L’utilisation de composites à matrice thermoplastique renforcée par fibres courtes (TRFC) connait une forte croissance pour une large gamme d’applications industrielles pour des conditions de chargement extrêmes (e.g. pare-chocs d’automobiles). Il est donc indispensable de développer des modèles de comportement des TRFC tenant compte des spécificités du matériau pour une large gamme de vitesse de déformation. Toutefois, le comportement de ces composites est complexe. Cette complexité est due, en premier lieu, au comportement viscoélastique (VE)-viscoplastique (VP) de la matrice avec une sensibilité à la pression. A cela s’ajoute les caractéristiques complexes du renfort en termes de distributions d’orientation des fibres courtes. De plus, le comportement de ces composites est affecté par des phénomènes d’endommagement coexistants (e.g. endommagement de la matrice et décohésion l’interface fibre/matrice). Dans ce travail, un modèle permettant la prise en compte de l’ensemble de ces phénomènes est proposé. Sa formulation est basée sur la décomposition du matériau en un milieu matriciel et plusieurs milieux de fibres, sur la base d’une décomposition additive du potentiel thermodynamique. Cette approche permet une implémentation simplifiée avec une résolution successive (mais non indépendante) du comportement de chaque milieu. Un avantage immédiat est la possibilité de prendre en compte tout type de comportement matriciel et tout type d’orientation. L’interface fibre/matrice, siège de la transmission de l’effort est modélisée par un transfert par cisaillement, avec sur une hypothèse locale d’iso-déformation dans la direction de la fibre. L’endommagement ductile de la matrice est pris en compte par un modèle d’endommagement anisotrope. La dégradation de l’interface fibre/matrice est décrite par un modèle de décohésion initiée en pointe de fibres. Un critère de rupture se basant sur le taux maximal de vide crée par décohésion est enfin introduit. La caractérisation du modèle est basée sur des campagnes d’essais quasi-statiques et dynamiques pour le cas de polypropylène pur et renforcé par fibres courtes de verre, à différents angles de chargement par rapport à la direction d’injection. Ces essais sont complétés par des observations au microtomographe permettant la caractérisation des distributions d’orientation locale des fibres. Des observations au MEB ont enfin permis de constater une éventuelle influence de la vitesse de sollicitation sur les mécanismes d’endommagement. / Short fibre-reinforced composites are commonly used in a variety of engineering applications, including automotive and aerospace industry. Today, their use is progressively extended to parts possibly subjected to severe loading conditions (e.g. crash...), characterised by high strain rates. Therefore, an efficient modelling that takes into account material’s specificities at a large strain rate range is needed. A constitutive model of viscous behaviour of short-fibre reinforced composites (SFRC) where complex distributions of fibre orientations are taken into account is proposed in this work. The approach considered for the computation of composite macroscopic behavior is based on an additive decomposition of the state potential. The SFRC is assimilated to an assembly of several fibre media embedded in a polymeric matrix medium. One of the main assets of this approach is the possibility to model reinforcement with complex distributions of fibre orientations. Moreover, this decomposition allows the implementation of complex behaviour laws coupled with damage models. The polymeric matrix behaviour is typically strain-rate sensitive, i.e. viscoelastic-viscoplastic. This property has to be taken into account when the modelling of the composite behaviour over a large range of strain rate is intended. Therefore, a viscoelastic constitutive model, based on generalised Maxwell model, and a viscoplastic correction scheme, based on an overstress approach, are implemented for matrix material. The developed constitutive model is then coupled to two damage laws. The first one is introduced in the framework of Continuum Damage Mechanics in order to model the anisotropic ductile damage behaviour of the matrix material. The second one deals with fibre/matrix interfacial degradation through an interfacial debonding law. In order to identify the parameters involved in the present model, experimental tests are performed (case of polypropylene reinforced with short glass fibres). Microcomputed tomography is used for the characterisation of the fibres distribution of orientation. The efficiency of the proposed model is demonstrated by comparisons between numerical and experimental responses in different loading conditions, including dynamic loadings.

Erstmalig wird das Forschungsziel, für Magnesiumfeinblech einen experimentell validierten, gefüge- und mechanismenbasierten Parametersatz für die numerische Verformungs- und Schädigungssimulation unter Berücksichtigung der anisotropen Verfestigung zu ermitteln, erreicht. Damit wird dem ansteigenden Bedarf anwendungsrelevanter Werkstoffmodelle für die Entwicklung von Mg-Blechbauteilen entgegengekommen. Besonders die Formulierung von gekoppelten Schädigungsmodellen scheitert bis jetzt an der lückenhaften experimentellen Ermittlung von Schädigungsparametern. Daher sieht die vorliegende Arbeit vor, ein numerisches Modell für die Anwendung in der FEM-Simulation zur Verfügung zu stellen. Es wurden speziell für Feinblech relevante Charakterisierungsmethoden für die Parametrisierung eines gekoppelten Schädigungsmodells unter Berücksichtigung der Orthotropie eingesetzt. Die Anwendung erfolgte anhand von 1,0 mm dünnem AZ31 Feinblech eines über das Gießwalzverfahren mit anschließendem Warmwalzprozess hergestellten Coils. / For the first time the research goal of determining an experimentally validated, microstructureand mechanism-based parameter set for the numerical deformation and damage simulation under consideration of anisotropic hardening has been achieved for magnesium thin sheet. This will meet the increasing demand for application-relevant material models for the development of Mg sheet metal components. In particular, the formulation of coupled damage models has so far failed due to the incomplete experimental determination of damage parameters. Therefore, the present thesis provides a numerical model for the application in FEM simulation. Characterization methods relevant for thin sheet metal were used for the parameterization of a coupled damage model under consideration of the orthotropy. The application was based on 1.0 mm thin AZ31 sheet metal of a coil produced by the twin-roll casting process with subsequent hot-rolling process.

Une nouvelle approche appelée “Approche Pseudo Inverse” (API) est développée pour la modélisation du procédé de forgeage à froid des pièces axisymétriques. L'API est basée sur la connaissance de la forme de la pièce finale. Certaines configurations intermédiaires « réalistes » ont été introduites dans l'API pour considérer le chemin de déformations. Elles sont créées géométriquement sans traitement de contact et ensuite corrigées par la méthode de surface libre afin de respecter l'équilibre, les conditions aux limites et la condition d'incompressibilité. Un nouvel algorithme direct de plasticité est développé, conduisant à une méthode d'intégration plastique très rapide, précise et robuste même dans le cas de très grands incréments de déformations. Un modèle d'endommagement en déformation, est couplé à la plasticité et implémenté dans l'API. Les validations numériques montrent que l'API donne des résultats très proches des résultats de l'approche incrémentale mais en utilisant beaucoup moins de temps de calcul.L'API est adoptée comme solveur du forgeage pour la conception et l'optimisation des préformes du forgeage multi-passes. La rapidité et la robustesse de l'API rendent la procédure d'optimisation très performante. Une nouvelle technique est développée pour générer automatiquement le contour initial d'un outil de préforme pour la procédure d'optimisation. Les variables de conception sont les positions verticales des points de contrôle des courbes B-spline définissant les formes des outils de préforme. Notre optimisation multi-objectif consiste à minimiser la variation de la déformation plastique équivalente dans la pièce finale et la force du poinçon au cours du forgeage. Un algorithme génétique et un algorithme de recuit simulé sont utilisés pour trouver les points d'optimum de Pareto. Pour réduire le nombre de simulations de forgeage, un méta-modèle de substitution basé sur la méthode de krigeage est adopté pour établir une surface de réponse approximative. Les résultats obtenus par l'API en utilisant les outils de préforme optimaux issues de l'optimisation sont comparés à ceux obtenus par les approches incrémentales classiques pour montrer l'efficacité et les limites de l'API. La procédure d'optimisation combinée avec l'API peut être un outil numérique rapide et performant pour la conception et l'optimisation des outillages de préforme. / A new method called “Pseudo Inverse Approach” (PIA) is developed for the axi-symmetrical cold forging modelling. The PIA is based on the knowledge of the final part shape. Some « realistic » intermediate configurations are introduced in the PIA to consider the deformation path. They are created geometrically without contact treatment, and then corrected by using a free surface method in order to satisfy the equilibrium, the boundary conditions and the metal incompressibility. A new direct algorithm of plasticity is proposed, leading to a very fast, accurate and robust plastic integration method even in the case of very large strain increments. An isotropic damage model in deformation is coupled with the plasticity and implemented in the PIA. Numerical tests have shown that the Pseudo Inverse Approach gives very close results to those obtained by the incremental approach, but using much less calculation time.The PIA is adopted as forging solver for the design and optimization of preform tools in the multi-stage forging process. The rapidity and robustness of the PIA make the optimization procedure very powerful. A new method is developed to automatically generate the initial preform tool shape for the optimization procedure. The design variables are the vertical positions of the control points of B-spline curves describing the preform tool shape. Our multi-objective optimization is to minimize the equivalent plastic strain in the final part and the punch force during the forging process. The Genetic algorithm and Simulated Annealing algorithm are used to find optimal Pareto points. To reduce the number of forging simulations, a surrogate meta-model based on the kriging method is adopted to build an approximate response surface. The results obtained by the PIA using the optimal preform tools issued from the optimization procedure are compared to those obtained by using the classical incremental approaches to show the effectiveness and limitations of the PIA. The optimization procedure combined with the PIA can be a rapid and powerful tool for the design and optimization of the preform tools.