L'utilisation croissante des polymères dans les structures industrielles est impulsée par le besoin de réduction du cycle/coût de production ainsi que de l'allègement des structures. Dans l'industrie automobile, PSA Peugeot Citroën s'est lancé sur une problématique liée au dimensionnement d'un procédé d'assemblage de pièces plastiques par vissage-taraudage. Le principe du procédé consiste à réaliser le taraudage directement lors du montage de la pièce <> en polymère en utilisant une vis métallique auto-taraudeuse. Il s'agissait alors d'être capable de modéliser numériquement par éléments finis l'opération de vissage-taraudage. Cet outil numérique offre ensuite la possibilité de mener des plans d'expériences plus larges en étudiant l'influence d'un plus grand nombre de paramètres à des fins d'optimisation de procédé d'assemblage impliquant les polymères. Les premières investigations ont montré qu'il s'agissait d'un problème thermo-mécanique complexe où toutes les composantes de déformation des matériaux polymères sont sollicitées : élastique, visqueuse, plastique et volumique. La démarche suivie est donc celle de l'approche locale de la rupture qui nécessite des observations fines des micro-mécanismes de déformation et d'endommagement suivies d'une modélisation par éléments finis s'inspirant de ces micro-mécanismes. Les données expérimentales se basent sur les variables mesurables à partir des essais mécaniques, enrichies par des observations en tomographie X. Cette technique non destructive révélant des images en 3D a permis de caractériser la morphologie et la distribution de la porosité en fond de filet. La prise en compte de cette porosité a été réalisée à l'aide d'un modèle issu de la mécanique des milieux poreux : le modèle de Gurson-Tvergaard-Needleman adapté aux matériaux polymères. Le modèle identifié a permis de construire un diagramme sur lequel peut s'appuyer le choix de la vitesse de rotation optimale du procédé de vissage-taraudage. Une alternative consistant en un assemblage de type vis polymère/écrou polymère a été également étudiée. Grâce à l'approche locale dont le critère de rupture est basé sur la porosité critique, le point faible de l'assemblage ainsi que sa tenue mécanique présumée à partir du niveau d'endommagement atteint en ce point ont pu être estimés.

La cuve des réacteurs à eau sous pression forme la seconde barrière de confinement de l'assemblage combustible nucléaire. Dans les centrales françaises, elle est constituée d'acier 16MND5 faiblement allié (équivalent de la nuance ASTM A508 Cl.3). Diverses techniques expérimentales (microscopie électronique, diffraction des rayons X etc.) sont mises en oeuvre lors d'essais de tractions in-situ afin de mettre en évidence les hétérogénéités mécaniques apparaissant au sein du matériau. Ces mesures se font en cours de sollicitation pour diverses basses températures [-150°C;-60°C]. Les hétérogénéités mécaniques sont principalement dues aux deux aspects "polycristallins" et "composite"(effet des amas de cémentite) de la microstructure. Des écarts de contraintes résiduelles interphases (jusqu''a 150 MPa en moyenne entre bainite et ferrite), et intraphases (jusqu''a 100 MPa en moyenne par orientation pour la ferrite) sont mis en évidence. Une modélisation complexe est mise en oeuvre afin de représenter le comportement. Elle inclut une loi micromécanique, un modèle de transition d'échelle, et une représentation par éléments finis d'agrégats 3D, le tout associé dans une démarche multi-échelles. L'identification se fait sur le comportement à différentes températures, et permet de reproduire les hétérogénéités de contraintes mises en évidence expérimentalement. Cette modélisation sert de base à l'application déterministe d'un critère local de rupture fragile micromécanique et cristallographique. L'utilisation de divers tirages de répartitions de carbures réalistes permet d'obtenir une probabilité de rupture du volume élémentaire en accord avec les hypothèses formulées par l'approche locale de la rupture. A ceci près que contrairement aux approches habituelles, on ne suppose pas de dépendance de cette probabilité par rapport au chargement ou à la microstructure, celle-ci est naturellement introduite.

L'utilisation croissante des polymères dans les structures industrielles est impulsée par le besoin de réduction du cycle/coût de production ainsi que de l'allègement des structures. Dans l'industrie automobile, PSA Peugeot Citroën s'est lancé sur une problématique liée au dimensionnement d'un procédé d'assemblage de pièces plastiques par vissage-taraudage. Le principe du procédé consiste à réaliser le taraudage directement lors du montage de la pièce <<portée>> en polymère en utilisant une vis métallique auto-taraudeuse. Il s'agissait alors d'être capable de modéliser numériquement par éléments finis l'opération de vissage-taraudage. Cet outil numérique offre ensuite la possibilité de mener des plans d'expériences plus larges en étudiant l'influence d'un plus grand nombre de paramètres à des fins d'optimisation de procédé d'assemblage impliquant les polymères. Les premières investigations ont montré qu'il s'agissait d'un problème thermo-mécanique complexe où toutes les composantes de déformation des matériaux polymères sont sollicitées : élastique, visqueuse, plastique et volumique. La démarche suivie est donc celle de l'approche locale de la rupture qui nécessite des observations fines des micro-mécanismes de déformation et d'endommagement suivies d'une modélisation par éléments finis s'inspirant de ces micro-mécanismes. Les données expérimentales se basent sur les variables mesurables à partir des essais mécaniques, enrichies par des observations en tomographie X. Cette technique non destructive révélant des images en 3D a permis de caractériser la morphologie et la distribution de la porosité en fond de filet. La prise en compte de cette porosité a été réalisée à l'aide d'un modèle issu de la mécanique des milieux poreux : le modèle de Gurson-Tvergaard-Needleman adapté aux matériaux polymères. Le modèle identifié a permis de construire un diagramme sur lequel peut s'appuyer le choix de la vitesse de rotation optimale du procédé de vissage-taraudage. Une alternative consistant en un assemblage de type vis polymère/écrou polymère a été également étudiée. Grâce à l'approche locale dont le critère de rupture est basé sur la porosité critique, le point faible de l'assemblage ainsi que sa tenue mécanique présumée à partir du niveau d'endommagement atteint en ce point ont pu être estimés. / The increasing use of polymers in engineering structures is promoted by the need to reduce both cycle/cost production and the weight of these structures. PSA Peugeot Citroën initiated research works to design the assembling process using metallic screwing/threading on polymers. It consists in directly taping the polymeric piece during the mounting operation by using self-threading metallic screw. The final objective of the work deals with the ability to numerically (finite element) model the screwing/threading operation. This numerical tool offers the possibility to perform a large campaign of study highlighting the sensitivity of the assembly procedure to a significant range of parameters. The first investigations showed that this problem consisted of complex thermo-mechanical loading for which all the deformation components of the polymeric material were involved: elastic, viscous, plastic and volumetric. The study was performed within the framework of the local approach to fracture, that required fine examinations of the micro-mechanisms of deformation and damage within the polymer. The experimental database were composed of measurable variables obtained from mechanical tests together with a comprehensive X-ray tomographic inspections. This latter non destructive technique revealing 3D images of the deformed microstructure allowed for characterization of the morphology and the distribution of voids within the polymer in the vicinity of the crest. To account for void volume fraction, a model from the mechanics of porous media was utilized: the Gurson-Tvergaard-Needleman model, modified for polymeric materials studies. The present model allowed for a construction of a failure assessment diagram that would permit to optimize the screwing rotation speed of the screwing-tapping process. An alternative solution consisting of an assembly composed of polymeric screw and polymeric nut was additionally investigated. Thanks to the local approach of fracture criterion based on the critical porosity, the weakest point of the assembly as well as its mechanical residual strength were estimated.

Cette thèse est une contribution à la construction de l'Approche Locale de la rupture à l'échelle microscopique à l'aide de la modélisation d'agrégats polycristallins. Elle consiste à prendre en compte la variabilité spatiale de la microstructure du matériau. Pour ce faire, la modélisation micromécanique du matériau est réalisée par la simulation d'agrégats polycristallins par éléments finis. Les champs aléatoires de contrainte (principale maximale et de clivage) dans le matériau qui représentent la variabilité spatiale de la microstructure sont ensuite modélisés par un champ aléatoire gaussien stationnaire ergodique. Les propriétés de variabilité spatiale de ces champs sont identifiés par une méthode d'identification, e.g. méthode du périodogramme, méthode du variogramme, méthode du maximum de vraisemblance. Des réalisations synthétiques des champs de contraintes sont ensuite simulées par une méthode de simulation, e.g. méthode Karhunen-Loève discrète, méthode "Circulant Embedding", méthode spectrale, sans nouveau calcul aux éléments finis. Enfin, le modèle d'Approche Locale de la rupture par simulation de champ de contrainte de clivage permettant d'y intégrer les réalisations simulées du champ est construit pour estimer la probabilité de rupture du matériau.

Cette thèse est une contribution à la construction de l’Approche Locale de la rupture à l’échelle microscopique à l’aide de la modélisation d’agrégats polycristallins. Elle consiste à prendre en compte la variabilité spatiale de la microstructure du matériau. Pour ce faire, la modélisation micromécanique du matériau est réalisée par la simulation d’agrégats polycristallins par éléments finis. Les champs aléatoires de contrainte (principale maximale et de clivage) dans le matériau qui représentent la variabilité spatiale de la microstructure sont ensuite modélisés par un champ aléatoire gaussien stationnaire ergodique. Les propriétés de variabilité spatiale de ces champs sont identifiés par une méthode d’identification, e.g. méthode du périodogramme, méthode du variogramme, méthode du maximum de vraisemblance. Des réalisations synthétiques des champs de contraintes sont ensuite simulées par une méthode de simulation, e.g. méthode Karhunen-Loève discrète, méthode “Circulant Embedding”, méthode spectrale, sans nouveau calcul aux éléments finis. Enfin, le modèle d’Approche Locale de la rupture par simulation de champ de contrainte de clivage permettant d’y intégrer les réalisations simulées du champ est construit pour estimer la probabilité de rupture du matériau. / This thesis is a contribution to the construction of the Local Approach to fracture at the microscopic scale using polycrystalline aggregate modeling. It consists in taking into account the spatial variability of the microstructure of the material. To do this, the micromechanical modeling is carried out by finite element analysis of polycrystalline aggregates. The random stress fields (maximum principal et cleavage stress) in the material representing the spatial variability of the microstructure are then modeled by a stationary ergodic Gaussian random field. The properties of the spatial variability of these fields are identified by an identification method, e.g. periodogram method, variogram method, maximum likelihood method. The synthetic realizations of the stress fields are then simulated by a simulation method, e.g. discrete Karhunen-Loève method, circulant embedding method, spectral method, without additional finite element calculations. Finally, a Local Approach to fracture by simulation of the cleavage stress field using the simulated realizations is constructed to estimate the rupture probability of the material.