Le calandrage consiste à faire passer, à grande vitesse, la feuille de papier entre au moins deux rouleaux, soumis à une force normale et chauffés, afin d'améliorer l'état de surface. Ce passage durant un temps inférieur à la milliseconde et sous une pression de quelques dizaines de MPa produit aussi une diminution de l'épaisseur du papier. Cette thèse étudie le comportement mécanique du papier dans un nip de calandre (zone d'emprise entre les deux rouleaux) et les interactions de surface rouleau / papier. Différents papiers destinés à l'impression - écriture sont étudiés (couché, non couché).Deux essais d'indentation sphérique de feuille de papier (chute de bille et compression quasi-statique) ont été développés et des essais de calandrage ont été réalisés. Les temps de sollicitation lors de l'essai de chute de bille sont comparables à ceux rencontrés dans un nip. L'analyse mécanique des essais permet d'établir des courbes contrainte / déformation et de suivre l'évolution du module d'élasticité " statique " avec la déformation plastique. Ces grandeurs mécaniques s'avèrent sensibles à la formulation et au conditionnement du papier, ainsi qu'au temps de sollicitation. Un modèle mécanique permet d'évaluer à partir des essais de compression quasi-statique, la largeur du nip dans des conditions statiques. L'adhésion entre la surface des papiers et les rouleaux est étudiée à partir un essai de roulement sur un plan incliné et des essais de calandrage. Les essais de calandrage ont également permis de relier l'amélioration des caractéristiques de surface à la réduction d'épaisseur du papier et de préciser comment l'état de surface du rouleau se transfère sur le papier.

Cette étude, réalisée dans le cadre du groupement scientifique français comportement thermomécanique des composites céramique/céramique, a pour objectifs la caractérisation expérimentale et la modélisation du comportement mécanique, à température ambiante, en traction uniaxiale, de composites SiC/SiC élaborés par la SEP. Nous avons adopté une approche multi-échelle : différents matériaux ont successivement été considérés. Les torons : composites unidirectionnels constitués d'environ 500 fibres de SiC Nicalon imprégnées, par infiltration chimique en phase vapeur (CVI), par la matrice SiC. Les composites monocouches : nappés de torons de fibres de SiC tissés, imprégnées par la matrice SiC selon le même procédé de CVI. Les matériaux multicouches : superpositions de strates de torons de fibres tissées, infiltrées par la matrice SiC. La modélisation numérique par éléments finis proposée est fondée sur une description statistique du comportement des torons. Ces derniers sont en effet caractérisés par une dispersion importante de leurs caractéristiques mécaniques (seuils d'endommagement et de rupture). Ce phénomène non négligeable a donc été introduit dans la modélisation. Par ailleurs, l'observation en microscopie (optique, électronique à balayage) des différents matériaux, a permis de mettre en évidence les phénomènes physiques supplémentaires se produisant à chaque échelle (fissuration matricielle, délaminage). La prise en compte de ces paramètres dans les simulations a fourni une description correcte du comportement mécanique et de la dispersion des caractéristiques mécaniques des différents matériaux : des comparaisons calcul/expérience sont réalisées à chaque échelle.

Ce travail s'inscrit dans le contexte de la modélisation et de la prévision de la durée de vie des aubes de turbines haute pression des moteurs aéronautiques. Ces pièces sont réalisées en superalliage monocristallin base nickel tel que l'AM1, matérieu de l'étude. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés aux évolutions microstructurales se produisant à haute température sous chargement mécanique connues sous le nom de coalescence orientée des précipités. Ce travail a consisté, dans un premier temps, a étudier le comportement du matérieu non-vieilli. Des essais à 950°C ont été réalisés afin d'enrichir la base d'essais existente. Ils ont permis l'identification d'un modèle de viscosité de type sinus hyperbolique sur une large gamme de vitesses de sollicitations. Le comportement initial du matériau a également été étudié à l'échelle mésoscopique (échelle des phases). Un modèle de comportement a été identifié pour chacune des phases afin de reproduire le comportement macroscopique du matériau. Cette étude, effectuée dans le cadre de la viscoplasticité classique a permis de mettre en évidence les limites de cette approche. Notamment, elle ne permet pas de modéliser les effets d'échelle observés en plasticité. Parallèlement, nous nous sommes intéressés au phénomène de coalescence orientée, tant d'un point de vue expérimental que numérique. Des essais mécaniques après vieillissement ont été réalisés. Différentes conditions de vieillissement ont été étudiées, en fluage à différentes température et contraintes et suivant différentes orientations cristallographiques mais également sous chargement cyclique. Les essais mécaniques ont montré un effet prépondérant de la coalescence orientée sur l'écrouissage du matériau, allant dans le sens d'un adoucissement. La coalescence orientée a également été modélisée par la méthode des champs de phases. Nous avons proposé un couplage du modèle champs de phases avec un modèle de comportement de viscoplasticité cristalline afin de prendre en compte l'influence de l'activité plastique dans les couloirs de matrice. Les simulations ont montré une accélération de la cinétique de mise en radeaux due à la plasticité ainsi que des précipités ayant une forme plus réaliste vis-à-vis de l'expérience, notamment en vieillissement sous chargement cyclique lent. La prise en compte des effets de la coalescence orientée passe par la modélisation des effets d'échelle en plasticité. C'est pourquoi nous nous sommes intéressés aux milieux continus généralisés. Nous avons étudié analytiquement les effets d'échelle produits par un modèle de Cosserat et le modèle microcurl dans le cas d'un matériau biphasé en cisaillement. Les deux modèles prévoient un écrouissage cinématique linéaire dépendant de la taille de la microstructure. Enfin, les développement précédents et les essais réalisés dans le cadre de ce travail ont permis la construction et l'identification d'un modèle macroscopique étendu qui rend compte des effets de la coalescence orientée sur le comportement mécanique de l'AM1.

Le verre est un matériau qui connaıt un réel essor. La demande accrue de nouvelles formulations pour atteindre des hauts niveaux de qualité (verre pour écrans plasma et LCD) impose des exigences toujours plus grandes pour la conception et l'optimisation des fours verriers. Les réfractaires électrofondus sont les candidats idéaux pour répondre à ces exigences.<br />Leur procédé d'élaboration (électrofusion), proche de la fonderie des métaux, leur confère une microstructure tout à fait originale, très différente des microstructures obtenues par les procédés plus classiques (frittage) de l'industrie céramique. <br /><br />L'objectif de l'étude est d'étudier les relations entre les propriétés mécaniques macroscopiques des réfractaires électrofondus, responsables de leurs propriétés d'usage, et leur structure microscopique, telle qu'elle résulte de leur procédé d'élaboration. La méthodologie utilisée dans ce travail est basée sur une approche numérique micro-macro. Nous appliquons la méthode des éléments finis à la morphologie réelle des matériaux, caractérisée par la technique de microtomographie à rayons X, à l'ESRF, au synchrotron de Grenoble. <br /><br />L'exploitation de ces images permet, dans un premier temps, de mettre en évidence que les phases en présence (zircone, phase vitreuse) sont spatialement interconnectées. Si, sur une simple coupe 2D, l'allure de la microstructure s'apparente à celle d'un fritté, la réalité est beaucoup plus complexe. La forte imbrication des dendrites (”interlocking”) assure l'existence d'un squelette continu de zircone. Dans un second temps, nous avons quantifié les rôles joués par les constituants à partir d'observations, par microtomographie X, d'échantillons prélevés dans des éprouvettes déformées en fluage à haute température. Le fluage semble être totalement controlé par la zircone, la phase vitreuse n'ayant aucun role structurant.<br /><br />Parallèlement, des calculs par éléments finis tridimensionnels, réalisées à partir de volumes<br />élémentaires de la microstructure réelle, permettent de modéliser une partie des phénomènes impliqués lors du refroidissement : fluage à haute température, microfissuration à basse température. La loi de fluage du squelette de zircone a été identifiée par méthode inverse à 1400C, à partir de sa morphologie réelle 3D. Les réponses en fluage et les contraintes locales obtenues sont similaires pour les réalisations étudiées et en accord avec l'expérience. Après avoir validé notre modèe en fluage, tout l'intéret a été de pouvoir l'appliquer à la simulation d'un refroidissement de 800C à l'ambiante (calcul thermo-élastoviscoplastique).<br />Les maillages des volumes étudiés contiennent un grand nombre de degrés de liberté. Nous avons donc eu recours au calcul parallèle sur un cluster de 12 bi-processeurs conduisant à des temps de calcul de 36 heures environ. Les prédictions obtenues permettent d'évaluer les niveaux de contraintes générés dans le matériau du fait du différentiel de dilatation entre les<br />deux phases. Les risques d'endommagement par microfissuration de la phase vitreuse sont étudiés au travers d'un modèle d'endommagement non couplé, en utilisant un critère de type fragile, formulé en contrainte principale positive maximale.

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Le traitement endovasculaire (EVAR) de l’anévrisme de l’aorte abdominale (AAA) vise à mettre en place une endoprothèse (EP) au sein du sac anévrismal afin d’éviter sa rupture. Si cette chirurgie a l’avantage d’être mini-invasive et de pouvoir être utilisée pour des patients non éligibles à la chirurgie ouverte classique, il existe cependant plusieurs événements indésirables, pouvant apparaître au cours du suivi du patient. Mieux connaître le comportement mécanique des EPs permettrait ainsi d’améliorer leur conception et leur durabilité, principaux verrous au recours systématique à l’EVAR. Ainsi, une méthode de modélisation numérique multi matériaux des EPs a été développée. Les modèles numériques d’EPs ont été validés à partir d’une analyse d’images 3D obtenues par tomographie aux rayons X, montrant ainsi leur fiabilité. Les performances mécaniques de plusieurs EPs disponibles sur le marché ont ensuite été évaluées sur différents essais de plus en plus proches des conditions in vivo subies par ces dispositifs. Les EPs ont ainsi été soumises à des essais de flexion pure puis à des essais combinant flexion et pressurisation. La flexibilité des EPs et la réponse mécanique de leurs composants ont été comparées. Il a été montré que l’architecture de l’EP avait une influence significative sur ses performances mécaniques. Enfin, le déploiement des EPs au sein de deux modèles d’anévrismes a été simulé, permettant de mettre en évidence d’autres complications, comme les endofuites de type I. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à de nombreuses perspectives, et notamment au développement d’un logiciel d’aide à la décision à destination des chirurgiens. / The aim of the endovascular repair (EVAR) of abdominal aortic aneurysm (AAA) is to set up a stent-graft (SG) within the aneurysm in order to avoid its rupture. This surgery is mini-invasive and can be used for patients who are ineligible for open surgery. However, complications mainly due to mechanical issues can occur during patient follow-up, such as endoleak or stenosis for example. A better knowledge of SG mechanical behaviour could be useful to improve SG design and durability which still prevents surgeons to use this treatment systematically. A new methodology to model multi-material SGs has been developed. Special attention has been paid to the mechanical characterization of stent and graft materials. SG numerical models have been qualitatively and quantitatively validated on a bending test by the means of tomographic acquisitions and image processing, showing their reliability. Mechanical performances of several marketed SGs have been assessed through various tests increasingly closer to the in vivo conditions undergone by the devices. SGs have been subjected to pure bending tests, then to tests combining bending and pressurisation. SG flexibility and components mechanical response have been compared and SGs have been ranked according to their performances. It has been shown that SG architecture has a significant influence on SG mechanical performances. Finally, SG deployment within two aneurysm models has been successfully simulated. The latter study highlighted other complications, like type I endoleak. This work has many promising perspectives, especially the development of a computer-aided surgery.Finite element analysis of the mechanical performances of aortic stent-grafts: application to the treatment of tortuous aneurysms.

Cette étude porte sur l'influence des nano-charges conductrices de noir de carbone sur le comportement mécanique de matériaux composites, dans le but d'intégrer la fonction du blindage électromagnétique. Ces travaux ont traité, dans un premier temps, du problème pratique de la réalisation d'un tel composite et notamment, de la diffusion de la résine chargée lors de la mise en oeuvre par des procédés classiques par voie liquide (Infusion et RTM-Eco). La Première phase du travail est réalisé sur la résine chargée seule, dans le but de comprendre l'impact des nano-charges conductrices sur le comportement mécanique d'une résine thermodurcissable de type vinylester avant l'injection de cette résine dans la préforme. Finalement une partie est consacrée à la caractérisation de composite à résine nanochargée en termes d'efficacité de blindage électromagnétique dans une gamme de fréquence allant de 10 MHz à 6 GHz. / This work is devoted to analyze carbon black nano-conductive fillers influence en the mechanical behavior of composite materials, in order to integrate of electromagnetic shielding function. In the first step the practical problem of the realization of such a composite is carried and in particular, the diffusion of the resin filled during the manufacturing by classic processes methods using liquid way (infusion and RTM-Eco). The second step of the work is realized on the resin filled, in order to understand the impact of dispersion of nano-carbon black fillers in the resin on the mechanical behavior of a thermosetting resin (vinyl ester type), before realized infiltration process of the filled resin in the preform. The final step is devoted to the electromagnetic shielding effectiveness characterization of composite-nanofilled resin in a frequency range from 10 MHz to 6 Ghz.

Le PER72® est un superalliage à base de nickel élaboré par Aubert & Duval, utilisé pour la fabrication de disques de turbines de moteurs d'hélicoptères. Dans le cadre de son élaboration, l'alliage subit un traitement thermique qui lui confère ses bonnes propriétés mécaniques, mais qui peut aussi être à l'origine de contraintes résiduelles pouvant fragiliser la pièce. L'objectif de ce travail de thèse consiste à étudier le traitement thermique de ce superalliage et proposer des lois de comportements mécaniques afin d'estimer les contraintes résiduelles créées lors de l'élaboration des disques. Les conditions de traitement thermique sont étudiées. D'une part, l'effet de la vitesse de refroidissement sur les propriétés de l'alliage est investigué. D'autre part, pour chaque vitesse de refroidissement, la trempe est interrompue à différentes températures pour procéder à des essais mécaniques de traction à chaud. Pour ce faire, un outillage permettant de réaliser le traitement thermique des éprouvettes directement sur la machine d'essai a été spécialement développé. De plus, pour chaque condition d’essai, une caractérisation de la microstructure des éprouvettes post-mortem est réalisée. En particulier, la taille et la fraction volumique des précipités de phase gamma' sont étudiées. L'objectif premier est de comprendre l'influence des conditions de traitement thermique sur les propriétés mécaniques et la microstructure de l'alliage. Dans un second temps, un lien entre la microstructure et les propriétés mécaniques est discuté. Enfin, un modèle de comportement thermomécanique adapté à la trempe est formulé. Dans sa formulation, ce modèle prend en compte les paramètres microstructuraux identifiés. / PER72® is a nickel-base superalloys developed by Aubert & Duval. This alloy is used in helicopter engine turbine disk manufacturing. During the elaboration, a heat treatment provides the alloy his good mechanical properties, but it can also be at the origin of residual stress that can affect the disk capabilities.The objective of this work is to study the heat treatment and formulate mechanical behaviour law in order to estimate residual stress generated during the process. The heat treatment conditions are studied. On one hand, the effect of cooling rate on mechanical properties is investigated. On the other hand, for each studied cooling rate, the quench is interrupted at a testing temperature to carry out a tensile test. A special testing device has been developed in order to carry out the heat treatment of alloy specimens directly on the testing machine. Moreover, for each testing condition, the microstructure is characterized. In particular, precipitate size and volume fraction have been measured. The first objective is to understand the influence of quenching conditions on mechanical properties and microstructure. A link between the microstructure and the mechanical properties is then discussed. Finally, a thermo-mechanical behaviour law is formulated. This model takes the identified microstructural parameters into account.

Les câbles supraconducteurs sont largement utilisés dans le domaine des aimants à haut champ et sont en plein développement pour le transport de l’énergie. Un câble est un assemblage complexe de fils composites, euxmêmes constitués de filaments supraconducteurs torsadés dans une matrice métallique et entourés d’une couronne. La dépendance des brins supraconducteurs à la déformation est connue pour être responsable de la dégradation des performances électriques des câbles. La compréhension et la prédiction du comportement mécanique des brins est donc nécessaire afin de prédire les propriétés électriques des câbles dans le but d’optimiser leur mise en forme pour augmenter leurs performances (champ magnétique et capacité de transport).Une caractérisation mécanique multi-échelle de brins Nb3Sn et MgB2 a été réalisée au travers d’essais sur brins complets et sur brins dont la couronne a été dissoute. Un dispositif d’essais a été développé dans le cadre d’essais uniaxiaux sur fil fragile de faible diamètre. Des essais de nano-indentation ont permis d’accéder aux propriétés locales des matériaux constituants les brins. Une stratégie de modélisation et d’identification du comportement mécanique des brins a été développée. La modélisation repose sur une représentation simplifiée de la structure construite à partir des fractions volumiques et des essais de nano-indentation. L’identification des paramètres des lois de comportement est réalisée en utilisant la base de données expérimentales construite préalablement. Les modèles ainsi identifiés vont nourrir les futures simulations mécanique et électrique couplées de câbles.Une discussion sur l’endommagement des brins est menée au travers de l’étude de la localisation de la déformation observée dans certains brins, d’observations après des essais de traction interrompus et d’essais de traction in situ à un tomographe à rayons X. / Superconducting cables are widely used in high field magnets and have recently been extended to electricity transport. Cables are composed of a complex assembly of superconducting strands, themselves composed of superconducting filaments twisted in a metallic matrix and surrounded by an outerlayer. The electrical-strain dependence of individual strands is known to be responsible for the degradation of the electrical performance of cables. Thus, it is necessary to understand and predict the mechanical behavior at the strand scale to predict the electrical properties and optimize the manufacturing process of cables to achieve higher fields and better transport capabilities.A multi-scale mechanical characterization of Nb3Sn and MgB2 strands was carried out through tests on complete strands and strands without an outer-layer. A specific device was developed for uniaxial tests on small brittle wire. Nano-indentation tests were also carried out to access to the local properties of each material in the strand.A strategy for the modeling and identification of the mechanical behavior of strands was developed. The model is based on a simplified representation of the structure built from the component volume fractions and the nanoindentation tests. The identification of the parameters is carried out using the experimental database previously developed. The model is intended to be subsequently used to simulate the coupled mechanical and electrical behavior of cables.Discussion about damage phenomenon in strands is carried out through the study of strain localization observed in strands, observations and analyses after interrupted tests, and tensile tests performed in an X-ray tomograph.

Les procédés de formage à grande vitesse comme le magnétoformage et le formage électrohydraulique se développent actuellement à l'échelle industrielle. La conception de ces procédés nécessite le recours à la simulation numérique, du fait de leur caractère fortement dynamique et multiphysique. Pour garantir la précision de ces simulations, il est essentiel de disposer de données pertinentes capables de décrire le comportement dynamique des matériaux déformés.Ce travail de thèse se propose de développer des essais mécaniques basés sur le procédé de magnétoformage afin de caractériser le comportement en écrouissage dynamique de matériaux sous forme de tubes ou de tôles. Les conditions d'essai sont ainsi au plus proche des conditions de déformation visées.Le premier essai mis en place chez iCube Research est un essai d'expansion électromagnétique de tube, instrumenté à l'aide de mesures de courant et de vitesse par photonic Doppler velocimeter (PDV). Le choix de l'inducteur, l'optimisation du modèle numérique (LS-Dyna®) et la sensibilité de l'essai aux incertitudes de mesure sont discutés. La procédure d'identification par analyse inverse est mise en place, et sa capacité à identifier les paramètres du modèle de comportement est étudiée. La sensibilité de l'essai aux paramètres du modèle, et leurs corrélations, sont également analysées.Cette procédure a ensuite été adaptée à un essai dédié à des éprouvettes issues de tôles. Le mode de chargement et de déformation produit par cet essai a permis de réduire de façon significative la sensibilité de la caractérisation aux incertitudes expérimentales par rapport à l'essai d'expansion de tube. Une démarche de réduction de modèle a rendu possible l'utilisation de cet essai dans le cadre d'une procédure itérative d'identification de paramètres.Les deux essais ont été appliqués à l'aluminium 1050 à l'état recuit, et ont permis de mettre en évidence une sensibilité marquée à la vitesse de déformation, avec une augmentation de l'écrouissage par rapport au comportement mesuré par des essais de traction uniaxiale quasi-statique. D'autres nuances d'aluminium ou alliages de cuivre ont également été caractérisés par l'un ou l'autre des essais. La procédure mise en place n'est pas restrictive quant au choix du modèle de comportement dynamique. Dans le cadre de cette étude, qui vise essentiellement à caractériser l'écrouissage dans une gamme relativement restreinte de vitesses de déformation (entre 100 et 5000 s-1), le choix s'est porté sur le modèle de Johnson-Cook.Les conditions dynamiques du formage (hautes vitesses de déformation, impacts, mode de déformation en flexion contre une matrice…) peuvent apporter des gains importants en termes d'allongement. La problématique de la caractérisation de limites de formage dynamiques, qui doit faire l'objet de développements ultérieurs, est introduite en dernière partie. / High speed forming processes such as magnetic pulse forming and electrohydraulic forming are currently developing at the industrial scale. Design of these processes requires numerical simulation to take into account the highly dynamic and multiphysics conditions. To ensure the representativeness of the simulations, there is an important need for relevant data describing the material dynamic behavior.In this study, mechanical tests based on magnetic pulse forming have been developed in order to characterize the dynamic strain hardening of materials in the form of tubes or sheets. The testing conditions are then very similar to the real industrial forming conditions.The first test developped at iCube Research is an electromagnetic tube expansion test, instrumented with pulse current measurement devices and photonic Doppler velocimetry (PDV). Design of the inductor, optimization of the numerical model, and test sensitivity to the experimental uncertainties are discussed. The inverse analysis identification procedure is established, and its ability to identify the constitutive model parameters is examined. The sensitivity of the test to the model parameters, and their correlations, are analyzed as well.This procudure is then adapted to a test dedicated to plane samples, cut from sheets. The loading mode and the deformation mode induced by this test enables a significant reduction of the characterization sensitivity relative to experimental uncertainties, as compared to tube expansion testing. A model reduction approach makes it possible to use this test in an iterative parameter identification procedure.Both tests are applied to annealed aluminium 1050, and they reveal a significant strain-rate sensitivity, with a stronger strain-hardening than that measured by quasi-static tensile tests. Ohter aluminium alloys and copper alloys have been dynamically characterized by one of the tests. The developped procedure is not restrictive for the selection of the constitutive model. In this study, which concerns a relatively narrow strain-rate domain (from 100 to 5000 s-1), the Johnson-Cook model has been chosen.The dynamic forming conditions (high strain-rates, impact, deformation mode by flexion against a die…) are likely to offer great improvements in formability. The problem of dynamic forming limits characterization, which will be the subject of further developpements, is introduced as a last chapter.