L'objectif de ce travail est la simulation par éléments finis de la déchirure ductile des tôles minces en alliage d'aluminium 2024. La méthode est basée sur l'approche locale de la rupture. Les observations métallographiques indiquent deux mécanismes de rupture. Si la pression hydrostatique est élevée, la rupture intervient par striction interne. Dans le cas contraire, la rupture intervient par localisation de la déformation en bande à 45 degrés. Dans les éprouvettes de fissuration Kahn et M(T), les mécanismes de rupture sont identiques. Les simulations sont basées sur une extension du modèle de Rousselier incluant une représentation de l'anisotropie plastique et de la germination de porosités.<br />Un nouveau critère de plasticité anisotrope est spécifiquement développé. Il s'agit d'une extension du critère de Karafillis et Boyce (1993). Le modèle est appliqué à deux nuances dont la teneur en particules intermétalliques est différente. Les paramètres sont ajustés sur de petites éprouvettes pour le matériau à haute pureté. La transférabilité est vérifiée sur les grands panneaux M(T). Le transfert vers le matériau ayant la plus forte teneur en particules intermétalliques est fait en modifiant la taille de maille dans le même rapport que l'espacement inter-particules. Le modèle est utilisé comme un outil numérique afin d'étudier les effets de la loi d'écrouissage, d'une pré-traction ou de l'anisotropie plastique sur la résistance à la propagation de fissure. Il est alors possible de proposer des voies d'amélioration du matériau.

Les chargements thermomécaniques caractéristiques des moteurs de fusée sont souvent complexes et induisent, en particulier, des fluctuations rapides et importantes de la température. Dans ce contexte, la qualification du comportement des matériaux métalliques requiert la mise en oeuvre d'une approche cohérente avec les différentes réponses observées expérimentalement sur une large gamme de température. Celle ci est appliquée, dans notre étude, à la modélisation du comportement élasto viscoplastique et de l'endommagement de deux alliages utilisés dans l'industrie aérospatiale : l'Inconel 600 et le Narloy Z. Les spécificités relatives aux différentes étapes de caractérisation expérimentale, modélisation et identification des modèles sont explicitées, de façon à dégager les éléments de généralisation de la démarche. Ceci permet d'envisager l'application des différents résultats obtenus à des problématiques concrètes telles que la prédiction de la durée de vie de nouveaux composants.

Viele technische Prozesse führen auf Randwertprobleme mit partiellen Differentialgleichungen, die mit Finite-Elemente-Methoden näherungsweise gelöst werden können. Spezielle Varianten dieser Methoden sind Finite-Elemente-Mortar-Methoden. Sie erlauben das Arbeiten mit an Teilgebietsschnitträndern nichtzusammenpassenden Netzen, was für Probleme mit komplizierten Geometrien, Randschichten, springenden Koeffizienten sowie für zeitabhängige Probleme von Vorteil sein kann. Ebenso können unterschiedliche Diskretisierungsmethoden in den einzelnen Teilgebieten miteinander gekoppelt werden. In dieser Arbeit wird das Finite-Elemente-Mortaring nach einer Methode von Nitsche für elliptische Randwertprobleme auf zweidimensionalen polygonalen Gebieten untersucht. Von besonderem Interesse sind dabei nichtreguläre Lösungen (u \in H^{1+\delta}(\Omega), \delta>0) mit Eckensingularitäten für die Poissongleichung sowie die Lamé-Gleichung mit gemischten Randbedingungen. Weiterhin werden singulär gestörte Reaktions-Diffusions-Probleme betrachtet, deren Lösungen zusätzlich zu Eckensingularitäten noch anisotropes Verhalten in Randschichten aufweisen. Für jede dieser drei Problemklassen wird das Nitsche-Mortaring dargelegt. Es werden einige Eigenschaften der Mortar-Diskretisierung angegeben und a-priori-Fehlerabschätzungen in einer H^1-artigen sowie der L_2-Norm durchgeführt. Auf lokal verfeinerten Dreiecksnetzen können auch für Lösungen mit Eckensingularitäten optimale Konvergenzordnungen nach gewiesen werden. Bei den Lösungen mit anisotropen Verhalten werden zusätzlich anisotrope Dreiecksnetze verwendet. Es werden auch hier Konvergenzordnungen wie bei klassischen Finite-Elemente-Methoden ohne Mortaring erreicht. Numerische Experimente illustrieren die Methode und die Aussagen zur Konvergenz.

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En sciences et dans l'industrie pour limiter le nombre de maquettes expérimentales dans les projets R&D afin de mieux comprendre et de bien interpréter les phénomènes ultrasonores complexes observés sur site, des simulations de contrôles ultrasonores sont effectuées. Ces simulations sont d'autant plus réalistes que la description des structures à contrôler est précise, en particulier au niveau des constantes d'élasticité et d'atténuation intrinsèque. Les objectifs de cette étude sont d'améliorer d'une part les connaissances sur l'influence des caractéristiques métallurgiques des matériaux anisotropes et hétérogènes sur la propagation ultrasonore et d'autre part les performances des codes de calcul (logiciel ATHENA d'EDF) qui nécessitent de disposer des données d'entrée pertinentes, notamment en ce qui concerne les constantes d'élasticité et l'atténuation ultrasonore. Cette étude est dédiée à la caractérisation des matériaux à gros grains, comme les aciers austéno-ferritiques moulés par centrifugation et les soudures en acier inoxydable austénitique ou en alliages à base nickel. Un système expérimental unique permettant de mesurer les constantes d'élasticité et l'atténuation en incidence oblique à été mis au point. Le point fort de ce dispositif est qu'il permet de travailler au-delà de l'angle critique longitudinal et donc de mesurer les propriétés d'atténuation des ondes transversales. Les constantes d'élasticité sont déduites des vitesses ultrasonores à partir d'un processus d'optimisation basé sur la résolution de problème inverse. Nous avons montré les potentialités d'algorithmes d'optimisation globaux tels que les algorithmes génétiques moins susceptibles de converger vers des minima locaux de la fonction à minimiser. Les résultats obtenus à partir des mesures expérimentales sont en accord avec la littérature. Des résultats de l'atténuation des ondes longitudinales et transversales par décomposition du faisceau en spectre d'ondes planes sont présentés.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire concernent la prédiction et l'amélioration des performances des machines-outils à structure parallèle dans le but de produire des pièces conformes à la qualité requise en un temps minimal. Le problème abordé permet de déterminer l'influence de la structure sur la productivité et la qualité de la pièce usinée dans le contexte de l'Usinage à Grande Vitesse de pièces automobiles et aéronautiques. Ce travail propose alors des avancées suivant deux axes fondamentaux : - la modélisation du comportement anisotrope de la cellule d'usinage ; - la proposition de nouvelles méthodes d'adaptation du processus.Ces deux axes sont dans un premier temps abordés vis-à-vis d'un objectif d'amélioration des temps de déplacement d'outil hors matière. La méthode développée nécessite l'élaboration d'un modèle cinématique des déplacements hors matière spécifique à chaque structure de machine outil et basé sur l'utilisation d'une loi de commande articulaire. Un outil d'aide à la mise en place d'un usinage sur machine-outil à structure parallèle est ensuite proposé. Cet outil repose sur un modèle numérique de comportement cinématique utilisant une loi de commande de déplacement dans le repère lié à la pièce permettant de prédire le temps d'usinage en fonction des trajectoires. L'optimisation du processus d'usinage s'appuie également sur la prédiction de la qualité d'usinage. Pour cela, un modèle expérimental basé sur une campagne de mesures effectuée sur la machine-outil considérée a été développé. Ces approches sont appliquées à des usinages de pièces industrielles sur la machine-outil PCI Tripteor X7. Leur originalité réside dans l'amélioration des performances des machines-outils à structure parallèle à partir de l'analyse du comportement durant l'usinage et permet, par conséquent, d'étendre leur domaine d'application.

Dans le cadre de l’étude des phénomènes magnétiques et de la spintronique qui sont présents aux échelles nanoscopiques nous avons étudié différents aspects des structures asymétriques de Pt/Co/AlOx. L’un des objectifs de cette thèse est le contrôle de l’oxydation et des propriétés magnétiques de ces multicouches. Nous avons combiné les mesures de structures (réflexion de Rayon-X), transports (Effet Hall anormal), et magnétiques (VSM-SQUID) afin de déterminer les rôles des effets magnétiques et d’interfaces. Un objectif était d’analyser le rôle de quelques monocouches (MCs) de CoO (qui peut se former lors de la sur oxydation de l’Al) sur les propriétés de la multicouche. Nous avons utilisé une technique de déposition avec un gradient d’épaisseur pour contrôler l’oxydation à l’échelle nanométrique. Nous avons établis que quelques monocouches (MCs) de CoO a un impact sur l’anisotropie de a multicouche. Pour approfondir l’effet de la couche de CoO, nous avons construit des bicouches ultrafines de Co(0.6nm)/CoO(0.6nm). Nous avons effectué des mesures refroidi sur champ sur ce système et trouvé un fort effet de couplage d'échange. Ces résultats indiquent que la couche CoO garde une forte anisotropie même en dans la limite des monocouches et permet de réfuter certains modèles sur l’effet d’échange bias et indique que les couches, couramment négligé, de CoO doivent être prises en considération dans le bilan énergétiques du système. Nous avons construits un appareil de mesure perpendiculaire de la magnétorésistance tunnel anisotrope (TAMR) à partir de la structure Pt/Co/AlOx. La TAMR est un effet de spintronique relativement récent dans lequel la rotation d’aimantation dans une électrode magnétique (combiné avec un couplage spin-orbite) peut entrainer un changement de la probabilité de l’effet tunnel, ce qui se manifeste comme un effet de magnétorésistance. Nous avons démontré qu’un contrôle précis de l’état d’oxydation est essentiel pour l’effet TAMR. La forte anisotropie magnétique induite nous permet d’atteindre des valeurs de TAMR plus grande comparée à celle des structures Pt/Co/AlOx. / In the context of studying magnetic and spintronics phenomena occurring at the nanoscale, we investigated several aspects of Pt/Co/AlOx asymmetric structures. One of the objectives of this thesis was the control of the oxidation and the tailoring of the magnetic properties of these multilayers. We combined structural (X-Ray Reflectivity), transport (Anomalous Hall Effect) and magnetic measurements (VSM-SQUID), to study the interplay of magnetic and interfacial effects. One objective was to analyze the role that few monolayers (MLs) of CoO (which can form when overoxidizing the Al layer), could have on the properties of the stack. We used a wedge deposition techniques to control the oxidation on a subnanometer scale. We established that few MLs of CoO largely affect the total anisotropy of the stack. To further investigate the impact of the CoO, we engineered ultrathin Co(0.6nm)/CoO(0.6nm) bilayers. We performed field cooled measurements on this system and we found a large exchange bias anisotropy. These results indicate that the CoO keeps a large anisotropy even in the ML regime, help to rule out some of the models proposed to explain the exchange bias effect and imply that the usually neglected CoO presence must be considered in the energy balance of the system. We build perpendicular Tunneling Anisotropic MagnetoResistance (TAMR) devices based on the Pt/Co/AlOx structure. The TAMR is a relatively new spintronics effect in which the rotation of the magnetization in a single magnetic electrode (combined with the Spin-Orbit Coupling) can cause a change of the tunnel probability, which manifests as a magnetoresistance effect. We demonstrated that a careful control of the interface oxidation is crucial for the TAMR effect. The large induced magnetic anisotropy allowed us to achieve enhanced TAMR values compared to similar Pt/Co/AlOx structures.

The vision driving the work reported herein is to investigate the fluid-structure interac-tion (FSI) effects of the flexible laminated blades for tilt-body micro-air-vehicles (MAV)proprotors in hover and forward flight configurations. This is in order to exploit the po-tential of flexible-bladed proprotor over the rigid-bladed proprotor in the enhancementof proprotor performance during hovering and cruising at a target forward speed. Forthat, the FSI model taking into account the specific problems devoted to MAV-sizedproprotor made of laminate composite was developed. The FSI model combines aerody-namic model adapting Blade Element Momentum (BEM) theory and structural modeladapting Anisotropic Finite Element Beam (AFEM) theory. The aerodynamic model isdeveloped to be capable of adapting in the analysis on low Reynolds number proprotors.In the structural model, the blade is modeled as an elastic beam undergoing deflectionsin flap, lag, and torsion to capture the coupling effects in anisotropic materials, adaptsthe structural analysis on proprotor blades made of laminate composite. The reliabilityof the developed FSI model is verified through a validation on both aerodynamic andstructural models, separately, on several MAV-sized proprotors. As for a direction to theanalysis on passively-adaptive proprotor blades, an optimal design on actively-adaptiveproprotor was carried out. For this, a program for designing the optimum rigid blades atsingle-point (for either isolated cruise-point or isolated hover-point) and multiple-point(combined cruise and hover point) for proprotors have been developed. The proceduresin the optimal design program employs the numerical iterative inverse design method,based upon the minimum thrust induced losses (MIL). Even if the work in this thesiswas directed primarily towards the proprotor, however, the propulsion system from themotor part was not neglected since the propulsion efficiency is a crucial factor to the suc-cess of MAVs. A cheap and time-effective method of proposing the best motor from theselected commercial motors was developed, based on Taguchi’s method. The sensitivityof the total power consumption to the variation of value of each motor design variableswas also studied. The benefit of the use of tip body in the blade and the effect of bendingon the induced twist and on the thrust degradation, respectively, were also analyzed andidentified. Finally, the systematically designed passively-adaptive composite proprotors were evaluated under steady operating conditions. Hovering and cruise propulsive performance, characterized by total power Ptotal, were compared between the rigid-bladed and flexible-bladed proprotors. As a result of the comparison, the flexible-bladed proprotor with fixed system is found to be capable of slightly enhancing the performance through the reduction in Ptotal over its optimal rigid-bladed proprotor. / L’idée principale du travail rapporté ici est d’étudier les effets de l’intéraction fluide-structure (FSI) de pales laminées flexibles pour les proprotors de micro véhicules aériens(MAV) de type tilt-body dans les configurations de vol stationnaire et en avant. Eneffet, le but est d’exploiter les possibilités offertes par les proprotors à pales flexiblespar rapport aux proprotors à pales rigides pour améliorer leur performance dans cesphases de vol. Le modèle FSI a été développé à cet effet. Ce modèle tient compte desproblèmes spécifiques liés aux proprotors de MAV faits de composite laminé. Il com-bine l’adaptation de modèle aérodynamique par la théorie d’élement de pale (BEM) etl’adaptation de modèle structurel par la théorie des éléments finis de poutre anisotropes(AFEM). Le modèle aérodynamique est développé pour être capable de s’adapter àl’analyse des proprotors à bas nombres de Reynolds. Dans le modèle structural, la paleest modélisée comme une poutre élastique subissant des déviations dans la flexion, latraction et la torsion afin de capturer les effets de couplage de matériaux anisotropes.Il adapte l’analyse structurale des pales du proprotor faites de composite laminé. Lafiabilité du modèle FSI développé est vérifiée à travers une validation par modèles aéro-dynamique et structural, séparément, sur plusieurs proprotors de MAV. Afin de se dirigervers une analyse de pales de proprotors à adaptation passive , une recherche de designoptimal a été effectuée pour des proprotor à adaptation active. Pour cela, un programmepour la conception de pales rigides optimales à un unique point de fonctionnement (soitle vol de croisière soit le vol stationnaire) et à plusieurs points (combinant croisière etvol stationnaire) ont été développés. Les procédures du programme de design optimalemploient les mèthodes de design inverse par itération numérique, sur la base de pertesde poussée induites minimales (MIL). Même si le travail dans cette thèse a été dirigéprincipalement vers le proprotor, la partie moteur du système de propulsion n’a pasété négligée puisque l’efficacité de la propulsion est un facteur crucial pour le succès desMAVs. Une méthode simple et rapide de sélection du meilleur moteur parmi les moteurscommerciaux choisis est élaborée sur la base de la méthode de Taguchi. La sensibilitéde la consommation d’énergie totale à la variation de la valeur de chaque variable deconception du moteur a été étudiée. Le bénéfice de l’utilisation de la charge à la pointe de la pale et l’effet de la flexion sur la torsion induite et sur la dégradation de la poussée respectivement ont aussi été analysés et identifiés. Enfin, les proprotors à pales flexibles conçues systématiquement ont été évalués dans des conditions de fonctionnement stables. Performances en vol stationnaire et performances croisière propulsive, caractérisées par la puissance totale Ptotal ont été comparées entre les proprotors à pales rigides et à pales flexibles. En tant que résultat de la comparaison, les proprotors à pales flexibles s’avère capable d’améliorer légèrement les performances par la réduction de la Ptotal surson optimal proprotors à pales rigides.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire concernent la prédiction et l’amélioration des performances des machines-outils à structure parallèle dans le but de produire des pièces conformes à la qualité requise en un temps minimal. Le problème abordé permet de déterminer l’influence de la structure sur la productivité et la qualité de la pièce usinée dans le contexte de l’Usinage à Grande Vitesse de pièces automobiles et aéronautiques. Ce travail propose alors des avancées suivant deux axes fondamentaux : - la modélisation du comportement anisotrope de la cellule d’usinage ; - la proposition de nouvelles méthodes d’adaptation du processus.Ces deux axes sont dans un premier temps abordés vis-à-vis d’un objectif d’amélioration des temps de déplacement d’outil hors matière. La méthode développée nécessite l’élaboration d’un modèle cinématique des déplacements hors matière spécifique à chaque structure de machine outil et basé sur l’utilisation d’une loi de commande articulaire. Un outil d’aide à la mise en place d’un usinage sur machine-outil à structure parallèle est ensuite proposé. Cet outil repose sur un modèle numérique de comportement cinématique utilisant une loi de commande de déplacement dans le repère lié à la pièce permettant de prédire le temps d’usinage en fonction des trajectoires. L’optimisation du processus d’usinage s’appuie également sur la prédiction de la qualité d’usinage. Pour cela, un modèle expérimental basé sur une campagne de mesures effectuée sur la machine-outil considérée a été développé. Ces approches sont appliquées à des usinages de pièces industrielles sur la machine-outil PCI Tripteor X7. Leur originalité réside dans l’amélioration des performances des machines-outils à structure parallèle à partir de l’analyse du comportement durant l’usinage et permet, par conséquent, d’étendre leur domaine d’application. / The research works presented here deal with the prediction and the performance improvement of parallel kinematic machine tools in order to produce machine parts with a specified quality level and in a minimum time. The problem treated allows determining the structure influence on the productivity and the machined part quality in the context of High Speed Machining for automotive and aeronautical parts.So, these works propose improvements along two fundamental ways : - modelling of the machine tool anisotropic behaviour ; - new methods of process adaptation. These approaches lead in a first time to a study of the time taken by the linking tool movement between cutting operations. The developed method is based on the definition of a kinematic model of linking tool movements, specific to each machine-tool and based on a command law defined in the joint workspace. A helpful resource for the setting up of machining with a parallel kinematic machine tool is then proposed. It is based on a numerical model of the kinematic behaviour using a command law of the movement defined in the programming workspace and providing a prediction of machining time. The process optimization is also based on the machining quality prediction brought by an experimental model enhanced by a measurement campaign realized on the considered machine tool. These approaches are applied to industrial parts with the PCI Tripteor X7 machine-tool. Their originality lies in the improvement of parallel kinematic machines tool performances from an analysis of the machine behaviour during the machining, and consequently allows extending their application field.

Résumé : Cette étude a pour objectif de mieux comprendre les mécanismes précurseurs de l'amorçage de fissures dans le cas de métaux ductiles monophasés, comme le cuivre pur, sollicités à des amplitudes de contrainte inférieures à la limite de fatigue conventionnelle et jusqu'à des nombres de cycles atteignant le domaine de la fatigue gigacyclique (Very High Cycle Fatigue, VHCF). Les essais ont été réalisés sur une machine de fatigue ultrasonique à une fréquence de sollicitation de 20 kHz. Les mécanismes précurseurs de l'amorçage des fissures se manifestent (1) sous forme de bandes de glissement qui apparaissent sur la surface de l'éprouvette et (2) par un auto-échauffement du matériau dû à la dissipation intrinsèque. Les cartographies de température de la surface des éprouvettes nous ont permis d'estimer des dissipations d'énergie moyennes et de caractériser leur évolution avec le nombre de cycles et l'amplitude de contraintes. En parallèle, l'évolution du relief de la surface, initialement lisse et sans contrainte résiduelle, a été analysée à partir d'observations en microcopie optique, électronique à balayage et à force atomique. Nous avons établi que l'amplitude de contrainte nécessaire pour faire apparaître les premières bandes décroit en fonction du nombre de cycles. Des analyses EBSD, couplées à des calculs éléments finis intégrant l'anisotropie élastique des grains, ont révélé le rôle clé (1) des joints de macles et (2) du glissement dévié dans l'amorçage de bandes de glissement intenses.Mots clés : Fatigue gigacyclique, Bandes de glissement, Microplasticité cyclique, Dissipation, Anisotropie élastique, Simulation multicristalline, Thermographique infrarouge. / Abstract : This work aims to better understanding mechanisms leading to crack initiation in ductile single phase metals such as pure copper, loaded stress amplitudes lower than the conventional fatigue threshold and after about 109 cycles, the so-called Very High Cycle Fatigue regime. Tests were conducted using an ultrasonic technique at loafing frequency of 20 kHz. The mechanisms leading to crack initiation express (1) via slip bands at the specimen surface and (2) via self-heating due to intrinsic dissipation. Thermal maps were used to estimate the mean dissipation and its change with number of cycles and stress amplitudes. At the same time, the surface relief changes were characterized using optical, scanning electronic and atomic force microscopes. The stress amplitude required to observe the slip bands was found to decrease as a function of number of cycles. EBSD investigations combined with finites elements simulations accounting for elastic anisotropy of copper revealed the key role of (1) twin boundaries and (2) cross slip in slip band initiation.Keywords : Very High Cycle Fatigue, Slip bands, Cyclic microplasticity, Dissipation, Elastic anisotropy, Multicrystals simulation, Infrared thermography.