Ce mémoire comporte quatre parties : - La première partie présente le choix de la méthode d'identification adoptée. Ce choix est effectué en testant différentes méthodes classiques sur des exemples simples et représentatifs des problèmes rencontrés. - La seconde partie montre l'application de l'identification sur des structures de problèmes dynamiques et de dégradation. - La troisième partie traite des effets d'échelle. On montre notamment la pertinence du modèle de comportement utilisé pour décrire les phénomènes simulés. - La quatrième partie présente le développement et la performance d'une méthode de zoom pour décrire l'évolution de fissures localisées au sein d'une structure. La conclusion et les perspectives portent sur mes travaux actuels au sein du Laboratoire de Mécanique et Génie Civil de Montpellier depuis l'année 2003. Ces travaux font l'objet d'une conversion thématique. En effet, ils restent dans la continuité des précédents mais portent sur l'identification de l'état d'endommagement de structures de tenségrité. Ces structures légères sont des treillis composés de barres reliées entre elles par des câbles tendus. Le but de l'étude est de déterminer les pertes de tension dans les câbles qui assurent la stabilité de l'ensemble.

Le contexte des travaux concerne la vulnérabilité des structures aéronautiques face aux explosions. Reprenant le scénario de la ruine d'un fuselage lors d'un attentat à la bombe, trois axes de recherches concourent à la problématique posée dans le mémoire. Le premier est lié au chargement dynamique résultant de l'explosion d'un engin dans le fuselage de l'appareil. Le deuxième et le troisième concernent les assemblages, dont on cherche à caractériser et modéliser le comportement et la rupture sous chargements dynamiques. Concernant le chargement structural de type pression dynamique, une recherche appliquée vise à valider des méthodes d'interaction couplées fluide/structure pour mesurer l'onde de souffle, à développer d'autres méthodes d'interaction découplées fluide/structure pour permettre l'analyse de structures complètes et complexes, et à développer une méthode numérique pour le couplage d'une structure immergée dans un fluide. Dans le domaine de la caractérisation des assemblages pour le calcul des structures, la recherche expérimentale et numérique consiste à développer de nouvelles méthodes expérimentales fondées sur des essais normalisés permettant d'analyser le comportement et la rupture des fixations en modes pures et mixtes de traction/cisaillement pour des vitesses de déplacement quasi-statique et dynamique, et une méthode numérique alternative dite plan d'expérience numérique (ou 'virtual testing') pour étudier un assemblage depuis le procédé de rivetage, jusqu'à sa tenue dynamique. Enfin, une recherche fondamentale vise à améliorer la modélisation des assemblages en calcul de structures. Pour les fixations, un modèle au comportement non-linéaire reposant sur une formulation hybride est développé. Pour les tôles perforées, un modèle et un critère de rupture sont présentés, une approche multi-échelle et un élément fini hybride sont développés.

Ce travail s'inscrit dans le contexte de la modélisation et de la prévision de la durée de vie des aubes de turbines haute pression des moteurs aéronautiques. Ces pièces sont réalisées en superalliage monocristallin base nickel tel que l'AM1, matérieu de l'étude. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés aux évolutions microstructurales se produisant à haute température sous chargement mécanique connues sous le nom de coalescence orientée des précipités. Ce travail a consisté, dans un premier temps, a étudier le comportement du matérieu non-vieilli. Des essais à 950°C ont été réalisés afin d'enrichir la base d'essais existente. Ils ont permis l'identification d'un modèle de viscosité de type sinus hyperbolique sur une large gamme de vitesses de sollicitations. Le comportement initial du matériau a également été étudié à l'échelle mésoscopique (échelle des phases). Un modèle de comportement a été identifié pour chacune des phases afin de reproduire le comportement macroscopique du matériau. Cette étude, effectuée dans le cadre de la viscoplasticité classique a permis de mettre en évidence les limites de cette approche. Notamment, elle ne permet pas de modéliser les effets d'échelle observés en plasticité. Parallèlement, nous nous sommes intéressés au phénomène de coalescence orientée, tant d'un point de vue expérimental que numérique. Des essais mécaniques après vieillissement ont été réalisés. Différentes conditions de vieillissement ont été étudiées, en fluage à différentes température et contraintes et suivant différentes orientations cristallographiques mais également sous chargement cyclique. Les essais mécaniques ont montré un effet prépondérant de la coalescence orientée sur l'écrouissage du matériau, allant dans le sens d'un adoucissement. La coalescence orientée a également été modélisée par la méthode des champs de phases. Nous avons proposé un couplage du modèle champs de phases avec un modèle de comportement de viscoplasticité cristalline afin de prendre en compte l'influence de l'activité plastique dans les couloirs de matrice. Les simulations ont montré une accélération de la cinétique de mise en radeaux due à la plasticité ainsi que des précipités ayant une forme plus réaliste vis-à-vis de l'expérience, notamment en vieillissement sous chargement cyclique lent. La prise en compte des effets de la coalescence orientée passe par la modélisation des effets d'échelle en plasticité. C'est pourquoi nous nous sommes intéressés aux milieux continus généralisés. Nous avons étudié analytiquement les effets d'échelle produits par un modèle de Cosserat et le modèle microcurl dans le cas d'un matériau biphasé en cisaillement. Les deux modèles prévoient un écrouissage cinématique linéaire dépendant de la taille de la microstructure. Enfin, les développement précédents et les essais réalisés dans le cadre de ce travail ont permis la construction et l'identification d'un modèle macroscopique étendu qui rend compte des effets de la coalescence orientée sur le comportement mécanique de l'AM1.

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Cette thèse avait pour but de comprendre le comportement thermique de composites silicones. Pour cela, une étude bibliographique complète sur le comportement au feu des silicones comme matrice ou en tant que retardateur de flamme a tout d'abord été réalisée. Ce travail a permis de définir une stratégie permettant d'améliorer la stabilité thermique de la matrice mais également du composite silicone. Une première étude expérimentale a été consacrée à l'étude de l'influence de l'ajout de platine et de silice sur le comportement thermique d'un composite silicone modèle. Nous avons pu montrer que l'immobilisation des chaînes macromoléculaires était le facteur clef pour une céramisation efficace. Dans une deuxième partie, des composites silicones dans lesquels nous avons incorporé des charges à base soit de calcium, soit d'aluminium ont été testés selon trois différents protocoles de dégradation thermique. Nous avons d'abord mis en exergue le fait que la nature chimique (charge non hydratée, contenant de l'eau ou portant des groupements hydroxyles en surface), la taille et la morphologie des charges influençaient fortement le comportement thermique du silicone. Nous avons ensuite montré que la formation de nouvelles structures cristallines et l'absence de libération de gaz dégradant la matrice conduisaient à des résidus très cohésifs, après pyrolyse extrême. Enfin, des tests calorimétriques ont montré que l'amélioration du comportement au feu des composites était liée à la stabilité thermique et/ou à la génération d'une couche barrière.

Dans un but de réduction de poids des avions, un alliage Al-Cu-Li (2198-T8) assemblé par friction-malaxage est envisagé par les avionneurs pour des applications de type fuselage et intrados de l'aile. L'objectif de cette étude est de déterminer le comportement en fatigue des soudures par friction-malaxage et l'influence de certains défauts de soudage pour une durée de vie de l'ordre de 105 cycles. Pour cela le matériau de base, des soudures réalisées pleine tôle (sans défaut), des soudures contenant un résidu de plan de joint (dû à la couche d'oxydes initialement présente sur les chants des tôles avant soudage), un "kissing bond" (dû à un manque de pénétration de l'outil) et un "GAP" (correspondant à un défaut d'accolement des tôles) ont été testés. Pour la durée de vie visée, les soudures sont déformées plastiquement durant la première moitié du premier cycle. Le comportement en traction monotone des soudures n'a montré aucune influence significative des défauts de soudage sur les propriétés des soudures, bien que le kissing bond et le GAP soient le site d'amorçage de la rupture. Des essais de traction in situ au MEB ont permis de déterminer une contrainte seuil au-delà de laquelle on observe l'ouverture du kissing bond. L'étude du comportement en traction des soudures a été complétée par une simulation 3D par éléments finis. Les courbes de Wöhler ont montré que le résidu de plan de joint n'engendrait pas de baisse significative de la durée de vie des soudures, alors que le kissing bond et le GAP conduisaient à une réduction de l'ordre de 17% et 28% respectivement sur la contrainte à 105 cycles. L'étude des mécanismes d'amorçage a révélé que ces deux défauts étaient site d'amorçage de fissures de fatigue uniquement au-delà d'une contrainte seuil. Dans ces cas, la phase d'amorçage était réduite à l'ouverture du défaut durant la première moitié du premier cycle. La rupture finale des soudures a été étudiée au travers d'essais de déchirure ductile montrant une évolution de la nocivité des défauts similaire à celle révélée par les courbes de Wöhler.

Cette thèse suit une démarche " materials-by-design " avec pour objectif le développement d'une méthode de conception dédiée aux panneaux sandwichs architecturés pour l'obtention de propriétés multifonctionnelles. Cette méthode s'appuie sur l'utilisation d'un algorithme génétique permettant simultanément une sélection de matériaux (variables discrètes) et un pré-dimensionnement du panneau (variables continues). Trois architectures de coeur ont été étudiées : les mousses, les nids-d'abeilles hexagonaux et les treillis tétraédriques. Dans cette thèse, on définit deux approches différentes de sélection des matériaux. Dans un premier temps, les matériaux architecturés sont considérés comme des matériaux existants, dont les propriétés sont référencées dans une base de données fermée. Cette approche est appelée optimisation par " voie réelle ". Afin d'ouvrir les possibilités en termes de sélection de matériaux, la deuxième approche considère une description semi-continue des matériaux architecturés et est appelée optimisation par " voie virtuelle ". Le matériau coeur est décrit par un matériau constitutif (variable discrète) et par une ou plusieurs variables géométriques continues représentant l'architecture. Utilisant ces deux approches, différentes propriétés d'emploi des panneaux sandwichs sont évaluées : rigidité et résistance en flexion, atténuation acoustique, résistance et isolation thermique, et enfin résistance aux chocs impulsionnels. Chaque fonction est optimisée à masse minimale par optimisation bi-objectifs. Différents cas d'optimisation tri-objectifs sont également présentés afin d'évaluer la compatibilité entre propriétés. En effet, la forme de la surface de compromis obtenue donne une indication sur la compatibilité entre les différents critères. Cette étape d'optimisation permet également l'identification des paramètres de conception optimaux. Dans le cas d'une optimisation par " voie virtuelle ", une comparaison directe entre architectures est aussi possible. Cependant, la démarche d'optimisation mise en place est complexe car globale et travaillant avec des variables mixtes. Deux méthodes mixtes, couplant l'algorithme génétique avec d'autres approches, sont proposées pour permettre un accroissement de la complexité de l'analyse tout en garantissant une complexité raisonnable de l'optimisation

Le comportement plastique des alliages métalliques est très souvent influencé par les interactions entre les précipités d'une seconde phase et les dislocations, dont la dynamique peut être étudiée par des méthodes de type champ de phase. En effet, ces méthodes présentent comme principal avantage leur caractère variationnel qui rend naturel le couplage avec la dynamique d'autres défauts (solutés, lacunes, précipités de seconde phase...). Ces travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte en proposant de nouveaux modèles champ de phase permettant d'étudier le comportement des dislocations, leurs interactions avec des précipités de seconde phase ainsi que les mécanismes de montée par absorption/émission de lacunes. Nous proposons tout d'abord un modèle d'élasticité non-linéaire, tenant compte du glissement des dislocations ainsi que de leur nucléation et du glissement dévié. L'utilisation de ce modèle permet de confirmer les mécanismes de perte de cohérence des précipités par la nucléation de boucles prismatiques envisagés dans des études antérieures. Nous proposons ensuite un couplage de cette approche avec un modèle tenant compte de l'évolution microstructurale de précipités Al3Sc dans une matrice d'aluminium. Nous montrons notamment que les dislocations peuvent modifier significativement la morphologie de l'interface des précipités, ce qui peut affecter la réponse mécanique du matériau. Enfin, nous développons un modèle champ de phase pour la montée des dislocations tenant compte de la diffusion des lacunes. Nous nous attachons en particulier à étudier le caractère limitant du mécanisme d'absorption/émission de lacunes au niveau du coeur des dislocations.

Cette thèse est dédiée au développement et à la validation d'un nouveau modèle d'endommagement anisotrope pour le béton dans le cadre d'applications dynamiques. Le modèle d'endommagement développé par Desmorat et al. (2007) reproduit l'anisotropie induite de l'endommagement du béton par l'intermédiaire d'une variable tensorielle d'ordre 2. Ce modèle est étendu à la dynamique par l'introduction d'un «effet retard» dans la loi d'évolution de l'endommagement afin de reproduire l'effet de la vitesse sur le comportement du matériau. Cette dépendance temporelle du comportement permet, dans une certaine gamme de vitesse de sollicitation, de régulariser la solution qui dépend pathologiquement du maillage pour les modèles (adoucissants) d'endommagement. L'influence de la vitesse de sollicitation sur la régularisation est étudiée, et les résultats sont comparés avec ceux obtenus par régularisation non-locale intégrale (avec et sans effet retard). L'état de sollicitation en dynamique est par nature fortement lié aux phénomènes de propagation et de reflexions d'ondes qui conduisent à des états de sollicitations alternées. La dissymétrie du comportement du béton impose que l'on y accorde une attention particulière. Le concept de désactivation des dommages (Souid 2008) est transposé à la dynamique et l'endommagement à effet retard. On établit l'expression de la dissipation intrinsèque due à l'endommagement ce qui permet d'estimer l'influence de l'effet retard sur l'énergie dissipée. Enfin, on prouve par la méthodes des perturbations, l'existence d'un nouveau type d'instabilité, inhérente à l'aspect induit de l'anisotropie. Une nouvelle écriture du modèle, qui ne modifie pas le comportement pour des sollicitations simples, est proposée, elle permet de stabiliser complètement le comportement. Des simulations numériques d'impacts et de souffle sur des structures 3D en béton armé montrent les capacités du modèles à mener ce type de calcul jusqu'à la ruine. La description continue de l'endommagement permet de représenter finement l'amorçage, la propagation, la coalescence, la bifurcation et l'embranchement de fissures. L'arrêt et le redémarrage d'une fissure est également représenté, et on peut estimer la vitesse de propagation des fissures, qui reste inférieure à la vitesse des ondes de Rayleigh dans le béton. Les résultats numériques des simulations d'impact sont comparés à ceux des essais sur tour de chute réalisés lors de cette thèse au Laboratoire d'Etudes de Dynamique du CEA Saclay. La nouveauté de ces essais est l'analyse par corrélation d'images des des films d'essais réalisés avec une caméra rapide (10000 images/secondes).

Dans ce travail de thèse, on s'intéresse à la réponse vibratoire d'un rotor affecté de fissures afin d'exhiber les paramètres vibratoires susceptibles de favoriser leur détection dans le cadre d'une procédure de surveillance. Dans un premier temps, les travaux expérimentaux, numériques et analytiques antérieurs effectués visant la modélisation de telles structures sont résumés et commentés. Puis la démarche de la prise en compte des effets de cisaillement dans la loi de comportement en flexion d'une section de rotor fissurée est présentée et est validée par des calculs tridimensionnels tenant compte du contact unilatéral entre les lèvres de fissure. La démarche est basée sur une formulation énergétique du problème et peut être appliquée à toute géométrie de fissure. L'exploration par voie numérique de la réponse d'un rotor fissuré est présentée dans le troisième chapitre de cette thèse. Différents systèmes dynamiques sont considérés. Les parties saines du rotor sont représentées part des éléments de type barre ou poutre, et la section fissurée par un ressort non-linéaire pour tenir compte du mécanisme de respiration de la fissure. Vers la fin de cette partie, on présente une méthode originale de construction d'un élément fini de poutre comportant des fissures. Le dernier chapitre est consacré à l'étude analytique du système à deux ddl. Ainsi, plusieurs fonctions de respiration de la fissure sont examinées. La stabilité linéaire des solutions périodiques est étudiée vers la fin de ce chapitre par la théorie de Floquet. Finalement quelques paramètres vibratoires sont proposés comme indicateurs de la présence de fissures.