No description available.

Ce travail de thèse a pour but de contribuer à l'étude du comportement thermomécanique des matériaux métalliques soumis à un impact balistique. Des études expérimentales, analytiques et numériques ont été réalisées pour analyser en détail le processus de perforation. Deux matériaux ont été étudiés au cours de ce travail : un acier doux ES et un acier IF. Dans un premier temps, des essais de caractérisation mécanique (traction et compression quasi-statique et dynamique) ont été réalisés en vue de la modélisation du comportement mécanique des matériaux étudiés. Les résultats montrent que l'acier doux ES et l'acier IF sont très sensibles à la vitesse de déformation. Deux modèles constitutifs, l'un empirique (Johnson-Cook) et l'autre semi-physique (Rusinek-Klepaczko) ont été utilisés pour modéliser le comportement thermoviscoplastique des matériaux. Une identification complète des constantes définissant les deux modèles a été réalisée pour chaque matériau en vue de l'implémentation des lois dans un code éléments finis pour la simulation numérique des essais d'impact et de perforation. Le comportement à l'impact des matériaux a ensuite été étudié. Les essais d'impact et de perforation ont été réalisés à l'aide d'un canon à gaz. L'influence de la géométrie du projectile, des propriétés mécaniques du matériau le constituant, de l'épaisseur de la cible et de sa configuration (sandwich ou monolithique) sur le processus de perforation a été analysée. Les résultats montrent que le mode de rupture, la limite balistique et la capacité d'absorption d'énergie de la cible métallique sont fortement liés à la forme du projectile utilisé. Il a été montré que les cibles métalliques monolithiques résistent mieux à la perforation que les configurations sandwichs (épaisseur totale inférieure ou égale à 4 mm). En outre, il a été trouvé que la limite balistique de la cible est fortement influencée par la rigidité du projectile utilisé. Enfin un modèle EF 3D a été développé permettant de simuler le comportement mécanique des cibles métalliques soumises à l'impact et à la perforation. Les résultats issus des prévisions numériques ont été comparés aux résultats expérimentaux. Il a été observé de façon globale un bon accord entre les prévisions numériques et l'expérience notamment en termes de courbes balistiques, d'énergie absorbée, de modes de rupture et de temps de rupture pour chaque type de projectile. Les résultats numériques montrent l'importance d'une description précise du comportement des matériaux dans les conditions dynamiques basée sur des expériences de laboratoire incluant les effets d'adoucissement thermique, d'écrouissage et de sensibilité à la vitesse de déformation, dans la modélisation numérique de processus physiques / This thesis aims to contribute to the study of the thermo-mechanical behaviour of metallic materials subjected to ballistic impact. Experimental, analytical and numerical studies were performed to analyze in details the process of perforation. Two materials have been investigated in this work : mild steel ES and IF steel. As a first step, mechanical characterization tests (tensile and compression tests under quasi-static and dynamic conditions) As have been made towards to modeling the mechanical behaviour of the materials studied. The results show that mild steel ES and IF steel are highly susceptible to the strain rate. Two constitutive equations, one empirical (Johnson-Cook) and other semi-physical (Rusinek-Klepaczko) were used to model the thermoviscoplastic behaviour of materials. A complete identification of constants defining the two models was carried out for each material in order to implements the constitutive laws into a finite element code for the numerical simulation of impact and perforation tests. The behaviour of materials under impact was then examined. The effect of the projectile shape, the mechanical properties of the projectile material, the target thickness and it is configuration (monolithic or sandwich) on the perforation process was analyzed. The results show that the failure mode, the ballistic limit and the energy absorption power of the metal target are strongly related to the shape of the projectile used. It has been shown that the monolithic targets plates are more strong to be perforate than the sandwich configurations (total thickness less than or equal to 4 mm). In addition, it was found that the ballistic limit of the target is strongly influenced by the rigidity of the projectile used. Finally, a 3D FE model was developed to simulate the mechanical behaviour of metal targets subjected to ballistic impact. The results from the numerical predictions were compared with experiments. It has been observed globally a good agreement between the numerical predictions and experiments especially in terms of ballistic curves, energy absorbed, failure modes and failure time for each kind of projectile. The numerical results show the importance of an accurate description of materials behaviour under dynamic conditions based on laboratory experiments including thermal softening effects, strain hardening and strain rate sensitivity in numerical modeling of physical processes

Reliability of integrated circuit (IC) packages is in great demand for the automotive industry, as they are used in almost every electronic components. IC packages consist of essentially molding compound (MC), lead frame (LF), adhesive and a silicon chip. The elastic mismatch between the components makes the interfaces susceptible to crack initiation, propagation and eventual failure. The main reason of the failure is the thermo-mechanical cycles during the service time. This work presents the robustness estimation and the reliability based robustness improvement of an IC package by minimization of both crack driving force and its standard deviation at the MC and the LF interface with respect to the fatigue fracture toughness. The robustness evaluation and robust design optimization were performed by taking the uncertainty in geometrical parameters into account. Evidently, there are more robust and reliable designs than the current design which have less crack driving force and show less variation. In order to quantify the reliability with respect to the variation of the crack driving force, the fatigue fracture toughness of the interface was characterized under isothermal conditions at 25 ◦C and −40 ◦C with a three point bending test apparatus. The interface characterizations at low temperatures like −40 ◦C is a main concern due to large stress generation during the reliability tests. After then, a test methodology was prepared to validate the fatigue fracture toughness of the interface in the package level. Artificial cracks were introduced at the MC-LF interface in IC packages to predict the crack growth under thermal cycling over a temperature range of −50 ◦C to 150 ◦C. A prediction quality assisted to validate, whether the fatigue fracture toughness, which was obtained mechanically under isothermal conditions, could be used to predict the crack growth in the IC package under thermo-mechanical cycles. Material characterization of the MC and the LF was performed to acquire the fatigue fracture toughness and the crack length by the compliance calibration method as accurate as possible. The mechanical modeling of both materials was accomplished with elasticity plus plasticity at the room temperature. Then the material models were verified by using the behavior of the bi-material structure under three point bending. As the numerical simulations were used to calculate the fracture toughness, this thesis also presents a comparison between the methods in the literature by using finite element simulations. The results were compared with the analytic solution according to their accuracy, ease of implementation and mesh independence. Simultaneously, various crack tip elements were analyzed in contrast considering their capability of fracture toughness calculation. The analyses were included different fracture mechanical concepts from linear elastic to elastic plastic fracture mechanics. The comparison led to a more convenient method and crack tip element preference for the interface characterization.

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.

Le squat est un défaut de fatigue de contact apparaissant à la surface du rail et dont le mécanisme d’amorçage est mal compris. Afin de pallier ce manque, une analyse tribologique locale de la bande de roulement du rail est mise en oeuvre à proximité d’un squat naissant. Cette caractérisation révèle une anisotropie importante des couches superficielles du rail associée aux développements de Transformations Tribologiques Superficielles. Ces résultats témoignent de conditions de contact roue/rail particulières dans la zone d’étude, notamment d’un niveau d’efforts de cisaillement inhabituel pour une voie en alignement. Dans le but de valider ces observations, plusieurs essais sont effectués. D’une part les conditions de contact roue/rail dans une zone de squats sont mesurées à partir d’un train instrumenté. D’autre part, la réponse tribologique de l’acier à rail à ces conditions de contact est étudiée à travers le suivi régulier d’une zone d’essais soumise à la circulation ferroviaire. Ces essais permettent d’identifier un déséquilibre important des efforts de traction sur les bogies moteurs et des glissements locaux élevés de la roue sur le rail. Différents mécanismes d’amorçage thermo-mécaniques sont alors proposés au sein d’un schéma global de la réponse tribologique de l’acier à rail. / Squats have recently become recognised as one of the major rolling contact fatigue defects in modern railway networks for which there is currently no solution other than preventive grinding operations or costly rail renewal. To better understand the entire damage mechanism of squat, A tribological and metallurgical analysis of the rolling band and the near surface layer was performed close to an incipient squat. This characterization show a significant anisotropy of the rail surface layer associated with developments of Tribological Transformation of Surface. These results reflect some specific wheel/rail contact conditions in this squat area, including an unusual level of shear forces in a straight track. In order to validate this observations, two tests were performed. On the one hand, the contact conditions in a squat area were measured from an instrumented train. On the other hand, the tribological response of the rail steel was studied through regular monitoring of a test site subjected to railway traffic. These tests allow to identify a high imbalance of the traction forces and the presence of local slips at the wheel/rail interface. Several thermomechanical initiation mechanism of squats are then given in a overall diagram of the tribological response of rail steels.

La tenue des surfaces des contacts rugueux roulants est un problème crucial l’évaluation de la durée de vie des mécanismes. Cette durée de vie est conditionnée dès les premiers cycles par le rodage puis par les mécanismes de fatigue des surfaces. Le rodage est défini par le temps nécessaire à l’accommodation géométrique des surfaces rugueuses entre elles, à l’interface du contact. La charge transmise sur une faible aire de contact par rapport à l’aire apparente, crée des pressions importantes qui induisent de fortes contraintes en couche superficielle et des déformations plastiques de la microgéométrie. Cette plastification a lieu dans les tous premiers cycles puis la surface se stabilise, c’est le rodage. La répétition cyclique des sollicitations au cours du fonctionnement conduit enfin à l’endommagement du matériau et des avaries en surface telles que des micro-écailles. Après une étude bibliographique sur le contact roulant rugueux et les dispositifs expérimentaux existants, la difficulté de ce type d’analyse est mise en évidence. Elle consiste à effectuer un suivi en continu de l’évolution de l’état de surface du contact à une échelle suffisamment fine et précise. Une micromachine bi-disque a été développée afin de réaliser ce suivi quasi "in-situ" à l’échelle des rugosités permettant d’identifier les mécanismes de rodage et de dégradation. Un protocole expérimental précis permet de mesurer les surfaces antagonistes dans les premiers cycles correspondant au rodage. Les surfaces vierges mesurées sont utilisées comme paramètre d’entrée d’une simulation numérique du contact rugueux d’une sphère sur un plan. La déformée de surface numériquement obtenue à l’état stabilisé est comparée à celle mesurée expérimentalement à la fin du rodage. La très bonne superposition de ces résultats permet de valider cette méthode et les résultats numériques tels que les contraintes résiduelles et déformations plastiques. Les surfaces à l’état stabilisé obtenues, sont exploitées à travers différents critères de fatigue multiaxiaux. Les résultats numériques sont également comparés aux observations expérimentales pour déterminer le critère le plus adapté à cette analyse et permettant d’expliquer la formation de fissures et d’avaries de surfaces. / The surface life of rolling rough contacts is an important problem in the evaluation of the life expectancy of a machine. This life span is conditioned by the first cycles of the running-in process and then by the surface fatigue. The running-in period is defined by the time necessary for the rough surfaces to accommodate. The real area of contact is small compared with the apparent area, hence the load creates important pressures which lead to important stresses in the superficial layer and to plastic deformation of the microgeometry. The plastic deformation takes place over the first cycles then the surface stabilizes, this is the end of running-in process. The repeated cyclic loading finally leads to material damage below the surface and to surface micropitting. After a bibliographical study on the rough rolling contact and the existing experimental test machines, the difficulty of analysing the roughness evolution is pointed out. It requires a precise, continuous monitoring of the contact surface evolution on a small enough scale. A two-disk micro-machine was developed to perform this almost "in situ" monitoring at the roughnesses scale, allowing one to identify the mechanisms of running-in and surface degradation. An accurate experimental protocol allows one to measure the opposing surfaces in the first cycles corresponding to the running-in period. The initial surfaces are used as entrance parameters for a numerical simulation of the rough contact of a sphere on a plane. The deformed surface numerically obtained in the stabilized state is compared with the measured one at the end of the running-in period. The very good agreement between these results allows one to validate this method and the numerical results such as the residual stresses and the plastic deformation. Different multiaxial fatigue criteria are applied to the numerical results obtained in the stabilized state. The results are compared to the experimental observations to determine the criterion that is the most suited for this analysis and allows one to explain the crack formation and surfaces damage.

La mousse flexible de polyuréthane est couramment utilisée dans nombreuses applications telles que acoustiques, thermiques et de bâtiment grâce à sa faible densité et à son pouvoir d’isolation thermique et acoustique. Elle est également utilisée dans les applications de confort pour les sièges tels que véhicule, train, avion etc. grâce sa faible raideur et à son pouvoir à absorber l’énergie de déformation. Pour optimiser le confort des systèmes d’assise, il est nécessaire de modéliser le siège et en particulier la partie flexible, c’est-à-dire la mousse de polyuréthane. Les objectifs principaux de cette thèse consistent à identifier puis à modéliser le comportement quasi-statique de la mousse de polyuréthane sous différentes conditions d’essais sous grandes déformations. Des essais de compression/décompressions unidirectionnels monocycle et multicycle à différentes vitesses de déformations ont été réalisés sur trois types de mousse de polyuréthane, afin de comprendre le comportement du matériau. Ces essais ont permis de déduire que les mousses de polyuréthanes sous grandes déformations présentent à la fois un comportement hyperélastique et un comportement viscoélastique. Ils ont également montrés que les mousses de polyuréthanes présentent un phénomène d’assouplissement appelé ‘effet de Mullins’ lors que les essais de compression/décompressions multicycle, c’est-à-dire que les contraintes dans 1er cycle sont moins faibles que les contraintes dans les cycles suivants pour une même déformation. Sur la base des résultats d’expérimentaux et afin de modéliser le comportement quasi-statique de la mousse de polyuréthanne, nous avons développé trois modèles visco-hyperélastiques qui se composent de deux éléments à savoir la partie modèles énergétiques hyperélastiques, utilisés généralement pour des matériaux à comportement caoutchoutique, et la partie modèle à mémoire entier qui tient compte de l’historique et permettant de décrire le comportement viscoélastique. Les paramètres des modèles ont été identifiés en utilisant la méthode d’identification et la méthode d’optimisation appropriée. Les résultats des modélisations du comportement mécanique de la mousse sur les essais monocycles et multicycles ont été comparés aux résultats expérimentaux, monteront à la fois une très bonne capacité à simuler le 1er cycle de charge/décharge, ainsi que les cycles suivant. Nos modèles ont prouvé leur capacité à modéliser l’effet de Mullins sur les mousses de polyuréthane souple. Ces modèles ont été validés sur les trois types de mousse et pour trois vitesses de sollicitation, permettent de conclure leurs efficacités et de leurs représentativités. / Flexible polyurethane foam is widely used in numerous applications such as acoustic, thermal and building due to its low density and its ability to absorb thermal and acoustic energy. It is also used for the comfort of the seats such as the vehicle, train, plane due to its low stiffness and its ability to absorb deformation energy. In order to optimize the comfort of the car seat, it is necessary to model the behavior of seat system, particularly the flexible component - polyurethane foam. The main objective of this study is to identify and model the quasi-static behavior of polyurethane foam under different test conditions in large deformations. Compression / decompression uniaxial unicycle and multicycle tests were carried out on three types of polyurethane foam at different strain rates, which allows us to understand the behavior of the material. The results of the tests indicate that the polyurethane foams exhibit a hyperelastic behavior and a viscoelastic behavior under large deformations. They also showed that the polyurethane foams have a stress softening phenomenon which is called 'Mullins effect' during the compression / decompression multicycle tests. In other words, the stress in first cycle is lower than the stresses in the subsequent cycles in the same deformation. ‘Mullins effect’ for the polyurethane foam is also an important study in this dissertation. Based on the experimental results and the goal of modeling quasi-static behavior of the polyurethane foam, three visco-hyperelastic models were developed. These models consist in two elements: hyperelastic models, which is normally used for description the behavior of rubber materials, and entire memory model which takes into account the history and describing the viscoelastic behavior. Model parameters were identified using appropriate identification and optimization methods. The results of modeling the mechanical behavior of the foam on the unicycle and multicycle tests were compared with experimental results. The models showed a very good competence to simulate the first cycle and the following cycles during the charge / discharge tests. Our models have proven its ability to model Mullins effect on flexible polyurethane foams. These models have been validated on three types of foam in order to present a comparative study of their effectiveness and their representativeness.

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.

Les phénomènes liés au comportement à la rupture de la glace sous impact sont fréquents dans le génie civil, pour les structures offshore, et les processus de dégivrage. Pour réduire les dommages causés par l'impact de la glace et optimiser la conception des structures ou des machines, l'étude sur le comportement à la rupture dynamique de la glace sous impact est nécessaire. Ces travaux de thèse portent donc sur la propagation dynamique des fissures dans la glace sous impact. Une série d'expériences d'impact est réalisée avec un dispositif de barres de Hopkinson. La température est contrôlée par une chambre de refroidissement. Le processus dynamique de la rupture de la glace est enregistré avec une caméra à grande vitesse et ensuite analysé par des méthodes d'analyse d'images. La méthode des éléments finis étendus complète cette analyse pour évaluer la ténacité dynamique. Au premier abord, le comportement dynamique de la glace sous impact est étudié avec des échantillons cylindriques afin d'établir la relation contrainte-déformation dynamique qui sera utilisée dans les simulations numériques plus tard. Nous avons observé de multi-fissuration dans les expériences sur les échantillons cylindriques mais son étude est trop difficile à mener. Pour mieux comprendre la propagation des fissures dans la glace, des échantillons rectangulaires avec une pré-fissure sont employés. En ajustant la vitesse d'impact on aboutit à la rupture des spécimens avec une fissure principale à partir de la pré-fissure. L'histoire de la propagation de fissure et de sa vitesse sont évaluées par analyse d'images basée sur les niveaux de gris et par corrélation d'images. La vitesse de propagation de la fissure principale est identifiée dans la plage de 450 à 610 m/s ce qui confirme les résultats précédents. Elle varie légèrement au cours de la propagation, dans un premier temps elle augmente et se maintient constante ensuite et diminue à la fin. Les paramètres obtenus expérimentalement, tels que la vitesse d'impact et la vitesse de propagation de fissure, sont utilisés pour la simulation avec la méthode des éléments finis étendus. La ténacité d'initiation dynamique et la ténacité dynamique en propagation de fissure sont déterminées lorsque la simulation correspond aux expériences. Les résultats indiquent que la ténacité dynamique en propagation de fissure est linéaire vis à vis de la vitesse de propagation et semble indépendante de la température dans l'intervalle -15 à -1 degrés. / The phenomena relating to the fracture behaviour of ice under impact loading are common in civil engineering, for offshore structures, and de-ice processes. To reduce the damage caused by ice impact and to optimize the design of structures or machines, the investigation on the dynamic fracture behaviour of ice under impact loading is needed. This work focuses on the dynamic crack propagation in ice under impact loading. A series of impact experiments is conducted with the Split Hopkinson Pressure Bar. The temperature is controlled by a cooling chamber. The dynamic process of the ice fracture is recorded with a high speed camera and then analysed by image methods. The extended finite element method is complementary to evaluate dynamic fracture toughness at the onset and during the propagation. The dynamic behaviour of ice under impact loading is firstly investigated with cylindrical specimen in order to obtain the dynamic stress-strain relation which will be used in later simulation. We observed multiple cracks in the experiments on the cylindrical specimens but their study is too complicated. To better understand the crack propagation in ice, a rectangular specimen with a pre-crack is employed. By controlling the impact velocity, the specimen fractures with a main crack starting from the pre-crack. The crack propagation history and velocity are evaluated by image analysis based on grey-scale and digital image correlation. The main crack propagation velocity is identified in the range of 450 to 610 m/s which confirms the previous results. It slightly varies during the propagation, first increases and keeps constant and then decreases. The experimentally obtained parameters, such as impact velocity and crack propagation velocity, are used for simulations with the extended finite element method. The dynamic crack initiation toughness and dynamic crack growth toughness are determined when the simulation fits the experiments. The results indicate that the dynamic crack growth toughness is linearly associated with crack propagation velocity and seems temperature independent in the range -15 to -1 degrees.