Les pièces des structures aéronautiques telles que les arbres des turboréacteurs, les roues, les freins ou les trains d’atterrissage sont fabriquées avec des aciers à très haute résistance. Leur structure martensitique, renforcée par des précipités de taille inférieure au micromètre, confère à ces aciers une excellente résistance : leur limite d'élasticité peut dépasser les 1900 MPa et leur résistance mécanique atteindre les 2300 MPa. Ces matériaux sont choisis pour ces excellentes propriétés mécaniques sur la base de leur comportement en traction. Toutefois, leur déformation à striction (maximum de la charge) est de quelques pourcents seulement. Les méthodes de dimensionnement sous chargement critique actuelles considèrent qu’aucun point de la structure ne doit être soumis à une déformation supérieure à la déformation à striction. Ce type d’approche est ici très conservatrice puisque les aciers THR continuent de se déformer plastiquement, ceci jusqu’à plusieurs dizaines de pourcent après le début de la striction. L’objet de ces travaux est de définir un modèle d’amorçage de la rupture applicable au dimensionnement de ces structures pour un acier type : le ML340. Ce matériau est actuellement utilisé dans les arbres de turboréacteur LEAP.Le comportement élasto-plastique du matériau a été étudié grâce à des essais menés sur différents types d’éprouvettes : tractions lisses, axisymétriques entaillées, déformation plane, plates entaillées, traction-torsion. Un modèle simple de von Mises à écrouissage isotrope permet de reproduire l’ensemble de la base. Ce modèle est ajusté sur les essais de traction pour lesquels un suivi optique de la variation du diamètre minium a été mis en place. La loi d’ ́écrouissage est ensuite ajustée en prenant en compte à la fois l'élongation et la variation du diamètre. On montre en particulier que l'extrapolation du comportement, méthode consistant à prolonger les données obtenues avant l'apparition de la striction, peut conduire à une mauvaise prédiction du comportement des éprouvettes.La base expérimentale a également été employée pour étudier l’amorçage de la rupture. L’observation des faciès montre un mode de rupture ductile avec des cupules fines. Cependant, l'initiation est brutale pour tous les essais et le développement de l’endommagement en volume reste très limité, voire nul. Ces constatations conduisent à proposer l’emploi d’un critère d’amorçage découplé : ce modèle fait intervenir la triaxialité des contraintes et le paramètre de Lode. Cette double dépendance est nécessaire pour bien décrire la rupture sur toute la base expérimentale. L’identification des paramètres du modèle se base sur l'évaluation des champs mécaniques à partir des simulations élasto-plastiques par éléments finis représentant les essais. Le modèle est également capable de prédire les emplacements des points d’amorçages observés, ces informations peuvent être utilisées pour ajuster plus finement le modèle. / Aeronautical structures such as jet engines shafts, wheels, brakes or landing gears are made of Ultra High Strenth Steels (UHSS). Due to their hard martensitic matrix reinforced with second phase particles, such steels exhibit extreme mechanical resistance, their yield strength can overcome 1900 MPa and their ultimate tensile strength can reach 2300 MPa. Such materials are selected based on their tensile properties, however strain at necking (maximum load) is only few percent. Conventional certified design methods assume that failure occurs when a given point of the structure reaches this strain. Regarding UHSS this approach is very conservative; those materials are still able to bear large strains after necking start. The aim of this work is to define a failure initiation model able to predict ductile failure of such structures for extremes loadings. The ML340 steel, material of LEAP jet-engine shafts, have been selected for this study.Elasto-plastic behavior is investigated with various mechanical tests. Uniaxial tensile test were performed on round bars specimens, either smooth or notch, and flat specimens, either u notched or plane strain. Traction/torsion and compression/torsion biaxial tests were performed on tubes specimens. A simple isotropic von Mises plasticity model was found sufficient to describe mechanical behavior of this experimental database. This model was calibrated based on round smooth tensile tests, a longitudinal extensometer and a non contact method, measuring diameter reduction, were used in order to monitor strains. Hardening law was adjust with both sets of data using a reverse method, hence material striction is take into account during the identification. Identification method extrapolating plastic behavior based on tensile data measured before the striction begining is shown to overperdict plastic behavior.Failure initiation was also investigated through fracture tests. Every fractography display very fine dimples related to ductile fracture, however fracture apears to be very brutal and very few damage was observed underneath fracture surface. As a result an uncoupled fracture initiation model is proposed, damage indicator is driven by both stress triaxiality and a Lode parameter. This dual dependency is necessary in order to represent fracture for the whole database. Model parameters identification relies on the evaluation of local stress state for each test, this could be achieved with 3D elasto-plastic simulations. As a result fracture model was able to predict correct fracture initiation point positions observed on round tensile tests and flat u notch tests.

The uterosacral ligament (USL) and cardinal ligament (CL) are the two major suspensory tissues of the uterus, cervix, and vagina. These supportive structures can be weakened or damaged, leading to the development of pelvic floor disorders (PFDs) such as urinary incontinence, fecal incontinence, and pelvic organ prolapse. In the surgical treatment for PFDs, the USL and CL are extensively used as anchor structures to restore the normal position of the prolapsed organs. Therefore, the mechanical properties of the USL and CL may be critical for the development of new surgical reconstruction strategies for PFDs. In chapter 1, we present the first histo-mechanical characterization of the swine USL and CL using histological analysis, scanning electron microscopy and quasi-static uniaxial tensile tests. Our results suggest that the histological and uniaxial tensile properties of the swine CL and USL are very similar to those in humans. The swine is found to be a suitable animal model for studying the mechanical properties of these ligaments. To capture both the active and passive mechanical responses of biological tissues containing SMCs such as the USL and CL, a new structural constitutive model is proposed in chapter 2. The deformation of the active component in such tissues during isometric and isotonic contractions is described using an evolution law. This model is tested with published active and passive, uniaxial and biaxial, experimental data on pig arteries due to lack of data on the active properties of the USL and CL. Subjected to constant forces in-vivo, the structure and length of the USL and CL are sig- nificantly altered over time. In chapter 3, we present the first rigorous characterization of the fiber microstructure and creep properties of the USL/CL complex by using scanning electron microscopy and planar biaxial testing. Fibers are found to be oriented primarily along the main in-vivo loading direction. In such direction, the creep proceeds significantly faster under lower load. Overall, our experimental findings advance our knowledge about the passive elastic and viscoelastic properties of the USL/CL complex. The novel structural constitutive model proposed enhances our understanding of the active mechanical behavior of biological tissues containing SMCs. Knowledge about the mechanical behavior of the USL and CL from experimental and theoretical studies such as those presented here will help to improve, in the long term, the medical treatment for PFDs. / Ph. D.

Κίνητρο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε η αποτίμηση της δομικής ακεραιότητας κελυφοειδών κατασκευών από σύνθετα υλικά που παρουσιάζουν ανοχή στη βλάβη, με τη χρήση ακουστικών τεχνικών μη καταστροφικού ελέγχου. Στόχος ήταν η πειραματική και θεωρητική μελέτη επίδρασης της αστοχίας, που αναπτύσσεται σε μια πολύστρωτη μετά από φόρτιση, σε μετρήσιμα χαρακτηριστικά της κυματικής διάδοσης. Χωρίζεται σε δύο τμήματα, στη μοντελοποίηση της βλάβης και στη μελέτη επίδρασης αυτής στην κυματική διάδοση. Η έρευνα εστιάστηκε σε μορφές αστοχίας που συναντώνται σε πολύστρωτες υπό επίπεδη εντατική κατάσταση και συσσωρεύεται κατά το πάχος τους στη διάρκεια φόρτισης. Για την προσομοίωση της δημιουργήθηκαν διαφορετικά μηχανικά μοντέλα. Έμφαση δόθηκε στην προσέγγιση της συμπεριφοράς του υλικού υπό μονότονη στατική φόρτιση. Γι’ αυτό αναπτύχθηκε ένα φαινομενολογικό πρότυπο προοδευτικής αστοχίας για gl/ep πολύστρωτες. Η δομή του στηρίχθηκε σε τέσσερις πυλώνες. Πρώτον στην πειραματική διαδικασία χαρακτηρισμού μηχανικών ιδιοτήτων της μονοαξονικής στρώσης, ως το βασικό δομικό υλικό μιας πολύστρωτης. Ο ενδελεχής χαρακτηρισμός του υλικού σπάνια συναντάται σε τέτοια έκταση. Δεύτερον από τις δοκιμές προέκυψαν οι καταστατικές εξισώσεις της στρώσης. Η προσέγγιση της ανισότροπης μη – γραμμικότητας του υλικού έγινε με βηματική, γραμμική ανά βήμα, τασική ανάλυση στο επίπεδο της στρώσης χρησιμοποιώντας εφαπτομενική ελαστικότητα. Ο τρίτος πυλώνας αφορά στον προσδιορισμό έναρξης αστοχίας. Υιοθετήθηκαν κριτήρια ευρείας αποδοχής στο σχεδιασμό με σύνθετα υλικά, όπως π.χ. του Puck, των Shokrieh και Lessard κ.α., προτείνοντας και έναν νέο συνδυασμό τους. Τέλος, στρατηγικές υποβάθμισης των μηχανικών ιδιοτήτων της στρώσης προσομοίωσαν το αποτέλεσμα της συσσώρευσης αστοχίας μετά την έναρξή της. Το πρότυπο προοδευτικής αστοχίας ενσωματώθηκε σε στοιχείο κελύφους εμπορικού κώδικα πεπερασμένων στοιχείων. Ακολούθησε αξιολόγηση του, συγκρίνοντας τα αριθμητικά αποτελέσματα με πλειάδα μονοαξονικών και πρωτότυπων διαξονικών πειραμάτων. Η διαδικασία αυτή οδήγησε αφενός στην σημαντική για τον σχεδιασμό παρατήρηση εξάρτησης του μέτρου διάτμησης από το υπάρχον επίπεδο εντατικό πεδίο και αφετέρου στην εξέλιξη του προτύπου ώστε παρά τον περιορισμό των καταστατικών εξισώσεων που το διέπουν να μπορεί να προσομοιώσει τη διαστρωματική αποκόλληση. Έχοντας αναπτύξει τα εργαλεία περιγραφής της βλάβης, η διατριβή ολοκληρώνεται με τη μελέτη δομικής ακεραιότητας, χρησιμοποιώντας τη μη – καταστροφική τεχνική των ακουστό - υπέρηχων. Παρουσιάζεται το πειραματικό και θεωρητικό υπόβαθρο της διάδοσης τασικών κυμάτων σε κελύφη. Πρότυπα πολύστρωτων που υπέστησαν αριθμητική βλάβη υποβλήθηκαν σε αριθμητικές μη – καταστροφικές δοκιμές, καταλήγοντας σε συμπεράσματα όπως π.χ. τη μείωση της φασικής ταχύτητας με τη συσσώρευση βλάβης. / The motivation for the present research was the integrity estimation of shell – like structures made of damage tolerant composite materials, using acoustic non destructive testing techniques. An experimental and theoretical study was held aiming to investigate the influence of the damage, accumulated in a loaded laminate, in measurable wave propagation characteristics. The thesis is separated in two major parts. One described with detail the damage simulation model and the other the damage effects on the wave propagation and the wave mechanics. The study was focused on damage modes developed in composite laminates under in – plane complex stress fields due to several loading conditions and various mechanical models were developed for simulation purposes. Emphasis was given in the description of the material performance under monotonic static loading. Thus, a phenomenological progressive damage model for gl/ep multiaxial laminates was developed. This was structured based on four pillars. Primarily, as the laminate basic building block, the unidirectional layer was mechanically characterized. Such an extended experimental procedure can hardly be found. Secondly, the test results defined the ply constitutive equation laws. The highly anisotropic material non – linearity was approximated with piece – wise linear incremental layer by layer stress analysis using tangential elasticity. The third pillar regarded the damage initiation conditions. Thus, well defined criteria widely accepted in composite design were implemented i.e. Puck, Shokrieh and Lessard, etc. Finally post failure strategies were deployed, simulating material mechanical properties degradation emerging during damage accumulation. The progressive damage model was incorporated in a shell element of a commercial finite element code. An extended validation procedure took place comparing numerical results with several uniaxial and innovative biaxial test data. During this procedure the G12 shear modulus dependence on the developed plane stress field was thoroughly studied, resulting in recommendations for the designer and the selection of the appropriate modulus value. Additionally, the material model was further enhanced, taking into account incompatible failures with its constitutive equations e.g. delamination. Having developed several tools that described damage existence or accumulation, this dissertation was finished with the structural integrity study, using the acousto – ultrasonics non destructive testing technique. The experimental and theoretical background for stress wave propagation in waveguides was presented. Numerically damaged material models were additionally inspected with numerical non – destructive tests, resulting in specific conclusions for damage effect on measurable wave propagation characteristics, e.g. phase velocity reduction with damage growth.