traction. Indeed the possibility to initiate a crack is quite likely always through the verification of the energy and the stress criteria. A second approach was to observe more closer the microstructure of the material; we have considered the problem of elliptic inclusion in an infinite matrix. By the method of complex variables and the technique of conformal mapping, we analyzed the stress field around the inclusion and were revealed the presence of a traction which depends strongly of the selected parameters. By the extended finite element method, we calculated the variation of the potential energy involved by creating a fracture. In a similar approach to the previous one, namely verification of the energy and the stress criteria, we concluded the possibility of initiating a crack. Keywords: linear fracture mechanics, mixed criterion of Leguillon, potential energy, energy release rate, extended finite element method, periodic bilayer, method of complex variables

Le problème initial traité dans cette thèse relève du cadre général de la modélisation des tunnels profonds. Pour cela, on a adopté l'approche basée sur la mécanique linéaire de la rupture. L'étude s'est appuyée sur le critère mixte de Leguillon. Suite à cette étude, on a pu tirer que ce n'est pas le critère mixte qui est insuffisant mais plutôt la façon d'aborder le problème. D'où le passage à la prise en compte de l'hétérogénéité du matériau constitutif et la possibilité d'amorçage d'une fissure sous une contrainte de compression. Une première approche a été entreprise par l'étude d'une bicouche périodique sous contrainte de compression verticale. La couche de grande raideur s'est apparue le siège d'une traction transversale. Effectivement la possibilité d'amorçage d'une fissure est tout à fait probable grâce toujours à la vérification des critères d'énergie et de contrainte. Une deuxième approche consistait à observer au plus près la microstructure du matériau ; on a considéré le problème d'une inclusion elliptique dans une matrice infinie. Par la méthode des variables complexes et la technique de la transformation conforme, on a analysé le champ de contrainte autour de l'inclusion et on a mis en évidence la présence d'une traction qui dépend fortement des paramètres choisis. Par la méthode des éléments finis étendus, on a calculé la variation de l'énergie potentielle mise en jeu par la création d'une fissure. Par une démarche semblable à l'approche précédente, à savoir la vérification des critères d'énergie et de contrainte, on a conclu à la possibilité d'amorçage d'une fissure. Mots clefs : mécanique linéaire de la rupture, critère mixte de Leguillon, énergie potentielle, taux de restitution d'énergie, méthode des éléments finis étendus, bicouche périodique, méthode des variables complexes / The initial problem treated in this thesis falls within the general framework of modeling deep tunnels. For this reason, the approach based on linear fracture mechanics was adopted. The study was based on the mixed criterion of Leguillon. Following This study, the mixed criterion was not insufficient but the way to approach the problem was. Where the transition to the consideration of the heterogeneity of the material component and the possibility of initing a crack under a compressive stress. A first approach was undertaken the study of periodic bilayer under the stress of vertical compression. The layer of the highest stiffness has appeared the seat of a transverse traction. Indeed the possibility to initiate a crack is quite likely always through the verification of the energy and the stress criteria. A second approach was to observe more closer the microstructure of the material; we have considered the problem of elliptic inclusion in an infinite matrix. By the method of complex variables and the technique of conformal mapping, we analyzed the stress field around the inclusion and were revealed the presence of a traction which depends strongly of the selected parameters. By the extended finite element method, we calculated the variation of the potential energy involved by creating a fracture. In a similar approach to the previous one, namely verification of the energy and the stress criteria, we concluded the possibility of initiating a crack. Keywords: linear fracture mechanics, mixed criterion of Leguillon, potential energy, energy release rate, extended finite element method, periodic bilayer, method of complex variables

Cette thèse est dédiée à la simulation numérique des systèmes mécaniques impliquant l'interaction entre une structure mince déformable et un fluide incompressible interne ou qui l'entoure.Dans la première partie, nous introduisons deux nouvelles classes de schémas de couplage explicites en utilisant des maillages compatibles. Les méthodes proposées combinent une certaine consistance Robin dans le système avec (i) un schéma à pas fractionnaire pour le fluide ou (ii) une discrétisation temporelle d'ordre deux pour le fluide et le solide. Les propriétés de stabilité des méthodes sont analysées dans un cadre linéaire représentatif. Cette partie inclut aussi une étude numérique exhaustive dans laquelle plusieurs schémas de couplage (dont certains proposés ici) sont comparés et validés avec des résultats expérimentaux. Dans la seconde partie, nous considérons des maillages non compatibles. La discrétisation spatiale est basée, dans ce cas là, sur des variantes de la méthode de Nitsche avec éléments coupés. Nous présentons deux nouveaux types de schémas de découplage qui exploitent la susmentionée condition de Robin en utilisant des maillages incompatibles. Le caractère semi-implicite ou explicite du couplage en temps dépend de l'ordre dans lequel les discrétisations spatiales et temporelles sont effectuées. Dans le cas d'un couplage avec des structures immergées, la vitesse et la pression discrètes permettent des discontinuités faibles et fortes à travers l'interface, respectivement. Des estimations de stabilité et d'erreur sont fournies dans un cadre linéaire. Une série de tests numériques illustre la performance des différentes méthodes proposées. / This thesis is devoted to the numerical approximation of mechanical systems involving the interaction of a deformable thin-walled structure with an internal or surrounding incompressible fluid flow. In the first part, we introduce two new classes of explicit coupling schemes using fitted meshes. The methods proposed combine a certain Robin-consistency in the system with (i) a projection-based time-marching in the fluid or (ii) second-order time-stepping in both the fluid and the solid. The stability properties of the methods are analyzed within representative linear settings. This part includes also a comprehensive numerical study in which state-of-the-art coupling schemes (including some of the methods proposed herein) are compared and validated against the results of an experimental benchmark. In the second part, we consider unfitted mesh formulations. The spatial discretization in this case is based on variants of Nitsche’s method with cut elements. We present two new classes of splitting schemes which exploit the aforementioned interface Robin-consistency in the unfitted framework. The semi-implicit or explicit nature of the splitting in time is dictated by the order in which the spatial and time discretizations are performed. In the case of the coupling with immersed structures, weak and strong discontinuities across the interface are allowed for the velocity and pressure, respectively. Stability and error estimates are provided within a linear setting. A series of numerical tests illustrates the performance of the different methods proposed.

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