Utilisation de SALOME et CAST3M pour la simulation mécanique d'aimants supra-conducteurs
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Utilisation de SALOME et
CAST3M pour la simulation
mécanique d'aimants
supra-conducteurs
François NUNIO
Pierre MANIL
CEA/DSM/IRFU/SIS
© 2012 CEA. No partial distribution of information from this document and no
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mandatory when distributed or referenced.Plan de l'exposé
1 - Contexte des aimants supra-conducteurs
pour la physique des hautes énergies
2 - Cas d'étude SMC : "Short Model Coil"
3 - Mise en application : Aimant FRESCA2
Conclusion
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referenced.L’Irfu : les grandes questions fondamentales
Quels sont les constituants Quel est le contenu énergétique
ultimes de la matière ? de l’Univers ?
Infiniment petit Infiniment grand
Elémentaire
Complexe
Quelles sont les propriétés de la Comment l’Univers s’est-il
matière dans des conditions structuré ?
extrêmes ?
© Ph.
Ph. CHOMAZ (20 ans Irfu)
Irfu)
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referenced.Collisionneurs de particules : le besoin de haut-champ
GENEVE
CERN
Aimants d'accélérateurs circulaires : Aimants de détecteurs :
m
Dipôle & Quadripôle LHc (NbTi) → Bmax < 9T ∅ 8,7 k TeV Aimant toroïdal ATLAS (NbTi) → Bmax < 4T
4
2X
© www.cern.ch
Le LHc aujourd'hui :
•~ 1200 aimants dipolaires (L=14m)
04 juillet 2012
• ~ 400 aimants quadripolaires (L=3m)
Le futur du LHc :
•HL-LHc (upgrade luminosité X 10) → 2022
•HE-LHc (upgrade énergie X 2,5) → 2035
Aimants dipolaire de courbure du faisceau Aimants quadripolaire de focalisation du faisceau
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referenced.Aimants supra-conducteurs : du NbTi au Nb3Sn
ETAT DE L’ART : Mise en œuvre de l’alliage Nb3Sn, qui permet
théoriquement d’atteindre 20 T sur le conducteur :
•L’alliage NbTi atteint ses limites dans les
applications d’aimants à haut champ : →c'est un composé fragile
9 T à 10 T sur le conducteur
→son état supraconducteur est dépendant de son
•Il existe un besoin au-delà des 10 T pour état de déformation
augmenter les performances du LHc FIL SUPRA CONDUCTEUR BOBINAGE →sa mise en œuvre est délicate :
(brins Nb3Sn + Cu) (câble "Rutherford") (empilement) traitement à t°>600C
0t/m
0
∼7
Ensemble mécanique Ensemble mécanique
du bobinage d'un aimant dipolaire du bobinage d'un aimant quadripolaire
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referenced.Spécificités techniques
• Mailler des composants multi-corps complexes :
S. Russenschuck
accéder à une modélisation fine et fidèle à la réalité de la zone
de contact entre bobinage / cales de tête / structure mécanique
faciliter le maillage de la zone complémentaire du bobinage+fer
pour modéliser la zone dite "air" (maillages conformes aux interfaces)
• Modéliser la physique du magnétisme avec non-linéarité du matériau Fe
• Modéliser la physique du comportement mécanique :
modélisation des contacts, avec frottement
loi de comportement du bobinage
• Transférer les efforts J∧B vers le modèle mécanique :
Zureks@wikipedia
projection ou utilisation de maillages coïncidents pour le bobinage
• Analyser contraintes et déformations mécaniques + comportement aux interfaces
→ Implantation et formalisation d'une chaine de calcul
- effectuer le cycle entièrement sur la même plateforme :
mise en données non dispersée entre plusieurs produits logiciels
- mener des études paramétriques :
améliorer les résultats issus des modélisations numériques
aller plus loin dans l'analyse
- formaliser le processus :
S. Caspi
assurance qualité et travail collaboratif
outil pédagogique et transfert de connaissances
- obtenir des outils-métier
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referenced.Plan de l'exposé
1 - Contexte des aimants supra-conducteurs
pour la physique des hautes énergies
2 - Cas d'étude SMC : "Short Model Coil"
3 - Mise en application : Aimant FRESCA2
Conclusion
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referenced.Cas d’étude SMC : CONTEXTE
Short Model Coil magnet
Concevoir, Fabriquer et Tester :
un prototype de bobine dipolaire niobium-étain
►champ magnétique intense > 13 T
►maîtrise 3D du champ
►instrumentation
le banc de précontrainte mécanique associé
►précontrainte élevée & variable
►modulaire
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referenced.Cas d’étude SMC : CONTEXTE
Short Model Coil magnet
CABLE CARE/NED
BOBINE TEST#2
STRUCTURE
STRUCTURE MÉCANIQUE
& SUPPORT
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referenced.Cas d’étude SMC : CONTEXTE
Optimisation magnétique et mécanique
93 MPa
13 T
95 MPa
SOLUTION MAGNÉTIQUE ANALYSE MÉCANIQUE
Résultats expérimentaux
Bpeak=12,53 T
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referenced.Cas d’étude SMC : OBJECTIFS
- effectuer le cycle entièrement sur la même plateforme :
mise en données non dispersée entre plusieurs produits logiciels
pouvoir mailler des composants multi-corps complexes
Implantation et - mener des études paramétriques :
formalisation d'une améliorer les résultats issus des modélisations numériques
aller plus loin dans l'analyse
obtenir un outil-métier
chaine de calcul - formaliser le processus :
assurance qualité et travail collaboratif
outil pédagogique et transfert de connaissances
Constat :
• réitération lourde
• transferts limités aux maillages
• données dispersées
• processus non formalisé
• "scriptabilité" difficile
• produits commerciaux
Besoins :
• UNIFICATION
plateforme logicielle commune
• FORMALISATION
faciliter la portabilité des études
formation/communication
• PROGRAMMATION
interactif + script
maitrise du cycle de modélisation
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referenced.Cas d’étude SMC : géométrie
Magneto-static modeling
configuration
The two geometric configurations are built on the basis of the same components
a ta
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g cr
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Mechanical modeling configuration
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referenced.Cas d’étude SMC : maillage
Meshing process : the two
meshing processes are based
on the same discretization
specifications.
FE mesh for magneto-static modeling : conformal mesh between air, iron and coil
rces)
fo
ipt ) n tz’ s
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c FE mesh for mechanical modeling : replication of the characteristics of the mesh of the coil in order to
transfer loads from magnetic to mechanic model
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referenced.Cas d’étude SMC : solveur Cast3M
Solving PDE’s : interfacing with Cast3M is integrated in Salome.
biot initialisation of induction
(Biot-Savart)
pot_scal inition potentiel total
inition potentiel réduit
mag_nlin procédure potentiel scalaire
med2sauv (méthode 2 potentiels)
(or .med file)
mode 'mecanique'
'elastique'
'lineaire'
reso {U}=[K]-1.{F}
sauv2med
(or .med file)
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referenced.Cas d’étude SMC : module de post-taitement
Post processing is conducted
under PARAVIZ
The
The results
results (peak
(peak field,
field, uniform
uniform
field length, Lorentz force
field length, Lorentz force
and
and stress
stress intensity)
intensity) produced
produced byby Magnetic field Magnetic field on coil
this
this computation
computation process
process are
are
in
in very
very good
good agreement
agreement with
with those
those
produced
produced during
during the
the design Lorentz forces Stress (Von-Mises)
phase
design
phase ofof the
the SMC.
SMC.
)
cr ipt
ons
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d (py
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referenced.Cas d’étude SMC : bilan
Le module de maillage de Salome est adapté à
nos problématiques
La qualité de la discrétisation permet d’obtenir
des résultats en accord avec d’autres solveurs
(ANSYS, Vector Fields)
Feedback :
•une prise en main parfois délicate lors de la
phase GEOM (pb. de tolérances, MakeFuse …)
•mais l’approche de la plateforme en mode GUI
et/ou TUI permet de progresser rapidement
•enfin, la communauté des utilisateurs Salome est
très active sur les forums spécialisés
L'exploitation du processus est poursuivie dans
le cadre du projet FRESCA2
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1 - Contexte des aimants supra-conducteurs
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2 - Cas d'étude SMC : "Short Model Coil"
3 - Mise en application : Aimant FRESCA2
Conclusion
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referenced.Mise en application : géométrie FRESCA2
FRESCA 2 magnet Al shell
iron yoke
The FRESCA2
magnet is aimed at vertical pad (iron & stainless steel)
upgrading the
FRESCA test facility,
horseshoe
with an aperture of
100mm and a target
bore field of 13T
horizontal pad
Géométrie Salome pour keys
le modèle mécanique : coils
entièrement paramétrée post
• 11 Cylinder /14 Box / 20 Prism
• 12 Fuse / 40 Cut
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referenced.Mise en application : géométrie FRESCA2
FRESCA 2 magnet Géométrie Salome pour
le modèle magnétique :
AIR
FER
BOBINES
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1 - Contexte des aimants supra-conducteurs
pour la physique des hautes énergies
2 - Cas d'étude SMC : "Short Model Coil"
3 - Mise en application : Aimant FRESCA2
Conclusion
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referenced.Cas d’étude Salomé : CONCLUSIONS
Une première étape a été franchie : l'écriture d’un processus de calcul numérique sous Salome
Ce processus facilite la gestion de la géométrie et la génération de maillages en vue de calculs sous Cast3M
- Perspectives :
•Poursuite de développements, et exploitation sur les futurs développements d'aimants à haut champ
•Exploitation de Salome dans le cadre des calculs "multi-échelles" : aimant / câble / brins / filaments
Computation of Strain State in a Nb3Sn Strand Using Nonlinear Hierarchical Models
Collins, B.; Krishnan et Al.
IEEE Transactions on Applied Superconductivity - Volume: 22 , Issue: 3
- Bibliographie :
Design of the EuCARD High Field Model Dipole Magnet FRESCA2 Magnetic Design and Code Benchmarking of the SMC (Short Model Coil) Dipole Magnet
Milanese, A.; Devaux, M.; Durante, M.; Manil, P.; Perez, J. C.; Rifflet, J. M.; de Rijk, G.; Rondeaux, F. Manil, P.; Regis, F.; Rochford, J.; Fessia, P.; Canfer, S.; Baynham, E.; Nunio, F.; de Rijk, G.; Vedrine, P.
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 22, issue 3, 2012 IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 20, issue 3, pp. 184-187, 2010
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CAST3M pour la simulation
mécanique d'aimants
supra-conducteurs
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mandatory when distributed or referenced.Vous pouvez aussi lire
