Durant le procédé de thermoestampage, le renfort tissé/préimprégné peut subir des grandes rotations de fibres dues aux fortes déformations de cisaillement dans le plan. Ces rotations sont importantes surtout dans les zones à géométries complexes telles que celles à double courbure. Par conséquent, la réorientation des fibres dans le nouveau renfort cisaillé affecte significativement la résistance et la performance du produit final. L'objectif de ce travail de thèse est de développer un modèle de comportement qui tient compte des changements d'angle entre les réseaux de mèches (directions chaine et trame). Un modèle de comportement hypo élastique a été proposé afin de simuler la mise en forme des tissés secs. La simulation de la mise en forme permet de déterminer les réorientations finales entre les mèches par l'intermédiaire des angles de cisaillement. Ces derniers sont transférés dans un modèle élastique orthotrope élaboré pour effectuer une analyse structurelle d'un composite durci après sa mise en forme. Le modèle orthotrope a été validé expérimentalement par un test de traction sur des éprouvettes durcies après un bias extension test. Finalement, pour démontrer la performance de ce modèle élastique orthotrope (avec la prise en compte de la réorientation des mèches), des analyses EF sur un hémisphère et un double dôme durcis ont été réalisés. Les résultats obtenus par le modèle orthotrope ont été comparés avec ceux issus d'un modèle sans la prise en compte de la réorientation des mèches. / During the forming process, the woven fabric/prepreg can undergo large fiber rotations due to plane shear deformation. These rotations are mostly important in zones with complexe gometries such as double curvature. Therefore, the fiber reorientations in the new sheared fabric affects significantly the strength and performance of final product. The aim of this thesis work is to develop a constitutive model that taking into account the angle's between the weft and warp yarns. An hypoelastic model has been developed in order to simulate the forming of dry fabric. The forming simulation allows to determine the final reorientations between yarns through the shear angles. The later are transferred into an orthotropic elastic model, developed to perform a structural analysis of a cured composite after its forming. The orthotropic model has been validated by a tensile test on cured specimens after a bias extension test. Finally, to demonstrate the performance of this orthotropic model (taking into account the reorientation of yarns), FE analysis on cured hemisphere and double dome have been performed. The results obtained by the orthotropic model have been compared with those obtained from a model without taking into account the reorientation of yarns.

L’utilisation systématique d’une théorie dite de Cauchy conduit souvent à des simplifications trop fortes de la réalité. En effet, certaines caractéristiques de la microstructure sont implicitement négligées dans ces approches. Des matériaux possèdent des microstructures à une échelle assez grande (micron, millimètre, centimètre), dont l’effet se répercute sur le comportement macroscopique. Le modèle de Cauchy est insuffisant pour décrire leur comportement global spécifique, lié par exemple à la concentration d’efforts ou de déformations, ou à des modes de déformations caractérisés par de forts gradients locaux induisant des comportements liés à ce qui se passe à des échelles plus petites. Un des domaines d’application les plus prometteurs des théories de milieux continus enrichis concerne les renforts tissés de composites. Cette classe de matériaux est constituée par le tissage de mèche, dont les rigidités sont très différentes en traction et en cisaillement : les mèches sont très raides en traction mais l’angle entre deux mèches peut varier très facilement. Ce contraste très marqué des propriétés mécaniques de la mesostructure du matériau permet de décrire ses propriétés homogénéisées dans le cadre d’une théorie de deuxième gradient. La manifestation macroscopique de la mesostructure peut en effet jouer un rôle majeur lors de la mise en forme des renforts de composites. Les modèles de Cauchy ne sont pas adaptés à la description de la réponse dynamique de certains matériaux microstructurés montrant des comportements dispersifs ou des band-gaps. Les théories de milieux continus enrichis sont de bonnes candidates pour modéliser les effets de la présence d’une microstructure. Elles peuvent également posséder des propriétés très particulières vis à vis de la propagation d’ondes, ce qui confère aux structures résultantes des solutions de choix comme écran ou absorbeur d’ondes qui peuvent innovantes dans le domaine du contrôle des vibrations ou dans le domaine de la furtivité. / The systematic use of a so-called Cauchy theory sometimes leads to an oversimplification of reality. Indeed, certain characteristics of the microstructure are implicitly neglected in these approaches. However, even if all the materials are heterogeneous on a sufficiently small scale and therefore possess a microstructure, this does not necessarily induce a specific behavior on a macroscopic scale. In this case, the Cauchy theory would be perfectly adapted to their description. On the other hand, other materials possess microstructures on a large-enough scale (micron, millimeter, centimeter), whose effects have repercussions on macroscopic behavior. The Cauchy model is then insufficient to describe their specific global behavior related to what occurs at smaller scales, e.g. concentration of forces or deformations, or strong local gradients. One of the most promising fields of application of enriched continuous theories concerns the study of the mechanical behavior of woven composite reinforcements. This class of materials, made up by weaving yarns (made up themselves of many thinner fibers), possess very different rigidities in tension and in shear: the yarns are very stiff in tension but the angle between two yarns can vary very easily. This very marked contrast of material mechanical properties makes it necessary to describe its homogenized properties within the framework of a second gradient theory (or a constrained micromorphic one). Cauchy models are also not well-suited for the description of the dynamic response of certain microstructured materials showing dispersive behaviors or band-gaps. Enriched continuous theories (and in particular the relaxed micromorphic model) can be good candidates for modeling these materials in a more precise and realistic way, since they can include the macroscopic manifestation of their microstructure. These microstructured materials may have original properties, to improve and optimize the responses of the structures that use them. Indeed, these structures are designed using such microstructured materials - also known as metamaterials - to exhibit improved strengths, shaping facilities, minimized weights, and much more. They can also possess innovative properties in the field of vibration control or in the field of stealth technology.

De nos jours, il est crucial pour les industries de réduire leur consommation énergétique. Pour les industries du transport, cela peut se faire par le biais de l’allègement des pièces de structure. Dans ce contexte, les structures cellulaires représentent une des solutions les plus prometteuses. Grâce au développement de la fabrication additive, l’élaboration de telles géométries complexes n’est plus un frein à leur utilisation. Néanmoins, cette dernière restera limitée tant que les propriétés mécaniques – et plus particulièrement la résistance en fatigue pour les pièces aéronautiques – ne seront pas maîtrisées. Ce travail de thèse a pour objectif de déterminer les mécanismes qui gouvernent le comportement en fatigue de ces structures cellulaires. Pour cela, le travail s’est focalisé sur l’élement unitaire les constituant : la poutre. Des éprouvettes minces représentatives de la poutre ont été élaborées par Electron Beam Melting puis caractérisées à l’état brut de fabrication à l’aide de différentes techniques (tomographie aux rayons X, microscopie optique et électronique, …). Leurs propriétés statique et cyclique en traction ont ensuite été évaluées. L’état de surface et en particulier les défauts d’entaille ont été identifiés comme responsable de la perte de résistance. L’impact de ces défauts sur la résistance en fatigue a été prédit avec succès par le biais de diagrammes de Kitagawa. L’impact de l’orientation de fabrication a également été observé et prédit. Différents post-traitements ont ensuite été utilisés afin d’améliorer ces propriétés. Le polissage chimique et le grenaillage ultrasonique ont réduit de manière significative la criticité des défauts de surface ce qui a grandement amélioré les propriétés mécaniques des éprouvettes, jusqu’à se rapprocher de celles obtenues après usinage. Par ailleurs, la compression isostatique à chaud a provoqué la fermeture de l’entièreté des défauts internes ainsi qu’un grossissement de la microstructure. Ce dernier point permet une amélioration supplémentaire de la performance en fatigue une fois combiné avec un traitement de surface. Enfin, une méthode permettant de détecter automatiquement tous les défauts d’entailles et de déterminer leur criticité et leur influence sur la résistance en fatigue a été proposée et discutée. Elle a ensuite été appliquée avec succès aux échantillons attaqués chimiquement mais des modifications demeurent nécessaire pour l’appliquer à d’autres états de surface. / Nowadays, reducing the energy consumption is crucial for most of the industries. For transportation industries, it can be achieved through weight reduction. In this context, cellular structures turn out to be one of the most efficient solution. Thanks to the development of additive manufacturing, producing such complex geometries is no longer an issue. However, their use will remain limited as long as their fatigue performances are not known. This PhD work aimed at understanding the mechanisms that govern the fatigue behaviour of such cellular structures. It was first decided to focus on their unitary element, i.e. a single strut. Single struts samples were manufactured by Electron Beam Melting and then characterized in as-built conditions using different experimental techniques (X-ray tomography, optical and electron microscopy, etc.). Their static and cyclic tensile properties were then evaluated. The rough surface and in particular notch-like defects were found to be responsible for the knockdown of the mechanical properties. Regarding the fatigue resistance, their detrimental impact was predicted using Kitagawa diagrams. It also enabled to explain the impact of the build orientation. Different post-treatments were used in order to improve these mechanical properties. Chemical etching and ultrasonic shot peening (USP) significantly reduced the severity of surface defects of as-built thin struts and thus increased their mechanical properties. After USP, the fatigue properties of machined samples were almost matched. Hot Isostatic Pressing lead to the closure of all internal defects and to the coarsening of the microstructure. When combined with one of the surface treatments, the fatigue properties were further improved. Finally, a method enabling to systematically and automatically extract from the surface the most critical defects and quantitatively analyze their influence on fatigue life was proposed and discussed. It was successfully applied to chemical etched samples but improvements are mandatory for other surface conditions.

Les cordes textiles torsadées à fibres continues sont couramment utilisées en tant que renforts dans une grande variété d'applications industrielles et plus spécifiquement comme renforts dans le caoutchouc des pneumatiques. Les cordes concernées sont fabriquées à partir de fibres de nylon, de polyester ou d’aramide en les torsadant ensemble (de 200 à 1000 fibres de même matériau) pour obtenir ce qu’on appelle un surtors. L’assemblage de deux ou trois surtors en les torsadant ensemble permet de construire un retors qui sera dit hybride si les surtors initiaux sont composés de fibres différentes. L’ensemble des configurations donne une large gamme de propriétés mécaniques possibles impliquant à la fois les effets propres au comportement du matériau, à l’orientation locale des fibres ainsi qu’aux pressions transverses induisant des déséquilibres dans le cas de la présence de différentes natures de fibres. Cette thèse présente une étude structurelle précise des orientations de fibres par microtomographie aux rayons X dans les surtors et les retors ainsi qu’un outil original permettant d’analyser les fréquences spatiales caractéristiques des trajectoires de fibre. Un modèle mécanique de surtors en extension de la littérature est enrichi à partir de ces travaux appuyés d’une étude expérimentale supplémentaire de leur contraction latérale sous traction. L’influence du désordre du paquet de fibres initial sur le comportement mécanique du surtors final est analysée numériquement par la méthode des éléments finis en simulant le processus physique ayant lieu au cours de la prise de torsion. Enfin, un modèle mécanique général est proposé pour prédire le comportement mécanique en extension des retors hybrides constitué de trois surtors pouvant chacun afficher des torsions différentes entre elles. / Twisted continuous filament yarns are commonly used as reinforcements in a wide variety of industrial applications and more specifically as reinforcements in tyre rubber. The yarns concerned are made of nylon, polyester or aramid fibres by twisting them together (from 200 to 1000 fibres of the same material) to obtain what is called a single yarn. The assembly of two or three single yarns by twisting them together makes it possible to build a multiply yarn that will be called hybrid if the initial single yarns are made of different fibres. All configurations give a wide range of possible mechanical properties involving the effects of the material's behaviour, the local orientation of the fibres and the transverse pressures inducing an imbalance in the case of the presence of different types of fibres. This thesis presents a precise structural study of fiber orientations by X-ray microtomography of single and multiply yarns and an original tool to analyze the spatial frequencies characteristic of fiber trajectories. A mechanical model of single yarn in extension from the literature is enriched from this work supported by an additional experimental study of their lateral contraction under extension. The influence of the disorder of the initial fibre bundle on the mechanical behaviour of the final single yarns is analysed numerically by the finite element method by simulating the physical process taking place during twisting. Finally, a general mechanical model is proposed to predict the mechanical behaviour in extension of the hybrid multiply yarns, consisting of three single yarns showing different torsions.