La thèse s’intéresse au comportement thermomécanique des circuits imprimés pour des applications spatiales hyperfréquences. Dans cette étude, les circuits imprimés sont des assemblages multi-matériaux faisant intervenir des substrats diélectriques (composites tissés) et des connexions en cuivre. Les circuits étudiés sont des multicouches et l’information électrique transite d'une couche à l'autre par le biais de trous traversants : des perçages réalisés à travers les différentes couches, recouverts de cuivre par électrodéposition. Tout satellite comporte de l’électronique embarquée dont le circuit imprimé constitue le support et les connexions. Dans le cadre des applications spatiales, le circuit imprimé subira des variations importantes de température. Ces chargements engendrent des déformations qui ne sont pas homogènes dans les différents matériaux, pouvant mener à des contraintes importantes qui seront source de défaillances. En effet, les coefficients d'expansion thermique des substrats diélectriques et du cuivre sont différents. À chaque cycle thermique, le cuivre est alors entrainé sous chargement alterné. Suivant les configurations, le cuivre peut se plastifier et rompre après quelques centaines ou milliers de cycles thermiques (fatigue oligo-cyclique). On remarque que les ruptures sont souvent observées dans les trous traversant. Deux volets sont identifiables dans la thèse : un premier volet de caractérisation du comportement thermomécanique des matériaux présents dans les circuits imprimés hyperfréquences (substrats composites et cuivre), et un second volet concernant les simulations de configurations stratégiques à partir des comportements identifiés / In this thesis, the thermomechanical behavior of Printed Circuit Boards with high frequency space applications is assessed. A printed circuit board is a multi-material assembly, linking dielectric substrates and copper paths. The studied PCBs are multilayers, thus drills are made through these layers with copper electrodeposited on the wall of the hole, allowing the electrical signal to go from one layer to the other. Any satellite carries embedded electronics and the PCB is the link and the support of these electronics. During the life of the PCB in space applications, important temperature changes will drive strains which are inhomogeneous in the different materials and thus will lead to important stresses, root of the observed failures. Indeed, the coefficients of thermal expansion of the dielectric substrates are different than the one of copper. For each thermal cycle, the copper undergoes thus an alternate loading. Depending on the configuration, the copper may endure plastic strain and break after hundreds or a few thousands of cycles (oligo-cyclic fatigue). These failures happen often in the copper barrels linking the different layers.Two phases are distinguishable in the thesis: a first phase in which the thermomechanical behaviors of the materials constituting high frequency printed circuit boards is assessed (composites substrates and copper), and a second phase concerning the simulations of crucial configurations thanks to the identified behaviors of the materials

Le Piégeage et le Stockage du dioxyde de Carbone (PSC) est reconnu comme ayant un rôle important dans la lutte contre le changement climatique et la réduction d’émissions de dioxyde de carbone (CO2). Ce processus consiste à capturer le CO2 des sources anthropiques, et le transporter vers des sites de stockage appropriés. Le transport de telles quantités de CO2 entraîne de nouveaux défis pour les concepteurs et les opérateurs des gazoducs. Parmi ces défis, nous citons : le comportement de phase du CO2, la température atteinte lors de la décompression, la présence des différentes impuretés et la pression de service très élevée. Malgré l’enjeu important, et contrairement au gazoduc de transport de gaz naturel et de pétrole, peu d’études ont été consacrées à la sûreté et la rentabilité des gazoducs de transport du CO2. À l’égard de ces défis industriels, cette étude a été menée pour identifier et comprendre les mécanismes de rupture des gazoducs, à haute pression, transportant du CO2 supercritique. Ce travail a engagé la mise au point d’une nouvelle approche qui anticipe l’éclatement du gazoduc. Pour répondre à cette problématique, nous avons utilisé en premier lieu une approche théorique basée sur les fondamentaux de la Mécanique de la Rupture. En second lieu, et en conjonction avec la méthode des éléments finis, nous avons développé un outil numérique robuste. L’ultime objectif de ces travaux de recherche est d’enrichir les codes de dimensionnement des gazoducs, souvent restreints au transport de gaz naturel et au matériau à faible ténacité. De plus, cette thèse apporte une large base de données d’essais de ténacité à basse température liés à des séries d’analyses par éléments finis sous le code de calcul Abaqus 12.6. La finalité de notre recherche réside dans la proposition d’une méthodologie complète d’évaluation des risques d’éclatement des gazoducs en fonction du matériau et de la nature du fluide transporté / Capture, transport, and storage of Carbon dioxide are well-known applications for their key role in the field of climate change and reduction of CO2 emissions. This process involves the use of some particular technologies, not only to collect and concentrate the CO2 emitted by the anthropogenic sources but also to transport it to a suitable storage location. The transport of such a big quantity of CO2 creates new challenges for designers and pipeline operators. For instance, CO2 phase behavior, the temperature reached during the decompression phase, the presence of various impurities as well as the high operating pressure. Contrary to natural gas and oil transportation structures, a very few studies have raised the issue of the integrity of CO2 pipeline. In order to meet the industry needs particularly in this CO2 integrity application, the present research was conducted to identify and to better comprehend pipeline failure mechanisms at high pressures. This work includes the development of a new numerical approach about running ductile fracture arrest for high pressure gas pipeline. To address this issue, we have initially used a theoretical approach based on the fundamental knowledge of Fracture Mechanics. Based on the crack-tip opening angle (CTOA) fracture criterion and the finite element method along with the node release technique, a new two-curve method (TCM) was proposed for the prediction of gas pipelines’ crack arrestability. The results of this newly developed method were discussed and compared to those obtained by using other methods commonly employed in the Fracture mechanics, for instance, Battelle-TCM, HLP and HLP-Sumitomo method

L’objectif principal de cette recherche est l’étude du dommage des bâtiments en maçonnerie subissant des tassements différentiels. Cette contribution, en s’appuyant sur la modélisation numérique, les méthodes analytiques et sur l’expérimentation, vise à une meilleure compréhension du comportement des structures en maçonnerie. Ce problème trouve diverses applications en ingénierie avec par exemple les maisons situées dans des zones de creusement de tunnels, ou des zones subissant des affaissements de terrains. L’étude bibliographique met en évidence la diversité des méthodes permettant de catégoriser le dommage des bâtiments subissant des tassements. La cohérence de ces méthodes est étudiée. En particulier, le travail porte sur l’étude de l’influence des propriétés mécaniques des bâtiments sur les valeurs seuils proposées pour catégoriser le dommage. Une étude de sensibilité est mise en œuvre afin de proposer des intervalles de seuils dépendant des propriétés des bâtiments. Cette incertitude est alors formalisée par le développement de courbes de fragilité permettant de quantifier en terme de probabilité la sévérité du dommage pour différents types de bâtiments. En addition, la rigidité des bâtiments subissant des mouvements de terrains est un paramètre important pour étudier les phénomènes d’interaction sol-structure et évaluer les tassements différentiels transmis par le terrain aux structures. L’évolution de cette rigidité en fonction du dommage associé aux tassements n’est pas étudiée dans la littérature. Une méthodologie d’étude de la variation de la rigidité des bâtiments en maçonnerie en fonction du tassement transmis a été développée au moyen de modélisations numérique (logiciel UDEC). Des formulations analytiques sont alors proposées pour relier la réduction de la rigidité des bâtiments en fonction du tassement subis et de leurs propriétés. Une procédure expérimentale est mise en place afin de valider la méthodologique numérique. En conclusion, les deux principales contributions de cette thèse sont 1) une amélioration de l’évaluation du dommage des bâtiments en fonction de leurs propriétés, au moyen des courbes de fragilité et 2) le développement d’une méthodologie numérique permettant d’évaluer l’évolution de la rigidité des bâtiments en maçonnerie en fonction du tassement qu’ils subissent et en fonction de leurs propriétés / The main purpose of this research is the assessment of the damage of masonry buildings undergoing differential settlements. This contribution, which is based on numerical modeling, analytical methods and experimentation, aims for a better understanding of the behavior of masonry structures. The treated issue may be applied in different engineering fields, as for example the case of buildings located in tunneling areas or in areas suffering land subsidence. The bibliography survey presents a diversity of methods to categorize the damage of buildings undergoing settlement. This variety of methods, parameters and thresholds used to qualify the severity of the damage, prompted us to study the consistency of these methods, and the effect of the properties of masonry buildings - undergoing ground movements - on proposed threshold values. A sensitivity analysis on building properties is implemented in order to propose thresholds values intervals that depend on buildings properties. This uncertainty is then taken into account with the development of fragility curves that aim quantifying the damage in terms of probability according to a typology of buildings. In addition, the stiffness of buildings undergoing ground movements plays a very important role in studying the phenomenon of soil-structure interaction. However, the evolution of the stiffness of the damaged building due to settlements is not investigated in the literature. Numerical modeling (UDEC) is used to develop a methodology for the study of the stiffness variation of masonry buildings in relation to he settlement suffered by the structure. Analytical formulations are proposed to relate the reduction of the stiffness of the buildings with regard to the suffered settlement, and depending on the buildings properties. Some experimental tests are performed to validate the numerical methodology. Finally, the two mains results are 1) improvement in the assessment of buildings damage with the drawn of fragility curves and 2) the numerical methodology to formulate the changes in the stiffness of masonry buildings according to the suffered settlement, and according to their properties

Malgré plusieurs décennies d'études expérimentales et numériques sur la tenue en fatigue d'assemblages soudés, cette problématique demeure une préoccupation principale de l'industrie automobile. En effet, de nombreux composants aux géométries complexes (e.g. berceaux) sont obtenus à partir de pièces soudées et constituent des éléments de sécurité pour lesquels aucune défaillance ne peut être acceptée. Malgré les progrès en modélisation numérique, des essais sont toujours nécessaires afin de fournir des données sur éprouvettes « simples » afin d'alimenter les modèles numériques, mais aussi de démontrer le bon dimensionnement des structures. Les procédures classiques d'essais de fatigue sont coûteuses en temps et nécessitent la destruction de plusieurs pièces. La méthode dite d'auto-échauffement permet de réduire significativement le temps d'essai et propose une approche non destructive. Cette méthode consiste à mesurer l'évolution de température en surface de la structure étudiée au cours du chargement cyclique. Cette approche permet de tirer avantage du signal thermique macroscopique afin de mettre en évidence la micro-plasticité responsable de la rupture par fatigue. Les objectifs du travail présenté sont de déterminer si un lien peut être réalisé entre les mesures de température et la tenue en fatigue d'assemblages soudés, puis d'étudier l'influence de paramètres sur la tenue en fatigue grâce à la méthode proposée. Un protocole expérimental est d'abord proposé afin de mesurer l'évolution de température des mini-structures soudées sous sollicitation cyclique. Une première analyse de la réponse thermique de simples tôles d'acier sous chargement cyclique de faible amplitude est proposée afin de valider un modèle déterministe de champ de source à la fois pour des sollicitations de traction et de flexion. Ces essais permettent par la suite de décrire correctement le comportement thermique de la matière de base des éprouvettes soudées hors du cordon de soudure. Le modèle est alors étendu à l'étude d'éprouvettes soudées, avec la prise en compte de la dissipation de la zone soudée. Une fois le champ de source identifié à partir du modèle, son évolution en fonction de l'amplitude du chargement appliqué mène à une courbe d'auto-échauffement. L'analyse de cette courbe permet une bonne estimation de la limite en fatigue de l'éprouvette soudée après seulement quelques heures d'essais. La méthode est alors appliquée à d'autres configurations de mini-structures soudées afin d'étudier l'influence du grenaillage et d'un gradient de contrainte en zone critique sur la tenue en fatigue. Finalement, la procédure d'essai est appliquée afin de déterminer la tenue en fatigue d'une pièce industrielle, un triangle de suspension mécano-soudé. À cause des mauvaises conditions aux limites thermiques sur une telle structure, une autre méthode est proposée afin de déduire une première estimation du champ de source sur toute la surface observée à partir des mesures thermiques. Cette estimation mène à l'identification de la zone critique en fatigue de la structure et à une première bonne estimation de sa limite en fatigue. / Fatigue design of weld assemblies still remains of prior concern in the automotive industry, despite several decades of experimental, theoretical and numerical body of work. Actually, many complex components (e.g. front and rear axles) are embedded thanks to welding process. Such welded assemblies are expected to be designed as high-safety parts, for which any fatigue failure is supposed to be prevented. Despite numerical modelling is more and more effective, experimental tests are still necessary in order to provide basic design data and at last to prove the design reliability. Standard fatigue tests procedures are sensibly time consuming, are usually destructive and need for several specimens in order to manage reliable results. Conversely, the so-called self-heating tests offer the opportunity to dramatically shorten the test duration and save specimens because it is a non-destructive method. It consists in measuring the temperature evolution of the structure surface during cyclic loading. Such an approach allows to take advantage of the macroscopic thermal signature of microscopic plasticity processes responsible for fatigue damage. The purpose of the present work is the determination of a correlation between thermal measurement and fatigue properties of welded structures, and then studying the influence of parameters on fatigue properties with the developed method. An experimental protocol is first proposed to measure the temperature of the tested specimen under cyclic loading. A first analysis of the thermal response of standard steel sheet specimen under low load amplitude is proposed in order to validate a deterministic heat source model for both tensile and bending tests. These tests allow us to correctly describe the thermal behavior of the base material of welded specimen away from the joint. Then, the model is extended to welded specimen in order to take into account the dissipation of the welded area. Once the dissipative heat source is identified thanks to the model, its evolution with the applied loading leads to a self-heating curve allowing an estimation of the fatigue limit of the welded specimen after only few hours of test. The method is then applied to other configurations of welded specimens in order to study the effects of shot peening and stress gradient on fatigue properties. Finally, the testing procedure is applied for the determination of an industrial component fatigue properties, a welded car wishbone. Due to the bad heat boundary condition, another analysis is proposed to estimate the heat source along the entire component. This estimation leads to the determination of the weakest area of the structure concerned by fatigue and a first good estimation of its fatigue limit.

L’analyse de la durée de vie des joints brasés est un challenge pour les industries du spatiale, de l’aéronautique et de la défense qui ont besoin d’équipements très fiables pour des environnements sévères et de longues durées de vie. L’évolution des technologies de boitier électronique, principalement conduite par les marchés civils, introduit de nouvelles architectures et de nouveaux matériaux dont la fiabilité doit être étudiée pour les exigences de ces marchés critiques. Un des éléments critiques d’une carte électronique est l’interconnexion effectué par le joint brasé. Dans ce contexte, les connaissances des propriétés de fatigue des matériaux utilisés pour le joint brasé sont nécessaires pour développer des cartes électroniques, définir les essais accélérés de qualification ou pour réaliser des simulations de durée de vie.Les lois utilisées communément dans l’industrie sont généralement des critères simplifiés comme les lois de Coffin-Manson, basée sur la déformation inélastique, ou Morrow, basée sur l’énergie dissipée. Les déformations plastique et visqueuse sont dans ces lois indissociées et appelées déformation inélastique, supposant que les contributions au dommage des déformations plastique et visqueuse sont similaires. Cependant, la pertinence de ces lois dans le cas du matériau joint brasé et les profils de mission des marchés critiques doit être étudiée. En effet, le joint brasé possède une température de fusion faible qui entraine un comportement visqueux même à température ambiante. Celle-ci est nécessaire à l’étape d’assemblage des boitiers. Ainsi, d’importantes déformations visqueuses sont développées notamment pour les environnements sévères et les longues phases de maintien de ces marchés critiques. Dans ce contexte, il est important de prendre en compte l’interaction fatigue-fluage dans les matériaux joint brasé pour atteindre les exigences de ces applications.Les limitations de la littérature sont le manque de données expérimentales précises dissociant les déformations plastique et visqueuse en essai de fatigue. La représentativité des éprouvettes massiques par rapport à l’application finales est en effet discutable au vue de la microstructure très spécifique du joint brasé. De plus, il n’existe pas de consensus réel sur les modèles matériaux à utiliser. Dans ce contexte, un banc de mesure a été développé dans le but de réaliser des essais de fatigue en cisaillement sur des boitiers électroniques assemblés.Le temps de maintien, la température et la force appliquée ont un impact sur le nombre de cycles à défaillance. La combinaison d’une augmentation de la température avec l’ajout du temps de maintien réduit jusqu’à un facteur dix le nombre de cycles à rupture. Les courbes d’hystérésis du boitier ont été converties en contrainte et déformations plastique et visqueuse dans le joint brasé dans le but de calibrer un modèle matériau et une loi de fatigue. Les résultats montrent que l’intérêt des lois de fatigue utilisées communément est limité. Des résultats utilisant différents dispositifs expérimentaux de la littérature ont été ajoutés pour compléter ceux trouvés. Une loi de fatigue modifiée en fréquence a été testée et montre de meilleures prédictions dans le cas d’essais réalisés à différentes fréquences car elle permet de prendre des effets liés au temps comme la viscosité. Cependant, des limites avec cette loi ont été trouvées dans le cas de sollicitation avec temps de maintien. Une loi de fatigue prenant en compte l’interaction fatigue fluage a ensuite été proposée avec de bonnes prédictions notamment pour des températures plus élevées. L’évolution de la microstructure a montré que le dommage détruit la structure dendritique du joint et la remplace par des joints de tailles plus petites dans la zone proche de la fissure. La coalescence d’éléments a également été observée. Cependant, plus d’investigations sont nécessaires pour définir les marqueurs spécifiques des dommages plastique et visqueux. / Solder joints reliability analysis represents a challenge for the aerospace and defense industries, which are in need of trustworthy equipment with a long lifetime in harsh environments. The evolution of electronic packages, driven by consumer civil applications, introduces new architectures and materials for which reliability needs to be qualified for the constraints of the aerospace and defense applications. One of the most critical elements of an electronic assembly is the solder joint interconnection. In this context, the knowledge of fatigue properties of solder material is required to design the assemblies, to define accelerated tests or to perform lifetime simulations.Fatigue laws used commonly in the industry are generally simplified criteria such as Coffin-Manson relation, based on inelastic deformation, or Morrow relation, based on dissipated energy per cycle. Cyclic creep and plastic strains are mingled and formulated as a unique inelastic strain in these relationships. The underlying assumption is that damage contributions of creep and plasticity phenomena are equivalent. The relevance of these laws in the case of solder joint and the mission profiles of aerospace and defense industries can be discussed. In fact, solder joint materials have low melting temperatures which are required by the assembly manufacturing process, inducing viscous strains even at room temperature. In this context, important viscous strains are developed due to the harsh environment with high temperatures and the long maintain phases of space, defense and avionics industries. Creep-fatigue interaction must be taken into account for solder joint material in order to address these applications requirements.Limitations of the literature are the lack of clear experimental data separating plastic and creep strains during fatigue tests. Representativeness of experimental tests based on bulk samples can be discussed because of the complex microstructure of solder joints. No consensus exists on the mechanical model and the parameters. In this context, an innovative test bench has been developed to perform shear fatigue tests with assembled electronic packages in order to study creep-fatigue interaction in solder joints.Dwell time, temperature and force have an impact on the number of cycles to failure. Combined increase of temperature and dwell time reduces the number of cycles to failure until a factor of 10. The hysteresis response of the package is converted in stress and plastic and viscous strains in order to calibrate a viscoplastic model and a fatigue law. Results show limitations of classic Coffin-Manson fatigue law. Experimental results from the literature have been used to complete our test plan. A frequency modified fatigue model shows increased prediction accuracy for fatigue tests performed at different frequencies. In fact, time-dependent viscous damage is included in the law by the frequency factor. However, limitations of this law have been found in particular for long dwell time configuration. A creep-fatigue model is proposed to dissociate damages from plastic and viscous strains. This fatigue law increases prediction accuracy in the case of high temperature and long dwell time configuration. Microstructure evolutions indicate the destruction of the dendritic structure and replaced by small grains recrystallization in the area close to the fracture. Coalescence of different precipitates is also observed in the damaged area. More investigations on this topic are required in order to evaluate the specific markers of plastic and viscous damages.

L’une des principales exigences d’utilisation d’un adhésif est son aptitude à conserver sa capacité à supporter des efforts, appliqués de manière répétée, tout au long de sa vie en service. Toutefois, on dénombre peu d’études sur le comportement en fatigue des assemblages collés. De plus, ces études concernent majoritairement la propagation de fissures et non l'amorçage. Le comportement en fatigue d’assemblages collés est généralement caractérisé grâce à des essais simple-recouvrement auxquels sont associés des états de contrainte complexes présentant de fortes concentrations de contrainte. Le but de ce travail est de développer un outil prédictif du comportement cyclique d’un adhésif dans un assemblage soumis à un chargement de fatigue, en utilisant des essais basés sur l’utilisation d’un montage Arcan modifié. Ce type de montage utilise des éprouvettes générant un état de contrainte avec peu d’effets de bord et un maximum au centre du joint de colle. Une base expérimentale constituée d'essais monotones, cycliques et de fluage pour différents modes de chargement sont présentés. Les résultats expérimentaux concernant un adhésif bi-composant polyuréthane SikaForce®-7817 L60MR permettent de caractériser un comportement reproductible. Ces résultats soulignent une évolution non-linéaire des déformations et fortement dépendante du type de chargement. Ce comportement peut être décrit par l’utilisation d’un modèle visco-élastique-visco-plastique. Implanté dans un code de calcul par éléments finis, ce modèle a permis d’analyser l’influence des phénomènes visqueux. Afin de limiter les temps d'essais, une identification inverse des paramètres a été menée à partir d'une campagne d'essais Arcan en fluage/recouvrement. Les simulations par éléments finis ont permis de décrire le comportement cyclique de structures collées et en utilisant un critère de rupture pertinent, d'effectuer un calcul de durée de vie à l'amorçage d'une fissure. Ce travail a été appliqué à l’étude du comportement en fatigue d'assemblages collés pour applications éoliennes offshores. Aussi, à partir de la stratégie développée, des estimations de la durée de vie de structures composites collés ainsi que d’un cas d’application représentatif ont été réalisées. / Estimating capacities of adhesives to endure repetitive loadings is an essential point to perform fatigue assessments. Nevertheless, few studies have been performed on the cyclic behaviour of adhesively bonded structures. Moreover, fatigue crack initiation is less studied for adhesives than the fatigue crack propagation. Fatigue behaviour is mainly analysed using lap-shear type specimens, which are associated with complex stress states and stress concentrations. The aim of this work is to develop a predictive tool describing the cyclic behaviour of an adhesive in an assembly under fatigue loading using an experimental approach based on modified Arcan tests. Such a device is associated with low edge effects and a maximum stress state in the centre of the adhesive. Accurate experimental results under monotonic, creep and cyclic loading are presented for several load amplitudes, mean loads and loading rates. For a two-component polyurethane SikaForce®-7817 L60 MR adhesive, experimental results led to reproducible behaviour. These results underline that the evolutions of the non linear strains strongly depend on the loading type. This behaviour is well described using a visco-elastic-visco-plastic model with non-linear viscous parameters. This model, implemented in 3D finite element simulations, allows analysing the influence of viscosity. In order to limit the experimental test time the inverse identification of the model parameters is performed from modified Arcan creep-relaxation tests. The finite element simulations of bonded structures allowing an efficient description of the cyclic behaviour and using an adequate failure criterion based on the viscous strains evolutions, a validation on fatigue life predictions is performed. This work is dedicated to the study of fatigue of bonded structures in offshore windmills applications. From this strategy a fatigue life estimation of composite structures tests and on an application test is proposed.

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

Ces dernières années, les modes de Lamb à vitesse de groupe nulle (ZGV) se sont révélés être un outil efficace pour sonder localement et précisément l'épaisseur d'un échantillon ou les propriétés mécaniques de matériaux isotropes ou anisotropes. Ce type particulier d'ondes guidées, telles de fortes résonances locales de la structure, résulte de l'interférence de deux ondes de Lamb ayant une vitesse de phase opposée et coexistant pour un couple fréquence-nombre d'ondes particulier. Les ultrasons laser ont démontré leur capacité à générer et détecter efficacement de telles résonances locales dans la gamme des MHz. En effet, la configuration tout optique, constituée d'une source laser pulsée pour générer les ondes élastiques et d'un interféromètre pour sonder le déplacement normal associé, évite tout contact avec l'échantillon, limitant ainsi l'élargissement ou la suppression de résonances. L'utilisation de modes ZGV pour suivre la fatigue des matériaux et sonder des phénomènes non linéaires reste cependant un défi et constitue le cœur des travaux de recherche présentés ici. La partie théorique porte sur la compréhension de l’effet de la fatigue mécanique sur les modes ZGV à travers l’analyse fréquence-nombre d’ondes des modes de Lamb. La partie expérimentale est consacrée à l’application de cette technique pour l'ECND et le suivi de la fatigue de plaques métalliques minces. Les modes ZGV en ultrasons laser montrent un grand potentiel pour localiser les dommages dus à la fatigue, prédire la vie en fatigue et évaluer qualitativement, voire quantitativement, les différents stades de dommages causés par la fatigue. / In recent years, zero-group-velocity (ZGV) Lamb modes have proven to be an efficient tool to probe locally and very accurately the thickness of a sample or the mechanical properties of either isotropic or anisotropic materials. This particular type of guided waves, corresponding to sharp local resonances of the structure, results of the interference of two Lamb waves having opposite phase velocity and coexisting at a couple given frequency-wavenumber. The laser ultrasonic technique has demonstrated its ability to efficiently generate and detect such local resonances within the MHz frequency range. Indeed, the all-optical setup, consisting of a pulsed laser source to generate elastic waves and of an interferometer to probe the associated normal displacement, avoids any contact with the sample, hence limiting the broadening or suppression of the resonances. Yet, the use of ZGV Lamb modes to monitor material fatigue and to probe nonlinear phenomena remains challenging and is the core of the here-reported research. The theoretical part of this PhD research deals with the understanding of the effect of mechanical fatigue on ZGV Lamb modes through the frequency-wavenumber analyzes of the Lamb waves. The experimental part of the PhD research is dedicated to the application of this technique for the nondestructive characterization and for the monitoring of mechanical and thermal fatigue of thin metal plates. Zero-group-velocity Lamb modes in laser ultrasonics shows great promises to locate fatigue damage, to predict the fatigue lifetime, and to qualitatively, and even quantitatively, assess the different stages of fatigue damage in   m- to potentially cm-thick solid plates.

Dans ce mémoire, des méthodes spectrales basées sur la transformée de Fourier rapide ("fast Fourier transform" en anglais notée "FFT") sont développées pour résoudre les équations de champs et d’évolution des densités de dislocations polarisées ou géométriquement nécessaires dans la théorie de la mécanique des champs de dislocations ("Field Dislocations Mechanics" en anglais et notée "FDM") et de son extension phénoménologique et mésoscopique ("Phenomenological Mesoscopic Field Dislocations Mechanics" en anglais et notée "PMFDM"). Dans un premier temps, une approche spectrale a été développée pour résoudre les équations élasto-statiques de la FDM pour la détermination des champs mécaniques locaux provenant des densités de dislocations polarisées et des hétérogénéités élastiques présentes dans les matériaux de microstructure supposée périodique et au comportement élastique linéaire. Les champs élastiques sont calculés de façon précise et sans oscillation numérique même lorsque les densités de dislocations sont concentrées sur un seul pixel (pour les problèmes à deux dimensions) ou sur un seul voxel (pour les problèmes à trois dimensions). Ces résultats sont obtenus grâce à l’application de formules de différenciation spatiale pour les dérivées premières et secondes dans l’espace de Fourier basées sur des schémas à différences finies combinées à la transformée de Fourier discrète. Les résultats obtenus portent sur la détermination précise des champs élastiques des dislocations individuelles de types vis et coin, et des champs élastiques d’interaction entre des inclusions de géométries variées et différentes distributions de densités de dislocations telles que les dipôles ou les boucles de dislocations dans un matériau composite biphasé et des microstructures tridimensionnelles. Dans un second temps, une approche spectrale a été développée pour résoudre de façon rapide et stable l’équation d’évolution spatio-temporelle des densités de dislocations dans la théorie FDM. Cette équation aux dérivées partielles, de nature hyperbolique, requiert une méthode spectrale avec des filtres passe-bas afin de contrôler à la fois les fortes oscillations inhérentes aux approches FFT et les instabilités numériques liées à la nature hyperbolique de l’équation de transport. La validation de cette approche a été effectuée par des comparaisons avec les solutions exactes et les méthodes éléments finis dans le cadre de la simulation des phénomènes physiques d’annihilation ou d’extension/annihilation de boucles de dislocations. En dernier lieu, une technique numérique pour la résolution des équations de la PMFDM est développée dans le cadre d’une formulation FFT pour un comportement élasto-visco-plastique avec la prise en compte de la contribution des dislocations géométriquement nécessaires et statistiquement stockées ainsi que des conditions de saut de la distorsion plastique aux interfaces de type joint de grains ou joint de phases. Cette technique est par la suite appliquée à la simulation de la déformation plastique de structures modèles telles que des microstructures périodiques à canaux et des polycristaux métalliques / Fast Fourier transform (FFT)-based methods are developed to solve both the elasto-static equations of the Field Dislocation Mechanics (FDM) theory and the dislocation density transport equation of polarized or geometrically necessary dislocation (GND) densities for FDM and its mesoscopic extension, i.e. the Phenomenological Mesoscopic Field Dislocations Mechanics (PMFDM). First, a numerical spectral approach is developed to solve the elasto-static FDM equations in periodic media for the determination of local mechanical fields arising from the presence of both polarized dislocation densities and elastic heterogeneities for linear elastic materials. The elastic fields are calculated in an accurate fashion and without numerical oscillation, even when the dislocation density is restricted to a single pixel (for two-dimensional problems) or a single voxel (for three-dimensional problems). These results are obtained by applying the differentiation rules for first and second derivatives based on finite difference schemes together with the discrete Fourier transform. The results show that the calculated elastic fields with the present spectral method are accurate for different cases considering individual screw and edge dislocations, the interactions between inhomogeneities of various geometries/elastic properties and different distributions of dislocation densities (dislocation dipoles, polygonal loops in two-phase composite materials). Second, a numerical spectral approach is developed to solve in a fast, stable and accurate fashion, the hyperbolic-type dislocation density transport equation governing the spatial-temporal evolution of dislocations in the FDM theory. Low-pass spectral filters are employed to control both the high frequency oscillations inherent to the Fourier method and the fast-growing numerical instabilities resulting from the hyperbolic nature of the equation. The method is assessed with numerical comparisons with exact solutions and finite element simulations in the case of the simulation of annihilation of dislocation dipoles and the expansion/annihilation of dislocation loops. Finally, a numerical technique for solving the PMFDM equations in a crystal plasticity elasto-viscoplastic FFT formulation is proposed by taking into account both the time evolutions of GND and SSD (statistically stored dislocations) densities as well as the jump condition for plastic distortion at material discontinuity interfaces such as grain or phase boundaries. Then, this numerical technique is applied to the simulation of the plastic deformation of model microstructures like channel-type two-phase composite materials and of polycrystalline metals

L’essai de type simple recouvrement est très largement utilisé dans l’industrie automobile pour évaluer la compatibilité entre une tôle d’acier et une colle. Dans ce cadre, deux critères de validation ont été définis par les constructeurs automobiles : un chargement à rupture minimum, et un facies de rupture cohésif. La rupture au niveau de l’interface colle/acier (rupture interfaciale), ne permet pas d’attester d’une bonne adhésion entre la colle et la tôle, elle n’est donc pas acceptée. Ainsi dans certains cas, l’assemblage n’est pas validé à cause de son faciès de rupture, même s’il démontre une résistance mécanique élevée. Une meilleure compréhension du phénomène de rupture interfaciale permettrait d’adapter le cahier des charges des constructeurs automobiles. Le premier objectif de la thèse a été de comprendre les mécanismes de rupture qui peuvent engendrer une rupture interfaciale. Des études expérimentales et numériques ont montré que la rigidité de la tôle a une forte influence sur la cinématique de déformation de l’éprouvette (rotation, plasticité de la tôle, effet de bords), et qu’elle influe beaucoup sur le faciès de rupture. La déformation plastique de la tôle semble être un paramètre-clef favorisant la rupture interfaciale. En effet, une étude à l’échelle microscopique sur la structure hétérogène du revêtement galvanique de la tôle a mis en évidence la présence de déformations localisées très importantes, qui semblent capable d’endommager l’interface collée. Le second objectif de la thèse a été de caractériser mécaniquement une interface tôle/adhésif. Deux méthodes complémentaires ont été proposées. La première consistait à caractériser l’interface dans des conditions « pures » de sollicitation, grâce à l’essai Arcan modifié. La seconde méthode a permis d’évaluer la capacité de l’interfaces à résister à un effet de bord, grâce à un essai de flexion trois points sur une éprouvette en coin. / The single lap-shear test is widely used by carmakers to characterize the adhesion of bonded joints. Two criteria govern the validation of the adhesion properties in the bonded joints: the shear strength and the failure mode which has to be cohesive. However, in some special cases, particularly when thin mild galvanized steel substrates were bonded with structural toughened adhesive, an interfacial pattern is obtained instead of cohesive failure. So the bonded assembly is not accepted even if its shear load at failure is high. A better understanding of the interfacial failure is required to adapt the carmakers specifications. The first objective of the PhD thesis was to analyze the critical phenomenon which favor the interfacial failure during single lap test. Substrate rigidity has significant effect on the failure pattern, because it influences the kinematic of deformation of the sample (rotation, steel plasticity, edge effect). Steel plasticity has been identified as a key factor for interfacial failure. The galvanized coating of the steel has a heterogeneous structure, which generate significant heterogeneous strain that could damage the interface. The second objective was to characterize the strength of the substrate-adhesive interface. Two methods have been proposed. The first one enable to measure the strength of an interface which homogeneous loading without edge effect (modified Arcan test). In the second method, the interface capability to resist to edge effects has been assessed. Thus, three different interfaces have been characterized using a three point bending test and thanks to an optical microscopy in situ analysis.