Pour mieux comprendre les problèmes de stabilité observés sur la ligne nord du TGV en Picardie, des essais de caractérisation mécanique ont été réalisés sur le loess naturel qui est le sol de la fondation ferroviaire. L'accent a été mis sur son comportement sous un grand nombre de chargements cycliques dans des conditions non saturées, sur son comportement d'effondrement à l'humidification et sur sa susceptibilité de liquéfaction quand la saturation est atteinte. Les résultats obtenus ont montré que la couche située à 2,20m présente le plus grand risque d'instabilité. Une nouvelle méthode évaluation des risques de liquéfaction a été développée à partir d'essais courants de géotechniques. Cette méthode prend en compte notamment l'effet de la non saturation initiale. Une application directe de cette méthode sur 4 sites différents a monté une cohérence avec les sondages in situ. Sur le plan numérique, un modèle élastoplastique avec endommagement a été développé pour décrire les principaux phénomènes observés tels que l'effondrement dû à la diminution de la succion, l'endommagement et la liquéfaction dus au chargement cyclique.

L'objectif principal de ce travail est d'étudier la cinétique d'endommagement par multifissuration matricielle de stratifiés croisés [0m/90n]S, carbone/époxyde IM7/977-2 ou IMS/M21 utilisés dans l'industrie aéronautiques, à partir d'essais de traction sous chargement monotone et de fatigue, à plusieurs températures. L'évolution de la densité de fissures dans des stratifiés [0m/90n]S sous chargement monotone est étudiée expérimentalement puis décrite par un critère énergétique faisant intervenir l'énergie de rupture. Plusieurs expressions du taux de restitution d'énergie ont été comparés pour obtenir une bonne évaluation de l'énergie de rupture en fonction de la densité de fissures. L'influence du délaminage et de la température sur les courbes de fissuration a aussi été considérée. Pour le composite IM7/977-2, l'influence de la température est décrite au moyen du principe de superposition temps-température, en cherchant à construire des courbes maîtresses d'iso-endommagement. Un passage de l'étude de la fissuration sous chargement monotone à l'étude de la fissuration progressive sous chargement de fatigue a été étudié. Une étude expérimentale et une simulation de l'évolution de la densité de fissures transverses en fonction du nombre de cycles sont présentées. Dans le critère de fissuration, une loi de dégradation de l'énergie de rupture en fatigue du matériau qui repose sur une génération de l'hypothèse simple de Vinogradov concernant la forme des courbes S-N de première fissuration et qui prend en compte l'effet de courbe «R» a été utilisée.

Cette thèse porte sur la modélisation par éléments finis des procédés de mises en forme à froid, que sont le tréfilage et le laminage. Tout d'abord le comportement mécanique des aciers haut carbone a été mesuré grâce à une large campagne d'essais expérimentaux tout au long de cette gamme de mise en forme et une progressive anisotropie mécanique a été observée au cours du tréfilage. Puis, la simulation numérique du tréfilage et du laminage a été réalisée à l'aide de FORGE2005®. Le résultat principal concerne la prédiction de l'élargissement en fin de laminage qui est très imprécise avec une loi isotrope (sous estimation de la largeur de 10%). Cette sous-estimation passe à 5% avec une loi de comportement anisotrope. Ensuite, une troisième partie a porté sur l'étude microstructurale couplée à une analyse des mécanismes d'endommagement des aciers perlitiques au cours du tréfilage et du laminage. L'anisotropie mécanique provient de l'alignement des colonies de perlite au tréfilage et par l'apparition d'une orientation cristallographique préférentielle. Trois mécanismes d'endommagement ont pu être identifiés au cours du tréfilage. Lors du passage au laminage, les cinétiques de propagation de l'endommagement sont modifiées. La simulation a permis d'apporter des informations supplémentaires et de valider les observations expérimentales. Enfin, des calculs d'optimisation du tréfilage ont été effectués et ont permis d'étudier la sensibilité des fonctions objectifs (endommagement et force de tréfilage) aux paramètres d'optimisation (géométrie de filière). De plus, cette étude a mis en évidence que les solutions optimales diffèrent en fonction du choix de la fonction coût et qu'il est possible de diminuer l'endommagement sans trop augmenter la force de tréfilage et le risque de rupture.

Les matériaux composites thermoplastiques constituent une solution technologique de premier ordre pour la fabrication de pièces et de composants fonctionnels ou de structure notamment pour l'industrie automobile. Le travail abordé dans le cadre de cette thèse constitue une contribution à la compréhension et à la modélisation de la cinétique d'endommagement dans les thermoplastiques renforcés par des fibres de verre courtes (PA6

Le Zircaloy-4 est un alliage de zirconium utilisé dans la fabrication des tubes de gainage de combustible nucléaire. Durant la période de fonctionnement, l'oxydation des tubes par l'eau du circuit primaire engendre une diffusion d'hydrogène dans le Zircaloy qui peut ensuite précipiter sous forme d'hydrures de zirconium selon la limite de solubilité de l'hydrogène dans le zirconium à la température considérée. La fragilisation induite par la précipitation d'hydrures dépend de nombreux paramètres, notamment de la teneur en hydrogène et de l'orientation des hydrures par rapport à la sollicitation. Ce travail de thèse a consisté à étudier l'influence de la présence d'hydrures radiaux pour deux teneurs en hydrogène (200 et 500 ppm) à température ambiante, sur les modes de déformation, d'endommagement et de rupture du matériau dans sa finition industrielle, le Zircaloy-4 détendu. Pour cela, des essais de traction sur anneau ont été réalisés, au cours desquels la technique de corrélation d'images numériques a été utilisée pour accéder aux champs de déformation, à l'échelle globale (essais macroscopiques) ou à l'échelle locale (essais in-situ sous MEB). L'étude des champs de déformation macroscopique et des faciès de rupture nous permet de distinguer trois classes parmi les différentes configurations étudiées : d'abord, les échantillons dont la rupture est ductile, ceux pour lesquels elle est fragile et enfin ceux dont la rupture est fragile après déformation ductile. Les champs de déformation locaux en revanche ne sont pas notablement modifiés par la présence d'hydrures. Certaines informations issues des champs de déformation macroscopique ainsi que des données quantitatives sur la distribution d'orientation des hydrures obtenues par analyse d'images, ont permis de formuler un critère de rupture pour le matériau hydruré à 200 ppm. Ce critère basé sur la mécanique de l'endommagement non-couplé permet de reproduire les courbes de comportement obtenues expérimentalement pour les trois distributions d'orientation des hydrures étudiées.

Cette étude est dédiée à établir un outil de prédiction de durée de vie pour un métal polycristallin soumis à des chargements multiaxiaux complexes en fatigue à grand nombre de cycles. Afin d'appréhender les mécanismes de plasticité et d'endommagement à modéliser, une campagne d'expériences menées sur un acier type C35 est effectuée dans la première partie de l'étude. Les options de modélisation sont choisies en lien avec cette caractérisation précise des mécanismes. La modélisation s'intéresse à la prévision à la fois du domaine de l'endurance infinie et celui de la durée de vie limitée (105 – 107 cycles). Pour répondre au premier objectif, un critère de fatigue multiaxiale basé sur des invariants des contraintes est proposé. Malgré une formulation simple, les confrontations du critère avec une large base de données sont satisfaisantes. En ce qui concerne le deuxième objectif, afin de dépasser une description purement phénoménologique, un modèle d'endommagement à deux échelles (macro – méso) intègre le critère proposé et est construit dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles permettant de traduire le plus fidèlement possible les mécanismes de dégradation à l'échelle mésoscopique ainsi que capter l'effet de déphasage et le cumul non linéaire du dommage. Au-delà des chargements à amplitude constante, le caractère incrémental du modèle ouvre la perspective du traitement des chargements à amplitude variable.

Ce travail de thèse porte sur l'étude du comportement micromécanique d'un sol fin cimenté ou injecté à l'état durci. Ce milieu est traité ici comme un matériau multiphasique composé de grains de sable (squelette initial), de coulis solidifié qui relie les grains, et de pores résiduels. L'étude de ce matériau hétérogène s'appuie sur la méthode d'Homogénéisation des Milieux Périodiques (HMP), afin d'obtenir le comportement macroscopique à partir du comportement de chacune des phases et de la description détaillée de la microstructure. Dans le domaine linéaire, la méthode HMP montre une bonne concordance avec une méthode analytique itérative. De plus, la confrontation entre les résultats numériques et des résultats expérimentaux existants est très satisfaisante, ce qui permet de valider notre modélisation. Dans le domaine non linéaire, un couplage de la méthode HMP à la méthode de linéarisation sécante est effectué. Nous proposons de plus un schéma itératif permettant de simuler des essais triaxiaux (problème à conditions aux limites mixtes) auxquels nous confrontons nos résultats numériques. La loi d'endommagement de Mazars est ensuite retenue pour décrire le comportement du coulis. Les résultats numériques montrent une allure satisfaisante par rapport à l'expérience. Toutefois, les résistances maximales sont inférieures aux résistances expérimentales, ce qui peut être expliqué par l'absence de frottement interne entre les grains de sable dans le modèle utilisé. Aussi ce frottement est ensuite introduit en utilisant un principe de superposition. Les résultats montrent une nette amélioration en termes de résistance maximale.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire concourent à la modélisation et à la simulation de l'endommagement mécanique des structures, avec pour cibles les installations de production et de transport d'électricité d'EDF. L'objectif affiché est la prédiction de l'évolution de défauts, préexistants ou non, à l'échelle macroscopique de la structure, sous chargements quasi-statiques non cycliques. En particulier, les sollicitations répétées (fatigue) ou dynamiques (crash, séismes) sont exclues de ces travaux, ainsi que d'autres modes de ruine tels que le flambement ou les instabilités plastiques. Compte tenu de la difficulté à prédire l'évolution de défauts dans toute sa généralité, nous avons opté pour une stratégie de modélisation échelonnée, selon la nature et la richesse des informations recherchées. Trois niveaux d'attentes ont été répertoriés. · Prédiction de l'amorçage d'un défaut L'approche en taux de restitution d'énergie de la mécanique de la rupture linéaire a été étendue pour couvrir les situations élastoplastiques, l'apparition de défauts, les propagations instables (dynamiques). La prédiction de la rupture reste conservative car la ruine y est associée à l'amorçage d'un défaut. · Modélisation de la propagation d'un défaut selon un trajet prédéfini L'approche proposée vise à décrire l'initiation et la propagation d'un défaut, le long d'un trajet donné. Elle s'appuie sur des modèles de zones cohésives dans lesquels des forces d'interaction sont introduites entre les lèvres de la fissure. Les simulations numériques sont plus complexes que précédemment car tout le régime de propagation (non linéaire) est dorénavant modélisé. · Détermination du trajet de fissuration Lorsque le trajet de fissuration ne peut plus être anticipé, nous proposons une réponse fondée sur la mécanique continue de l'endommagement. Elle soulève des difficultés physiques et numériques de plusieurs ordres, auxquelles nous avons tenté d'apporter quelques réponses. Il nous semble malgré tout que ce n'est qu'à ce prix qu'on peut décrire l'initiation et la propagation de défauts dans toute sa généralité. Enfin, répondre à cet objectif, avec une finalité industrielle, requiert à la fois de formuler des modélisations appropriées et de développer les outils numériques nécessaires à leur mise en œuvre dans les codes de calcul des ingénieurs (Code_Aster dans notre cas). Leur emploi dans les pratiques industrielles impose en outre trois types d'exigence, - robustesse, au sens de la capacité à produire un résultat dans des situations variées ; - fiabilité, c'est-à-dire que le résultat n'est pas excessivement sensible aux choix de modélisations numériques (discrétisations spatiale et temporelle, entre autres) et donc qu'il est reproductible par des ingénieurs d'étude différents ; - performance, pour que l'utilisation des modèles soit compatible avec les délais des études industrielles. Ces préoccupations ont fait l'objet d'une attention particulière. Elles nécessitent souvent un compromis entre la finesse de description physique et le caractère opérationnel de la formulation.

L'interaction dynamique entre le sol et les structures (IDSS) a fait l'objet de nombreuses études sous l'hypothèse de l'élasticité linéaire, bien que les effets de l'IDSS puissent être différents entre un système élastique et un système inélastique. De fait, les méthodologies usuelles développées à partir des études élastiques peuvent ne pas être adaptées aux bâtiments conçus pour dissiper de l'énergie par de l'endommagement lors de séismes sévères. De plus, il est bien connu que la limite d'élasticité du sol est normalement atteinte même pour de séismes relativement faibles. En conséquence, si les effets inélastiques de l'IDSS sont négligés, les études d'endommagement sismique des bâtiments peuvent être très inexactes. L'objectif de ce travail est de développer une stratégie générale pour l'étude du problème de l'IDSS non-linéaire dans le contexte de l'analyse de la vulnérabilité sismique des bâtiments. Ainsi, des modèles d'éléments finis réalistes sont développées et appliquées à des problèmes d'IDSS non-linéaires. Les modèles couvrent une large gamme des conditions pour le sol et des typologies de bâtiments soumis à plusieurs bases de données sismiques. Une stratégie de modélisation a été développée et validée afin de réduire significativement le coût numérique. Pour cela, un modèle 2D équivalent a été développé, implanté dans GEFDyn et utilisé pour effectuer une importante étude paramétrique. De nombreux indicateurs de comportement non-linéaire de la structure et du sol ont été proposés pour synthétiser leur fonctionnement lors du chargement sismique. De surcroît, une stratégie d'évaluation de la vulnérabilité sismique basée sur l'information apportée par une base des données sismiques a été développée. De façon, générale, les résultats ont mis en évidence une réduction de la demande sismique lorsque les effets inélastiques de l'IDSS sont pris en compte. Cette réduction est liée fondamentalement à deux phénomènes : l'amortissement par radiation et l'amortissement hystérétique du sol. Ces deux effets ont lieu simultanément pendant le mouvement sismique. Il est alors très difficile d'isoler l'influence de ces deux phénomènes. En effet, le mouvement effectif transmis à la structure n'est pas le même que celui en champs libre du aux effets d'interaction, ainsi qu'à la modification locale du comportement du sol fortement lié aux poids du bâtiment. Une série de mesures de sévérité sismique et des mécanismes de dissipation d'énergie au niveau du sol et du bâtiment a été introduite dans le but d'analyser ces effets. Cependant, ces résultats sont en général très irréguliers et leur généralisation a été très difficile. Néanmoins, ces résultats mettent en évidence l'importance de la prise en compte des effets du comportement inélastique du sol. La plupart des cas étudiés ont montré un effet favorable de l'IDSS non-linéaire. Mais, en général, l'IDSS peut augmenter ou diminuer la demande sismique en fonction de la typologie de la structure, des caractéristiques du mouvement sismique et des propriétés du sol. Tout de même, il y a une justification économique pour étudier les effets du comportement non-linéaire du sol sur la réponse sismique.

Dans leurs conditions réelles de fonctionnement, les pièces mécaniques, exposées à un environnement vibratoire de longue durée, sont sujettes à un endommagement par fatigue dynamique pouvant conduire à une perte de performance, voire d'intégrité de la structure. Les tests de fatigue accélérée ont pour but de soumettre une pièce mécanique à un essai de vibration, de durée réduite, en laboratoire, tel que le dommage subi soit équivalent au dommage rencontré par la pièce en service. D'une manière générale, les secteurs d'application potentiellement concernés par les tests de fatigue accélérée relèvent de l'industrie mécanique au sens large (industries automobile,aéronautique, spatiale, ferroviaire, ...). La société R-Tech, bureau d'études du groupe Schréder, fabricant d'appareils d'éclairage public, est à l'origine du projet de recherche ayant conduit à la réalisation de ce travail. Celui-ci s'inscrit dans le cadre d'une convention de First-Doctorat Entreprise, cofinancée par la Région wallonne et le partenaire industriel. L'intérêt porté par R-Tech aux résultats de la recherche est lié au fait que tous les luminaires conçus sont dimensionnés par un calcul statique basé sur la méthode des éléments finis et testés en fatigue sur table vibrante avant d'être commercialisés. Malgré ces précautions, dans quelques cas, des problèmes de bris se produisent sur site. Dans d'autres cas, les calculs par éléments finis conduisent à un surdimensionnement des pièces constitutives du luminaire. Il est donc important pour R-Tech de pouvoir disposer d'outils de conception et de validation de conception permettant de développer et de produire de façon économique des luminaires résistant aux sollicitations auxquelles ils sont normalement exposés. En permettant à R-Tech/Schréder de certifier la conception structurale de leurs produits et d'en garantir la durée de vie dès la phase de développement, cette recherche devrait leur apporter un gain de compétitivité. Par conséquent, la méthodologie développée, bien que générale, a été appliquée en priorité aux cas tests fournis par le partenaire industriel. Lorsque la pièce mécanique devant subir l'essai de vibrations n'est pas connue ou complètement définie, la méthodologie proposée se réfère à une approche analytique basée sur un système de référence à un degré de liberté et conduisant à la définition des critères de sévérité que sont les Spectre de Réponse Extrême (SRE), Spectre de Dommage par Fatigue (SDF) ou Spectre d'Energie Dissipée (SED). Cette approche, indépendante du spécimen à tester et dès lors particulièrement indiquée dans le cas de l'élaboration d'une spécification, ne peut cependant fournir que des résultats qualitatifs. L'estimation précise de la contrainte maximale présente dans la pièce testée ainsi que celle de l'endommagement qu'elle génère au cours du temps n'est envisageable, au moyen d'une telle approche, que pour de rares applications relativement simples permettant d'établir la relation qui existe entre contrainte et déplacement relatif. Dans un cas contraire, le recours à un modèle éléments finis du spécimen est nécessaire. Dans le cas particulier des appareils d'éclairage public, l'environnement vibratoire auquel ils sont soumis est essentiellement dû aux sollicitations éoliennes. Des données météorologiques recueillies par l'IRM à Uccle ont permis d'alimenter un modèle de vent qui rend compte des sollicitations aléatoires liées à la turbulence du vent ainsi qu'à un éventuel largage de tourbillons de Von Karman. Ces excitations sont ensuite appliquées à un modèle éléments finis simplifié du système poteau/luminaire. D'autres environnements vibratoires auxquels les luminaires peuvent être soumis au cours de leur vie, tels les sollicitations sismiques induites à la base d'un poteau installé sur pont ou viaduc et l'impact qui lui est appliqué lors de la collision avec un véhicule manoeuvrant sur un parking, ont également été envisagés dans ce travail. Une fois l'environnement vibratoire réel de la pièce mécanique à tester déterminé, soit expérimentalement, soit analytiquement, la méthodologie proposée conduit à l'obtention d'une spécification équivalente au moyen d'un processus d'optimisation développé au sein du logiciel BOSS Quattro (Samtech). Ce dernier minimise la fonction objectif représentant l'écart entre le critère de sévérité retenu pour caractériser les environnements de référence et équivalent. Le test aléatoire équivalent au vent ainsi que le test d'impact sur poteau font désormais partie intégrante de la procédure de qualification des luminaires R-Tech/Schréder. Lorsque la géométrie de la pièce mécanique à tester et la spécification d'essai à reproduire en laboratoire sur table vibrante sont fixées, une modélisation éléments finis du spécimen permet, si pas d'annuler complètement le risque de bris qui pourrait survenir lors de la phase de qualification expérimentale, de le réduire très fortement. Dans l'exemple d'un luminaire, la structure étant rendue complexe par le nombre de pièces qui la constituent et les assemblages qui existent entre elles, une confrontation des résultats de simulation et expérimentaux est nécessaire : analyses modales au marteau d'impact et sur table vibrante en ajoutant un composant à la fois afin de recaler le modèle, comparaison des niveaux d'accélération simulés et mesurés lors de l'essai en vue du recalage des coefficients d'amortissements modaux, validation du modèle sur base des contraintes mesurées au moyen de jauges et/ou rosettes. Une fois les zones jugées critiques repérées, le modèle peut dès lors être utilisé pour prédire la durée de vie du spécimen soumis à son environnement vibratoire. Celle-ci est finalement obtenue en faisant appel aux concepts de contrainte équivalente de Von Mises, approximation bilinéaire de la courbe de Wöhler, contrainte plastique de Neuber et évolution linéaire ou non-linéaire de l'endommagement.