ALa terre crue est l’un des principaux matériaux de construction utilisés depuis les temps les plus reculés. C’est un matériau abondant, qui nécessite très peu d'énergie pour sa fabrication et qui ne génère pas de déchets. Construire aujourd’hui avec des matériaux à base de terre crue nécessite de ces derniers des performances mécaniques remarquables. Pour atteindre ces performances, le traitement des sols aux liants est l’une des techniques utilisées pour améliorer la résistance mécanique et la durabilité de ces matériaux. On s’intéresse dans cette thèse à l’étude de la terre crue traitée aux liants pour deux applications différentes : un remblai expérimental pour une application en travaux publics (conception innovante de digue par l’utilisation de matériaux obtenus via un traitement à la chaux) et un béton de terre dénommé « Cématerre » pour une application en bâtiment (éléments structuraux et cloisons présentant de bonnes performances hygro-thermiques). Dans les deux cas, le but est de caractériser, et éventuellement d’améliorer, la résistance mécanique, la rigidité, les caractéristiques hydriques et hydrauliques, ainsi que les propriétés hygro-thermiques. Concernant le béton de terre « Cématerre », les études préliminaires menées selon un protocole expérimental établi conformément au cahier des charges du CSTB, ont permis sa qualification, matérialisée par l’obtention d’une ATEx A. La phase suivante a consisté à améliorer sa formulation avec comme objectif l’amélioration de la résistance mécanique du matériau. Les plans d’expériences utilisés ont permis d’établir des modèles de formulations ciblant les résistances mécaniques recherchées. L’étude du comportement hygro-thermique du béton de terre est abordé en analysant les transferts couplés de chaleur et d’humidité. Pour cela un certain nombre de paramètres hygro-thermiques du matériau Cématerre ont été déterminés au laboratoire. La mesure de ces paramètres a permis la réalisation de simulations hygro-thermiques dynamiques qui ont mis en évidence l’intérêt de ce matériau par rapport au béton « classique ». Concernant le limon traité à la chaux et compacté, les résultats ont montré que le module en petites déformations E augmente avec la contrainte de confinement et l’âge du matériau et décroit légèrement avec le niveau de déformation dans le domaine des contraintes testées. Une loi de type E = ßo1m décrit la variation du module, β et m étant des paramètres fonctions de l’âge et du niveau du déviateur. Par ailleurs, les coefficients de perméabilité saturée et non saturée n’évoluent pas avec le temps de cure. Le fluage volumique ne semble pas non plus être influencé par le temps de cure, autrement dit, l’augmentation de la rigidité du matériau liée au développement des réactions pouzollaniques n’a pas empêché le matériau de fluer autant à 28 jours qu’après un an de temps de cure. / AEarthen construction is one of the most common construction technique used since the earliest times. The raw material is abundant, requires very little energy to manufacture, and does not generate waste. Building today with raw materials made from the earth requires outstanding mechanical performance from such non-fired materials. To achieve this performance, the treatment of the soil with binders is one of the techniques used to improve the strength and durability of these materials. The aim of the present PhD dissertation is to study the treated soils with binders for two different applications: an experimental compacted embankment for application in public works ( a dam innovative design, through the use of materials obtained by treatment with lime ) and earthen concrete called " Cematerre " for application in building ( walls and structural elements with good hygrothermal performance). In both cases, the goal is to characterize and possibly improve the mechanical strength, stiffness, hydric and hydraulic characteristics and the hygrothermal properties. For the earthen concrete " Cematerre ", the preliminary studies according to an experimental protocol under CSTB specifications have led to the so-called “ATEx A” official qualification. The next phase was to improve the formulation with the aim of improving the mechanical strength of the material. The design of experiments has been used to establish models formulations targeting the sought strength. The study of hygrothermal behavior of earthen concrete is addressed by analyzing the coupled transfer phenomenon of heat and moisture. Hygrothermal parameters were determined in the laboratory. The measurement of these parameters has allowed the realization of dynamic thermal simulations that have highlighted the benefit of this material when compared with standard concrete. For silt treated with lime and compacted, the results showed that the small strain modulus E increases with the confining stress and the curing time and decreases slightly with the strain level in the range of stress tested. A power law E = ßo1m describes the variation of the modulus, β and m are functions of the curing time and the strain level. Moreover, the coefficients of saturated and unsaturated permeability do not change with the curing time. The volumetric creep does not appear to be influenced by the curing time, i.e. , the increase in stiffness due to the development of pozzolanic reactions did not prevent the material from creeping as much after 28 days as after a year of curing time.

Ce travail a pour but la mise au point d'une méthodologie de formage virtuel qui consiste à simuler numériquement tous procédés de mise en forme de pièces minces ou massives avec la prise en compte d'un couplage thermo-mécanique-endommagement. Ceci permettra de prévoir l'apparition de l'endommagement ductile au cours du formage des pièces. On pourra ainsi agir sur les paramètres technologiques pertinents du procédé afin soit de retarder cet endommagement pour obtenir des pièces saines, soit au contraire de favoriser celui-ci afin de simuler des opérations de coupe. Une formulation théorique générale du couplage "fort" thermo-élasto-visco-plastique-endommagement est introduite, prenant en compte une loi d'évolution de l'endommagement ductile isotrope. Sur le plan numérique, un soin particulier a été apporté à l'intégration locale des équations d'évolution couplées. Pour résoudre le système global couplé, deux schémas ont été utilisés : (1) un schéma itératif statique implicite associé au calcul analytique de la matrice tangente consistante, (2) un schéma dynamique explicite associé à un contrôle automatique du pas de temps. Une procédure de remaillage adaptatif en grandes déformations a été utilisée en connexion avec le code de calcul par éléments finis ABAQUS. Après une validation sur des essais de traction, une large gamme de procédés, dont certains sont issus de l'industrie, tels que le découpage de tôle, la compression de cylindres, la coupe orthogonale par enlèvement de copeaux,... est présentée et comparée avec des essais expérimentaux quand cela est possible. La capacité de cette méthodologie de formage virtuel à prédire correctement l'initiation et la propagation de l'endommagement en mise en forme est clairement démontrée.

Ce travail de recherche propose un modèle numérique pour simuler les procédés par infusion de résine en utilisant la méthode des éléments finis. Ce modèle permet de représenter l'écoulement d'une résine liquide dans des préformes poreuses subissant de grandes déformations. Dans cette étude, une modélisation macroscopique est utilisée. Au niveau du procédé, une zone de résine liquide est déposée sur les préformes. Ces dernières étant considérées comme un milieu poreux. Les équations de Stokes et de Darcy sont utilisées pour modéliser l'écoulement de la résine respectivement dans le drainant et dans les préformes. L'originalité du modèle réside dans le fait qu'un seul maillage est utilisé pour les deux milieux. La discrétisation est réalisée avec des éléments mixtes : dans Stokes, des éléments P1+/P1 sont utilisés et dans Darcy, des éléments P1/P1 stabilisés avec une formulation multi-échelle sont employés. Des fonctions distances signées sont utilisées pour représenter l'interface entre Stokes-Darcy et pour représenter le front de résine. Concernant la déformation des préformes, une formulation Lagrangienne réactualisée est utilisée. Dans cette formulation Lagrangienne, le comportement des préformes humides est représenté à l'aide du modèle de Terzaghi dans lequel les préformes sèches ont un comportement élastique non-linéaire. La perméabilité est reliée à la porosité via la relation de Carman-Kozeny. Celle-ci est déterminée à partir de l'équation de conservation de la masse. Ce modèle a été implémenté dans ZéBuLoN. Plusieurs simulations numériques d'infusion de résine sont présentées à la fin de ce manuscrit.

Les matériaux cristallins, notamment métalliques, sont des matériaux hétérogènes. Leurs propriétés macroscopiques sont fondamentalement déterminées par leurs caractéristiques microstructurales. L'étude des mécanismes opérant à l'échelle du grain permet de mieux comprendre et mieux contrôler les caractéristiques des pièces fabriquées afin de réduire leur coût et optimiser leur performance. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la méthode dite "CPFEM'' qui couple la plasticité cristalline à la méthode des Eléments finis (EF). L'objectif de ce travail est d'étudier les hétérogénéités à l'échelle du grain au sein d'agrégats polycristallins soumis à de grandes déformations. Pour ce faire, une représentation explicite de la microstructure est nécessaire. Le travail réalisé, ainsi que ce manuscrit, s'articule autour de deux axes principaux: i) la mise en place d'un cadre numérique robuste adapté à des calculs de microstructure intensifs en grandes déformations; ii) la validation de ce cadre à travers différents cas tests, qui permettent, notamment, d'étudier les hétérogénéités locales. Dans le chapitre 2, le comportement du matériau est modélisé par une loi élastoviscoplastique cristalline, qui ne prend cependant pas en compte le développement d'une sous-structure dans sa formulation. Cette loi est couplée à une formulation EF mixte en vitesse pression. L'approche EF, détaillée dans le chapitre 3, peut être considérée comme le modèle polycristallin idéal vu le respect, au sens numérique faible, de l'équilibre des contraintes et la compatibilité des déformations. Dans le chapitre 4, l'approche utilisée pour construire, représenter et discrétiser un volume polycristallin est détaillée. La microstructure est représentée, soit par des polyèdres de Voronoi, soit par des voxels, si elle est construite à partir de données expérimentales. L'agrégat polycristallin est discrétisé avec une approche "monolithique'', où un seul maillage, non structuré et non-conforme aux interfaces entre les grains, est utilisé. Une approche level set permet alors de décrire l'interface entre les grains de façon implicite et sert de base pour la construction d'un maillage adaptatif anisotrope. Le remaillage, avec un transport approprié des variables du problème, se fait de façon naturelle et automatique si la carte de métrique, associée au maillage, est calculée avant la procédure de remaillage. Dans le chapitre 5, les hétérogénéités inter- et intragranulaire sont appréhendées à travers une étude de la distribution d'une fraction de l'énergie de déformation. Cette fraction est considérée, dans une première approche, comme étant représentative de l'énergie stockée durant la déformation. Une analyse de sensibilité, au degré et au type de maillage utilisé, permet de mettre en évidence l'apport d'une stratégie de maillage anisotrope. Ces données locales sont particulièrement importantes à calculer lors de la déformation d'agrégats polycrystallins si l'objectif est de modéliser le phénomène de recristallisation statique qui suit l'étape de déformation. Un cas test 3D permet d'illustrer le chaînage de la simulation de la déformation et de la recristallisation, toutes deux réalisées dans le même cadre numérique. Dans le chapitre 6, notre approche numérique est, dans un premier temps, validée à l'aide d'un cas test de laminage pour un polycrystal statistiquement représentatif d'une texture expérimentale. Une réduction d'épaisseur de plus de 90 % est réalisée. Le remaillage, dans ce type d'application, s'avère plus que nécessaire. Dans la seconde partie de ce chapitre, une étude approfondie de la microtexture, développée au sein de microstructures virtuelles, est effectuée. Dans ce cas, ces microstructures "digitales'' correspondent à une microstructure réelle dans un sens discret. Les prédictions de désorientations, d'orientations cristallographiques moyennes ainsi que les cartes d'orientation 2D virtuelles, sont comparés à l'expérience à l'échelle de chaque grain, mettant ainsi en évidence les facteurs à l'origine de certaines des différences observées.

Ce travail de recherche, qui s'inscrit dans le cadre d'un projet Européen, se propose d'étudier le comportement des tôles métalliques lors des opérations de mise en forme. Les applications visées sont la prédiction, au moyen de la simulation numérique du procédé, des défauts majeurs tels que le retour élastique et la localisation des déformations. A cette fin, une modélisation phénoménologique du comportement a été retenue. Un modèle de comportement élasto-plastique a été considéré, dans lequel deux modèles d'écrouissage sont introduits pour reproduire l'anisotropie induite lors de trajets complexes de chargement. En particulier, le modèle microstructural de Teodosiu-Hu, basé sur l'évolution des structures de dislocations, a été sélectionné afin de bien prendre en compte les phénomènes de transition liés aux changements de trajets de déformation. Ce modèle a été enrichi par la suite, en le couplant au modèle d'endommagement de Lemaitre-Chaboche, afin de reproduire la chute de la contrainte d'écoulement à l'approche de la rupture du matériau. De plus, pour modéliser la limite de ductilité des tôles métalliques, le critère de localisation par bandes de cisaillement de Rice a été introduit, dans le cadre d'une formulation complètement tridimensionnelle en grandes déformations. La modélisation développée tient ainsi compte de nombreux phénomènes tels que l'anisotropie plastique initiale, celle induite par écrouissage, l'adoucissement généré par l'endommagement et enfin la localisation des déformations. Pour permettre l'exploitation de cette modélisation dans le cadre de la simulation numérique des procédés de mise en forme, une implantation numérique robuste et efficace a été réalisée dans un code de calcul par éléments finis. Différents schémas d'intégration ont été testés et comparés afin de retenir le meilleur compromis entre précision et temps de calcul. A des fins de validation, cette modélisation a d'abord été appliquée à la simulation d'essais rhéologiques à trajets directs et séquentiels. En comparaison avec les courbes expérimentales, les prédictions obtenues ont bien montré toute la capacité du modèle élasto-plastique à écrouissage microstructural à reproduire les phénomènes de transition observés sur des trajets séquentiels. Par la suite, l'application de cette modélisation à l'étude du retour élastique a mis en évidence les effets de plusieurs paramètres (rhéologiques, numériques ou liés au procédé). En particulier, il a été montré, à travers une application spécifiquement déterminée, que l'influence d'un modèle d'écrouissage avancé, tel que le modèle microstructural, pouvait se révéler importante dans certaines applications. Enfin, une analyse de la localisation des déformations a été menée en utilisant le critère de Rice conjointement au modèle élasto-plastique couplé à l'endommagement. Cette étude a montré la capacité de cette approche à prédire les courbes limites de formage, ainsi que l'orientation des bandes de localisation, sur des trajets de chargement directs et séquentiels.

De très nombreux problèmes rencontrés dans l'industrie sont liés aux évolutions que subissent les interfaces. Le contact, le frottement et l'adhésion y jouent un rôle fondamental. Ce travail est une contribution au développement d'un modèle qui couple adhésion et frottement et qui autorise la cicatrisation des liens adhésifs lorsque les corps sont remis en contact après avoir été séparés. Ce modèle est appelé modèle d'adhésion cicatrisante. Dans le cadre de ce mémoire, les applications concernent plus particulièrement l'étude du contact verre/élastomère. La formation du col d'adhésion, les phénomènes « jump-on » et « jump-off » et la formation et la propagation des ondes de Schallamach sont abordés. Le travail propose une modélisation à l'échelle des surfaces, issue de considérations thermodynamiques et qui simule les effets des interactions de type van der Waals. Outre la possible cicatrisation des liens lors de l'approche des corps, l'originalité du modèle est que les processus d'endommagement et de cicatrisation des liens adhésifs sont tous deux liés à la vitesse de sollicitation au niveau de l'interface. Selon les applications envisagées, l'approche permet ainsi de considérer deux sources possibles de dissipations. L'une est surfacique et liée au comportement de l'interface. La seconde est volumique et liée au comportement des corps. La formulation dynamique est donnée dans le cadre de la mécanique non régulière. Les méthodes numériques correspondantes sont mises en œuvre dans la plateforme LMGC90 (Montpellier - Marseille). Le modèle est testé sur des Benchmarks et validé sur la simulation d'une expérience de tribologie de contact verre/élastomère.

Les procédés de mise en forme de corps creux plastiques, tels que le moulage par soufflage et le thermoformage) mettent en jeu des phénomènes de déformations viscoélastiques des polymères à haute température. Dans le cadre de la simulation numérique par déments finis de ces procédés) la connaissance du comportement structurel non-linéaire de ces polymères est donc primordiale. Dans ce contexte, nous avons réalisé un montage expérimental de soufflage de membranes planes permettant la reproduction des états de déformations biaxiaux rencontrés lors des procédés. Une campagne d'essais de soufflage sous débit constant d'air a ainsi pu être menée sur l' ABS (Acrylonitrile butadiène styrène), ce qui nous a permis de mettre en évidence le caractère viscoélastique de ce matériau ainsi que l'importance de l'évolution de la pression à l'intérieur de la bulle. De plus, les constantes de diverses lois de comportement hyperélastiques et viscoélastiques non-linéaires ont été identifiées avec succès à partir de ces essais. Dans un second temps, nous avons développé un code de calcul par éléments finis pour simuler ces procédés, en y implantant les lois de comportement précédentes. La paraison est modélisée par des éléments finis de membrane triangulaires à trois noeuds et la formulation du problème est dynamique. Le contact entre les parois du moule et la paraison est supposé collant. Pour la résolution, nous utilisons un schéma d'intégration temporelle explicite. De plus, un module de raffinement de maillage prenant en considération les changements de géométrie a été développé. Pour une meilleure prise en compte du contexte industriel, il est possible d'imposer à la paraison un débit d'air plutôt qu'un chargement en pression. Des comparaisons avec des résultats semi-analytiques et expérimentaux ont permis de valider cet outil.

Après un bref rappel concernant l'écrouissage isotrope, on étudie l'écrouissage anisotrope : on développe un modèle basé sur l'hypothèse que la variable interne tensorielle d'écrouissage est un tenseur des déformations plastiques et on l'applique pour modéliser l'anisotropie élastique et plastique induite. A l'aide du modèle développé on étudie l'écrouissage cinématique. On développe aussi un autre modèle qui suppose que la variable interne d'écrouissage n'est pas le tenseur des déformations plastiques; la détermination de cette variable tensorielle se faisant à partir de sa loi d'évolution

Dans ce travail prospectif, nous proposons une modélisation intégrant un couplage thermo-chimio-mécanique pour les élastomères chargés et dissipatifs. En se basant sur les résultats et les observations de la littérature, nous avons développé un cadre thermodynamique général et proposé trois modèles phénoménologiques de comportement. Nos outils principaux sont la thermodynamique des processus irréversibles, la notion d'états intermédiaires, les matériaux standards généralisés. Une variable interne correspondant au degré de réticulation est introduite. L'évolution de cette variable prend en compte une influence thermique et mécanique à travers la pression hydrostatique. Il s'agit d'une des originalités de cette approche. Ce travail se place dans le cadre général des grandes transformations. Un schéma numérique de résolution monolithique des équations bilan par éléments finis est proposé. Ce schéma tient compte de l'hypothèse de faible compressibilité du matériau par un choix judicieux de relations faibles entre inconnues et par le choix des approximations pour ces dernières. La résolution en temps est traitée par un schéma d'Euler implicite associé à une technique de linéarisation de Newton-Raphson. Un modèle orienté objet du matériau thermo-chimio-mécanique est proposé et implémenté en langage Java dans le code FEMJava. Quelques exemples de simulation illustrent le potentiel de ces modèles en reproduisant de manière qualitative des observations expérimentales.

Cette thèse a pour objectif de développer une modélisation robuste pour l’endommagement ductile. En raison de l’adoucissement et du niveau de déformation élevé, les principales difficultés pratiques dans la simulation de l’endommagement ductile sont la dépendance au maillage et le verrouillage volumique. Dans ce travail, on choisit tout d’abord le cadre de grandes déformations en se basant sur un formalisme logarithmique. Puis, partant de la loi de Gurson-Tvergaard-Needleman transcrite en grandes déformations, on adopte une formulation non locale à gradient d’une variable interne qui permet de contrôler la localisation du dommage et traiter ainsi la dépendance au maillage. Ensuite, le modèle non local est couplé avec des éléments finis mixtes pour limiter le verrouillage volumique relatif à l’incompressibilité plastique. On aboutit ainsi à la construction d’un cadre de modélisation de l’endommagement ductile, indépendant du maillage et exonéré du verrouillage volumique. Les propriétés mathématiques et la performance numérique du modèle sont étudiées avec attention. Enfin, après une identification des paramètres sur un acier nucléaire, on réalise des simulations sur des éprouvettes (AE, CT, SENT) et sur une tuyauterie de réelle dimension afin de les confronter à des résultats d’essais. / The major goal of this dissertation is to develop a robust model for ductile damage simulation. Because of the softening behavior and the significantly large deformation in ductile damage, two principle difficulties should be dealt with carefully: mesh-dependency and volumetric locking. In this thesis, we adopt a logarithmic finite strain framework in which the Gurson-Tvergaard-Needleman constitutive law is reformulated. Then a non-local formulation with regularization of hardening variable is applied so as to solve mesh dependency and strain localization problem. In addition, the non-local model is combined with mixed “displacement-pressure-volume variation” elements to avoid volumetric locking. Thereby we establish a mesh-independent and locking-free finite strain framework for ductile damage modelling. Attention is paid to mathematical properties and numerical performance of the model. Finally, after an identification work of a nuclear steel,we carry out simulations on normalized specimens (NT, CT, SENT) as well as an industrial tube in order to compare with experimental results.