Modélisation de déformation subies par un empilement de câbles
Les matériaux supraconducteurs à basse température critique sont largement utilisés dans les aimants à haut-champ mais leur comportement est intimement lié aux déformations qu’ils subissent. Dès lors, des études sur les impacts des efforts sur les structures mécaniques sont indispensables. Le projet SUPRAMITEX participe à l’effort de recherche en utilisant le code parallèle AMITEX-FFTP développé dans le cadre du projet SIMU/MATIX pour réaliser des simulations mécaniques non-linéaires sur des microstructures hétérogènes. Ce travail réalisé a permis de montrer l’intérêt du code AMITEX pour simuler le comportement mécanique de ces composants, à différentes échelles, pour des comportements élastique et élasto-plastique des pour échelles de simulation jusqu’ici irréalisables.
Les matériaux supraconducteurs à basse température critique sont largement utilisés dans les aimants à haut-champ notamment pour les accélérateurs de particules, les systèmes d’imagerie par résonance magnétique ou encore les réacteurs de fusion nucléaire. La mise en œuvre d’un câble supraconducteur requiert un agencement architecturé à plusieurs échelles des composants pour faire cohabiter les fonctions essentielles liées au transport de courant et à la génération de champ magnétique. Ces câbles sont des structures de plusieurs mètres dont les performances peuvent se jouer à l’échelle du brin qui a lui une dimension millimétrique. La course vers des champs magnétiques de plus en plus élevés se traduit par l’augmentation des efforts mécaniques exercés sur ces câbles, dont le comportement supraconducteur dépend fortement des déformations qu’ils subissent. Avec le projet COCASCOPE, la DRF/IRFU a initié dès 2012 une approche par simulation numérique multi-échelles du comportement mécano-électrique de câbles à l’architecture complexe de type Rutherford (Figure 1).
Figure 1 : Architecture Rutherford de câbles supraconducteurs [ reproduit de C. Sanabria, thèse de Florida State University (2017) ].
Le projet SUPRAMITEX (retenu par le Pole Transverse de Compétence « Simulation numérique » du CEA) avait pour objectif d’évaluer, pour cette application particulière, l’intérêt d’utiliser le code parallèle AMITEX-FFTP pour réaliser des simulations mécaniques non-linéaires sur des microstructures hétérogènes. Du fait de la géométrie spécifique présentée à la figure 1, des outils de discrétisation/maillage dédiés au code AMITEX ont dû être améliorés par le CEA pour cette application exigeante.
Le travail réalisé dans le cadre du CDD de K. Pirapakaran (DRF/IRFU) a permis de montrer l’intérêt du code AMITEX pour simuler le comportement mécanique de ces composants, à différentes échelles, pour des comportements élastique et élasto-plastique. Les résultats obtenus ont pu être comparés avec succès à des simulations réalisées par le code Eléments-Finis CAST3M. L’utilisation des voxels composites (voxels composés de plusieurs phases de la microstructure), spécificité du code AMITEX, a montré ici tout son intérêt pour limiter la résolution spatiale du calcul. Enfin, le parallélisme efficace du code a permis de réaliser des simulations de grande taille sur des empilements de câbles jusqu’ici irréalisables (Figure 2). Ce travail a pu être valorisé par une présentation à la conférence Applied SuperConductivity 2022 et un article associé [1].
Figure 2 : Distribution de la déformation (1er invariant du tenseur) au sein des régions filamentaires d’un empilement de câbles de Rutherford sollicité en compression (axe vertical).
[1] K. Pirapakaran et al., FFT-based approach for the mechanical analysis of superconducting Rutherford-type cables, ASC 2022, Special Issue IEEE Transactions on Applied Superconductivity, DOI 10.1109/TASC.2023.3251289
Contacts: F. Nunio (DRF/Irfu) , P. Manil (DRF/Irfu) , L. Gélébart (DRMP/SRMA), C. Bourcier (DM2S/SGLS)
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