Ce travail s'inscrit dans le cadre de la plasticité cristalline. Sa première motivation est le développement d'une approche couplée, capable de prendre en compte l'interaction entre la plasticité et l'environnement dans les tubes de zircaloy des centrales nucléaires. La première étude sur la plasticité du zircaloy, influencée par l'environnement, a été menée par (O.Diard, G.Cailletaud, ENSMP). Les conditions d'interaction y sont bien caractérisées, et un premier modèle représentant l'endommagement des joints de grains suite à l'interaction avec l'iode y est proposé. Il restait à améliorer l'intégration numérique, et à utiliser le modèle pour des structures plus réalistes. Par ailleurs, il s'agit désormais de représenter l'endommagement intergranulaire, suivi de l'écrouissage transgranulaire, observé expérimentalement.<br />Afin d'atteindre ces objectifs, plusieurs points ont du être abordés. Une modélisation plus pertinente est ici utilisée pour les joints de grains, et une formulation du modèle en transformations finies est proposée. L'objectif initial a donc été élargi. En dehors des calculs d'agrégats endommagés du zircaloy, on trouvera les calculs d'une éprouvette de cuivre, maillée en 3d. C'est une étape indispensable pour tester la méthode numérique dans le cas de déformations modérées. Quelques résultats concernant la méthode numérique sont également présentés. Le manuscrit est organisé en trois parties. Tout d'abord, la partie A est consacrée à la description des modèles. Les outils numériques sont ensuite expliqués dans la partie B. Enfin,la partie C présente les resultats numériques. Dans la première partie, la formulation initiale d'un modèle du monocristal (section 1) est tout d'abord exposée; puis vient le nouveau modèle DOS (Damage, Opening and Sliding) proposé pour une description de joints de grains (section 2); enfin la dernière section est consacrée aux algorithmes en transformations finies (section 3). L'élasticité, la plasticité J2, la plasticité cristalline, et finalement le modèle DOS, sont successivement examinés. Le schéma implicite est utilisé pour l'intégration numérique. Dans la Partie B, une méthode de génération de maillages particuliers, comportant une représentation explicite des joints de grains, avec de véritables éléements finis, est exposée. Cette procédure est développée de façon systématique, dans le cas 2d et 3d (section 4). Puis, le principe de calculs avec couplage est expliqué (section 5). Les modèles du matériau et les outils numériques sont appliqués aux calculs d'aggrégats de zircaloy dans la section 7 de la partie C: une simulation de l'effet de corrosion sous contraintes des tubes du zircaloy dans l'environement de l'iode est proposée. Afin de montrer les possibilités de notre algorithme et d'avoir une comparaison avec l'expérience, la section 6 montre les résultats de calcul de l'état contrainte-déformation d'une éprouvette de cuivre, testée à l'Université de Leoben (O.Kolednik, et al.).

Le bois est un matériau complexe, hétérogène et anisotrope. Ses propriétés mécaniques varient fortement en fonction de l'essence et de l'échelle considérées. Pour mieux comprendre le comportement du bois en fonction de sa structure, nous proposons dans le cadre de cette thèse une étude expérimentale à l'échelle des tissus qui est réalisée sur plusieurs types de bois : bois de peuplier, y compris bois de tension et bois d'épicéa. Compte tenu des faibles dimensions des échantillons testés, les mesures de déformation sont effectuées " sans contact " afin de s'assurer de ne pas perturber l'échantillon en cours de l'essai.Les premières séries de mesures sont réalisées sur les trois zones (tendue, normale, opposée) et selon les 3 directions matérielles (longitudinale, radiale et tangentielle) d'une tige de peuplier inclinée. Les résultats obtenus permettent de comparer des comportements mécaniques du bois de peuplier dans toutes les zones considérées en fonction de ses propriétés microscopiques.Les deuxièmes séries de mesures sont réalisées en compression, grandes déformations, dans la chambre d'un ESEM (Microscope électronique à balayage environnemental) sur du bois feuillu (peuplier) et sur du bois résineux (épicéa). Grâce aux images obtenues en période d'essai, du domaine élastique jusqu'à la densification, la réponse de chaque type du bois à la même sollicitation est illustrée.Enfin, une partie de la modélisation numérique par la MPM (Materiel Point Method) est proposée dans notre projet envisagé comme prolongement de ce travail. Il permettra de simuler le comportement mécanique du bois en grande déformation.

Le bois est un matériau complexe, hétérogène et anisotrope. Ses propriétés mécaniques varient fortement en fonction de l'essence et de l'échelle considérées. Pour mieux comprendre le comportement du bois en fonction de sa structure, nous proposons dans le cadre de cette thèse une étude expérimentale à l'échelle des tissus qui est réalisée sur plusieurs types de bois : bois de peuplier, y compris bois de tension et bois d'épicéa. Compte tenu des faibles dimensions des échantillons testés, les mesures de déformation sont effectuées « sans contact » afin de s'assurer de ne pas perturber l'échantillon en cours de l'essai.Les premières séries de mesures sont réalisées sur les trois zones (tendue, normale, opposée) et selon les 3 directions matérielles (longitudinale, radiale et tangentielle) d'une tige de peuplier inclinée. Les résultats obtenus permettent de comparer des comportements mécaniques du bois de peuplier dans toutes les zones considérées en fonction de ses propriétés microscopiques.Les deuxièmes séries de mesures sont réalisées en compression, grandes déformations, dans la chambre d'un ESEM (Microscope électronique à balayage environnemental) sur du bois feuillu (peuplier) et sur du bois résineux (épicéa). Grâce aux images obtenues en période d'essai, du domaine élastique jusqu'à la densification, la réponse de chaque type du bois à la même sollicitation est illustrée.Enfin, une partie de la modélisation numérique par la MPM (Materiel Point Method) est proposée dans notre projet envisagé comme prolongement de ce travail. Il permettra de simuler le comportement mécanique du bois en grande déformation. / Wood is a complex, heterogeneous and anisotropic material. Its mechanical properties are highly variable according to the species and scale considered. In order to better understand the behaviour of wood in relation to its structure, this PhD work proposes an experimental study at the tissue scale. This work is performed on several types of wood: poplar, including tension wood and spruce. Considering the small dimensions of the tested samples, a “non-contact” method is used to limit perturbations, therefore ensuring the measurement precision.The first series of measurements were realised in the three zones (tension, normal, opposite) and for the three material directions (longitudinal, radial and tangential) of an inclined poplar tree. The results obtained allowed us to compare the mechanical properties of poplar wood in all zones in relation to their microscopic features.The second series of tests were performed in the chamber of an ESEM (Environmental Scanning Electron Microscope) on hardwood (poplar) and softwood (spruce). With the images obtained during the test, from the elastic zone to the densification, the response of each type of wood to the same solicitation is presented and commented.Finally, some numerical modelling by the MPM (Material Point Method) is proposed as prospects of the present work. It will allow the mechanical behaviour of wood in large deformation to be predicted.

Ce travail concerne l'étude théorique, expérimentale et numérique du comportement mécanique de matériaux tissés et de toiles laminées à base de fibres synthétiques, destinés à la fabrication des voiles, comme le polyester ou le Kevlar. Une approche théorique originale a été proposée ; elle permet une prise en compte du comportement spécifique des fils, de l'enduction et de leurs interactions. La modélisation, qui en résulte, permet de décrire le comportement biaxial des matériaux tissés et des toiles, en chargements cycliques complexes, avec une prise en compte des déformations finies, des effets visqueux non linéaires, de l'irréversibilité indépendante du temps et de l'anisotropie. Une mise en œuvre de cette modélisation a été effectuée dans un code d'Eléments Finis, afin de produire un outil opérationnel pour le calcul des voiles. L'approche théorique proposée a été validée grâce à une étude expérimentale détaillée, qui a été réalisée sur le Dacron SF HTP Plus. Ainsi, nous avons réalisé sur ce matériau différents essais de tractions monotones et de tractions ondulées, contrôlés en déformation et en force. Certains de ces essais comportent des séquences de relaxation. Ces essais ont été réalisés dans les axes du matériau, dans le sens chaîne ou dans le sens trame, ainsi qu'en hors axes avec des orientations par rapport à la direction chaîne allant de 5° à 45°. Des résultats expérimentaux complémentaires ont également été obtenus sur une toile laminée en Kevlar X15 et sur un Dacron SF HTM simple. Enfin, une simulation de l'essai de traction biaxiale a été réalisée et a permis d'étudier l'homogénéité des champs de contrainte et de déformation de trois formes d'éprouvette différentes. / This work deals with theoretical, experimental and numerical studies of the mechanical behavior of woven materials and laminated fabrics, made with synthetic fibers, for the manufacture of sails, such as polyester or Kevlar. An original theoretical approach was proposed, it allows taking into account the specific behavior of yarns, of coating and their interactions. The resulting modeling allows describing the behavior of woven materials and laminated fabrics, in the case of complex cyclic biaxial loadings, taking into account finite deformations, nonlinear viscous effects, time-independent irreversibility and anisotropy. The implementation of this modeling was performed in a finite element code, in order to produce an operational tool for the design and calculation of sails. The proposed theoretical approach has been validated through a detailed experimental study, which was conducted on material “Dacron SF HTP Plus”. Thus, we performed various monotonous and cyclic tensile tests, which were strain or load-controlled. Some of these tests include relaxation sequences. These tests were conducted in the axes of the material, in the warp and weft directions, as well as off-axis or bias orientations, from 5 ° to 45 ° with respect to the warp direction. Further experimental results were also obtained on a laminated “Kevlar X15” and a woven “Dacron SF HTM simple” fabrics. Finally, numerical simulations of the biaxial tensile test were performed and were used for studying homogeneity of the stress and the strain fields in the cases of three different contours of biaxial-tensile samples.

Notre étude a porté sur la modélisation 3D du chauffage par rayonnement infrarouge et l'étirage soufflage des préformes utilisées dans le procédé de fabrication des bouteilles en P.E.T. L'objectif était de calculer sous une unique plateforme de simulation numérique par éléments finis, la cartographie thermique complète de la préforme en sortie du four, et la répartition finale d'épaisseur de la préforme en fin de soufflage. L'interaction entre les lampes halogènes et le matériau semi-transparent a été modélisée à l'aide de la méthode du lancer de rayons, permettant de prendre en compte les réflecteurs. Le terme source de rayonnement intégré dans l'équation de la chaleur a été calculé avec une loi de Beer-Lambert appliquée à chaque rayon émis par le filament de tungstène ou réfléchi par la céramique. La rotation de la préforme ainsi que son avance dans le four ont également été modélisées par interpolation de la divergence du flux radiatif calculée à l'instant initial vers celle de la configuration à l'instant considéré. L'étude de l'étirage et du soufflage de la préforme ont donné lieu à l'implantation d'une loi de comportement hyperélastique de type Mooney-Rivlin et une loi viscoplastique inspirée des travaux de G'Sell. Les développements numériques ont été validés par comparaison avec des modèles analytiques volumique de traction uniaxiale, de soufflage de tube et de sphère. Les techniques de remaillage nécessaire aux simulations des grandes déformations et la précision des algorithmes de contact intégrés dans le code de calcul par éléments finis Forge3® ont permis de montrer la faisabilité de la simulation de l'étirage-soufflage en 3D.

Cette étude a pour objectifs la caractérisation expérimentale des frottements saccadés dans les matériaux granulaires modèles constitués des billes de verre monodisperses en compression triaxiale drainée et l'identification des paramètres de contrôle. Cinq paramètres macroscopiques caractérisent ces frottements saccadés : la chute de déviateur et la contraction volumique, l'intermittence de déformation axiale, le module d'Young et le coefficient de Poisson. Les frottements saccadés affectent simultanément le déviateur et la déformation volumique. Le comportement macroscopique est globalement contractant tandis que le matériau tend vers un état limite critique en grandes déformations, à la manière des sables lâches. Cependant il présente localement, dans les phases de blocage qui suivent immédiatement les ruptures temporaires, le comportement dilatant des sables denses, qui obéit à une relation contrainte-dilatance linéaire et unique. Les frottements saccadés disparaissent au-delà d'une vitesse critique d'écrasement axial, qui dépend de la contrainte de confinement et de la taille des grains. Le module d'Young dynamique par propagation d'ondes varie avec la contrainte de confinement selon une loi de puissance. Le module d'Young quasi-élastique au départ des phases de blocage est constant à l'intérieur du domaine élastique, de même que le coefficient de Poisson. Le suivi par granulométrie laser et par analyse d'images des matériaux après un ou plusieurs essais triaxiaux permet de suivre l'évolution de la taille moyenne et de la forme des grains. Tandis que les instabilités par saccade disparaissent suite à un certain nombre d'essais, on observe, simultanément à une légère diminution du volume moyen, l'apparition progressive de populations d'objets non sphériques par une fusion des grains analogue au frittage.

La thèse présente une méthodologie pour construire des éléments finis de type " solide-coque " avec intégration réduite en vue des applications à la simulation de la mise en forme tel que l'emboutissage des tôles où ces éléments finis doivent présenter de bonnes aptitudes à modéliser la flexion mais également les situations de laminage de la tôle. A partir des éléments volumiques à 8 nœuds et 3 degrés de liberté par nœud (les 3 composantes du déplacement), un neuvième nœud est rajouté au centre de l'élément. Ce neuvième nœud n'est pourvu que d'un seul degré de liberté, le déplacement le long de la direction de l'épaisseur. Cette direction privilégiée a un nombre de points d'intégration supérieur ou égal à 3 mais l'intégration est réduite au centre de l'élément diminuant très sensiblement les temps CPU par rapport à une intégration complète. Un soin particulier a été pris pour contrôler tous les modes à énergie nulle dus à l'intégration réduite. Ce nœud supplémentaire permet une distribution linéaire de la déformation normale. Avec les lois de comportement complètement 3D ces nouveaux éléments solide-coque donnent des résultats similaires en flexion à ceux obtenus avec des éléments coques et état plan de contrainte. Le neuvième nœud joue le rôle d'un paramètre supplémentaire pour l'interpolation quadratique du déplacement dans la direction de l'épaisseur. Ce degré de liberté a une signification physique et un effort équivalent à une pression normale peut être prescrit. Dans les situations de pression normale et dans le cas du contact, la contrainte normale obtenue est physique ce qui n'est pas le cas de nombreux éléments solide-coque de la littérature. Le pincement ou le laminage des tôles est correctement modélisé. Pour valider ces éléments, un module d'emboutissage en U avec passage et laminage de la bande de tôle sur des rouleaux a été construit au laboratoire. La comparaison entre les efforts d'emboutissage calculés et mesurés est très bonne ainsi que la géométrie des bandes de tôle obtenue après retour élastique.

La manipulation dextre est un sujet important dans la recherche en robotique et dans lequel peu de travaux ont abordé la manipulation d'objets déformables. De nouvelles applications en chirurgie, en industrie agroalimentaire ou encore dans les services à la personne nécessitent la maîtrise de la saisie et la manipulation d'objets déformables. Cette thèse s’intéresse à la manipulation d’objets déformables par des préhenseurs mécaniques anthropomorphiques tels que des mains articulées à plusieurs doigts. Cette tâche requière une grande expertise en modélisation mécanique et en commande : modélisation des interactions, perception tactile et par vision, contrôle des mouvements des doigts en position et en force pour assurer la stabilité de la saisie. Les travaux présentés dans cette thèse se focalisent sur la modélisation de la saisie d'objets déformables. Pour cela, nous avons utilisé une discrétisation par des systèmes masses-ressorts non-linéaires pour modéliser des corps déformables en grands déplacements et déformations tout en ayant un coût calculatoire faible. Afin de prédire les forces d’interactions entre main robotique et objet déformable, nous avons proposé une approche originale basée sur un modèle rhéologique visco-élasto-plastique pour évaluer les forces tangentielles de contact et décrire la transition entre les modes d’adhérence et de glissement. Les forces de contact sont évaluées aux points nodaux en fonction des mouvements relatifs entre les bouts des doigts et les facettes du maillage de la surface de l’objet manipulé. Une autre contribution de cette thèse consiste à utiliser de cette modélisation dans la planification des tâches de manipulation d’objets déformables 3D. Cette planification consiste à déterminer la configuration optimale de la main pour la saisie de l’objet ainsi que les trajectoires à suivre et les efforts à appliquer par les doigts pour contrôler la déformation de l’objet tout en assurant la stabilité de l’opération. La validation expérimentale de ces travaux a été réalisée sur deux plateformes robotiques : une main Barrett embarquée sur un bras manipulateur Adept S1700D et une main Shadow embarquée sur un bras manipulateur Kuka LWR4+. / Dexterous manipulation is an important issue in robotics research in which few works have tackled deformable object manipulation. New applications in surgery, food industry or in service robotics require mastering the grasping and manipulation of deformable objects. This thesis focuses on deformable object manipulation by anthropomorphic mechanical graspers such as multi-fingered articulated hands. This task requires a great expertise in mechanical modeling and control: interaction modeling, tactile and vision perception, force / position control of finger movements to ensure stable grasping. The work presented in this thesis focuses on modeling the grasping of deformable objects. To this end, we used a discretization by non-linear mass-spring systems to model deformable bodies in large displacements and deformations while having a low computational cost. To predict the interaction forces between robot hand and deformable object, we proposed an original approach based on a visco-elasto-plastic rheological model to evaluate tangential contact forces and describe the transition between the sticking and slipping modes. The contact forces are evaluated at nodes as function of the relative movements between the fingertips and the surface mesh facets of the manipulated object. Another contribution of this thesis is the use of this model in the planning of 3D deformable object manipulation tasks. This planning consists in determining the optimal configuration of the hand for grasping the objects as well as the paths to track and the efforts to be applied by the fingers to control the deformation of the object while ensuring the stability of the operation. The experimental validation of this work has been carried out on two robotic platforms: a Barrett hand embedded on a Adept S1700D ® manipulator and a Shadow hand embedded on a Kuka LWR4+® manipulator.

Les élastomères sont renforcés grâce à l'incorporation de charges telles que les noirs de carbone ou encore la silice.<br />Ce qui leur confère de meilleures propriétés (résistance à la rupture, abrasion, rigidité...). Actuellement, les charges<br />renforçantes les plus souvent utilisées sont les noirs de carbone. La substitution de cette charge classique par la silice constitue un challenge dans l'industrie pneumatique. En effet, il est admis que la silice diminue la résistance au roulement des pneus, de matrice synthétique, tout en conservant une bonne adhérence. La particularité de cette étude est d'analyser l'influence du renfort par la silice sur le comportement mécanique en endurance du caoutchouc naturel. Son principal objectif est de comprendre l'influence de la morphologie de la silice (surface développée en interaction avec le caoutchouc, dispersibilité, activité chimique) sur le comportement<br />mécanique et plus spécialement sur la durée de vie en fatigue du caoutchouc naturel ainsi chargé. L'élaboration de deux matériaux permettant d'établir l'influence de la morphologie de la silice constitue une première étape déterminante du travail. Elle se base sur l'incorporation de deux nuances de silice précipitée dans une matrice de caoutchouc naturel pouvant présenter des propriétés rhéologiques similaires. Les essais de caractérisation mécanique (monotones et cycliques) selon différents types de sollicitation (traction, compression, relaxation, traction cyclique, torsion) ainsi que des essais de traction in situ au MEB permettent d'identifier les mécanismes de déformation, de renfort et d'endommagement présents. L'interprétation des résultats de cette campagne expérimentale est basée sur une caractérisation microstructurale approfondie de l'état de dispersion de la silice ainsi que celui de la cristallisation de la matrice en caoutchouc naturel.. Les résultats des essais de fatigue ainsi que les observations microscopiques des mécanismes de propagation des fissures en fatigue permettent d'établir un critère de durée de vie prenant en compte les modes de sollicitation (traction, compression, et torsion). Celui-ci est capable de prévoir la durée de vie ainsi que le lieu d'amorçage des fissures. Il s'avère que, selon le mode de sollicitation appliqué, les propriétés de dispersion de la silice sont plus ou moins importantes dans le renforcement et l'endurance du caoutchouc naturel chargé de silice.<br />Ce travail fait donc appel à la physico-chimie, à la mécanique et aux observations microstructurales, en allant de l'élaboration des matériaux jusqu'à la modélisation mécanique du comportement et de la durée de vie.

Afin de pouvoir prédire le comportement des renforts de composites 3D interlock au cours d'un procédé de mise en forme, il est nécessaire de connaitre la position des mèches dans le renfort durant la phase de préformage du procédé. Les travaux présentés ici traitent de la simulation du préformage de renforts 3D épais à l'aide d'un élément fini hexaédrique semi-discret spécifique. En utilisant le principe des travaux virtuels, on distingue le travail interne virtuel dû à la tension des mèches des autres travaux virtuels. La raideur due aux tensions de mèches, qui constitue la contribution principale de la rigidité du matériau, est prise en compte à l'aide de barres incluses dans les éléments. Les rigidités dues aux autres sollicitations, comme la compression transverse, les cisaillements ou les frottements inter-mèches, sont décrites par un matériau continu additionnel. La combinaison de ce modèle discret du premier ordre et d'un matériau continu hyperélastique anisotrope dit du second ordre, pour formuler le comportement du matériau va permettre la simulation du préformage des renforts tissés épais. Conjointement aux travaux sur la simulation, des travaux expérimentaux pour l'identification des paramètres matériau de la loi de comportement ont été définis et réalisés. Ces paramètres concernent les deux parties de la formulation du comportement.