L'utilisation de l’aluminium dans les ponts au Canada n'est pas nouvelle, mais elle est moins répandue que celle des matériaux plus traditionnels comme l'acier, le béton ou le bois, et ce, même si l'aluminium possède plusieurs propriétés qui rendent son utilisation intéressante. L'aluminium présente plusieurs caractéristiques qui favorisent son utilisation, telles que : sa très bonne résistance à la corrosion, sa légèreté, ainsi qu'une bonne formabilité. Pour ces raisons, l'aluminium est envisagé pour la production de tabliers de ponts fabriqués à partir d'extrusions multicellulaires. Néanmoins, ces tabliers doivent être reliés à des poutres en acier par un assemblage rapide et facile qui pourra en même temps répondre à critères techniques. Compte tenu de la difficulté d'accéder à l'intérieur des cellules extrudées, l’utilisation d'un boulon à haute résistance n'était pas possible, d'où l'idée d'étudier numériquement l'utilisation de deux boulons aveugles Ajax ONESIDE et BOM. Il a été déterminé, par des simulations numériques avec la méthode des éléments finis, que ces deux boulons ont la capacité de permettre la libre expansion / contraction de l'aluminium, en maintenant une action composite avec et sans la présence du freinage, ainsi qu'en générant une usure de quelques micromètres à la surface de contact, sans aucun risque d’initiation de fissure. Une étude comparative avec un boulon à haute résistance a été réalisée afin de classer ces boulons par comportement, et il a été montré que le boulon à haute résistance offre une meilleure résistance au freinage quel que soit l'effet thermique sur l'assemblage. En revanche, en analysant son comportement vis-à-vis le phénomène du fretting, on constate qu'une apparition probable de fissures associée à une usure mineure peut se produire au niveau de la zone de contact tête boulon/ platelage. / This research project revolves around the innovative use of aluminum in bridges. The use of aluminum in highway bridges has received special attention in recent years. This material offers several qualities compared to traditional materials such as concrete or steel, an aluminum bridge solution offers enormous potential for the construction of modern road bridges.The optimization of a new aluminum bridge solution and the design application still remains a difficult task. One of the most optimized solutions is the use of a multicellular extrusion profile. However, this solution presents a unique challenge in connecting the bridge deck to the girders using the traditional assembly method, given the difficulty of access to the interior of the extruded cells. The objective of this project is to establish a methodology to analyze two types of blind bolts as an alternative assembly solution using numerical simulation. Through this project, it was determined numerically that these two bolts (Ajax ONESIDE and BOM) have the ability to allow thermal expansion and contraction of aluminum in case of temperature fluctuation, given that the coefficient of thermal expansion of aluminum is twice that of steel. The possibility to minimize the sliding that may occur during the thermal loading was also studied, the two blind bolts offer good resistance with and without the presence of braking. Which allows a possible transfer of this force to the foundations. A special numerical model was prepared for the prediction of the fretting, showed a very good consistency with analytical and literature results. This model was used to analyze the fretting for each bolt at the surface of contact between the bolt head and the aluminum plate. Following the results found, we have observed that the blind bolts will undergo a few micrometers of wear, while for the standard bolt a probable appearance of cracks associated with minor wear may occur at the contact area.

Ce projet est le résultat d'une collaboration entre le laboratoire de vision et systèmes numériques (LVSN) de l'Université Laval et le département de Radio-oncologie du CHUQ. Il consistait à développer une méthode de simulation de la résorption d'un oedème de la prostate. La méthode développée est basée sur l'algorithme des masses-tenseurs élastique linéaire et sur une discrétisation en éléments finis. Elle consiste à étirer artificiellement le contour de la prostate pour simuler l'oedème, puis à relâcher et observer le comportement. Cette méthode a l'avantage de donner un modèle tridimensionnel de la résorption de l'oedème contrairement aux modèles existants qui sont des modèles de modélisation de la décroissance du volume seulement, comme le modèle exponentiel par exemple. Les résultats obtenus avec cette méthode sont assez proches du comportement réel. Ces résultats seront éventuellement exploités dans la boucle de calcul de dosimétrie pour le traitement du cancer de la prostate par curiethérapie avec implants permanents. Le modèle visco-élastique linéaire servira également à la réalisation d'un simulateur de traitement en réalité virtuelle.

Ces dernières années, l'émergence de matériaux avancés et de méthodes de fabrication a conduit à la production de composants mécaniques qui fournissent de meilleures spécifications mécaniques avec un poids inférieur. Ces produits spéciaux sont utilisés dans les industries de haute technologie comme l'aérospatiale et l'armée. Par conséquent, la qualité du produit est essentielle pour obtenir un produit sécurisé. Les controles non destructifs (CND) sont l'une des méthodes les plus utilisées pour détecter les défauts internes de différents matériaux. Cette technique n'a pas d'effet négatif sur les spécimens. Les différentes techniques de tests non destructifs sont utilisées dans différents domaines pour assurer l'exactitude, vérifier l'intégrité, réduire les coûts de production et détecter les défauts. Diverses méthodes CND ont été introduites et développées pour détecter les défauts et les délaminages qui ont été utilisés en fonction de la taille et du type de défaut, du matériau et de la localisation des défauts. La thermographie par balayage linéaire (LST) est une technique de thermographie dynamique qui permet d'inspecter de grands composants de surfaces métalliques et de composites couramment utilisés dans l'industrie aérospatiale. En tant que technique de test et de controle non destructive (CND), la LST est une technique dynamique adaptée à l'inspection de composants aérospatiaux importants et complexes. La méthode LST robotisée présente des avantages par rapport aux approches statiques. La LST robotisé fournit une uniformité de chauffage et permet un traitement d'image qui améliore la probabilité de détection, permettant à un composant à grande échelle d'être inspecté sans perte de résolution. En utilisant l'approche LST, il est possible d'inspecter de grandes surfaces à des vitesses de balayage élevées. De plus, les résultats d'inspection sont immédiatement disponibles pour analyse pendant que le processus de numérisation se poursuit. / In the last decade, emerging of advanced materials and manufacturing methods leads to produce the mechanical components, which provide better mechanical specifications with lower weight. These special products are used in the high technology industries such as aerospace and military. Hence, the product quality is vital to achieve a secure product. Non-destructive Testing (NDT) is one of the popular methods, which is employed to detect the internal defects of different materials. This technique does not have any negative effect on the specimens. The various techniques of nondestructive testing are used in different fields to ensure accuracy, verify integrity, reduce production costs and detect defects. Various NDT methods were introduced and developed to detect the flaws and delamination which have been used according to defect size and type, material, and defect location. Line scan thermography (LST) is a dynamic thermography technique, which is used to inspect large components of metallic surfaces and composites, commonly used in the aerospace industry. As a nondestructive testing and evaluation (NDT&E) technique, LST is a dynamic technique suited to inspect large and complex aerospace components. The robotized LST method provides advantages in comparison to the static approaches. Robotized LST provides heating uniformity and allows image processing which enhances the detection probability, allowing a large-scale component to be inspected without the loss of resolution. Using the LST approach, it is possible to inspect large areas at high scan speeds. Also, the inspection results are immediately available for analysis while the scanning process continues. One of the important challenges in LST method is the number of parameters such as scanning speed, power, the distance between source and specimen, which affect the LST performance. The optimal values are dependent on the material structure, thermal specifications of the composite material, defect shape and infrared camera resolution. In order to determine the optimal parameters, the LST is simulated using a 3D finite element method (FEM). The main objective of this thesis is to maximize the detection depth and the signal-to-noise (SNR) value at maximum signal contrast as the criteria to evaluate the inspection quality and performance. A composition of the analytical model of LST thermography, 3D finite element approach and experimental data is employed to find the optimal LST parameters. The signal processing techniques that were initially developed to be applied on pulse thermography have been successfully implemented to enhance the detection probability.

Ce mémoire introduit une approche globale de modélisation de l’usinage des alliages d’aluminium à haute résistance (grade aéronautique). Un modèle Éléments Finis 2D de coupe orthogonale d’un alliage d’aluminium en formulation Lagrangienne permettant la formation d’un copeau, le calcul des efforts de coupe ainsi que la prédiction de la surface générée est présenté. Ce modèle a été obtenue en utilisant le logiciel commercial, ABAQUS / Explicit V6.13. La loi de comportement de Johnson-Cook (JC) avec endommagement a été utilisée pour décrire le comportement du matériau de la pièce à usiner. L’équation d’endommagement de JC a été utilisée pour tenir compte de la localisation de cisaillement lors de la formation du copeau segmenté. Les coefficients de la loi de comportement de JC sont identifiés par des tests mécaniques et des essais d'usinage spécifiques. Le modèle de frottement de Coulomb-Orowan a été utilisé pour caractériser les effets collant/glissant au niveau de l'interface outil-copeau, le coefficient de frottement et les flux de cisaillement ont été déterminés par des essais d'étalonnage et d’usinage, respectivement. Une étude de sensibilité a montré une précision raisonnable dans la géométrie du copeau et dans les efforts de coupe prédites en utilisant les propriétés des matériaux déterminées expérimentalement et le modèle de friction proposé. Mots-clés : usinage, alliages d’aluminium, élément Finis, formulation Lagrangienne, coupe orthogonale, loi de comportement de Johnson-Cook (JC), loi d’endommagement de JC, modèle de frottement de Coulomb-Orowan, copeau segmenté, efforts de coupe. / This study introduces a global solution for modelling machining process of high-strength‎ aluminium alloy (aeronautical grade). A 2D finite element model, based on a Lagrangian approach, for orthogonal cutting of an aluminum alloy allowing the formation of a chip, the calculation of the cutting forces as well as generated surface is presented. The solution was achieved using a commercial software package, ABAQUS/Explicit V6.13. The Johnson-Cook (JC) equation with damage evolution is used to describe the workpiece material behavior. The JC damage equation was used to take into account for the shear localization during the segmented chip formation. The JC coefficients are identified by material tests and machining data. The JC coefficients are identified by material tests and machining data. Coulomb-Orowan friction model has been used to characterize the sliding/sticking effects on the tool-chip interface with the friction coefficient and shear flow stress determined by force calibration and machining data, respectively. A sensitivity analysis has shown a reasonable accuracy for predicted chip geometry and cutting forces using the experimentally determined material properties and the proposed friction model. Keywords: machining, aluminum alloy, finit element, Lagrangian approach, orthogonal cutting, Johnson-Cook (JC) equation, JC damage equation, Coulomb-Orowan friction model, segmented chip, cutting forces.

Le comportement de l'acier est significativement différent à des températures élevées par rapport à la température ambiante. Avec l'augmentation de la température, la relation contrainte-déformation devient non linéaire et la résistance et la rigidité de l'acier diminuent. Les normes de conception au feu de l'acier existantes ne parviennent pas à prédire avec précision la résistance à des températures élevées en suivant les mêmes approches de conception à température ambiante avec de petites modifications. Cette recherche vise à proposer une approche de conception innovante des profilés creux en acier en situation d'incendie au moyen du Overall Interaction Concept (O.I.C.). Le Overall Interaction Concept (O.I.C.) est basé sur l'interaction résistance-instabilité en utilisant un rapport d'élancement généralisé et s'est avéré plus précis et cohérent que les normes actuelles. Un modèle d'éléments finis a été développé pour étudier le comportement des sections carrées et rectangulaires en acier à haute température. La précision du modèle a été confirmée par la validation avec des résultats expérimentaux. Le modèle validé a été utilisé pour effectuer des études paramétriques incluant différentes dimensions géométriques, températures et cas de charge. Les résultats des études paramétriques ont ensuite été utilisés pour identifier le paramètre de conception principal et proposer O.I.C. équations en situation d'incendie. Pour présenter un meilleur niveau de précision et de cohérence de l'O.I.C. propositions, leur performance a été comparée aux approches actuelles de conception anti-incendie, y compris les normes européennes, américaines et canadiennes. / The behavior of steel is significantly different at elevated temperatures compared to the ambient temperature. With increasing temperature, the stress-strain relationship gets nonlinear and the strength and stiffness of steel reduce. Existing steel fire design standards fail to accurately predict the resistance at high temperatures by following the same design approaches at room temperature with small modifications. This research is aimed to propose an innovative design approach for steel hollow sections in fire situations by means of the Overall Interaction Concept (O.I.C.). The Overall Interaction Concept (O.I.C.) is based on the resistance-instability interaction using a generalized slenderness ratio and has been proved to be more accurate and consistent than the current standards. A finite element (F.E.) model was developed to study the behavior of steel square and rectangular sections at high temperatures. The accuracy of the model was confirmed through validation with experimental results. The validated model was used to perform parametric studies including different geometrical dimensions, temperatures, and load cases. The results of the parametric studies were then used to identify the leading design parameter and propose O.I.C. equations in fire situations. To exhibit a better level of accuracy and consistency of the O.I.C. proposals, their performance was compared to the current fire design approaches including European, American, and Canadian Standards.

La réparation des structures en béton est en plein essor. Utilisées majoritairement pour pallier à des défaillances d'ordre esthétique et fonctionnel, les réparations peuvent compenser des dysfonctions structurales. Cependant, les connaissances sur la participation des réparations au comportement structural des ouvrages sont majoritairement empiriques. L'objectif principal de ce projet est de donner une base scientifique fiable permettant de choisir des matériaux et des techniques de réparation pour des éléments structuraux chargés axialement comme les colonnes. Plus spécifiquement, le projet est approché selon une utilisation combinée de la modélisation et de l'expérimentation. Le but est ainsi d'évaluer la distribution de la charge à l'intérieur de la colonne (substrat + réparation) en faisant varier les conditions aux limites (préchargement, géométrie de la réparation) pour analyser l'influence des propriétés de base des matériaux de réparation (rigidité) sur la répartition des contraintes. Ainsi, dans la première phase du projet, une analyse numérique a été réalisée pour examiner l'influence des principaux paramètres (taille de la réparation, type de béton, épaisseur de la réparation) et pour guider le plan expérimental. Dans la seconde phase du projet, 36 colonnes ont été fabriquées en laboratoire et réparées par la suite avec cinq différents matériaux de réparation choisis principalement pour leur rigidité. Une fois instrumentées, les colonnes ont été testées sur une presse asservie hydrauliquement. L'analyse qui s'ensuit révèle une concordance des résultats numériques et expérimentaux. Les conclusions principales de l'étude montrent que le type de transfert de charge vers la réparation influence le comportement mécanique du système réparé. En effet, la rigidité de la réparation semble être un paramètre influent pour les réparations en contact uniquement par l'adhérence avec le support. Pour ce type de réparation, les réparations rigides et épaisses sont défavorables sur le comportement mécanique du système global. Mots clés : Béton, capacité structurale, colonne, compression, MEF, propriétés mécaniques, réparation

Ce travail présente une modélisation rapide d’ordre élévé capable de modéliser une configuration rotorique en cage complète ou en grille, de reproduire les courants de barre et tenir compte des harmoniques d’espace. Le modèle utilise une approche combinée d’éléments finis avec les circuits-couplés. En effet, le calcul des inductances est réalisé avec les éléments finis, ce qui confère une précision avancée au modèle. Cette méthode offre un gain important en temps de calcul sur les éléments finis pour des simulations transitoires. Deux outils de simulation sont développés, un dans le domaine du temps pour des résolutions dynamiques et un autre dans le domaine des phaseurs dont une application sur des tests de réponse en fréquence à l’arrêt (SSFR) est également présentée. La méthode de construction du modèle est décrite en détail de même que la procédure de modélisation de la cage du rotor. Le modèle est validé par l’étude de machines synchrones: une machine de laboratoire de 5.4 KVA et un grand alternateur de 109 MVA dont les mesures expérimentales sont comparées aux résultats de simulation du modèle pour des essais tels que des tests à vide, des courts-circuits triphasés, biphasés et un test en charge. / This work presents a fast high-order model able to model a rotor configuration in full cage or grid, reproduce bar currents and consider the space harmonics. The model is based on a Combination of Finite Element method and Coupled Circuits. Indeed, the calculation of inductances is performed with magnetostatic finite element resolutions which gives to the model an advanced accuracy.This method offers a significant gain in computing time on finite element for transient simulations. Two simulation tools are developed, one in time domain for dynamic resolutions and another in phasor domain whose application on StandStill Frequency response (SSFR) is also presented. The model construction method is described in detail as well as the modeling procedure of the rotor circuit. The model is validated by the study of synchronous machines: a laboratory machine of 5.4 KVA and a large hydrogenerator of 109 MVA whose experimental measurements are compared to the model simulation results for tests such as no-load, three-phase and two-phase short circuit and also a load test.

L’opérateur de Laplace-Hodge est un opérateur différentiel qui généralise le Laplacien traditionnel aux formes différentielles de degré k. Bien que les formes différentielles offrent un formalisme idéal pour représenter et manipuler les champs de vecteurs, leur utilisation dans le contexte des éléments finis est relativement récente. Nous présenterons d’abord les principales notions théoriques concernant les formes différentielles, puis nous développerons tous les éléments nécessaires à la mise en oeuvre d’une formulation mixte permettant de discrétiser le problème du Laplacien de Hodge avec la méthode des éléments finis. Cette discrétisation sera essentiellement basée sur les formes de Whitney. Nous présenterons ensuite de nombreux résultats numériques couvrant une grande variété de cas.

L’apparition des fissures macroscopiques peut manifestement se déclencher à plusieurs étapes du processus de la vie d’une cathode dans une cuve d’électrolyse. Diverses causes peuvent engendrer un tel surgissement. Au préchauffage électrique, par exemple, la répartition spatiale irrégulière des gradients thermiques peut conduire à la naissance d’une ou plusieurs fissures. L’objectif principal de ce travail se résume à la modélisation et la simulation de la propagation de fissures dans un contexte multiphysique, thermo-électro-mécanique. L’approche se base sur une philosophie de développement numérique monolithique, du couplage fortement non linéaire avec la prise en compte des échanges thermoélectriques à travers les lèvres de fissures, par la méthode des éléments finis étendus (XFEM). Ce projet a été dressé sous forme de trois sous-projets. En premier lieu, un nouveau modèle de la propagation de fissures en contexte thermomécanique dans un domaine fissuré a été développé. Une stratégie d’enrichissement géométrique par XFEM a été élaborée avec succès pour modéliser la propagation de fissures ainsi que pour atteindre le taux optimal de convergence espéré sur les réponses physiques et sur le calcul des facteurs d’intensité de contraintes. Trois benchmarks ont été examinés et validés à partir des résultats existants dans la littérature. Ensuite, un nouvel exemple de propagation de fissures et défauts multiples a été conçu. La comparaison des résultats obtenus montre la robustesse ainsi que la précision du développement numérique. En second lieu, une approche originale de la modélisation du couplage fort thermoélectrique, en présence d’une discontinuité matérielle forte statique et en tenant compte des échanges thermique et électrique à travers ses lèvres, a été développée. Tout d’abord, un modèle a été élaboré et validé dans le cas d’une fissure capacitive, où les propriétés du diélectrique, entre les lèvres de la fissure, jouent un rôle déterminant pour la quantification de son intensité d’échange. De même, un modèle a été confirmé pour le choix d’un milieu gazeux remplissant la région entre les deux lèvres, assurant l’aspect résistif d’échange thermique. Le modèle thermoélectrique a été mis en œuvre par XFEM, en implémentant la version améliorée, et en tenant compte du traitement des parasites numériques dus aux éléments de transition. Trois cas d’études ont été proposés, le premier a été appliqué pour valider la mise en œuvre numérique du modèle proposé via un patch test développé. Une bonne convergence et précision des résultats numériques ont été observées. Le second a porté sur le cas d’une fissure courbée, moins fréquente dans la littérature, qui peut être rencontré dans de nombreuses applications, et représente un défi numérique notable. Le troisième est une étude élaborée sur la cathode. L’analyse de l’impact de la présence des fissures sur l’efficacité énergétique a été soulevée aussi pour le cas de fissures multiples. En troisième lieu, une originalité numérique de la propagation de fissures en couplage thermo-électro-mécaniques (TEM) avec les échanges thermique et électrique entre les lèvres de la fissure a été exposée. La fissure n’est pas statique, cette fois-ci. L’aire générée par le déplacement des lèvres est prise en considération dans les expressions physiques des coefficients d’échanges thermique et électrique. Cela est transcrit par la quantification du saut de déplacement à travers les lèvres. Cet aspect rend le problème mécanique non linéaire, aussi, par le biais des échanges, et par conséquent le système global TEM est fortement non linéaire. Une approche originale du point de vue de la technicité d’intégration a été implémentée. Elle est fondée sur une technique de sous-triangulation barycentrique par une ’toile d’araignée’ pour les éléments de surface coupés par la fissure. Une autre technique basée sur l’intégration par ’bras’ de fissure réservée pour les éléments d’échanges thermique et électrique. Deux cas d’études essentiels ont été envisagés. Le premier est un exemple de propagation en mode mixte d’une fissure inclinée en TEM avec les échanges thermique et électrique en fonction du saut de déplacement. Le deuxième a été réservé pour un cas d’étude industrielle d’une cuve en opération, en contexte TEM. L’impact de la présence de la fissure sur les différentes réponses physiques est analysé. Comme constatation, en expansion thermoélectrique du bloc cathodique, la fissure a plus tendance à rejoindre la surface supérieure pour mettre, probablement, fin à la vie de la cathode. / The outbreak of visible cracks can be triggered at several stages in the life of a cathode block in an electrolysis cell. Various matters can prompt such an upsurge. Under electrical pre-heating, for example, the random spatial distribution of thermal gradients can lead to the rise of one or more cracks. The main objective of this work is to model and simulate the crack propagation in a multi-physical, thermo-electro-mechanical, context. The approach is based on a monolithic numerical development philosophy of a strongly nonlinear coupling, with the consideration of thermoelectric exchanges through the crack lips using the extended finite element method (XFEM). This project was sketched essentially on three sub-projects. Firstly, a new model of crack propagation in a thermomechanical fashion over a cracked domain has been developed. A geometrical enrichment strategy by XFEM has been successfully performed to model crack growth as well as to achieve the expected optimal convergence rate in physical responses and the computation of stress intensity factors. Three benchmarks were examined and validated from existing results in the literature. Then, anew example of the propagation of multiple cracks and multiple defects was designed. The comparison of the results obtained shows a good agreement with the reported works as well as the robustness and the accuracy of the numerical development. Secondly, an original approach to the modeling of full thermoelectric coupling, in the presence of a strong static material discontinuity and taking into account the thermal and electrical exchanges through its lips, has been elaborated. First, a model has been established and validated in the case of a capacitive crack, where the properties of the dielectric, between the inter-crack-lips, play a determining role for the ascertainment of its exchange intensity. Similarly, a model has been settled for the choice of a gaseous medium filling the gap between the two rims, ensuring the resistive heat exchange aspect. The thermoelectric model has been implemented via XFEM by performing the enhanced version and taking into account the treatment of numerical noise due to the blending elements. Three case studies were intended, the first one was employed to validate the numerical implementation of the stated model via a developed patch test. Good convergence and accuracy of numerical outcomes have been noted. The second focused on the case of a curved crack, less considered in the literature, which can be encountered in many applications, and represents a significant numerical challenge. The third is an elaborate study on the cathode. The analysis of the impact of cracks on energy efficiency was also raised for the case of multiple cracks. Thirdly, numerical originality of crack propagation in the context of the full thermo-electro-mechanical (TEM) coupling combined with thermal and electrical exchanges between the crack lips has been displayed. The area formed by the displacement of the two crack bank sis carried out in the physical expressions of the heat and electrical coefficients. The quantification of this gap is rendered by the resulting displacement jump across the lips. This aspect makes the mechanical problem nonlinear as well through exchanges, and therefore the global TEM system is strongly nonlinear. An original integration strategy, from a technical point of view, has been realized. It is based on a technique of barycentric sub-triangulation through a ’spider-web’ for the surface elements cut by the crack. Another procedure based on integration by crack ’arms’ reserved for heat and electrical exchanges elements. Two case studies have been examined. The first one is an example of the mixed-mode growth of a sloped crack in TEM context with thermal and electrical exchanges as a function of the displacement jump. The second was held for an industrial case of an electrolysis cell in operation and TEM circumstances. The impact of the presence of crack on several physical responses is analyzed. As an outcome, due to the thermoelectric expansion of the cathode block, the crack is expected to join the upper surface and lead to the end of the cathode’s life.

Dans ce travail on s'intéresse à la résolution des équations de Saint -Venant par la méthode des éléments finis. Deux tests numériques sont présentés en utilisant deux paires d 'éléments finis : P₁NC - P₁ et RT0 - P₀. Lorsque le systèrne d'équations de Saint-Venant admet une solution analytique, cette solution est comparée avec celle obtenue par la méthode numérique pour montrer la robustesse de ces éléments finis.