La réduction de l’épaisseur des pièces injectées en polymères répond à des objectifs d’allègement, de productivité et de développement durable. Elle peut avoir, parce que mécanismes l’interface polymère/outillage deviennent prépondérants, des effets négatifs sur la qualité du produit fini et les moyens de fabrication à mettre en œuvre. L’optimisation du procédé nécessite d’une part la compréhension de ces mécanismes locaux, d’autre part la proposition de solutions techniques pertinentes aptes à faciliter l’écoulement. Un dispositif expérimental de rhéométrie capillaire en ligne a été développé, permettant d’accéder aux gradients de vitesse très élevés rencontrés dans le procédé de fabrication. Son utilisation, en combinaison avec celle de moyens rhéologiques plus classiques a permis de juger de la pertinence de diverses solutions envisagées pour faciliter l’injection d’un polyéthylène basse densité en parois minces (réduction de la masse moléculaire, addition d’agents glissants, ajout de nanocharges visant à augmenter la rigidité de la pièce finie). La caractérisation rhéologique isotherme a montré l’inefficacité des agents glissants considérés et les limites potentielles de la réduction de masse moléculaire. Elle a en revanche mis en évidence l’intérêt de l’utilisation de nanocharges en termes d’amélioration des propriétés mécaniques et d’aptitude à l’écoulement en parois minces. La validation sur pièces industrielles injectées (en régime anisotherme) conduit à nuancer quelque peu ces conclusions. Dans ce cas, l’utilisation d’une masse moléculaire faible nanorenforcée s’avère plus pertinente, notamment par un mécanisme de concentration de la charge dans la veine fluide / Reducing the wall thickness of the injection moulded polymeric parts meets requirements of lightness, productivity and sustainable development. This may induce poor quality of the final product and issues during processing. Those effects are due to the mechanisms taking place at the polymer/tool which prevail during the flow. Processing optimization requires a better understanding of these local mechanisms and effective technical solutions to facilitate the polymer flow. An original experimental device for online capillary rheometry has been developed, in which very high shear rates, characteristic of the injection moulding process, can be achieved. This device, combined with that data from more traditional rheological characterization allows to evaluate different solutions for improving the injection moulding of a low density polyethylene in thin walls (molecular weight reduction, slip agents, nanoparticles intended for increasing the rigidity of the final part). The isothermal rheological investigation have shown the inefficiency of the lubricating agents considered for this study and the limited potential of the reduction of polymer molecular weight. Nevertheless, it highlighted the interest of adding nanoparticles to the injected polymer to assure an improvement of the mechanical properties and for varying the flow property in thin walls. The validation of this method on industrial injected parts (anisothermal mode) offered some finer conclusions. In particular, the use of nanocomposites based on low molecular weight polymers seems more relevant, in particular due to a concentration mechanism of the nanoparticles in the fluid vein.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique : Villeneuve d'Ascq, Ecole centrale de Lille : 2006. / Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Thèses (M.Sc.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2002. / Titre de l'écran-titre (visionné le 30 août 2006). Publié aussi en version papier.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le contexte des vibrations d'usinage et plus spécialement des parois minces, typiques des pièces de structure aéronautique. L'objectif est de contribuer à la maîtrise des phénomènes vibratoires à la fois au niveau théorique et pratique.<br />Nous avons identifié plusieurs voies de recherche visant : l'extension des méthodes classiques utilisant les « lobes de stabilité », la modélisation des phénomènes transitoires intervenant pendant une même passe d'usinage et enfin l'utilisation de la variation continue de la vitesse de rotation de l'outil.<br />La généralisation du tracé des lobes de stabilité sur une pièce à paroi fine, avec un comportement vibratoire très riche, impose l'ajout d'une troisième dimension permettant de prendre en compte les évolutions des paramètres au cours de l'usinage. Cette démarche permet l'amélioration notable d'une opération d'usinage. Cependant, certaines phases sont impossibles à optimiser et présentent un comportement très complexe, difficile à modéliser en pratique. La troisième partie porte sur le développement d'un modèle numérique relativement simple, permettant de prendre en compte tous les aspects, jugés indispensables à la modélisation de parois minces. L'utilisation de ce modèle temporel permet notamment d'interpréter les états de surface évolutifs, très souvent observés sur les passes d'usinage, mais rarement expliqués dans le détail, à notre connaissance.<br />La dernière partie présente l'étude et la mise au point d'une solution de réduction des vibrations régénératives, par une variation continue de la vitesse de rotation de la broche. Cette méthode apporte des gains importants en usinage grande vitesse, notamment dans la zone du « flip lobe ». Cependant, elle peut faire apparaître des vibrations transitoires, à l'échelle de la période de variation, qui réduisent son efficacité.

Reproduction de : Habilitation à diriger des recherches : Sciences mathématiques. Mécanique : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 486. Textes en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. [117]-127.

Dans le cadre linéaire, les modèles de Mindlin-Reissner pour les plaques épaisses et de Naghdi pour les coques épaisses sont les plus utilisés. Il est connu que la discrétisation par éléments finis de ces modèles conduit à un phénomène de verrouillage numérique quand l’épaisseur tend vers zéro. Il s’agit du verrouillage en cisaillement dans le cas des plaques et du verrouillage en cisaillement et en membrane dans le cas des coques. Il existe quelques éléments finis qui permettent d’éviter ces difficultés ou du moins de les réduire. L’élément DKMQ pour les plaques et sa version DKMQ24 pour les coques, sont des éléments de bas ordre, basés sur une formulation mixte, qui ont été proposés il y a quelques années afin d’éviter ces phénomènes de verrouillage. Dans cette thèse, on s’est attaché à évaluer numériquement les performances de ces éléments. Outre les cas tests classiques, on s’est focalisé sur l’analyse de la condition inf-sup discrète pour l’élément DKMQ. Nous avons étudié également le test de la s-norme proposé par Bathe, pour l’élément DKMQ24. Enfin, nous avons effectué une analyse d’erreur a posteriori pour les éléments DKMQ et DKMQ24, en utilisant l’estimateur d’erreur Z2 (dû à Zienkiewicz et Zhu), associé aux techniques de recouvrement de la moyenne, de projection ou encore SPR. Les résultats obtenus ont permis de quantifier les performances de ces deux éléments finis pour les problèmes de verrouillage, et d’en dégager les limites. Deux applications importantes de ces éléments DKMQ et DKMQ24 ont été ensuite présentées, la première concerne la simulation des poutres à parois minces à section ouverte et la seconde le calcul des plaques composites. / In the linear case, the Mindlin-Reissner model for thick plates and the Naghdi model for thick shells are commonly used. The finite element discretization of these models leads to numerical locking phenomenon when the thickness approaches zero : shear locking for plates and both shear and membrane locking for shells. There are some finite elements that could reduce or even eliminate this phenomenon. DKMQ element for plates or DKMQ24 element for shells, are low-order elements, based on a mixed formulation, introduced a few years ago to prevent the numerical locking phenomenon. In this thesis, we concentrated on numerical evaluation of the performance of these elements. Besides the classical benchmark tests, we also focused on the analysis of discrete inf-sup condition for DKMQ element. We studied the s-norm test proposed by Bathe for DKMQ24 element. Finally, we performed a posteriori error estimation for DKMQ and DKMQ24 elements, using the error estimator Z2 (proposed by Zienkiewicz and Zhu), associated with the averaging, projection or SPR recovery methods. The results obtained have enabled us to quantify the performance of these two finite elements for locking problems, and to identify their limits. Two important applications of these elements DKMQ and DKMQ24 were then presented ; the first one concerns thin-walled beams with open cross-section and the second one composite plates.

Le but final de cette thèse est la proposition dune technique de résolution du problème du sixième degré de liberté des méthodes de bandes finies et déléments finis de plaque et de coque surbaissée déformable en cisaillement (le problème de rotation dans le plan) et de lappliquer dans la formulation des bandes finies et des éléments finis afin danalyser le comportement des structures à parois minces. Tout dabord, le présent travail introduit les caractéristiques des profils à parois minces tels que formes de la section, nuances dacier et imperfections initiales de type géométrique (défaut de rectitude, de planéité), structural (contraintes résiduelles) ou matériel (écrouissage). Ceux-ci sont nécessaires aux analyses ultérieures. Ensuite, une étude bibliographique aborde les méthodes de calcul des barres à parois minces tant analytiques que semi-empiriques ou numériques. Les méthodes analytiques ont été basées sur les théories de VLASOV et de BENSCOTER et une méthode intitulée Generalized Beam Theory développée par SCHARDT avec ses collègues depuis le début des années 1970 en Allemagne. Les méthodes semi-empiriques tiennent compte de linfluence du voilement sur le comportement global par le concept de largeur et de section effectives. Les méthodes numériques sont la méthode des éléments finis de type plaque, de type coque et la méthode des bandes finies. Puis, une technique originale est proposée avec succès pour introduire dans les relations standard déformation-déplacement des théories des plaques et des coques surbaissées, la rotation dans le plan pour assurer la conformité des variables nodales rotatives aux jonctions spatiales. Lapplication de cette technique sert à mettre au point les bandes finies et les éléments finis de type plaque et coque surbaissée. Il est proposé un programme déléments finis, nommé FENALYSE, qui est capable danalyser la linéarité, la non-linéarité et le flambement des structures à parois minces qui sont composées ou peuvent être modélisées par plaques planes et coques surbaissées. Tandis que les bandes finies ne sont développées que pour calculer le flambement des profils à parois minces qui sont simplement appuyés et un programme intitulé FLAMBANDE est proposé. Les verrouillages de cisaillement et de membrane sont éliminés par la technique dintégration réduite. La description lagrangienne actualisée est utilisée dans lanalyse non-linéaire. Les éléments finis de type plaque et de type coque surbaissée permettent de considérer, entre autre, les phénomènes inhérents aux profils à parois minces tels que la torsion non uniforme avec gauchissement, la distorsion de la section, les phénomènes dinstabilité couplées, la plasticité, les contraintes résiduelles, les imperfections locales et globales, le changement de la limite délasticité sur la section. Plusieurs exemples numériques tant académiques que pratiques sont réalisés afin de montrer la fiabilité de ces éléments finis.

Although it offers a wide variety of interesting properties such as fire resistance or durability, stainless steel has been used in limited amount in structures. It is a known fact that the design rules don't properly account for the additional benefits of stainless steel properties and are largely based on the specifications for carbon steel. Indeed, a number of similarities exist between stainless steel and ordinary carbon steel but there is sufficient differences to afford a specific treatment in design standards. And since stainless steel is an expensive material, it is important to accurately predict the resistance of structural members. The present research work is dedicated to the study of cold-formed stainless steel profiles. It actually follows the life of a stainless steel construction element and falls on three fundamental topics: the material behavior, the through-thickness residual stress distribution and mechanical enhancement due to the cold-forming process and, last, the strength of concentrically compressed thin-walled columns. Firstly, several constitutive models are characterized such as Teodosiu-Hu's micro-structural based hardening model, capable of predicting the behavior of the studied stainless steel grade submitted to biaxial loading causing plastic strain. This model accounts for the nonlinear hardening behavior, the anisotropy, the Bauschinger effect and more complex behavior such as the observed work-hardening stagnation under reversed deformation at large strains. For this purpose, a collection of tests is carried out including multiaxial tests such as tensile-shear tests and successive simple shear tests and plane-strain tests. Secondly, the effects of the forming process on the mechanical properties are studied. To begin with, on the basis of the constitutive models developed previously, an analytical method that calculates the biaxial residual stress distribution in the walls and in the corners of cold-formed profiles is established. Based on the conclusions drawn from this theoretical analysis, a new formula for the evaluation of the actual mechanical properties is established. This formula is not restricted to a single alloy or type of cross-section. Current design standards are then used to calculate the strength of lipped-channel section columns failing by combined distortional and overall flexural-torsional buckling and the results are compared to tests. Indeed, full-scale tests on cold-formed stainless steel lipped channel section columns were achieved in the Structures Laboratory of the University of Liège. And, once verified against the test results, finite element models were used to generate additional results when necessary. The author then presents a new Direct Strength Method taking into account this phenomenon. Finally, a wide amount of reference results are gathered from the literature, without limiting oneself to any kind of cross-section or stainless steel grade. This database is used to propose an improved formulation for the design of stainless steel thin-walled section columns failing by distortion, local or combination of local and overall buckling in the low slenderness range.

The considerable progress in the research and development of thin-walled beam structures responds to their growing use in engineering construction and to their increased need for efficiency in strength and cost. The result is a structure that exhibits large shear strains and important non uniform warping under different loadings, such as non uniform torsion, shear bending and distortion.<p><p>A unified approach is formulated in this thesis for 3D thin walled beam structures with arbitrary profile geometries, loading cases and boundary conditions. A single warping function, defined by a linear combination of longitudinal displacements at cross sectional nodes (derived from Prokic work), is enhanced and adapted in order to qualitatively and quantitatively reflect and capture the nature of a widest possible range of behaviors. Constraints are prescribed at the kinematics level in order to enable the study of arbitrary cross sections for general loading. This approach, differing from most published theories, has the advantage of enabling the study of arbitrary cross sections (closed/opened or mixed) without any restrictions or distinctions related to the geometry of the profile. It generates automatic data and characteristic computations from a kinematical discretization prescribed by the profile geometry. The amount of shear bending, torsional and distortional warping and the magnitude of the shear correction factor is computed for arbitrary profile geometries with this single formulation.<p><p>The proposed formulation is compared to existing theories with respect to the main assumptions and restrictions. The variation of the location of the torsional center, distortional centers and distortional rotational ratio of a profile is discussed in terms of their dependency on the loading cases and on the boundary conditions.<p><p>A 3D beam finite element model is developed and validated with several numerical applications. The displacements, rotations, amount of warping, normal and shear stresses are compared with reference solutions for general loading cases involving stretching, bending, torsion and/or distortion. Some examples concern the case of beam assemblies with different shaped profiles where the connection type determines the nature of the warping transmission. Other analyses –for which the straightness assumption of Timoshenko theory is relaxed– investigate shear deformation effects on the deflection of short and thin beams by varying the aspect ratio of the beam. Further applications identify the cross sectional distortion and highlight the importance of the distortion on the stresses when compared to bending and torsion even in simple loading cases. <p><p>Finally, a non linear finite element based on the updated lagrangian formulation is developed by including torsional warping degrees of freedom. An incremental iterative method using the arc length and the Newton-Raphson methods is used to solve the non linear problem. Examples are given to study the flexural, torsional, flexural torsional and lateral torsional buckling problems for which a coupling between the variables describing the flexural and the torsional degrees of freedom occurs. The finite element results are compared to analytical solutions based on different warping functions and commonly used in linear stability for elastic structures having insufficient lateral or torsional stiffnesses that cause an out of plane buckling. <p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished