L'industrie utilise de plus en plus les matériaux composites stratifiés à matrice organique (CMO) pour remplacer les alliages métalliques légers. Avec un rapport résistance/masse supérieur aux alliages métalliques, ces matériaux constituent une véritable alternative pour diminuer le poids des structures. Cependant, la certification des structures en composite est une procédure lourde et complexe. Le Virtual Testing consiste à remplacer une grande partie des essais réels par des simulations numériques en vue de diminuer la quantité d'essais physiques nécessaires pour la certification. Toutefois, les modèles ainsi que les méthodes de calcul utilisés pour les simulations doivent avoir la confiance des autorités de contrôle. On ce concentre ici sur le Méso-modèle Amélioré d'Endommagement des Composites Stratifiés qui, depuis un vingtaine d'années, a démontré être un modèle capable de prendre en compte la plupart de mécanismes de dégradation d'une structure composite. Ce modèle, non linéaire, non local et d'évolution, est défini à l'échelle du pli. La taille des problèmes résultants de la simulation de ce type de modèle est considérable. Dans ces travaux, un grand intérêt a été porté au traitement numérique du modèle. Dans un premier temps, l'intégration du modèle dans un code de calcul a permis d'y apporter des améliorations. En ce qui concerne la méthode de résolution, une méthode de décomposition de domaine permet l'utilisation du modèle pour la simulation de structures de taille moyenne. L'approche proposée permet de surmonter les difficultés liées à l'utilisation d'un modèle non local et non linéaire au sein d'une méthode de décomposition de domaine. / The industry uses more and more organic matrix composite materials to replace the light metallic alloys. With a strenght/mass ratio superior to the metallic alloys, these materials constitute a real alternative to decrease the weight of the structures. However, the certification of composite structures is a heavy and complex procedure. Virtual Testing consists in replacing a big part of the real essays by numeric simulations to decrease the quantity of physical essays necessary for the certification. However, the models as well as the numerical methods used for the simulations have to be trusted by the certification authorities. Here we focus on the Enhanced Damage Mesomodel which, for twenty years, has demonstrated to be a model capable of taking into account most of the degradation mechanisms of a composite structure. This non linear and non local model is defined at the composite layer scale. The size of the problems generated by a simulation with this type of model is considerable. In this work, special emphasis was put on the numerical treatment of the model. At first, the integration of the model in a simulation code allowed us to improve it. With regards to the resolution method, a domain decomposition method allows the use of the model for the simulation of intermediate-sized structures. The proposed approach allows to surmount the difficulties linked to the use of a not local and not linear model within a method of decomposition of domain.

Un des plus grands défis de la Physique aujourd’hui est de créer une source d’énergie propre, durable et efficace qui puisse satisfaire les besoins de la société actuelle et future avec le minimum d’impact sur l’environnement. Dans ce cadre, un grand effort de recherche internationale est dévoué à l’étude de nouveaux systèmes de production d’énergie ; réacteurs de fission de Génération IV et réacteurs de fusion nucléaire sont en particulier en train d’être développés. Les matériaux utilisés dans ces réacteurs seront soumis à des hauts niveaux de radiation, ce qui rend nécessaire l’étude de leur comportement sous irradiation pour permette le succès du développement de ces nouvelles technologies. Dans cette thèse, deux matériaux ont été étudiés : la silice amorphe (a-SiO₂) et l’oxyde de magnésium (MgO). Ces deux matériaux sont des oxydes isolants avec des applications dans l’industrie de l’énergie nucléaire. Des irradiations avec des ions de haute énergie ont été réalisées sur différentes plateformes d’accélérateurs d’ions pour induire l’endommagement de ces deux matériaux par irradiation ; ensuite, les mécanismes d’endommagement ont été caractérisés en utilisant, principalement, des techniques d’analyse par faisceau d’ions (techniques IBA).Un des objectifs de cette thèse était de développer la technique d’ionoluminescence (qui est une technique IBA très peu connue) et de l’appliquer à l’étude des mécanismes d’endommagement par irradiation des matériaux, démontrant alors le potentiel de cette technique. L’ionoluminescence de trois types différents de silice (avec des différentes teneurs en OH) a ainsi été étudiée en détail et utilisée pour décrire la création et l’évolution des défauts ponctuels sous irradiation. Dans le cas de MgO, l’endommagement produit par irradiation avec des ions Au⁺ à 1.2 MeV a été caractérisé en utilisant la technique de spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en configuration de canalisation et la diffraction des rayons X. Finalement, l’ionoluminescence de MgO sous différentes conditions d’irradiation a aussi été étudiée. Les résultats obtenus dans cette thèse aident à comprendre les processus d’endommagement par irradiation dans les matériaux, ce qui est indispensable pour le développement de nouvelles sources d’énergie nucléaire. / One of the most important challenges in Physics today is the development of a clean, sustainable, and efficient energy source that can satisfy the needs of the actual and future society producing the minimum impact on the environment. For this purpose, a huge international research effort is being devoted to the study of new systems of energy production; in particular, Generation IV fission reactors and nuclear fusion reactors are being developed. The materials used in these reactors will be subjected to high levels of radiation, making necessary the study of their behavior under irradiation to achieve a successful development of these new technologies. In this thesis two materials have been studied: amorphous silica (a-SiO₂) and magnesium oxide (MgO). Both materials are insulating oxides with applications in the nuclear energy industry. High-energy ion irradiations have been carried out at different accelerator facilities to induce the irradiation damage in these two materials; then, the mechanisms of damage have been characterized using principally Ion Beam Analysis (IBA) techniques. One of the challenges of this thesis was to develop the Ion Beam Induced Luminescence or ionoluminescence (which is not a widely known IBA technique) and to apply it to the study of the mechanisms of irradiation damage in materials, proving the power of this technique. For this purpose, the ionoluminescence of three different types of silica (containing different amounts of OH groups) has been studied in detail and used to describe the creation and evolution of point defects under irradiation. In the case of MgO, the damage produced under 1.2 MeV Au⁺ irradiation has been characterized using Rutherford backscattering spectrometry in channeling configuration and X-ray diffraction. Finally, the ionoluminescence of MgO under different irradiation conditions has also been studied.The results obtained in this thesis help to understand the irradiation-damage processes in materials, which is essential for the development of new nuclear energy sources.

Le design de pièces de structures aéronautiques en matériau composite requiert un grand nombre de tests et de simulations à différentes échelles. Dans ce contexte industriel, les modèles de comportement sont amenés à prendre une importance de plus en plus prégnante. L'idée développée dans cette thèse est d'améliorer la description de la fissuration transverse à travers le mésomodèle des composites, introduit au LMT dans les années 80. L'objectif est d'être en mesure de prédire précisément par la simulation la rupture d'un stratifié, en conservant des coûts de calculs raisonnables en vue de substituer à tout ou partie des essais mécaniques onéreux. On propose ainsi une nouvelle version de notre modèle qui combine, à la fois la prise en compte de la fissuration transverse localisée sous forme de split, et une description homogénéisée pour les fortes densités de fissures transverses. Afin de concilier ces deux approches un critère de détection ad hoc est proposé, le cas échéant les macrofissures sont introduites dans le modèle par le biais d'éléments cohésifs.Une partie de l'originalité de ce travail est de concevoir et développer des méthodes de calculs, en vue de leur transfert vers l'industrie. Pour assurer la pérennité des développements, et pouvoir traiter des problèmes industriels (grand nombre de degrés de liberté, géométries industrielles) on utilise uniquement des logiciels de calculs commerciaux. `A cette fin, l'ensemble des développement a été implémenté de manière non intrusive sous SAMCEF. Enfin, pour éprouver la nouvelle stratégie proposée, une campagne de validation en partenariat avec AIRBUS GROUP INNOVATION a été menée sur des structures en matériau composites stratifiées formées selon des empilements complexes et présentant des accidents géométriques. Le développement de lois de comportements adoucissantes entraîne des problèmes de dépendance au maillage, la question de la localisation est alors abordée sous un angle pratique. / Structural aerospace parts design in composite material requires a large number of tests and simulations at different scales. In this industrial context, constitutive laws are more and more important.The idea of this thesis is to improve the description of transverse cracking in the composite mesomodel, introduced in the LMT during the 80's. The objective is to be able to predict accurately the failure of a laminated composite structure, at cheap computational cost, in order to replace some of expensive mechanical tests.We propose a new version of our model which combine, isolated transverse cracks description such as splits, and an homogenized representation to model important transverse cracks density. To reconcile these two approcahes an ad hoc criterion is introduced, if necessary macrocracks are set in the model by using cohesive elements. A significant proportion of this works is to design and elaborate methods and computation strategy, in order to transfer from academic world to industry. To maintain computer code, and be able to compute industrial mechanical problems (large number of DOF, complex geometry) only commercial softwares must be used. For this purpose, the whole code is implemented in a non intrusive way on SAMCEF software. Finally, to challenge the new strategy, a campaign of validation, with our industrial partner AIRBUS GROUP INNOVATION was carried about structures in laminated composite material, with complex stackings with stress concentrations. Constitutive laws with softening triggers off mesh dependance issues, then the question of localization is discussed from a practical angle.

Le procédé de forgeage à froid permet d'obtenir des pièces de géométrie complexe et présentant une très bonne précision dimensionnelle. La forme finale est obtenue en une ou plusieurs passes, et la matière est soumise à des chargements à la fois multiaxiaux et non monotones accompagnés de forts niveaux de déformation plastique qui peuvent l'amener à s'endommager : rupture de la pièce, fissures en surface ou à cœur, ... Il est alors tout à fait primordial de connaître et mieux comprendre les mécanismes qui peuvent produire ces défauts. Le sujet de thèse concerne donc la modélisation numérique de l'endommagement en forge à froid. Dans un premier temps, le contexte bibliographique concernant les mécanismes d'endommagement et leurs modélisations ont été étudiés. Un modèle d'endommagement, basé sur le modèle de Lemaitre, a alors été implémenté dans le logiciel éléments finis Forge2005®. Dans un deuxième temps, une étude expérimentale concernant la caractérisation de deux nuances en forge à froid a été réalisée. Différents essais de traction ont été menés afin d'étudier notamment l'influence de l'orientation des inclusions sur l'endommagement. Des essais de compression/traction ont également été réalisés dans le but d'examiner l'influence éventuelle de la pré-compression sur la matière. Enfin des essais in-situ (MEB et tomographie X) ont été menés pour analyser l'endommagement au cœur de la matière et mieux en comprendre les mécanismes. Sur la base de ces observations expérimentales, plusieurs améliorations ont été apportées au modèle de Lemaitre afin de le rendre plus adapté aux chargements complexes. Parmi ces améliorations, nous pouvons citer par exemple la prise en compte de l'endommagement en compression, l'introduction d'une limite en triaxialité des contraintes négative, l'introduction d'un nouveau potentiel d'endommagement et la prise en compte de l'orientation des inclusions. Pour finir, des simulations numériques ont été réalisées par le biais du logiciel Forge2005® afin de tester le modèle d'endommagement implémenté. Des cas de validations portant sur des essais mécaniques simples (traction, TELE) ainsi que sur des cas industriels ont alors été simulés et comparés aux résultats expérimentaux.

Lors d'un tir d'abattage à l'explosif en carrière, l'exploitant est particulièrement intéressé par la blocométrie du tir et donc la fragmentation de la roche. Lorsqu'une roche est soumise à une sollicitation dynamique, trois zones de fragmentation sont expérimentalement observées : une zone de broyage près du chargement, puis une zone de fragmentation multiple et enfin une zone de fragmentation simple. Des essais balistiques et pyrotechniques sont présentés et analysés pour comprendre et modéliser la fragmentation. Les essais sont réalisés sur deux roches calcaires : le calcaire crinoïde et la ``blanche de Beaucaire''. Une comparaison de la fragmentation de ces deux matériaux est réalisée. Une étude analytique permet d'identifier les différents modes d'endommagement lors d'un chargement dynamique de compression. Une loi d'endommagement dynamique en tension couplée à un modèle de plasticité est proposée et permet de simuler les essais. Ce modèle, dans lequel peu de paramètres interviennent, est identifié à partir d'essais quasi statiques. Les simulations permettent d'identifier les paramètres influençant les différentes zones de fragmentation.

Les chargements thermomécaniques caractéristiques des moteurs de fusée sont souvent complexes et induisent, en particulier, des fluctuations rapides et importantes de la température. Dans ce contexte, la qualification du comportement des matériaux métalliques requiert la mise en oeuvre d'une approche cohérente avec les différentes réponses observées expérimentalement sur une large gamme de température. Celle ci est appliquée, dans notre étude, à la modélisation du comportement élasto viscoplastique et de l'endommagement de deux alliages utilisés dans l'industrie aérospatiale : l'Inconel 600 et le Narloy Z. Les spécificités relatives aux différentes étapes de caractérisation expérimentale, modélisation et identification des modèles sont explicitées, de façon à dégager les éléments de généralisation de la démarche. Ceci permet d'envisager l'application des différents résultats obtenus à des problématiques concrètes telles que la prédiction de la durée de vie de nouveaux composants.

L'objectif de ce travail est la caractérisation de l’endommagement thermique et mécanique dans le mortier par les ondes acoustiques non linéaires. La corrélation entre les paramètres acoustiques linéaires et non-linéaires étudiée est basée sur les essais expérimentaux et la modélisation. Pour l’endommagement thermique, des éprouvettes cylindriques ont été préparées et caractérisées par l'étude de la porosité et la saturation. Ensuite, l'acoustique linéaire et l’acoustique non linéaire (génération d'harmoniques) ont été appliquées afin de quantifier l’endommagement. Les essais acoustiques linéaires ont prouvé que les vitesses transversales, longitudinales et le module d'Young du mortier diminue en fonction de la température. Les essais acoustiques non linéaires ont montré l'augmentation du bêta fonction de la température. Pour l’endommagement mécanique, le phénomène d'autocicatrisation est suivi par la perméabilité et les essais acoustiques. Les essais de perméabilité ont montré que le débit d'air et la taille de la fissure diminue rapidement au cours du premier mois, puis lentement durant le reste du processus d'autocicatrisation. D'autre part, les tests acoustiques non linéaires ont montré que « alpha » et « bêta » diminuent durant le processus de l’autocicatrisation qui signifie que les paramètres non linéaires sont un bon indicateur pour caractériser ce phénomène. A partir des résultats expérimentaux, une corrélation polynomiale de 2ème degré a été établie entre les paramètres non linéaires et l’index d’endommagement. Les résultats de ce travail représentent un bon départ pour étudier le phénomène de l'autocicatrisation par les ondes acoustiques non linéaires / The objective of this work is the characterization of heat and mechanical damage in the mortar by the nonlinear acoustic waves. The correlation between non-linear/linear acoustic parameters and damage in mortar is studied based on experiments and modelling. For the heat damage, cylindrical specimens were prepared and were characterized by studying the porosity and saturation. Indeed, the linear acoustic (UPV) and non-linear acoustic (Higher harmonic generation) were applied to characterize the damage. The linear acoustic tests have shown that velocities and modulus of Young of the mortar decreases in function of the temperature. The non-linear acoustic tests have shown that beta increases in function of the temperature.For the mechanical damage. The self-healing phenomenon was characterized by the permeability and the acoustic tests. Indeed, the permeability tests have shown that the airflow and the crack size decreases quickly in the first month then slowly for the rest of the self-healing process. On the other hand, the non-linear acoustic tests shown that the alpha and beta decreases according to the self healing process which means that the nonlinear parameters are a good indicators to characterize the self-healing. Moreover, the analysis of the experimental results indicates that the frequency resonant technique is more efficient to characterize the defects in the mortar than the higher harmonic generation. A polynomial correlations of a 2nd degree was established between the nonlinear parameters and the index damage. The findings of this work should be most appropriate as a foundation for the study of the self healing by the nonlinear acoustic waves

Étant donné la distance entre ces principaux centres de production hydro‐électrique et ces grands centres de consommation d’énergie, le Québec est doté d’un réseau de transport d’énergie s’étendant sur plusieurs centaines de kilomètres. Les pylônes d'acier couramment utilisés dans le transport d’énergie sont exposés à des contraintes environnementales et mécaniques pouvant diminuer leur capacité à long terme. Pour effectuer une gestion efficace du réseau de transport d’énergie et assurer son intégrité, il faut avoir des méthodes pour évaluer l'effet de ces contraintes sur la capacité des cornières d'acier composant ces pylônes. Dans ce document, un concept préliminaire de courbes d’usure permettant d’évaluer la capacité résiduelle de cornières d’acier en fonction de l'âge et de l'emplacement géographique du pylône est développé. Plus de 250 essais en compression réalisés sur des cornières d’acier sont répertoriés pour comparer l’exactitude de différentes normes quant à l’évaluation de la résistance en compression de cornières. Les cinq normes à l’étude sont la CAN/CSA S16‐09 (2009), l’ANSI/AISC 360‐05 (2005), l’ASCE 10‐97 (1997), l’Eurocode 3 (2003), la CAN/CSA S136‐07 (2010). Une lacune au niveau de l’évaluation de la capacité des cornières avec un ratio largeur sur épaisseur d’aile élevé a été identifiée dans la norme S16‐09. En effet, la méthode utilisée dans cette norme surestime l’effet du flambement de plaque et par conséquent sous‐estime la capacité réelle des cornières. Une méthode alternative basée sur la celle de la norme S16‐09 a été développée pour remédier à ce problème. La nouvelle méthode offre de meilleurs prédictions pour la presque totalité des spécimens à l'étude. Des notions de fatigue et de corrosion de l'acier, de vent et de résistance en traction de cornières sont aussi brièvement abordées. Ensuite, une méthode théorique pour quantifier l’endommagement en fatigue des cornières composant un pylône a été développée. Cette méthode consiste à évaluer à l’aide de lois statistiques la probabilité d'occurrence des vitesses de vent rencontrées sur divers sites au Québec. À l’aide de ces vitesses, l’endommagement mécanique des membrures composant les pylônes est évalué avec la loi d’endommagement de Miner en fonction de l’intensité du vent rencontré pour les différents sites. Finalement, des essais de traction et de compression ont été réalisés sur plus de 96 cornières ayant des niveaux d’endommagement mécanique différents. Cet endommagement est induit à l’aide d’un montage permettant d'appliquer un chargement cyclique en traction aux spécimens. À l’aide de la méthode développée et des résultats des essais, des courbes d’usure prévoyant la capacité résiduelle d’une cornière en fonction de son endommagement ont pu être tracées.

Les exigences d'allègement des pièces structurales automobiles ont conduit au développement de nouvelles nuances d'aciers aux propriétés mécaniques de plus en plus élevées. Parmi ces nuances dites Très Haute Résistance (THR), les aciers dual phase, avec leur microstructure composite ferritemartensite, offrent un très bon équilibre entre résistance mécanique et formabilité. Cependant, des observations récentes ont montré que l'étape de découpe avait tendance à altérer ces bonnes propriétés. L'objectif de la présente étude est d'améliorer notre connaissance des mécanismes mis en jeu au cours de la découpe afin de pouvoir les prendre en compte pour le développement des futures nuances.<br /><br />Un premier travail d'observation et de caractérisation (MEB, microdureté, essais mécaniques...), a été effectué de manière à mettre en évidence les effets de la découpe à la cisaille sur la microstructure et les propriétés mécaniques des tôles. Ces résultats révèlent l'existence d'une zone affectée par la découpe qui s'étend sur environ 200 μm. Cette zone se caractérise par un écrouissage et une déformation microstructurale importants. Cette déformation conduit localement à la décohésion des phases ferritique et martensitique.<br /><br />La formation de cette zone en cours de découpe a été étudiée à travers deux approches distinctes : d'une part, le développement d'un montage de cisaille instrumentée permettant d'observer l'évolution de la microstructure, et, d'autre part, la simulation numérique du procédé qui donne accès aux grandeurs mécaniques locales dans la tôle. Il apparait que l'endommagement et la rupture de l'acier sont pilotés par la décohésion des interfaces ferrite-martensite, elle-même fortement dépendante de<br />l'état de triaxialité des contraintes.<br /><br />L'étude du comportement des bords découpés, au cours de sollicitations postérieures à la découpe, a permis de confirmer l'amorçage rapide des fissures dans la zone affectée par la découpe et l'impact direct de la taille de cette dernière sur la perte de ductilité des pièces découpées.<br /><br />Enfin, de nombreux traitements thermiques, appliqués à une nuance sélectionnée, ont permis de désigner deux voies distinctes d'amélioration du comportement des nuances dual phase face à la découpe: d'une part la transformation d'une troisième phase lors du recuit, d'autre part le rééquilibrage des propriétés au sein de la microstructure par l'application d'un traitement de revenu.

Cette étude concerne l'analyse du comportement et de l'endommagement du superalliage Udimet 720 élaboré par compression isostatique à chaud (CIC). Cette nuance est envisagée pour la réalisation de disques de turbine des futurs Réacteurs à Haute Température (RHT). Le choix du matériau pour disque de turbine RHT repose sur les critères suivants: une bonne résistance en fluage jusqu'à 700°C, un bon comportement sous environnement de type hélium impur, une mise en œuvre possible sous forme d'un disque de 1,5 m de diamètres.