Le contact mécanique est le problème de mécanique des solides qui présente les non-linéarités les plus difficiles à prendre en compte. La bonne résolution numérique de ce problème est fortement perturbée par la non-linéarité et la non-différentiabilité des équations régissant le contact mécanique frottant (collement-décollement et amorce du glissement). Encore aujourd'hui, il n'existe pas de méthode permettant de résoudre le problème de contact frottant de manière universelle. Ce travail porte donc sur l'élaboration de méthodes permettant de résoudre le plus grand nombre de types de problème de contact frottant. II peut être décomposé en deux parties. La première partie porte sur la formation du système d'équations et l'algorithme de résolution. Les méthodes les plus utilisées sont celles de pénalisation et du lagrangien augmenté. Bien que très simple, ces méthodes sont assez difficiles à utiliser en raison de la difficulté d'identification des valeurs des coefficients de pénalisation (normale et tangentielle). Afin de pallier les carences de ces méthodes, une nouvelle approche est proposée, celle dite du « lagrangien augmenté adapté ». Cette nouvelle méthode est basée sur celle du lagrangien augmenté jumelée à une adaptation de la pénalité. Elle présente l'avantage de ne plus obliger l'utilisateur à choisir des coefficients de pénalisation. De plus, elle cumule la rapidité de l'adaptation de la pénalité et la fiabilité de la méthode du lagrangien augmenté. La deuxième partie porte sur la prise en compte du contact sous une discrétisation spatiale. La méthode la plus utilisée est la méthode « point-surface ». Le contact est calculé pour chacun des points d'une des surfaces avec l'autre surface. Cette méthode présente de nombreuses limites, notamment au niveau de la représentativité et de la régularité de la solution lorsque les deux surfaces sont déformables et irrégulières. Une autre méthode fait l'objet d'intense recherche, la méthode « surface-surface »basée sur les éléments joints. Le contact est calculé pour chaque noeud d'une des surface en fonction des deux surfaces ce qui rend la solution plus régulière et plus représentative. Cependant, les complications induites par cette méthode ne permettent pas de résoudre les problèmes en trois dimensions. Une variante de cette méthode est donc présentée afin de pouvoir être utilisée pour les problèmes en deux ou trois dimensions. Toutes ces méthodes sont testées sur des problèmes académiques simples et également sur des problèmes industriels multi-physiques.

La production de bois d'oeuvre passe nécessairement par l'étape de séchage du bois afin d'assurer la stabilité de la teneur en humidité et des dimensions, d'améliorer les propriétés mécaniques et de répondre aux programmes de traitement à la chaleur selon les exigences du marché d'exportation. Cette étape de production entraînant une perte de qualité du produit due à la présence de courbure, des études sont envisagées dans le but d'analyser les phénomènes qui s'y rattachent dans l'optique d'en optimiser le procédé. À ce jour, les travaux réalisés ont permis de décrire les phénomènes thermo-hydriques du procédé, les lois de comportements thermo-hygro-mécaniques qui s'y rattachent ainsi que les phénomènes d'échanges de chaleur et de masse. De plus, les avancées technologiques au niveau d'outils numériques jumelés à l'accessibilité à d'importantes puissances de calcul permet aujourd'hui de résoudre des problèmes couplés multi-physiques complexes. L'objectif principal de ce projet est de représenter le comportement déformationnel d'une pièce de bois soumise aux échanges thermo-hydriques lors du procédé de séchage conventionnel. Cet objectif nécessite la création d'un modèle numérique permettant la simulation du comportement mécanique, l'utilisation d'un modèle thermo-hydrique adapté au contexte de séchage ainsi que d'une interface permettant le couplage entre les deux modèles. Le modèle mécanique permet ici de représenter les propriétés du bois telle la variation des propriétés en fonction de l'orientation des cernes du bois et de prendre en compte le caractère orthotrope du matériau. Le passage du point de saturation des ibres, le comportement élastomécanosorptif ainsi que le retrait sont considérés au sein des lois de comportement. Le problème global est non linéaire et résolu en régime transitoire. Le couplage entre les aspects thermo-hydriques et mécanique est réalisé en considérant température et humidité ixe sur chaque pas de temps pour la partie mécanique. La validation numérique a été réalisée à l'aide d'un problème complet de la littérature ce qui a permis d'appuyer la fiabilité de la démarche. En parallèle, un programme expérimental a été réalisé dans le but de cueillir des données sur le procédé permettant la validation du modèle thermo-hydrique dans un contexte d'une application industrielle d'une pièce de bois sous lestage. Une étude de sensibilité aura également permis de cerner l'importance de certains paramètres industriels sur la qualité du produit, en exemple le type de coupe et le phénomène de surséchage seront analysés.

La durée de vie des cuves d'electrolyse est influencée par plusieurs facteurs qui jouent un rôle plus au moins important. Un des facteurs jouant un rôle prépondérant est le préchauffage de la cuve d'electrolyse, étape nécessaire avant que celle-ci commence sa production d'aluminium. Pour cette raison, la compréhension des phénomènes qui prennent place dans la cuve d'électrolyse est plus qu'importante pour améliorer ou optimiser le procédé existant. Conséquemment, ce travail de recherche, réalisé en partenariat avec la société Rio Tinto Alcan (RTA), porte sur le développement d'un modèle prédictif permettant la bonne représentation du comportement thermo-électro- mécanique d'une cuve d'électrolyse en phase de préchauffage. Les objectifs à plus long terme d'un tel projet consistent à fournir à l'industrie de l'aluminium un outil efficace qui leur assurera, dans un premier temps, une meilleure compréhension du comportement de la cuve mais également, d'en optimiser le fonctionnement. L'approche retenue consiste à effectuer une discrétisation par éléments finis d'un modèle quart de cuve Hall-Héroult avec prise en compte de la nature des matériaux ainsi que des interfaces de contact présentes dans la cuve. Des lois constitutives appropriées ainsi que les paramètres associés sont utilisées pour la plupart des matériaux et interfaces de contact. La stratégie de mise en régime de la cuve consiste à appliquer la totalité du courant au moment du préchauffage de la cuve d'électrolyse comme c'est le cas lors du démarrage des cuves PI55 chez RTA. La résolution est réalisée à l'aide d'une application spécialisée développée à l'aide de l'outil numérique FESh++. Ce noyau de calcul par élément finis, possédant une grande flexibilité ainsi qu'une grande robustesse, permet la résolution des problèmes transitoires multi-physiques avec prise en compte des interfaces de contact. Quant au modèle géométrique proprement dit, il est construit à l'aide du module de prétraitement du logiciel ANSYS et ce, via la construction d'un script intensément parametrise à l'aide du langage APDL. Le post-traitement des résultats est également réalisé dans le logiciel ANSYS. Dans un premier temps, une étude de sensibilité sur les coefficients de pénalisation de contact normaux a été réalisée et ce, afin de s'assurer de l'objectivité de ces derniers en regard de la solution tout en maintenant un temps de calcul raisonnable. La validation des résultats du modèle avec des données in situ fournies par RTA a également été réalisée avant l'analyse des résultats de préchauffage afin de s'assurer que le modèle est représentatif de la réalité. Les écarts entre les résultats du modèle et les données in situ disponibles sont très satisfaisants et démontre les capacités du modèle. Dans un deuxième temps, l'analyse des résultats après 24h de préchauffage ont permis de constater que si les conditions de préchauffage ne sont pas rigoureusement respectées, les possibilités d'infiltration peuvent être élevées. En effet, le haut niveau de cuisson de la pâte, les faibles pressions de contact entre les blocs cathodiques et la pâte ainsi que les contraintes principales maximales élevées sur les arêtes des blocs cathodiques sont des facteurs déterminants qui peuvent mener à des infiltrations si le scénario de préchauffage prévu n'est pas respecté. Un possible décollement a été observé au terme du préchauffage à l'intersection des petits joints et du grand joint de pâte. Une attention particulière en regard des différents mécanismes de déformations de la pâte (élastique, plastique, thermique et chimique) aura permis de constater l'intérêt de discerner l'effet de ces mécanismes durant le préchauffage. De plus, l'analyse des efforts dans le caisson et les berceaux a permis de constater l'absence de plastification dans l'acier durant le préchauffage et que les efforts les plus importants sont localisés au voisinage des fenêtres. Finalement, des recommandations sont proposées afin d'améliorer les performances du modèle quart de cuve actuel ainsi que pour orienter adéquatement les travaux à venir.

Cette étude se concentre sur la modélisation de l'écoulement d'air autour d'un profil de pale. Elle se répartit en trois parties dédiées à l'étude aérodynamique et en une dernière partie sur la modélisation des phénomènes aéroélastiques. La première partie illustre l'importance du choix du domaine et l'impact des conditions limites, l'importance du maillage comprenant les dimensions de la couche limite et de la finesse des éléments. La deuxième partie compare différents modèles de turbulence (les modèles k-w, k-w BSL et k-u> SST) à travers leur construction, leur prédiction des coefficients aérodynamiques pour différents angles d'attaque, leur prédiction de la vitesse autour du profil et du coefficient de pression sur le profil. De la même manière, la troisième partie compare différents modèles de transitions appliquées au modèle k-w SST. La dernière partie met en lumière une modélisation des phénomènes aéroélastiques qui peuvent affecter un profil de pale d'éolienne grâce au couplage des logiciels CFX et ANSYS.

Le renversement (l'instabilité) des véhicules lourds est un problème important de sécurité routière dans le monde entier. Plusieurs études ont indiqué qu'une proportion significative des accidents des véhicules lourds comporte le renversement. Malgré le progrès réalisé dans le domaine de la stabilité des véhicules lourds, les accidents dus au renversement des véhicules lourds porteurs ou semi-remorques sont omniprésents. En particulier, le renversement des camions citernes qui sont très dangereux à cause de leur architecture très complexe et surtout s'ils transportent des matières dangereuses (TMD). Les caractéristiques de la performance dynamique et de la stabilité des camions citernes partiellement remplis sont sensiblement influencées par le mouvement de la charge du liquide dans la citerne. La réponse dynamique et la stabilité des camions citernes partiellement remplis sont étudiées, analysées et caractérisées par le développement d'un modèle analytique de ballottement du liquide et un modèle numérique basé sur les équations complexes de Navier-Stokes. L'analyse des réponses dynamiques des camions citernes est évaluée sous l'excitation de différentes manoeuvres. La comparaison entre le modèle analytique et le modèle numérique pour des citernes avec et ou sans chicanes est évaluée en termes de décalage de la charge du liquide (déplacement des coordonnées du centre de masse), les forces et les moments dus à la pression du ballottement du liquide et la variation des moments d'inertie de masse. Plusieurs manoeuvres tant dans le plan latéral que longitudinal, tels que le mouvement dans une courbe, le changement de voie simple et double et le mouvement de freinage sont considérés. Des conditions critiques de remplissage de la citerne (r = 50 ? 75%) sont choisies pour analyser cette comparaison entre les deux modèles analytique et numérique. Un modèle de véhicule complet est développé pour étudier le comportement dynamique dans les deux plans latéral et longitudinal sous l'application des excitations latérales et longitudinales. Ce modèle est comparé et validé par le logiciel Trucksim de renommée mondiale dans le domaine de la dynamique des véhicules. Le modèle analytique du ballottement du liquide est intégré au modèle du véhicule comme un sous-système (système multicorps). Dans cette recherche les deux modèles de véhicules d'unité et articulé sont analysés. Ceci est pour étudier l'impact du décalage de la charge du liquide sur la réponse dynamique des camions citernes partiellement remplis. Les réponses dynamiques des camions citernes sont comparées à celles des véhicules avec charge fixe équivalente. De cette étude, nous pouvons conclure que le mouvement du ballottement du liquide dans les citernes peu réduire la stabilité du véhicule dans les deux plans latéral et longitudinal et rendre la conduite des camions citernes difficile et dangereuse. Les résultats de cette recherche, pourraient nous aider à mieux modéliser ce genre de problème complexe. Ceci nous permettra de répondre à quelques interrogations dans le domaine de la sécurité et la stabilité des véhicules lourds, en particulier pour les camions citernes.

Ce travail de recherche a pour objectif de développer une méthode pratique de prédiction de la durée de vie en fatigue de structures d'aluminium tubulaires soudées à parois minces. Cette étude étant réalisée en partenariat avec Cycles Devinci inc., la méthode est appliquée spécifiquement au dimensionnement des cadres de vélo. Une analyse métallurgique effectuée sur un échantillon de cadre de vélo fissuré en conditions réelles d'utilisation démontre qu'il s'agit bien d'un cas de fatigue amorcé dans la zone de concentration de contrainte située au pied du rayon de raccordement du cordon de soudure. Un modèle de calcul des contraintes locales aux joints soudés par éléments finis est développé, puis appliqué à des essais de fatigue sur des structures soudées simples en forme de « T ». Une courbe S-N de contrainte locale est ainsi obtenue. La méthode de calcul des contraintes et la courbe de fatigue sont validées par des essais de fatigue à amplitude constante sur des structures en T plus complexes et des cadres de vélo. Les résultats démontrent la pertinence d'utiliser des structures simples et un modèle de calcul des contraintes locales pour le développement de la méthode. La méthode est ensuite appliquée à l'estimation de la durée de vie en fatigue sous chargement d'amplitude variable. Les résultats montrent que la règle de Miner linéaire donne des estimations conservatrices de la durée de vie sous amplitude variable. La règle de Miner non-linéaire avec un exposant de 1,062 permet des prédictions plus précises. Suite à son développement et à sa validation, la méthode en son ensemble est appliquée à l'estimation de durée de vie d'un cadre de vélo de route Devinci. Les résultats prouvent l'efficacité de la méthode proposée, mais également la nécessité de valider les calculs de durée de vie par des essais en laboratoire. Finalement, des recommandations sont proposées afin d'optimiser la méthode et de faciliter son application à l'intérieur du processus de conception des cadres de vélo chez Cycles Devinci. Ainsi, la méthode développée au cours de ce projet permet d'estimer de façon pratique et plutôt précise la durée de vie en fatigue de structures d'aluminium tubulaires soudées sous chargement complètement alterné d'amplitude constante ou variable.

L'objectif de cette thèse consiste à évaluer le potentiel d'utilisation des pièces automobiles en alliages légers dans l'industrie automobile, en étudiant leur durée de vie en fonction de différents paramètres comme l'effet dynamique de la suspension, la nature de l'excitation, la géométrie et le poids de la pièce. La pièce est en alliage d'aluminium 7075-T6, ayant une géométrie semblable à celle qui existe dans le système de suspension d'un quart de véhicule en acier en l'occurrence le bras de suspension inférieur. Nous avons aussi étudié la possibilité d'optimiser le poids du bras de suspension supérieur du véhicule en fonction de sa durée de vie et ses fréquences naturelles. L'épaisseur est variée puisque l'état des contraintes est plan pour une flexion selon la direction de l'épaisseur de la pièce. En effet, la variation de l'épaisseur affecte le profil des contraintes, la densité d'énergie de déformation (SENER) et la durée de vie. Nous avons abordé cette recherche avec une étude exhaustive sur les différents types de critères de fatigue utilisés dans le domaine de la rupture des pièces métalliques sous des sollicitations dynamiques. Notre modèle est basé sur le critère multiaxial de la densité d'énergie de déformation, équivalent au cas analytique uniaxial. En effet, l'approche énergétique nous permet de comparer deux tenseurs de même ordre, cas multiaxial et du cas uniaxial. Dans les deux cas, uniaxial et multiaxial, la densité d'énergie de déformation est un tenseur d'ordre zéro. Nous avons démontré qu'on peut passer d'une excitation aléatoire de déplacement, décrite par une densité spectrale de puissance PSD, à une excitation directe par une force par la normalisation de cette dernière et en multipliant par un facteur commun calculé à partir des données dynamiques du véhicule. Deux cas de non linéarité sont rencontrés dans la présente étude : le couplage élasto-plastique du matériau et la non linéarité géométrique lors de la simulation numérique. Le couplage élasto-plastique décrivant la non linéarité du matériau, est décrit par la relation liant la déformation s et la contrainte a à partir de la relation de Ramberg-Osgood. Pour éviter l'utilisation de la méthode Newton-Raphson dans tous les éléments du maillage, nous avons créé une interface Matlab pour identifier les éléments critiques. Le signal SENER de l'élément est corrigé pour y enlever les anomalies par un algorithme de l'interface Matlab WAFO (Wave Analysis for Fatigue and Oceanography). L'extraction des cycles « rainflow » est faite selon la formulation de Markov afin de calculer le nombre de répétition, du signal de chargement à la rupture, calculé à partir de la règle de Miner. Les résultats montrent que le signal de chargement étudié doit se répéter 5,45xlO10 fois jusqu'à la rupture de la pièce, en alliage d'aluminium 7075-T6 ayant une épaisseur de 2,5cm. Nous avons démontré que l'utilisation d'une pièce en alliage d'aluminium peut donner la même durée de vie qu'une pièce en acier toute en gagnant environ 36% en poids. L'optimisation de la forme de la pièce nous permet de la rendre plus légère et ses fréquences naturelles loin du spectre de la densité spectrale de puissance PSD décrivant le profil de la chaussée. En plus, cette procédure permet une optimisation du poids de la pièce par rapport à sa durée de vie et ses modes propres dans des délais de temps raisonnables dans un maillage grossier ou raffiné, par rapport à la méthode directe.

Les recherches menées au sein des chaires CIGELE et INGIVRE ont permis de développer une technique mécanique pour mesurer la force d'adhérence de la glace atmosphérique à l'aide d'un film de PVDF piézoélectrique disposé à l'interface glace/substrat. Le substrat est une poutre d'aluminium sur laquelle le film PVDF est collé et la glace atmosphérique déposée artificiellement à partir de gouttelettes d'eau surfondues. La poutre composite ainsi formée, dont une extrémité est encastrée sur un pot vibrant, est soumise à une flexion simple par une vibration obtenue grâce au pot vibrant. Les résultats préliminaires obtenus ont permis de démontrer la validité de la méthode ainsi que la sensibilité de la mesure aux différents matériaux et états de surface des poutres utilisées. Cependant, la méthode proposée n'a pas été étalonnée. De plus, telle que proposée, la méthode ne permettait pas de vérifier l'influence de certains paramètres comme la vitesse d'application de la contrainte à l'interface ainsi que l'influence de l'épaisseur de glace. Dans ces conditions, une automatisation ainsi qu'un étalonnage de la méthode a été réalisée. L'étalonnage de la méthode est basé sur le développement d'un modèle numérique par éléments finis de l'ensemble constitué de la poutre en aluminium et du film PVDF collé à la surface de cette dernière. Ainsi, un écart de 11,7% entre les résultats numériques et expérimentaux a été obtenu, ce qui est considéré comme acceptable étant donné que l'influence du collage du film PVDF sur la poutre n'a pas été prise compte. De plus, grâce à l'automatisation de la méthode, l'influence de la vitesse d'augmentation de l'amplitude de vibration sur la mesure a pu être réalisée. Les résultats obtenus avec trois vitesses différentes ont permis de démontrer que la méthode est indépendante de la vitesse à laquelle l'amplitude de la vibration est augmentée. La variation de cette dernière a pour seul effet de faire varier proportionnellement le temps de délaminage. Cela n'est cependant pas le cas de l'épaisseur du dépôt de glace qui influence significativement la valeur de la mesure. Les tests expérimentaux, effectués avec trois épaisseurs pour une vitesse d'application de la contrainte constante, révèlent une forte dépendance de la mesure en fonction de l'épaisseur du dépôt de glace. Ainsi, la contrainte mesurée diminue avec l'augmentation de l'épaisseur du dépôt de glace jusqu'à s'annuler lors que l'axe neutre se situe à l'interface glace/substrat.

La présence de glace sur les structures mécaniques sont généralement à l'origine de nombreux problèmes récurrents. L'accumulation de glace sur les ailes d'un avion ou sur les pales d'hélicoptère, sont, chaque année, à l'origine de nombreux accidents mortels. Dans les régions nordiques, la surcharge occasionnée par la présence de glace sur les lignes de transport provoque des pannes de courant de longues durées durant les périodes froides. Dans ce contexte, il devient essentiel d'établir une meilleure compréhension du comportement à l'interface glace-substrat et ce, afin d'améliorer les techniques de dégivrage et de déglaçage des structures mécaniques. L'approche proposée consiste à développer un outil numérique prédictif du déglaçage des structures mécaniques dont certains paramètres caractéristiques des matériaux en cause et de l'interface glace-substrat auront été calés sur des résultats expérimentaux. Dans cette étude, le déglaçage d'une lamelle en aluminium par la mise en tension de cette dernière a été examiné. Entre autres, ces résultats expérimentaux ont démontré que l'énergie induite dans le système composite (aluminium-glace) à haut taux de déformation (10"3 s"1) se traduit soit par le déglaçage ou encore par la fissuration de la glace et ce, en fonction de l'épaisseur de glace produite sur la lamelle à une température de-10°C. Parallèlement, un modèle numérique a été développé à l'aide du logiciel ABAQUS afin de simuler adéquatement l'essai expérimental. La lamelle d'aluminium est considérée élastique tout en prenant en compte la présence potentielle des non-linéarités géométriques. La loi de comportement de la glace est considérée similaire à celle d'un béton classique. Dans cette optique, une loi de comportement du type « brittle cracking » s'est avéré un choix judicieux. Les paramètres de cette loi ont été calés sur un essai de traction sur un échantillon de glace. L'interface, quant à elle, a été modélisée à l'aide d'une loi d'adhésion. Les paramètres de cette loi qui permettent, entre autres, la prédiction du début ainsi que de l'évolution de l?endommagement à l'interface, ont été calés sur l'essai de traction réalisé. Les résultats numériques obtenus permettent de corroborer fidèlement le déglaçage de la lamelle étudiée en laboratoire.

Un problème important de l'exploitation des éoliennes en climat nordique est le givrage des pales. Actuellement, l'utilisation de systèmes de protections contre le givre pour les pales est très peu répandue en raison de leur grande consommation énergétique et de leur aspect non sécuritaire. Une alternative très intéressante en ce moment est l'utilisation de revêtements glaciophobes car ils s'avèrent non énergivores mais leur efficacité et leur durabilité n'ont pas encore été démontrées en éolien. L'éolienne étant une structure dynamique particulière et les événements de givrage étant de plusieurs types, une compréhension du processus d'accrétion de la glace sur différents types de revêtements est nécessaire pour l'avancement des connaissances dans le domaine. À cette fin, des expériences ont été conduites dans la soufflerie réfrigérée du Laboratoire international des matériaux antigivre de l'Université du Québec à Chicoutimi sur une section d'une pale statique avec trois produits glaciophobes commerciaux choisis selon des critères spécifiques. Les conditions expérimentales se basent sur des événements de givrage réels et représentent un événement de givre sévère. La mise à l'échelle de ces événements de givre réels a conduit à deux vitesses en soufflerie (21 et 33m/s), deux températures de l'air (-5 et -20°C) et à une teneur en eau de 0.4g/m3. Les essais portent sur des surfaces de pales recouvertes avec les revêtements seuls et, ensuite, une combinaison de chaque revêtement avec un système électrothermique de protection contre le givre. L'évaluation de l'efficacité des dispositifs est effectuée par l'analyse des formes de glace obtenues, des puissances consommées par les diverses combinaisons d'antigivrage et de dégivrage et enfin grâce à l'analyse de la distribution des températures internes du système. Lorsqu'il est utilisé comme système de protection contre le givre, aucun revêtement à caractère glaciophobe n'est efficace pour réduire de façon significative l'accumulation de la glace sur les pales. Par contre, combiné à un système antigivrage électrothermique, ce type de revêtement s'avère efficace. La puissance doit néanmoins être suffisamment élevée de façon à occasionner un effet de ruissellement. Les revêtements hydrophobes réduisent d'environs 7% la puissance consommée par le système antigivrage électrothermique tandis qu'un revêtement superhydrophobe réduit jusqu'à deux fois plus cette puissance consommée. En mode dégivrage, une réduction de l'ordre de 15% est notée avec le revêtement superhydrophobe. Ces réductions de puissance sont dues en grande partie à l'hydrophobicité des surfaces.