Ce travail a pour but l'optimisation du dépouillement de l'essai aux barres de Hopkinson dans les cas où une analyse classique ne peut s'appliquer. L'analyse classique suppose, en effet, l'équilibre des efforts imposés à l'échantillon au cours du èhargement. Le comportement est, dans ce 'cas assimilable à une situation quasi-statique et où les champs mécaniques dans l'échantillon sont considérés comme homogènes, donné sous la forme d'une courbe contrainte - déformation. Dans certains cas cependant, cette hypothèse d'équilibre est illicite: l'échantillon doit être considéré comme une structure et non plus comme un élément de matière, puisque les effets d'inertie y jouent un rôle important. Il s'agit alors de trouver le comportement de l'échantillon à partir des efforts et des vitesses mesurées durant l'essai. Ceci constitue un problème de type inverse pour lequel l'information (sur le comportement) réside dans la donnée de conditions aux limites duales. On propose une résolution du problème inverse général qui consiste à déterminer le comportement d'une structure pour laquelle on se donne le chargement à la fois en effort et en déplacement sur la frontière, comme fonctions du temps. Cette analyse permet, dans ce cadre mal posé (et pour des problèmes voisins comme le problème de Cauchy), de donner une solution au problème d'évolution de la structure. La résolution de ce problème inversé répose sur une notion d'écart au comportement, développée et discutée dans ce travail.

L'objectif de la thèse est la caractérisation expérimentale du frottement entre l'acier et un matériau fragile. Les pressions et les vitesses de glissement qu'on cherche à atteindre sont respectivement de l'ordre de 10 à 100 MPa et l'ordre de 10 à 100 m/s. Les tribomètres classiques ne peuvent pas être utilisés car les pressions qu'on cherche à atteindre sont suffisamment élevées pour mener le matériau fragile à rupture. Pour pallier cette difficulté, le matériau doit être confiné. Un échantillon cylindrique du matériau est alors inséré dans un tube en acier qui fait à la fois office de confinement et de surface de frottement. Avec cette configuration, comme nous ne pouvons pas effectuer de mesures directes au niveau de l'interface, les paramètres de frottement sont identifiés à partir de mesures indirectes et de modèles analytique et numérique. Deux types de dispositifs ont été conçus pour effectuer à la fois des essais d'orientation en quasistatique et des essais sur barres de Hopkinson. Les essais quasi-statiques permettent une identification fiable du frottement et montrent que des pressions de 100 MPa peuvent être obtenues avec notre configuration sans dégrader le matériau fragile. En revanche, les essais sur barres de Hopkinson ne donnent pas satisfaction. Un dispositif spécifiquement adapté à la dynamique rapide a alors été conçu. Il permet d'identifier le frottement sous des pressions de 100 MPa et des vitesses de10 m/s.

L’objectif de la thèse est la caractérisation expérimentale du frottement entre l’acier et un matériau fragile. Les pressions et les vitesses de glissement qu’on cherche à atteindre sont respectivement de l’ordre de 10 à 100 MPa et l’ordre de 10 à 100 m/s. Les tribomètres classiques ne peuvent pas être utilisés car les pressions qu’on cherche à atteindre sont suffisamment élevées pour mener le matériau fragile à rupture. Pour pallier cette difficulté, le matériau doit être confiné. Un échantillon cylindrique du matériau est alors inséré dans un tube en acier qui fait à la fois office de confinement et de surface de frottement. Avec cette configuration, comme nous ne pouvons pas effectuer de mesures directes au niveau de l’interface, les paramètres de frottement sont identifiés à partir de mesures indirectes et de modèles analytique et numérique. Deux types de dispositifs ont été conçus pour effectuer à la fois des essais d’orientation en quasistatique et des essais sur barres de Hopkinson. Les essais quasi-statiques permettent une identification fiable du frottement et montrent que des pressions de 100 MPa peuvent être obtenues avec notre configuration sans dégrader le matériau fragile. En revanche, les essais sur barres de Hopkinson ne donnent pas satisfaction. Un dispositif spécifiquement adapté à la dynamique rapide a alors été conçu. Il permet d’identifier le frottement sous des pressions de 100 MPa et des vitesses de10 m/s. / The aim of the thesis is the experimental characterisation of the friction between steel and a brittle material. The desired pressures and the desired sliding velocities are respectively of the order of 10-100 MPa and 10-100 m/s. Usual tribometers cannot be used because the desired pressures are high enough to fracture the brittle material. The material has to be confined to overcome this difficulty. A cylindrical sample of the material is therefore inserted into a steel tube which acts both as a confinement and a sliding surface. Such a configuration does not enable to carry on direct measurements on the interface, the friction parameters are thus identified from indirect measurements and from analytical and numerical models. Two types of set-up have been designed to carry on both quasi-static tests and tests on split Hopkinson pressure bars. Quasi-static tests enable a reliable identification of friction and show that the desired pressures can be reached with our configuration whilst retaining the brittle material integrity. Unfortunately, the results obtained with split Hopkinson pressure bars are not satisfactory. A set-up specifically adapted to dynamic situations has thus been designed. It enables identification of friction under pressure of 100 MPa and velocities of 10 m/s.

Aujourd'hui, en raison des contraintes environnementales et économiques, l'usinage fait parti des domaines en plein développement. Le tournage dur est un procédé récent qui permet d'usiner des aciers traités avec des duretés élevées supérieures à 45 HRc. Il permet en particulier d'obtenir, sans lubrification, des pièces avec un état de surface et une précision proche de ceux issus de la rectification. La maîtrise du procédé d'usinage nécessite la compréhension des mécanismes intervenant dans la zone de coupe. Ces derniers dépendent d'une part de la nature de l'outil utilisé et d'autre part du matériau. Cette étude concerne principalement l'effet de la microstructure d'un acier à roulement sur l'usinabilité et les caractéristiques d'intégrité de surface. Cet acier (100Cr6) a été étudié avec différents états métallurgiques caractérisés par la présence ou non de carbures dans une matrice bainitique ou martensitique. Les deux états métallurgiques ont été étudiés pour des duretés identiques comprises entre 45 HRc et 59 HRc. Plusieurs techniques d'analyses mécaniques et thermiques ont permis de mieux comprendre les mécanismes moteurs lors de la formation des copeaux en usinage dur. En particulier, un thermotribomètre a été utilisé pour décrire l'influence de la microstructure et la dureté sur la tribologie du couple 100Cr6-cBN. En effet, il est montré que le coefficient de frottement augmente avec la présence de carbures. Un banc d'essais de barres Hopkinson a permis d'identifier par approche inverse les lois de comportement de type Johnson-Cook pour les différents états métallurgiques. Les essais ont été conduits sur des éprouvettes chapeaux permettant de reproduire le cisaillement dynamique de la zone primaire de cisaillement générée dans la coupe. L'influence de la dureté sur les constantes d'écoulement a été mise en évidence. Des essais de chariotage ont été ensuite menés. Les résultats ont montré une faible sensibilité des efforts de coupe suivant l'état métallurgique du matériau. Trois comportements différents ont été observés avec la vitesse de coupe. L'évolution de l'intégrité de surface en fonction des paramètres de coupe a été quantifiée par l'analyse de l'état de surface et des contraintes résiduelles. L'état de surface est amélioré pour de faibles avances, pour une dureté de 55 HRc et avec la présence de carbures. Une dureté élevée et l'absence de carbure ont tendance à générer des contraintes superficielles de plus en plus en compression. Des essais complémentaires en coupe orthogonale ont permis d'examiner les aspects thermiques, par caméra CCD-Proche Infrarouge, de la zone de coupe. De plus, l'analyse des copeaux et des couches blanches a été menée. Il est montré que la présence des carbures fait augmenter la température de l'émergence de la zone de cisaillement secondaire alors qu'elle fait diminuer la température de l'émergence de la zone primaire de cisaillement. L'existence de la couche blanche sur la face arrière des copeaux et sur les surfaces usinées a été établie. Il est montré qu'elle est d'autant plus intense pour des vitesses élevées et plus homogène pour l'état métallurgique sans carbure. Un cisaillement très localisé et une élévation de la température favorisent son apparition. Enfin, nous expliquons ces influences à travers une comparaison des résultats obtenus avec ceux de l'étude comportementale.

Dans cette thèse, nous avons étudié, dans une première partie, l'effet d'onde de choc dans les matériaux cellulaires (mousses, nids d'abeilles et sphères creuses). Une nouvelle technique expérimentale originale avec les barres de Hopkinson pour étudier l'effet d'onde de choc dans de tels matériaux complètée par une mesure locale et par la modélisation éléments de tels effets sont présentées. Dans la seconde partie, nous avons mis en place une nouvelle technique de la mesure de la perforation dynamique en utilisant aussi la technique de la mesure avec les barres de Hopkinson : la perforation inversée. Cette technique permet de rendre possible de comparer directement l'histoire de force vs déplacement dynamique avec la quasi statique.

Ce rapport est une synthèse du travail d'analyse exploratoire du procédé de mise en forme des produits en bétons de type bloc. Celui ci consiste à mouler le bloc par compression assistée de vibrations. Un essai d'analyse de la compactibilité du béton frais est mis au point. Le compactage du matériau est réalisé sous l'action d'impacts répétés d'une masse tombante. Cet essai Proctor est instrumenté via la technique de mesure dynamique aux barres de Hopkinson. L'efficacité du compactage sous impacts est quantifiée. La mesure de contrainte durant le premier impact nous permet de détecter un changement de rhéologie et de l'analyser. Un essai complémentaire est conçu. Il consiste à compacter le matériau sous compression et vibration. Les mécanismes du compactage et l'influence des paramètres sur la densification sont analysés. Par analogie entre la vibration et la température, des essais de caractérisation du comportement viscoplastique du béton frais vibré sont réalisés.

Cette thèse est composée de deux parties. La première partie est liée à l’augmentation sous impact des résistances des nids d'abeilles en compression uniaxiale. D’abord, nous avons étudié ce phénomène particulier numériquement à l’aide des modèles éléments finis et cela nous a permis de démontrer le rôle de l’inertie latéral dans cette augmentation. Ensuite, le comportement dynamique d'une série de nids d'abeilles (tailles de cellule et épaisseurs des parois et matériau de base différents) a été étudiée expérimentalement pour confirmer les résultats de la simulation. La deuxième partie concerne le comportement biaxial de nids d'abeilles sous cisaillement-compression combinés. Nous y présenterons d'abord un dispositif pour appliquer le cisaillement-compression combiné, en utilisant un système des barres de Hopkinson viscoélastiques de grand diamètre. Une série d'essais sur des nids d'abeille en aluminium sont réalisées en statique et en dynamique, avec les angles de chargement allant de 0° à 60o (part de cisaillement de plus en plus important). Ces essais montrent un important effet du cisaillement supplémentaire sur la résistance globale du nid d'abeille. Une augmentation de la résistance sous chargement d'impact est observée pour tous les angles. Les images capturées lors des essais permettent de la détermination des deux modes de déformations coexistant sous cisaillement-compression combiné. Enfin, les essais de cisaillement-compression sur des nids d'abeilles sont reproduites numériquement afin de séparer le comportement normale et celui du cisaillement. La courbe limite dans le plan de la contrainte normale vs la contrainte du cisaillement a été obtenue, qui montre une augmentation homogène (isotropie) sous chargement dynamique. / The study consists mainly of two parts. The first part is related to the dynamic strength enhancement of honeycombs under uniaxial compression. We firstly study numerically this particular phenomenon of thin-walled structure by using three micro-size FE models and this allows us to reveal the role played by lateral inertia in the dynamic enhancement. Further more, the dynamic enhancement of a series of honeycombs with different cell-size, cell-wall thickness and base material is studied experimentally and the influence of these geometric parameters and the base material on honeycomb strength as well as the dynamic enhancement rate is investigated. The second part of this study concerns the biaxial behavior of honeycombs under combined shear-compression. We firstly present a combined dynamic shear-compression loading device basing on a large-diameter Nylon Split Hopkinson Pressure Bar system. Then, a series of quasi-static and dynamic experiments on an aluminium honeycomb is performed with loading angles ranging from 0o to 60o (part of shear more and more important). It shows a strong effect of the additional shear loading to honeycomb overall strength. A notable strength enhancement under impact loading is observed for all the honeycomby b specimens. Images captured during tests permit for the determination of the two co-existing deforming patterns under combined shear-compression. Finally, the combined shear-compression tests on honeycombs are reproduced by a numerical virtual model and the separated normal and shear behaviors of honeycombs under combined shear-compression are obtained. A crushing envelope in normal strength vs. shear strength plane was obtained on the basis of these simulations, which shows an isotropic expansion behavior from the quasi-static loading to the dynamic loading.

L'industrie automobile emploie massivement les Aciers à Haute Performance (AHP) pour la fabrication des caisses en blanc, en raison de leur rapport résistance/masse élevé. Ils sont utilisés afin d'augmenter la sécurité des occupants en cas de crash, ou de réduire la masse du véhicule grâce à une diminution des sections utiles. En parallèle, le prototypage virtuel est omniprésent dans le processus de conception des nouveaux véhicules. En prenant l'exemple d'une caisse en blanc automobile, la conception de la structure globale et des procédés de mise en forme de ses composants nécessite des modèles prédictifs et fiables décrivant le comportement et la rupture des matériaux utilisés. Des efforts soutenus ont été entrepris ces cinq dernières années pour développer des modèles prédisant la rupture des AHP sous chargement statique. Pourtant les taux de déformations rencontrés lors d'opération de mise en forme sont de l'ordre de 10 s-1, et peuvent atteindre 103 s-1 lors de crashs. Le but de cette thèse est de développer une méthode fiable permettant d'évaluer l'influence du taux de déformation et de l'état de contrainte sur la rupture ductile d'AHP initialement non-fissurés. Une procédure expérimentale est conçue pour caractériser le comportement et l'initiation de la rupture dans des tôles chargées en traction à grande vitesse de déformation. La précision du dispositif est évaluée grâce à des validations numériques et expérimentales. Par la suite, une série d'expériences est réalisée à petite, moyenne et grande vitesse de déformation sur différents types d'éprouvettes de traction, afin de couvrir un spectre étendu d'états de contraintes. Une analyse détaillée de chaque expérience par la méthode des Éléments Finis permet de déterminer le trajet de chargement et l'état de déformation et de contrainte à la rupture dans chaque éprouvette, tout en prenant en compte les phénomènes de striction. La déformation à la rupture est significativement plus élevée à grande vitesse de déformation qu'à basse vitesse. De plus, les résultats montrent que l'influence du taux de déformation sur la ductilité ne peut pas être découplée de l'état de contrainte. Le modèle de comportement constitue un élément essentiel de cette approche hybride expérimentale-numérique. Un modèle de plasticité dépendant du taux de déformation est proposé pour prédire la réponse mécanique des AHP sur toute la plage de déformation, taux de déformation et état de contrainte couverte par le programme expérimental. La précision du modèle est validée par comparaison de mesures expérimentales globales et locales aux prédictions numériques correspondantes. De plus, l'influence de la discrétisation spatiale utilisée dans les simulations par Eléments Finis sur la précision de l'approche hybride expérimentale-numérique est quantifiée. Il est montré qu'un maillage fin d'éléments hexaédriques est nécessaire pour obtenir des prédictions précises jusqu'à la rupture. Ce type de maillage n'est pas compatible avec des applications industrielles à grande échelle pour des raisons évidentes d'efficacité numérique. C'est pourquoi une méthode de remaillage dynamique d'éléments coque vers des éléments solides est présentée et évaluée. Cette méthode permet d'obtenir des prédictions fiables de l'initiation de la rupture dans des tôles sans compromettre dramatiquement l'efficacité numérique obtenue grâce aux éléments coque. La seconde partie de ce travail s'intéresse aux micro-mécanismes responsables de la rupture ductile du matériau étudié. Une analyse micrographique du matériau soumis à différents niveaux de déformation permet d'identifier l'enchainement des mécanismes d'endommagement. Ces observations suggèrent que le mécanisme critique conduisant à la rupture est la localisation de la déformation plastique dans une bande de cisaillement à l'échelle du grain. Un model numérique reposant sur la déformation d'une cellule élémentaire 3D contenant une cavité est développé pour modéliser ce phénomène. Il est montré que le mécanisme de localisation à l'échelle micro de l'écoulement plastique dans une bande de cisaillement permet d'expliquer la dépendance de la ductilité à l'état de contrainte et au taux de déformation observée à l'échelle macro.

Dans un contexte de vulnérabilité militaire des sous-marins, les ingénieurs et chercheurs doivent être capables de prédire le comportement des structures fissurées. Ainsi, la modélisation de la transition des changements de modes de propagation de fissure (cisaillement-traction et inversement) des métaux sous sollicitations extrêmes devient un outil incontournable ou essentiel. Des critères tridimensionnels de direction de propagation de fissure développés pour une rupture par cisaillement ou par ouverture sont exposés. Des formules de direction de propagation semi-analytiques et analytiques, fonctions des facteurs d'intensité des contraintes et du coefficient de Poisson, sont ainsi proposées. L'interprétation de ces formules laisse envisager la prise en compte des effets tridimensionnels dans de futures simulations 3D de propagation de fissure. Une étude du problème en deux dimensions est également développée, proposant une formule analytique du critère en cisaillement. De plus un algorithme automatique de transition cisaillement-traction a été implémenté dans le code de calcul de dynamique explicite Europlexus, développé par le CEA. Une méthodologie d'identification des paramètres du modèle pour un matériau donné et pour un cas quasi-statique a été proposée. Confronté à l'interprétation de deux expériences connues de propagation dynamique (expériences de Kalthoff et de Ravichandran), le modèle proposé a montré sa pertinence. De plus, afin de mieux connaître le comportement à rupture de l'acier à Haute Limite Élastique Soudable, deux études expérimentales dédiées au suivi de la propagation dynamique d'un front de fissure ont été développées et validées sur des essais de rupture sous chargement quasi-statique et dynamique de type choc. Cette étude expérimentale a permis d'observer que les branchements de fissures, relevés sur les essais sous chargement quasi-statique, n'apparaissent plus sous chargement dynamique et pour des sollicitations en mode I pur. Les méthodes théoriques et numériques développées dans ces travaux de thèse permettent donc de simuler, automatiquement et avec un unique modèle, les changements de modes de rupture au cours d'une propagation dynamique de fissure. De plus, les protocoles expérimentaux exposés dans ce manuscrit permettent d'appréhender les phénomènes de transition cisaillement-traction en soulevant l'importance de la vitesse de sollicitation et du mode de sollicitation de l'essai.

Les risques liés à la propagation de fissures sous impact sont encore très difficiles à estimer. La détermination de critères de rupture dynamique uniquement à partir de résultats expérimentaux reste délicate. Ainsi la première étape pour valider des lois de propagation de fissures sous impact passe par le développement d'outils de simulation numérique. Depuis les années 1970, de nombreux codes de calcul mécanique ont été dédiés à l'étude de la propagation de fissures, notamment dans le cas du phénomène de fatigue. La principale difficulté consiste dans la nécessité de suivre la géométrie de la fissure au cours du temps. Ces dernières années, des méthodes alternatives basées sur la partition de l'unité ont permis une description implicite des discontinuités mobiles. C'est le cas de la méthode des éléments finis étendue (X-FEM) qui paraît particulièrement adaptée à la simulation de la propagation dynamique de fissures sous chargement mixte où les trajets de fissures ne sont pas connus a priori. Si ces outils numériques permettent maintenant de représenter l'avancée dynamique d'une fissure, les résultats numériques doivent être comparés à des résultats expérimentaux pour s'assurer que les lois introduites sont physiquement fondées. Notre objectif est donc de développer conjointement des techniques expérimentales fiables et un outil de simulation numérique robuste pour l'étude des phénomènes hautement transitoires que sont l'initiation, la propagation, l'arrêt et le redémarrage de fissures sous impact.<br />Des expériences de rupture dynamique ont donc été réalisées sur du Polyméthacrylate de méthyle (PMMA) durant lesquelles la mixité du chargement varie et des arrêts et redémarrages de fissures se produisent. Deux bancs d'essais différents ont été utilisé, le premier basé sur la technique des barres de Hopkinson (ou barres de Kolsky), le second mettant en jeu un vérin rapide. Le PMMA étant transparent, la position de la fissure au cours de l'essai a été acquise grâce à des caméras rapides mais aussi en utilisant un extensomètre optique (Zimmer), habituellement dédié à la mesure de déplacements macroscopiques d'un contraste noir/blanc. L'utilisation de cet extensomètre pour suivre la fissure au cours de l'essai a permis d'obtenir une localisation très précise de la pointe de la fissure en continu, permettant ainsi l'étude des phases transitoires de propagation. Afin d'étudier le même phénomène dans des matériaux opaques comme les aluminiums aéronautiques (Al 7075), des techniques de corrélation d'images numériques ont été employées en mouchetant les éprouvettes impactées. De nouveaux algorithmes ont été développés afin de traiter les images issues d'une caméra ultra-rapide (jusqu'à 400 000 images par seconde).<br />Plusieurs géométries ont été envisagées afin d'étudier différents cas de propagation dynamique : initiation en mode I pur, initiation en mode mixte, propagation, arrêt, redémarrage, interaction entre deux fissures, influence d'un trou sur le trajet d'une fissure, branchement dynamique de fissures. Ces expériences ont ensuite été reproduites numériquement afin de valider les algorithmes et les critères de rupture choisis.