The continuum theory of large deformation elasto-plasticity is summarized as far as it is necessary for the numerical treatment with the Finite-Element-Method. Using the calculus of modern differential geometry and functional analysis, the fundamental equations are derived and the proof of most of them is shortly outlined. It was not our aim to give a contribution to the development of the theory, rather to show the theoretical background and the assumptions to be made in state of the art elasto-plasticity.

Ce travail présente une méthode générale fournissant des bornes garanties de l'erreur de discrétisation sur une quantité locale issue d'un calcul éléments finis. Formulée dans un cadre général, la méthode est illustrée sur un cas 2D d'élastoplasticité. Le cadre non-linéaire de cette implémentation a soulevé des problèmes d'un type nouveau au sein de la thématique de vérification. Après avoir défini les problèmes miroir et central, nous proposons des solutions pour les résoudre.La mise en place de l'outil introduit est détaillée. Ainsi, des bornes garanties de l'erreur locale sur une composante de la déformation plastique sont calculées. Une première étude sur des cas académiques est présentée avant de s'intéresser à un cas plus complexe. Enfin une amélioration de la méthode est introduite, permettant l'obtention de bornes plus pertinentes. / This work presents a general method providing good control on the discretization error on a local quantity of a finite element solution. Formulated using a general formulation, this method is illustrated in a 2D case of elastoplasticity. Nonlinear part of this implementation has raised issues of a new type in the subject of verification. Mirror and the central problems are defined, and we offer solutions for both.The implementation of this tool is introduced in detail. Thus, the guarantees bounds of the local error on a component of plastic deformation are calculated. An initial study on academic case is presented before focusing on a more complex one. Finally an improved method is introduced, allowing the calculation of more relevant bounds.

Afin de participer à l’émergence de technologies innovantes et contribuer aux objectifs de développement durable, un consortium composé de 13 partenaires (3 laboratoires académiques et 10 entreprises industrielles) a été formé. Le projet Thermofluid-RT consiste à développer un système de refroidissement à boucle de fluide diphasique à pompage mécanique. Le LMT-Cachan contribue à la conception de l'élément essentiel de la pompe, à savoir, le soufflet. Celui-ci est obtenu en soudant des feuilles d’acier inoxydable à durcissement structural très mince (70 µm) et doit fonctionner sans défaillance pendant 20 ans. Un dimensionnement fiabiliste du soufflet basé sur la théorie du maillon le plus faible est réalisé. Une méthode d'optimisation basée sur la technique d’identification intégrée à la corrélation d'images numériques aboutit à une géométrie d’éprouvette qui minimise l'incertitude des paramètres recherchés. Toutes les données brutes sont combinées à leur juste valeur grâce à une formulation Bayésienne basée sur l’hypothèse de bruits blanc gaussiens. La géométrie optimisée est testée sur Mini-Astrée, la nouvelle machine biaxiale du LMT. Plusieurs lois de comportements sont étudiées et testées sur le matériau étudié. De très fines feuilles du même acier, sont de même testées à l’aide d’essais uni-axiaux et multiaxiaux. Une analyse microscopique est conduite au travers d’un micro-essai de traction sur 2 grains et l’identification de paramètres d’une loi de plasticité cristalline. Enfin, le dimensionnement probabiliste du soufflet est validé à partir de plusieurs mesures expérimentales infra-rouges sur un nouveau banc d’essai. Un modèle probabiliste à deux échelles permet la caractérisation des phénomènes observés relatifs au matériau d’étude et au composant lui-même. / In the context of leveraging and accelerating innovative technological solutions that contribute to meeting sustainable goals, a consortium composed of 13 partners (3 academic laboratories and 10 industrial companies) has been formed. The THERMOFLUID-RT project consists in developing a two-phase fluid loop driven by a mechanical pump. LMT-Cachan contributes to the design of the critical component of the pump, i.e., bellows. This component obtained by welding very thin (70 µm) pre-deformed sheets made of precipitation-hardened stainless steel is expected to operate without failure for 20 years. First, a new probabilistic design methodology allows for the fatigue design of the component. Second, an optimization methodology based on full field measurements and Integrated Digital Image Correlation (IDIC) allows the sample geometry to be designed with the least uncertainty of the sought parameters. All data account for the latter thanks to a Bayesian foundation that equitably weights all measurements. Third, the optimized cruciform geometry has been tested in a new compact biaxial machine, mini-Astrée that allows for a fast, yet robust identification. Several elasto-plastic models with increasing complexity are investigated to probe the material behavior. Ultra-thin sheets are also tested in uniaxial and biaxial experiments thanks to an anti-wrinkling setup. Fourth, a microscopic analysis is also performed via quasi-3D IDIC and a uniaxial micro-specimen allow a crystal plasticity law to be characterized. Last, the probabilistic fatigue design of the bellows based on the weakest link theory and a two-scale probabilistic model is validated with infrared measurements in the high cycle fatigue regime.

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The continuum theory of large deformation elasto-plasticity is summarized as far as it is necessary for the numerical treatment with the Finite-Element-Method. Using the calculus of modern differential geometry and functional analysis, the fundamental equations are derived and the proof of most of them is shortly outlined. It was not our aim to give a contribution to the development of the theory, rather to show the theoretical background and the assumptions to be made in state of the art elasto-plasticity.

Les glissements de terrain sont les risques naturels fréquents dans le monde. D'une part, ils concernent un comportement alterné pour les géomatériaux : le comportement solide décrit classiquement par la géomécanique, et celui fluide après la rupture. D'autre part, ils peuvent être induits par plusieurs facteurs. Par exemple, la géologie, la topographie, la végétation, la variationclimatique, et les activities humaines. Dans les régions tropiques et tempérées, il est bien connu que les glissements de terrain surviennent fréquemment après les pluies intensives, à cause de la saturation des sols non saturés.Comme jusqu'à présent, il n'y a aucun modèle constitutif satisfaisant pour décrire une telle transition pour les géomatériaux non saturés, nos travaux se concentrent d'abord à un modèle unifié, qui associe un modèle hydro-élasto-plastique pour les géomatériaux non saturés, un modèle visqueux de Bingham, et un critère de transition entre les phases solide et fluide. Le modèle unifié permet dedécrire complètement le comportement avant et après la rupture, induite par des conditions hydromécaniques, pour les géomatériaux non saturés dans un cadre unifié.Ensuite, la Méthode des Eléments Finis avec les Points d'Intégration Lagrangiens (MEFPIL), qui bénéficie des avantages des approches Lagrangiennes (suivre les variables internes) et de celles Eulériennes (traiter les grandes transformations), est améliorée et choisie pour effectuer les calculs dans ce cadre. Nous avons introduit une nouvelle formulation hydro-élasto-plastique avec le couplage hydromécanique basée sur la MEFPIL, et l'implanté dans l'Ellipsis (le code basé sur la MEFPIL). En outre, pour inverser la matrice non symétrique de la formulation, un nouveau solver basé sur la méthode stabilisée du gradient bi-conjugué (BiCGSTAB) a été aussi implanté.Enfin, plusieurs benchmarks sont proposés pour valider le comportement mécanique des géomatériaux non saturés décrit par le modèle, et un glissement de terrain heuristique induit par la pluie est simulé, nous pouvons étudier les effets de paramètres divers sur l'infiltration d'eau et sur la rupture. En outre, une simulation du glissement de terrain à Shien (Chine, 2012), avec des paramètres réels est présentée. / Landslides are common natural disasters all over the world. On one hand, they implicate an alternate behaviour for geomaterials: the solid behaviour dealt with classically by geomechanics, and the fluid behaviour after failure. On the other hand, they can be induced by several factors. For example,geology, topography, vegetation, climatic variation, and human activities. In tropic and tempered regions, it is well known that the landslides occur frequently after intense rainfalls, because of saturation effect of unsaturated soils.As there is, up to now, no satisfactory constitutive model to describe such a transition for unsaturated geomaterials, our work is thus focused firstly on a unified model, that associates an hydro-elastoplastic model for unsaturated geomaterials, a Bingham's viscous law, and a transition criterion between solid and fluid states. The model allows to describe both solid and fluid behaviours for unsaturated geomaterials in a unified framework, and is made possible to simulate completely the behaviour of unsaturated geomaterials before and after failure, induced by hydromecanical conditions.Secondly, the Finite Element Method with Lagrangian Integration points (FEMLIP), that benefits from both the Lagrangian approaches (track internal variables) and Eulerian approaches (solve large transformations), is ameliorated and chosen to carry out calculations in this framework. We have introduced a new hydro-elasto-plastic FEMLIP formulation with hydromecanical coupling, and implemented it in Ellipsis (FEMLIP based code). Moreover, in order to inverse nonsymmetric matrixin the formulation, a new solver based on the biconjugate gradient stabilized method (BiCGSTAB) has been also implemented.Finally, several benchmarks are proposed to validate the model for the main features of unsaturated geomaterials, and a heuristic rainfall-induced landslide is simulated, we could study the effects of various parameters on the water infiltration and on the failure. Moreover, a simulation of the Shien landslide in China (2012) with real parameters is presented.

Cette thèse concerne la modélisation du comportement mécanique de poudres ductiles au cours de leur mise en forme par le procédé de compression à froid. L’approche utilisée consiste à modéliser la poudre par un échantillon numérique de 50 particules sphériques distribuées aléatoirement. Chaque particule est maillée en éléments finis avec un comportement élasto-plastique et interagit par contact avec ses voisines. Sous l’effet du chargement, les particules se déforment et subissent de grandes transformations.La méthode développée consiste à imposer aux frontières de l'échantillon numérique des conditions aux limites en déplacement ou en force afin de simuler une réponse continue équivalente en termes de contrainte-déformation pour plusieurs chemins de chargement depuis les faibles valeurs de densité relative jusqu'aux fortes valeurs. Outre le fait que la méthode permet d’appliquer par la simulation des chemins de chargement inaccessibles aux techniques expérimentales, elle fournit de nombreuses indications sur la phénoménologie du comportement aux frontières de l'échantillon en relation avec la morphologie des particules déformées plastiquement et l’évolution des surfaces de contact inter-particules.Cette réponse obtenue sera étudiée au moyen des notions de l'élasto-plasticité classique, à savoir la surface de charge et la loi d'écoulement. L'accent est mis sur l’analyse de l’écoulement plastique et l'existence du potentiel plastique. Les résultats montrent que la direction d’écoulement est approximativement unique pour les états de contrainte éloignés du point de chargement. En revanche, la direction d’écoulement cesse d’être unique à proximité de point de chargement, ce qui révèle le caractère anisotrope de l’écrouissage. Ce comportement, propre aux poudres ductiles, est intimement lié à la déformation des grains. La dégradation anisotrope des propriétés mécaniques résultant du mécanisme de dilatance est également étudiée. / This thesis is concerned with the modelling of the mechanical behaviour of ductile powders during cold compaction process. A numerical method was implemented, in which a powder sample was assimilated to an assembly of 50 meshed particles in a cubic box which was submitted to compressive loadings simulated by means of the finite element method. Each particle was meshed and assigned an elastic-plastic constitutive behaviour. Particles interacted through mechanical, frictional contact and underwent large transformation during loading.The method developped in the thesis consisted in imposing boundary conditions as displacements or forces on the bounding walls of the numerical sample. The mechanical response of the sample was averaged to obtain the equivalent response of a continuum in terms of stress and strain. Various loading paths, including loading paths that are technically not attainable by experimental means, were applied up to different values of relative densities, from low (60%) to high values (98%). Much information on the phenomenological behaviour of the numerical sample could be obtained, in relation with the morphology of deformed particles and the evolution of contact surfaces.The results were interpreted based on the concepts of classical elasto-plasticity, i.e., yield surface and flow rule. The main focus of the study was the analysis of incremental plastic flow and the existence of a plastic potential. Results showed that the flow rule postulate, based in the plastic potential, could be considered as valid for stress states relatively far from the loading point. In the vicinity of the loading point, the direction of the plastic strain increment vector ceases to be unique. This behaviour, which is an original feature of ductile powders mechanical behaviour, was attributed to the anisotropic strain-hardening processes at stake, related to the anisotropic formation of contact surfaces between particles. The drop in mechanical properties related to dilatancy was also studied.

L'objectif de ce travail de thèse est de proposer un modèle numérique permettant de simuler la mise en forme de viroles métalliques par un procédé de formage incrémental. Ce procédé de mise en forme est particulièrement intéressant pour les industriels car il permet d'une part de réduire les pertes de matière première et d'autre part d'obtenir des pièces avec des propriétés mécaniques améliorées. La mise au point du procédé reste néanmoins une étape fastidieuse et le recours à l'outil numérique devient indispensable si l'on souhaite atteindre le meilleur rapport qualité/coût-délai. À cette fin, le comportement mécanique d'un acier faiblement allié a été étudié à travers divers essais de traction et de cisaillement. Les résultats de ces essais mettent en évidence que le matériau présente une faible anisotropie de comportement, une faible sensibilité à la vitesse de déformation et un écrouissage cinématique (effet Bauschinger). Cette base de données expérimentales a ensuite servi à l'identification de plusieurs modèles de comportement élastoplastique phénoménologique. Deux modèles numériques différents ont alors été développés au sein du code de calculs par éléments finis Abaqus afin de simuler le formage d'une pièce de référence et d'une étude de cas industriel. Les résultats de ces simulations montrent que le modèle tridimensionnel fournit une bonne représentation du procédé de formage a contrario du modèle bidimensionnel axisymétrique construit notamment afin de réduire les temps de calculs. Par ailleurs, une étude de la sensibilité du modèle éléments finis aux différents modèles de comportement identifiés a été menée. Les résultats de cette étude ont permis de mettre en évidence que la description du comportement plastique n'a qu'une faible influence sur la géométrie de la pièce déformée alors même que le comportement élastique joue un rôle bien plus important notamment au regard du calcul du retour élastique des pièces. Il a également été montré que le choix d'une forme particulière de géométrie de pièce permettait de réduire considérablement ce phénomène. Enfin, une étude sur la modélisation du comportement du matériau avec un modèle moins phénoménologique a été entreprise. Elle permet d'avoir un caractère plus générique avec un nombre de paramètres inférieurs aux modèles phénoménologiques en considérant les hétérogénéités du matériau. Elle ouvre la voie à l'utilisation de modèle de comportement prenant en compte des phénomènes physiques au sein d'un modèle éléments finis sur une opération de formage. / This Ph.D. thesis aims to propose a numerical model for modelling the incremental forming process of a metallic thin wall short tube. This process is especially interresting for manufacturer because it allows to reduce the material raw losses and to increase the mechanical properties of the part. The technical development of the process is a tedious step and the numerical simulation becomes necessary if the best ratio quality/cost-delay must be reach. To achieve this goal, the mechanical behaviour of a low-allow steel was studied with uniaxial and shear tests. The results of this tests highlight that the material has a low anisotropic behaviour, a low strain rate sensitivity and kinematic hardening (Bauschinger effect). Then, this experimental database was used to identify several elastic-plastic phenomenological behaviour laws. Two different numerical models were developed in the finite element code Abaqus to simulate the forming of a reference part and an industrial study. Results of simulation show that tridimensional model is a good representation of the forming process contrary to the bidimensional model built to reduce the CPU time. Furthermore, a finite element model sensibility study of the identifying behaviour models has been carried out. The results of this study highlight that plastic behaviour description has a low influence on the formed part geometry. However, the elastic behaviour has an important influence in particular on the calculated springback. Moreover, it was shown that the choice of a particular part geometry reduce in an important way this phenomenon. Finaly, a study about the material behaviour modeling with a less phenomenological model was done. This latter is a more generic model with a lower parameters number compared with phenomenological models taking into account material heterogeneities. This study innovates for the behaviour model taking account of physical phenomenon in finite elements model on a forming process.

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The mathematical theory of homogenization deals with the rigorous derivation of effective models from partial differential equations with rapidly-oscillating coefficients. In this thesis we deal with modeling and homogenization of random heterogeneous media. Namely, we obtain stochastic homogenization results for certain evolutionary gradient systems. In particular, we derive continuum effective models from discrete networks consisting of elasto-plastic springs with random coefficients in the setting of evolutionary rate-independent systems. Also, we treat a discrete counterpart of gradient plasticity. The second type of problems that we consider are gradient flows. Specifically, we study continuum gradient flows driven by λ-convex energy functionals. In stochastic homogenization the derived deterministic effective equations are typically hardly-accessible for standard numerical methods. For this reason, we study approximation schemes for the effective equations that we obtain, which are well-suited for numerical analysis. For the sake of a simple treatment of these problems, we introduce a general procedure for stochastic homogenization – the stochastic unfolding method. This method presents a stochastic counterpart of the well-established periodic unfolding procedure which is well-suited for homogenization of media with periodic microstructure. The stochastic unfolding method is convenient for the treatment of equations driven by integral functionals with random integrands. The advantage of this strategy in regard to other methods in homogenization is its simplicity and the elementary analysis that mostly relies on basic functional analysis concepts, which makes it an easily accessible method for a wide audience. In particular, we develop this strategy in the setting that is suited for problems involving discrete-to-continuum transition as well as for equations defined on a continuum physical space. We believe that the stochastic unfolding method may also be useful for problems outside of the scope of this work.