Devido a suas vantagens comparadas aos métodos tradicionais de união mecânica, a utilização de juntas coladas estruturais só tende a crescer, entretanto, devido suas propriedades e modos de falha dependerem de diversos parâmetros (tratamento superficial, geometria, material, condições de tralho, etc.) uma utilização mais ampla desta técnica ainda é restrita pela ausência de modelos de falhas confiáveis. O presente trabalho consiste na apresentação de métodos para fabricação de juntas coladas em material compósito e verificação da influência da espessura da camada adesiva na resistência de juntas simples coladas (single lap joints) submetidas à tração. São também apresentados métodos para fabricação dos aderentes, corpos de prova de adesivo puro para ensaios de caracterização e realização de ensaios mecânicos para obtenção das propriedades mecânicas tanto dos aderentes quanto do adesivo. As propriedades mecânicas dos aderentes e do adesivo foram obtidas através de ensaios realizados em uma máquina de tração universal com o auxílio da técnica de correlação digital de imagem, e a obtenção das energias críticas de resistência à fratura (GIc,GIIc) da camada adesiva foram calculadas através de ensaios Double Cantilever Beam (DCB) e End Notched Flexure (ENF). Foram estudados métodos para gerar falha coesiva nas juntas adesivas, sendo que o melhor método encontrado foi o de tratamento superficial dos aderentes com jateamento abrasivo seguido pela limpeza superficial com acetona. O controle preciso da espessura da camada adesiva foi alcançado através do desenvolvimento de um dispositivo de fácil construção, compostos por suportes de madeira, hastes e linhas de nylon. Nos ensaios em juntas coladas foi constatado uma relação inversamente proporcional entre a espessura da camada adesiva e a resistência máxima suportada pela junta, ou seja, quanto maior a espessura do adesivo menor sua resistência. Os métodos aqui apresentados foram os resultados de vários meses de estudo e compreensão das normas e técnicas disponíveis na literatura, o aprimoramento das técnicas foram frutos de um ciclo compostos por fabricação, testes e análise de resultados. / Amongst the joining techniques, adhesively bonding joints are one of the most commonly applied nowadays. However, a lack of reliable failure criteria still exists, limiting in this way a more widespread application of adhesively bonded joints in principal load-bearing structural applications. An accurate strength prediction of the adhesively bonded joints is essential to decrease the amount of expensive testing at the design stage. This work consists to show methods for manufacturing single lap joints and to verify the adhesive thickness influence on the joint resistance. The manufacturing process of the composite adherends and adhesives for bulk tests was also covered. The mechanical properties of the adherends and bulk adhesive were performed on a universal testing machine with assistance of a digital image correlation (DIC) technique. The fracture toughness energy release rates (GIc,GIIc) of the adhesive layer were obtained respectively through Double Cantilever Beam (DCB) and End Notched Flexure (ENF) tests. Cohesive failure was achieved by grit blasting the adherents followed by cleaning with acetone. A constant adhesive thickness was guaranteed by placing nylon fishing lines between the adherents. Single lap joints tests showed that the joint resistance decrease with increasing adhesive thickness.

Neste trabalho é apresentada uma teoria para a consideração do esmagamento do concreto aplicada ao método elementos finitos, o Modelo de Trincas Sobrepostas. Neste caso, o esmagamento é considerado através da interpenetração dos elementos finitos. Em conjunto com o já conhecido Modelo de Trincas Coesivas, a abordagem é utilizada para simular o comportamento de vigas de concreto armado com alta taxa de armadura (concreto superarmado). Os experimentos empregados são vigas em flexão a três pontos (dois apoios e uma carga aplicada no centro do vão), onde as barras de aço são substituídas por uma camada de elementos finitos de altura equivalente. Aloca-se uma linha de elementos de interface coesiva verticalmente no centro das vigas no intuito de permitir o processo de dano, tanto em tração quanto em compressão. Na zona de interface entre os elementos de concreto e os de aço são colocados elementos de aderência. É verificada a influência nos modelos numéricos de diversos parâmetros, tais como altura da viga, armadura de compressão, armadura de cisalhamento e escala. / In this work is presented a theory to the consideration of the concrete crushing applied to the finite element method, the Overlapping Crack Model. In this case the crushing is considered through the interpenetration of finite elements. Together with the well-known Cohesive Crack Model, the approach is used to simulate the behavior of reinforced concrete beams with high volume fraction of reinforcement (under reinforced concrete). The used experiments are beams subjects to three-point bending, where the steel bars are replaced by an equivalent layer of finite elements. A central vertical line of interfaces is used in order to take into account the damage due to crushing and fracture. At the concrete-steel interface, friction elements are considered. The influence of some parameters, such as depth of the beam, compression and shear reinforcement, etc., is investigated.

Submitted by (lucia.rodrigues@ufrpe.br) on 2016-08-17T13:58:22Z No. of bitstreams: 1 Romero Falcao Bezerra de Vasconcelos.pdf: 1209446 bytes, checksum: 5d0e80152c5bbb339e575d66b8691373 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-17T13:58:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Romero Falcao Bezerra de Vasconcelos.pdf: 1209446 bytes, checksum: 5d0e80152c5bbb339e575d66b8691373 (MD5) Previous issue date: 2009-02-17 / The soils of the Coastal Plains cultivated with sugarcane for a long period of time under different management systems may make changes in physical and chemical properties and the state of soil aggregation. Considering the above, the objective of this study was to evaluate the effects of different management systems with sugarcane on the chemical and physical properties of a dystrophic cohesive Yellow Latosol of coastal tablelands of Alagoas. Plots were selected in areas of production in the growing of sugarcane, and the object of experimental research three areas, representative of three management systems adopted by sugarcane production unit, namely: a cultivated area under irrigation management system (SMI), an area under the management system of fertirrigation with vinasse (SMV) and area under a management system with application of vinasse + filter tart (SMVT). These management systems were compared and on the witness pattern represented by native forest (NF). To assess the physical and chemical properties and aggregation state of the soil, the soil samples were collected at random in the areas subject to different management systems, in the depths of 0- 0,20; 0,20-0,40 and 0,40-0,60 m, being withdrawn at a point between the lines of sugarcane. The results were submitted to analysis of variance and the averages compared by Tukey test to 5% significance. Study of simple correlations were performed between some variables measures. The results showed that the different management systems promoted investigated changes in physical and chemical properties and the state of soil aggregation. The parameters of consistency of the soil tended to increase the humidity in their values with the increase of total organic carbon (TOC) of soil, promoted by the addition of waste from sugar cane. The studies of simple correlations between the total organic carbon (TOC) and the rates of stability of aggregate investigated, showed significant (p<0,01) correlation and positive. The management systems that received the addition of waste from sugarcane showed less deterioration in physical and chemical properties of soil in the soil under native forest (NF). / Os solos dos tabuleiros costeiros cultivados com cana-de-açúcar, durante longo período de tempo, sob diferentes sistemas de manejo, podem apresentar alterações nas propriedades físicas e químicas e no estado de agregação. O objetivo do trabalho foi avaliar os efeitos de diferentes sistemas de manejo com cana-de-açúcar sobre as propriedades físicas e químicas de um Latossolo Amarelo Distrocoeso dos tabuleiros costeiros de Alagoas. Foram selecionadas áreas em talhões de produção com a cultura da cana-de-açucar, sendo objeto de pesquisa experimental três áreas, representativas de três sistemas de manejo adotados pela unidade sucroalcooleira, a saber: uma área cultivada sob sistema de manejo irrigado (SMI), uma área sob sistema de manejo de fertirrigação com vinhaça (SMV) e uma área sob sistema de manejo com aplicação de vinhaça + torta de filtro (SMVT). Esses sistemas de manejo foram comparados entre si e em relação a uma testemunha padrão, representada por uma mata nativa (MN). Para avaliar as propriedades físicas e químicas e o estado de agregação do solo, amostras de solo foram coletadas ao acaso, nas áreas submetidas aos diferentes sistemas de manejo, nas profundidades de 0-0,20; 0,20-0,40 e 0,40-0,60 metros, sendo retiradas num ponto situado nas entrelinhas da cana-de-açúcar. Os resultados obtidos foram submetidos a análise de variância e as médias comparadas pelo teste de Tukey, a 5% de significância. Estudos de correlações simples foram realizados entre algumas variáveis medidas. Os resultados permitiram concluir que os diferentes sistemas de manejo investigados promoveram alterações nas propriedades físicas e químicas e no estado de agregação do solo. Os parâmetros de consistência do solo apresentaram tendência de aumento em seus valores de umidade com o incremento do carbono orgânico total (COT) do solo, promovido pela adição de resíduos da cana-de-açúcar. Os estudos de correlações simples entre o carbono orgânico total (COT) e os índices de estabilidade de agregados investigados apresentaram correlações significativas (p<0,01) e positivas. Os sistemas de manejo que receberam adição de resíduos da cana-de-açúcar denotaram menor degradação nas propriedades físicas e químicas do solo, em relação ao solo sob mata nativa (MN).

This work proposes the computational modeling of two-dimensional media mechanical behavior with a continuous approach, related to the Finite Element Method (FEM) associated with Cohesive Fracture Mechanics (CFM) models, and a discrete approach, using the Discrete Element Method (DEM). The FEM consists in a numerical tool widely used to achieve approximate solutions of Continuum Mechanics problems, involving physical and geometrical nonlinearities phenomena with quasi-static or dynamic behaviors, having already established practical applications in many areas of science and industry. On the other hand, DEM has more recent development and has been increasingly used to model discrete nature problems involving contact, impact and fragmentation phenomena and flow of particulate systems. Focused on analysis of problems with interactions between these natures, a FEMDEM coupling code is developed to solve the problem by a sub-region scheme where the FEM is used on modeling of nucleation process and crack propagation in continuous media, and DEM is employed to model granular media, whether due its nature or its conception, in a transient behavior. The possibility of opening and propagation of cracks is considered by using CFM models, intrinsically incorporated into the FEM formulation through interfaces inserted into the inner edges of the finite element mesh. Illustrative examples are presented and discussed in order to validate the proposed formulation and implementation. / FUNDEPES - Fundação Universitária de Desenvolvimento de extensão e Pesquisa / PRH-ANP - Programa de Recursos Humanos da Agência Nacional do Petróleo / Este trabalho propõe a modelagem computacional do comportamento mecânico bidimensional de meios com abordagens contínua, relacionada ao Método dos Elementos Finitos (MEF) associado a modelos da Mecânica da Fratura Coesiva (MFC) e discreta, através do Método dos Elementos Discretos (MED). O MEF consiste em uma ferramenta numérica bastante utilizada na determinação de soluções aproximadas para problemas da Mecânica do Contínuo, envolvendo fenômenos com não linearidades físicas e geométricas associadas e com comportamento quase-estático ou dinâmico, possuindo aplicações práticas já consagradas em diversas áreas do campo científico e industrial. Por outro lado, o MED tem desenvolvimento mais recente e vem sendo cada vez mais utilizado no tratamento de problemas de natureza discreta envolvendo fenômenos de contato, impacto, fragmentação e fluxo de sistemas particulados. Com foco na análise de problemas que envolvem interações entre tais naturezas, implementa-se uma estratégia de acoplamento MEF-MED para solução do problema em subregiões, onde o MEF é utilizado na modelagem de processos de nucleação e propagação de fraturas em meios contínuos e o MED é empregado na modelagem de meios granulares por natureza, ou assim concebidos, em comportamento transiente. A possibilidade de abertura e propagação de fraturas é considerada através da utilização de modelos da MFC, incorporados intrinsecamente na formulação do MEF através de interfaces inseridas nas arestas internas da malha de elementos finitos. Exemplos ilustrativos são apresentados e discutidos visando-se validar a formulação e a implementação propostas.

Orientador: Leandro Palermo Junior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo / Made available in DSpace on 2018-08-11T02:34:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Figueiredo_LuizGustavode_M.pdf: 920848 bytes, checksum: 436f0a3bed33057f927837f04e2e8804 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A avaliação da influêcia de um modelo coesivo de fratura no comportamento estrutural e a simulação de propagação de fraturas pré-existentes, com a Mecâica da Fratura Elástica Linear (MFEL), em problemas bidimensionais, usando o Método dos Elementos de Contorno Dual (DBEM), é o principal objetivo deste estudo. Problemas elásticos lineares em meio contínuo podem ser resolvidos com a equação integral de contorno de deslocamentos. O Método dos Elementos de Contorno Dual pode ser utilizado para resolver os problemas de fratura, onde a equação integral de contorno de forças de superfície é implementada em conjunto com a equação integral de contorno de deslocamentos. Elementos contínuos, descontínuos e mistos podem ser usados no contorno. Diferentes estrat?ias de posicionamento dos pontos de colocação são discutidas neste trabalho, onde os fatores de intensidade de tensão são avaliados com ténica de extrapolação de deslocamentos em fraturas existentes dos tipos: borda, inclinada e em forma de 'v¿. Um modelo coesivo é utilizado para avaliação de comportamento estrutural de um corpo de prova com fratura de borda segundo diferentes estratégias desenvolvidas: uma análise coesiva geral e uma análise coesiva iterativa, as quais são comparadas com o comportamento não coesivo. A força normal coesiva relaciona-se com o valor da abertura de fratura na direção normal na lei constitutiva na Zona de Processos Coesivos (ZPC). A simulação de propagação de uma fratura de borda existente e sua implementa?o num?ica no DBEM, sob deslocamento imposto, é realizada utilizando o critério da mínima tensão circunferencial. Palavras-chave: Método dos Elementos de Contorno; Métodos dos Elementos de Contorno Dual; Mecânica da Fratura Elástica Linear; Modelos Coesivos; Propagação de Fraturas / Abstract: An evaluation of the effect of the cohesive fracture model on the structural behavior and the crack propagation in pre-existing cracks with the Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM), for two dimensional problems, using the Dual Boundary Element Method (DBEM), is the main purpose of the present study. Linear elastic problems in continuum media can be solved with the boundary integral equation for displacements. The Dual Boundary Element Method can be used to solve fracture problems, where the traction boundary integral equation is employed beyond the displacement boundary integral equation. Conformal and non-conformal interpolations can be employed on the boundary. Different strategies for positioning the collocation points are discussed in this work, where the stress intensity factors are evaluated with the displacement extrapolation method to an existing single edge crack, central slant crack and central kinked crack. A cohesive model is used to evaluate the structural behavior of the specimen with a single edge crack under different strategies: a general cohesive analysis and an iterative cohesive analysis; which are compared with the non-cohesive behavior. The normal cohesive force is dependent of the crack opening value in the normal direction in the constitutive law of the Cohesive Process Zone (CPZ). A crack propagation of an existing single edge crack and its numerical implementation in DBEM, under constrained displacement, is analyzed using the maximum hoop stress criterion. Key Words: Boundary Element Method; Dual Boundary Element Method; Linear Elastic Fracture Mechanic; Cohesive Models; Propagation of Cracks / Mestrado / Estruturas / Mestre em Engenharia Civil

Submitted by Cláudia Bueno (claudiamoura18@gmail.com) on 2015-10-15T19:16:42Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Joides Brasil dos Santos - 2014.pdf: 5701209 bytes, checksum: 23a5a3d1ab6539ee0f3d63efa7031d9e (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2015-10-16T11:04:42Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Joides Brasil dos Santos - 2014.pdf: 5701209 bytes, checksum: 23a5a3d1ab6539ee0f3d63efa7031d9e (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-10-16T11:04:42Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Joides Brasil dos Santos - 2014.pdf: 5701209 bytes, checksum: 23a5a3d1ab6539ee0f3d63efa7031d9e (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2014-09-02 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / Studies on cohesive soils in Brazil and worldwide indicate that cohesion in the soil is a factor of natural limitation to agricultural use. However, in the region of the Coastal Tablelands in Northeast Brazil these soils are used through use and management techniques adapted to their natural limitations, such as high resistance to penetration, hard when dry and friable when moist, with high density and reduced effective depth, depending of dense horizon. As for the cohesion process in the soil, would be related to the accumulation clay soil filling the pores and increase its density, making them more resistant to penetration of roots. The silicification process could also be related to the formation of cohesive horizon because that silica is one of the principal cementing agents in this process in various regions of the planet. In addition, climate alternating between dry season and wet season this would also enhance soil compaction. In this study we discuss the presence of soils with cohesive horizon in Oxisols and Ultisols Yellow Yellows geomorphological unit called Depression of the San Francisco-BA, focusing on the area of the snail farm that featured a soil survey in detail. From a geo-environmental partitioning was presented a summary with the main features of the landscape, in order to understand the environment in which this type of soil occurs. And with the help of physical and environmental parameters of the relief (hipsometria, slope and curvature of the sides), use and vegetation and soil properties (isovalue of clay and silica content), it was possible to create a map with the location of the area with potential occurrence of cohesive soils for Farm Caracol, which certainly extends outside its boundaries. / Estudos sobre solos coesos no Brasil e no mundo apontam que a coesão no solo é um fator de limitação natural à utilização agrícola. Entretanto, na região dos Tabuleiros Costeiros no Nordeste Brasileiro esses solos são utilizados mediante técnicas de uso e manejo adaptados às suas limitações naturais, como alta resistência a penetração, duro quando secos e friáveis quando umedecidos, com alta densidade e profundidade efetiva diminuída, em função de horizonte adensado. Quanto ao processo de coesão no solo, estaria relacionado ao acúmulo de argila preenchendo os poros do solo e aumentando sua densidade, tornando-os mais resistentes à penetração de raízes. O processo de silicificação também poderia ser relacionado à formação do horizonte coeso, pois que a sílica é um dos principais agentes cimentantes nesse processo em várias regiões do planeta. Em adição, a alternância climática entre estação seca e estação úmida também intensificaria esse adensamento do solo. Nesta pesquisa é discutida a presença de solos com horizonte coeso em Latossolos Amarelos e Argissolos Amarelos da Unidade Geomorfológica denominada Depressão do São Francisco-BA, com foco na área da Fazenda Caracol que contou com um levantamento de solos em detalhe. A partir de uma compartimentação geoambiental foi apresentada uma síntese com as principais características físicas da paisagem, com o objetivo de entender o ambiente em que esse tipo de solo ocorre. E com auxílio de parâmetros físico-ambientais do relevo (hipsometria, declividade e curvatura das vertentes), do uso e vegetação e alguns atributos do solo (isovalores dos teores de argila e sílica), foi possível criar um mapa com a localização da área com potencial de ocorrência dos solos coesos para a Fazenda Caracol, a qual certamente se prolonga para fora de seus limites.

Submitted by Cássia Santos (cassia.bcufg@gmail.com) on 2017-08-30T13:26:19Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Paula Viana Queiroz Andrade - 2017.pdf: 2686282 bytes, checksum: d828cc8979cf594c108b844e7b806230 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-09-15T13:36:35Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Paula Viana Queiroz Andrade - 2017.pdf: 2686282 bytes, checksum: d828cc8979cf594c108b844e7b806230 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-15T13:36:35Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Paula Viana Queiroz Andrade - 2017.pdf: 2686282 bytes, checksum: d828cc8979cf594c108b844e7b806230 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-07-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work deals with analysis of the microstructures composed of metal matrix composites (MMC) and its application in Structural Engineering. The main goal of this essay is considered the potentialities and limitations when using the modeling activity suggested. For this, it is intended to consider the dissipative processes of plastification, occurring in the matrix, and phase debonding, that occurs in the matrix/inclusion interface region, where the influence of such processes on the macroscopic response of the material will be investigated. Initially, the applicability of this material in the various Engineering areas is described. For the numerical simulations of the MMC structural behavior, the von Mises model is used in the modeling of the matrix and a cohesive fracture model is used in the simulation of the phase debonding process. Inclusion is considered elastic with great rigidity. However, the dissipative processes that occur in the microstructure and that affect the macro mechanical behavior of the material are analyzed through a microscale modeling using a homogenization process based on the concept of Representative Volume Element (RVE) and the Finite Element Method (FEM). The strain and deformation are volumetric means of the respective microscopic fields on the EVR. The general objective is to verify through numerical analysis the potentialities and limitations of the use of the proposed modeling for future applications of metallic matrix composites in engineering, which shows a good representativeness of the mechanical behavior of the CMM. / Este trabalho trata de uma contribuição sobre a análise da microestrutura de materiais compósitos com matriz metálica (CMM) e sua aplicação na Engenharia Estrutural. O objetivo geral é verificar as potencialidades e limitações do emprego da modelagem proposta. Para isso, consideram-se os processos dissipativos de plastificação, que ocorre na matriz, e de descolamento, que ocorre na região de interface matriz/inclusão, onde a influência de tais processos na resposta macroscópica do material será investigada. Inicialmente, a aplicabilidade deste material nas diversas áreas de Engenharia é descrita. Para as simulações numéricas do comportamento estrutural de CMM, o modelo de von Mises é utilizado na modelagem da matriz assim como um modelo de fratura coesiva na simulação do processo de descolamento na interface. A inclusão é considerada elástica com grande rigidez. Contudo, os processos dissipativos que ocorrem na microestrutura e que repercutem no comportamento macromecânico do material são analisados através de uma modelagem na microescala utilizando um processo de homogeneização baseada no conceito de Elemento de Volume Representativo (EVR) e no Método dos Elementos Finitos (MEF). A tensão e deformação são médias volumétricas dos respectivos campos microscópicos sobre o EVR. Por fim, as análises numéricas apresentadas com o emprego da modelagem proposta evidenciam sua boa representatividade do comportamento mecânico do CMM contribuindo para futuras aplicações de compósitos de matriz metálica na engenharia.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans l'étude et l'amélioration des modèles d'endommagement continus régularisés (non locaux), l'objectif étant d'étudier la transition entre un champ d'endommagement continu défini sur l'ensemble d'une structure et un modèle discontinu de fissuration macroscopique.La première étape consiste en l'étude semi-analytique d'un problème unidimensionnel (barre en traction) visant à identifier une famille de lois d'interface permettant de basculer d'une solution non homogène obtenue avec un modèle continu à gradient d'endommagement vers un modèle discontinu de fissuration cohésive. Ce passage continu / discontinu est construit de telle sorte que l'équivalence énergétique entre les deux modèles soit assurée, et reste exacte quelque soit le niveau de dégradation atteint par le matériau au moment où cette transition est déclenchée.Cette stratégie est ensuite étendue au cadre 2D (et 3D) éléments finis dans le cas de la propagation de fissures rectilignes (et planes) en mode I. Une approche explicite basée sur un critère de dépassement d'une valeur « critique » de l'endommagement est proposée afin de coupler les modèles continus et discontinus au sein d'un même calcul quasi-statique par éléments finis. Enfin, plusieurs résultats de simulations menées avec cette approche couplée sont présentés. / The present work deals with the study and the improvement of regularized (non local) damage models. It aims to study the transition from a continuous damage field distributed on a structure to a discontinuous macroscopic failure model.First, an analytical one-dimensional study is carried out (on a bar submitted to tensile loading) in order to identify a set of interface laws that enable to switch from an inhomogeneous solution obtained with a continuous gradient damage model to a cohesive zone model. This continuous / discontinuous transition is constructed so that the energetic equivalence between both models remains ensured whatever the damage level reached when switching.This strategy is then extended to the bi-dimensional (and tri-dimensional) case of rectilinear (and plane) crack propagation under mode I loading conditions, in a finite element framework. An explicit approach based on a critical damage criterion that allows coupling both continuous and discontinuous approaches is then proposed. Finally, results of several simulations led with this coupled approach are presented.

L'objectif de ce travail de thèse est de mettre en place une simulation thermo-mécanique couplée d'une aube revêtue permettant de modéliser l'écaillage de la barrière-thermique qui survient dans les conditions de service de l'aube. La barrière thermique est un revêtement isolant déposé à la surface du substrat monocristallin base Nickel AM1 constitutif de l'aube préalablement recouverte d'une sous-couche. Le mode de dégradation dominant dans ces systèmes est la création de fissures qui résultent de l'accroissement des ondulations hors-plan d'une couche intermédiaire d'oxyde formée en service entre la céramique et la sous-couche. En vue de modéliser ce phénomène d'écaillage, un ensemble d'outils numériques permettant de réaliser un calcul 3D par éléments finis thermo-mécanique couplé de l'aube revêtue est développé au sein du code de calcul par éléments finis Z-set. L'insertion d'éléments de zone cohésive mécanique et thermique au niveau de l'interface barrière-thermique/substrat permet de tenir compte simultanément des changements dans le processus de transert de charge et des variations du flux de chaleur causés par l'amorçage et la propagation d'une fissure interfaciale. L'élément fini d'interface mixte de Lorentz qui repose sur un Lagrangien augmenté, est mis en oeuvre. Afin de tenir compte des propriétés structurelles du revêtement, la modélisation de la barrière thermique est réalisée au moyen d'éléments de coque thermo-mécaniques reposant sur l'approche dite “Continuum Based”. Ces éléments sont développés puis validés dans le cadre de la thèse. La méthode utilisée pour réalier le couplage thermo-mécanique est l'algorithme partitioné CSS (Conventional Serial Staggered) sous-cyclé à pas de couplage fixe dont on montre les limitations dans le cas d'une simulation impliquant la propagation d'une fissure. L'introduction de pas de couplage adaptatifs contrôlés au moyen d'une variable interne du problème mécanique a permis de contourner ces limitations. L'ensemble des briques numériques est validé sur des cas tests de complexité croissante. Des cas d'applications effectués sur des géométries tubulaires à gradient thermique de paroi sont réalisés afin de tester le modèle couplé sur des structures et des chargements proches des conditions de service de l'aube. Enfin, des calculs thermo-mécaniques couplés sur aube revêtue sont présentés. / The purpose of this thesis is to perform a coupled thermomechanical simulation of the failure of thermal barrier coatings for turbine blades under service conditions. The thermal barrier coating is an insulating component applied to the single crystal Nickel-based superalloy AM1 substrate which is covered with a bond coat beforehand. The main degradation mode of those systems is due to the initiation and propagation of cracks caused by the out-of-plane undulation growth of an oxide layer formed in service. A set of numerical tools is implemented into the Finite Element code Z-set in order to perform a 3D thermomechanically coupled simulation of the failure of thermal barrier coatings for turbine blades. Inserting thermomechanical cohesive zone elements at the interface between the coating and the substrate makes it possible to account for the changes in the load transfer and the variations in the heat flux as a consequence of interface degradations. The mixed finite interface element of Lorentz based on an Augmented Lagrangian is used. The thermal barrier coating is modelled by means of thermomechanical shell elements implemented using the Continuum-Based approach to take advantage of the structural properties of the coating layer. Moreover, the partitionned CSS (Conventional Serial Staggered) algorithm used to couple thermal and mechanical problems is assessed. The limitations of sub-cycling with constant coupling time-step are shown through a simulation with crack propagation. The introduction of adaptative time-stepping allows to circumvent that issue. The numerical tools are assessed on test cases with increasing complexity. Numerical simulations on cylindrical tube with a thermal through-thickness gradient are performed with realistic loading sequences. Finally, thermomechanical simulations on turbine blades covered with thermal barrier coating are shown.

Les modèles d'érosion et de transport couramment utilisés sont construits à partir de données empiriques obtenues avec des sédiments de granulométries quasi uniformes. Or, il y a beaucoup de situations pour lesquelles la granulométrie des sédiments n’est pas uniforme. Les expériences réalisées en laboratoire et dans les rivières montrent que l’érosion et le transport des sédiments dépendent de la dispersion du diamètre des grains. Cette observation est à l’origine de cette thèse qui a pour objectif l’étude de l’influence de la distribution du diamètre des grains sur le transport de sédiments. Cette influence est envisagée à partir du développement d’un modèle numérique. La prédiction de l’érosion et du transport de sédiments tient de la résolution de deux problèmes : le premier est lié à l’écoulement au dessus du lit, le second à la mise en mouvement du sédiment. Le modèle développé détermine explicitement le mouvement des grains dans le lit de sédiments lorsque sa face supérieure est soumise à un écoulement. Pour cela, il mobilise la Méthode des Eléments Discrets (DEM), développée par Cundall et Strack (1979). Afin de reproduire l’effet de la topographie du lit sur le champ de vitesse du fluide, le modèle DEM est couplé avec le modèle d’écoulement FLOWSTAR. Le modèle FLOWSTAR est proposé par Carruthers et al. (2004) pour déterminer l’écoulement moyen dans une couche limite turbulente atmosphérique au-dessus des collines de faible pente. Le modèle numérique développé est appliqué à différents types d’arrangements de grains. Il permet d’estimer l’évolution du débit de sédiments au cours du temps pour différentes vitesses de frottement. Les seuils d’érosion des lits et l’évolution des débits de sédiments en fonction de la vitesse de frottement sont conformes à l’expérience. L’utilisation de l’approche DEM permet par ailleurs de connaître le comportement des grains dans et à la surface du lit au cours du temps (profil vertical de la vitesse des grains à l’intérieur de l’arrangement par exemple) / The models for the erosion and transport of sediments that are currently used rely on empirical data obtained from experiments with sediments having a uniform or unimodal distribution. But there are many practical situations for which the size distribution is significantly different from this assumed distribution, and laboratory and field experiments have shown that the erosion threshold and the transport rate depend on the size distribution and the range of particle sizes. The aim of this study is therefore to investigate and explain the influence of size distribution on erosion and transport rates, using a numerical model that has been developed specifically to study this problem. The sediment bed is assumed to consist of individual, non-cohesive, spherical particles, and the physical interactions between the particles are modelled explicitly, using the Discrete Element Method developed by Cundall and Strack (1979). The flow above the bed is computed using the FLOWSTAR model (Carruthers et al 2000) which was originally developed to compute the flow in the atmospheric boundary layer above arbitrary topography. These two models are coupled, and the resulting numerical code has been used to investigate the temporal evolution of erosion and transport rates agree well with experimental measurements, and the DEM provides additional information concerning the temporal evolution of the particle size distribution within the bed.