Ces travaux s’attachent à décrire et quantifier les mécanismes de ruptures des compositestissés 3D sous chargement de traction quasi-statique et à mettre en place une méthode de simulationnumérique adaptée et robuste, pouvant à terme être appliquée en bureau d’études.Dans cette optique, une étude expérimentale a été menée afin de quantifier la propagation defissures dans ces matériaux. Celle-ci a permis de mettre en place un scenario de rupture, entirant parti de la multi-instrumentation des essais. L’étude a également été effectuée sur deséprouvettes de géométries et de tailles variées et a mis en évidence d’importantes variations dutaux de restitution d’énergie avec les conditions d’essai. Un formalisme d’analyse et de modélisationintroduisant des longueurs internes a ensuite été présenté et adapté aux mécanismes derupture des composites tissés 3D. Ce formalisme est étayé par la recherche des mécanismes àl’aide de l’analyse des faciès de rupture. Les longueurs introduites ont ainsi été mises en relationavec les paramètres du tissage. Une méthode d’identification des paramètres a été proposée etles conséquences de ce comportement sur le dimensionnement de pièces composites discutées.Enfin, le transfert de ces résultats a été effectué vers des simulations numériques robustes. Desméthodes de régularisation des modèles d’endommagement continu ont été présentées et évaluéesà l’aune de leur capacité à assurer, d’une part, la robustesse des résultats et, d’autre part,la bonne retranscription des effets d’échelle expérimentaux. La prise en compte de ces considérationsnumériques et physiques nous a amené à proposé un modèle d’endommagement Non-Local.Une méthode d’identification des paramètres et de la longueur interne à partir des données expérimentalesa été proposée. / This work aims to describe and quantify the failure mechanisms of 3D woven composites underquasi-static tensile loading and to implement an adapted and robust numerical simulationmethod, that can be applied in industry. To this end, an experimental study was carried out toquantify the propagation of cracks in these materials. Thus, a crack propagation scenario wasestablished, thanks to the multi-instrumentation used during the tests. The experimental campaignwas carried out on specimens of various geometries and sizes and highlighted significantvariations in the fracture toughness with the test conditions. A modelisation framework introducinginternal lengths was then presented and adapted to 3D woven composites. This frameworkis supported by the identification of the failure mechanisms subsequent to the analysis of thecrack profile. The introduced lengths were thus related to the weaving parameters. A method foridentifying the parameters was proposed and the consequences of this behaviour on the designof the composite parts discussed. Finally, these results were transferred to robust numerical simulations.Regularisation methods of continuous damage models were presented and evaluatedin terms of their ability to ensure, on the one hand, the robustness of the results and, on theother hand, the correct transcription of experimental size effects. Taking into account these numericaland physical considerations led us to propose a Non-Local damage model. A method foridentifying the parameters and the internal length on experimental data was proposed.

Les CMC oxyde/oxyde sont de bons candidats pour des applications thermostructurales. Le comportement mécanique et les mécanismes d’endommagement de deux composites alumine/alumine à renforts tissés bi- et tridimensionnels ont été étudiés et comparés. La microstructure de ces CMC à matrice faible a été caractérisée à partir de porosimétrie et de CND, tel que thermographie IR, scan ultrasonore et tomographie X, ce qui a permis de mettre en évidence la présence de défauts initiaux. Le comportement mécanique en traction, ainsi qu’en compression dansle cas du CMC à renfort bidimensionnel, dans la direction des fibres ainsi que dans la direction ±45°, aété étudié à température ambiante. Afin d’exploiter pleinement ces essais, nous avons eu recours à plusieurs méthodes d’extensométrie et de suivi d’endommagement, telles que la thermographie IR et l’émission acoustique. Les propriétés mécaniques à rupture ainsi que le module de Young du CMC à renfort bidimensionnel développé à l’Onera se sont avérées supérieures à celles disponibles dans la littérature. Les mécanismes d’endommagement des matériaux ont été déterminés à partir d’observations post mortem au MEB et d’essais in situ dans un MEB, ce qui a permis d’évaluer la nocivité des défauts initiaux. Enfin, l’étude du comportement mécanique de ces composites a permisde proposer un modèle d’endommagement tridimensionnel qui permettra de poursuivre le développement de ces matériaux grâce à du calcul de structure. A l’issue de cette thèse, des pistes d’amélioration des procédés d’élaboration et de choix d’instrumentation à utiliser pour les futures études, notamment en ce qui concerne le suivi d’endommagement, ont également été proposées. / Oxide/oxide CMCs are good candidates for thermostructural applications. Themechanical behaviour and damage mechanisms of two alumina/alumina composites with two andthree dimensional woven reinforcements were studied and compared. The microstructure of theseweak matrix CMCs was characterized by porosimetry and NDT methods, such as IR thermography,ultrasound scanning and X-ray tomography, which highlighted initial defects. The mechanicalbehaviour was studied through tensile tests, as well as compression tests in the case of the twodimensionalreinforced CMC. These tests were conducted at room temperature, in the fibres directionsand in the ±45° direction. In order to fully exploit these tests, several extensometry and damagemonitoring methods, such as IR thermography and acoustic emission, were used. Young’s moduli andmaximum stresses and strains of the two-dimensional reinforced CMC developed at Onera appearedto be higher than those available in the literature. The damage mechanisms of the materials weredetermined by post mortem SEM observations and in situ testing in a SEM, which made it possible toassess the nocivity of initial defects. Studying the mechanical behaviour of these composites finallyenabled the development of a three-dimensional damage model that will facilitate the furtherdevelopment of such materials, through finite element analysis. Finally, some improvements regardingthe manufacturing processes and the instrumentation for damage monitoring were suggested forfuture studies.

L'objectif de ce travail est la mise en oeuvre de la mécanique de la rupture et d'un modèle d'endommagement afin de vérifier l'intégrité du réservoir cryotechnique d'ARIANE 5 en présence de défauts. Ces derniers sont généralement assimilés à des fissures surfaciques semi-elliptiques. L'approche globale basée sur l'analyse FAD fournit une prédiction trop conservative lorsque cette méthode utilise le facteur d'intensité K et la ténacité KIc. Ce conservatisme peut toutefois être partiellement levé à condition d'introduire la notion d'intégrale J et d'utiliser une ténacité dérivée de la courbe JR - ∆a afin d'autoriser une légère avancée de la fissure dans le cas d'un matériau ductile. Cette courbe JR - ∆a s'obtient à partir d'essais sur des éprouvettes fissurées de différentes géométries (CT, SENT et SCT). L'approche locale de la rupture constitue cependant la seule alternative possible afin de statuer sur l'acceptabilité d'un défaut suffisamment important pour générer une plasticité étendue. Cette approche nécessite alors de décrire précisément les champs de contrainte et déformation en pointe de fissure. Par conséquent il est nécessaire de tenir compte du caractère anisotrope de la plasticité, lié au procédé de laminage, lors de la modélisation du comportement élasto-plastique del'alliage d'aluminium 2219 T87. Dans cette étude un critère phénoménologique est utilisé pour modéliser la plasticité dont l'anisotropie est décrite par différents coefficients. L'optimisation de ces paramètres repose sur la comparaison entre les résultats issus de simulations numériques et ceux obtenus par des essais sur des éprouvettes lisses et entaillées. L'approche local de la rupture repose également sur la compréhension des micromécanismes de rupture. L'alliage d'aluminium 2219 T87 étudié dans le cadre de cette thèse présenteune rupture ductile dont la phase de germination s'effectue sur les inclusions Al2Cu et constitue le mécanisme prépondérant de la rupture. L'endommagement est modélisé par le modèle de Gurson modifié par Needleman et Tvergaard (GTN). L'anisotopie de rupture est simulée par deux lois de germination différentes selon le sens de laminage et le sens transverse. / The purpose of this work is to use fracture mechanics and damage model to assess the structural integrity of the ARIANE 5 tank containing defects. These flaws are usually assumed to be semi-elliptical surface cracks.This situation can be analysed using the FAD (Failure Assessment Diagram) approach. This method is based on the stress intensity factor K and a material fracture toughness (Kmat) which can be the plane strain fracture toughness (KIC) for a conservative prediction. A more realistic prediction is achieved by employing the integral J and a material parameter derived from crack resistance curve JR - ∆a . This curve is obtained by using cracked test samples with different geometries (CT, SENT and SCT). The local approach to fractureis an alternative method to assess failure in particular in the case of large scale plasticity. In this case, the previous method is not able to give accurate predictions. Analyses based on local approach concepts requirean accurate evaluation of strain and stress fields near the crack tip. It is therefore important to take plastic anisotropy into account to model the plastic behavior of the rolled sheets. In this work this is done using amacroscopic phenomenological model. The parameters of this model are determined by minimizing of the difference between the simulation results and the test measurements for smooth and notched tensile test samples. The local approach to fracture is also based on the understanding of the failure micromechanismsof materials. Ductile fracture of metallic materials can be described as a three stage process. The first is void initiation at inclusions, the second is void growth and the third is void coalescence. Nucleation of defectsat Al2Cu inclusions is the main damage mechanism. In this work, the proposed model for ductile fracture is based on the Gurson model modified by Needleman and Tvergaard (GTN). This model is extended to account for fracture anisotropic by considering two nucleation gaussian laws respectively for rolling andtransverse directions.

Les céramiques sont couramment utilisées depuis les années 1960 comme matériaux constitutifs de blindages. En effet, grâce à leurs très bonnes propriétés physiques et mécaniques, elles permettent, pour un même niveau de protection, un gain de masse important par rapport aux blindages métalliques. Cependant, la microstructure d’une céramique peut avoir une forte influence sur sa résistance à l’impact. Le but de cette thèse est, à partir d’essais de caractérisation et en se basant sur l’utilisation de quatre nuances de carbure de silicium présentant des microstructures différentes, d’éclaircir les liens entre microstructure et performance à l’impact. Les campagnes expérimentales de compression dynamique et d’écaillage sont basées sur une utilisation innovante du moyen GEPI installé au CEA Gramat. Pour l’étude du comportement en compression dynamique des céramiques, il a permis d’utiliser la technique d’analyse lagrangienne et ainsi de remonter à l’évolution de la résistance des matériaux au cours du chargement. Pour les essais d’écaillage, il a permis, entre autres, une étude de la sensibilité à la vitesse de déformation de la résistance en traction dynamique. La caractérisation de la fragmentation dynamique est quant à elle basée sur des essais d’impact sur la tranche. Un essai innovant d’impact sur céramique préalablement fragmentée a également été dimensionné et réalisé. Ces différents essais expérimentaux ont permis de mettre en évidence et de comprendre l’influence de la microstructure du matériau sur son comportement face aux différents types de sollicitations. L’ensemble des résultats expérimentaux a été comparé à des simulations numériques permettant de valider les lois de comportement utilisées. Le modèle de fragmentation des matériaux fragiles DFH (Denoual-Forquin-Hild) a ainsi montré de très bonnes capacités à simuler le comportement des céramiques sous chargement de traction dynamique (écaillage et fragmentation) / Since the sixties, ceramics are commonly used as armour materials. Indeed, thanks to their interesting physical and mechanical properties, they allow a significant weight benefit in comparison to monolithic steel plate armours. However, the microstructure of the ceramic may have a strong influence on its penetration resistance. Based on characterisation tests and on the use of four silicon carbide grades, this work aims to highlight the links between the microstructure and the ballistic efficiency. Experimental compressive and spalling tests are based on the use of the GEPI device. For studying the compressive dynamic behaviour, it allows using the lagrangian analysis method and characterising the yield strength of the material. For studying the tensile dynamic behaviour, it allows assessing the strain-rate sensitivity of the spall strength. An analysis of the fragmentation process is performed based on Edge-On Impact tests. Moreover, an innovating impact test on fragmented ceramics has been designed and performed. The different experimental results allow a better understanding of the influence of the ceramic microstructure on its behaviour under the different loadings. All the experimental data have been compared to numerical results allowing validating the constitutive models. The DFH (Denoual-Forquin-Hild) damage model of brittle materials showed very good capacities to simulate the tensile dynamic behaviour of ceramics (spalling and fragmentation)

Dans cette thèse, plusieurs approches de modélisation de composites renforcés par des fibres sont proposées. Le matériau étudié est le béton fibré, et dans ce modèle, on tient compte de l’influence de trois constituants : le béton, les fibres, et la liaison entre eux. Le comportement du béton est analysé avec un modèle d’endommagement, les fibres d'acier sont considérées comme élastiques linéaires, et le comportement sur l'interface est décrit avec une loi de glissement avec l’extraction complète de la fibre. Une approche multi-échelle pour coupler tous les constituants est proposée, dans laquelle le calcul à l'échelle macro est effectué en utilisant la procédure de solution operator-split. Cette approche partitionnée divise le calcul en deux phases, globale et locale, dans lesquelles différents mécanismes de rupture sont traités séparément, ce qui est conforme au comportement du composite observé expérimentalement. L'identification des paramètres est effectuée en minimisant l'erreur entre les valeurs calculées et mesurées. Les modèles proposés sont validés par des exemples numériques. / In this thesis, several approaches for modeling fiber-reinforced composites are proposed. The material under consideration is fiber-reinforced concrete, which is composed of a few constituents: concrete, short steel fibers, and the interface between them. The behavior of concrete is described by a damage model with localized failure, fibers are taken to be linear elastic, and the behavior of the interface is modeled with a bond-slip pull-out law. A multi-scale approach for coupling all the constituents is proposed, where the macro-scale computation is carried out using the operator-split solution procedure. This partitioned approach divides the computation in two phases, global and local, where different failure mechanisms are treated separately, which is in accordance with the experimentally observed composite behavior. An inverse model for fiber-reinforced concrete is presented, where the stochastic caracterization of the fibers is known from their distribution inside the domain. Parameter identification is performed by minimizing the error between the computed and measured values. The proposed models are validated through numerical examples.