Contributions à l'étude mathématique et numérique de quelques modèles en simulation multi-échelle des matériaux

Résumé : La première partie du mémoire résume des travaux en simulation moléculaire. On s'intéresse à des systèmes de particules ponctuelles (représentant typiquement les noyaux des atomes d'un système moléculaire), qui interagissent via une énergie potentielle. Les degrés de liberté du système sont la position et l'impulsion de chaque particule. La complexité du problème vient du nombre de degrés de liberté en jeu, qui peut atteindre (et dépasser!) plusieurs centaines de milliers d'atomes pour les systèmes d'intérêt pratique.
Les questions étudiées portent sur l'échantillonnage de la mesure de Boltzmann-Gibbs (avec des résultats concernant la non-ergodicité de certains systèmes dynamiques proposés dans la littérature), et sur la construction de dynamiques effectives: supposant que le système suit une dynamique X_t régie par l'équation de Langevin amortie, et se donnant une variable scalaire macroscopique xi(X), lente en un certain sens, nous proposons une dynamique mono-dimensionnelle fermée qui approche xi(X_t), et dont la précision est estimée à l'aide de méthodes d'entropie relative.
Une autre partie du travail consiste à développer de nouveaux schémas numériques pour des problèmes Hamiltoniens hautement oscillants (souvent rencontrés en simulation moléculaire), en suivant une démarche d'homogénéisation en temps. Nous avons aussi proposé une adaptation au contexte Hamiltonien de l'algorithme pararéel, permettant d'obtenir la solution d'un problème d'évolution par des méthodes de calcul parallèle.

La seconde partie du mémoire présente des travaux sur la dérivation de modèles à l'échelle du continuum à partir de modèles discrets (à l'échelle atomistique), pour les solides, et sur le couplage de ces deux modèles, discret et continu. Une première approche consiste à poser le problème sous forme variationnelle (modélisation à température nulle). Nous nous sommes aussi intéressés au cas de systèmes à température finie, modélisés dans le cadre de la mécanique statistique. Dans certains cas, nous avons obtenu des modèles réduits, macroscopiques, où la température est un paramètre, en suivant des approches de type limite thermodynamique.

La troisième partie du mémoire s'intéresse à des questions d'homogénéisation stochastique, pour des équations aux dérivées partielles elliptiques linéaires. Les matériaux sont donc modélisés à l'échelle du continuum. Le constat qui motive notre travail est le fait que, même dans les cas les plus simples sur le plan théorique, les méthodes numériques à ce jour disponibles en homogénéisation stochastique conduisent à des calculs très lourds. Nous avons travaillé dans deux directions. La première consiste à réduire la variance des quantités aléatoires effectivement calculées, seules accessibles en pratique pour approcher la matrice homogénéisée. La seconde est d'étudier le cas de problèmes faiblement stochastiques, en partant du constat que les matériaux hétérogènes, rarement périodiques, ne sont pas pour autant systématiquement fortement aléatoires. Le cas d'un matériau aléatoire pour lequel cet aléa n'est qu'une petite perturbation autour d'un modèle périodique est donc intéressant, et peut se traiter avec un coût calcul beaucoup plus abordable.
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Analyse numérique [math.NA]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011
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Contributeur : Frederic Legoll <>
Soumis le : jeudi 31 janvier 2013 - 23:01:31
Dernière modification le : lundi 21 mars 2016 - 17:33:07
Document(s) archivé(s) le : mercredi 1 mai 2013 - 03:59:25

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Frédéric Legoll. Contributions à l'étude mathématique et numérique de quelques modèles en simulation multi-échelle des matériaux. Analyse numérique [math.NA]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. <tel-00783334>

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