Dans ce travail nous avons développé des modèles de Monte Carlo cinétique d’objets (OKMC) qui ont permis de prédire l'évolution nano-structurelle des amas de lacunes et des auto-interstitiels sous irradiation neutronique, à la température de fonctionnement des réacteurs de génération II dans les alliages Fe-C-MnNi (alliages modèles pour les aciers de cuve) et Fe-Cr-C (matériaux envisagés pour les réacteurs de génération IV). Un véritable acier de cuve venant du programme de surveillance de la centrale nucléaire suédoise de Ringhals a aussi été modélisé. Pour ce faire nous avons développé deux modèles OKMC fondés sur les données les plus actuelles concernant la mobilité et la stabilité des amas de défauts. Les effets des solutés d'intérêt ont été introduits dans nos modèles dans l’hypothèse simplifiée ‘‘d’alliage gris’’, c'est-à-dire que les solutés ne sont pas explicitement introduits dans le modèle, qui ne peut donc pas décrire leur redistribution, mais leur effet est introduit dans les paramètres liés à la mobilité des amas de défauts. A l’aide de cette approche nous avons modélisé diverses conditions de température et de débit de dose ainsi que des études de recuits isochrones d’alliages Fe-C-MnNi. L'origine du durcissement par irradiation neutronique à basse température a également été étudiée et les modèles ont fortement soutenu l'hypothèse selon laquelle les solutés ségrégent sur des boucles interstitielles immobiles, qui agissent donc comme des sites de nucléation hétérogène pour la formation d’amas enrichis en NiSiPCr et MnNi. A chaque fois nos modèles ont été validés par comparaison des résultats obtenus avec les observations expérimentales disponibles dans la littérature. / We developed object kinetic Monte Carlo (OKMC) models that proved able to predict the nanostructure evolution under neutron irradiation in both RPV and F/M steels. These were modelled, respectively, in terms of Fe-C-MnNi and Fe-C-Cr alloys, but the model was also validated against data obtained on a real RPV steel coming from the surveillance programme of the Ringhals Swedish nuclear power plant. The effects of the substitutional solutes of interest were introduced in our OKMC model under the simplifying assumptions of ‘‘grey alloy’’ scheme, i.e. they were not explicitly introduced in the model, which therefore cannot describe their redistribution under irradiation, but their effect was translated into modified parameters for the mobility of defect clusters. The possible origin of low temperature radiation hardening (and subsequent embrittlement) was also investigated and the models strongly supported the hypothesis that solute clusters segregate on immobile interstitial loops, which act therefore as heterogeneous nucleation sites for the formation of the NiSiPCr- and MnNi-enriched cluster populations experimentally, as observed with atom probe tomography in, respectively, F/M and RPV steels. In other words, the so-called matrix damage would be intimately associated with solute atom clusters and precipitates which increase their stability and reduce their mobility: their ultimate effect is reflected in an alteration of the macroscopic mechanical properties of the investigated alloys. Throughout all our work the obtained results have been systematically validated on existing experimental data, in a process of continuous improvement of the physical hypotheses adopted.

L’objectif de ce travail de recherche est de déterminer l’influence de la présence de particules thermoplastiques dans une intercouche sur le comportement mécanique d’un stratifié. L’ajout de cette intercouche entre chaque pli permet d’accroître la ténacité inter-pli, diminuant ainsi le délaminage, principalement lors de chargements hors-plan. Cette thèse se concentre sur les endommagements qui apparaissent suite à des sollicitations dans le plan du stratifié et plus particulièrement la fissuration transverse et le micro-délaminage. En s’appuyant sur des essais mécaniques appropriés, à la fois à l’échelle des particules (essais Compact Tension) et de la structure (essais double entaille), l’interaction entre ces deux endommagements et les particules est mise en évidence. Une analyse numérique locale a été réalisée sur un Volume Elémentaire Représentatif en se basant sur la mécanique de la rupture. Elle a permis d’étudier la sensibilité aux divers paramètres de l’intercouche tels que son épaisseur, sa raideur vis-à-vis de celle de la partie fibreuse du pli et la répartition de ses particules. Les résultats de cette analyse ainsi que l’outil numérique créé pour la réaliser fournissent une aide à la conception des matériaux composite stratifiés. La suite du travail a permis de montrer, après une étape d’identification des paramètres suivie d’une étape de vérification, l’aptitude du méso-modèle issu du laboratoire LMT de l’ENS à prédire le comportement mécanique de plusieurs essais avec des sollicitations dans le plan du stratifié mais également hors-plan. La comparaison systématique des résultats numériques et expérimentaux montre la capacité de ce modèle à prédire le comportement des endommagements des stratifiés avec intercouches. / The aim of this research work is to determine the influence of thermoplastic particles which are inside the interleaf of a laminate on its mechanical behavior. This interleaf between each ply enables the interply toughness to increase and prevents from delamination, especially for out-of-plane loadings. This PhD focuses on damages occurring during in-plane-loading, such as transverse crack and micro-delamination. Appropriate experimental tests have been performed, both at the scale of the particles (Compact Tension) and at the scale of the structure (double notch) in order to describe the interaction between the particles and these two damages. A local numerical study based on fracture mechanics has been performed on a Representative Volume Element. The influence of several parameters of the interleaf, such as its thickness, its stiffness compared to the one the ply and the repartition of the particles was determined. The results of this study constitute a new route towards a material by design of interleaved laminates approach. At the coupon structural scale, the parameters for the simulation using the damage meso model of the laboratory LMT of ENS have been accurately identified. Several experiments for both in-plane and out-of-plane loadings have been simulated using the meso model in order to verify the required model parameters. All experimental results have been compared to the numerical ones, showing that this model is able to describe the damage behavior of interleaved laminates.

Le remodelage osseux est un processus très complexe qui fait intervenir plusieurs phénomènes interdépendants. Ce mémoire de thèse porte sur la modélisation mathématique d'un de ces phénomènes - la mé́canotransduction - et sur les simulations numériques associées. Pour mieux comprendre la nature de l'information que reçoit une cellule afin de reconstruire l'ostéon le mieux adapté aux sollicitations mécaniques locales, plusieurs études ont été réalisées à partir d'une modélisation déjà existante. L'os cortical humain est considéré comme un milieu poreux multi échelle. Trois niveaux architecturaux sont mis en avant et l'utilisation de la théorie de l'homogénéisation permet de déterminer numériquement les tenseurs de perméabilité pour chacun d'eux. Une analyse sur les lois viscoélastiques est développée au niveau nanoscopique. Afin de proposer une explication plausible de la mécanotransduction indépendamment de la localisation dans l'os, une étude permettant de calculer tous les grandeurs physiques existant à une échelle donnée suite à un chargement appliqué à l'échelle macroscopique, a été mise en place. Le seul aspect fluide ne permet pas à la cellule de connaître son environnement et donc d'avoir une réponse cellulaire adaptée. Par contre, cette étude montre que les fibres de collagène, de par leur caractère piézoélectrique, transforment les sollicitations mécaniques existantes dans son entourage en un potentiel électrique auquel la cellule est sensible et peut réagir.

Les travaux que nous présentons dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre des études portant sur le dimensionnement à la fatigue des structures soudées par laser. Ces études sont les résultats d'une collaboration entre PSA Peugeot Citroën et le Laboratoire de Mécanique des Solides de l'école Polytechnique. La technique de soudage par laser devient une méthode d'assemblage de plus en plus utilisée par les constructeurs automobiles, navals, ferroviaires, etc. Elle permet de réaliser des assemblages en utilisant une source laser de forte puissance, donnant des cordons continus plus profonds et de plus faible largeur par rapport à d'autres techniques. Elle améliore donc le temps de soudage, la qualité, les propriétés mécaniques des soudures, et réduit le coût de production et le poids des véhicules. La première partie de cette thèse consiste d'une part à analyser l'influence de certains paramètres du procédé sur la tenue en service des structures soudées par laser, d'autre part en une étude bibliographique sur les méthodes actuelles de dimensionnement des structures soudées. Les limitations de ces dernières ont mis en évidence la nécessité d'une nouvelle méthode pour les structures soudées par laser. La méthodologie proposée s'appuie sur la démarche initiée par Fayard, Bignonnet et Dang Van. Elle se fonde sur la recherche d'un volume élémentaire représentatif et d'une contrainte de dimensionnement déterminée à partir des contraintes moyennées sur ce volume. La contrainte de dimensionnement est utilisée pour estimer la durée de vie à l'amorçage des fissures de fatigue dans les structures soumises à des sollicitations multiaxiales. Pratiquement, dans un calcul d'éléments finis, cette contrainte est déterminée au point critique en utilisant une règle de maillage précise. La deuxième partie de la thèse a pour l'objectif de donner une méthode numérique qui d'une part facilite la mise en oeuvre de la règle de maillage proposée pour les calculs, d'autre part permet la multi-utilisation d'un seul maillage pour des calculs de fatigue et de vibration-acoustique. La solution adoptée est la méthode de calcul multi-échelle Arlequin. Cette dernière permet de calculer les structures modélisées par deux maillages de différentes échelles superposés. Elle présente la facilité d'implémentation et d'utilisation ainsi que la flexibilité, et la possibilité d'automatisation dans la modélisation des structures soudées. Nous présentons dans cette thèse une méthode d'implémentation de la méthode Arlequin dans la plate-forme du code de calcul Abaqus en utilisant des éléments créés par l'utilisateur (User Element). Sa validité est montrée par des calculs en fatigue réalisés sur des sous-structures.

Dans le cadre de l'élasticité linéaire 3D des microstructures complexes qui ne peuvent pas être simplement décrites en terme de constituants telles que des tissus biologiques, nous proposons, dans ce travail de recherche, une méthodologie d'identification expérimentale multi-échelle du champ stochastique d'élasticité apparent de la microstructure à l'échelle mésoscopique en utilisant des mesures de champ de déplacements aux échelles macroscopique et mésoscopique. On peut alors utiliser cette méthodologie dans le cadre de changement d'échelle pour obtenir des propriétés mécaniques à l'échelle macroscopique. Dans ce contexte, la question majeure est celle de l'identification expérimentale par résolution d'un problème statistique inverse de la modélisation stochastique introduite pour le champ d'élasticité apparent à l'échelle mésoscopique. Cette identification expérimentale permet non seulement de valider la modélisation mais encore de la rendre utile pour des matériaux existants ayant une microstructure complexe. Le présent travail de recherche est une contribution proposée dans ce cadre pour lequel l'expérimentation et validation expérimentale basée sur des mesures simultanées d'imagerie de champ aux échelles macroscopique et mésoscopique sont faites sur de l'os cortical

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les matériaux composites sont largement utilisés dans les structures aéronautiques. Les travaux présentés ici visent à mettre en place une méthode de calcul permettant de prédire les délaminages dans ces structures stratifiées soumises à des chargements dynamiques tout en assurant des coûts de calculs compatibles dans un contexte industriel. Une méthode de décomposition de domaine en dynamique est d’abord utilisée, afin de coupler des modélisations et des pas de temps de calcul différents. Une modélisation fine est utilisée uniquement dans les zones en cours de dégradation. Une représentation macroscopique du stratifié par des éléments de coque 3D est développée et employée dans le reste de la structure. Les coûts de calcul sont ainsi réduits tout en assurant une bonne précision des résultats. Pour éviter un remaillage avec l’avancée du délaminage, une approche multi-échelle en temps et en espace est ensuite proposée. Un maillage global de coque 3D de l'ensemble de la structure est défini. Des maillages utilisant une représentation fine du matériau sont utilisés localement. Des pas de temps adaptés sont utilisés dans les deux types de maillage. / The part of composite materials in aeronautic structures is increasing due to their specific properties and the mass reduction they enable. Accurate numerical simulations are thus needed in order to design these structures, particularly to verify if they could resist dynamic charges such as soft bodies impact. Nevertheless, using a refined model to represent phenomenon such as delamination leads to computing time and dofs number incompatible with an industrial context. The aim of the present work is to propose a multi-scale method in space and time to solve dynamic impact problems on laminate structures. A domain decomposition method for dynamic problems is first used to couple different kinds of models and time discretisations. A refined model for the laminate is used in the degradating areas only - elsewhere, a coarser representation using 3D-shell elements is used. This approach reduced the cost of the simulation giving accurate results. To avoid a remeshing due to delamination propagation within the structure, a multi-scale method is then proposed. A global 3D shell elements mesh for the whole structure is defined. Local meshes based on a refined representation of the laminates are used only if required. Coupling between global and local representation is done using velocity field.

L’objectif de ce travail de thèse est l’étude des chocs pyrotechnique à la source par une approche fréquentielle et de leur simulation à l’aide de la TVRC (Théorie Variationnelle des Rayons Complexes). Cette étude s’appuie largement sur un essai réalisé par le CNES dans le cadre du pôle chocs pyrotechniques en juin 2006. Afin de traiter le problème posé par la simulation de la propagation des chocs dans le démonstrateur, la TVRC a été étendue aux coques orthotropes de courbure quelconque. Une formulation variationnelle adaptée a été exhibée et la relation de dispersion a été établie. Les travaux effectués montrent que la prise en compte des moyennes et hautes fréquences, traditionnellement négligées, peut s’avérer essentielle pour la compréhension des phénomènes de propagation des ondes de flexion dans les structures complexes. / This memory is about the study of pyroshocks near the source by a frequency approach and their simulation by the mean of the VCTR (variational Theory of Complex Rays). This study is based on a test made by the CNES (French Space Agency) in the frame of the Pyroshock Pole in june 2006. In order to deal with the problem of shock propagation in the structure on which the test has been proceeded, the VTCR has been extended to orthotropic shells with arbitrary curvature. An adapted variational formulation and the dispersion relation have been established. Taking mid- and high-frequencies into account can be a key point in order to understand propagation phenomena of flexural waves in complex structures.

Les matériaux composites stratifiés sont de plus en plus utilisés dans l'aéronautique, mais ils peuvent être sujets à large délaminage si soumis à impact. La nécessité d'effectuer des simulations numériques pour prédire l’endommagement devient essentielle pour l’ingénieur. Dans ce contexte, l'utilisation d'une modélisation fine semble préférable. En revanche, le coût de calcul associé serait prohibitif pour larges structures. Le but de ce travail consiste à réduire ce coût de calcul, en couplant le modèle fin, restreint à la zone active de délaminage, avec un modèle grossier appliqué au reste de la structure. En raison du comportement transitoire des problèmes d'impact, l'adaptabilité dynamique des modèles pour suivre les phénomènes évolutifs représente un point crucial de la stratégie de couplage. Des méthodes avancées sont utilisées pour coupler différents modèles. Par exemple, la méthode de Décomposition de Domaines, appliquée à l'adaptabilité dynamique, doit être combinée avec une stratégie de remaillage, considérée comme intrusive pour la mise en œuvre d'un logiciel pour Analyse à Eléments Finis. Dans ce travail, les bases d'une approche faiblement intrusive, la méthode de Substitution, sont présentés dans le domaine de la dynamique explicite. Il s’agît d’une formulation globale-locale, conçue pour appliquer un modèle grossier sur tout le domaine pour obtenir une réponse globale: ce pré-calcul est ensuite corrigé itérativement par l'application du modèle raffiné appliqué seulement où nécessaire. La vérification de la méthode de Substitution en comparaison avec la méthode de Décomposition de Domaines est présentée. / Composite laminates are increasingly employed in aeronautics, but can be prone to extensive delamination when submitted to impact loads. The need of performing virtual testing to predict delamination becomes essential for engineering workflows, in which the use of a fine modeling scheme appears nowadays to be the preferred one. The associated computational cost would be prohibitively high for large structures. The goal of this work consists in reducing such computational cost coupling the fine model, restricted to the surroundings of the delamination process zone, with a coarse one applied to the rest of the structure. Due to the transient behavior of impact problems, the dynamic adaptivity of the models to follow evolutive phenomena represents a crucial feature for the coupling. Many methodologies are currently used to couple multiple models, such as non-overlapping Domain Decomposition method, that, applied to dynamic adaptivity, has to be combined with a re-meshing strategy, considered as intrusive implementation within a Finite Element Analysis software. In this work, the bases of a weakly-intrusive approach, called Substitution method, are presented in the field of explicit dynamics. The method is based on a global-local formulation and is designed so that it is possible to make use of the pre-fixed coarse model the meshes the whole structure to obtain a global response: this pre-computation is then iteratively corrected considering the application of the refined model only where required, in the picture of an adaptive strategy. The verification of the Substitution method in comparison with the Domain Decomposition method is presented.

Ce travail de thèse est dédié au développement d’un modèle numérique prédictif du comportement de tissu sec soumis à l’impact à haute vitesse. La capacité d’un modèle numérique à prédire au plus juste des performances balistiques d’un tissu est étroitement liée à la bonne représentation des énergies en jeu et de la dynamique de rupture des plis. Parmi les différentes stratégies adoptées pour modéliser un tissu, les modèles mésoscopiques sont les plus populaires du fait de leur capacité à représenter fidèlement l’évolution de l’impact combinée à un coût de calcul raisonnable ; les torons sont alors traités comme des milieux continus.Pour représenter un ensemble de fibres disjointes comme un milieu continu, un modèle constitutif approprié est nécessaire. Celui généralement adopté est capable de bien représenter les propriétés longitudinales d’un toron mais limitatif pour représenter le comportement de sa section droite. Récemment, différents travaux ont démontré l’importance de la mécanique liée à la section droite d’un toron dans la rupture des tissus. Elle joue un rôle majeur pour aboutir à un modèle numérique prédictif. L’objet de cette thèse est de développer une nouvelle loi constitutive capable de surpasser les limites du modèle linéaire élastique classique tout en maintenant une bonne représentation des propriétés longitudinales du toron et un coût de calcul acceptable.La première étape a été de comprendre les phénomènes physiques et de quantifier en particulier les effets liés à la section droite du toron sur les propriétés balistiques d’un tissu. Pour répondre à cette question, deux modèles numériques à l’échelle microscopique d’un toron de Kevlar soumis à l’impact transverse ont été développés. Les résultats obtenus ont montré que la mécanique de la section droite a des répercussions sur l’initialisation de la rupture du fil mettant en jeu des énergies significatives pendant la première phase d’un impact. La nécessité de prendre en compte les aspects physiques liés à la section droite d’un toron a été finalement confirmée.A partir des résultats précédents, un nouveau modèle constitutif de toron adapté à des applications dynamiques a été développé. Une formulation hyperélastique, précédemment utilisée pour des analyses statiques a été étendue au cas de l’impact et une nouvelle approche multi-échelle a été proposée pour la détermination des paramètres matériaux. La validation de la nouvelle loi a été faite en comparant les résultats obtenus à l’échelle mésoscopique (toron) avec ceux obtenus par les analyses à la micro-échelle (fibre). L’approche proposée est capable de reproduire l’évolution de la section droite du fil pendant l’impact en gardant la bonne représentation de ses propriétés longitudinales.Par la suite, le modèle de toron proposé a été implémenté au niveau du tissu. Les résultats ont confirmé les observations faites à l’échelle du toron. Le modèle de tissu composé par des torons hyperélastiques est capable de représenter correctement la dynamique d’impact , l’évolution des énergies en jeu et la rupture du tissu. La stabilité numérique du modèle a également pu être appréciée.Finalement, le modèle mésoscopique de toron proposé permet une bonne représentation du comportement dynamique et appréhension de la rupture. Il devient ainsi un outil pratique et efficace pour la prédiction des performances balistiques de tissus. / The current thesis work focused on the development of a predictive numerical model of dry fabrics under high velocity impact.A mature bibliography exists on the subject. The impact phenomenon can be essentially resumed as an energy transfer between the colliding object and the fabric layers. The correct prediction of the fabric ballistic performance by a numerical model is related to the correct representation of the fabric energy evolution and its failure dynamic. Different numerical strategies have been proposed to model a fabric under ballistic impact. Mesoscopic numerical models resulted to be the most popular since they provide a realistic representation of the phenomenon for a reasonable computational cost. This is possible thanks to the main assumption of treating yarns as continuous media.In order to represent a discrete fiber bundle as a continuum an appropriate constitutive behavior have to be formulated. The universally adopted constitutive law accurately describes yarns longitudinal properties but it is limited in the representation of their transverse mechanical behavior. Recent studies have demonstrated how this last point is intrinsically related to fabrics failure and multilayer textiles response, then its correct representation becomes a critical point for an accurate model. The goal of the current work has been to provide a new constitutive model which overcome the limitation of the classic linear elastic approach while keeping unaltered its advantages, i.e. low computational costs and accurate description of yarn longitudinal behavior.The first step of this dissertation was to quantify the yarn cross section effects over textile ballistic properties and the phenomena related to this aspect. In order to provide an answer, two microscopic numerical studies of a single Kevlar yarn transversely impacted have been presented. Results showed how yarn transverse mechanical behavior has a role in failure initialization, while its energetic contribution to the global energy balance is not negligible during the first phases of an impact. The importance of a correct representation of the yarn transverse behavior for a predictive fabric numerical model was then confirmed.Starting from the previous microscopic observations, a consistent yarn continuum model for impact applications has been proposed. An hyperelastic formulation previously developed for static applications has been extended to impact analyses and a novel multiscale approach for the determination of all the material parameters has been introduced. The validation of the hyperelastic approach has been performed comparing the results with those obtained at the microscale. Compared to the classical approach, the introduced constitutive law is actually able to reproduce the evolution of the yarn cross section during the impact while keeping a correct representation of the yarn longitudinal properties. Moreover, the proposed formulation provides new physical measurement to exploit the physic behind the impact and new possibilities in terms of failure modelisation.In the final part of the dissertation, the proposed yarn continuum model is introduced at the fabric level. Results confirmed the observation performed at the yarn level. The proposed hyperelastic approach is able to correctly represent the impact dynamic and fabric energies trends. Moreover, it provides more stability and a better representation of the fabric failure compared to linear elastic approach. The proposed hyperelastic constitutive law and the linear elastic one can be adopted for different portion of the same yarn without occurring into model instabilities and providing accurate results.The yarn mesoscopic model developed in the current work offers new possibilities in terms of failure modelisation and post processing tools. These could be used to develop more accurate fabric model and exploit the phenomena behind fabrics and yarns failure mechanic.