Teeth trauma has become one of the most serious physical problems that people are suffering from in the past years. Early diagnosis and management are desperately needed to improve tooth survival, functionality and avoid the tooth loss. However, the diagnosis of cracked tooth could be challenging due to the small size of the crack. Therefore, a mechanics understanding of the tooth fracture is demanding from the perspective of developing a framework for failure prediction in clinical research and bio-mimetic restorative materials. This study focuses on characterising the anisotropic fracture behaviour and the crack shielding mechanisms in elephant dentin. This is often used as a structural analogue for human dentin due to the similarities in microstructure and chemical composition, in order to avoid the test-piece size restrictions, given the larger size of ivory than human teeth. Compact tension test-pieces were extracted from different locations on the ivory tusk so as to have different crack growth directions relative to the microstructure to inspect the fracture anisotropies. The fracture toughness as a function of the crack extension was assessed in terms of fracture resistance curves (R-curve). The accumulative crack-tip strain fields were also measured for the first time in dentin using digital image correlation technique (DIC) to investigate the capability of crack-tip elastic/plastic deformation before material failure. Investigation of crack morphologies, the interaction between crack and the microstructures, the fracture surfaces using both 2-D and 3-D techniques could provide with insights into extrinsic shielding mechanisms. Surface and volume crack opening displacement (COD) were measured for the first time optically and by X-ray computed tomography to investigate the effect of extrinsic crack-tip shielding. The displacement fields around the crack-tip obtained by DIC were fitted using Westergaard’s analytical solution to extract the effective stress intensity factor, by comparing this to the applied load, the efficiency of the crack-tip shielding could be evaluated. A novel cohesive element model (traction-separation law) was then established based on the COD results to simulate the physical process of crack-tip shielding. It is the first time the cohesive model has been adapted to studying the direct crack behaviour measured by in-situ experiment to predict the crack growth. This model was then validated using the crack-tip strain field and R-curve obtained from the experiment measurement.

Le soudage par point et le collage sont largement utilisés dans la jonction des tôles, telles que l'assemblage de caisses de voiture. Récemment, le soudage par point et le collage ont été combinés pour faire le joint hybride soudé-collé, qui est utilisé pour joindre les aciers à hautes résistances et améliorer la rigidité et la résistance aux chocs des corps de voiture. Dans l'industrie, l'évaluation de la conception avant prototype nécessite des modèles fiables de comportement en termes de prédiction des comportements mécaniques. Le modèle élément finis de joint soudé-collé est un nouveau défi car il doit combiner les modèles de soudage par points et les modèles de collage.Cette thèse se concentre sur la modélisation du joint soudé-collé par de l'acier DP600 et avec l’adhésif structurel SikaPower®-498. La modélisation peur utiliser un modèle solide ou un modèle simplifié (élément coque plus élément de connexion). Le modèle solide permet de prédire le comportement de spécimen à petite échelle: KS2 et cisaillement. Le modèle simplifié peut être utilisé pour prédire la performance des composants de grande dimension avec un coût de calcul acceptable.En ce qui concerne le modèle solide, le comportement du joint soudé et du joint collé sont identifiés séparément calibrés sur un spécimen KS2 sous trajets de chargement différents. Les inhomogénéités dans la zone de fusion et la zone affectée par la chaleur du soudage par point sont prises en compte par l'intermédiaire de facteurs d'échelle applique à la contrainte d'écoulement du métal de base. Les facteurs d'échelle sont determinés par identification inverse. Le modèle de Gurson est utilisé pour prédire la rupture ductile en zone affectée par le chaleur et dans le métal base tandis que le modèle de zone cohésive est utilisé pour simuler la rupture quasi-fragile dans l'interface de la zone de fusion. Les paramètres du modèle de zone cohésive sont identifiés par l'intégrale J à la pointe de fissure de la soudure. Des éléments de zone cohésive avec une loi traction-séparation sont également utilisés pour prédire le décollement adhésif. Les paramètres du modèle sont identifiés par des essais du type « Double Cantilevered Beam » et « End Notched Flexure », correspondant aux mode I et mode II respectivement. Le modèle élaboré pour le soudage par est associé avec le modèle de collage pour prédire le comportement et la rupture du joint soudé-collé.En ce qui concerne le modèle simplifié, des éléments de connexion sont utilisés pour prédire les endommagement des soudure par point. Les paramètres de l'élément de connexion sont identifiés par des tests de KS2 sous différents trajets de chargement. Enfin, les modèles simplifiés d'un soudage, d'un collage, et d'un soudé-collé sont validés sur une jonction en T qui peut représenter le pilier-B de carrosserie de la voiture. / Spot welding and adhesive bonding are widely used in joining of sheet metals, such as assembling of car body-in-white. Recently, spot weld and adhesive are combined to make weld bonded joint, which is employed to join Advanced High Strength Steel to improve the stiffness and crashworthiness of car body. In industry, the assessment of designing prior to prototype requires reliable constitutive models in terms of the prediction of the mechanical behaviors. The FE model of weld bonded joint is a new challenge as it should combine the models of spot welding and the models of adhesive. This thesis focuses on the modeling of weld bonded joint by DP600 steel and structural adhesive SikaPower®-498. The model of weld bonded joint consists of solid model and simplified model. The former is devoted to predict the behavior of weld bonded joint on small-scale specimen: KS2 and lap-shear. The latter can be used to predict the performance of large components with acceptable computational cost. As regards solid model, spot welded joint and adhesive bonded joint behaviors are separately identified by KS2 specimen under different loading path. The inhomogeneities in fusion zone and heat affected zone of spot weld are taken into account via the scaling of the flow stress of base metal. The scaling factors are calibrated by inverse identification. Gurson model is used to predict ductile fracture in heat affected zone and base metal while cohesive zone model is employed to simulate quasi-brittle fracture in the interface of fusion zone. The parameters of cohesive zone model are identified by the J-integral at the notch tip of spot weld crack. Cohesive zone elements with traction-separation-laws are also used to predict adhesive debonding. Model parameters are calibrated by Double Cantilevered Beam and End Notched Flexure specimens, corresponding to Mode-I and Mode-II fracture respectively. The model developed for spot weld is associated with adhesive model to predict weld bonded joint. As regards simplified model, connector elements are employed to predict the damage of spot weld. The parameters of connector element are identified by KS2 tests under different loading paths. Finally, the simplified model of spot welding, adhesive bonding, and weld-bonding are validated by T-joint which can represent the B-pillar of car body.

<div>In this thesis, we propose a model to predict the interfacial delamination in a flexible solar cell. The interface in a multilayer Copper Indium Gallium Diselenide (CIGS) flexible solar cell was studied applying the principles of fracture mechanics to a fixed-arm-peel test. </div><div>The principles of fracture mechanics ( J-integral and cohesive model) were implemented in a finite element software to compare the experimental with the numerical peeling force. A fixed-arm-peel test was used to obtain the peeling force for different peeling angles. This peel force and material properties from the CIGS solar cell were processed in several non-linear equations, so the energy required to start the delamination was obtained.The accuracy of the model was compared by fitting the experimental and numerical peeling force, which had a difference of 0.08 %. It is demonstrated that the peeling process for 90-degree could be replicated in COMSOL® software for a CIGS solar cell.</div>

La modélisation de bassin est couramment utilisée pour décrire l’évolution des bassins sédimentaires à partir d’une reconstitution de leur histoire. Durant la modélisation des processus géologiques, les propriétés de transfert des sédiments peuvent changer significativement à cause de leur fracturation naturelle. La présence de ces fractures dans le bassin peut constituer des chemins préférentiels d’écoulement ou des barrières qui contrôlent les niveaux de surpressions, l’accumulation et la migration des hydrocarbures dans le milieu ainsi que la perméabilité du milieu. Dans l’industrie pétrolière et en particulier durant l’exploration, la connaissance de l’historique des processus de fracturation naturelle permet d’améliorer la prédiction des positions de réservoirs d’hydrocarbures dans le milieu ainsi que leurs propriétés. En profondeur les fractures s’amorcent dans les roches aux niveaux des discontinuités géométriques. Cependant, les chargements à l’origine de l’initiation de ces fractures restent mal connus. Dans les bassins sédimentaires, les propriétés mécaniques et géométriques de ces fractures sont directement reliées aux processus inhérents à leur formation. Elles peuvent dériver de certains processus comme par exemple le dépôt des sédiments, les chargements tectoniques ou le processus d’érosion. Le but de cette thèse est de fournir une amélioration de la caractérisation de l’amorçage des fractures dans la modélisation de bassin à partir d’un outil numérique de simulation de réseaux de fractures et de son évolution sous chargement hydromécanique. Au cours de la sédimentation, les matériaux enfouis subissent une augmentation de la contrainte verticale. Cette augmentation de la contrainte par sédimentation entraîne une compaction mécanique et une diminution de la porosité. La compaction mécanique qui dépend du taux de sédimentation et de la perméabilité des matériaux enfouis peut générer des surpressions importantes dans le bassin. Dès lors une compétition s’établie entre la dissipation de la surpression des fluides et la vitesse de sédimentation et peut conduire à l’amorçage de fractures. Ainsi, pour étudier analytiquement l’amorçage des fractures dans le bassin, un modèle synthétique géologique est proposé. La solution analytique de l’évolution de la pression et des contraintes dans ce contexte est obtenu en superposant deux problèmes de poroélasticités. L’analyse de la solution et d’un critère de fracturation serviront de base pour prédire l’amorçage et la propagation des fractures. Pour simuler la propagation et l’évolution des fractures, un modèle numérique comportant des chemins potentiels de fracturation uniformément repartis est mis au point dans le code de calcul par éléments finis Porofis. Les fractures sont modélisées par un modèle de joints cohésifs avec endommagement et l’écoulement est décrit à partir de loi de Poiseuille. Les effets du couplage hydromécanique dans les fractures et dans la matrice poreuse sur l’évolution dynamique de l’espacement des fractures pour des cas synthétiques typiques de la modélisation de bassin sont également étudiés / Basin modeling is commonly used to describe basin's evolution from a reconstruction of its history. During the geological processes modeling, the transfer properties of sediments can change significantly due to natural fracturing and therefore may constitute preferential flow paths or barrier that control hydrocarbons migration and accumulation. In petroleum industry, and especially for exploration, the knowledge of natural fracturing processes and history enhances the prediction of overpressures, potential location of hydrocarbon storage and matrix equivalent permeability. At significant depth, nucleation of fractures and initiation are triggered at existing defects, but the loads behind its initiation are unknown or poorly characterized. In sedimentary basin, fracture mechanical and geometrical properties are directly related to the processes from which it comes. Fracture initiation at depth can arise from by many processes such as deposition, tectonic and erosion processes. The aim of the thesis is to provide an improvement in the characterization of fracture initiation in basin modeling by using a numerical modeling of fracture network and its evolution under hydro mechanical loading. During sedimentation, buried rocks are subjected to an increase in vertical stress. This increase leads to a decrease of porosity that is commonly called mechanical compaction. Indeed, the mechanical compaction depending on its rate and on the permeability of the burden rocks, can induce significant overpressures. Thus, a competition is initiated between the dissipation of fluid overpressure and sedimentation rate, and may result in fracture initiation. For analytical study of fracture initiation, a synthetic geologic structure is used. The analytical solution analytical solution of the pressure and stresses in a sealing formation is proposed under sedimentation by superposing two problems of poroelasticity. This analytical solution and a fracturing criterion are used to predict the initiation and propagation of the fracture. The fracture propagation and growth are studied by numerical simulations based on a finite element code dedicated to fractured porous media called Porofis. The numerical model contains defects initially closed and homogeneously distributed. The fractures are modeled with a constitutive model undergoing damage and the flow is described by Poiseuille’s law. The effect of hydromechanical coupling on dynamicevolution of fracture spacing using synthetic geological structure for basin modeling are also studied

Cette thèse vise à réaliser des développements théoriques et numériques portant sur le comportement en cyclage thermomécanique de nouveaux alliages de brasure. L’objectif est de proposer une méthodologie de simulation de la fatigue des assemblages électroniques intégrant ce type de brasures. De nombreux modèles semi-empiriques de fatigue existent déjà mais ont montré leurs limites pour une prédiction suffisamment précise de la fiabilité. Il existe donc un besoin d’enrichir les approches existantes par une description des mécanismes de défaillance à l’échelle mésoscopique, en prenant en compte la microstructure fine de l’alliage d’étain. Une formulation décrivant la plasticité cristalline de l’étain et l’endommagement aux joints de grains a donc été développée et intégrée dans un code de calcul pour simuler les mécanismes de déformation dans le joint de brasure. / This thesis aims to carry out theoretical and numerical developments on the thermo-mechanical cyclic behavior of new solder alloys. The objective is to propose a methodology for modeling the fatigue of electronic packages including this type of solders. Several semi-empirical fatigue models already exist, but have shown their limitations for an accurate sufficiently prediction of reliability. Therefore, it requires to enrich the existing approaches by a description of failure mechanisms in the mesoscopic scale, taking into account the fine microstructure of the alloy of tin. A formulation describing the crystal plasticity of tin and the damage of grain boundaries has therefore been developed and integrated in the finite element code for simulating the fracture mechanisms of solder joint.

L’objectif de cette thèse est d’étudier l’évolution de la fissure sous les effets de plasticité et du champ de contrainte non-uniforme à l’aide du modèle de zone cohésive. Dans un premier temps, l’évolution de la fissure au sein du matériau élastoplastique est explorée dans le cadre de l’approche variationnelle. Les solutions sont explicitées dans le cas d’une barre 1D sous traction simple grâce aux conditions de stabilité locale d’énergie au premier ordre et au second ordre. Cette étude nous permet de mettre en lumière l’effet de la plasticité sur le comportementadoucissant du matériau dès que la fissure cohésive apparaît. En effet, la réponse globale de la barre sous déplacement imposé est stable seulement si la longueur de la barre est inférieure à une longueur critique. Cette dernière est démontrée indépendante du module d’écrouissage plastique mais dépend du module Young et de la dérivée seconde de la densité d’énergie de fissure. Les formulations énergétiques peuvent être généralisées pour la structure 3D. Dans ce cas, les critères de plasticité et de cohésif deviennent les courbes dans le plan des contraintes de Mohr. La comparaison des courbes nous permet d’étudier la nucléation de fissure cohésive au sein du domaine plastifié. Dans un deuxième temps, les effets de la non-uniformité du champ de contrainte sur la nucléation de la fissure au sein de la structure élastique sont mis en évidence. On construit la solution analytique en utilisant la technique à deux échelles et l’analyse complexe. L’évolution de la fissure purement cohésive et partiellement non-cohésive est contrôlée par le gradient du champ de contrainte lié à une longueur caractéristique. L’utilisation des différentes lois cohésives dans le problème est explorée. La sensibilité de la solution à la taille du défaut préexistant est également étudiée. Finalement, des résultats analytiques sont validés par les simulations numériques et le modèle de zone cohésive en mode mixte est implémenté dans Code_Aster. / The aims of this work is to study the cracks evolution under plasticity and nonuniform stress field effects by using cohesive zone model. Firstly, basing on the variational approach, the crack evolution in the elastoplastic material is investigated. The solutions for 1D beam under simple tension is expressed explicitly through the first and the second orders stability conditions of energy. This study shows us the plasticity effects on the material softening behavior as soon as crack appears. In fact, the global solution of the beam under described displacement is stable only if the beam length is lower than a characteristic length. This length is independent of plasticity hardening module but depends on Young modulus and on the second derivative of crack energy density. The energy formulations can be generalized for 3D structure. In this case, the plasticity and cohesive criteria become two curves in Mohr’s stresses plane. The comparison between theses curves allows us to consider the crack nucleation in the plastified domain. Secondly, the non-uniform stress field effects on the crack nucleation in the elastic material is highlighted. The analytical solution is established by using two-scales techniqueand complex analysis. The evolution of fully cohesive crack and partially non-cohesive crack is controlled by the stress gradient, which is related to a characteristic length. Different cohesive laws are used in our study. The sensitivity of solution to preexisting imperfection size is also explored. Finally, analytical results are validated by numerical simulations and the cohesive zone model in mixed mode is implemented in Code_Aster.

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Transparent trä biokompositer (TW) är en ny attraktiv klass av biokomposit. De är uppbyggda av delignifierat trä som impregnerats med en polymer med matchande brytningsindexet.  TW kan skräddarsys för inom ett brett spektrum av funktionella, optiska och mekaniska egenskaper. Eftersom de är biobaserade ses de dessutom som ett möjligt material som kan ersätta andra, mer miljöpåverkande material, inom olika sektorer, däribland byggnadsindustrin. Till skillnad från de funktionella egenskaperna har det mekaniska beteendet hos dessa biokompositer dock inte undersökts särskilt ingående. Syftet med denna avhandling är därför att utöka den nuvarande kunskapen om det mekaniska beteendet av dessa material genom att använda två olika mekanisk karakterisering metoder av TW och vanligt trä som referensmaterial. TW framställdes genom impregnering av delignifierade björkfaner med PMMA. Den mekaniska karakteriseringen utfördes med hjälp av olika metoder. Elastiska modulen och böjhållfastheten i tvärriktningen studerades med hjälp av fyrpunktsböjningprov. Resultaten visade en förbättring för båda egenskaperna jämfört med vanligt björkträ. Brottet vinkelrätt mot fibern (TR-systemet) undersöktes genom att utföra in situ fyrpunktsböjningstester på prover med en kant-spricka i ett svepelektronmikroskop för att observera hur sprickorna fortplantar sig i den komplexa mikrostrukturen. En anmärkningsvärd förbättring (cirka 175 procent) av brottsstyrkan konstaterades jämfört med vanligt trä. Dessutom användes DIC-teknik (digital image correlation) på fyrpunktsböjningstesterna, med kant-spricka, för att studera spänningsfältet under spricktillväxten, särskilt bildandet av brottprocesszonen (FPZ) runt sprickspetsen. Därefter föreslogs en ekvation som beskriver kohesionslagen för båda materialen baserat på experimentella observationer som i slutändan kan användas för sprickmekaniska simuleringar. Slutligen visades kort hur man kan använda de uppmätta mekaniska egenskaperna hos den nya TW för materialval för tekniska tillämpningar. / Transparent wood (TW) biocomposites are a new attractive class of materials. They are based on a delignified wood template impregnated by a refractive index-matching polymer.  TWs can be tailored in order to show a wide range of functional, optical, and mechanical properties. Moreover, being biobased, they are seen as a possible key material to replace more environmentally impactful materials in various sectors including the construction industry. However, unlike the functional properties, the mechanical behaviour of this class of materials has been poorly investigated. Therefore, in this thesis, the aim was to extend the current knowledge about the mechanical response of these materials by using a two-step mechanical characterization on TW and native wood as reference material. The analysed TW biocomposite was prepared by impregnation of delignified birch veneers by PMMA. The mechanical characterization was carried out using different techniques. The Young’s modulus and the flexural strength along the transverse direction were studied by four-point bending tests. The results showed an improvement for both properties compared to native birch wood. The fracture perpendicular to the grain (TR system) was investigated by performing in situ single-edge-notched four-point bending tests onto a scanning electron microscope to observe how the cracks propagate in this complex microstructure. A remarkable improvement (about 175 percent) in fracture toughness was found compared to the native wood. Furthermore, the in situ single-edge-notched four-point bending test was also applied, together with the digital image correlation (DIC) technique, to study the strain field during the crack growth, specifically the formation of the fracture process zone (FPZ) around the crack tip. Then, an equation describing the cohesive law was proposed for both materials based on experimental observations that can be ultimately used for fracture mechanics simulations. Finally, it was briefly shown how to make use of the measured mechanical properties of the novel TW for material selection for engineering applications.

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Composite materials and hybrid materials such as fiber-metal laminates, and functionally graded materials are increasingly common in application in aerospace structures. However, adhesive bonding of dissimilar materials makes these materials susceptible to delamination. The use of integrated Sinc methods for predicting interlaminar failure in laminated composites and hybrid material systems was examined. Because the Sinc methods first approximate the highest-order derivative in the governing equation, the in-plane derivatives of in-plane strain needed to obtain interlaminar stresses by integration of the equilibrium equations of 3D elasticity are known without post-processing. Interlaminar stresses obtained with the Sinc method based on Interpolation of Highest derivative were compared for the first-order and third-order shear deformable theories, the refined zigzag beam theory and the higher-order shear and normal deformable beam theory. The results indicate that the interlaminar stresses by the zigzag theory compare well with those obtained by a 3D finite element analysis, while the traditional equivalent single layer theories perform well for some laminates. The philosophy of the Sinc method based on Interpolation of Highest Derivative was extended to create a novel weak form based approach called the Integrated Local Petrov-Galerkin Sinc Method. The Integrated Local Petrov-Galerkin Sinc Method is easily utilized for boundary-value problem on non-rectangular domains as demonstrated for analysis of elastic and elastic-plastic plane-stress panels with elliptical notches. The numerical results showed excellent accuracy compared to similar results obtained with the finite element method. The Integrated Local Petrov-Galerkin Sinc Method was used to analyze interlaminar debonding of composite and fiber-metal laminated beams. A double-cantilever beam and a fixed-ratio mixed mode beam were analyzed using the Integrated Local Petrov-Galerkin Sinc Method and the results were shown to correlate well with those by the finite element method. An adaptive Sinc point distribution technique was implemented for the delamination analysis which significantly improved the methods accuracy for the present problem. Delamination of a GLARE, plane-strain specimen was also analyzed using the Integrated Local Petrov-Galerkin Sinc Method. The results correlate well with 2D, plane-strain analysis by the finite element method, including interlaminar stresses obtained by through-the-thickness integration of the equilibrium equations of 3D elasticity. / Ph. D.