Ce travail a été entrepris dans le cadre d’une coopération internationale entre l’Université de Brasilia, l’Agence spatiale brésilienne (AEB), l’ENS Paris-Saclay et le groupe SAFRAN. L’objet principal de cette coopération est l’étude du fretting-fatigue, problème de contact associé à des charges de fatigue qui réduisent considérablement la durée de vie des composants en raison de la concentration élevée de contraintes, de l’usure et des conditions de chargement non proportionnelles. En ce qui concerne les coûts de calcul élevés impliqués dans l’évaluation des applications industrielles, l’un des objectifs de ce travail est d’améliorer les performances des simulations de frettage utilisant une approche d’enrichissement. L'idée est de tirer parti du fait que les champs mécaniques autour des bords de contact dans des configurations de contact cylindriques dans des conditions de frottement sont similaires à ceux trouvés près du fond de fissure dans les problèmes de mécanique de rupture élastique linéaire. Cette similitude rend attrayante l’idée d’enrichir les simulations de frettage par éléments finis via le framework X-FEM, ce qui nous permet de travailler avec des maillages plus grossiers tout en conservant une bonne précision. Comme nous le montrerons dans ce travail, il est possible de travailler avec des maillages jusqu'à 10 fois plus grossiers que si une méthode par élements finis classique était utilisée, permettant une forte amélioration des performances de calcul.Ce travail étudiera également l’influence de la prise en compte des effets de l’usure dans la prévision de la durée de vie en fatigue. Par conséquent, des simulations par éléments finis du fretting-fatigue ont été effectuées en tenant compte de la mise à jour de la géométrie due à l'enlèvement de matière et les résultats ont été comparés aux données expérimentales et aux simulations par éléments finis dans lesquels les effets de l'usure ont été négligés (stratégie simplificatrice généralement adoptée pour évaluer les problèmes de fatigue de frottement). Les critères de fatigue multiaxiaux conventionnels associés à la théorie des distances critiques ont été utilisés pour prédire la vie. Les résultats ont montré que, pour les données évaluées ici, lorsque des essais de fretting-fatigue ont été menés sur un alliage Ti-6Al-4V dans des conditions de glissement partiel, considérer les effets de l'usure pourraient augmenter légèrement la précision des prévisions de durée de vie. Cependant, cette amélioration n’est peut-être pas digne d’intérêt si nous prenons en compte les coûts de calcul élevés dans les analyses d’usure. / This work has been undertaken in the context of an international research cooperation between the University of Brasilia, the Brazilian Space Agency (AEB), the ENS Paris-Saclay and the SAFRAN group. The main subject of this cooperation is the investigation of fretting fatigue, which is a contact problem in conjunction with fatigue loads responsible for reducing considerably components’ fatigue life due to the high stress concentration, wear and non-proportional loading conditions involved in such problems. Regarding the high computational costs involved when assessing industrial applications, one of the aims of this work is to improve the performance of fretting simulations making use of an enrichment approach. The idea is to take advantage of the fact that the mechanical fields around the contact edges in cylindrical contact configurations under fretting conditions are similar to the ones found close to the crack tip in linear elastic fracture mechanics problems. This similarity makes attractive the idea of enriching finite element fretting simulations through the X-FEM framework, which enables us to work with coarser meshes while keeping a good accuracy. As it will be shown in this work, it is possible to work with meshes up to 10 times coarser than it should be if a conventional FE method was used allowing a strong improvement of the computational performances.This work will also investigate the influence of considering wear effects in the prediction of fretting fatigue lives. Therefore, fretting fatigue FE simulations have been carried considering the geometry update due to the material removal and results were compared to both experimental data and FE simulations where wear effects were neglected (simplifying strategy usually adopted when evaluating fretting fatigue problems). Conventional multiaxial fatigue criteria in association with the Theory of Critical Distances have been used in order to predict life. Results have shown that, for the data here assessed, where fretting fatigue tests were conducted on a Ti-6Al-4V alloy under partial slip conditions, considering wear effects might slightly increase the accuracy of life predictions. However, this slight improvement may not be worthwhile regarding the increase in the computational cost when compared to standard approaches where wear is neglected.

Le travail présenté a pour objectif la prédiction numérique de la résistance résiduellede grandes structures vis-à-vis d’évènements accidentels, tels que ceux rencontrés p.ex. dans le cas de la collision de navires ou d’impact d’oiseaux en aéronautique. Cesévènements peuvent dans certain cas conduire à la rupture, qui est ici considéréeductile. La difficulté de cette étude, consiste à reproduire dans une méthodologieunifiée basée sur la méthode des éléments finis les étapes successives menant àla ruine ultime de la structure. Ces étapes sont : l’endommagement ductile, lalocalisation de la déformation et la propagation de la fissure. Un élément essentiel pour la conception d’un modèle de fissuration ductile prédictif est le traitement numérique de la phase transitoire critique de localisation de la déformation induite par l’endommagement dans une bande de matière étroite.A cet effet, trois points de vue différents en termes de champ de déplacement àtravers la bande de localisation sont proposés. Ces trois approches se distinguentpar le type de discontinuité considérée : forte, faible et régularisée (expression nonlinéaire). Un cadre variationnel consistant est élaboré pour chacune des trois approches.Ainsi la cinématique enrichie est incorporée dans la formulation de l’élément fini enutilisant la méthode des éléments finis enrichis (X-FEM). Puis, la performance deces méthodes est évaluée vis-à-vis de leur capacité à modéliser la phase transitoireentre endommagement diffus (mécanique des milieux continus) et propagation defissure (mécanique de la rupture). Ces travaux sont réalisés dans le contexte dematériaux ductiles. D’après les analyses réalisées, la combinaison du modèle de ’discontinuité fortecohésive’ et la X-FEM semble être la plus prometteuse des trois approches étudiéespour allier physique et numérique. Le développement d’un tel modèle est discutéen détail. Enfin, deux critères supplémentaires sont définis : le premier pour lepassage de l’endommagement diffus au modèle de bande cohésive et un deuxièmepour le passage du modèle de bande cohésive à la rupture. / The present work aims at numerically predicting the current residual strengthof large engineering structures made of ductile metals regarding accidental events,e.g. ships collision or bird strike in aviation, which may potentially lead to failure.With this aim in view, the challenge consists in reproducing within a unified finiteelement (FE)-based methodology the successive steps of micro-voiding-induceddamage, strain localization and crack propagation, if any.A key ingredient for a predictive ductile fracture model is the proper numericaltreatment of the critical transition phase of damage-induced strain localizationinside a narrow band. For this purpose, three different viewpoints in terms ofdisplacement field across the localization band are proposed involving a strong,weak and (non-linearly) regularized discontinuity, respectively.A consistent variational framework is elaborated for each of the three methods,whereby the enriched kinematics is embedded into the FE formulation using theeXtended FEM. Then, within a comparative procedure, the performance of thesemethods is assessed regarding their ability of modeling the transition phase betweendiffuse damage (continuum mechanics framework) and crack propagation (fracturemechanics framework), always in the context of ductile materials.According to the aforementioned analyses, the combination of the strong discontinuitycohesive model and the X-FEM appears to be the most promising of thethree studied approaches to bring together physics and numerics. The developmentof such a model is discussed in detail. Finally, two supplementary criteria aredefined: the first one for the passage from diffuse damage to the cohesive bandmodel and the second one for the passage from the cohesive band model to thecrack.

Le développement actuel de l’industrie vise à prévoir l’intégrité des structures dans le temps ou dans le cas de sollicitation extrême. Les risques liés à la propagation des fissures dans le cas de chocs ou d’impacts sont encore difficiles à prévoir. Les codes de calcul dans ce domaine regroupent plusieurs méthodes de simulation au sein d’un même code de calcul. Afin de présenter les différentes méthodes numériques mises en oeuvre, ce mémoire a été découpé en trois parties distinctes. Dans la première partie, nous présentons la bibliographie, puis notre apport aux méthodes de simulation numérique en l’appliquant au cas de la propagation de fissure dynamique et enfin les résultats obtenus à partir des méthodes proposées. Nous comparons ces simulations à des résultats expérimentaux ou à des simulations 2D trouvés dans la littérature. À travers la bibliographie, nous présenterons la théorie de la mécanique de la rupture pour arriver à un critère de propagation de fissure adapté à la dynamique transitoire. Ce critère a déjà été utilisé pour la fissuration dynamique en 2 dimensions. Nous décrirons la méthode des éléments finis étendus utilisée jusqu’ici principalement en quasi-statique. Nous donnerons les avantages mais aussi les limites de mise en oeuvre de cette méthode, notamment à travers le choix des enrichissements et de l’intégration des éléments coupés par la fissure. La méthode des level-sets est ensuite présentée : elle permet de décrire et faire évoluer la fissure indépendamment de la structure. On met en évidence le besoin de robustesse pour faire évoluer la fissure en dynamique explicite. La seconde partie est consacrée au développement et à l’extension de la méthode en 3D. Après avoir rappelé le critère de propagation en 3D fragile et avec plasticité, on cherche à proposer des schémas d’intégration spatiale plus économiques. Une nouvelle stratégie de propagation des level-sets basé sur la géométrie est proposée pour la dynamique explicite 3D. Enfin dans la troisième partie, nous appliquerons les méthodes à des cas de propagation de fissure bidimensionnelle puis tridimensionnelle. Nous simulerons dans un premier temps des cas 2D en mode I puis en mode mixte, afin de vérifier que l’on arrive à résultats proches des cas déjà simulés en 2D. Pour terminer par des simulations de propagation tridimensionnelle de fissure avec arrêt et redémarrage de la fissure. Tous ces développements on été implémentés dans le code de calcul de dynamique explicite EUROPLEXUS, co-propriété du CEA et de la Commission Européenne. / The current development of the industry focus on structural integrity over time or in the case of extremes stresses. Risks related to the cracks propagation in the event of shocks or impacts are still difficult to predict. Computing codes in this area groups several methods of simulation within the same computer software. To present the various numerical methods used, this thesis was divided into three distinct parts. In the first part we present the literature. Then, in second part, our contribution to the numerical simulation methods are presented by applying it to the case of dynamic crack propagation. Finally the results obtained from the proposed methods are described. We compare these simulations with experimental results or 2D simulations found in the literature. Through the first part, we present the theory of fracture mechanics to reach a criterion of crack propagation adapted to the transient dynamics. This criterion has been used for dynamic cracks in two dimensions. We describe the extended finite element method mainly used for quasi-static problems. We give the advantages but also the limits of this method: the choice of enrichment and the integration method are particularly important. The level-sets method is then presented: it allows to describe and develop the crack regardless of the structure. It highlights the need of robustness due to explicit dynamics scheme. The second part is devoted to the development and extension of the method in 3D. After reminding the propagation criterion in 3D, we try to offer more economic patterns of spatial integration. A new strategy of level-sets propagation based on geometrical approach is proposed for the explicit dynamic and applied in 3D. In the third part, we apply the methods to the case of two-dimensional crack propagation and three-dimensional. We initially simulate 2D mode I then mixed mode, to ensure that we arrive at results close to earlier 2D simulations. To finish, we present three-dimensional simulations of crack propagation with stopping and restarting crack. All these developments have been implemented in the computing software EUROPLEXUS , co-owned by the CEA and the European Commission.

Bien que les moyens numériques actuels évoluent très rapidement, la résolution de problèmes mécaniques reste confrontée à de nombreuses difficultés (complexité des formes géométriques et des comportements, taille des structures de plus en plus grandes...). Pour contourner ces contraintes, de nombreuses méthodes ont été développées. Deux voies complémentaires peuvent être empruntées : les approches s'appuyant sur des études multi-échelles et le calcul intensif.<br />Les travaux présentés utilisent ces deux voies de manière conjointe et comprennent trois parties: l'étude de problèmes d'homogénéisation périodique traités avec X-FEM, le développement d'une approche multi-échelle tirant profit des avantages de X-FEM et enfin le développement de l'approche X-FEM pour le calcul parallèle.<br />En premier lieu, les travaux portent sur le domaine de l'homogénéisation périodique qui s'est développée lors de l'apparition des matériaux composites. Cette méthode propose de définir des caractéristiques mécaniques généralisées d'une structure comprenant deux matériaux, ou plus, ayant des propriétés distinctes. La structure se décompose en volumes répétitifs appelés V.E.R. (volume élémentaire représentatif). La résolution du problème microscopique sur le V.E.R. nous permet de définir les caractéristiques de la structure entière. La méthode des éléments finis étendue (X-FEM), permettant la présence de discontinuités au sein des éléments du maillage, associée à la technique des fonctions de niveau (Level Set), apportant une alternative à la représentation de formes géométriques complexes ou aléatoires, est employée à cet effet. <br />La deuxième partie présente une analyse multi-échelle d'une structure comprenant un détail. Pour traiter ce type de problèmes, il a souvent été d'usage d'employer des méthodes telles que l'approche globale-locale ou encore des techniques capables de raffiner le maillage autour du détail, mais celles-ci sont coûteuses et parfois peu efficaces. Nous proposons une approche à deux échelles: microscopique (à l'échelle du détail) et macroscopique (à l'échelle de la structure). L'objectif est d'apporter une correction au problème de la structure, ne tenant pas compte explicitement du détail, déduite d'une analyse locale de celui-ci. L'approche X-FEM couplée à la technique des fonctions de niveau est utilisée à cet escient. <br />Enfin, le dernier développement traite de résolutions de problèmes multi-domaines sur une machine parallèle. Mises à part les études précédemment exposées, la difficulté peut ne porter que sur la taille du domaine sur lequel se base le problème. Il s'agit, dans ce cadre, d'augmenter la capacité de calcul pour la résolution de problèmes impliquant une somme de données à traiter très importante. L'étude menée dans cette partie permet la gestion de l'enrichissement entraînée par l'approche X-FEM sur plusieurs domaines

<p>This dissertation addresses interface problems simulated with the finite element method (FEM) with mesh adaptivity. More specifically, we concentrate on the strategies that adaptively modify the mesh and the associated data transfer issues. </p><p>In finite element simulations there often arises the need to change the mesh and continue the simulation on a new mesh. Analysts encounter such an issue when they adaptively refine the mesh to reduce the computational cost, smooth distorted elements to improve system conditioning, or introduce new surfaces and change the domain in simulations of fracture problems. In such circumstances, the transfer of data from the old mesh to the new one is of crucial importance, especially for nonlinear problems. We are concerned in this work with contact problems with adaptive re-meshing and fracture problems modeled with the eXtended finite element method (X-FEM). For the former ones, the transfer of surface data is built upon the technique of parallel transport, and the error of such a transfer strategy is investigated through classic benchmark tests. A transfer scheme based on a least squares problem is also proposed to transfer the bulk data when nearly incompressible hyperelastic materials are employed. For the latter type of problems, we facilitate the transfer of internal variables by making partial elements utilize the same quadrature points from the uncut parent elements and meanwhile adjusting the quadrature weights via the solution of moment fitting equations. The proposed scheme helps avoid the complicated remapping procedure of internal variables between two different sets of quadrature points. A number of numerical examples are presented to demonstrate the robustness and accuracy of our proposed approaches.</p><p>Another renowned technique to simulate fracture problems is based upon the phase-field formulation, where a set of coupled mechanics and phase-field equations are solved via FEM without modeling crack geometries. However, losing the ability to model distinct surfaces in the phase-field formulation has drawbacks, such as difficulties simulating contact on crack surfaces and poorly-conditioned stiffness matrices. On the other hand, using the pure X-FEM in fracture simulations mandates the calculation of the direction and increment of crack surfaces at each step, introducing intricacies of tracing crack evolution. Thus, we propose combining phase-field and X-FEM approaches to utilize their individual benefits based on a novel medial-axis algorithm. Consequently, we can still capture complex crack geometries while having crack surfaces explicitly modeled by modifying the mesh with the X-FEM.</p> / Dissertation

Bones are the principal structural components of a skeleton; they provide the body with unique roles, such as its shape maintenance, protection of internal organs and transmission of muscle forces among body segments. Their structural integrity is vital for the quality of life. Unfortunately, bones can only sustain loads until a certain limit, beyond which it fails. Usually, the reasons for bone fracture are traumatic falls, sports injuries, and engagement in transport or industrial accidents. The stresses imposed on a bone in such activities can be far higher than those produced during normal daily activities and lead to fracture. Understanding deformation and fracture behaviours of bone is necessary for prevention and diagnosis of traumas. Even though, in principle, studying bone's deformation and fracture behaviour is of immense benefit, it is not possible to engage volunteers in in-vivo investigations. Therefore, by developing adequate numerical models to predict and describe its deformation and fracture behaviours, a detailed study of reasons for, and ways to prevent or treat bone fracture could be implemented. Those models cannot be formulated without a set of experimental material data. To date, a full set of bone's material data is not implemented in the material data-base of commercial finiteelement (FE) software. Additionally, no complete set of data for the same bone can be found in the literature. Hence, a set of cortical bone's material data was experimentally measured, and then introduced into the finite-element software. A programme of experiments was conducted to characterise mechanical properties of the cortical bone tissue and to gain a basic understanding of the spatial variability of those properties and their link to the underlying microstructure. So, several types of experiments were performed in order to quantify mechanical properties of the studied bone tissue at macro- and microscales under quasi-static and dynamic loading regimes for different cortex positions called anterior, posterior, medial and lateral. Those experiments included: (1) uniaxial tension and creep tests to obtain its elastic, plastic and viscoelastic properties; (2) nanoindentation tests to characterise its microstructural elastic-plastic properties; (3) Izod tests to investigate its fracture properties under impact bending loading; (4) tensile-impact tests to characterise its impact strength and fracture force when exposed to a longitudinal loading regime. All the experiments were performed for different cortex positions and different directions (along the bone axis and perpendicular to it) when possible. Based on the results of those experiments, a number of finite-element models were developed in order to analyse its deformation and fracture using the extended finiteelement method (X-FEM) at different length scales and under various loading conditions. Those models included: (1) two-dimensional (2D) FE models to simulate its fracture and deformation at microscale level under quasi-static tensile loading. Additionally, the effect of the underlying microstructure on crack propagation paths was investigated; (2) 2D and three-dimensional (3D) FE models to simulate its fracture and deformation at macroscale level for the Izod impact test setup. In addition, the applicability of different constitutive material models was examined; (3) 3D FE models to simulate its fracture and deformation at macroscale level for tensile-impact loading conditions. The developed models provided high-quality results, and most importantly, they adequately reflected the experimental data. The main outcome of this thesis is a comprehensive experimental analysis and numerical simulations of the deformation and fracture of the cortical bone tissue at different length scales in response to quasi-static and dynamic loading. Recommendations on further research developments are also suggested.

[pt] Meios que apresentam descontinuidades como fraturas e falhas em um maciço rochoso ou reservatórios de petróleo impõem algumas dificuldades na simulação numérica pelo Método dos Elementos Finitos. Uma dessas dificuldades é a necessidade de geração de malhas muito refinadas, principalmente na região próxima à descontinuidade, até a obtenção de uma resposta confiável do modelo, o que pode consumir um tempo significativo. Ao mesmo tempo, a discretização da descontinuidade com elementos muito pequenos, quando comparados ao restante do modelo, pode conduzir a um aumento no tempo de simulação. Neste trabalho é apresentada a formulação de um elemento finito cortado por uma descontinuidade para aplicação em problemas com acoplamento fluido-mecânico em meios saturados com um único fluido. A inserção da descontinuidade no elemento é obtida pela adição de novos termos à função de interpolação, dispensando a sua discretização. Esses termos adicionais conseguem reproduzir a mudança no campo de deslocamento e poro-pressão no elemento devido à presença da descontinuidade. A resposta do elemento é verificada através da comparação com uma solução analítica unidimensional e com exemplos simples simulados em um programa comercial. / [en] Media that present discontinuities as fractures and faults in a rock mass or oil reservoirs impose some difficulties in numerical simulation using standard Finite Element Method. One of these difficulties is the need for very refined mesh generation, especially in the region near the discontinuities, to obtain a reliable answer of the model, which can consume significant time. At the same time, the discretization of the discontinuity with very small elements compared to the rest of the model may lead to an increase in simulation time. This work presents the formulation of an element that is crossed by a discontinuity for use in coupling fluid-mechanical problems in single fluid saturated mediums. The insertion of the discontinuity in the element is obtained by adding new terms in the interpolation function, which eliminates its discretization. These additional terms can reproduce the change in the displacement and pore pressure field in the element due to the presence of discontinuity. The response of the element is validated by comparing it with one dimensional analytical solution and simple examples simulated in a commercial program.

Dans un contexte de vulnérabilité militaire des sous-marins, les ingénieurs et chercheurs doivent être capables de prédire le comportement des structures fissurées. Ainsi, la modélisation de la transition des changements de modes de propagation de fissure (cisaillement-traction et inversement) des métaux sous sollicitations extrêmes devient un outil incontournable ou essentiel. Des critères tridimensionnels de direction de propagation de fissure développés pour une rupture par cisaillement ou par ouverture sont exposés. Des formules de direction de propagation semi-analytiques et analytiques, fonctions des facteurs d’intensité des contraintes et du coefficient de Poisson, sont ainsi proposées. L’interprétation de ces formules laisse envisager la prise en compte des effets tridimensionnels dans de futures simulations 3D de propagation de fissure. Une étude du problème en deux dimensions est également développée, proposant une formule analytique du critère en cisaillement. De plus un algorithme automatique de transition cisaillement-traction a été implémenté dans le code de calcul de dynamique explicite Europlexus, développé par le CEA. Une méthodologie d’identification des paramètres du modèle pour un matériau donné et pour un cas quasi-statique a été proposée. Confronté à l’interprétation de deux expériences connues de propagation dynamique (expériences de Kalthoff et de Ravichandran), le modèle proposé a montré sa pertinence. De plus, afin de mieux connaître le comportement à rupture de l’acier à Haute Limite Élastique Soudable, deux études expérimentales dédiées au suivi de la propagation dynamique d’un front de fissure ont été développées et validées sur des essais de rupture sous chargement quasi-statique et dynamique de type choc. Cette étude expérimentale a permis d’observer que les branchements de fissures, relevés sur les essais sous chargement quasi-statique, n’apparaissent plus sous chargement dynamique et pour des sollicitations en mode I pur. Les méthodes théoriques et numériques développées dans ces travaux de thèse permettent donc de simuler, automatiquement et avec un unique modèle, les changements de modes de rupture au cours d’une propagation dynamique de fissure. De plus, les protocoles expérimentaux exposés dans ce manuscrit permettent d’appréhender les phénomènes de transition cisaillement-traction en soulevant l’importance de la vitesse de sollicitation et du mode de sollicitation de l’essai. / We propose an approach to the simulation of the shear-tensile transition in dynamic crack growth based on two points: a new crack propagation criterion which is suitable for shear, and an algorithm which is capable of handling the transition from shear mode to tensile mode and back in the same simulation. The new crack propagation criterion for brittle crack growth is based on the maximum shear stress rather than the maximum hoop stress. The shear stress direction becomes the new crack’s direction in which propagation is initiated for shear-type failure. The stress state at the crack’s tip is obtained through a local approach which can be used even in the case of extensive plasticity. Additionally, we propose to control the transition from shear mode to tensile mode during the simulation of crack propagation using an equivalent strain estimated at the crack’s tip. Depending on a threshold strain, the propagation direction is predicted using the maximum shear stress (in the shear case) or the maximum hoop stress (in the tensile case).

Sous l’effet des sollicitations mécaniques répétées induites par les passages des trains, on observe l’apparition de fissures de fatigue de contact dans les rails. Une fois amorcées, celles-ci peuvent se propager et mener à la rupture du rail. Dans un contexte d’intensification du trafic et d’augmentation globale des vitesses de circulation, il devient stratégique pour SNCF d’optimiser sa politique de maintenance. Afin de définir des pas de surveillance adaptés et une planification optimisée des opérations de maintenance, une meilleure connaissance des mécanismes d’endommagement par fatigue du rail s’avère nécessaire. Tendre vers cette stratégie de maintenance prédictive passe par la mise en place d’outils de simulation numérique adaptés. Dans ce contexte, une chaîne d’outils a été développée : détermination des sollicitations transmises au rail, des champs de contraintes et de déformations résiduelles, localisation des zones critiques vis-à-vis du risque de fissuration. L’étape suivante consiste à estimer le risque lié à la présence de fissures et à étudier leurs propagations. Elle constitue une partie des objectifs de ces travaux de thèse. La résolution du problème tri-dimensionnel d’une structure fissurée, avec contact et frottement entre les lèvres, est effectuée grâce à un modèle tri-dimensionnel éléments finis étendus multi-échelles. Ce modèle fait appel à une formulation mixte stabilisée où chaque champ est écrit à l’aide d’enrichissement. La fissure est représentée grâce à une stratégie implicite-explicite. Le problème est résolu à l’aide du solveur non-linéaire LATIN. Une étude empirico-numérique a permis de proposer des formules a priori assurant à la méthode de résolution un taux de convergence proche de l’optimal. La simulation de la propagation des fissures de fatigue est réalisée à l’aide de critères spécifiques, adaptés à un chargement multi-axial et non-proportionnel, et d’une loi de propagation dédiée en mode mixte. La confrontation des résultats de simulation avec des essais réalisés sur une configuration cylindre-plan a validé la stratégie X-FEM/LATIN à deux échelles. Tous ces développements ont été implémentés dans le code de calcul éléments finis CAST3M. Des contraintes résiduelles réalistes, provenant d’un logiciel externe, ont été introduites. Cette étape a requis la mise en place d’une procédure de transfert des champs entre les deux maillages (celui utilisé pour le calcul des contraintes résiduelles et celui utilisé pour la résolution du problème de mécanique élastique linéaire de la rupture). L’étude de la flexion du rail a révelé l’influence de ce phénomène uniquement lors du passage du chargement sur la fissure.Enfin, une étude numérique a montré la très forte influence de l’orientation du chargement tangentiel, des contraintes résiduelles et de la présence de plusieurs fissures sur la direction et les vitesses de propagation des fissures de fatigue. / To optimize the rail grinding strategy, the prediction of crack growth rates has a vital role. Contact, with friction between the crack faces, notably occurs in rolling contact fatigue (RCF) problems. These time-dependent, multi-axial, non proportional loadings may lead to a crack initiation and propagation, and sometimes to the development of very complex 3D crack network. Numerical simulations of frictional fatigue crack are efficiently performed using the eXtended Finite Element Method (X-FEM). Within this method, the mesh does not need to conform to the crack geometry. Most difficulties associated to complex mesh generation around the crack and the re-meshing steps during the propagation are hence avoided. A 3D two-scale frictional contact fa-tigue crack model developed within the X-FEM framework is presented. It allows the use of a refined discretization of the crack interface independent from the underlying finite element mesh and adapted to the frictional contact crack scale. The model is used here to analyze the crack propagation, rate and direction, under rolling contact fatigue. The wheel-rail contact loading is modeled as a traveling hertzian load. The stress intensity factors are computed at the crack tips during the wheel passage. Criteria for determining crack growth direction under multiaxial non proportional conditions and mixed mode Paris’ law are used. Actual residual stresses are accounted for in the simulation. They are determined thanks to a dedicated model used at SNCF in which the asymptotic mechanical state of the rail is computed when submitted to cyclic loads. A non-uniform elastic-plastic stabilized state is calculated and introduced, by projection of the mechanical fields onto the finite element mesh, in the crack propagation simulation. All this strategy has been implemented in CAST3M and is now used to model 3D frictional crack growth under RCF.

La compréhension du comportement de structures jusqu'à leur ruine est nécessaire pour concevoir au mieux ces structures. Selon le matériau et les sollicitations considérées, les mécanismes physiques à l'origine de la rupture changent. Nous nous intéresserons à des matériaux homogènes pour lesquels la ruine passe par le développement de fissures autour desquelles les non-linéarités de comportement n'ont pas un rôle dominant. Ces conditions sont réunies pour les matériaux fragiles pour lesquels la source principale de dissipation est la génération non réversible d'une surface libre, et pour certaines fissures de fatigue. Sur un cycle de chargement, il existe de nombreuses applications pour lesquelles les non-linéarités restent confinées. La théorie de la mécanique linéaire élastique de la rupture est alors un modèle pertinent pour approcher le comportement de la structure. Sous ces hypothèses, le front de la fissure introduit une singularité. L'étude asymptotique de cette singularité dans des situations plane et anti-plane permet de définir les séries de Williams. La singularité est alors d'ordre un demi et elle est quantifiée par les facteurs d'intensité des contraintes (FIC) pour chacun des trois modes de sollicitations. En 3D, la fissure peut avoir une géométrie complexe, et aucune expression générale de la singularité n'existe. Dans cette thèse, les séries de Williams en déplacements sont utilisées et régularisées le long du front au sens des éléments finis. À partir de cette définition 3D des séries asymptotiques en pointe de fissure, une méthode d'extraction directe des FIC (DEK-FEM) est étendue au cas 3D. Le domaine est décomposé en deux domaines, raccordés en moyenne sur l'interface. Au voisinage du front, les champs mécaniques sont approchés par une troncature des champs asymptotiques. La singularité est donc traitée avec des champs adaptés, et les degrés de liberté associés sont directement les coefficients asymptotiques. Parmi ces coefficients asymptotiques, on retrouve les FIC et les T-stresses. Pour des raisons d'efficacité numérique et pour pouvoir relier l'échelle de la structure à l'échelle de la fissure, cette méthode est intégrée dans un contexte multigrilles localisées X-FEM. Ainsi nous montrons que cette approche permet une bonne évaluation des évolutions des FIC et du T-stress. Cette méthode est développée en parallèle d'une stratégie de post-traitement expérimental (mesure de champs de déplacements par corrélation d'images) basée sur les mêmes séries asymptotiques. Les images tridimensionnels d'un essai de fatigue in situ sont obtenues par micro-tomographie à rayons X et reconstruction. La corrélation et la régularisation basées sur les séries asymptotiques permettent d'obtenir la géométrie de la fissure et les FIC pour pouvoir identifier des lois de propagation de fissures 3D en fatigue. L'efficacité de cette méthode en parallèle d'une simulation DEK-FEM est illustrée en 2D. / It is necessary to understand the behavior of structures up to their failure to enhance their design. The mechanisms and phenomena undergoing failure vary according to the considered material and boundary conditions. We consider homogeneous materials for which cracks propagate in a context where behavior nonlinearities are not dominants. These conditions are matched for brittle and quasi-brittle materials and for some fatigue cracks. For the former, the main source of dissipation is the crack propagation which can be seen as the generation of a new free-surface. For the later, there is many applications where, in one loading cycle, the nonlinearities remains confined around the crack tip. The linear elastic fracture mechanics theory is then a pertinent model to approximate the structure behavior. Under such hypotheses, a singularity appears in the crack tip vicinity. The Williams' series expansion is computed from the asymptotic study of plane and anti-plane states. The stress is singular at the crack tip and the order of this singularity is one out of two. The singularity amplitude is quantified by the stress intensity factors (SIF), one for each of the three loading modes. In 3D, the crack shape is potentially complex (front curvature and non-planar crack), and no general asymptotic series expansion exists. In this PhD thesis, the 2D Williams' series in displacements are used and regularized with a finite element evolution along the front. From this 3D definition of the asymptotic fields in the crack tip vicinity, a numerical method for direct estimation of the SIF (DEK-FEM) is extended to 3D. This method is based on domain decomposition, the two domains are bounded in a weak sense on their interface. In the crack tip vicinity, the mechanical fields are approximated by a truncation of the asymptotic series expansion. Therefore, appropriate fields are used to deal with the singularity, and the associated degrees of freedom are directly the asymptotic coefficients. Among these coefficients are the SIF and the T-stresses. To bridge the scales between the structure and the crack front singularity and to increase the numerical efficiency, this method is embedded in a localized X-FEM multigrids approach. The proposed method is shown to provide an accurate evaluation of the SIF and T-stresses evolution. This approach has been developed in combination of an experimental post-processing method (full field displacement measurement through image correlation) based on the same asymptotic series expansion. The 3D images can be obtained for in situ fatigue experiments by X-ray microtomography and reconstruction. The crack geometry and the SIF are then provided by image correlation and regularization based on Williams series expansion. These data can be used for identifying a 3D fatigue crack growth law. The efficiency of the method is illustrated in 2D.