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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

Réduction de modèles pour des applications en temps réel

F. Druesne, J-L Dulong, P. Villon, A. Ouahsine

Laboratoire Roberval – UTC Compiègne

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

Contexte industriel : Savoir-faire & besoin

Approche : Apprentissage – Temps réel

Méthode a posteriori

Méthode a priori

Application sur une durit automobile

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

Context

Virtual prototype

Decision aid for project review

3D immersive visualization of a product

Tool for mechanical design

Simulation of manual operations on rigid parts ( assembly simulation )

as early as design phase

Automotive industry & aeronautics

With haptic feedback

Tool for operators training

PSA EADS

3

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

Example :Access to a motor unit by pushing an hose back

Tool for operators training

Tool for mechanical design

Simulation of manual operations on flexible parts

Virtual prototype

Context

Automotive industry

4

Problematic:Part deformation in real time, if non linearity

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

Contexte industriel : Savoir-faire & besoin

Approche : Apprentissage – Temps réel

Méthode a posteriori

Méthode a priori

Application sur une durit automobile

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Approach

Real timeVirtual model

1000 Hz

30 Hz

Haptic device

LearningCAD model

FEM code

Response surface

Calculation campaign

Finite Element Model

Reduced response surface

Model reduction

How to build it ?

6

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

Contexte industriel : Savoir-faire & besoin

Approche : Apprentissage – Temps réel

Méthode a posteriori

Méthode a priori

Application sur une durit automobile

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

Problem geometrySlender structure in rubber• embedded at one extremity• handled at the other

Mechanical modelmeshed with H8 finite elementsn = 3408 degrees of freedomFinite deformationHyperelastic material (neo-hookean)Quasi-static problemFEAP code

Load casesS = 100 load cases following a regular grid

Test structure

yyxx eUeUU

xe

ye

ze

8

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

)()()()( Ss21 tutututu

),()(),( sss tuFtutuK

Quasi-static campaign by solving u (ts ) on each point ts of the load cases grid

iiiT RduK Newton-Raphson scheme on u (size n) :

A posteriori methodology

S

n

n = 3408S = 100

9

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

S

1s

Tss tutuC )()(

Model reduction by the Karhunen-Loeve Expansion (KLE) 1,2

1. Centered displacements by subtracting the average

ututu ss )()(

2. Covariance matrix

3. Eigenvectors of and selection of the m first (highest eigenvalues)C m21 ,...,,

A posteriori methodology

1 Krysl, Lall, Marsden 2000

2 Barbič, James 2005

10

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

utaututu s

m

1ii

Tsis

)())(()(~

m21 ,...,,

Model reduction by the Karhunen-Loeve Expansion (KLE)

)( staA

4. Approached displacement

S

m

n = 3408S = 100m ~ 20

m

n

A posteriori methodology

11

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

1

2

4

10

average

initial

A posteriori methodology

12

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12

number of retained modes

a po

ster

iori

rela

tive

erro

r

structure with slenderness ratio

2Ls

2Lss

S1s

KL

tu

tutue

)(

)(~)(max

Error induced by the KLE

A posteriori methodology

13

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

Contexte industriel : Savoir-faire & besoin

Approche : Apprentissage – Temps réel

Méthode a posteriori

Méthode a priori

Application sur une durit automobile

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

)()(),( sss tFutatuK iii

T RdaK

Quasi-static campaign by solving a (ts ) on each point ts of the loading cases grid

Newton-Raphson scheme on a (size m) :

iTiiT

T RdaK

iiiT RdaK ˆˆ

A priori methodology

• Convergence on a, with fixed

• Cost of (size m x m) is low1

TK ˆ

But a can converge, even if is large !Ris too ‘poor’ to describe solution

have to be enriched

15

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

A priori methodology

RKu Te 1 ee1e u

,

Adaptative strategy by R-enrichment

orthonormalize

Algorithm :

enrichment loop

iterative loop (Newton Raphson)

until convergence on a

until convergence on R

else enrichment

Reduction by KLE if size( ) becomes too large 11 Ryckelynck 2005

16

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1

loading cases

base

dim

ensi

on

0

10

20

30

40

50

60

70

cpu

time

(s)

cpu timebase dimension

A priori methodology

17

load cases

base size base

siz

e m

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100

loading cases

base

dim

ensi

onenrichmentenrichment with reduction

A priori methodology

18

base

siz

e m

load cases

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 20 40 60 80 100

loading cases

cum

uled

cpu

tim

e (s

)a posterioria priori enrichmenta priori enrichment with reduction

A priori vs A posteriori

19

1.61.8

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0 5000 10000 15000 20000

number of dof

cpu

time

(s)

a posterioria priori enrichmenta priori enrichment with reduction

20

A priori vs A posteriori

2.2 2.6

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

1

2average

initial

1

2

average

initial

a posteriori

a priori

without reduction

21

A priori vs A posteriori

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

Contexte industriel : Savoir-faire & besoin

Approche : Apprentissage – Temps réel

Méthode a posteriori

Méthode a priori

Application sur une durit automobile

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

Application

Problem geometryAutomotive hose in rubber• embedded at its 2 extremities• handled in a point

Mechanical modelmeshed with H8 finite elementsn = 18720 degrees of freedomLarge deformationHyperelastic material (neo-hookean)Quasi-static problemFEAP code

Load casesS = 100 load cases following a regular grid

yyxx eUeUU

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20

number of retained modes

a po

ster

iori

rela

tive

erro

rstructure with slenderness ratio

automotive hose

Application : results

Error induced by the a posteriori KLE

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 20 40 60 80 100

loading cases

base

dim

ensi

on

structure with slenderness ratioautomotive hose

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

0

20000

40000

60000

80000

100000

0 20 40 60 80 100

loading cases

cum

uled

cpu

tim

e (s

)

a posterioria priori enrichmenta priori enrichment with reduction

Application : results

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

Interpolation on data from training phase

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Réduction de modèles 18 mai 2006ENSAM -

Conclusion

Conclusion

• Feasibility of large deformation in real time, with non linear hyperelastic material.

• New tool for mechanical design.

• The classical a posteriori methodology is possible but slower than the a priori one.

Perspectives

• Hyperreduction methodology (Ryckelynck 2005).

• Introduce material history in the reduced surface response.

• Introduce boundary conditions non linearity.

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