Le découpage de tôles minces en alliages de cuivre est un procédé de mise en forme très utilisé pour la fabrication de composants électroniques. Deux aspects permettent la caractérisation du procédé : d'une part, le profil de découpe représente la qualité du produit et d'autre part, l'effort de découpage conduit à la définition de l'outillage (matériaux du poinçon et de la matrice, la vitesse et la puissance des presses, etc.). La modélisation numérique permet d'obtenir des réponses rapides sur les questions concernant ces deux aspects. Au sein de l'équipe modélisation et mise en forme des matériaux du Laboratoire de Mécanique Appliquée R. Chaléat, un code de calcul par éléments finis dédié à la simulation bidimensionnelle du découpage a été développé depuis quelques années (Blankform©).<br />Afin d'obtenir une meilleure prédiction de l'effort de découpage par simulation numérique, notre démarche commence par la caractérisation expérimentale du comportement thermo-élasto-viscoplastique de la nuance de cuivre CuNiP par des essais de traction à températures et à vitesses de déformation imposées. Suite à ces essais, une loi de comportement particulière permettant la prise en compte de la sensibilité du matériau à la vitesse et à la température a été proposée. Après l'implémentation de cette loi dans le code de calcul, l'application du modèle au découpage d'une tôle mince en CuNiP, dans un cadre adiabatique, montre que l'effort maximal de découpage est correctement prédit.<br />Lors d'une opération de découpage, certaines nuances de cuivre, comme le Cua1, présentent un phénomène de recristallisation dynamique. Les essais de traction sur cette nuance nous ont permis de caractériser le comportement mécanique du matériau. Sur cette base spécifique, un modèle de comportement thermo-élasto-viscoplastique avec prise en compte de la recristallisation dynamique a été proposé dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. L'application de ce modèle au découpage montre qu'il permet de prédire qualitativement les phénomènes observés expérimentalement pour cette nuance.<br />La modélisation bidimensionnelle du découpage est souvent utilisée pour des empreintes de formes relativement simples. Cependant, pour des formes complexes, il est nécessaire de résoudre le problème par une analyse tridimensionnelle. A partir d'un cas d'étude industriel, une modélisation tridimensionnelle du découpage a été réalisée afin d'étudier l'influence des paramètres technologiques sur la distribution des contraintes et des déformations. Les résultats numériques obtenus corroborent bien les constatations expérimentales en termes de profil de découpe.

Cette thèse vise à proposer des outils innovants pour le calcul de structures aéronautiques évoluant à haute température. En effet, les régimes de fonctionnement des moteurs actuels conduisent à des évolutions élasto-viscoplastiques généralisées dans les pièces métalliques et l’utilisation de modèles simplifiés (élastiques) n’est plus totalement satisfaisante en terme de précision, même en phase de préconception. De même, la géométrie complexe permettant le refroidissement continu des pièces (micro-perforations) doit être prise en compte de manière exacte. Les techniques de calcul standard pour ce genre de problème conduiraient à des simulations lentes et peu flexibles (la moindre modification entraînant une remise en œuvre complète de la chaîne de calcul). Plus précisément, cette thèse étend les méthodes de type global/local non-intrusives au cas de la viscoplasticité généralisée en utilisant deux échelles de temps et d'espace, chacune adaptée aux phénomènes locaux et globaux à capturer. La méthode est ensuite étendue au calcul de nombreux cycles complexes de chargement, par des techniques de saut de cycles. Le schéma de couplage en temps permet alors une adaptation locale du pas de temps par sous-domaine. Des techniques d’accélération de convergence sont proposées, à l’échelle d’un incrément puis à celle de la succession de cycles (sauts de cycles). Ces développements permettent d’obtenir rapidement et précisément une estimation du cycle limite qui alimente un modèle de durée de vie. Le couplage non-intrusif est réalisé dans un script de programmation pilotant un code commercial (dans notre cas le langage Python et Abaqus/Standard). La méthode a été appliquée sur des plateformes de calculs industrielles, en réutilisant directement des maillages et les mises en données issues de modèles intervenant plus tôt dans la chaîne de calcul. Un cas métier, issu d’un bureau d’études de Safran Aircraft Engines, a pu être traité. / This thesis consists in developing innovating tools destined to the simulation of aeronautical structures evolving at high temperature. Indeed, working rates of current engines lead to an elasto-viscoplastic evolution generalized in metallic parts and the use of simplified models (linear elastic) are no longer totally satisfying in term of accuracy, even in initial design process. Likewise, the complex geometry allowing the continuous cool down process of parts (micro-perforations) has to be exactly taken into account. The standard computation techniques dedicated to this kind of models would lead to slow simulations with a lack of flexibility (the slightest modifications leading to restart the whole design process of the computation chain).More precisely, this thesis extends the noninvasive global/local methods to the framework of viscoplasticity generalized to the whole structure, using two scales in time and space, each one adapted to global and local phenomena to capture. The method is then extended to the computation of high number of complex load cycles, by skipped cycles techniques. The time coupling scheme lets then a local adaptation of time steps per subdomain. Convergence acceleration techniques are also set up, first for one time step and then through several load cycles (skipped cycles). These developments conduct to obtain quickly an evaluation of the limit cycle providing data to a lifetime expectancy model.The noninvasive coupling is realized in a programming language script managing the commercial software (respectively in our case Python and Abaqus/Standard). The method has been applied on industrial computational platforms, by reusing directly meshes and data from previous engineering tasks appearing earlier in the computational chain. A genuine test case from a Safran Aircraft Engines design office, was performed successfully.

Les phénomènes dynamiques (grandes vitesses de sollicitations pour des temps de chargement très courts) suscitent, dans le monde de la recherche, une attention toute particulière aussi bien pour les applications industrielles (mise en forme, usinage à grande vitesse), médicales (intervention chirurgicale par choc laser) que militaires (perforation, impact). Le processus de rupture ductile se déroule en trois étapes : la nucléation, la croissance et la coalescence de vides. Le but de la thèse est de modéliser le comportement des matériaux métalliques ductiles soumis à un chargement dynamique.<br />Les conditions de sollicitations suggèrent la prise en compte d'une population de défauts dans le matériau. Après une étude préliminaire sur différentes approches d'homogénéisation établissant le lien entre le comportement macroscopique et l'évolution individuelle des vides, le schéma micro-macro de type « même condition en contrainte» est adopté. Il est alors montré que dans ce cas, et pour un comportement viscoplastique, l'hétérogénéité de l'endommagement est étroitement liée aux effets inertiels.<br />Dans un deuxième temps, le matériau est supposé initialement sain. L'étape de nucléation est prise en compte via la notion de sites potentiels de nucléation. Lorsque la pression appliquée atteint une valeur critique pour un site potentiel donné, un vide apparaît spontanément et commence à croître par déformation plastique de la matrice. Nous adoptons une approche statistique de la distribution des pressions de cavitation dans le matériau. Il est alors mis en évidence, dans la construction d'un nouveau modèle d'endommagement, la nécessité de tenir compte des effets de la porosité sur l'influence micro-inertielle et sur la chute de résistance de la matrice viscoplastique.<br />Le modèle de nucléation et croissance de vides est ensuite utilisé afin de construire un modèle complet élasto-viscoplastique avec endommagement. Le comportement déviatorique est géré par une loi de plasticité classique de type Prandtl-Reuss tandis que la partie sphérique est gouvernée par la croissance des cavités avec effet micro-inertiel. Ce modèle d'endommagement est implanté dans le code de calculs par éléments finis ABAQUS/EXPLICIT, via un sous-programme utilisateur VUMAT. L'essai d'impact de plaques est simulé et les résultats obtenus révèlent une bonne concordance avec les résultats expérimentaux sur le Tantale issus de la littérature.

Cette thèse développe une méthodologie originale et non intrusive de construction de modèles de substitution applicable à des modèles physiques multiparamétriques.La méthodologie proposée permet d’approcher en temps réel, sur l’ensemble du domaine paramétrique, de multiples quantités d’intérêt hétérogènes issues de modèles physiques.Les modèles de substitution sont basés sur des représentations en train de tenseurs obtenues lors d'une phase hors ligne de calculs intensifs.L'idée essentielle de la phase d'apprentissage est de construire simultanément les approximations en se basant sur un nombre limité de résolutions du modèle physique lancées à la volée.L'exploration parcimonieuse du domaine paramétrique couplée au format compact de train de tenseurs permet de surmonter le fléau de la dimension.L'approche est particulièrement adaptée pour traiter des modèles présentant un nombre élevé de paramètres définis sur des domaines étendus.Les résultats numériques sur des lois élasto-viscoplastiques non linéaires montrent que des modèles de substitution compacts en mémoire qui approchent précisément les différentes variables mécaniques dépendantes du temps peuvent être obtenus à des coûts modérés.L'utilisation de tels modèles exploitables en temps réel permet la conception d'outils d'aide à la décision destinés aux experts métiers dans le cadre d'études paramétriques et visent à améliorer la procédure de calibration des lois matériaux. / This thesis presents a novel non-intrusive methodology to construct surrogate models of parametric physical models.The proposed methodology enables to approximate in real-time, over the entire parameter space, multiple heterogeneous quantities of interest derived from physical models.The surrogate models are based on tensor train representations built during an intensive offline computational stage.The fundamental idea of the learning stage is to construct simultaneously all tensor approximations based on a reduced number of solutions of the physical model obtained on the fly.The parsimonious exploration of the parameter space coupled with the compact tensor train representation allows to alleviate the curse of dimensionality.The approach accommodates particularly well to models involving many parameters defined over large domains.The numerical results on nonlinear elasto-viscoplastic laws show that compact surrogate models in terms of memory storage that accurately predict multiple time dependent mechanical variables can be obtained at a low computational cost.The real-time response provided by the surrogate model for any parameter value allows the implementation of decision-making tools that are particularly interesting for experts in the context of parametric studies and aim at improving the procedure of calibration of material laws.

L'objectif de cette thèse est d'étudier expérimentalement les phénomènes de vieillissement dus à la diffusion des atomes en solution dans les alliages d'aluminium et les instabilités qui leur sont associées comme le phénomène Portevin-Le Châtelier ou les bandes de Lüders et de proposer une modélisation de ces phénomènes dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. Une étude expérimentale détaillée est alors entreprise sur les alliages d'aluminium AA5083-H116 et AA5182-O. Le comportement du premier présente l'effet PLC de façon prononcée et les deux types d'instabilités sont observées simultanément pour le second. La corrélation d'images numériques et la thermographie infrarouge sont essentiellement employées pour détecter et caractériser les aspects spatiotemporels des instabilités observées. La déformation non homogène due à l'apparition et la propagation de bandes de localisation est mise en évidence. Ces bandes de déformation sont visualisées, permettant à leurs diverses caractéristiques (vitesse, orientation, largeur, vitesse de déformation à l'intérieur des bandes, augmentation de la température à l'intérieur des bandes) d'être mesurées sur des éprouvettes lisses (plates, cylindriques ou prismatiques). Dans le cas des éprouvettes plates, l'effet des épaisseurs de l'éprouvette a aussi été examiné. Les caractéristiques des bandes sont aussi analysées sur d'autres géométries d'éprouvette (entaillées avec divers types d'entailles) à des vitesses de déformation différentes pour exhiber leur morphologie en présence de chargements multiaxiaux. Des simulations non linéaires et tridimensionnelles ont été effectuées en utilisant le modèle de McCormick pour montrer comment la prise en compte des phénomènes de vieillissement, même partielle, permet de décrire les hétérogénéités et le mouvement des bandes de déformation ainsi que de prévoir leurs différentes caractéristiques. Enfin, en se basant sur les mécanismes physiques à la base des phénomènes de vieillissement et en soulignant les limites du modèle de McCormick, un modèle élasto-viscoplastique prenant en considération les phénomènes de vieillissement est proposé dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles.

En raison du durcissement des normes d'émissions de CO2 par l'Union Européenne, les constructeurs automobiles sont contraints d'alléger leurs véhicules, particulièrement en diminuant l'épaisseur des pièces. Par conséquent, les fournisseurs d'acier doivent proposer de nouveaux aciers capables, à épaisseur plus faible, de garantir une sécurité des passagers identique voire meilleure. Augmenter la résistance mécanique ne suffit pas puisque les propriétés de mise en forme se retrouvent diminuées. Un compromis peut être trouvé en optimisant la microstructure en combinant par exemple les bonnes propriétés de différentes phases comme dans les nouvelles générations d'aciers multiphasés. L'optimisation de la microstructure peut demander un nombre d'essais expérimentaux conséquent. La simulation numérique représente un outil efficace permettant de diminuer le temps et les coûts de conception en diminuant considérablement les campagnes expérimentales. Ce travail de thèse vise à développer un outil numérique capable de modéliser le comportement élasto-viscoplastique des aciers multiphasés lors de simulations numériques 3D de mise forme dans le logiciel de calcul par éléments finis Abaqus. Une loi phénoménologique à base physique a été formulée de manière incrémentale dans un cadre tensoriel afin de modéliser le comportement élasto-viscoplastique des phases constitutives. Cette loi originale a été confrontée à la fois à des essais expérimentaux et à d'autres modèles issus de la littérature. Le comportement macroscopique de l'acier multiphasé est obtenu en utilisant un schéma autocohérent écrit spécifiquement pour des matériaux hétérogènes élasto-viscoplastiques. Par ailleurs, une nouvelle approche micromécanique visant à introduire des effets de longueurs internes microstructurales (taille de grain, taille de particule, etc.) est proposée et validée à l'aide de données expérimentales. Enfin, l'outil numérique développé dans ce travail de thèse est appliqué à la simulation d'essais de traction uniaxiale et de pliage en V afin d'évaluer la pertinence des phénomènes physiques (tels que la striction, les effets de vitesse de déformation sur la localisation et l'effet Bauschinger) dus au mélange de phases élasto-viscoplastiques.

L'objectif de cette thèse est d'étudier expérimentalement les phénomènes de vieillissement dus à la diffusion des atomes en solution dans les alliages d’aluminium et les instabilités qui leur sont associées comme le phénomène Portevin-Le Châtelier ou les bandes de Lüders et de proposer une modélisation de ces phénomènes dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. Une étude expérimentale détaillée est alors entreprise sur les alliages d’aluminium AA5083-H116 et AA5182-O. Le comportement du premier présente l’effet PLC de façon prononcée et les deux types d’instabilités sont observées simultanément pour le second. La corrélation d'images numériques et la thermographie infrarouge sont essentiellement employées pour détecter et caractériser les aspects spatiotemporels des instabilités observées. La déformation non homogène due à l’apparition et la propagation de bandes de localisation est mise en évidence. Ces bandes de déformation sont visualisées, permettant à leurs diverses caractéristiques (vitesse, orientation, largeur, vitesse de déformation à l'intérieur des bandes, augmentation de la température à l'intérieur des bandes) d'être mesurées sur des éprouvettes lisses (plates, cylindriques ou prismatiques). Dans le cas des éprouvettes plates, l’effet des épaisseurs de l’éprouvette a aussi été examiné. Les caractéristiques des bandes sont aussi analysées sur d’autres géométries d’éprouvette (entaillées avec divers types d’entailles) à des vitesses de déformation différentes pour exhiber leur morphologie en présence de chargements multiaxiaux. Des simulations non linéaires et tridimensionnelles ont été effectuées en utilisant le modèle de McCormick pour montrer comment la prise en compte des phénomènes de vieillissement, même partielle, permet de décrire les hétérogénéités et le mouvement des bandes de déformation ainsi que de prévoir leurs différentes caractéristiques. Enfin, en se basant sur les mécanismes physiques à la base des phénomènes de vieillissement et en soulignant les limites du modèle de McCormick, un modèle élasto-viscoplastique prenant en considération les phénomènes de vieillissement est proposé dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. / The objective of this thesis is to study experimentally the ageing phenomena due to the atoms diffusion in solid solutions in aluminium alloys and associated instabilities as the Portevin-Le Châtelier phenomenon or the Lüders bands and to propose a model of these phenomena within the framework of thermodynamics of irreversible processes. Digital Image Correlation (DIC) and Digital Infrared Thermography (DIT) are essentially employed to capture and characterize the spatio-temporal aspects of these instabilities. Inhomogeneous deformation, due to the appearance and the propagation of various localization bands are observed. These deformation bands are visualized, allowing their various characteristics (velocity, orientation, width, strain rate inside the bands, temperature increase inside the bands) to be measured on smooth specimens (flat, cylindrical or prismatic). In the case of flat test, the effect of the specimen thickness was also examined. The band characteristics are also analyzed on other specimen geometries (notched with various kinds of notches) at different strain rates to exhibit their morphology in the presence of multiaxial loadings. Some nonlinear and three-dimensional simulations were carried out with McCormick model to show how the inclusions of ageing phenomena, even partial, makes possible to describe heterogeneities and the deformation bands but also reproducing qualitatively their various characteristics. Finally, based on the physical mechanisms of aging phenomena and underlying the limitations of the McCormick model, an elasto-viscoplastic model taking into account the aging phenomena is proposed in the framework of thermodynamics of irreversible processes.

Cette thèse présente une étude expérimentale de l'impact de gouttes de fluides à seuil. Au-delà des applications (impression à jet d’encre solide, modélisation d’impact solide à grandes vitesses), cette étude permet de sonder le rôle de l'élasticité sur le comportement à temps court de ces fluides complexes. D'abord, nous nous sommes intéressés aux impacts sur une surface rigide. L'utilisation de fluides à seuil modèles (solutions concentrées d’argiles, micro-gel de Carbopol) et de surfaces d'impact variées (partiellement mouillante ou super-hydrophobe), révèle une grande variété de comportements, allant de l'étalement viscoplastique irréversible jusqu'à des déformations élastiques géantes. Un modèle minimal d'étalement inertiel, incluant une rhéologie élasto/viscoplastique, permet de décrire dans un cadre unique les principaux régimes observés. Au cours de cette étude, nous avons mis en évidence un phénomène spécifique avec le Carbopol : pour des grandes vitesses d'impact, on observe un étalement beaucoup plus grand sur des surfaces rugueuses hydrophobes que sur des surfaces lisses. Cette réduction apparente du frottement basal est discutée en termes de longueur de glissement et d'instabilité de « splash ». Enfin, nous avons étudié l’impact d'une goutte de fluide sur un sol constitué du même fluide, en utilisant un fluide à seuil transparent (Carbopol). La combinaison de lois d'échelle, d’expériences en « micro-gravité » et de mesures locales du champ de déformation montre que la dynamique du cratère transitoire est dominée par l’élasticité, même au-delà du seuil d’écoulement. Ces résultats pourraient avoir des implications dans le contexte des impacts de météorites en astrophysique. / This thesis presents an experimental study on the drop impact of yield-stress fluids. Beyond applications (solid ink-jet printing, lab modelling of high-speed collision of solids), this study offers a mean to probe the role of the elasticity on the short-time behaviour of these complex fluids. We have first studied drop impacts on solid rigid surfaces. Using different model yield-stress fluids (clay suspensions, Carbopol micro-gel) and impacted surfaces (partially wettable, super-hydrophobic), we have observed a rich variety of behaviours ranging from irreversible viscoplastic coating to giant elastic spreading and recoil. A minimal model of inertial spreading, including an elasto/viscoplastic rheology, allows explaining in a single framework the different regimes and scaling laws. In this study, we identified a specific phenomenon with Carbopol: for large impact velocities, the drop spreads much more on rough hydrophobic surfaces than on smooth surfaces. This apparent reduction of the basal friction is discussed in terms of slip length and splash instability. Endly, we investigated the impact of a drop onto a pool of the same fluid, using a transparent yield-stress fluid (Carbopol). The combination of scaling laws, micro-gravity experiments and local deformation measurements shows that the transient crater is dominated by elasticity, even beyond the flow threshold. These results could have implications for impact cratering in Planetary Sciences.