Cette recherche s’attarde à comprendre l’effet des différents paramètres sur la mise en forme courbée de conduits en matériaux composites thermodurcissables pour y déterminer les meilleurs paramètres à utiliser dans le but de réduire les bris et de conserver le plus possible la forme ainsi créée. Parmi ceux-ci, il est question des paramètres de fabrications du conduit, de sa polymérisation, de son réchauffement avant la mise en forme courbée et de sa mise en forme elle-même. Pour comprendre l’effet des différents paramètres, des tests mécaniques (traction, compression), thermomécaniques (DSC, DMA) et de relaxation de contrainte à l’aide d’une instrumentation avec des jauges de déformation sont effectués. Ceux-ci révèlent des ajustements à apporter pour permettre un meilleur contrôle du procédé. Entre autres, le taux de polymérisation, l’angle d’orientation des fibres et la température de mise en forme sont les principaux facteurs importants pris en compte. En effet, la recherche révèle que plus la température de mise en forme courbée est près de la température de transition vitreuse du composite moins la forme courbée à tendance à se conserver. Cela est similaire avec l’orientation des fibres, plus elles sont orientées circonférentiellement plus ce problème est de taille. De plus, le taux de polymérisation a un impact considérable sur la déformation maximale et sur la rigidité à haute température.

La déformation de matériaux élastique dont l'une au moins des dimensions est petite apparaît dans un grand nombre de structures naturelles ou artificielles pour lesquelles une courbure spontanée est présente. Dans ces travaux de thèse, nous couplons plusieurs approches théoriques à des expériences macroscopiques sur des rubans élastiques afin de comprendre la dynamique d'enroulement de biomembranes ouvertes d'un trou. La motivation est issue d'observations récentes d'enroulements obtenues au cours de la sortie de parasites de la Malaria de globules rouges infectés, et de l'explosion de vésicules polymère. Dans une première partie, nous étudions théoriquement la stabilité d'un pore et la propagation de l'enroulement sur une biomembrane sphérique ouverte. Nous modélisons de façon géométrique l'enroulement toroïdal de la membrane par une spirale d'Archimède de révolution et décentrée. Avec cette hypothèse, nous montrons que la stabilité du pore vis-à-vis de l'enroulement dépend fortement de la tension de ligne et du cisaillement et nous discutons ces résultats dans le cadre de l'enroulement de membranes MIRBCs. De plus, en prenant en compte les différentes sources de dissipation, nous obtenons un très bon accord entre les données expérimentales obtenues pour les MIRBCs et la dynamique d'enroulement obtenue par le calcul. Notre approche montre en particulier que la dissipation dans la membrane due à la redistribution de la matière durant l'enroulement domine sur la dissipation visqueuse dans le milieu.Cependant, la complexité de la géométrie sphérique, ainsi que le nombre limité d'observations microscopiques à l'échelle de la membrane sont une entrave au développement de modèles plus détaillés qui permettraient de décrire complètement le couplage entre écoulement et déformation. Nous avons donc étudié dans une seconde partie la déformation d'enroulement dans le cas de rubans élastiques ayant une courbure spontanée dans différents milieux visqueux et pour différentes conditions élastiques. A grands nombres de Reynolds, en raison de la localisation de la courbure pour les rubans au cours de la propagation du front d'enroulement le long du matériau, nous montrons que l'enroulement atteint rapidement une vitesse de propagation constante. Dans ce régime, le ruban s'enroule sur lui-même de façon compacte, sur un cylindre dont la taille est prévue à partir de la solution de l'onde stationnaire pour l'Elastica. A faible nombre de Reynolds, cependant, se rapprochant des conditions d'enroulement d'une membrane microscopique, nous mettons en évidence l'influence des forces de lubrification sur la nature non-compacte de l'enroulement. La taille globale de la spirale de ruban augmente dans le temps conduisant à une diminution de la puissance élastique libérée et donc à une diminution de la vitesse. Nous discutons dans quelle mesure ces résultats peuvent faire avancer la modélisation de l'enroulement dans les MIRBCs et les vésicules polymère. / Curling deformation of thin elastic surfaces appears in numerous natural and man-made structures where a spontaneous curvature is present. In this thesis, we couple theoretical approaches and macroscopic experiments on elastic ribbons to understand the dynamics of curling of opened bio-membranes, motivated by the need to better understand recent microscopic observations during egress of Malaria infected red blood cells (MIRBC) and bursting of artificial polymersomes.In a first part, we study theoretically pore stability and curling propagation of an initially opened spherical bio-membrane. We model geometrically curling deformation as the revolution of a decentered Archimedean spiral, leading to a prescribed toroidal wrapping of the membrane. In this configuration, we show how the stability of a pore to curling depends strongly on both line-tension and shear elasticity and we discuss these results in relation to the curling of MIRBCs membranes. Moreover, taking into account viscous dissipations, the consequent dynamics we calculate agrees quantitatively well with experimental data obtained during opening of MIRBCs. Our approach shows in particular how the membrane dissipation resulting from the surface redistribution dominates curling dynamics over outer viscous dissipation.However, the complexity of the spherical geometry and the lack of detailed images in microscopic observations hamper the development of more accurate models where the coupling between flow and deformation is fully understood. Subsequently, we study in a second part the curling deformation of macroscopic naturally curved elastic ribbons in different viscous media and elastic conditions. At high Reynolds numbers, due to the tendency of ribbons to localize bending deformations when a curling front travels down the material, we show that curling reaches rapidly a constant propagating velocity. In this regime, the ribbon wraps itself into a compact roll whose size is predicted through the solitary wave solution of the associated Elastica. At low Reynolds numbers, however, closer to the hydrodynamic conditions of curling in microscopic membranes, we show that the strong lubrication forces induce a non-compact curling. The overall size of the spiraling ribbon increases in time leading to a temporal decrease of the released elastic power and therefore a consequent decrease in velocity. We discuss how such discovery sheds a new light on the modeling of curling in MIRBCs and polymersomes.

Les réservoirs en matériaux composites représentent un moyen pourle stockage de l’hydrogène à des pressions de service très élevées. En dépit desnombreux avantages que présentent les réservoirs en composites, le stockage soushaute pression conduit à utiliser de fortes épaisseurs de composites, et lecomportement de ce type de structure reste mal maitrisé. Le procédé d’enroulementfilamentaire induit des variabilités et défauts qui impactent le comportement de lastructure et en particulier le comportement des fonds. De ce fait, il est nécessaired'apprécier ces variabilités dans la modélisation du comportement des réservoirscomposites épais.Ce travail de thèse présente une approche permettant de modéliser le comportementmécanique des réservoirs en prenant en compte les spécificités dues au procédé deréalisation. A ce titre, nos recherches concernent aussi bien l'analyse de structuresque l'aspect simulation numérique. / Les réservoirs en matériaux composites représentent un moyen pourle stockage de l’hydrogène à des pressions de service très élevées. En dépit desnombreux avantages que présentent les réservoirs en composites, le stockage soushaute pression conduit à utiliser de fortes épaisseurs de composites, et lecomportement de ce type de structure reste mal maitrisé. Le procédé d’enroulementfilamentaire induit des variabilités et défauts qui impactent le comportement de lastructure et en particulier le comportement des fonds. De ce fait, il est nécessaired'apprécier ces variabilités dans la modélisation du comportement des réservoirscomposites épais.Ce travail de thèse présente une approche permettant de modéliser le comportementmécanique des réservoirs en prenant en compte les spécificités dues au procédé deréalisation. A ce titre, nos recherches concernent aussi bien l'analyse de structuresque l'aspect simulation numérique.

Ce document présente la majeure partie de mes activités de recherche depuis ma nomination à l'Université Louis Pasteur de Strasbourg en septembre 2000. Ces travaux concernent l'identification et la commande ; ils ont été conduits sur différents systèmes applicatifs : la machine asynchrone, les systèmes d'enroulement de bande et la robotique. Ils sont principalement de nature méthodologique ; c'est-à-dire qu'à partir de problématiques appliquées particulières, j'ai tâché de tirer les enseignements qui s'imposaient afin de proposer des solutions standards et génériques à un certain nombre de problèmes. <br /><br />Ce mémoire est organisé autour des trois systèmes applicatifs traités. A chacun d'entre eux est consacré une partie distincte. Puisqu'une grande partie des problématiques scientifiques traitées est transversale et abordée pour plusieurs systèmes, j'ai choisi de les introduire dans la première partie de ce rapport.

Parmi les différentes technologies de stockage de l'hydrogène, le stockage gazeux sous haute pression apparaît comme la plus mature. Les développements effectués récemment visent à réduire les coûts et améliorer les performances et la sécurité des réservoirs. A l'heure actuelle, le dimensionnement de ces structures est effectué en considérant les propriétés initiales des matériaux et en se basant sur des coefficients de sécurité empiriques ou arbitraires. Les aspects durabilité et résistances à l'endommagement sont rarement pris en compte dans le dimensionnement. Cette étude vise non seulement à développer les connaissances sur les mécanismes d'endommagement des structures composites fibres de carbone / polyamide (6 et 12) pour leur prise en compte dans le dimensionnement des réservoirs mais aussi à identifier les paramètres matériaux et procédés susceptibles d'avoir une influence sur la structure et les propriétés. Dans un premier temps, le comportement mécanique vierge des matériaux est analysé. Ensuite, une étude expérimentale corrélée à des calculs par éléments finis est menée pour déterminer les cinétiques de trois modes d'endommagement et évaluer leur conséquence sur le comportement du stratifié. Dans un troisième temps, un procédé d'enroulement filamentaire est développé et l'influence des paramètres clefs sur la structure et les propriétés des matériaux est mise en évidence. Enfin, des dimensionnements de réservoirs sont réalisés en tenant compte des mécanismes d'endommagement et évaluer leur influence sur le comportement.

Cette recherche s???attarde ?? comprendre l???effet des diff??rents param??tres sur la mise en forme courb??e de conduits en mat??riaux composites thermodurcissables pour y d??terminer les meilleurs param??tres ?? utiliser dans le but de r??duire les bris et de conserver le plus possible la forme ainsi cr????e. Parmi ceux-ci, il est question des param??tres de fabrications du conduit, de sa polym??risation, de son r??chauffement avant la mise en forme courb??e et de sa mise en forme elle-m??me. Pour comprendre l???effet des diff??rents param??tres, des tests m??caniques (traction, compression), thermom??caniques (DSC, DMA) et de relaxation de contrainte ?? l???aide d???une instrumentation avec des jauges de d??formation sont effectu??s. Ceux-ci r??v??lent des ajustements ?? apporter pour permettre un meilleur contr??le du proc??d??. Entre autres, le taux de polym??risation, l???angle d???orientation des fibres et la temp??rature de mise en forme sont les principaux facteurs importants pris en compte. En effet, la recherche r??v??le que plus la temp??rature de mise en forme courb??e est pr??s de la temp??rature de transition vitreuse du composite moins la forme courb??e ?? tendance ?? se conserver. Cela est similaire avec l???orientation des fibres, plus elles sont orient??es circonf??rentiellement plus ce probl??me est de taille. De plus, le taux de polym??risation a un impact consid??rable sur la d??formation maximale et sur la rigidit?? ?? haute temp??rature.

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Ce travail a pour but de proposer une nouvelle approche du dimensionnement optimisé des réservoirs de stockage d'hydrogène de type IV visant à mieux répondre aux enjeux industriels. Les objectifs scientifiques et techniques consistent à disposer de modèles qualifiés pour la simulation du comportement de ces réservoirs, associés à des méthodologies de dimensionnement et d'optimisation fiables. La démarche s'appuie sur trois axes principaux :- proposer une démarche de conception prédictive en intégrant (i) un premier aspect lié à la ruine de la structure qui est la conséquence de mécanismes complexes et multiples d'endommagement s'initiant, s'accumulant et se développant dans un milieu anisotrope et (ii) des modèles de simulation de la structuration composite spécifique au procédé d'enroulement filamentaire, technologie employée largement dans la fabrication des réservoirs de stockage à haute pression. Leurs implémentations constituent une première avancée face à l'existant ;- choisir et évaluer les paramètres structuraux par une démarche d'optimisation où nous sommes amenés à utiliser (i) des méthodes de métamodélisation permettant de répondre aux contraintes de coûts, (ii) des méthodes spécifiques de tri et (iii) des méthodes à spectres larges qui recherchent des solutions sur une large population telles que des méthodes génétiques ;- qualifier la démarche dans sa globalité par une comparaison entre calculs et essais. Ainsi, la finalité de ce travail est de développer et valider des modèles et méthodes pour permettre de mieux concevoir, tester et fabriquer à moindre coût un réservoir avec une structure calculée optimisée.

Ce travail de thèse s'est déroulé dans le cadre du programme H2E (Horizon Hydrogène Énergie) piloté par Air Liquide et en partenariat industriel avec Composites Aquitaine. Le stockage d’hydrogène sous forme gazeuse impose que les réservoirs bobinés en composite carbone/époxy utilisés résistent à des pressions internes en service allant de 350 à 700bar.L’état de l’art montre que le procédé d’enroulement filamentaire et son application à des épaisseurs de matériaux composites importantes peuvent générer des variations, dans l’épaisseur, des contraintes résiduelles d’origine thermique, de la teneur en fibres et en porosités et de l’épaisseur des couches. Ces hétérogénéités peuvent alors être à l’origine de modifications des propriétés mécaniques du composite. Notre travail s’est donc appuyé sur la caractérisation physico-chimique à l’échelle des constituants (mesure de températures, nano-indentation, analyse d’images et microtomographie) ainsi que la caractérisation mécanique à l’échelle de la couche de référence mais également à l’échelle de la structure (essais plans spécifiques sur éprouvettes bobinés et essais hors-plan).Les hétérogénéités de la matière ainsi identifiées sur le réservoir ont été intégrées dans un modèle de calcul analytique permettant d'étudier leurs influences sur sa pression d'éclatement. La conception d'un essai de mise sous pression interne d'un anneau a par ailleurs permis de vérifier le comportement mécanique de la structure réelle. / This PhD work was conducted in the H2E (Horizon Hydrogen Energy) program coordinated by Air Liquide and with the industrial partnership of Composites Aquitaine. The hydrogen storage under gaseous form needs the filament-wound carbon/epoxy composite vessels used to resist to service pressures between 350 to 700bar.The influences of the process and of the thickness of the structure on its mechanical behaviour were determined by precise bibliographic work and were supposed to generate thermal residual stresses and also to be responsible of variations in the thickness and fibre content of the plies. These heterogeneities could modify the mechanical properties of the composite material. Our work focuses, first of all, on the physical chemistry characterization at the constituents scale (temperature measurement, nano-indentation, image analysis and microtomography) and then on the mechanical characterization of the reference ply and also of the structure (dedicated tests on filament-wound samples and out-of-plane tests).The material heterogeneities identified on the vessel were integrated in an analytical calculation model to study their influences on its burst pressure. The development of an internal pressure test allows us to verify the global mechanical behaviour of the real structure.