Ces travaux de thèse s’inscrivent dans un contexte écologique visant à réduire l’impact environnemental et notamment la pollution des transports aériens. Celui-ci pousse les avionneurs à utiliser des matériaux composites pour des pièces structurelles afin de réduire la masse des aéronefs. Certaines de ces pièces sont particulièrement exposées aux impacts en vol : débris, oiseau, et grêle. Ce type de sollicitation est dans la plupart des cas générateur de délaminage. Or l’étendue de ce type d’endommagement n’est pas détectable lors d’une simple inspection visuelle. Il convient donc de trouver des solutions visant à réduire sa propagation. L’objectif de ces travaux est ainsi d’évaluer l’apport d’un renforcement de type tufting pour la limitation du délaminage mais également pour l’augmentation de la résistance à l’impact. Ce type de renforcement est inspiré des techniques de coutures de l’industrie textile. L’évaluation d’une telle solution nécessitait un banc d’essai adapté aux phénomènes à observer. Un lanceur à gaz à été conçu et développé ainsi que l’instrumentation associée. Les essais d'impacts ont été menés sur différentes configurations de tufting pour lesquelles nous avons fait varier : le pas, la section de fil, le matériau constituant le fil et enfin la densité surfacique de renfort. La gamme de vitesse d’impact est comprise entre 60 et 150 m.s-1. Les énergies absorbées pour chaque configuration ont été mesurées et comparées. Elles ont permis d’esquisser des tendances concernant l'effet des paramètres de tufting sur la résistance à l’impact de ces matériaux. Une méthode d’analyse de la propagation du délaminage a ensuite été développée. Elle a l’avantage de permettre la visualisation du délaminage interlaminaire pour chaque interface, et est donc plus riche que les techniques de contrôle non destructif classiques. L’effet du tufting, et de ses paramètres, sur l’étendue du délaminage a pu être mis en avant. Cette analyse a permis de mettre en évidence des directions préférentielles de propagation qui dépendent à la fois de la séquence d’empilement et de l’armure du tissu utilisé. Une loi de propagation du délaminage fonction de la direction des fibres adjacentes aux interfaces a ensuite été développée à l’aide d’essais de ténacité en mode I et II. Celle-ci a enfin été implémentée dans un modèle d’impact par éléments finis / Economic and ecological contexts impose aircraft manufacturers to find short-term solutions to reduce fuel consumption. For years they have tended to replace metallic structural frames with state-of-the-art composite materials. Some parts such as aircraft engine inlets are however exposed to ice and bird impacts but are also affected by low-energy impacts that could happen during maintenance operations. Yet laminated composites have poor resistance to delamination, which is the main damage genera- ted during impact events. Delamination is known to reduce the post-impact integrity of a structure and is not easy to detect. It is thus necessary to find solutions to re- duce its propagation. The goal of this work is therefore to evaluate the ability of a z-reinforcement technique – the tufting – to contain delamination but also to increase impact resistance. This technique is based on textile sewing techniques. A new ballistic bench with associated sensors has been developed for this study. It allows to carry out impact tests at speeds up to 200 m.s-1 with a 250 g projectile. These tests were carried out for different tufting configurations applied to the same reference material. The tufting parameters were: the pitch, the thread section, the thread material and the areal tufting density. The impact velocities were 60, 80, 110 and 150 m.s-1. Absorbed energies were measured and compared for all configurations. They allowed to draw trends about the effects of tufting parameters on impact resistance. The perforated specimens were then inspected with an original technique allowing the observation of interlaminar delamination area for each interface. The effects of tufting on damage tolerance have therefore been highlighted. It has also revealed the existence of preferential propagation direction of delamination. These directions depend on the stacking sequence and on the fabric architecture. A propagation law for delamination has been developed as a function of the direction of the fiber directions of the adjacent plies. This law has at the end been implemented into a finite element analysis model

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

L’objectif de ce sujet de thèse est de prédire l’apparition des instabilités plastiques (striction diffuse et striction localisée) dans les matériaux métalliques. Ces matériaux sont décrits par des modèles de comportement élasto-plastique couplés à l’endommagement. L'approche de Lemaitre, reliant l'endommagement à la déformation plastique équivalente et au taux de restitution de la densité d'énergie élastique, est adoptée. Parmi les différents critères et indicateurs qui sont considérés pour la prédiction des instabilités matériau, la théorie de bifurcation et les critères de type force maximum sont tout particulièrement analysés et comparés. Un objectif important de cette étude consiste à déterminer les mécanismes déstabilisants clés associés à cette modélisation du comportement, ainsi que l’impact des différents aspects physiques et des paramètres matériau sur l’apparition de la striction. Les développements résultants sont appliqués à une sélection représentative de matériaux métalliques afin prédire leurs limites de formabilités. Cette approche combinant des lois de comportement et critères de striction peut être utilisée comme outil théorique et numérique d’aide à la conception de nouveaux matériaux à ductilité améliorée / The aim of the present work is to predict the occurrence of plastic instabilities (diffuse and localized necking) in thin sheet metals. The prediction of these plastic instabilities is undertaken using an elastic–plastic model coupled with ductile damage, which is then combined with various plastic instability criteria theory. The bifurcation-based criteria and the maximum force criterion used in this work are formulated within a general three-dimensional modeling framework, and then applied for the particular case of plane-stress conditions for sheet metals. Some theoretical relationships or links between the different investigated necking criteria are established, which allows a hierarchical classification in terms of their conservative character in predicting critical necking strains. The resulting numerical tool is implemented into the finite element code ABAQUS/Standard to predict forming limit diagrams, in both situations of a fully three-dimensional formulation and a plane-stress framework. This approach, that combines constitutive equations to necking criteria, serves as a useful tool in the design of new materials with improved ductility