Nous développons une méthode de couplage entre un fluide compressible non-visqueux et une structure tridimensionnelle mobile. Nous considérons d'abord une structure rigide, puis déformable, et enfin avec fragmentation. Le couplage repose sur une méthode conservative de type frontières immergées en combinaison avec une méthode de Volumes Finis pour le fluide et une méthode d'Éléments Discrets pour la structure. La méthode de couplage assure la conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie totale du système. Elle présente également des propriétés de consistance, comme l'absence d'effets de rugosité artificielle sur une paroi rigide. La méthode de couplage est explicite en temps dans le cas d'une structure rigide, et semi-implicite dans le cas d'une structure déformable. La méthode semi-implicite en temps évite que des déformations tangentielles de la structure ne se transmettent au fluide, et la résolution itérative jouit d'une convergence géométrique sous une condition CFL non restrictive sur le pas de temps. Nous présentons des résultats numériques montrant la robustesse de la méthode dans le cas d'une sphère rigide mise en mouvement par une onde de choc, une poutre encastrée fléchie par une onde de choc et un cylindre se fragmentant sous l'action d'une explosion interne / We develop a coupling method between an inviscid compressible fluid and a three dimensional mobile structure. We consider first a rigid structure, then a deformable, and finally a fragmenting one. The coupling hinges on a Conservative Immersed Boundary method combined with a Finite Volume method for the fluid and a Discrete Element method for the structure. The method yields conservation of mass, momentum, and energy of the system. The method also exhibits consistency properties, such as the absence of numerical roughness on a rigid wall. The method is explicit in time in the case of a rigid structure, and semi-implicit when the structure is deformable. The time semi-implicit method avoids that tangential deformations of the structure impact the fluid, and the method converges geometrically with a non-restrictive CFL condition on the time step. We present numerical results showing the robustness of the method in the case of a rigid sphere lifted by a shock wave, a clamped beam flexed by a shock wave, and a cylinder undergoing fragmentation owing to an intern explosion

The Hashin failure criteria and damage evolution model for laminated fiber reinforced polymers are explored. A series of tensile coupon finite element analyses are run to characterize the variables in the physical model as well as modeling techniques for using an explicit dynamic solver for a quasi-static problem. An attempt to validate the model on an axial tube crush is presented. It was found that fiber buckling was not occurring at the impactor-tube interface. Results and speculation as to why the failure initiation is incorrect are discussed. Lessons learned from the tube crush are applied successfully to the quasi-static Formula SAE nosecone crush test. The model is validated by experimental data and the impact metrics between the test and model are within 5%. Future work and possible optimization techniques are discussed.

A Comparison Study of Composite Laminated Plates with Holes under Tension A study was conducted to quantify the accuracy of numerical approximations to deem sufficiency in validating structural composite design, thus minimizing, or even eliminating the need for experimental test. Error values for stress and strain were compared between Finite Element Analysis (FEA) and analytical (Classical Laminated Plate Theory), and FEA and experimental tensile test for two composite plate designs under tension: a cross-ply composite plate design of [(0/90)4]s, and a quasi-isotropic layup design of [02/+45/-45/902]s, each with a single, centered hole of 1/8” diameter, and 1/4" diameter (four sets total). The intent of adding variability to the ply sequences and hole configurations was to gauge the sensitivity and confidence of the FEA results and to study whether introducing enough variability would, indeed, produce greater discrepancies between numerical and experimental results, thus necessitating a physical test. A shell element numerical approximation method through ABAQUS was used for the FEA. Mitsubishi Rayon Carbon Fiber and Composites (formerly Newport Composites) unidirectional pre-preg NCT301-2G150/108 was utilized for manufacturing—which was conducted and tested to conform to ASTM D3039/D3039M standards. A global seed size of 0.020, or a node count on the order of magnitude of 30,000 nodes per substrate, was utilized for its sub-3% error with efficiency in run-time. The average error rate for FEA strain from analytical strain at a point load of 1000lbf was 2%, while the FEA-to-experimental strains averaged an error of 4%; FEA-to-analytical and FEA-to-tensile test stress values at 1000lbf point load both averaged an error value of 6%. Suffice to say, many of these strain values were accurate up to ten-thousandths and hundred-thousandths of an in/in, and the larger stress/strain errors between FEA and test may have been attributed to the natural variables introduced from conducting a tensile test: strain gauge application methods, tolerance stacks from load cells and strain gauge readings. Despite the variables, it was determined that numerical analysis could, indeed, replace experimental testing. It was observed through this thesis that a denser, more intricate mesh design could provide a greater level of accuracy for numerical solutions, which proves the notion that if lower error rates were necessitated, continued research with a more powerful processor should be able to provide the granularity and accuracy in output that would further minimize error rates between FEA and experimental. Additionally, design margins and factors of safety would generally cover the error rates expected from numerical analysis. Future work may involve utilizing different types of pre-preg and further varied hole dimensions to better understand how the FEA correlates with analytical and tensile test results. Other load types, such as bending, may also provide insight into how these materials behave under loading, thus furthering the conversation of whether numerical approximations may one day replace testing all together.

The mechanics of a woven wire mesh material are investigated to characterize the elasto--plastic behavior of this class of materials under tensile conditions. The study focuses on a representative 316L stainless steel (3161 SS) 325x2300 twill-dutch woven wire mesh typically used as a fine filtration media in applications such as water reclamation, air filtration, and as a key component in swab wands used in conjunction with explosive trace detection (Em) equipment. Mechanical experiments and a 3-D finite element model (FEM) are employed to study the macro-scale and meso-scale mechanical behavior of the woven wire mesh under uniaxial tensile conditions. A parametric study of the orientation dependence of the mechanical response of this material ~ been carried out, relating material properties such as elastic modulus, yield strength, etc. to material orientation. Ratcheting type tensile tests are also performed in a similar orientation study, and an elementary damage model is presented for the woven wire mesh based on continuum damage mechanics (CDM). The meso-scale behavior of the wire mesh is studied via the finite element method, and observations are made relating wire scale conditions to macro-scale material behavior.

Dans cette recherche est étudié le comportement mécanique des ouvrages en plaques de plâtre sur ossature métallique. Cette étude est basée sur une analyse par la méthode des éléments finis, et a nécessité le développement de deux modules spécifiques intégrés au code de calcul "MARC". L'alimentation du modèle en paramètres a nécessité une étude expérimentale importante. Les constituants de plaque de plâtre (cartons et plâtre) présentent des caractéristiques différentes entre leur état vierge et après passage par le processus de fabrication. Une stratégie d'identification globale pour la plaque composite a été adoptée, elle consiste à la considérer comme un matériau homogène équivalent et par conséquent le développement d'un modèle spécifique de plasticité généralisée "GENSTR" pour traiter la non linéarité matérielle. La prise en compte des problèmes de conditions aux limites variables introduites d'une part par les assemblages vissés, et d'autre part par les phénomènes de contact et frottement aux interfaces "plaques-montants", a été effectuée en les modélisant par des ressorts qui intègrent les relations spécifiques ainsi que des conditions de pénalisation. Ceci a nécessité le développement d'un deuxième module nommé "USPRING". L'ensemble de ces approches constitue un modèle adéquat pour simuler le comportement mécanique des cloisons en plaques de plâtre. Une validation du modèle a été effectuée en confrontant les résultats du calcul aux résultats expérimentaux, cette confrontation a donné une concordance assez satisfaisante. Ce travail servira de base à la proposition de méthodes de dimensionnement simplifiées pour ce type d'ouvrages et autres ouvrages similaires (contre-murs, plafonds suspendus...) en plaques de plâtre.

Descendant du déflectomètre à boulet du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC), le Heavy Weight Deflectometer (HWD) est devenu aujourd'hui l'appareil de référence international pour la détermination de la portance des chaussées aéronautiques. Il est composé d'une masse tombante qui engendre à la surface de la chaussée, par l'intermédiaire d'une plaque rigide et d'un système d'amortissement, un chargement de type impulsionnel, destiné à simuler le passage d'une roue d'avion. Les déflexions engendrées sont mesurées pendant la période de chargement, au moyen de géophones disposés sous et aux abords de la plaque. Leur analyse permet de déterminer les propriétés structurelles des différentes couches de chaussée au moyen d'une procédure d'identification numérique appelée « calcul inverse » qui consiste à : 1- choisir un modèle mécanique pour décrire le comportement de la chaussée sous chargement, et 2- identifier les paramètres du modèle permettant le meilleur calage entre les données numériques et expérimentales. Un calcul direct peut alors être réalisé, à partir du même modèle mécanique, et en tenant compte des paramètres identifiés, pour estimer la capacité portante de la chaussée et/ou sa durée de vie résiduelle. Les méthodes usuelles d'exploitation des données sont basées, pour les chaussées souples, sur l'utilisation de modèles élastiques multicouches statiques. Les seuls paramètres structuraux à identifier sont les rigidités des différentes couches constitutives. Le calcul inverse est mené à partir de bassins de déflexion pseudo-statiques, reconstitués à partir des déflexions maximales mesurées sur chaque géophone. Les limites de ces méthodes ont été soulignées par de nombreux auteurs. D'une part elles n'exploitent qu'une infime part de l'information disponible (valeurs de pic uniquement des signaux fournis par les géophones et le capteur d'effort), et d'autre part elles reposent sur une modélisation statique très éloignée de la réalité de l'essai. L'objectif de la thèse était donc de développer une méthode avancée d'évaluation des chaussées souples permettant une meilleure représentation physique de l'essai et d'exploiter l'ensemble de l'information disponible. Une modélisation dynamique aux éléments finis, prenant en compte les effets d'inertie et l'amortissement mécanique, y a été proposée. Elle permet le calcul de l'évolution temporelle des déflexions au cours de l'essai. Un algorithme de convergence a été développé sur la base de ce modèle, qui permet d'automatiser la résolution numérique de la phase de calcul inverse. Enfin une méthode d'analyse des résultats du calcul inverse a été proposée à titre d'illustration. Plusieurs expérimentations en vraie grandeur ont été menées afin de valider les phases de calcul inverse et de calcul des déformations critiques. Les essais ont été réalisés sur plusieurs planches de référence, dont l'une est instrumentée. La validation s'est appuyée d'une part sur la comparaison entre propriétés des matériaux identifiées et mesurées en laboratoire, et d'autre part sur l'exploitation de mesures de déformations relatives mesurées in situ. Un outil numérique a par ailleurs été développé, qui permet l'automatisation du maillage aux éléments finis, et le calcul pour les deux étapes consécutives du processus : calcul inverse et calcul direct des déformations relatives.

Lam3/Tec3 est un modèle stationnaire éléments finis 3D de laminage dans lequel le maillage de la tôle est composé d'éléments hexaédriques. Des études passées ont montré que par lui-même, il est mal adapté pour simuler les défauts de planéité des tôles laminées. A l'heure actuelle, les éléments coques sont les mieux adaptés pour prédire le flambage des tôles sous contraintes résiduelles, dont font partie les défauts de planéité. Ainsi, l'objectif du présent travail est de perfectionner Lam3/Tec3 en le couplant itérativement avec un modèle éléments finis de flambage de coques sous contraintes résiduelles. Ce modèle, nommé « MAN », est basé sur la Méthode Asymptotique Numérique pour la résolution des problèmes non linéaires. Comparé aux modèles existants de la littérature, il possède une précision satisfaisante pour la détection de la charge critique de flambage et les modes correspondants; il peut aussi traiter des cas de champs de contraintes résiduelles et modes de flambage plus complexes; il possède enfin une capacité de calcul du post-flambage, ce qui le distingue aussi de ses concurrents. Nous avons comparé les résultats obtenus en mode découplé et en mode couplé itérativement, ainsi qu'avec Lam3/Tec3 additionné d'un modèle simplifié de flambage dû à Counhaye (plus simple et moins coûteux, mais sans capacité de post-flambement). Nous nous sommes particulièrement intéressés à la comparaison avec les mesures en ligne des profils transverses de contrainte longitudinale par "rouleaux de planéité" (la "planéité latente"), ainsi qu'à la question des interactions entre les champs mécaniques sous emprise et post-emprise. Les profils obtenus à la position des rouleaux de planéité sont en bon accord avec les mesures expérimentales, en particulier pour les cas de laminage présentant des défauts. Les résultats montrent l'importance de réaliser un calcul couplé, soit fortement soit itérativement, pour saisir les détails de ces profils de contrainte, capitaux à quelques MPa près pour le calcul des formes post-flambées, c'est-à-dire les défauts de planéité.

Dans ce manuscrit, un modèle complet pour la simulation de l'écoulement d'un fluide thermor éactif à travers un milieu poreux fortement compressible est présenté. Ce modèle est utilisé pour l'étude des procédés d'élaboration des matériaux composites par infusion à travers leur épaisseur (Liquid Resin Infusion-LRI et Resin Film Infusion-RFI ). Dans ces procédés, le mélange entre les renforts et la résine liquide est réalisé dans la direction transverse aux plans des préformes pendant la phase de mise en forme. Les coˆuts sont ainsi réduits et les problèmes de remplissage éliminés. Ces procédés sont néanmoins peu maîtrisés et les caractéristiques de la pièce finale difficilement prévisibles (principalement les épaisseurs et les porosités). La mise au point d'un modèle numérique constituerait un bon outil pour développer et finaliser de nouvelles solutions composites. D'un point de vue physique, l'infusion de la résine à travers l'épaisseur des préformes est une conséquence de la pression appliquée sur l'empilement résine/préforme. Dans cette analyse multi-physique deux types de problèmes sont rencontrés. Tout d'abord, on connait mal les conditions de couplage entre les zones liquides, gouvernées par les équations de Stokes, et les préformes imprégnées assimilées à des milieux poreux, gouvernées par une loi de Darcy et une loi de comportement mécanique non-linéaire. Par ailleurs, les interactions entre l'écoulement de la résine et la compression des préformes ne sont pas bien maîtrisées. Le modèle développé inclut donc une condition de Beaver-Joseph- Schaffman modifiée pour le couplage entre les zones de Darcy et de Stokes. Une formulation ALE pour l'écoulement de la résine dans un milieu poreux déformable subissant de fortes déformations est utilisée et couplée à une formulation Lagrangienne Réactualisée pour la partie solide. Ces deux mécanismes physiques sont couplés à des modèles thermo-chimiques pour traiter la réticulation de la résine sous l'action du cycle de température. Dans ce travail, un certain nombre d'outils numériques et de nouvelles formulations ont été développés en vue de simuler les procédés LRI et RFI. Chaque outil est étudié et validé analytiquement ou numériquement avant d'être intégré dans les modèles LRI /RFI. Des simulations numériques d'infusion sont ensuite présentées et commentées, puis une première comparaison avec des essais expérimentaux est proposée.

Le présent travail s'appuie sur une approche expérimentale étendue visant l'identification des mécanismes d'endommagement en chargement quasi-statique et en fatigue du PA66/GF30, en prenant notamment en compte l'influence de la teneur en eau et de la microstructure induite par le moulage par injection. Les essais et les observations in situ au MEB mettent en exergue le rôle déterminant de l'humidité relative sur l'initiation, le niveau et la chronologie de l'endommagement. Une analyse par micro-tomographie aux rayons X sur des échantillons ayant subi un chargement de fatigue montre que l'endommagement augmente continuellement et progressivement au cours de la fatigue, et plus significativement dans la deuxième moitié de sa durée de vie. Les résultats obtenus en quasi-statique et en fatigue révèlent des mécanismes d'endommagement similaires, notamment une décohésion des interfaces fibre/matrice. Une chronologie générale de l'endommagement est établie. Celui-ci s'initie en extrémités de fibres ou plus globalement là où les fibres sont relativement proches les unes des autres. Il s'ensuit des décohésions interfaciales se propageant le long des fibres. A une contrainte en flexion plus élevée, des microfissures de la matrice peuvent apparaître et se propager par coalescence, ce qui aboutira à la rupture. Ces résultats expérimentaux permettent d'alimenter une modélisation multi-échelles de l'endommagement à fort contenu physique. Celle-ci contribuera alors à une prédiction pertinente de l'endommagement dans les thermoplastiques renforcés pour application automobile.

Dans ce travail, de nouveaux traitements de protection, à base de couches minces dures, de type nitrures des métaux de transition, ont été développés en vue d'améliorer la tenue de service d'outils destinés à l'usinage de MDF (Medium Density Fiberboard). En raison des sollicitations sévères auxquelles l'arête est soumise, ces revêtements doivent avoir de bonnes propriétés physicochimiques, mécaniques et tribologiques. Compte tenu des travaux précédents où des résultats prometteurs avaient été obtenus en utilisant des films de CrN, nous avons voulu améliorer les principales caractéristiques de ce système binaire en lui ajoutant des éléments métalliques tels que l'Al et le V. De ce fait, des couches de CrAlN et CrVN ont été réalisées par pulvérisation dual magnétron RF. Nous nous sommes intéressés en particulier à l'effet du pourcentage d'Al et de V respectivement sur les propriétés de CrAlN et CrVN. Dans un deuxième temps, les revêtements optimaux ont été par la suite, réalisés sur des plaquettes en carbure de tungstène utilisées en usinage de trois types de MDF (Standard, Hydrofuge et Ignifugé) et en tenant compte de l'épaisseur et du profil de densité de chaque panneau. Une procédure de pré-rodage des plaquettes carbure a été mise au point et les revêtements ont été effectués à la fois sur des plaquettes pré-rodées ou non. Les résultats indiquent que l'utilisation des films minces pouvait apporter des améliorations significatives en termes de résistance à l'usure et qu'une préparation préalable par pré-rodage était fortement conseillée pour permettre une meilleure adhérence de la couche