On propose dans ce travail des modélisations numériques globales et locale pour l'analyse des structures multicouches. Dans la première partie du mémoire, nous construisons un nouveau modèle monocouche équivalente destiné à l'analyse globale des multicouches épais, notamment des structures sandwich. Les équations du modèle sont de type Reyssner-Mindlin avec précontraintes. Ces précontraintes sont déterminées itérativement en partant d'une solution classique. Le modèle est ensuite implémenté dans le code éléments finis ABAQUS en développant un programme post-processeur pour le calcul itératif. La validité du système est testée sur différents exemples en comparant avec les solutions exactes et les calculs EF. Dans la seconde partie de la thèse, un nouvel élément fini de plaque basé sur le modèle M4 (Modèles Multiparticulaires des Matériaux Multicouches) du LAMI-ENPC est formulé pour l'analyse locale des contraintes interlaminaires. Cet élément quadrilataire à 8 noeuds est de continuité C° et possède 5n d.l.l par noeud (n étant le nombre de couches). Les contraintes interlaminaires sont déterminées directement à partir des équations constitutives du modèle en évitant des calculs supplémentaires. Un programme EF est développé pour l'implémentation de cet élément multiparticulaire. Le code EF obtenu est validé puis appliqué à l'étude des problèmes de bord libre. Finalement un exemple d'application de la stratégie d'analyse globale-locale est présenté en utilisant les modèles EF proposés dans cette thèse.

Le soudage est un moyen d'assemblage très utilisé dans l'industrie. Disposer d'un logiciel de simulation permettrait d'évaluer les contraintes résiduelles et d'obtenir des informations sur la microstructure du joint de soudure, nécessaires à l'analyse de sa tenue mécanique; mais aussi d'évaluer la faisabilité du procédé pour la réalisation de pièces complexes et d'optimiser les séquences de soudage pour minimiser les défauts. Cette thèse porte sur le développement d'un outil de simulation numérique du soudage à l'arc des aciers. Après avoir décrit le contexte tant industriel que bibliographique de ce travail, nous précisons les différents modèles implémentés dans le code de calcul TransWeld (le logiciel développé au CEMEF dans le cadre de ce travail). La description des équations macroscopiques employées est suivie de leur mise en œuvre numérique. Nous abordons ensuite la théorie du remaillage adaptatif et nous décrivons les éléments essentiels de la stratégie de remaillage développée dans le cadre de cette thèse. Ensuite, nous présentons les méthodes développées pour la modélisation de l'apport de métal et de la formation du cordon de soudage. Des simulations numériques conformes aux essais sont réalisées. L'analyse comparative entre résultats expérimentaux et numériques permet de juger de l'aptitude du code de calcul à prédire l'état thermomécanique et métallurgique de la structure soudée. Les limitations de notre modélisation et les phénomènes qu'elle a permis de mettre en évidence sont enfin discutés et permettent de définir quelques orientations intéressantes pour les développement futur de cette modélisation.

On étudie une approche de type multimécanimes intermédiaire entre deux classes de modèles: les modèles micromécaniques et les modèles macroscopiques. Le but visé par l'application de ces modèles est d'essayer de reproduire simultanément les phénomènes les plus classiques au sens du comportement des matériaux, mais aussi de faire en sorte que les éléments du comportement généralement moins bien décrits soient également pris en compte. Le couplage entre les variables cinématiques des différents mécanismes permet de décrire: (1) l'effet normal à la vitesse de chargement et l'effet inverse à cette vitesse, (2) l'interaction entre plasticité et fluage, (3) du rochet à haute contrainte moyenne et de l'accommodation ou de l'adaptation quand cette contrainte est moins élevée. Par ailleurs, on s'est intéressé à une méthode d'intégration numérique pour minimiser les temps de calcul dans l'analyse de structures viscoplastique sous chargements cycliques par la méthode des EF. Cette méthode dite de sauts de cycles, est basée sur des pas de calcul qui se chiffrent en nombre de cycles. Cet algorithme a été appliqué à des exemples industriels complexes. La méthode de sauts de cycles permet une diminution du temps de calcul d'un facteur 2 à 10. Enfin on s'est intéressé à l'étude de problèmes d'optimisation. Des exemples ont été traités : l'optimisation de forme et l'optimisation de matériau. La méthodologie qu'on a adoptée consiste à utiliser deux logiciels différents dans leur version standard. Le premier logiciel est le code de calcul par éléments finis 2ebulon, et la deuxième est le code d'identification de paramètres Sidolo. Ce dernier est destiné initialement à identifier des paramètres de modèles physique sur des expériences réelles. Les expériences, dans la procédure d'identification, sont remplacées, dans le cas de l'optimisation, par des objectifs à atteindre selon des critères donnés.

La première étape de ce travail a consisté à établir, développer et valider un modèle performant pour modéliser les procédés de chauffage par induction, que ce soit en préchauffe ou pour des traitements thermiques. Ce procédé est complexe de par sa nature multi-physique et nécessite le couplage entre des modèles :<br/>- électromagnétique, - thermique, - éventuellement thermo-mécanique.<br/>Le choix du modèle électromagnétique est primordial. De nombreuses approximations basées sur des hypothèses plus ou moins fortes existent.<br/>Nous avons seulement utilisé l'approximation des régimes quasi-permanents. Nous avons vu que cette première approximation, qui revient à négliger le phénomène de propagation des ondes, est valable dans la gamme de fréquences utilisée lors des procédés de chauffage par induction, les plus hautes fréquences étant largement inférieures au mégahertz. La propagation des ondes est alors considérée comme instantanée, ce qui au vu de la taille caractéristique des installations (quelques mètres) par rapport à la célérité de la lumière (3.105 m/s) est tout à fait raisonnable.<br/>En revanche, nous avons choisi d'écarter l'approximation harmonique des champs électromagnétiques. Cette approximation découple les évolutions spatiales et temporelles du champ et revient à calculer une amplitude complexe pour le champ électromagnétique à partir d'une équation stationnaire. L'avantage d'une telle approximation est le gain souvent important en temps de calcul. Seulement, on perd une précision importante sur l'évolution temporelle et sur la déformation des champs électromagnétiques lorsqu'il s'agit d'un matériau ferromagnétique. En effet, les harmoniques secondaires ne sont pas prises en compte. Afin de pouvoir représenter les phénomènes physiques le plus réellement possible, le modèle électromagnétique utilisé est dépendant du temps. Néanmoins, afin de n'être pas trop pénalisant en temps de calcul, des compromis entre la précision des calculs et le temps de calcul nécessaire ont été étudiés. Ils se situent au niveau :<br/>- du nombre de calculs électromagnétiques nécessaires pour bien décrire l'évolution temporelle d'une période électromagnétique, du nombre de périodes électromagnétiques nécessaires pour arriver à une solution stable,<br/>du nombre de calculs électromagnétiques complets nécessaires au cours de l'évolution du champ de température.<br/>Ces points importants, ainsi que des échelles de temps caractéristiques électromagnétiques et thermiques présentant un rapport allant de 10-2 à 10-6 ont nécessité la mise en place d'un couplage faible, basé sur la stabilisation du terme de puissance Joule moyennée sur une période électromagnétique ainsi que sur la stabilisation des paramètres électromagnétiques au cours de la montée en température.<br/>La méthode numérique employée, de type éléments finis, est fiable et robuste. Néanmoins, elle nécessite une bonne compréhension des phénomènes physiques électromagnétiques inhérents au procédé. En effet, modéliser un espace ouvert par une méthode éléments finis nécessite la fermeture du domaine et l'imposition de conditions aux limites artificielles. L'utilisateur doit estimer la taille du domaine étudié qui doit être assez grand pour ne pas venir tronquer les lignes du champ électromagnétique et ainsi les modifier. Son avantage par rapport à une méthode mixte est que la matrice du système est creuse et symétrique. La résolution du problème est facilitée et se prête mieux à des développements en calcul parallèle.<br/>Enfin, une nouvelle stratégie a été développée pour simuler le déplacement de l'inducteur : ses propriétés se déplacent virtuellement dans l'air. Cette méthode a donné de très bons résultats et ne nécessite aucun remaillage.<br/>Les perspectives de recherche sont multiples.<br/>Au niveau des données, le modèle accepte actuellement une tension ou une densité de courant source uniforme dans l'inducteur. Suite à un calcul électromagnétique complet, la répartition de courants est connue dans l'inducteur et permet une évaluation de l'intensité réelle circulant dans les spires. Il serait intéressant de mettre au point un outil de transfert des données électrotechniques vers nos paramètres d'entrées.<br/>Un autre point, plus académique, serait d'effectuer des comparaisons pour des matériaux ferromagnétiques entre un modèle harmonique et le nôtre, dépendant en temps. En effet nous avons vu que ces deux modèles donnent des solutions identiques pour des matériaux amagnétiques. Tout l'intérêt de notre modèle dépendant en temps apparaît par son analyse beaucoup plus riche des matériaux non linéaires. Nous avons vu que le signal périodique peut être grandement déformé et ne ressemble alors plus du tout à une sinusoïde. Néanmoins, il n'est pas forcément évident que la puissance Joule, issue du calcul électromagnétique et obtenue par intégration sur une période électromagnétique, soit très différente de celle obtenue par une analyse harmonique. Cette différence serait très intéressante à quantifier.<br/>Enfin des comparaisons entre les méthodes numériques 'tout' éléments finis et mixtes permettraient de quantifier la précision des méthodes suivant les tailles des éléments finis, les tailles du domaine de fermeture, ainsi que les différences en temps de calculs.<br/>Un autre axe de ce travail a consisté à étudier et à implémenter une stratégie de parallélisation du modèle direct et de la procédure d'optimisation. Nous avons commencé par tester des solveurs itératifs préconditionnés sur nos différents modèles de type parabolique. Ceux ci donnant des résultats satisfaisants par rapport notamment à un solveur direct, nous avons pu nous orienter vers une méthode de parallélisation SPMD de type partitionnement de domaine. Cette méthode, simple et efficace, donne de très bons résultats au niveau du modèle direct, avec une bonne efficacité et une bonne scalabilité.<br/>La parallélisation de l'optimisation montre une efficacité convenable sur deux et quatre processeurs mais qui tend à chuter rapidement avec le nombre de processeurs: la scalabilité est relativement moyenne. Ce problème fait apparaître une thématique de recherche intéressante en calcul parallèle appliqué aux méthodes adjointes: améliorer la scalabilité de l'optimisation parallèle en développant une meilleure stratégie d'accès aux données, en rééquilibrant les données stockées et les données à recalculer.<br/>Enfin les perspectives à plus long terme consisteraient à développer un modèle analogue tridimensionnel.<br/>

Ce travail porte sur la simulation numérique par éléments finis, d'écoulements tridimensionnels incompressibles à surface libre instationnaires. L'application industrielle visée est l'étude de la phase de remplissage des procédés de fonderie. Il consiste principalement en l'adaptation du logiciel REM3D® qui est un logiciel initialement dédié à l'injection des polymères. Les méthodes présentes dans ce code permettent de résoudre les écoulements visqueux à surface libre, dans une approche multidomaine. La résolution directe d'un problème de Navier-Stokes est effectuée en introduisant, dans le solveur initial, les termes de gravité et d'inertie. Ces derniers sont exprimés à l'aide d'une approximation P1 par morceaux de la vitesse, et de la vitesse moyenne par élément, qui est P0 par morceaux : les termes d'advection sont exprimés par une méthode Galerkin discontinu standard. Le problème en vitesse/pression est stabilisé par condensation de bulle. Cette méthode a été testée sur plusieurs cas académiques, pour des écoulements stationnaires et instationnaires, avec suivi de la surface libre. Enfin, afin de pouvoir simuler les écoulements rencontrés en fonderie, des conditions de contact glissant ont été introduites. Un algorithme original de construction de normales multiples conservatives aux nœuds a été implémenté et validé, dans un contexte multidomaine. Le logiciel de simulation ainsi construit, a été validé sur des cas tests spécialement mis au point pour la fonderie, et en thermique multidomaine.

Ce travail présente une nouvelle méthode de prédiction de l'effondrement d'un terrain minier suite à une exploitation intensive. L'approche développée a été appliquée pour le cas de la concession de Drouville, appartenant à la Compagnie des Salins du Midi et des Salines de l'Est.<br/>Le gisement y était exploité par cavités de dissolution interconnectées par facturation hydraulique. Des développements incontrôlés de la dissolution ont abouti à la jonction de deux cavités voisines et à la formation d'une grande cavité SG4/5 dont l'effondrement a été provoqué pour des raisons de sécurité.<br/>La rétro-analyse de cet effondrement a été le point de départ de la recherche qui est présentée, dont l'objectif final était la mise au point d'une méthode d'exploitation sûre permettant de récupérer la plus grande partie du gisement sans risquer d'évolution ultérieure.<br/>Afin d'atteindre det objectif, nous avons utilisé la méthodes des éléments finis pour résoudre le problème mécanique.<br/>Le modèle développé intègre des lois rhéologiques décrivant le comportement des matériaux rencontrés. Les paramètres de ces lois ont été obtenus par rétro-analyse directe (méthode d'essai et d'erreur / méthode de minimisation d'erreur).<br/>L'application du modèle pour des simulations bidimensionnelles et tridimensionnelles nous a permis d'identifier les zones de forte plastification et de rupture. De plus, il nous a été possible d'anticiper la réaction du massif rocheux durant le processus d'effondrement.<br/>En utilisant cette technique conjointement avec une analyse détaillée du comportement mécanique du massif, une nouvelle méthode d'exploitation intensive par élargissement progressif de la zone d'effondrement a été proposée.

La simulation numérique des procédés de mise en forme joue un rôle important lors de la conception des gammes d'outils. Dans ce travail, nous utilisons la simulation éléments finis afin d'optimiser automatiquement les formes des outils de forgeage à chaud, par une approche de type inverse. Cette méthode a été appliquée à des gammes en deux passes, à symétrie axiale. Les outils à optimiser sont décrits par des courbes b_splines. Les problèmes majeurs de conception sont abordés: défaut de repli et d'aspiration, remplissage complet de la matrice de finition et amélioration des caractéristiques métallurgiques de la pièce forgée. Les solutions sont déterminées par l'utilisation d'algorithmes de quasi-newton, avec ou sans contrainte. Les dérivées des fonctions coût, par rapport aux paramètres de forme, sont obtenues par différentiation des équations discrètes régissant le problème de mise en forme. La méthode ainsi développée pour l'analyse de sensibilité tient compte de l'instationnarité du procédé et du caractère évolutif du contact. Le logiciel ainsi mis en œuvre a été appliqué à plusieurs problèmes industriels d'optimisation de forme d'outil.

La compréhension du comportement des structures en maçonneries exposées au feu et la prédiction de leur résistance au feu, sont des besoins majeurs, exprimes par les industriels de la terre cuite, à cause du manque d'études disponibles. L'objectif de ce travail est de construire des outils numériques qui sont capables de prédire le comportement et la tenue au feu des murs de briques alvéolaires en terre cuite, porteurs ou non porteurs, montes avec joints épais en mortier traditionnel ou avec joints minces en mortier colle. Pour cela, des investigations expérimentales à l'échelle de matériau et à l'échelle structurale sont menées permettant de comprendre les phénomènes thermo-hygro-mécaniques contrôlant la tenue au feu. Ces phénomènes majeurs sont par la suite pris en compte dans la construction de modèles de comportement, dont la mise en oeuvre numérique permet de disposer d'un outil de simulation de la tenue au feu des maçonneries. Pour le problème thermique, les trois modes de transferts : conduction, convection et rayonnement, avec l'ajustement de l'effet hydrique dans la capacité thermique, permettent de simuler la réponse thermo-hydrique dans la structure alvéolaire en terre cuite. Sur le plan mécanique, la tenue au feu des murs en maçonnerie est abordée du point de vue du risque d'écaillage. Cette rupture, localisée ou diffuse, des parois peut conduire à une perte d'étanchéité du mur ou à celle de son intégrité mécanique. Pour évaluer ce risque, une modélisation thermo-élastique tridimensionnelle est proposée avec la prise en compte de l'évolution des propriétés avec la température. Cette modélisation simplifiée est complétée à un critère d'écaillage de type détachement-voilement. En parallèle avec des calculs de validations, des études paramétriques sont menées afin d'identifier les influences des paramètres thermiques, mécaniques sur le comportement thermo-mécanique des murs

Dans ce travail de thèse, une méthode d’identification inverse des propriétés mécaniques du matériau viscoélastique (module de cisaillement et facteur de perte) fonctionnalisé dans une structure sandwich à trois couches symétriques est proposée. L’objectif de ce travail est de pouvoir identifier les propriétés mécaniques in situ. A travers un modèle éléments finis basé sur le modèle Zig-Zag de Rao, notre modèle assure la détermination des paramètres modaux de la poutre sandwich. L'approche inverse consiste en une procédure itérative qui détermine les formes de mode étant donné les paramètres matériaux puis calcule les propriétés viscoélastiques à partir des modes en utilisant un quotient de Rayleigh jusqu'à ce que la convergence sur les propriétés du matériau soit satisfaite. Les paramètres d’entrée du modèle inverse sont les fréquences de résonance et facteurs de perte de la poutre sandwich obtenues expérimentalement. En conséquence, la dépendance en fréquence des propriétés du matériau viscoélastique de la poutre sandwich est déterminée par une démarche automatisée. La méthode a été comparée avec succès aux formules de Ross-Kerwin-Ungar ; à une approche d'optimisation standard et à la littérature. A partir des résultats, nous avons pu déduire les lois de comportement du cœur viscoélastique suivant des modèles rhéologique tels que le modèle de Maxwell généralisé, d’ADF, de GHM et du Zéner fractionnaire. Ce dispositif expérimental couplé à la méthode d’indentification a permis l’investigation des paramètres modaux de la poutre à différentes températures pour étudier l’effet de la température sur les lois rhéologiques. Pour étudier la robustesse de notre méthode, nous avons procédé des essais de reproductibilité, de reproductibilité sur une population d’échantillon. L’efficacité de notre méthode étant été prouvée, une étude de sensibilité a été menée sur les caractéristiques géométriques de notre structure et les paramètres d’entrée. Les résultats obtenus montrent le fort impact de certains paramètres sur l’identification / In this work, a inverse identification method of the mechanical properties of the viscoelastic material (shear modulus and loss factor) functionalized in a sandwich structure with three symmetrical layers is proposed. The objective of this work is to be able to identify the mechanical properties in situ. Through a finite element model based on Rao's Zig-Zag model, our model ensures the modal parameter determination of the sandwich beam. The inverse approach consists of an iterative procedure that determines the mode shapes given the material parameters and then calculates the viscoelastic properties from the modes using a Rayleigh quotient until convergence on the properties of the material is satisfied. The input parameters of the inverse model are the resonance frequencies and loss factors of the sandwich beam obtained experimentally. As a result, the frequency dependence of the viscoelastic properties of the sandwich beam is determined by an automated way. The method has been successfully compared to Ross-Kerwin-Ungar formulas; a standard optimization approach and the literature. From the results, we have been able to deduce the constitutive laws of the viscoelastic heart according to rheological models such as the generalized Maxwell model, ADF, GHM and fractional Zener. This experimental device coupled to the method of identification allowed the investigation of modal parameters of the beam at different temperatures to study the effect of the temperature on the rheological laws. To study the robustness of our method, we carried out tests repeatability, reproducibility on a sample population. Since the effectiveness of our method has been proven, a sensitivity study has been carried out on the geometrical characteristics of our structure and the input parameters. The results obtained show the strong impact of certain parameters on identification

Dans la première partie, on fait une approche du verrouillage en élasticité non linéaire. Nous étudions déplacements d'une coque cylindrique peu profonde de longueur infinie. Sous des hypothèses raisonnables on peut supposer que le problème est modélisé par une arche circulaire soumise à une pression F. On montre comment calculer analytiquement, toutes ses solutions, moyennant une paramétrisation des solutions. On donne deux critères pour mettre en évidence le phénomène de verrouillage en élasticité non linéaire ; le premier est basé sur l'utilisation d'une abscisse curviligne sur les branches de solutions, et le second sur la résolution d'un problème de minimisation en utilisant l'inverse de Moore-Penrose. Après avoir retenu le critère de Moore-Penrose, pour caractériser le verrouillage en non linéaire, nous avons approché le problème par une méthode d'éléments finis, combinée à la méthode de Moore-Penrose. Ceci nous a permis d'établir différents diagrammes de convergence montrant le phénomène de verrouillage et l'efficacité des méthodes à le traiter. Dans la deuxième partie, on étudie le flambage d'une coque cylindrique verticale, soumise à un champ de forces volumiques de densité f et en sa partie supérieure, soumise à une densité de forces surfaciques λ. Nous utilisons un modèle de coques minces élastiques, en théorie non linéaire, en se référant aux travaux de Koiter (1966). On s'intéresse uniquement aux solutions axisymétriques de ce modèle. On montre l'existence de solution pour toute valeur des charges et on donne une condition suffisante d'unicité. On fait une étude détaillée de la bifurcation de ce problème. Cette étude qualitative est complétée par une étude quantitative