Ce travail concerne le développement d'une approche multiéchelle du comportement mécanique adaptée aux matériaux composites à renfort tissé. Le modèle DMD (Discrete Micro Damage) proposé repose sur une description de l'architecture du renfort tissé et de l'arrangement des constituants, de leurs propriétés et de leurs modes d'endommagement. Les variables internes du modèle décrivent directement l'état de fissuration du matériau et les décohésions associées. L'endommagement est introduit sous forme discrète dans des cellules élémentaires représentatives du matériau. Les effets de l'endommagement sont ensuite calculés grâce à des essais numériques d'homogénéisation. Des outils de changement d'échelle spécifiques nécessaires au calcul numérique ont été développés afin de prendre en compte les particularités des composites tissés. Le modèle DMD est identifié et validé pour un matériau composite tissé multicouche à matrice céramique. Enfin, le modèle est implanté dans le code de calcul ZéBuLoN et appliqué à trois cas-tests de calcul de structure.

En biomécanique des chocs et en traumatologie virtuelle, l'étude des mécanismes lésionnels est essentielle pour évaluer les seuils de tolérance du corps humain. Dans ces domaines, la simulation numérique prend une place prépondérante grâce à des modèles éléments finis de plus en plus réalistes et précis. Cependant, leur mise en oeuvre est complexe : les modèles actuels ne permettent pas de décrire les propriétés d'endommagement et de rupture des matériaux biologiques et limitent donc leurs champs d'utilisation pour la description des mécanismes de blessures. De plus, leur biofidélité concerne essentiellement la description géométrique et structurelle des différents organes et tissus. L'objectif de ce travail porte donc sur l'amélioration de la description des mécanismes lésionnels des os et l'étude des possibilités de personnalisation des propriétés mécaniques pour rendre compte de la variabilité biologique. Après avoir étudié les spécificités du comportement mécanique de l'os et un ensemble de lois de comportement, nous avons choisi un modèle d'endommagement le plus approprié. Cette loi a été validée d'un point de vue thermodynamique. Puis elle a été adaptée à une formulation éléments finis, pour être implémentée dans une plate-forme numérique de calcul dynamique explicite. Pour son adaptation, nous avons fait des choix scientifiques mais aussi des choix de « circonstance » imposés par la formulation spécifique des calculs dynamiques explicites. Afin de rendre compte des différences interindividuelles, nous avons étudié l'influence de certains paramètres tels que la porosité, la minéralisation, l'âge ou le sexe, sur les propriétés mécaniques des os. Nous avons également réalisé des essais de flexion d'os longs. Ces essais ont une double finalité : étudier l'influence des paramètres biologiques et expérimentaux sur le comportement de fémurs et de tibias, et évaluer la loi de comportement par la simulation de ces essais. L'évaluation de la loi d'endommagement pour l'os a été effectuée à différentes échelles (simulations d'essais sur éprouvettes et des essais de flexion de fémurs). La loi donne des résultats tout à fait satisfaisants et propose un profil de rupture cohérent avec celui observé expérimentalement.

La demande en termes de miniaturisation des objets manufacturés est sans cesse croissante. La fabrication en grande série des pièces submillimétriques est rendue difficile par un certain nombre de phénomènes liés à l'échelle. L'objectif de cette thèse est de développer une approche complète permettant de prédire la réponse mécanique d'une tôle d'épaisseur submillimétrique lors d'une opération de mise en forme. Dans un premier temps, des essais expérimentaux en traction uniaxiale sur des tôles minces de cuivre, d'aluminium et d'acier inoxydable sont réalisés. Ils permettent, entre autres, de mettre en évidence l'influence de la surface libre et de la distribution de taille de grains sur la réponse mécanique des tôles. Dans un deuxième temps, une loi de comportement élasto-viscoplastique monocristalline, formulée en grandes déformations et prenant en compte les mécanismes physiques de déformation plastique, est développée et implantée dans le code éléments fins ABAQUS®. Cette loi de comportement utilise les densités de dislocations comme variables internes. Pour être fonctionnelle, cette approche nécessite la description de la microstructure du matériau simulé. Un traitement statistique de mesures réelles est développé afin de générer un modèle éléments finis représentant de façon précise la morphologie des grains, leurs tailles et leurs orientations cristallographiques. Dans un troisième temps, la mise en oeuvre de l'approche complète développée permet de reproduire les phénomènes que nous observons expérimentalement, à savoir : · un adoucissement du comportement global du matériau, · l'apparition d'un état de surface appelé peau d'orange, · une forte localisation de la déformation dans l'épaisseur de l'éprouvette, orientée perpendiculairement à la direction de traction. De plus, grâce à ce nouvel outil numérique, nous vérifions l'influence de la surface libre et la prédominance des gros grains sur la réponse globale des structures calculées. Finalement, une machine d'essais in situ est conçue et réalisée dans le but de valider l'approche numérique, dans des conditions proches de celles observées en micro-formage.

Les pièces de sécurité automobile fabriquées en acier comme les ferrures d'ancrage de ceinture de sécurité ont vu leur coût de fabrication augmenter ces dernières années du fait de l'augmentation du prix des matières premières. De plus, ces pièces sont soumises à des normes européennes de plus en plus exigeantes. C'est pourquoi les équipementiers automobiles comme l'entreprise DEVILLÉ S.A. cherchent aujourd'hui à développer des outils numériques permettant d'optimiser et de prédire le comportement de ces pièces à l'usage en intégrant l'ensemble du processus de fabrication. Le travail proposé ici s'efforce d'apporter une contribution à ce développement. L'utilisation de méthodes d'optimisation, en particulier un algorithme génétique NSGA-2, couplées avec des logiciels de conception et de calculs par éléments finis a permis d'améliorer différentes fonctions coût comme le dommage maximum subit par la pièce lors de sa conception ou encore l'effort maximal nécessaire à son dépliage... L'utilisation de réseaux de neurones pour réduire le temps d'optimisation global a également fait l'objet d'une étude. Ces méthodes numériques nécessitent la modélisation du comportement du matériau avec des lois de comportement et d'endommagement qui ont fait l'objet d'une étude expérimentale ainsi que d'une identification. Une méthode d'identification inverse a notamment permis de réduire l'erreur commise lors de la simulation numérique.

L'objectif principal de cette étude est de proposer des lois de comportement macroscopiques permettant de décrire la viscosité de matériaux métalliques sur une large gamme de température et de vitesse de déformation. En effet, dans un contexte industriel fortement concurrentiel, le dimensionnement de structures comme le collecteur d'échappement des moteurs Diesel doit être rapide et prédictif. Les lois de comportement des matériaux jouent un rôle capital dans ce processus de dimensionnement. En effet, la multiaxialité et le caractère anisotherme des chargements appliqués aux collecteurs d'échappement induisent un comportement élastoviscoplastique du matériau et in fine de la structure. Bien qu'elles répondent aux principales exigences de coût, de masse et d'usinabilité, les fontes à graphite sphéroïdal, très souvent choisies comme matériau constitutif de ces pièces, ont un comportement complexe marqué par une très forte viscosité à hautes températures. Ainsi, les structures comme le collecteur d'échappement sont soumises principalement à deux contraintes lors de leur dimensionnement : - La prévention de tout risque d'amorçage de fissure lors de leur durée de vie nominale. On doit ainsi développer des méthodes de dimensionnement à la fatigue thermomécanique oligocyclique car ce sont les cycles de démarrage-arrêt du moteur qui sont endommageant pour la structure. - La prévention de tout risque de fuite et de dérives dimensionnelles. En effet, la succession de cycles thermomécaniques sévères peut induire une accumulation de déformation inélastique dans certaines zones de la structure et alors engendrer de fortes déformées globales. Ces "dérives" peuvent alors être à l'origine de défaut d'étanchéité et de perte de gaz d'échappement. Si une méthodologie efficace pour dimensionner les structures à l'initiation de fissure existait d'ores et déjà dans les bureaux d'études de PSA Peugeot Citroën, la prise en compte des phénomènes de dérives dimensionnelles restait un sujet peu exploré mais néanmoins crucial. En effet, les structures fonctionnent de plus en plus souvent à la limite de leurs capacités et une modélisation efficace de leur comportement permettrait des calculs de dimensionnement prédictifs tout en diminuant les temps de conception. De nombreuses solutions sont envisagées dans la littérature afin de modéliser le comportement élastoviscoplastique de matériau comme la fonte à graphite sphéroïdal. Leur capacité à bien décrire l'évolution d'un matériau soumis à des chargements complexes n'est que rarement avérée pour une large gamme de vitesses de déformation mécanique et inélastique. Par ailleurs, elle dépend fortement de la base expérimentale grâce à laquelle les paramètres de la loi ont été identifiés. Nous nous sommes donc attachés, au cours de cette étude, à constituer des bases expérimentales originales, composées d'essais (écrouissage cyclique, déformation progressive à vitesse constante ou Slow-Fast) qui ont permis de mieux comprendre le comportement de la fonte pour des températures variées (de l'ambiante à 700°C) et des niveaux de déformation multiples. En sollicitant le matériau sur de larges gammes de vitesses de déformation notamment inélastique, ils ont contribué à constituer une base de données souvent plus riche que celles que l'on trouve dans la littérature pour un nombre d'essais et donc un temps de développement réduit. Deux modélisations ont alors été proposées pour décrire le comportement élastoviscoplastique d'une fonte à graphite sphéroïdal particulière : la fonte SiMo. La première d'entre elles se base sur un potentiel visqueux innovant décrivant l'évolution de l'écoulement à l'échelle macroscopique en s'inspirant de la physique à l'échelle des dislocations et de la plasticité cristalline. En combinant différents termes valant pour différents régimes de températures, elle a permis de bien décrire la majorité des essais d'écrouissage cyclique et notamment les cinétiques de relaxation. Constituée de 7 paramètres par température identifiée (soit un de plus que les lois utilisées jusqu'alors par PSA Peugeot Citroën), dont l'évolution avec la température est physiquement ! réaliste, elle ne permet toutefois pas de bien décrire les essais réalisés à vitesse lente ou pour de faibles niveaux de déformation. La seconde loi a donc été développée à partir du même potentiel visqueux enrichi pour réduire la viscoplasticité pour les faibles déformations. Couplée à un terme d'écrouissage isotrope, cette nouvelle loi d'écoulement a permis de corriger les principaux défauts de la première modélisation proposée ainsi que de bien décrire l'ensemble des essais de la base expérimentale. Composée de 11 paramètres, obtenus grâce à une stratégie d'identification adaptée et rapide, elle permet une très bonne description des phénomènes visqueux et est capable de reproduire des essais anisothermes représentatifs des sollicitations sur collecteur avec bien plus d'acuité que les lois de référence utilisées par PSA Peugeot Citroën. Les deux lois de comportement, dont l'admissibilité thermodynamique a été vérifiée, ont été intégrées dans un schéma de calcul de structure. Leur implémentation numérique est fondée sur un algorithme implicite de type retour radial permettant d'obtenir des temps de calcul compatibles avec les exigences des bureaux d'études. Ces modélisations ont ensuite été validées sur deux architectures de collecteur d'échappement et la faisabilité de calculs rapides de collecteur d'échappement sous chargement thermique transitoire a alors été démontrée. Différents calculs de type éléments finis ont permis de démontrer l'amélioration certaine apportée par les lois proposées par rapport aux lois de référence pour déterminer la déformée globale de la structure et pour prévenir d'éventuelles fuites de gaz d'échappement. Ces mêmes calculs ont également permis de montrer que l'utilisation de ces deux nouvelles lois était compatible avec le critère de dimensionnement à la fatigue oligocyclique utilisé chez PSA. On peut donc maintenant prendre efficacement en compte, grâce aux modélisations proposées, les deux contraintes de dimensionnement des collecteurs d'échappement dès les calculs en bureaux d'études et ainsi diminuer les temps et les coûts de développement de telles structures.

Les analyses présentées dans ce mémoire portent sur l'endommagement et la rupture de matériaux hétérogènes. Le mécanisme principal de dégradation est la fissuration à l'échelle la plus petite. Une approche probabiliste s'avère être un outil efficace. Ceci concerne des matériaux à comportement fragile (céramiques, fontes GS sous sollicitation cyclique) ou quasi-fragile (céramiques monolithiques impactées ou renforcées par des fibres longues, ciments renforcés par des fibres longues ou courtes). Le dialogue entre les différentes échelles a d'une part permis de construire des modèles de prévision de l'endommagement et de la rupture. D'autre part, diverses stratégies d'identification des paramètres du matériau ont été mises en oeuvre.

Ce travail part du constat d'une part qu'il existe très peu de données expérimentales dans la littérature sur les monocristaux de zirconium et d'autre part qu'aucune loi de comportement monocristalline pour ce matériau n'est déterminée. L'objectif est donc de disposer d'une base de données expérimentale conséquente comme les cissions critiques pour le système prismatique, l'écrouissage, l'activation des systèmes de glissement et les volumes d'activation. Après avoir obtenu ces différents paramètres en utilisant la méthode de corrélation d'images, une approche multiéchelle a été mise en œuvre en s'appuyant d'une part sur la dynamique des dislocations et d'autre part sur des calculs par éléments finis. Une première loi de comportement monocristalline pour le zirconium est proposée et des simulations par éléments finis ont validé cette approche innovante.

Le bois est utilisé comme matériau absorbeur de chocs dans les conteneurs de transport du CEA. La simulation numérique des crashs tests de ces structures fait partie intégrante de leur développement et de leur validation. Il est donc impératif d’étudier expérimentalement les différentes essences de ces matériaux afin de mettre en évidence leurs caractéristiques et de déterminer leurs lois de comportement. En effet, ces données sont absolument nécessaires afin d’alimenter les modèles numériques retenus pour les simulations. A partir des modèles existants dans les codes de calcul ou par la programmation de lois de comportement spécifiques prenant en compte le paramètre vitesse de déformation, le comportement de ce matériau cellulaire a été simulé afin de participer à ce programme de validation produit. / Wood is usually used as material absorber of shocks in CEA’s containers. Numerical simulation of crash-test of these structures is an integral part of their development and their validation. It is thus imperative to experimentally study various type of wood to highlight their characteristics and determine their behavior. Indeed, these data are absolutely necessary to feed the numerical models chosen for the simulations. From the existing models in simulation tools or by programming specific laws, both taking into account the parameter strain rate, the behavior of this cellular material was modeled to participate in this product program.

Le traitement des sols à la chaux est une méthode couramment utilisée pour améliorer les propriétés mécaniques de sols aux performances insuffisantes. Cependant, ces améliorations mécaniques ne sont pas prises en compte dans les calculs de dimensionnement. Cette thèse propose une méthodologie pour pallier à ce problème. Un programme expérimental approfondi est réalisé afin de décrire avec précision le comportement mécanique d’un sol traité et les processus associés à la structuration introduite par le traitement. La composition chimique, et notamment la quantité de composés cimentaires hydratés, est déterminée par analyses thermogravimétriques et thermodifférentielles. Un couplage non-linéaire entre la quantité d’hydrates et la limite élastique se basant sur ces résultats expérimentaux est proposé. À partir de ces résultats, une nouvelle formulation a été développée afin de modéliser la dégradation de la structure en plasticité, et a servi au développement d’une nouvelle loi de comportement élasto-plastique basée sur le modèle de Cam Clay Modifié. Cette dernière a montré reproduire correctement les principaux traits de comportement spécifiques aux sols traités. Il est démontré que ce modèle est également adapté aux sols naturellement structurés. Afin de prendre en compte les effets du traitement et la présence de structure dans le dimensionnement, un programme basé sur la méthode des éléments finis, comprenant le pré- et le post-processing de la géométrie et des résultats du problème, a été développé. Une validation rigoureuse a confirmé l'implémentation correcte de la méthode et son potentiel pour l’optimisation du dimensionnement des ouvrages / The effects of lime treatment on the mechanical properties of soils are usually not accounted for in the design of geotechnical structures. As a result the potential of lime treatment has not been fully exploited. In this thesis, a comprehensive experimental program has been carried out to identity the key features of the mechanical behaviour of structured materials. The chemical modifications arising from lime treatment were quantified using thermal analysis methods. From these results a non-linear chemo-mechanical coupling was established between the concentration of cementitious compounds and the yield stress. Using these results, a new formulation to model the degradation of the structure at yield has been developed and implemented in a constitutive model for structured materials. This new model, developed in the framework of the Modified Cam Clay model, requires a limited number of additional parameters that all have a physical meaning and can all be determined from a single isotropic compression test. The model has proven to be successful in reproducing the key features of structured materials and for the modelling of the mechanical behaviour of lime treated specimens under various stress paths. Due to similarities in behaviour, it is shown that the formulation is also suitable for naturally structured soils. To account for a structured material in the design of geotechnical structures, a fully functional finite element program for elasto-plastic problems was developed including the pre- and post-processing of the results. A thorough validation has confirmed the good implementation of the finite element method and its suitability for the modelling of complex geometries involving structured materials

Cette thèse est relative la simulation numérique de l'orientation de fibres en injection de thermoplastiques chargés. Deux points majeurs ont été abordés dans ces travaux :* la mise en place, à l'aide du logiciel Rem3D, d'un module indépendant permettant un calcul 3D de l'orientation des fibres,* la prise en compte d'un couplage rhéologie-orientation des fibres.L'étude bibliographique sur les modèles d'orientations de fibres nous a conduit à implémenter le modèle phénoménologique de Folgar et Tucker. Cette équation d'évolution a été résolue via une méthode de " Taylor Galerkin discontinu espace-temps " utilisant des éléments P0 en espace et une méthode espace temps discontinue de haut degré en temps. Cette méthode inconditionnellement stable permet une réduction significative des temps de calcul.Le modèle de Folgar et Tucker est couplé à la cinématique par le biais d'une loi de comportement intégrant une contribution des fibres au tenseur des contraintes macroscopiques. Cette équation constitutive pour le champ des contraintes a été résolue de manière implicite par l'entremise d'une méthode éléments finis mixte P1+/P1 où le tenseur d'orientation n'est plus une inconnue du problème. Nous avons procédé à une résolution successive du problème mécanique et du problème d'orientation de fibres. Finalement le module d'orientation couplé a été intégré dans un code d'injection.La dernière partie de ce travail, basée sur une corrélation entre observations expérimentales et calculs numériques, est consacrée à la compréhension des phénomènes d'orientation en injection et à l'influence du couplage rhéologie-orientation sur l'orientation finale des fibres.