L’objectif de cette thèse est de développer un cylindre instrumenté pour mesurer sa déflexion dans les applications médicales. Deux types de matériaux sont utilisés pour le cylindre : l'acier inoxydable et le NiTi. Des microjauges sont réparties le long du cylindre pour mesurer en temps réel sa déformation, permettant ainsi de guider le cylindre à sa destination envisagée dans un geste chirurgical. Plusieurs approches pour la mesure de déformation sont présentées et comparées, et la mesure de déformation par les microjauges piézorésistives semiconductrices intégrées sur le cylindre paraît la méthode optimale en tenant compte de la sensibilité, la compatibilité biomédicale et la faisabilité en microfabrication. Des analyses théoriques et par méthode d'éléments finis sont effectués pour analyser le comportement mécanique du cylindre en flexion mais aussi pour positionner et dimensionner les microjauges piézorésistives sur le cylindre. Un premier prototype a été réalisé et caractérisé pour vérifier la fonctionnalité de notre système.La réalisation des microjauges sur les cylindres se déroule par la microfabrication en salle blanche. Le germanium est utilisé comme le matériau piézorésistif. A cause de la spécificité géométrique des cylindres en tant que le substrat de la microfabrication, de nombreuses modifications sont apportées au procédé de fabrication 'standard' pour le dépôt et l'usinage des matériaux en surface du substrat métallique courbe. Le résultat de microfabrication est présenté, ainsi que l'analyse et les améliorations éventuelles du procédé actuel. / The objective of this assertation is to develop an instrumented cylinder in order to measure its deflection status in medical applications. The cylinders are made of two types of materials: stainless steel and NiTi. The microgauges are distributed along the cylinder to measure its real-time surface strain, thus allowing the cylinder to be guided to its planned destination during a surgical operation.Several approaches for strain measurement are presented and compared, and strain measurement with semiconductor piezoresistive microgauges integrated on the cylinder appears to be the optimal method considering the sensitivity, biomedical compatibility and feasibility in microfabrication.Theoretical analysis and finite element method analysis are carried out in order to analyze the mechanical behavior of the deflected cylinder and to determine the optimal position and size of the piezoresistive microgauges on the cylinder. A first prototype was developed and characterized to verify the functionality of our system.The microgauges are implemented on thin cylinders by microfabrication in cleanroom. Germanium is used as the piezoresistive material. Due to the curved geometry of metal cylinders as the substrate for microfabrication, several ajustments are made to the standard process of material deposition and surface machining. The analysis of experimental results, as well as the possible upgrades of the current process, are discussed.

O objetivo deste trabalho é analisar a distribuição das tensões residuais que resultam da combinação das variações volumétricas resultantes dos gradientes térmicos e das transformações de fase que ocorrem durante a têmpera de cilindros de aço AISI/SAE 1045, 4140 e 4340. O modelo matemático usado para este objetivo utiliza o programa AC3 de modelagem de tratamentos térmicos (curvas de transformação, curvas de resfriamento, microestrutura e a dureza do material), para alimentar um modelo de elementos finitos, considerando acoplamento termo-mecânico e comportamento não linear elasto-plástico, para previsão de tensões residuais em cilindros de aço AISI/SAE 1045, 4140 e 4340 temperados em água. São apresentados, também, os resultados de observações metalográficas e perfis de dureza que confirmam qualitativamente as previsões do programa AC3. A verificação do modelo numérico por elementos finitos foi efetuada através da medição das tensões residuais nos cilindros de aço com o emprego da técnica de difração de raios X. A simulação numérica, através do método dos elementos finitos comprova, nos três casos estudados, a existência de tensões residuais de compressão na região superficial após o processo de têmpera e indica de maneira quantitativa e qualitativa que as tensões mais significativas são as tangenciais. Os resultados obtidos a partir do modelo numérico mostraram uma aderência significativa em comparação com os resultados experimentais. / The aim of this work is to analyze the distribution of residual stresses resulting from combination of volumetric changes due to heat gradients and phase changes occurring during the quenching process of AISI/SAE 1045, 4140 and 4340 steel cylinders. The mathematical model used for this objective uses the AC3 program for modeling thermal treatments (transformation curves, cooling curves, microstructure and material hardness), whose results were fed into a finite element model, considering thermal-mechanical coupling and non-linear elastic-plastic behavior for forecasting of residual stresses in AISI/SAE 1045, 4140 and 4340 steel cylinders quenched in water. The observed microstructures and measured hardness confirmed qualitatively the previsions of the AC3 program. The results of finite element modeling were compared to experimental measurements of residual stresses measured at the surface, using X-Ray diffraction techniques. The finite element numerical simulation shows, for the three studied cases, the presence of compressive residual stresses in the surface region after a quenching process and indicates qualitatively and quantitatively that the most significant stresses are the tangential ones. The results obtained from the numerical model showed a significant adherence in comparison with the experimental results.

L'objectif principal de tout dispositif médical implantable est d'améliorer l'état de santé du patient en lui assurant un risque minimum. Dans ce but, l'étude de l'implant rachidien B Dyn comporte plusieurs volets : - la réalisation d'un suivi clinique, - l’analyse et la proposition de solutions techniques (actions correctives), - la création d'un outil numérique pour des évolutions ultérieures (actions préventives).L’étude bibliographique initiale permet d'appréhender l'anatomie fonctionnelle du rachis lombaire, de comprendre les états pathologiques et leurs conséquences et enfin de faire un inventaire des techniques chirurgicales associées (résection osseuse, implantation de dispositifs...).Le suivi clinique d'une population de trente patients souligne ensuite les apports (somatiques et fonctionnels) du B Dyn dans sa conception première. Pour quelques cas, l'analyse des clichés radiographiques en position de flexion montre une détérioration naissante de l'anneau liée, probablement, à une surcharge accidentelle de l'implant. Ce constat impose une évolution de la conception de l'implant.Une analyse de la conception initiale et la caractérisation mécanique en traction, permettent de cibler les actions correctives à appliquer dans le cadre de cette évolution. La démarche mise en place s'appuie sur l'évaluation expérimentale pour sélectionner des solutions techniques satisfaisant aux critères fonctionnels ; elle conduit à une évolution du choix de matériau de l'anneau.Pour la réalisation d'évolutions ultérieures, un modèle éléments finis est créé. L’approche numérique se substitue ainsi à l’approche expérimentale contraignante et coûteuse. La caractérisation préalable des élastomères est nécessaire à l'obtention de données matériaux pour élaborer ce modèle. Les résultats des premières simulations d'un essai de traction sont comparés aux données expérimentales dans la perspective de la validation du modèle.A ce stade, l'étude du B Dyn propose une première solution d'évolution de l'implant et un outil numérique pour l'analyse future de solutions techniques. / The main focus of any implantable medical device is to improve the health of the patient by providing minimum risk. For this purpose, the study of the B Dyn spinal implant comprises several constituents: - The carrying out of a clinical follow up, - The analysis and choice of technical solutions (corrective actions) - The creation of a digital tool for further development (preventive actions).The initial bibliographical study enables to comprehend the functional anatomy of the lumbar spine, to understand the pathological states and their consequences and finally to list the associated surgical techniques (osseous resection, implantation of devices…).The clinical follow-up of a population of thirty patients then underlines the contributions (somatic and functional) of the B Dyn in its first design. For a few cases, the analysis of radiographs in flexion shows an incipient deterioration in the ring probably related to an accidental overloading of the implant. This observation requires an evolution in the design of the implant.An analysis of the initial design and the mechanical characterization in traction, allow targeting the corrective actions to be applied in the context of this evolution. The developed approach is based on the experimental evaluation in order to select technical solutions that would satisfy the functional criteria; this leads to an evolution of the choice of the ring material.To conduct subsequent developments, a finite element model is created. Thus the digital approach replaces the restrictive and expensive experimental approach. The preliminary characterization of elastomers is necessary to obtain materials data to work out this model. The results of the first simulations of a tensile test are compared to experimental data in the perspective of the model validation.At this stage, the B Dyn study provides a first solution of implant evolution and a numerical tool for the future analysis of technical solutions.

Les matériaux argileux sont soumis aux chemins complexes de succion/contrainte qui se manifestent par des désordres affectant principalement les structures construites en surface et les ouvrages enterrés. Dans ce contexte, il est important d’appréhender le comportement hydromécanique de ces matériaux afin de mieux maîtriser leur utilisation. Le comportement hydromécanique complexe des matériaux argileux est directement relié à leur structure interne qui a été le principal sujet de plusieurs études sur la micro- et macrostructure des sols. Ces études ont conduit aux développements des modèles élastoplastiques pour sols gonflants. Les modèles existants sont capables de simuler le comportement principal de sol gonflant non saturé, mais ils présentent un grand nombre de paramètres, ce qui prend du temps pour le calcul. Par conséquence, on propose une méthode simplifiée pour modéliser le comportement hydromécanique des sols gonflants basée sur la théorie de l’état limite. Ce modèle est tout d’abord validé par les résultats de l’essai oedométrique. Ensuite, il est implanté dans un code aux éléments finis (CAST3M) pour simuler le comportement in situ des sols gonflants. Enfin, l’application de la théorie de l’état limite au sol gonflant avec une grande densité est effectuée par la combinaison de l’écrouissage cinématique et l’écrouissage isotrope. / Clayey materials are often subjected to the complex suction/stress paths, causing many problems in both surface structures and buried structures built on them. In this context, it is important to study the hydromechanical behavior of these materials in order to better control their use in civil engineering. The complex hydromechanical behavior of clay materials is basically connected to their fabric which has been the main subject of several studies on the micro- and macrostructure of soils. These studies have led to the development of elastoplastic models for expansive soils. The existed models are able to simulate the basic behavior of unsaturated expansive soil, but present a large number of model parameters, leading to a time-consuming calculation. Therefore, we propose a simplified method to model the hydromechanical behavior of expansive soils based on shakedown concept. This model is first validated by the experimental results of cyclic suction-controlled oedometer tests. Then, it is implemented in a finite element code (CAST3M) to simulate the in-situ behavior of expansive soils. Finally, the application of shakedown theory to heavily dense expansive soils is carried out by considering a combined hardening plasticity.

L'objectif de ce travail était d'élaborer un matériau à gradient de propriétés fonctionnelles (MGF) W/Cu afin de remplacer la couche de compliance (Cu-OFHC) dans les composants face au plasma des machines de fusion thermonucléaire de type ITER. La particularité de ce travail étant de réaliser ces matériaux sans dépasser la température de fusion du cuivre dans le but de contrôler la microstructure des matériaux. Le cofrittage est la solution la plus attractive pour les réaliser. La première étape du travail a donc été de diminuer la température de frittage du tungstène afin de réaliser ce cofrittage. La mise en forme d'un MGF continus étant délicat, des calculs thermomécaniques ont été réalisés afin de déterminer le nombre et la composition chimique des couches W-Cu pour augmenter la durée de vie des CFPs. Les conditions de frittage par Spark Plasma Sintering ont été optimisées afin d'avoir une densité maximale des monomatériaux WxCu1-x. L'influence de la teneur en cuivre et de la densité des monomatériaux sur les propriétés thermiques et mécaniques a été étudiée. Les conditions de frittage SPS des monomatériaux ont été appliquées sur des assemblages W/CuCrZr composés de plusieurs couches intercalaires. L'importance du temps d'assemblages pour l'intégrité de ceux-ci a été mise en évidence. L'étude du temps de palier lors des assemblages W/CuCrZr a permis d'identifier un paramètre permettant de qualifier l'intégrité de l'assemblage quelle que soit la composition et la nature de la couche de compliance. De plus, les phénomènes associés à la formation des interfaces de l'assemblage ont été identifiés. L'interface W/WxCu1-x est formée par l'extrusion du cuivre de la couche WxCu1-x dans les porosités du tungstène. L'interface WyCu1-y/CuCrZr est formée par la migration du cuivre de la couche CuCrZr dans la couche WyCu1-y. Enfin l'optimisation des conditions d'assemblage a montré que les contraintes mécaniques dues à la densification du Matériau à gradient de Propriétés Fonctionnelles pouvaient être limitées en frittant préalablement ce matériau. / The objective of this study was to develop a Functionally Graded Material (FGM) W / Cu to replace the compliance layer (Cu-OFHC) in the plasma facing components of thermonuclear fusion reactor like ITER. The peculiarity of this work is to elaborate these materials without exceeding the melting temperature of copper in order to control its microstructure. The co-sintering is the most attractive solution to achieve this goal.The first phase of this study has been to decrease the sintering temperature of the tungsten to achieve this co-sintering. The elaboration of a Functionally Graded Materials being delicate, thermo-mechanical calculations were performed in order to determine the number and chemical composition in order to increase the lifespan of Plasma Facing Components. Spark Plasma Sintering conditions were optimized in order to achieve maximum density of WxCu1-x composites. The effect of copper content and density of the WxCu1-x composites on thermal and mechanical properties was investigated. The SPS conditions were applied for W/CuCrZr assemblies with a compliance layer composed of several interlayers. The importance of time for the integrity of assemblies thereof has been highlighted.The study of the dwell time during W/CuCrZr assembly leads to identify a parameter to characterize the integrity of the interface regardless of the composition and the nature of the layer of compliance. Moreover, the phenomena associated with the formation of the interface assembly have been identified. The interface W/WxCu1-x is formed by the extrusion of the copper layer of the WxCu1-x inside the tungsten porosities. The WyCu1-y/CuCrZr interface is formed by copper migration of CuCrZr layer inside the WyCu1-y layer. Finally optimization assembly conditions showed that the mechanical stresses due to the densification of the Functionally Graded Materials can be limited by sintering the FGM before the assembly.

An increase in the demand for the freight shipping in the United States has been predicted for the near future and Longer Combination Vehicles (LCVs), which can carry more loads in each trip, seem like a good solution for the problem. Currently, utilizing LCVs is not permitted in most states of the US and little research has been conducted on the effects of these heavy vehicles on the roads and bridges. In this research, efforts are made to study these effects by comparing the dynamic and fatigue effects of LCVs with more common trucks. Ten Steel and prestressed concrete bridges with span lengths ranging from 30’ to 140’ are designed and modeled using the grid system in MATLAB. Additionally, three more real bridges including two single span simply supported steel bridges and a three span continuous steel bridge are modeled using the same MATLAB code. The equations of motion of three LCVs as well as eight other trucks are derived and these vehicles are subjected to different road surface conditions and bumps on the roads and the designed and real bridges. By forming the bridge equations of motion using the mass, stiffness and damping matrices and considering the interaction between the truck and the bridge, the differential equations are solved using the ODE solver in MATLAB and the results of the forces in tires as well as the deflections and moments in the bridge members are obtained. The results of this study show that for most of the bridges, LCVs result in the smallest values of Dynamic Amplification Factor (DAF) whereas the Single Unit Trucks cause the highest values of DAF when traveling on the bridges. Also in most cases, the values of DAF are observed to be smaller than the 33% threshold suggested by the design code. Additionally, fatigue analysis of the bridges in this study confirms that by replacing the current truck traffic with higher capacity LCVs, in most cases, the remaining fatigue life of the bridge is only slightly decreased which means that taking advantage of these larger vehicles can be a viable option for decision makers.

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<div>Additively manufactured (AM) metals have been increasingly fabricated for structural applications. However, a major hurdle preventing their extensive application is lack of understanding of their mechanical properties. To address this issue, the objective of this research is to develop a computational model to simulate the creep behavior of nickel alloy 718 manufactured using the laser powder bed fusion (L-PBF) additive manufacturing process. A finite element (FE) model with a subroutine is created for simulating the creep mechanism for 3D printed nickel alloy 718 components.</div><div><br></div><div>A continuum damage mechanics (CDM) approach is employed by implementing a user defined subroutine formulated to accurately capture the creep mechanisms. Using a calibration code, the material constants are determined. The secondary creep and damage constants are derived using the parameter fitting on the experimental data found in literature. The developed FE model is capable to predict the creep deformation, damage evolution, and creep-rupture life. Creep damage and rupture is simulated as defined by the CDM theory.</div><div>The predicted results from the CDM model compare well with experimental data, which are collected from literature for L-PBF manufactured nickel alloy 718 of creep deformation and creep rupture, at different levels of temperature and stress. </div><div><br></div><div>Using the multi-regime Liu-Murakami (L-M) and Kachanov-Rabotnov (K-R) isotropic creep damage formulation, creep deformation and rupture tests of both the secondary and tertiary creep behaviors are modeled.</div><div>A single element FE model is used to validate the model constants. The model shows good agreement with the traditionally wrought manufactured 316 stainless steel and nickel alloy 718 experimental data collected from the literature. Moreover, a full-scale axisymmetric FE model is used to simulate the creep test and the capacity of the model to predict necking, creep damage, and creep-rupture life for L-PBF manufactured nickel alloy 718. The model predictions are then compared to the experimental creep data, with satisfactory agreement.</div><div><br></div><div>In summary, the model developed in this work can reliably predict the creep behavior for 3D printed metals under uniaxial tensile and high temperature conditions.</div>

Dans cette étude, nous analysons les conséquences mécaniques des transformations de phase diffusives, particulièrement la plasticité de transformation ou TRIP (TRansformation Induced Plasticity) ainsi que le comportement élasto-viscoplastique. Cette plasticité de transformation, explicable par le mécanisme de Greenwood-Johnson, est souvent décrite avec le modèle de Leblond qui fait l'hypothèse d'un comportement élastoplastique. Dans ce modèle comme dans la majorité des analyses expérimentales et des modélisations (analytiques, par éléments finis, FFT ou encore champ de phase), une des hypothèses principales est de ne pas prendre en compte le caractère visqueux du comportement. Or plusieurs études récentes montrent que le comportement des deux phases (parente et produite) peut être très sensible au taux de déformation imposé, particulièrement à haute température. D'où l'intérêt de développer une modélisation rendant compte des effets visqueux présents lors de certaines transformations. Pour ce faire, nous adoptons une modélisation numérique où le comportement de chaque phase est décrit par une loi élasto-viscoplastique à écrouissage mixte associée à la loi de Norton ; la cinétique de transformation est imposée et le problème d'interactions mécaniques entre phases est traité par la méthode des éléments finis. D'une part, la contribution de la viscosité au TRIP est quantifiée pour différents taux de déformation imposés durant la transformation de phase. D'autre part, l'effet du taux de transformation (configuration arbitraire) sur la prédiction du TRIP est évalué et caractérisé. Une extension des modèles existants (à cinétique périodique et aléatoire) est proposée. Elle consiste d'abord à étudier et évaluer l'effet de la morphologie de germe ainsi que l'anisotropie de croissance sur la prédiction du TRIP. Ensuite, une amélioration avec un modèle anisotherme, basé sur des mesures expérimentales existantes, a été introduite. Elle consiste principalement à tenir compte de la variation des propriétés mécaniques en fonction de la température. Les analyses montrent que la prise en compte de la viscosité peut conduire à des effets importants sur la prédiction du TRIP par rapport aux résultats obtenus avec un modèle élastoplastique classique. Elles montrent en particulier, en configuration anisotherme, une amélioration de la prédiction du TRIP mesuré expérimentalement lors de la transformation perlitique d'un acier 100Cr6 [Tahimi, 2012]. Cette étude permet par ailleurs de dégager des tendances évidentes dans les relations entre le TRIP et l'histoire de la transformation : chargement mécanique et cinétique de transformation, morphologie des germes et anisotropie de croissance. Ces résultats pourront contribuer à l'élaboration d'un modèle analytique simple prenant en compte la viscosité. / In this study, the mechanical consequences of phase transformations in steel, particularly, the TRansformation Induced Plasticity TRIP as well as the elasto-viscoplastic behavior has been analyzed. This transformation plasticity, due to the Greenwood-Johnson mechanism, is often described with the model of Leblond with the assumption of an elastoplastic behavior. Moreover, in the majority of experimental analysis or numerical finite elements modeling FEM or phase field modeling PFM, the viscous criteria were not considered. However, several recent studies have demonstrated that both phases (parent and product) show high strain-rate sensitivity at elevated temperatures. Hence, the principal interests using the FEM modeling to extend these main reference models of [Leblond, 89] and [Taleb-Sidoroff, 2003], with taking into account the viscous effects, which are present during some phase transformations, especially at high temperatures. To do this, the behavior of each phase is described by an elasto-viscoplastic law with mixed hardening associated to the Norton law. The transformation kinetics is imposed and the problem of mechanical interactions between phases is processed by the finite element method. On the one hand, the contribution from viscosity to TRIP was quantified for different strain-rate during phase transformation. On the other hand, the effect of an arbitrarily-set of transformation-rate in the FEM simulations was evaluated and characterized. An extension of the existing models (for periodic and random kinetics) is proposed. It consists at first in studying and in evaluating the effect of both the morphology of nuclei and the growth anisotropy, on the prediction of TRIP. Then, an improvement with non-isothermal model, based on existing experimental measures, was introduced. It consists mainly in taking into account the variation of the mechanical properties of the mixture of both phases, according to the temperature. The predictions show that in such cases, the consideration of the viscosity can lead to major changes of the estimated TRIP compared with results obtained from a classic plastic model. Also, the prediction of TRIP can be significantly influenced by the choice of the morphology of germs and by the type of growth: isotropic or anisotropic. These improvements, particularly with the non-isothermal configuration, show a good agreement with experimental measures of TRIP on the 10006 steel during pearlite phase transformation [Tahimi, 2012]. This study allows besides, releasing obvious trends in the relations between the TRIP and the history of the phase transformation: mechanical loading and kinetics of transformation, morphology of nuclei and growth anisotropy. These results can contribute to the elaboration of a simple analytical model taking into account the viscous criteria.

Ces travaux portent sur l'étude expérimentale et numérique de la rupture de structures soudées soumises à des sollicitations pyrotechniques telles que celles subies par les véhicules militaires sur le champ de bataille. Ce travail de thèse présente le développement de modèles éléments finis détaillés (à l’échelle mésoscopique) permettant de reproduire le comportement de ces assemblages lorsqu’ils sont sollicités par ces sollicitations dynamiques. Ils prennent en compte la géométrie locale des cordons de soudure et les différents matériaux. Pour paramétrer ces modèles, il est nécessaire de caractériser la soudure à l’échelle des matériaux constitutifs de l’assemblage. Ainsi des essais de caractérisation de leur comportement mécanique sont menés en se basant sur les vitesses de déformation relevées sur des modèles éléments finis de véhicule : quasi-statique jusqu’à 1000s-1. Pour l’analyse de la rupture, une large plage de triaxialité des contraintes est couverte au travers d’essais dédiés. Pour chaque matériau, une loi de comportement et un critère de rupture ont été déterminés par analyse inverse et validés sur des grandeurs globales et locales. Afin d’étudier la pertinence des modèles mésoscopiques, des essais au canon à gaz sont réalisés sur des assemblages soudés élémentaires en L et en T. Ils permettent de reproduire les principaux modes de rupture observés sur les pièces réelles. In fine, les simulations corrèlent les essais en termes de mode et de seuil d’apparition de la rupture. Ceci valide les lois de comportement identifiées et la modélisation mésoscopique proposée. / Finite element modeling is commonly used to design armored vehicles and to evaluate the strength of the structure against mine explosion. This study investigates experimental and numerical failure of welded structures submitted to such dynamic loadings. The goal is to develop detailed finite element models at meso-scale that allow to predict the behavior and failure of welded joints at intermediate strain rates. These models must take into account the local properties of the welded joint as the geometries as the mechanical behavior of the constitutive materials. Experimental characterizations of the material behavior are led on tensile specimens from quasi-static loading up to 1000s-1. This strain rates range results from analysis on vehicle finite element models. Dedicated tests are also conducted to study the material failure on a large range of stress triaxiality values. For each constitutive material, the hardening and failure parameters are identified through a reverse engineering approach. To validate the meso-scale models, gas gun tests are led on basic L and T welded assemblies. Modes and thresholds of failure are correctly replicated thanks to these finite element models. This validates the identified material behavior laws and the proposed meso-scale modeling.