On s'est intéressé dans ce travail à la modélisation 2D et 3D du procédé CIC (Compaction Isostatique à Chaud) à l'échelle mésoscopique, en vue d'une compréhension approfondie des différents mécanismes physiques impliqués dans la densification de poudre. Le modèle est formulé dans un cadre eulérien, et est basé sur l'utilisation de la méthode level-set couplée avec une technique de génération et d'adaptation de maillages éléments finis afin de modéliser la déformation des particules de poudre sur un Volume Élémentaire Représentatif (VER). La génération des particules a été effectuée avec un générateur statistique de microstructures en tenant compte d'une distribution réelle de la taille des particules. Les conditions aux limites mécaniques ont été appliquées sur le VER, entraînant la déformation des particules et la densification du VER. Dans ce travail, la déformation viscoplastique des particules a été considérée comme le seul mécanisme de densification (mécanisme prépondérant pour une grande partie du temps du procédé). A partir de données issues de simulations macroscopiques du mécanisme CIC pour le cas de particule de poudre 316L, des simulations mésoscopiques ont été réalisées (approche macro-méso). Les résultats de ces simulations sont présentés et discutés à la lumière d'une étude expérimentale (microscopie optique, MEB, EBSD et EPMA) de la structure et microstructure des particules, obtenues à partir d'essais de compactions interrompus. De plus, des essais mécaniques ont été réalisés à température ambiante sur des lopins totalement denses issus du procédé CIC.Mots clés : CIC, 316L, compaction de poudre, fonction level-set, génération et adaptation de maillages, échelle mésoscopique, étude expérimentale, microstructure, EBSD, essais mécaniques. / A two and three-dimensional finite element simulation of HIP (Hot Isostatic Pressing) at mesoscopic scale is proposed, in view of an in-depth understanding of the different physical mechanisms involved in powder densification. The model is formulated in a eulerian framework, using level set formulation and adaptive meshing and remeshing strategy to identify particle interactions inside a representative elementary volume (REV). A statistical generator is in charge of the definition of the initial configuration under the constraint of accounting for the real particle size distribution. Mechanical boundary conditions are applied to the REV, resulting in the deformation of particles and densification of the REV. As a first approach, the power-law creep of particles is considered as the unique densification mechanism. Starting from data issued from macroscopic simulations of the HIPping of a part made of 316L powder, mesoscopic simulations in different locations of the part have been carried out (macro-to-meso approach). The results of these simulations are presented and discussed in the light of experimental studies (optical microscopy and SEM, EBSD, EPMA) of the structure and microstructure of the compact, which were obtained from interrupted compactions. Mechanical tests on fully densified 316L were also conducted.Keywords : HIP, 316L, powder densification, level-set function, meshing and remeshing technique, mesoscopic scale, experimental studies, microstructure, EBSD, mechanical tests.

Pour optimiser les structures des aéronefs, il est maintenant nécessaire de concevoir le matériau au « juste-besoin », de façon à diminuer le ratio masse/performances. Par une bonne gestion du procédé de fabrication et un choix judicieux des matériaux constitutifs, les composites à renfort tissé et à matrice organique ont ce potentiel. Mais pour l’exploiter pleinement, de nouvelles approches adaptées à ce type de matériau doivent être développées. Pour cela, une chaîne de calcul multimodèle est proposée, permettant de prévoir les propriétés mécaniques élastiques saines ou endommagées du matériau à partir de ses paramètres de conception. Cette chaîne est établie à l’échelle mésoscopique, pour pouvoir prendre en compte la géométrie du renfort. Une procédure spéciale de création de maillages de cellules mésoscopiques de composites tissés a été développée, de façon à faire le lien entre la déformée du renfort après mise en forme, obtenue par simulation EF, et les autres modèles de la chaîne (injection de résine, cuisson du composite, comportement mécanique). Le bon fonctionnement de l’approche est montré par l’étude de deux cas-tests, un renfort de quatre plis de taffetas et un renfort de quatre plis de satin de 5, chacun compactés à différents niveaux et selon plusieurs configurations d’imbrication de plis. Enfin, pour anticiper la validation de la chaîne de modélisation, une étude expérimentale comparative entre plusieurs composites tissés compactés à différentes épaisseurs a été menée. Ce travail se place dans le cadre de la construction future d’une chaîne multiéchelle plus globale qui, parcourue dans le sens inverse, permettra de concevoir le matériau sur-mesure en fonction des performances structurales locales désirées. / In order to optimize aeronautic structures, the manufacturing process must be tailored to the structural needs, with the aim of reducing the density/performance ratio. Polymer composites with woven reinforcements offer a large flexibility due to a vast choice of constituent materials and manufacturing process parameters. However, to entirely exploit their potential, new design methods specifically adapted to this type of material have to be developed. For this purpose, a modeling chain is proposed, which is able to predict the elastic properties of the intact or damaged material, by incorporating the manufacturing process parameters. The chain is built at the mesoscopic scale, to take into account the reinforcement geometry. A special procedure to generate finite element (FE) meshes of mesoscopic representative unit cells of woven composites has been developed, which links the deformation of the reinforcement, obtained from FE calculations, to the other models of the chain (resin injection, curing, and mechanical behavior). Two materials are studied to show the potential of the modeling chain: A four ply lay-up of a plain weave and of a satin weave fabric are considered, each of them having several compaction ratios and different nesting between the plies. With the aim of a validation of the modeling chain, multi-instrumented experimental tests have been carried out on several multi-layer plain weave composites with different thicknesses. In future applications, the proposed strategy will be placed in a toolbox able to design optimum woven composite structures based on local performance requirements.

Aujourd’hui, la durée d’exploitation de certaines structures en béton est amenée à être prolongée, en parallèle, des structures présentent prématurément des signes d’endommagements dû parfois à une mauvaise prise en compte des conditions environnementales. Assurer la durabilité des structures, c’est également assurer leur exploitation de façon sécuritaire, économique et écologique. Notre objectif est dans un premier temps de comprendre les phénomènes et mécanismes en jeu, ainsi que leur potentiels couplages ; puis, dans un deuxième temps, de créer des modèles prédictifs fiables de ces comportements.Le travail présenté s’intéresse en particulier aux structures nucléaires, qui en plus d’avoir un enjeu majeur, présentent des risques vis-à-vis de la dessiccation et de pathologies thermo-activées comme la réaction sulfatique interne (RSI). Plus précisément, l’objectif de cette thèse est de comprendre la participation des granulats dans les mécanismes de dégradation du matériau sous ces deux sollicitations respectives, puis leur couplage.A cet effet, une approche expérimentale multi-échelle est menée. Elle s’intéresse à l’évolution des déformations différées ainsi que des propriétés mécaniques et de transfert de matériaux cimentaires soumis soit à la dessiccation, soit à la RSI. Dans les deux cas, les paramètres influents des granulats dans les mécanismes ont été mis en évidence et une étude paramétrique a été mis en place afin de dégager clairement l’influence de ces paramètres.Dans un premier temps, l’étude de la dessiccation est basée sur le suivi et la caractérisation de sept formulations modèles ; i.e. dont les squelettes granulaires ont été contrôlés et sélectionnés selon la taille et la fraction volumique des granulats dans le matériau ; sur 200 jours. Les essais ont mis en évidence l’influence de ces paramètres dans le phénomène d’incompatibilités de déformations entre pâte de ciment et granulats. En parallèle, l’étude expérimentale de la réaction sulfatique interne s’intéresse à caractériser l’influence de la nature minéralogique des granulats sur la formation et la progression de la pathologie. Nous nous intéressons à l’influence de ce paramètre sur la cinétique et le taux de la réaction, mais également sur l’évolution des propriétés du matériau, afin d’identifier tous les mécanismes physico-chimiques présents. Enfin, une dernière étude s’intéresse au couplage entre RSI et dessiccation. Ici, les paramètres granulats ont été fixés, et des échantillons réactifs vis-à-vis de la RSI ont été soumis à des cycles de séchage-imbibition. / Today, the operating life of some concrete structures is likely to be extended, in parallel, structures show early signs of damage due sometimes to poor consideration of environmental conditions. Ensuring the sustainability of structures also means ensuring their safe, economical and ecological operation. Our objective is first to understand the phenomena and mechanisms at play, as well as their potential couplings; then, in a second step, to create reliable predictive models of these behaviours.The work presented is particularly interested in nuclear structures, which, in addition to having a major stake in our societies, present risks with regard to desiccation and thermo-activated pathologies such as the delayed ettringite formation (DEF). More precisely, the objective of this thesis is to understand the participation of aggregates in the degradation mechanisms of the material under these two respective stresses, and then their coupling.To this end, a multi-scale experimental approach is being conducted. It takes interest in the evolution of delayed deformations as well as the mechanical and transfer properties of cementitious materials subjected to either desiccation or DEF. In both cases, the influential parameters of the aggregates in the mechanisms were identified and a parametric study was carried out to clearly identify the influence of these parameters.First, the desiccation study is based on the monitoring and characterization of seven model formulations; i.e. granular skeletons were controlled and selected according to the size and volume fraction of the aggregates in the material; over 200 days. The tests revealed the influence of these parameters in the phenomenon of aggregate restraint.In parallel, the experimental study of DEF aims at characterizing the influence of the mineralogical nature of aggregates on the formation and progression of the pathology. We are interested in the influence of this parameter on the reaction kinetics and rate, but also on the evolution of the material properties, in order to identify all the physico-chemical mechanisms at stake. Finally, a final study is interested in the coupling between RSI and desiccation. Here, the aggregate parameters were set, and samples reactive to DEF were subjected to drying and soaking cycles.

The field of soft mesoscopics targets meso-structures in soft materials to elucidate the emergence of complex material behavior and biological function in soft and living materials. A snapshot of some activities in the field is provided by the contributions gathered in this focus issue.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la modélisation multi-échelle des matériaux composites à renfort tissé dans le but de prévoir leur comportement mécanique et leur tenue. Les objectifs de cette étude sont de caractériser et de modéliser de manière discrète les mécanismes d’endommagement à l’échelle mésoscopique (échelle du renfort de fibres) afin d’évaluer leur influence sur le comportement mécanique macroscopique des matériaux composites tissés. La démarche adoptée consiste tout d’abord à caractériser expérimentalement les mécanismes d’endommagement d’un matériau composite tissé à renfort de fibres de verre et matrice époxy. Les mécanismes observés sont des fissures intra-toron et des décohésions inter-torons en pointe de fissure. Afin de modéliser ces mécanismes d’endommagement, une géométrie représentative du composite, obtenue par simulation du procédé de compaction du renfort, et un maillage conforme de cette géométrie sont choisis. Les fissures et les décohésions sont modélisées de manière discrète dans le maillage à éléments finis de la cellule élémentaire représentative du composite. L’amorçage des endommagements dans le composite est déterminé en utilisant un critère couplant une condition en contrainte et une condition en énergie. La propagation de ces endommagements dans le matériau est évaluée à l’aide d’une approche basée sur la mécanique de la rupture incrémentale. L’approche proposée permet de prévoir l’amorçage et la propagation des endommagements en prenant en compte les possibles couplages entre les endommagements, et de faire le lien entre les endommagements observés à l’échelle mésoscopique et le comportement mécanique macroscopique du matériau. / The topic of this PhD thesis is multi-scale modeling of woven composites with the aim of predicting their mechanical behavior and strength. The objectives of the presented work are the experimental characterization and numerical modeling of damage at the mesoscopic scale (scale of the reinforcing fabric) in order to evaluate its influence on the macroscopic mechanical behavior of woven composites. First, the characteristic damage mechanisms of a woven composite made of glass fibers and epoxy matrix are determined experimentally. Intra-yarn cracks and decohesions between yarns at the crack tips are observed. In order to model these damage mechanisms at the mesoscopic scale, a geometry representative of the composite, obtained from numerical simulation of the dry fabric compaction, and a conformal mesh of this geometry have been selected. Discrete cracks and decohesions are inserted into the finite element mesh of the composite unit cell. Crack initiation is studied using a coupled criterion based on both a stress and an energy condition. The propagation of cracks and decohesions is modeled using a method based on Finite Fracture Mechanics. The proposed approach allows evaluating of the influence of the damage mechanisms observed at the mesoscopic scale on the macroscopic mechanical behavior of the studied material.

Le calcul de la durée de vie des Composites tissés à Matrice Céramique (CMC) nécessite de déterminer l’évolution de la densité de fissures dans le matériau(pouvant atteindre 10 mm-1). Afin de les représenter finement on se propose de travailler à l’échelle mésoscopique. Les méthodes de type Embedded Finite Element (EFEM) nous ont paru être les plus adaptées au problème. Elles permettent une représentation discrète des fissures sans introduire de degrés de liberté additionnels.Notre choix s’est porté sur une EFEM s’affranchissant d’itérations élémentaires et appelée Augmented Finite Element Method (AFEM). Une variante d’AFEM, palliant des lacunes de la méthode originale, a été développée. Nous avons démontré que,sous certaines conditions, AFEM et la méthode des éléments finis classique (FEM) étaient équivalentes. Nous avons ensuite comparé la précision d’AFEM et de FEM pour représenter des discontinuités fortes et faibles. Les travaux de thèse se concluent par des exemples d’application de la méthode aux CMC. / Computing the lifetime of woven Ceramic Matrix Composites (CMC) requires evaluating the crack density in the material (which can reach 10 mm-1). Numerical simulations at the mesoscopic scale are needed to precisely estimate it. Embedded Finite Element Methods (EFEM) seem to be the most appropriate to do so. They allow for a discrete representation of cracks with no additional degrees of freedom.We chose to work with an EFEM free from local iterations named the Augmented Finite Element Method (AFEM). Improvements over the original AFEM have been proposed. We also demonstrated that, under one hypothesis, the AFEM and the classical Finite Element Method (FEM) are fully equivalent. We then compare the accuracy of the AFEM and the classical FEM to represent weak and strong discontinuities. Finally, some examples of application of AFEM to CMC are given.