Les matériaux composites connaissent un intérêt croissant dans la majorité des secteurs de l’industrie en raison de leur faible poids propre et de leurs propriétés physico-chimiques intéressantes. Cependant, l’utilisation de ces matériaux a nécessité de conduire en parallèle des réflexions sur leur assemblage avec d’autres matériaux qui a donné naissance au développement de la technologie d’assemblage par collage structural. Cette technique qui permet de pouvoir assembler des matériaux de nature différente en limitant par exemple l’augmentation du poids propre de la structure n’est pas encore totalement maîtrisée. Pour cela, des développements sur la qualification des efforts d’adhésion ou sur la compréhension de la durabilité sont encore nécessaires. Cette thèse aborde la problématique de l’optimisation des assemblages collés et vise en particulier à étudier de manière plus précise l’utilisation de la courbure afin d’optimiser le transfert des efforts au sein du joint de colle. Deux types de colle, présentant l’une un comportement élastique fragile et l’autre un comportement élastoplastique ont été étudiés dans ce travail sur les différents volets analytique, numérique, et, expérimental. Il s’est avéré que la plasticité de l’adhésif semble améliorer la capacité de résistance du joint collé et sera alors un paramètre essentiel dans leur optimisation. Une étude de la géométrie courbe des joints collés acier/composite a été ensuite menée et il ressort de cette étude que cette géométrie est efficace pour augmenter la résistance d'un joint collé à la rupture. De plus, afin d’approfondir les connaissances sur le comportement mécanique du joint collé courbe, et en absence d’étude bibliographique suffisante sur ce type de collage, nous avons ensuite eu recours à la modélisation par la méthode des zones cohésives pour pouvoir aussi valider l’atout de la géométrie courbe par rapport à la géométrie plane. Ce travail s’est enfin intéressé à la durabilité mécanique de cette solution en abordant la thématique de la fatigue ; même si des investigations supplémentaires seront nécessaires, nous avons d’ores et déjà constaté que l’optimisation du joint par l’utilisation d’une colle élastoplastique et une géométrie courbe permet d’améliorer le comportement en fatigue de l’assemblage collé / Composite materials are gaining increasing interest in most of the industry sectors due to their low self-weight and their interesting physico-chemical properties. However, the use of these materials called for parallel reflections on their assembly with other materials which gave rise to the development of the structural bonding technology. This technique which allows to assemble materials of different natures by limiting, for example, the increase in the self-weight of the structure, is not fully mastered yet. For this purpose, further development on the qualification of the adhesion forces or on the understanding of durability are still necessary. This thesis addresses the problem of the optimization of adhesive bonded joints and aims in particular to study, more precisely, the use of the curvature in order to optimize the transfer of forces within the bonded joint. Two types of adhesive, one exhibiting a fragile elastic behavior and the other an elastoplastic behavior, have been studied in this work on the various analytical, numerical, and experimental aspects. We presumed that the plasticity of the adhesive appears to improve the strength of the bonded joints and; hence, shall be considered as an essential parameter in their optimization. A study of the curved geometry of the steel / composite bonded joints was then carried out, where it emerged that this geometry was effective in increasing the strength of the bonded joint and its ultimate capacity. Moreover, in order to extend the knowledge on the mechanical behavior of the curved bonded joints, and in the absence of sufficient bibliographical references on this type of bonding, we then resorted to the modeling by using the cohesive zone method to also validate the advantage of the curved geometry with respect to the plane geometry. This work finally focuses on the mechanical durability of this solution by addressing the fatigue thematic; even if additional investigations are needed, we have already found that the optimization of the joint by the use of an elastoplastic adhesive, and a curved geometry can improve the fatigue behavior of the adhesive bonded joints

Une grande partie de la structure des avions modernes est fabriquée à partir des dernières générations de matériaux composites. Le principal défi des constructeurs d’avions réside dans la taille importante des pièces en composites. D’où la nécessité de développer de nouvelles technologies de fabrication telle que la dépose automatique de préimprégné. La qualité des pièces fabriquées dépend de nombreux facteurs dont notamment la maîtrise de la rhéologie de la résine du préimprégné. Cette dernière évolue fortement avec les conditions environnementales et les conditions de fabrication. Elle détermine pour partie, les instabilités de la matière particulièrement le long des trajectoires curvilignes. Ces instabilités, qui se présentent sous forme de cloques, engendrent après cuisson des pièces avec des défauts de repliement des couches dans les stratifiés. L’objectif principal de cette thèse de doctorat est l’étude du comportement mécanique d’un ruban de préimprégné prenant en compte la rhéologie de la matière ainsi que sa pégosité dans le but de mieux comprendre les conditions d’apparition des cloques en trajectoire curviligne. Une partie de mes travaux est consacrée à la caractérisation des propriétés physico-chimiques et mécaniques de la matière. Une seconde partie, complémentaire à la première, est dédiée au développement d’un modèle de comportement mécanique d’une plaque sur fondation élastique représentant le ruban de préimprégné et soumise à une rotation imposée. La méthode de Ritz a été utilisée pour l'obtention de solutions explicites des charges critiques de flambement. Il a été montré que les plus faibles rayons de courbure sans formation de cloques en trajectoire curviligne dans le plan sont obtenus avec un faible écrasement du rouleau et un niveau de collant élevé. / The evolution of composite materials in aerospace has been spectacular over the last thirty years. The main advantage provided by composites is weight gain compared to other materials. However, new aluminum lithium alloys may slow this trend because of their specific properties and exceptional manufacturing costs lower than those of composites. Much parts of the structure of the A380 are made from the latest generation of composite materials with organic matrix. The Airbus A380 is the first plane of the manufacturer composed by a center wing box made by composite reinforced with carbon fibers and organic matrix. And like the devices that preceded it, the center wing box, rudder, horizontal stabilizer and the elevators were designed with composites reinforced with carbon fibers and organic matrix. But the main challenge with the new aircraft is the size of parts ; the size of the horizontal stabilizer of the A380 for example, is similar to the wing of the A310. Hence the need to develop the intensive use of automatic prepreg lay up technology. The use of semi-finished prepregs for the manufacture of parts allows standardizing production. Indeed, these products exhibit with the desired rate of reinforcement on the final parts, all the delicate operations of pumping excess resin during the implementation of parts, as the case in the RTM process (Resin Transfer Molding) are eliminated. The quality of parts produced using automatic lay up depends on many factors including the accuracy of trajectory lay up, the control of rheology of the resin contained in the prepreg and behavior at the interface of the material and tooling. The rheology of the resin is changing considerably with environmental conditions (temperature, humidity) and processing conditions (speed of removal, compaction strength). It determines in part and in combination with the tackiness of the prepreg, the instabilities of the material particularly along curved trajectories. In curvilinear lay up, the rotation of the tow placement head imposes to this portion of slit tape, a curvature generating a circular bending phenomenon.The outer portion of the tape is then stretched while the inside is compressed. When the radius of curvature of the tow placement head is low, the result is a phenomenon of local buckling of the slit tape. The corresponding layer waviness (See figure 1) is visible after the passage of the roller so instantly or delayed, depending on the conditions of lay up (speed lay up,compaction strength, temperature, humidity) and the tackiness of the material. Thus, the formation of the layer waviness is a local phenomenon that appears in the material between the tow placement head and tools. It is this area of the material defined by the form of plate, and the extent of which depends on the compaction strength and flexibility of the roller which will be the model proposed in this communication. It is supposed that this plate is based on elastic foundation in order to reflect the tack of the material. The formation mechanism of ply waviness is very few studied and remains unclear since these defects appear at different steps in the manufacturing process. Some studies recommend, without justification, to not exceed some radius of curvature to avoid buckling [1]. Interactions between tooling and material in relation with lay up conditions were studied [2]. In this paper we study the mechanical behavior of a slit tape taking into account the rheology of the material so that his tack in order to better understand the conditions of appearance of layer waviness during circular trajectories. At first, we will present some results from the identification of physico-chemical and mechanical properties of prepreg carbon / epoxy and then we will explain the evolutions observed. A second part, complements the first,will be dedicated to the development of a model of mechanical behavior of a plate based onelastic foundation, representing the slit tape which is subjected to a rotation imposed. The mechanical model of the slit tape will be based on the theory of plate under the hypotheses of Kirchhoff-Love and Von-Karman. Determining the critical buckling load is carried by the Ritz method. The simulation results using different boundary conditions will be analyzed and compared to real cases.

Cette étude a pour objectif final la réalisation d'un ancrage de hauban plat en composite. La technique du collage structural est choisie pour celle-ci et une majeure partie du document s'attache donc à comprendre et décrire le transfert des e

Grâce à leurs propriétés mécaniques spécifiques, les matériaux composites sont devenus une alternative intéressante aux matériaux métalliques. De plus, l'utilisation de stratifications judicieusement choisies permet d' obtenir des propriétés mécaniques adaptées aux sollicitations de la structure. Enfin ils sont considérés comme peu sensibles à la fatigue. C'est pour ces raisons que, au cours de ces dernières années, l'emploi des matériaux composites pour la réalisation de structures aéronautiques, navales ou ferroviaires c'est considérablement répandu. Nous proposons dans cette étude une modélisation de la fissuration intra-laminaire dans les composites stratifiés soumis à des sollicitations quasi-statiques ou cycliques. L'analyse expérimentale nous permet dans un premier temps de capitaliser les renseignements permettant de dégager les caractéristiques et paramètres à prendre en compte lors de la modélisation. Sur la base de ces résultats nous proposerons une modélisation de la fissuration intra-laminaire. Nous proposons une loi d'évolution de l'endommagement en fatigue que nous avons implémenté dans le code de calcul par éléments finis ZeBuLoN. Après avoir identifié les différents paramètres du modèle à partir des résultats expérimentaux nous proposerons une application du modèle au cas d'une structure afin de valider notre modèle. Pour cela, nous avons développé une stratégie de calcul basée sur la méthode des sauts de cycles. Notre modèle est finalement appliqué au cas d'une structure de type plaque trouée.

La conception et le dimensionnement des structures stratifiées sont aujourd'hui globalement maîtrisés grâce à la théorie classique des stratifiés. Cependant, les problèmes de délaminage près des bords libres et des jonctions posent encore de nombreuses difficultés. En effet, dans ces zones, la discontinuité des propriétés mécaniques entre les plis d'orientation différente engendre des contraintes tridimensionnelles aux interfaces interlaminaires.L'objectif de ce travail est d'étudier expérimentalement les effets de bords et de mettre en évidence les paramètres susceptibles de les influencer. Pour cela la démarche a consisté à définir un protocole de mesure par corrélation d'images des champs cinématiques, à l'échelle des plis (échelle mésoscopique), sur le bord libre d'éprouvettes stratifiées sollicitées en traction.Trois matériaux de propriétés mécaniques et de microstructures différentes ont été étudiés ainsi que deux géométries d'éprouvettes : planes et avec sauts de plis. Des calculs par éléments finis ont permis de choisir la séquence [(15/-15)2]s pour laquelle les effets de bords sont les plus importants.Cette étude a permis de montrer l'existence de gradients de déplacements et de pics de déformations de cisaillement au voisinage des interfaces interlaminaires dont l'intensité dépend des gradients de propriétés mécaniques, de l'épaisseur de l'interface interlaminaire, et de la présence d'une discontinuité géométrique. D'autre part, les observations montrent l'apparition de fissures aux interfaces fibre / matrice à l'échelle microscopique le long des interfaces interlaminaires qui se traduisent à l'échelle mésoscopique par une évolution non linéaire du cisaillement

Les méthodes d'optimisation à base de métamodèles avec enrichissement adaptatif (type Efficient Global Optimization) peuvent, malgré leurs atouts, être rédhibitoires en temps de calculs lorsqu'elles sont appliquées à des modèles numériques de grande taille avec plusieurs minimums locaux. Elles nécessitent la résolution d'un modèle complet à chaque simulation, ce qui peut conduire à des études irréalisables ou alors dans des durées incompatibles avec les échelles de temps typiques du processus de conception d'un produit. Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'optimisation de simulateurs numériquement couteux par l'utilisation des modèles simplifiés. Ces modèles simplifiés peuvent être notamment de deux types : des métamodèles ou des modèles d'ordre réduit. Nous proposons dans cette thèse une nouvelle méthodologie d'optimisation globale de systèmes mécaniques en couplant les méthodes d'optimisation à base de métamodèles adaptatifs avec les méthodes de réduction d'ordre. Les méthodes d'optimisation à base de métamodèles visent à réduire le nombre d'évaluations de la fonction objectif tandis que les méthodes de réduction d'ordre visent à diminuer la taille des modèles permettant ainsi une réduction de leur temps d'exécution. L'objectif de la méthodologie développée dans cette thèse est alors de réduire le nombre d'évaluations de la fonction objectif tout en diminuant également le temps d'exécution des modèles. L'idée de l'approche développée est de construire le métamodèle de la fonction objectif de manière adaptative. Cette construction fusionne des modèles complets et des modèles d'ordre réduit et adapte ainsi la fidélité aux besoins en précision de l'itération courante de l'optimisation. Les performances des algorithmes développés dans cette thèse ont été illustrées sur deux types d'applications : i. un problème d'identification des quatre propriétés orthotropes d'un composite stratifié à partir de mesures de champs de déplacement d'une plaque trouée en traction. ii. un problème de maximisation de la rigidité d'une plaque composite stratifiée. Les résultats ont permis de montrer que notre méthodologie permet d'obtenir des gains considérables, en temps de calcul, par rapport à un algorithme de type EGO classique. / The surrogate based optimization method with adaptive enrichment (Efficient Global Optimization type approach) may, in spite of its strengths, be prohibitive in terms of computational cost when applied to large scale problems with several local minima. They require the resolution of a full numerical model for each simulation, which can lead to intractable studies or to simulation times incompatible with the times allotted for the design of a product. This PhD thesis falls within the scope of optimizing expensive simulator codes by using substitution models of the simulator. These substitutions models can be of two types: a metamodel or a reduced order model. We have proposed here a new methodology for global optimization of mechanical systems by coupling adaptive surrogate based optimization methods with the reduced order modeling methods. The surrogate based optimization methods aim to reduce the number of objective function evaluations while the reduced order model methods aim to reduce the dimensionality of a model and thus its computational cost. The objective of the methodology proposed in this thesis is thus to reduce the number of the objective function evaluations while at the same time significantly reducing the computational expense to the resolutions of the full mechanical model. The basic idea of the proposed approach resides in the adaptive construction the metamodel of the objective function. This construction fuses full and reduced order models and thus adapts the model fidelity to the accuracy requirements of the optimization at the current iteration. The efficiency of our proposed algorithms was illustrated on two types of applications: i. a problem of identification of orthotropic elastic constants from full field displacement measurements based on a tensile test on a plate with a hole ii. a problem of stiffness maximization of laminated plates. The results have shown that our methodology provides a significant speed-up in terms of computational cost, compared to the traditional EGO algorithm.

Les tannins sont des produits issus de la chimie végétale qui possèdent une bonne réactivité et qui peuvent remplacer des produits similaires dérivés du pétrole. C’est le cas des tannins condensés qui présentent des caractéristiques de réactivité proches de celles du phénol. Utilisées depuis plusieurs années dans des colles pour les produits à base de bois, les résines de tannin n’ont pas fait l’objet de recherches approfondies pour la fabrication de matériaux composites. Le travail présenté ici est axé sur trois projets visant à développer des matériaux composites de hautes performances en utilisant à la fois des résines à base de tannins condensés et des renforts de fibres végétales. 1. Le premier projet a pour but de développer un composite thermodurcissable à base de la résine tannin/hexamine déjà employée comme colle pour panneaux de particules. Une étude avait démontré la faisabilité du principe mais de nombreux problèmes pratiques restaient à résoudre pour obtenir un processus de fabrication fiable et compétitif. 2. Le but du deuxième projet est l’étude et le développement de composites dont la matrice est constituée d’un copolymère de tannins et d’alcool furfurylique. Les propriétés des résines furaniques et la possibilité de les faire réagir avec des composés phénoliques en font des candidates potentielles à la fabrication de composites de haute performances. 3. Le dernier projet vise à produire des tannins acétylés en suivant les méthodes utilisées pour la lignine, à vérifier s’ils présentent le même caractère thermoplastique et le cas échéant à les tester pour la fabrication de matériaux composites. / Tannins are plant chemicals that show a good reactivity and so they can replace similar products from oil chemistry. This is the case for condensed tannins that have reactivity mechanism similar to that of the phenol. They have been used for several years in wood glues, but no in depth study have been carried out on their potential in composite manufacturing. The work presented here can be split into three projects aiming at the development of composite materials of high performances using both tannin based resins and natural fibers reinforcement. 1. The first project aims to develop a thermosetting composite based on the same tannin/hexamine resin already as glue for particleboards. A previous study shown that it was feasible but numerous problems needed to be solved in order to obtain a reliable and competitive manufacturing process. 2. The goal of the second project is the study and the development of composites which matrix is based on a copolymer of tannin and furfuryl alcohol. Furanic resins show good properties and their capability to react with phenolic compounds makes them potential candidates for the manufacturing of high performances composites. 3. The last project’s objective is the production of acetylated tannins by using similar methods than that used for lignin, to check if they present the same thermoplastic behavior and if yes, to test them in composite manufacturing.

Ce travail de thèse a pour objectif de déterminer le comportement de structures composites contenant une phase en alliage à mémoire de forme (AMF). Un modèle macroscopique, basé sur la thermodynamique des processus irréversibles, est développé afin de déterminer le comportement de l'alliage a mémoire de forme. Ce modèle prend en compte certains des comportements clés des alliages à mémoire de forme en Nickel-titane, comme la dissymétrie traction-compression, les chargements partiels et le comportement de la martensite autoaccommodée. Une comparaison avec une base de donnée expérimentale montre une bonne capacité de prédiction du modèle, et ouvre une discussion sur des phénomènes supplémentaires à prendre en compte. A l'aide d'outils de simulation numérique, et notamment la méthode des éléments finis, ce modèle est appliqué à la détermination du comportement de matériaux composites. Deux problématiques sont considérées, la première étant l'étude du comportement d'une structure composite formée d'une matrice en élastomère et renforcée par des fibres ondulées en alliage à mémoire de forme. La deuxième problématique concerne l'étude de l'impact des phénomènes de précipitation (Ni4Ti3) dans les alliages de Nickel-Titane, sur le comportement macroscopique du matériau. Pour ce dernier cas, une cellule élémentaire de référence est définie, et le comportement macroscopique du matériau est estimé en considérant une variation des propretés de la matrice en AMF en fonction de sa composition chimique. Dans les deux cas, la modélisation apporte des informations intéressantes sur les champs de déformation et de contrainte et sur le comportement global / The purpose of the dissertation work is to determine the thermomechanical behavior of shape memory alloys (SMAs) based composites structures. A macroscopic model, developed in the framework of thermodynamics of irreversible process, is developed in order to model the behavior of the SMA phase. This model deals with several key features of SMAs behavior, like tension-compression asymmetry, partial cycles and the behavior of the formed self-accommodated martensite. A comparison with several experimental database show a good prediction capability of the model, and opens a discussion on additional features to take into account using finite element analysis, the behavior of SMA-based composite material is computed. This methodology is applied for two cases ; the first one is the study of an elastomeric ribbon reinforced with snake-like shape SMA fibers. The second case considers the impact of precipitation (Ni4Ti3) on the macroscopic behavior in Ni-rich NiTi SMAs. A reference unit cell is defined, and the macroscopic behavior is estimated considering a variation of material properties throughout the cell as a function of the chemical composition. In both cases, the model provides interesting information on stress and stra fields, as well as on the global behavior

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Cette recherche s’attarde à comprendre l’effet des différents paramètres sur la mise en forme courbée de conduits en matériaux composites thermodurcissables pour y déterminer les meilleurs paramètres à utiliser dans le but de réduire les bris et de conserver le plus possible la forme ainsi créée. Parmi ceux-ci, il est question des paramètres de fabrications du conduit, de sa polymérisation, de son réchauffement avant la mise en forme courbée et de sa mise en forme elle-même. Pour comprendre l’effet des différents paramètres, des tests mécaniques (traction, compression), thermomécaniques (DSC, DMA) et de relaxation de contrainte à l’aide d’une instrumentation avec des jauges de déformation sont effectués. Ceux-ci révèlent des ajustements à apporter pour permettre un meilleur contrôle du procédé. Entre autres, le taux de polymérisation, l’angle d’orientation des fibres et la température de mise en forme sont les principaux facteurs importants pris en compte. En effet, la recherche révèle que plus la température de mise en forme courbée est près de la température de transition vitreuse du composite moins la forme courbée à tendance à se conserver. Cela est similaire avec l’orientation des fibres, plus elles sont orientées circonférentiellement plus ce problème est de taille. De plus, le taux de polymérisation a un impact considérable sur la déformation maximale et sur la rigidité à haute température.