Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les canalisations sont largement employées pour le transport de fluides et de gaz, car c'est le mode d'acheminement le plus économique actuellement. Le souci des exploitants est d'assurer la maintenance des réseaux pour préserver la sécurité des populations, notamment dans le cas de gaz inflammables ou explosifs. Néanmoins, plusieurs accidents ont été constatés, qui sont généralement dus à la rupture de ces canalisations comportant des défauts, tels que : la corrosion, fissures dans les joints soudés et les agressions externes. Cette thèse est relative aux problèmes liés aux agressions externes des structures sous pression. Ces agressions externes sont considérées être réalisées à faible vitesse de déformation et conduisent à des défauts de type : enfoncements ou éraflures, ou aussi la combinaison des deux (enfoncements + éraflures). Ce travail a pour objectif de proposer une étude complète, à la fois expérimentale et numérique, sur le comportement d'une canalisation sous pression contenant les défauts décrits ci-dessus. Il se base sur l'extension de l'analyse limite et la mécanique de rupture d'entaille pour les enfoncements seuls et les défauts dits combinés. La vérification de la validité de quelques règles empiriques sur l'acceptabilité d'un enfoncement sera effectuée simultanément. Deux critères de rupture ont été proposés : le critère de rupture ductile d'Oyane dans le cas d'un enfoncement seul et la mécanique de rupture d'entaille en utilisant la méthode volumétrique associée à la triaxialité des contraintes dans le cas d'un défaut combiné (enfoncement + éraflure) / The pipelines are widely used to transport fluid and gas because they are now, the cheapest mode of transport. The concern of operators is to ensure the maintenance of networks in order to preserve the security of reported, which are usually due to failure of these lines with defects, such as : corrosion, cracks in welds and external interferences. This thesis is related to external interferences for structures under internal pressure. These external interferences are considered to be made at low strain rate and leads to defects of types : dents or gouges or a combinaison of both (dents + gouges). The aim of this work is to propose a comprehensive study, both experimental and numerical of behaviour of a pipeline under pressure containing the defects described above. It is based on extending of the theory of the limit analysis and notch fracture mechanics for dents as defect and combination of dents and gouges. The verification of the validity of some empirical rules on the acceptability of dent depth will be made simultaneously. Two failure criteria were proposed : the Oyanes's ductile fracture criterion in the case of a dent and notch fracture mechanics using volumetric method associated with stress triaxiality in the case of a combined defect (dent+ gouge)

Ces travaux concernent la tolérance aux dommages de type défauts d’impacts, de composites à matrices thermodurcissables (T300/914) et thermoplastique (AS4/PEEK). Afin de simuler des défauts d’impacts, des pastilles de téflon ont été insérées entre les couches des composites stratifiés, lors de la fabrication. L’objectif est donc de modéliser la tenue en compression de plaques stratifiées introduisant ces défauts. Après une parte bibliographique, le premier chapitre s’attache à identifier des modèles d’endommagements couplés à la pseudo-plasticité des résines pour les deux matériaux étudiés. Un modèle d’endommagement modifié a été implémenté dans SAMCEF® et des corrélations essais calculs sont présentées. Il apparaît que le comportement de l’AS4/PEEK est bien meilleur que celui du T300/914 ; la matrice PEEK ayant de meilleur caractéristiques mécaniques. La deuxième partie présente un ensemble de résultats de mécanique de la rupture (essais en mode I et II) sur éprouvette DCB t ENF, permettant de déterminer les énergies critiques de délaminage. L’influence de l’orientation des plis de part et d’autres de la préfissure permet de déterminer les énergies critiques de délaminage pour des interfaces désorientées. Deux méthodes numériques de calculs des taux de restitution d’énergie ont été développées et implémentées dans SAMCEF en linéaire et non linéaire : - La méthode VCE (Virtual Crack Extension) - La méthode VCC (Virtual Crack Closure) Ces deux méthodes ont été utilisées pour les corrélations essais-calculs sur les éprouvettes de mécanique de la rupture sur des modèles éléments finis 3D afin de déterminer la répartition des taux de restitution d’énergie le long du front de fissure. Concernant la propagation de délaminage, là encore le composite AS4/PEEK est bien plus tenace : les taux de restitution d’énergie critique en mode I et II sont 10 fois supérieurs à ceux du T300/914. Enfin, les résultats des deux chapitres précédents ont permis de développer des modèles de prévision de la tenue en compression de plaques stratifiés introduisant des délaminages. Les modèles sont non linéaires géométriques (flambement locale) et matériau (endommagement + plasticité + rupture des plis) et permettent par calculs des taux de restitution d’énergie le long du front de fissure et par utilisation d’un critère de propagation de délaminage en mode mixte, de prévoir l’apparition des délaminages en compression. Ces modèles ont permis de montrer notamment que l’apparition de macro-fissures dans les plis situés aux dessus des délaminages, guide la direction de propagation du délaminage.

Ce mémoire porte sur l’application de la modélisation du massif rocheux synthétique (SRM) à la caractérisation du massif rocheux fracturé de la fosse Tiriganiaq du projet minier Meliadine. Les conditions structurales in-situ ont été représentées à l’aide de la modélisation des systèmes de fractures (FSM). Les résultats ont permis de définir un volume élémentaire représentatif (REV) du massif rocheux égal à 7,5 m x 15 m x 7,5 m. L’approche a également permis de quantifier l’impact de la variation des propriétés géométriques du FSM sur le comportement mécanique du massif. Les analyses paramétriques des propriétés géométriques du SRM font ressortir que le comportement du massif rocheux est particulièrement sensible à une variation de l’intensité des fractures (P32), de l’aire des fractures et du pendage de la foliation. De plus, la résistance en compression uniaxiale est fortement anisotrope.

Les films minces sont abondamment utilisés pour protéger ou fonctionnaliser les surfaces. Les contraintes mécaniques peuvent cependant entraîner la ruine de ces structures par la propagation de fissures ou leur décollement. Nous présentons deux systèmes expérimentaux qui amènent à s'interroger sur les limites de validité des critères de stabilité communément admis. Pour une couche de sol- gel présentant une énergie d'adhésion modérée avec son substrat de silicium, nous observons la propagation de fissures dans des films réputés stables. Les motifs de propagation sont étonnement réguliers (en forme de spirales ou d'allées de croissants). Nous caractérisons expérimentalement cette propagation. Nous mettons en évidence un nouveau mode de propagation de fissure où la délamination et la fissure transverse collaborent. Nous montrons l'existence d'une taille d'interaction robuste entre fissures indépendantes du chargement et des énergies de rupture. Nous proposons un modèle simple permettant de prédire les conditions de propagation et la sélection des motifs. Nous caractérisons enfin la dynamique de propagation de telles fissures. Dans un second système expérimental motivé par les applications en électronique flexible, nous nous intéressons à des films nanométriques d'oxyde de zinc déposés sur des substrats de polymère. La rigidité du substrat est alors faible devant celle de la couche. Nous décrivons la fragmentation du film et proposons une extension d'un modèle de couche élastique sur fondation élasto-plastique. Enfin, nous nous intéressons à la compression et à la fragmentation d'un multicouche comportant une fine épaisseur d'argent. / Nanometer to micrometer thin film coatings are extensively used in material science to protect and functionalize surfaces. Coating processes however generally result into residual strains and may induce the propagation of cracks with dramatic consequences on film reliability. We present two experimental models which challenges the usual stability criteria for thin films. For a thin sol-gel layer moderatly adherent to a silicon substrate, we observe fracture propagation in coatings considered stable. Moreover, intriguing cracks of regular geometry are found to self-replicate an initial triggering pattern independently from the local material properties. We present a novel mode of fracture which involves the simultaneous progression of both, a crack and a front of delamination. We describe the fracture mechanism with universal energy arguments and provide a simple model describing the crack path. We eventually characterize the dynamics of the propagation. In a second model experiment, we study the fragmentation of coating deposited on a compliant substrate (motivated by flexible electronics application). We describe the fragmentation and propose an extension to an elastic layer deposited on an elastic foundation to an elasto-plastic case. Eventually, we study the compression and fragmentation of a zinc oxyde and silver multilayer

La fatigue représente la deuxième cause d’endommagement des structures métalliques anciennes après la corrosion. Celle-ci se manifeste par l’apparition de fissures, dans les zones fortement sollicitées présentant des concentrations de contraintes importantes, et peut mener à terme à la ruine de l’ouvrage. Dans le cas des structures métalliques anciennes, les fissures de fatigue s’amorcent généralement au droit des trous de rivets rendant difficile leur détection par les techniques de contrôle non destructif conventionnelles. De même, les matériaux métalliques anciens de la construction, et notamment le fer puddlé, limitent l’utilisation de certaines techniques. Dans le cadre de ce travail de thèse, l’objectif principal est d’étudier l’efficacité d’un renforcement par composites collés dans le cas de fissures de fatigue émanant de trous de rivets. Pour cela, des éprouvettes de petites dimensions, présentant un perçage central et une unique fissure de fatigue en bord de perçage, ont été considérées. De même, deux matériaux métalliques, acier doux et fer puddlé, ainsi que deux procédés de renforcement PRFC (polymères renforcés de fibres de carbone), à Module Normal et à Ultra Haut Module, sont étudiés. Pour chaque procédé de renforcement, différentes configurations de renforcement ont été testées et notamment la mise en précontrainte du plat composite MN avant collage. Cela a permis de mettre en évidence l’efficacité de la technique de collage de plats PRFC pour un renforcement à la fatigue de matériaux métalliques anciens. Par ailleurs, les expressions analytiques simples proposées pour le facteur d’intensité de contraintes pourront par la suite être utilisés pour une application aux structures rivetées en tenant compte de la présence du rivet ainsi que celle des plaques assemblées. / After corrosion, fatigue phenomenon is the main cause of damage in old metallic structures. Fatigue cracks appear in stress concentration area subject to high stresses, and can lead to the ruin of the bridge. In old metallic structures, fatigue cracks mainly occur at the edge of the rivet hole and are thus difficult to detect with the common non-destructive inspection technique (NDI). Moreover, due to the poor quality of the old metallic materials, particularly puddled iron, some of the NDI techniques cannot be used. The main objective of the present work is to study the effectiveness of carbon fibre reinforced polymer (CFRP) laminates in reinforcing fatigue crack emanating from the rivet hole. Thus, investigations on small-scale specimens were done. These specimens consist of metallic plates with center hole from which one single crack emanates. Two metallic materials, puddled iron and mild steel, and two reinforcement processes were used. These reinforcement processes consist of Normal Modulus (NM) and Ultra High Modulus (HHM) CFRP laminates. Furthermore, symmetrical and un-symmetrical reinforcement configurations are considered as well as pre-stressing NM laminates before application. The experimental results showed firstly the efficiency of the different studied reinforcement configurations in slowing down crack propagation. In conclusion of this work, the achieved results, particularly those in terms of Stress Intensity Factor, could be used for reinforcement of riveted structures by CFRP bonding, taking into account the presence of rivets as well as the presence of the others elements of the assembly.

Les canalisations en polyéthylène haute densité (PEHD) prennent une part de plus en plus importante dans les réseaux de distribution d'eau potable. Pour assurer une bonne qualité microbiologique de l'eau distribuée, des agents désinfectants, comme le chlore, sont introduits dans les réseaux. La durabilité de ces tuyaux, initialement prévus pour durer 50 ans, est un enjeu capital pour Veolia, qui souhaiterait disposer d'un modèle de prédiction de durée de vie, tenant compte à la fois, des mécanismes de dégradation du PE au contact du chlore et de l'impact sur la tenue mécanique du tube. Pour cela, deux modèles physiquement motivés sont proposés : l'un prédit l'état physico-chimique du PE suite à sa dégradation au contact d'agents chlorés, tandis que l'autre estime la durée de vie résiduelle d'un tube dégradé, initialement fissuré. Le modèle cinétique de dégradation chimique est issu de la thermo-oxydation du PE auquel des réactions d'amorçage radicalaire dues au chlore ont été ajoutées. Les constantes de vitesse et les coefficients de diffusion sont déterminés à partir des résultats expérimentaux sur échantillons vieillis de façon accélérée. L'impact de l'oxydation sur le comportement mécanique en fluage du PE est étudié à partir de matériaux modèles représentatifs d'un état neuf et d'un état vieilli. Les mécanismes d'endommagement et de rupture sont analysés en fonction du degré de vieillissement. Le modèle mécanique s'intéresse à la propagation d'une fissure, amorcée par l'oxydation sur la surface en contact avec le désinfectant. Deux méthodologies sont proposées pour prédire la durée de vie résiduelle d'un tube : l'approche globale qui repose sur une courbe maîtresse C* = f (tR), et l'approche locale qui s'inspire des mécanismes d'endommagement et modélise ainsi la rupture grâce à un code de calcul par éléments finis. La loi de comportement utilisée dans ce cas s'appuie sur les résultats expérimentaux obtenus aux échelles macroscopique et microscopique.

Résumé non disponible

Depuis près d'un demi-siècle, les ingénieurs savent décrire et prévoir la propagation d'une fissure dans un milieu élastique homogène modèle. Le cas des matériaux réels est beaucoup plus complexe. En effet, on ne sait pas relier leur durée de vie ou leur résistance à leur microstructure. Passage obligé avant de telles prédictions, il est nécessaire de comprendre comment le désordre structural du matériau influe sur le comportement d'une fissure. Dans cette optique, les surfaces de rupture représentent un champ d'investigation très prometteur. A travers une étude portant sur divers matériaux hétérogènes, nous caractérisons les propriétés statistiques de leur rugosité et déterminons dans quelle mesure elles sont indépendantes du matériau. Nous montrons notamment que les surfaces de rupture présentent des propriétés d'invariance d'échelle anisotropes, caractérisées par deux exposants universels. Etudiant ensuite une céramique de verre, matériau hétérogène modèle dont on peut contrôler la microstructure, on montre qu'il existe une seconde classe de surfaces de rupture caractérisée par la même structure anisotrope mais présentant des exposants plus faibles. Utilisant enfin des outils théoriques issus de la physique statistique hors équilibre combinés avec la mécanique de la rupture, nous établissons le lien entre ces propriétés e! t les mécanismes généraux de rupture à l'échelle microscopique. Cette étude nous permet notamment d'associer les deux classes de surfaces de rupture à un processus de fissuration mettant en jeux de l'endommagement pour l'un et à une rupture parfaitement fragile pour l'autre.

Le transport off-shore du pétrole nécessite l'utilisation de canalisations appelées pipelines. Ces conduites flexibles sont constituées d'une carcasse métallique interne qui assure la tenue mécanique et d'une gaine de pression en PVDF qui garantit l'étanchéité. L'étude est menée afin d'analyser les conditions pouvant conduire à des risques de rupture fragile dans le polymère. Le grade de PVDF choisi est différent du matériau industriel car il ne possède pas de plastifiant. Ce choix a conduit à une extrusion plus difficile et à la formation d'un taux de porosité anormalement élevé (environ 10%). L'étude mécanique du PVDF a été réalisée sur différentes géométries d'éprouvettes afin de montrer l'influence de la sévérité d'un défaut sur le mode d'endommagement et de rupture. Au cours de la déformation, le matériau est caractérisé par un blanchiment marqué, lié à un endommagement par cavitation et à l'étirement de la matière. La rupture ductile du PVDF est favorisée par les températures élevées, les faibles vitesses, les taux de triaxialité faibles et les chargements en flexion. La rupture fragile est en général obtenue pour les températures basses (T