Le pisé est une technique constructive vernaculaire consistant à compacter successivement des couches de terre humide entre des coffrages. Cette technique, présente dans le monde entier, l'est en particulier en France dans la région Auvergne-Rhône-Alpes. Comme il n'existe pas de réglementation attachée à cette technique constructive, il est très difficile pour des propriétaires de réparer leur bien. Le développement de cette technique pour de nouveaux projets souffre aussi de cette absence alors qu'elle répond à certains enjeux posés par le Développement Durable. Le travail présenté ici fait partie intégrante du projet national PRIMATERRE dédié à l'étude des constructions impliquant de la terre. Une loi de comportement élasto-plastique est développée dans ce travail pour modéliser le comportement du pisé. Elle s'appuie sur une approche hiérarchisée de la modélisation en lien avec le nombre d'essais disponibles pour identifier les paramètres de modèle mais aussi en lien avec la complexité de phénomènes à prendre en compte. Ce modèle s'inspire d'un modèle pré-existant, CJS, développé en géotechnique pour modéliser le comportement mécanique des matériaux granulaires. Une adaptation s'est imposée pour prendre en compte les spécificités du comportement mécanique du pisé qui possède de nombreuses similitudes avec celui des matériaux quasi-fragiles. Deux niveaux de modélisation pour le modèle de comportement appelé CJS-RE sont présentés, pouvant être utilisés dans un contexte de sollicitation monotone. Le premier niveau CJS-RE1 est un modèle élastique parfaitement plastique alors que le second niveau CJS-RE2 est un modèle élasto-plastique à écrouissage isotrope. Deux mécanismes de déformation plastique sont présents, l'un lié aux phénomènes purement déviatoires et l'autre aux phénomènes de traction. La validation du modèle a été entreprise sur la base de la simulation d'essais en laboratoire de compression diagonale et de chargement latéral (pushover) sur des murets, issus de la littérature. Le niveau CJS-RE1 a été capable de capturer les phénomènes essentiels issus de ces deux tests et peut être utilisé comme une première approches des problèmes. Le niveau CJS-RE2 a permis de retrouver plus précisément le comportement non linéaire du pisé sur une large gamme de déformations, que ce soit dans l'essai de compression diagonale ou dans le pushover. Enfin, la prise en compte d'interfaces entre les couches dans la modélisation semble constituer une approche surdimensionnée lorsque seule la résistance d'un système constitué en pisé est recherchée. Cependant, parce qu'elles apportent une certaine ductilité au système dans la modélisation, elles peuvent être utilisées lorsque des résultats plus détaillés sont attendus. / Rammed earth is a vernacular building technique consisting in compacting successively layers of moist earth within formworks. This technique is present worldwide and in particular in the region Auvergne-Rhône-Alpes in France. As no regulation exists for rammed earth structures in France, the owners of such structures are helpless at the time when repairing damages appearing in any aging heritage structures. Moreover, this lack of regulation tends to slow down the development of such a constructive solution in new projects though this technique answers many of the issues raised by the sustainable development. The work presented herein is part of the national research project PRIMATERRE devoted to the study of construction building involving earth. Herein, an elasto-plastic constitutive law is developed for modeling the behavior of rammed earth. It is based on a hierarchical approach of the modeling in relation to the information available to identify the set of model parameters and the refinement of phenomena to be modelled. This model was adapted from a pre-existing CJS model used in advanced foundation engineering for the modelling of granular soils. The necessary adaptation of some mechanisms of the model in the context of rammed earth material which holds the characteristics of a quasi-brittle material is highlighted. Two levels for the model denoted CJS-RE which can be used in the context of monotonous loadings are presented herein. The first level is a simple elastic perfectly plastic model (CJS-RE1) and the second model is an elasto-plastic model with an isotropic hardening (CJS-RE2). Two mechanisms of plastic deformation are involved, one related to purely deviatoric phenomena and one related to tensile phenomena. The validation of the model was performed based on different sets of actual tests including diagonal compression tests and pushover tests on wallets. The simple elasto-plastic model CJS-RE1 was able to capture some basic features for these two tests and may be used for a first estimate of the system resistance. The more sophisticated model CJS-RE2 was found better to retrieve the nonlinear behavior of rammed earth over a larger range of deformations throughout both a diagonal compression test and a pushover test. Finally, the modelling of interfaces between layers of earth seems oversized when the resistance of the system is investigated. However, since they may influence the simulated ductility of the system, they may be used to model the behavior of rammed earth system more precisely.

Les ouvrages de protection jouent un jeu de paramètres important lorsque la structure est soumise à un chargement du type dynamique rapide. Cette thèse s'intéresse au problème des impacts de missile rigides contre une dalle en béton armé. En se basant sur les résultats d'essais expérimentaux, nous avons proposé une loi de comportement élasto-plastique-endommageable où le durcissement du béton a été pris en compte. Cette dernière à été implantée dans un code élément discret, puis des essais en quasi statique ont été simulés permettant de calibrer le modèle numérique. Une fois le modèle calibré, des simulations d'essai d'impact de missile sur la structure en béton armé ont été effectuées. Les résultats sont comparables à ceux menés par CEA-EDF en termes de trajectoire du missile. Nous avons montré la nécessité de la loi de comportement complète lors de l'apparition de la compaction du béton sur une dalle épaisse. Enfin, l'étude paramétrique nous confirme que le modèle numérique porte une bonne prédictivité comparé à des lois de prédiction empiriques.

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La première étape d'un calcul de durée de vie en fatigue oligocyclique consiste à obtenir l'historique des contraintes et des déformations sur des points jugés critiques. Pour éviter des calculs complets par éléments finis (force brute) particulièrement longs, les corrections élasto-plastiques locales évaluent ces historiques en un temps très court. Les approches existantes manquant de précision, une nouvelle méthode de calcul qui s'inspire des modèles d'homogénéisation a été proposée. Elle a été implémentée dans le code de calcul ZéBuLoN et validée sur des cas de charge quelconques en multiaxial non proportionnel aléatoire, ce qui n'est le cas d'aucune autre méthode de la littérature. Ces historiques servent d'entrée aux méthodes de prévision de durée de vie. Un nouvel algorithme de comptage de cycles a été utilisé pour extraire une série de cycles d'un chargement multiaxial aléatoire. Il s'agit d'une technique de rainow qui permet de conserver toutes les composantes du chargement, et de définir un "cycle" dans l'espace des contraintes déviatoriques. Des calculs de durée de vie ont été réalisés pour évaluer la pertinence de l'ensemble de la chaîne de calcul ainsi constituée. On montre pour finir des applications à une pièce industrielle (bras de châssis de grue).

L'optimisation fine des structures composites nécessite de mettre en place des outils de modélisation du comportement mécanique de plus en plus sophistiqués et en prenant en compte les spécificités de ces matériaux-structures. Un modèle de type laser-wise est utilisé ici. Il est basé sur les travaux de l'équipe structure hétérogènes de l'UR Navier. Ce modèle comporte 5n champs cinématiques pour un multicouche à n couches et porte le nom "M4-5N". Il approche chaque couche par une plaque de Reissner et intègre des efforts d'interface généralisés. La première version du code d'EF appelé MPFEAP (MultiParticle Finite Element Analysis Program) est enrichie ici par un module dynamique qui permet de calculer des modes propres et un problème d'impact, et par la prise en compte d'interfaces non linéaires ou imparfaite, qui reste une zone frontière entre deux couches mais avec son propre comportement en prenant en compte que les cisaillements transverses et les contraintes normales.

De part sa nature multi-physique, un pyromécanisme est un système complexe à modéliser et sa simulation nécessite la mise en oeuvre de plusieurs ressources de calcul spécifiques couplées. Le but de ce travail est de fournir un outil numérique capable de modéliser un pyromécanisme et de simuler son fonctionnement en intégrant les interfaces nécessaires au pilotage des différentes ressources de calcul. La faisabilité d'un tel outil est illustrée pour un pyromécanisme spécifique : l'enrouleur pyrotechnique de ceinture. La conception de l'outil numérique proposé est basée sur l'approche Orienté Objet (OO) pour modéliser la structure technologique du pyromécanisme et l'interfaçage avec les ressources de calcul externes. Le modèle OO technologique est construit par héritage des modèles Core Product Model (CPM) et Open Assembly Model (OAM) développés au NIST (National Institute of Standards and Technology). Grâce aux modèles CPM-OAM, un système mécanique peut être décrit comme une hiérarchie d'assemblages et de pièces, reliés par des liaisons cinématiques. La simulation complète du pyromécanisme enrouleur de ceinture requiert des ressources de calcul spécifiques : Un module simulant le fonctionnement du générateur de gaz de l'enrouleur a été développé, implémenté sous Scilab. Ce module calcule la pression exercée par le générateur de gaz sur la chaîne cinématique chargée de transmettre le mouvement jusqu'à la bobine enroulant la ceinture. L'une d'une bibliothèque C++ de calcul dynamique de solides rigides existante, Chrono::Engine, permet la simulation de la chaîne cinématique soumise à cette pression. L'outil numérique fournit l'ensemble des paramètres nécessaires aux ressources de calcul et pilote la co-simulation entre ces ressources (programme Scilab de combustion et calcul mécanique Chrono::Engine). L'identification des paramètres des modèles mis en oeuvre nécessite de caractériser expérimentalement le comportement des sous-systèmes, comme le générateur de gaz, et des composants déformables (barre de torsion intégrée dans la chaîne cinématique et ceinture de sécurité). Des dispos tifs d'essais conçus spécifiquement permettent l'identification le comportement de ces composants, soumis à des sollicitations dynamiques. La validation du démonstrateur réalisé en C++ est basée sur la comparaison des résultats des simulations avec les résultats d'essais expérimentaux du système entier l'enrouleur de ceinture. / The simulation of a pyromechanism is a complex task because of its multi-physics intrinsic nature. Consequently, various computing resources are needed to simulate each physical aspect. The goal of this project is to provide a numerical tool able to model a pyromechanism and to interface the different computing resources in order to simulate an equipment. Feasibility of such a tool is illustrated with a specific pyromechanism : pyrotechnic belt retractor. The design of the numerical tool is based on an Object Oriented Approach (OOA) to model both the technological aspects of the pyromechanism and the interfaces with computing resources. The technological OO model is based on “Core Product Model” (CPM) and on “Open Assembly Model” (OAM) of the NIST (National Institute of Standards and Technology). Thanks to CPM-OAM model, any mechanism can be described as a hierarchy of assemblies and parts, linked by associations (connections, kinematic link,...). The full simulation of the pyromechanism requires external computing resources: - a model for simulating a gas generator implemented under Scilab. It computes the pressure produced by the gas generator, coupled with displacement of the mechanical load. - a C++ library for mechanical simulation of rigid bodies : ChronoEngine the response of the mechanical system computed kinematic response under pressure from gas generator. The resulting software provides all parameters needed by these external computing resources and drives the ballistic and mechanical co-simulation. Parameter identifications of models ask for experimental characterization of sub-system, as gas generator and deformable part (torsion bar and safety belt). Experimental devices has been developed for identifying behavioral law under dynamic load. Validation of demonstrator, written in C++, is based on comparison between simulation results and experimental results of the pyrotechnic retractor.

Les fils composites nanostructurés et architecturés cuivre-niobium sont de candidats excellents pour la génération de champs magnétiques intenses (>90T); en effet, ces fils allient une limite élastique élevée et une excellente conductivité électrique. Les fils Cu-Nb multi-échelles sont fabriqués par étirage et empaquetage cumulatif (une technique de déformation plastique sévère), conduisant à une microstructure multi-échelle, architecturée et nanostructurée présentant une texture cristallographique de fibres forte et des formes de grains allongées le long de l'axe du fil. Cette thèse présente une étude compréhensive du comportement électrique et élasto-plastique de ce matériau composite, elle est divisée en trois parties: modélisation multi-échelle électrique, élastique et élasto-plastique. Afin d'étudier le lien entre le comportement effective et la microstructure du fil, plusieurs méthodes d'homogénéisation sont appliquées, qui peuvent être séparées en deux types principaux: la méthode en champs moyens et en champs complets. Comme les spécimens présentent plusieurs échelles caractéristiques, plusieurs étapes de transition d'échelle sont effectuées itérativement de l'échelle de grain à la macro-échelle. L'accord général parmi les réponses de modèle permet de suggérer la meilleure stratégie pour estimer de manière fiable le comportement électrique et élasto-plastique des fils Cu-Nb et économiser le temps de calcul. Enfin, les modèles électriques prouvent bien prédire les données expérimentales anisotopique. De plus, les modèles mécaniques sont aussi validés par les données expérimentales ex-situ et in-situ de diffraction des rayons X/neutrons avec un bon accord. / Nanostructured and architectured copper niobium composite wires are excellent candidates for the generation of intense pulsed magnetic fields (>90T) as they combine both high strength and high electrical conductivity. Multi-scaled Cu-Nb wires are fabricated by accumulative drawing and bundling (a severe plastic deformation technique), leading to a multiscale, architectured and nanostructured microstructure exhibiting a strong fiber crystallographic texture and elongated grain shapes along the wire axis. This thesis presents a comprehensive study of the effective electrical and elasto-plastic behavior of this composite material. It is divided into three parts: electrical, elastic and elasto-plastic multiscale modeling. In order to investigate the link between the effective material behavior and the wire microstructure, several homogenization methods are applied which can be separated into two main types: mean-field and full-field theories. As the specimens exhibit many characteristic scales, several scale transition steps are carried out iteratively from the grain scale to the macro-scale. The general agreement among the model responses allows suggesting the best strategy to estimate reliably the effective electrical and elasto-plastic behavior of Cu-Nb wires and save computational time. The electrical models are demonstrated to predict accurately the anisotropic experimental data. Moreover, the mechanical models are also validated by the available ex-situ and in-situ X-ray/neutron diffraction experimental data with a good agreement.

Les contraintes résiduelles, introduites lors de la fabrication des pièces mécaniques, influent sur leur durée de vie en fatigue et doivent donc être prises en compte. Ce travail vise à développer une méthode de dimensionnement rapide en fatigue oligocyclique permettant leur prise en compte, aussi bien sous chargement de traction que de compression. L’idée principale est de calculer analytiquement le cycle stabilisé uniquement au point critique de la structure à l’aide d’une méthode simplifiée en plasticité confinée. Cette dernière est basée sur une loi de localisation, qui étend les méthodes énergétiques de type Neuber au cas général multiaxial. La loi de localisation permet de relier le chargement appliqué à la structure à celui observé localement au point critique. Elle est calibrée à l’aide d’une simulation éléments finis sous chargement monotone de la structure. Pour cela, le comportement élasto-plastique du matériau est d’abord caractérisé à partir d’un essai de traction avec charges-décharges. A l’aide de ce seul essai, la loi de comportement est identifiée de manière séquentielle, en utilisant des écrouissages cinématique et isotrope à seuil. Ce seuil permet d’améliorer la prévision de la contrainte moyenne stabilisée, utilisée dans le critère de fatigue proposé. Ce dernier a été identifié sur des essais purement alterné (Rε=-1), puis validé pour des chargements de traction alternée (Rε>-1) et de compression alternée (Rε<-1). L’application de la démarche en plasticité confinée est réalisée sur des éprouvettes à double encoche présentant initialement différents états de contraintes résiduelles. L’évolution des contraintes locales sous chargement cyclique nominal de traction répétée (Rσ=0) ou de compression répétée (Rσ=-∞) est mesurée. Cette évolution est ensuite comparée aux prévisions numériques et analytiques obtenues à l’aide de la loi de comportement et de la méthode simplifiée. L’application du critère de fatigue aux données stabilisées prévues par les modèles a permis d’obtenir des durées de vie avec un conservatisme indépendant du rapport de charge et de l’état initial. Enfin, une application de la démarche complète sur des joints soudés en T est réalisée afin d’élargir le spectre d’application de la méthode. / Residual stresses are inherent to the manufacturing processes and can have a strong effect on the fatigue life of structures. Therefore, they shall be taken into account in fatigue design. In this PhD thesis, a fast design method is developed to take residual stresses into account in low cycle fatigue, either under tensile or compressive loadings. The main idea is to calculate analytically the stabilised stress-strain curve, at the critical point, by using a simplified method for confined plasticity. This method is based on a localisation law that extends energetic methods like Neuber to general multiaxial stress states. The localization law links the applied load to the local load at the critical point. It has to be identified on a finite element analysis of the structure under monotonic load. For this purpose, the elasto-plastic behaviour of the material is characterised from one single tensile test with loadings-unloadings. The behaviour law, identified sequentially, includes isotropic and kinematic hardenings with thresholds. This improves the stabilised mean stress prediction, which is used in the proposed fatigue criterion to represent the influence of the load ratio on the fatigue life. This criterion is identified on purely alternated tests (Rε=-1), and then validated under various tensile load ratios (Rε>-1) as well as compressive load ratios (Rε<-1). The methodology is validated on plate specimens with two semi-circular notches, which initially present different residual stresses states. The experimental evolution of local stresses during cyclic compressive (Rσ=-∞) and tensile (Rσ=0) repeated applied loads have been studied experimentally and compared to the numerical and analytical predictions. The same work has been achieved on the fatigue lives predictions. It shows that a slight conservatism, independent from the load ratio and the initial state, is obtained. Finally, an application of the method on T-Joints is realised to enlarge the scope of the method.

Un grand nombre de systèmes thermomécaniques industriels se trouve confronté à des régimes transitoires plus ou moins rapides suivant la fréquence de fonctionnement. L'amélioration de leurs performances nécessite l'utilisation de nouvelles structures du type multimatériaux ou barrière thermique. En effet, ces matériaux peuvent être de type multicouche en associant plusieurs couches rangées de façon à améliorer le comportement mécanique et thermique d’un système ou alors constitués d’un substrat revêtu d’une succession de couches minces obtenues par projection thermique par exemple.Dans un système donné, ces matériaux subissent généralement des sollicitations cycliques qui peuvent être d’origine thermique et/ou mécanique. Il est donc nécessaire de mieux connaître leur comportement thermomécanique en régimes élastique et plastique. Ainsi, l'étude présentée dans ce travail, limitée ici à des conditions périodiques uniquement d’origine thermique, traite de l'évolution de l'endommagement d'un matériau sous une ou plusieurs formes de fatigue thermique.L'origine de la sollicitation imposée provient d'une condition de flux périodique (sous forme d’échelon, de triangle ou de sinus) prenant en compte les pertes par convection. Sur le plan mécanique, le matériau est supposé fixe sur l’une de ses deux extrémités et libre de se déformer sur l’autre. Les contraintes et les déformations mécaniques dans le matériau proviennent essentiellement des différences des coefficients de dilatation thermique et des gradients de température dans le matériau. La nature variable et transitoire du comportement thermique du matériau permet de suivre l’évolution de la distribution des contraintes et des déformations au sein du matériau.L’étude de son endommagement est menée selon les cas, soit sur des modèles établis directement à partir du comportement thermo élastique soit sur des modèles nécessitant l’étude thermo-élastoplastique. Dans les deux cas, comme la plupart des modèles d’endommagement (Lemaître et Chaboche) rencontrés dans la littérature ne sont valides que sur des matériaux uniformes et homogènes, une recherche de matériau équivalent du multi-matériau étudié était nécessaire. L’équivalence entre le matériau réel et le matériau équivalent repose sur un critère d’équivalence thermique. Les modèles étudiés fournissent dans les deux cas, l'évolution de l'endommagement du matériau, en fonction des paramètres géométriques et aussi de la forme des sollicitations thermiques imposées telles que le coefficient d'échange par convection, l’amplitude et la période du flux imposé.Une application de ces modèles sur un exemple de moteur à combustion interne est proposée à la fin de ce mémoire. Elle montre une prédiction du nombre de cycles (durée de vie) du cylindre moteur en fonction des conditions de fonctionnement utilisées. / A great number of industrial thermo-mechanical systems are facing today transitory regimes with different speeds according to the functioning frequencies. Enhancing their performance imposes the use of new materials of different types; multimaterials is a good example. In fact, these new materials may be constituted of different layers where the layers are associated together in a way to enhance the mechanical and thermal behavior of the system. They may be also constituted of a substrate dressed by a succession of slim layers obtained by thermal projection.In a given system, the constituting materials are generally subject to cyclic thermal or mechanical solicitations. It is very important to know at best their thermomechanical behavior in elastic and plastic regimes. Therefore, the study done during this thesis work, limited here uniquely to periodical solicitations resulting from thermal sources, deals with the evolution of the damage of these materials under multiple forms of thermal fatigue in plastic and elastic functioning regimes.The imposed solicitations are obtained from a periodical thermal source (rectangular, triangular and sinusoidal form). The thermal loss resulting from the convection is also considered. On the mechanical side, the material is considered fixed on one of its extremities and free on the other one (subject to strain). The mechanical stress and strain in the material come essentially from the differences between the coefficients of thermal dilation and the gradient of temperature in the material. The transitory and variable thermal behavior of the material permits to track the evolution and the distribution of the stress and strain in the material.The study of the damage is performed according the given case, either using models directly established from the thermomechanical elastic behavior, or using models that need a thermo-elastoplastic study. In the two cases, and because the majority of damage models (Lemaître and Chaboche) seen in the literature are valid and can be applied only to uniform and homogeneous materials, a research of an equivalent material to the studied multi-material was necessary. The equivalency between the real material and the equivalent one is based mainly on thermal equivalent criteria. The study provides in the two cases the damage evolution in the multimaterial function of the geometric parameters, depending on the form of the imposed thermal solicitations such as the heat transfer coefficient, the amplitude, the period and the shape of the imposed thermal flow.An application of these models to an internal combustion engine is proposed at the end of this thesis. It gives a prediction of the number of cycles (lifetime) of the cylinder of the engine depending on the used functioning conditions.

Le travail de ma thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet industriel proposé par une entreprise luxembourgeoise (Gottschol-Alcuilux) et en collaboration avec le Centre de Recherche Public Henry Tudor du Luxembourg (Laboratoire des Technologies Industriels (LTI)). L'objectif consiste à mettre au point une méthode numérique de détermination de la forme des outils d'emboutissage et du flan de pièces de précision en tôlerie fine pour que ce dernier, une fois déformé en une ou plusieurs opérations, correspond à la définition tridimensionnelle du cahier des charges. La méthode a pour objectif de remplacer une démarche expérimentale coûteuse par essais–erreur. <br /><br />Deux démarches numériques ont été développées, la première est relative à la détermination de la forme du flan. Elle consiste à estimer la forme du flan par Approche Inverse en partant de la forme 3D demandée. Puis, un logiciel de simulation incrémental par éléments finis en 3D est utilisé dans une procédure d'optimisation heuristique pour déterminer la forme du flan. Dans la deuxième démarche, il s'agit de déterminer la forme des outils d'emboutissage en utilisant le logiciel de simulation incrémental couplé avec une méthode de compensation du retour élastique en 2D. La démarche numérique est validée expérimentalement dans le cas d'un emboutissage réalisé en une ou plusieurs passes, à l'aide d'une presse manuelle, sans serre flan et avec des outils de forme très complexe.