Les lasers femtosecondes sont un outil efficace pour induire des modifications structurelles localisées en volume dans les matériaux diélectriques. Initialement transparents, les diélectriques ne commencent à absorber efficacement l’énergie laser que lorsque l’intensité excède le seuil de claquage optique du matériau. Cette propriété, couplée à une durée d’impulsion femtoseconde plus courte que les temps caractéristiques de relaxation de la matière, permet d’obtenir un dépôt d’énergie précis et localisé dans le volume irradié. Pour modéliser la formation de telles structures, un modèle thermo-élasto-plastique en géométrie 2D planaire, incluant la transition solide-liquide via un modèle de ramollissement, a été implémenté dans un code hydrodynamique lagrangien. Des études de la formation d’une cavité et de l’interaction de multiple cavités ont tout d’abord été réalisées en supposant un dépôt instantané d’énergie laser dans le volume d’une cible de silice fondue. La relaxation de la matière chauffée, portée à l’état de plasma dense, induit alors la propagation d’ondes de choc dans le solide froid environnant. Des déformations permanentes peuvent apparaître dans le matériau si la contrainte, induite par ces ondes, excède la limite élastique. Ces premières études ont notamment permis de comprendre et de décrire les différentes étapes de la formation de micro-structures, fortement corrélées au comportement élasto-plastique du solide environnante. De plus, en utilisant une loi de Weibull, tenant compte de la densité de défauts dans la matière, des probabilités de fractures dans le matériau ont été calculées. Dans un second temps, la structuration de la silice fondue par un faisceau de Bessel a été considérée. Un solveur de Maxwell 3D, couplé à une description fluide de la dynamique électronique, a été utilisé pour modéliser le dépôt d’énergie laser. Les résultats ont permis de comprendre comment s’établit le dépôt d’énergie et rendent compte des effets des différents processus d’ionisation sur les évolutions des profils de densité et d’énergie électronique. Des simulations thermo-élasto-plastiques ont ensuite étaient réalisées en utilisant le dépôt d’énergie calculé. Différents types de déformations induites dans la silice ont pu être mis en évidence en fonction de l’énergie et de la durée de l’impulsion incidente, en accord avec les observations expérimentales. / Femtosecond laser pulses are an efficient tool to induce localized structural modifications in the bulk of dielectrics materials. The dielectrics, initially transparent, start to efficiently absorb the energy when the laser intensity exceeds the optical breakdown threshold of the material. This property, coupled to a femtosecond pulse duration smaller than the caracteristic relaxation times of matter, allows to induce a localized and accurate energy deposition in the irradiated volume. In order to model the formation of such structures, a 2D thermo-elasto-plastic model, including solid-liquid transitions through a softening model, has been implemented in a lagrangian hydrodynamic code. Studies on the formation of a single cavity and several interacting cavities have been firstly performed, assuming an instantaneous energy deposition in the bulk of fused silica. The relaxation of the heated matter, transformed to a warm dense plasma, induces shock waves in the surrounding cold solid. Permanent deformations may appear if the stress, induced by the waves, exceeds the yield strength of the material. This first study allowed to understand and describe the various steps of the micro-structures formation, which are strongly correlated to the elasto-plastic behavior of the surrounding solid. Furthermore, by using a Weibull’s law, accounting for defects density in the material, cracks probabilities have been predicted. Secondly, the structuration of fused silica by a Bessel beam has been considered. For that purpose, a 3D Maxwell solver coupled to a fluid description of the electron dynamics has been used to model the laser energy deposition. Results allow to understand how the energy deposition establishes and show the effects of the different ionization processes on the electron density and energy profiles. Then, thermo-elasto-plastic simulations have been carried out including the calculated energy deposition. Various kinds of induced deformations in fused silica have been obtained depending on the incident pulse energy and duration, which is in agreement with experimental observations.

Au cours de la dernière décennie, la méthode d’analyse isogéométrique (AIG) a attiré l’attention des chercheurs grâce à ses capacités supérieures à la méthode standard des éléments finis (MEF). Le concept AIG utilise les mêmes fonctions de base que celles utilisées dans la conception assistée par ordinateur (CAO) pour l’approximation des champs inconnus tels que les déplacements, pression interstitielle ou la température dans la solution des éléments finis d’un problème thermo–hydro–mécanique (éventuellement couplé). Parmi les caractéristiques les plus importantes d’AIG, la régularité, le taux de convergence et surtout sa continuité intrinsèque d’ordre supérieur représentent une nette amélioration par rapport à la méthode standard des éléments finis, permettant d’obtenir des avantages computationnels significatifs en termes de précision de la solution et de efficacité.Ce travail tente d’exploiter les caractéristiques d’AIG pour la résolution numérique des problèmes hydromécaniques (HM) couplés dans les géomatériaux de second gradient de type poro–élastoplastiques partiellement saturés. D’une part, le modèle second gradient appartenant à la théorie des milieux continus avec microstructure assure l’objectivité des résultats en présence de phénomènes de localisation de la déformation en termes d’indépendance de maillage de la solution numérique, ce qui ne peut être réalisé avec des modèles constitutifs classiques qui n’implique pas l’intervention d’une longueur interne. D’autre part, la continuité C1 réalisable au moyen de fonctions de base AIG permet une implémentation directe de tels modèles constitutifs d’ordre supérieur, dans une formulation HM dérivée de l’approche de mélange classique. De plus, la régularité des fonctions de base AIG s’est révélée très efficace dans la modélisation de processus couplés caractérisés par de forts gradients hydrauliques – comme la simulation de la propagation d’un front de saturation dans une pente partiellement saturée. Dernier point, mais non des moindres, il convient de noter que, par rapport aux approches existantes basées sur les multiplicateurs de Lagrange, la méthode AIG pour résoudre les problèmes hydromécaniques (HM) couplés dans les matériaux du second gradient saturé et partiellement saturé permet une réduction considérable du nombre de degrés de libertés requis pour atteindre le même niveau de précision. Cela entraîne non seulement une augmentation significative de l’efficacité de calcul, mais permet également d’étendre la formulation du second gradient à l’analyse de problèmes réalistes en 3D, dont la solution a été présentée pour la première fois dans ce travail.La formulation poro–élastoplastique du second gradient développée dans ce travail est mise en œuvre dans le code orienté vers la recherche GeoPDEs, un code IAG–MEF open source écrit en Matlab et développé à l’Université de Pavia. Sur la base des résultats obtenus dans une large série de problèmes aux limites en 2D et 3D analysées dans ce travail, on peut conclure que la combinaison de AIG et d’élastoplasticité du second gradient représente un outil puissant pour la simulation numérique de problèmes géotechniques caractérisés par de forts couplages multiphysiques, un comportement fortement non linéaire du sol, et des gradients de déplacement et de pression interstitielle fortement localisés. / During the last decade, Isogeometric Analysis (IGA) has drawn the attention of the Finite Element community to its superior capabilities over the standard Finite Element Method (FEM). The IGA concept uses the same basis functions used in Computed Aided Design (CAD) for the approximation of the unknown fields such as displacements, pore pressure or temperature in the Finite Element solution of a (possibly coupled) thermo– hydro–mechanical problem. Among the most relevant features of IGA, its smoothness, its convergence rate and particularly its intrinsic higher–order continuity between elements represent a definite improvement over the standard FEM, which allow to obtain significant computational advantages in terms of accuracy of the solution and computa- tional efficiency.This work attempts to exploit the characteristics of IGA for the numerical solution of coupled hydro–mechanical (HM) problems in saturated and partially saturated second gradient poro–elastoplastic geomaterials. On one hand, the second gradient model belonging to the theory of continua with microstructure ensures the objectivity of the results in presence of strain localization phenomena in terms of mesh independence of the numerical solution, which cannot be achieved with classical constitutive models without an internal length scale. On the other hand, the C1–continuity achievable by means of IGA basis functions allows a straightforward implementation of such higher order constitutive models, within a HM formulation derived from the classical mixture approach. In addition, the smoothness of the IGA basis functions proved to be very efficient in the modeling of coupled processes characterized by strong hydraulic gradients – such as the simulation of the downward propagation of a saturation front in a partially saturated slope subject to rainfall infiltration. Last but not least, it is worth noting that, as compared to the existing approaches based on Lagrange multipliers, the IGA approach to the solution of coupled hydro-mechanical (HM) problems in saturated and partially saturated second gradient materials allows a dramatic reduction in the number of degrees of freedoms required to achieve the same level of accuracy. This not only results in a significant increase of the computational efficiency, but also allows to extend the complete second gradient formulation to the analysis of realistic 3D problems, the solution of which has been presented in this work for the first time.The local second gradient poro–elastoplastic formulation developed in this work is implemented in the research-oriented code GeoPDEs, a Matlab open source IGA–FEM code developed at the University of Pavia. Based on the results obtained in a large series of representative 2D and 3D initial–boundary value problems analyzed in this work, it can be concluded that the combination of IGA and the second gradient elastoplasticity represents a powerful tool for the numerical simulation of geotechnical problems characterized by strong multiphysics couplings, highly nonlinear behavior of the soil, and strongly localized displacement and pore pressure gradients.

Cette étude vise à bien comprendre puis à modéliser le comportement mécanique dans une large plage de vitesse de déformation des tôles d’acier austénitique AISI304 ayant subis un traitement d'attrition mécanique de la surface (SMAT). Ces tôles ainsi traités sont des matériaux multicouches avec un gradient de propriétés. Les principaux résultats obtenus sont résumés comme suit：(1) La sensibilité globale à la vitesse déformation des tôles d’acier austénitique AISI304 traités avec SMAT est caractérisée par des essais de double cisaillement sous chargements quasi-statiques et dynamiques, qui permet d’atteindre une grande déformation sans instabilité géométrique. Des essais de double cisaillement sous impact sont réalisés à l’aide des barres de Hopkinson de grande diamètre et un système d’attache qui a une même impédance acoustique que la barre. Une sensibilité significative a été révélée et on observe ce renforcement n’a pas induit une réduction importante de la ductilité.(2) Dans le but d’un meilleur dépouillement de ces essais de double cisaillement, leur conditions d’essai est analysé dans le détaillé. Le modèle numérique avec le système d’attache a été construit pour étudier l’influence du système d’attache au début de chargement. On trouve un effet limité pour les diverses conditions imparfaites des essais comme la souplesse de système d’attache, des champs mécaniques non-homogènes, l’état de non-équilibre, etc. Par contre, les études numérique et analytique ont démontré que l’hypothèse simple de petites perturbations habituellement utilisé pour le dépouillement de ces essais n’est pas suffisamment précise. La déformation Eulérien cumulée doit être utilisée pour obtenir un résultat numérique correct. A partir de ce résultat, la sensibilité à la vitesse déformation des tôles d’acier austénitique AISI304 traités avec SMAT obtenue expérimentalement a été retouchée.(3) Un modèle multicouche elasto-plastique en dommageable a été proposé pour décrire le comportement des tôles d’acier austénitique AISI304 traités avec SMAT. Les paramètres sont identifiées à partir des essai de traction. La partie elasto-plastique est calée par une loi d’écrouissage de type Ludwig. Par contre, les paramètres d’endommagement sont obtenus avec une méthode d’identification inverse sur la base de simulation numérique de ces essais de traction. Pour valider ce modèle multi-couche elasto-plastique dommageable, un essai d’indentation/perforation est réalisé sur des tôles d’acier austénitique AISI304 traités avec SMAT. Des simulations numériques correspondantes montres que ce modèle multi-couche elasto-plastique en dommageable une prédiction plutôt précise de ces essais de d’indentation/perforation.(4) Pour évaluer la performance anti-perforation des tôles d’acier austénitique AISI304 traités avec SMAT, des essais de perforation sous impact a été réalisés avec des barres de Hopkinson. Des simulations numériques de ces essais de perforation sous impact sont réalisées avec un modèle numérique comparable avec le cas quasi-statique. ́tant donne que la sensibilité globale à la vitesse déformation des tôles d’acier austénitique AISI304 traités avec SMAT est caractérisée par des essais de double cisaillement, la sensibilité à la vitesse a été introduite dans le modèle multi-couche elasto-plastique en dommageable. Le résultat numérique correspond bien à la mesure expérimentale, ce qui indique non seulement l’efficacité du modèle numérique mais aussi celle du modèle multicouche elasto-plastique en dommageable. / This Ph.D dissertation aimed at the comprehensive understanding and the constitutive modeling of the mechanical behaviours of the surface mechanical attrition treatment (SMAT) treated AISI304 stainless steel sheet under a large range of loading rates. SMAT treated AISI304 stainless steel sheets are multi-layered functionally graded materials (FGM). The main research results and conclusions are summarized as followed:(1) The overall rate sensitivity SMAT treated AISI304 stainless steel sheet is characterized by the double shearing test under quasi-static and dynamic loading where a large strain can be achieved without geometry instability. Impact double shear test are performed with a large diameter Hopkinson bar system and an adapted equal-impedance clamping device. Significant rate sensitivity is found. It is also observed that such a rate enhancement does not induce an important reduction of the ductility.(2) In order to extract accurate material information from the double shear tests, their testing conditions are thoroughly analyzed using numerical simulation. Numerical models including clamping devices have been built to investigate the influence of this clamping device at the early stage of loading. A limited effect was found for various imperfect testing conditions such as the clamping device stiffness, non-homogeneous stress and strain fields, non-equilibrium state, etc. On the contrary, numerical and analytical study shows that the simple small strain assumption usually used in double shear tests are not accurate enough. Eulerian cumulated strain definition should be used to get consistent numerical results. From this finding, the experimental rate sensitivity obtained for the SMAT treated AISI304 stainless steel sheet are recalculated.(3) A multi-layers elastic plastic damageable constitutive model is proposed to model SMAT treated AISI304 stainless steel sheet. The parameters are identified using tensile testing results. The elastic plastic behavior is curve fitted with a simple Ludwig hardening model. However, the damage parameters should be identified using an inverse method on the basis of numerical simulation of these tensile tests. In order to validate this multi-layer elastic plastic damageable constitutive model, indentation/piercing tests on SMAT treated AISI304 stainless steel sheet are performed. Numerical simulation of this indentation/piercing tests is also realized. It is found that the identified multi-layer elastic plastic damageable constitutive model allows for a quite accurate prediction of the experimental piercing tests.(4) In order to evaluate the impact anti-piercing capacity of the SMAT treated AISI304 stainless steel sheet, the impact perforation tests using Hopkinson bar are carried out. Numerical simulation of these impact perforation tests are realized with a similar FEM model as the quasi-static case. As the rate sensitivity of SMAT treated AISI304 stainless steel sheet is experimentally characterized with double shear test, a rate sensitive multi-layer elastic plastic damageable constitutive model is introduced. The numerical results agree well with the experimental ones, which indicates the effectiveness of the numerical model as well as the rate sensitive multi-layer elastic plastic damageable constitutive model.

Ces travaux de thèse sont composés principalement de deux grandes parties de volumes inégaux dont voici le résumé des contenus : Partie I : Elle concerne les problèmes de stabilité et de bifurcation rencontrés dans les matériaux indépendants du temps physique (i.e., élastiques ou élasto-plastiques). Une analyse approfondie et détaillée des différentes études dans ce domaine nous permet de faire une présentation originale et synthétique de la théorie de la stabilité et de la bifurcation. Une illustration de cette théorie est ensuite donnée à travers une collaboration industrielle avec la SNECMA. On y effectue des simulations numériques du formage des aubes de réacteurs d'avions accompagnées d'analyses des états critiques de flambage. Les conclusions de ces simulations montrent clairement la nécessité de tenir compte du comportement visqueux du matériau et motivent ainsi la seconde partie de la thèse. Partie II : La deuxième partie des travaux de thèse est la plus importante quant au volume et au fond. Elle concerne les problèmes de stabilité des matériaux dépendant du temps physique (i.e., visco-élastiques ou visco-plastiques). L'objectif de cette étude est double : D'une part, une modélisation théorique du problème de stabilité des solides visqueux est proposée. Cette modélisation a pour but de poser le problème étudié comme un problème de stabilité de l'évolution quasi statique du solide visqueux considéré. En effet, l'absence d'équilibres pour de telles structures visqueuses nous amène naturellement à étudier la stabilité de leurs évolutions quasi statiques. Ces dernières dépendent bien entendu de la vitesse du chargement, ce qui constitue une source de difficultés dans une telle analyse. Cette façon de poser le problème en termes de stabilité de trajectoires est, à notre connaissance, originale et généralise la notion plus classique de la stabilité d'un équilibre. Elle consiste, en quelque sorte, à mesurer la sensibilité des mouvements aux perturbations extérieures. D'autre part, la recherche de critères assurant la stabilité de l'évolution visqueuse est menée en étroite liaison avec les résultats mathématiques relatifs aux équations différentielles non autonomes. Il est mis en évidence, notamment, que la principale difficulté dans cette analyse vient du caractère non autonome des équations différentielles régissant l'évolution quasi statique visqueuse. Les conditions suffisantes de stabilité auxquelles on aboutit sont obtenues principalement par deux méthodes. La première consiste à construire des fonctionnelles de Lyapunov adéquates à la physique du problème ou à utiliser la méthode de linéarisation autour de la réponse quasi statique. L'autre démarche est plus directe et permet d'établir le critère de stabilité de l'évolution par des considérations de continuité de la réponse par rapport aux données initiales. Cette deuxième démarche a l'avantage de s'appliquer aussi bien aux évolutions visco-plastiques qu'aux évolutions élasto-plastiques. Enfin, l'application de ces différents résultats aux modèles de tiges de Shanley et pour le cas des poutres permet d'illustrer notre méthodologie sur des exemples concrets et de comprendre la portée des critères de stabilité ainsi obtenus.

Les travaux de recherche présentés dans cette HDR sont répartis en trois thématiques complémentaires. La première concerne la modélisation des instabilités locales dans les matériaux métalliques (localisation, striction ...). Il s'agit de développer des outils théoriques et numériques de prédiction de ces phénomènes et leur validation au travers de courbes limites de formage pour des aciers ferritiques ou dual-phase. Deux approches complémentaires ont été adoptées : la première est micromécanique se basant sur la plasticité cristalline couplée à des techniques de transition d'échelles, tandis que la seconde est phénoménologique utilisant des modèles de comportement avancés que nous avons couplé à de l'endommagement. Le critère de bifurcation de Rice, qui est relié à la perte d'ellipticité des équations gouvernant le problème aux limites, a été particulièrement analysé au travers de ces deux approches. L'influence sur l'apparition d'une localisation de plusieurs paramètres matériau ou liés à la microstructure ainsi que l'effet de certains mécanismes déstabilisants ont été analysés. Il est mis en évidence, notamment, le rôle tout à fait essentiel de la formation de points de vertex aux points courants de la surface de plasticité dans la détection d'une localisation de la déformation plastique en bande de cisaillement. Le deuxième axe de recherche est relatif aux instabilités de type structure (flambage, plissement ...). Ces phénomènes se manifestent le plus souvent en présence de structures minces ou relativement élancées. Dans ce cadre, nous proposons une approche basée sur l'étude de stabilité des évolutions quasi statiques. Pour des matériaux sensibles à la vitesse de déformation, l'absence de bifurcation ainsi que d'états d'équilibre nous amènent naturellement à poser le problème comme celui de la stabilité de trajectoires quasi statiques. Pour les matériaux élasto-plastiques, cette approche est justifiée par le fait que bien souvent nous sommes en présence d'une évolution quasi statique, pour un trajet de chargement donné, même si chaque point de cette évolution représente un état d'équilibre. Le critère de stabilité unifié que nous proposons est donné par la positivité de la seconde variation de l'énergie totale et est valable pour des solides visco-élastiques, visco-plastiques ou élasto-plastiques. Plus récemment, nous avons étendu ce critère à des modèles à gradients. Enfin, la comparaison de ce critère avec les résultats existants relatifs au flambage plastique nous a permis de rediscuter le critère de non-bifurcation de Hill en relation avec le choix du modèle de plasticité approprié. Il est mis en évidence, de nouveau, le rôle important joué par le développement de points de vertex sur la surface de plasticité lors de la prédiction du flambage avec la théorie du module tangent élasto-plastique. Le troisième axe de recherche concerne le développement d'éléments finis de type coques volumiques. L'idée de ce nouveau concept est de combiner les avantages des éléments coques et 3D pour formuler des éléments particulièrement adaptés à la simulation des structures minces. Ces nouveaux éléments de coques volumiques ont l'avantage de prendre en compte la flexion suivant une direction choisie tout en conservant la formulation classique des éléments volumiques. Ils permettent ainsi de modéliser des structures comportant des parties minces et des zones épaisses, sans les difficultés habituelles de raccord de maillages contenant des éléments coques et 3D. Leur utilisation en emboutissage est très prometteuse, en particulier pour des problèmes où les effets dans l'épaisseur sont d'importance majeure. Étant sous-intégrés, pour améliorer leurs performances, les modes de hourglass générés sont alors efficacement stabilisés par des techniques récentes. Les modes de verrouillages (membrane et cisaillement transverse) sont éliminés par des techniques de projection pouvant se mettre sous le formalisme " Assumed Strain Method ".