Dans le domaine de la mise en forme industrielle, des outils de simulation comme le logiciel Pam-stamp 2G permettent entre autres le prototypage et l’optimisation numérique des produits, réduisant ainsi les coûts expérimentaux de mise au point. Les éléments finis de type coques en hypothèse d’état plan de contrainte demeurent les plus utilisés car ils permettent une prise en compte réaliste des déformations majeures de membrane et de flexion. Cependant, de par leur définition, la contrainte normale pouvant apparaitre en cas de compression du flan dans la direction de l’épaisseur ou encore de flexion extrême sur petit rayon est systématiquement omise. De plus, Il existe de nouveaux procédés de mise en forme de tôle, comme le pliage/sertissage/emboutissage avec laminage et/ou écrasement ainsi que l’hydroformage, qui ne peuvent pas être traités avec ces formulations d’éléments coques classiques. L’utilisation de couches d’éléments volumiques est souvent considérée comme une alternative non convenable aux simulations de ces procédés. Outre le très haut coût CPU, s’ajoutent le rendu parfois non réaliste ainsi que la complexité liée à la découpe du maillage du flan. Récemment, des éléments de type “solid-shell” ont été mis à contribution mais requièrent des améliorations quant à leurs lois de comportements. L’objectif d’ESI group consiste en l’élaboration, l’évaluation, l’implémentation et la validation industrielle d’une nouvelle formulation d’élément fini. Cet élément devra permettre la gestion d’une éventuelle variation d’épaisseur avec prise en compte réaliste de la contrainte normale, tout en assurant des résultats dignes de ceux d’une coque conventionnelle en flexion. Une nouvelle formulation de type coque 3D est ainsi d’abord proposée. Des éléments coques triangulaires et quadrangulaire en théorie de Mindlin et de Kirchhoff sont utilisés. Cette approche est d’abord développée dans un solveur quasi-statique implicite de l’INSA de Lyon pour validation numérique sur cas académiques linéaires et non linéaires de référence. Une validation expérimentale sur opération de pliage dépliage est également réalisée. Aux vues des non linéarités dues au contact avec frottement, grandes déformations et grands déplacements posant des soucis de convergence en implicite au cours de la simulation d’opérations de mise en forme, la méthode est ensuite développée dans le solveur explicite de l’INSA de Lyon. Seuls les éléments en théorie de Mindlin sont considérés. Les particularités liées à cette méthode de résolution dynamique comme la matrice de masse, le pas de temps critique et l’optimisation du CPU sont traitées. Une nouvelle méthode de contact dédiée aux opérations de mise en forme impliquant du laminage et/ou de l’amincissement est également proposée. Elle permet une transition automatique d’éléments standards vers des éléments coque "3D", palliant ainsi le remaillage. Des essais de mise en forme en U avec ou sans laminage apportent une validation expérimentale concernant le retour élastique. Une fois validées, les techniques et formulations les plus abouties sont implémentées dans le code industriel dédié à la mise en forme Pam-stamp 2G v2011. Après une vérification sur tests de référence, des applications sont enfin menées sur cas critiques inspirés de procédés industriels complexes et nécessitant essentiellement une loi de comportement 3D. / In the sheet metal forming industry, shell elements in plane-stress assumption are employed, as they perform quite well in simulating the major membrane and flexural large deformations involved. However, the normal stress, caused by compression along thickness direction of the blank or local high bending over very small radii, is hence systematically omitted. Besides, when it comes to unusual and challenging processes such as hydro-forming, thinning/thickening, forming with ironing, bottoming and so on, makeshift solutions such as layers of 3D solid hexahedrons or even recent “solid-shell” elements are no longer appropriate. An innovative 3D finite element formulation methodology overcoming the overcoming the plane-stress definition of classification shell elements, while keeping their very good bending assets is first proposed in this work. The method basically consists in adding a central node endowed with two degrees of freedom at the element center. These two extra translations normal to the element mid-plane give a new quadratic displacement field along the shell normal direction. A derivative normal strain can hence be expressed and a linear normal stress comes via a full 3D constructive law. A very pioneering contact technique, dedicated to forming processes with ironing, thinning/bottoming operations and allowing a usual-to-enhanced automatic element switch is developed as well. Once widely assessed, most interesting achievements are implemented in the dynamic explicit industrial code Pam-stamp 2 G v2011 and evaluated over critical industrial forming processes that require essentially a full 3D strain-stress behavior.

Les matériaux composites sont largement employés dans le domaine aérospatial grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques, leur résistance aux chocs et à la fatigue, tout en restant plus légers que les matériaux conventionnels. Au cours des dernières années, l'industrie automobile a montré un intérêt croissant pour les procédés de fabrication et de transformation de matériaux composites à matrice thermoplastiques. Cela favorisé par le développement et l'optimisation des procèdes de mise en forme tels que le thermostampage, en vue de la réduction de temps de cycle. La modélisation et la simulation de ce procédé sont des étapes importantes pour la prédiction des propriétés mécaniques et de la faisabilité technique des pièces à géométrie complexe. Elles permettent d'optimiser les paramètres de fabrication et du procédé lui-même. À cette fin, ce travail propose une approche pour la simulation de la mise en forme des matériaux composites préimprégnés thermoplastiques. Un modèle viscohyperélastique avec une dépendance à la température a été proposé dans l'objectif de décrire le comportement du composite thermoplastique à l'état fondu. Et permets de faire des simulations de mise en forme à différentes températures. Au cours cette simulation, des calculs thermiques et mécaniques sont effectués de manière séquentielle afin d'actualiser les propriétés mécaniques avec l'évolution du champ température. L'identification des propriétés thermiques sont obtenues par homogénéisation à partir des analyses au niveau mésoscopique du matériau. La comparaison de la simulation avec le thermoformage expérimental d'une pièce représentative de l'industrie automobile analyse la pertinence de l'approche proposée. / Pre-impregnated thermoplastic composites are widely used in the aerospace industry for their excellent mechanical properties, impact resistance and fatigue strength all at lower density than other common materials. In recent years, the automotive industry has shown increasing interest in the manufacturing processes of thermoplastic-matrix composites materials, especially in thermoforming techniques for their rapid cycle times and the possible use of pre-existing equipment. An important step in the prediction of the mechanical properties and technical feasibility of parts with complex geometry is the use of modelling and numerical simulations of these forming processes which can also be capitalized to optimize manufacturing practices.This work offers an approach to the simulation of thermoplastic prepreg composites forming. The proposed model is based on convolution integrals defined under the principles of irreversible thermodynamics and within a hyperelastic framework. The simulation of thermoplastic prepreg forming is achieved by alternate thermal and mechanical analyses. The thermal properties are obtained from a mesoscopic analysis and a homogenization procedure. The comparison of the simulation with an experimental thermoforming of a part representative of automotive applications shows the efficiency of the approach.