Le dimensionnement par analyse des équipements sous pression est encadré par des règles normalisées. Deux méthodologies s’opposent : une méthode de classification des contraintes élastiques, et une méthode élastoplastique basée sur les théorèmes d’analyse limite et d’analyse d’adaptation. La première a été mise au point dans les années 1960 et devient obsolète par rapport aux besoins technologiques et aux capacités de calcul actuelles, tandis que la seconde souffre de problèmes d’applicabilité.Le travail de thèse effectué a consisté dans un premier temps en une étude bibliographique, qui s’est penchée sur les aspects législatifs de ce secteur et sur les règles et critères de dimensionnement communément appliqués. Parmi les modes de ruine identifiés, deux d’entre eux – déformation excessive et déformation progressive – se sont détachés par leur importance. Ainsi, des méthodes directes prémunissant contre ces derniers, actuellement développées en laboratoires de recherches, ont été étudiées, implémentées, mises au point, et les critères de dimensionnement ont été ajustés afin de tenir compte des marges réglementaires. Différentes voies ont été explorées : l’analyse cyclique directe, l’ajustement de limite d’élasticité, ainsi que la compensation élastique.Par suite, les différentes méthodes ont fait l’objet d’études comparatives, portant sur leur précision, le temps de calcul qu’elles requièrent, ainsi que la relation entre ces deux grandeurs. Les modèles utilisés ont été variés, de cas académiques simples à une structure réelle, et ont permis de dégager des tendances, reliant l’intérêt de l’emploi d’une procédure à la complexité d’un problème à traiter. / Design by analysis of pressure vessels is placed within guidelines. Two methodologies are currently considered in international standards. The first one was proposed in the 60’ : it considers an elastic stress classification, depending on the nature of loads. It nowadays suffers from obsolescence, as technological demand and computational facilities increased considerably. The – much more recent – second one deals with elastoplastic calculations : it is based on limit and shakedown analysis theory, but causes applicative difficulties. The work achieved in this thesis begins with a state of the art, dealing with legal aspects of this industry, and detailing commonly-applied design rules and criteria. Several failure modes were identified, and the study focuses on two of them : gross plastic deformation and ratchet. Direct methods were selected for their relevance toward design considerations. Currently developed in research labs, they were studied, implemented, tested, and criteria were modified so as to take into account safety margins. Three solutions were explored : direct cyclic analysis, yield modification, and elastic compensation. For comparison purposes, methodologies were evaluated on academic and realistic cases. Accuracy and computational time were measured, along with the relation between these datas. Trends could be established, relating the pertinent use of a methodology to a problem complexity.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'étude de l'effet de l'identification des paramètres matériau sur la prévision du comportement cyclique. Une étude de l'effet de la pré-déformation sur la réponse du matériau vis à vis le rochet est aussi présentée. Pour cela deux types d'expériences ont été menés au sein de l'équipe Mécanique du Groupe de Physique des Matériaux (GPM, UMR 6634) à l'INSA de Rouen sur un acier inoxydable de type 304L : Les essais EXP1 contenant des essais à déformation imposée axiale et multiaxiale et des essais de rochet en une et deux phases. Ces essais sont tirés de la littérature et nous ont servi de base de donnée pour la réalisation des différentes étapes de l'identification. Les essais EXP2 contenant des essais de rochet après déformation imposée.Ils sont réalisés dans le cadre de cette étude et permettent l'étude de l'effet de la pré déformation sur le phénomène de rochet. L'identification des paramètres est faite''automatiquement'' avec une méthode d'optimisation en utilisant des bases de données à complexité croissante. Les paramètres identifiés sont ensuite injectés dans des simulations qui seront superposées avec les courbes expérimentales. L'ensemble des simulations est fait avec le code de calcul Zébulon avec le choix du modèle de Chaboche. Les résultats obtenus montrent l'effet de la pré déformation sur le rochet selon les histoires, les mêmes conditions à contraintes imposées peuvent mener à différents comportements cycliques : Elastique et adaptation plastique dans d'autre cas. La pré-déformation précédente peut également mener à l'anisotropie du matériau conduisant à un faible rochet sous traction compression avec une contrainte moyenne nulle !L'étude précise également l'importance de la base de données expérimentale utilisée pour l'identification de paramètres. Le choix des essais devrait étroitement être lié aux équations constitutives du modèle choisis . À savoir, la présence des essais à déformation imposée non proportionnelle peut être non appropriée si le modèle ne peut pas tenir compte explicitement d'un tel caractère.

Dans une approche de dimensionnement en fatigue basée sur un critère multiaxial, les paramètres d’entrée ducritère (contraintes, déformations, termes énergétiques) sont généralement calculés sur un état stabilisé. Dans lesmétaux, il s’agit souvent du premier cycle, en supposant que le matériau se comporte élastiquement ou présente desprocessus de plasticité très localisés. Dans les matériaux viscoélastiques comme les polymères, l’évolutionsignificative de la raideur en début de cyclage soulève la question de la stabilisation du cycle sur lequel lesparamètres mécaniques devraient être calculés. Un enjeu majeur est donc de définir et prédire cet état stabilisé, c’està dire non seulement l’évolution de la déformation moyenne qui accompagne le cyclage mais aussi la bouclestabilisée elle-même et les contributions énergétiques pertinentes. Pour être applicable à des structures, le modèledoit conserver un formalisme aussi maniable que possible.Dans cette étude, réalisée sur les 1000 premiers cycles de la vie d’un polyéthylène, il est montré, par des essaisde recouvrance, que la contribution viscoélastique à l’évolution de la déformation moyenne est majoritaire. Unintérêt particulier est donc porté à la caractérisation expérimentale et à la modélisation macroscopique de cet aspectdu comportement.La première partie du travail est menée dans un cadre purement mécanique. L’accumulation cyclique estétudiée expérimentalement au cours des premiers 1000 cycles à force contrôlée et faible fréquence, à la températureambiante. L’influence de la fréquence et du rapport de charge sur la réponse viscoélastique est étudiée. Lacomparaison d’essais de traction et de cisaillement de type Iosipescu permet de discuter les parts volumique etdéviatorique. Un modèle viscoélastique non linéaire isotherme en petites déformations est proposé dans le cadre dela Thermodynamique des Processus Irréversibles.Dans la deuxième partie, l’étude expérimentale et théorique est étendue au cadre thermo-mécanique. Latempérature est en effet intrinsèquement couplée à la viscoélasticité dans les polymères ; cet effet peut conduire àdes auto-échauffements importants. Les mêmes essais de traction et cisaillement sont réalisés par le LMGC deMontpellier avec une métrologie différente : la mesure de champs de température et déformation au cours de l’essaipermet de calculer les différents termes de l’équation de diffusion de la chaleur et d’accéder aux sources de chaleur.Ces résultats expérimentaux sont analysés et confrontés à une extension du modèle thermo-viscoélastique dumodèle dans laquelle le couplage est introduit via la thermo-élasticité (par la déformation volumique) et via ladissipation visqueuse (sur la base du principe d’équivalence temps-température). / Fatigue design approaches based on fatigue life criteria require as an input mechanical parameters (stress orstrain components or equivalent measurements, energetic terms) usually calculated over the first cycle, assumingthat the material behaves elastically or exhibits highly localized plasticity processes. In viscous materials likepolymers, such approaches raise the question of the stabilization of the cycle over which the mechanical parametersshould be computed. The challenge is not only to predict the ratcheting strain but also the stabilized loop itself andthe relevant energetic contributions, within a formalism as simple as possible to be used for structure simulations.In this study conducted in polyethylene, a special interest is paid on the viscoelastic contribution, expected tohighly contribute in the low stress range of high-cycle fatigue. A challenge is to accurately capture two time scales,i.e. the long term scale of strain ratcheting and the short term scale of the cycle itself.In the first part, cyclic accommodation is experimentally investigated over the first thousand cycles of forcecontrolledtests at room temperature. Viscoelasticity tackles in a specific way the frequency and mean stresssensitivity which are both varied in the experiments. Viscoelasticity also questions the volume / deviator partition:tension and shear tests are compared to highlight this point.After establishing from recovery tests that viscoelasticity mainly contributes to the ratcheting strain in bothexperiments series, a small-strain non-linear viscoelastic model is proposed in the framework of Thermodynamicsof Irreversible Processes. The aim is to capture the ratcheting strain evolution and recovery kinetics, as well as thestabilized loop area and dynamic modulus. The mean strain kinetics and non-recoverable term appearunderestimated, due to the fact that inelastic strain parts are not taken into account in the model. On the other hand,the loop area and rigidity are reasonably predicted.Volume / deviatoric contributions are on two counts an open issue, because of their different contribution tothermoelastic coupling. Thermo-mechanical coupling is examined in the last part of the presentation, by couplingthe above described model to temperature and analyzing the resulting heat sources evolution.

Les pièces de châssis automobile sont dimensionnées pour résister à l'amorçage des fissures de fatigue sous les chargements d'amplitude variable qu'elles supportent en service. Des surcharges incidentelles appartenant au domaine de la fatigue oligocyclique, peuvent toutefois arriver dans la vie d'une automobile (nid de poule, montée d'un trottoir à vive allure). L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence de telles surcharges sur la résistance à l'amorçage de fissures de fatigue dans le domaine de la fatigue à grand nombre de cycles (de 100.000 à 10.000.000 de cycles). L'objectif industriel à moyen terme est le développement d'une méthode de dimensionnement en fatigue permettant une prise en compte réaliste de ces surcharges. Face à la faible quantité de travaux expérimentaux trouvés sur les interactions fatigue oligocyclique/fatigue à grand nombre de cycles '', une base de données a été constituée grâce à une campagne d'essais réalisée sous différents cas de chargements réalistes d'amplitude constante et variable, avec et sans surcharges, sur des éprouvettes entaillées (Kt=2,5). La géométrie d'entaille définie ainsi que le matériau utilisé (acier ferrito-bainitique) sont représentatifs de ceux rencontrés sur les bras de suspensions automobiles permettant ainsi d'assurer une transférabilité vers les structures industrielles. Cette campagne d'essais a permis de mettre en évidence un effet néfaste des surcharges sur la résistance à l'amorçage d'une fissure pour certains cas de chargements. Une très forte sensibilité au rapport de charge utilisé a pu être mise en évidence. Les durées de vie observées correspondant majoritairement à une phase d'amorçage, celle-ci a été étudiée au travers de l'analyse du comportement cyclique du matériau, grâce à des essais à contraintes et déformations imposées sur éprouvettes lisses et entaillées. Ces essais ont permis de mettre en évidence l'apparition d'un effet de Rochet sur éprouvettes entaillées au bout d'un certain nombre de cycles conditionnant l'amorçage d'une fissure. L'effet néfaste des surcharges sur la tenue en fatigue peut s'expliquer par l'interaction surcharge/effet de Rochet : il a été montré que l'application de surcharges entraîne une diminution du nombre de cycles nécessaire au déclenchement du Rochet. Cette accélération fait suite à la propagation des bandes de Piobert-Lüders liée à l'application des surcharges augmentant localement la densité de dislocations, phénomène favorable à l'apparition du Rochet.

Dans une approche de dimensionnement en fatigue basée sur un critère multiaxial, les paramètres d'entrée ducritère (contraintes, déformations, termes énergétiques) sont généralement calculés sur un état stabilisé. Dans lesmétaux, il s'agit souvent du premier cycle, en supposant que le matériau se comporte élastiquement ou présente desprocessus de plasticité très localisés. Dans les matériaux viscoélastiques comme les polymères, l'évolutionsignificative de la raideur en début de cyclage soulève la question de la stabilisation du cycle sur lequel lesparamètres mécaniques devraient être calculés. Un enjeu majeur est donc de définir et prédire cet état stabilisé, c'està dire non seulement l'évolution de la déformation moyenne qui accompagne le cyclage mais aussi la bouclestabilisée elle-même et les contributions énergétiques pertinentes. Pour être applicable à des structures, le modèledoit conserver un formalisme aussi maniable que possible.Dans cette étude, réalisée sur les 1000 premiers cycles de la vie d'un polyéthylène, il est montré, par des essaisde recouvrance, que la contribution viscoélastique à l'évolution de la déformation moyenne est majoritaire. Unintérêt particulier est donc porté à la caractérisation expérimentale et à la modélisation macroscopique de cet aspectdu comportement.La première partie du travail est menée dans un cadre purement mécanique. L'accumulation cyclique estétudiée expérimentalement au cours des premiers 1000 cycles à force contrôlée et faible fréquence, à la températureambiante. L'influence de la fréquence et du rapport de charge sur la réponse viscoélastique est étudiée. Lacomparaison d'essais de traction et de cisaillement de type Iosipescu permet de discuter les parts volumique etdéviatorique. Un modèle viscoélastique non linéaire isotherme en petites déformations est proposé dans le cadre dela Thermodynamique des Processus Irréversibles.Dans la deuxième partie, l'étude expérimentale et théorique est étendue au cadre thermo-mécanique. Latempérature est en effet intrinsèquement couplée à la viscoélasticité dans les polymères ; cet effet peut conduire àdes auto-échauffements importants. Les mêmes essais de traction et cisaillement sont réalisés par le LMGC deMontpellier avec une métrologie différente : la mesure de champs de température et déformation au cours de l'essaipermet de calculer les différents termes de l'équation de diffusion de la chaleur et d'accéder aux sources de chaleur.Ces résultats expérimentaux sont analysés et confrontés à une extension du modèle thermo-viscoélastique dumodèle dans laquelle le couplage est introduit via la thermo-élasticité (par la déformation volumique) et via ladissipation visqueuse (sur la base du principe d'équivalence temps-température).

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l’étude de l’effet de l’identification des paramètres matériau sur la prévision du comportement cyclique. Une étude de l’effet de la pré-déformation sur la réponse du matériau vis à vis le rochet est aussi présentée. Pour cela deux types d’expériences ont été menés au sein de l’équipe Mécanique du Groupe de Physique des Matériaux (GPM, UMR 6634) à l’INSA de Rouen sur un acier inoxydable de type 304L : Les essais EXP1 contenant des essais à déformation imposée axiale et multiaxiale et des essais de rochet en une et deux phases. Ces essais sont tirés de la littérature et nous ont servi de base de donnée pour la réalisation des différentes étapes de l’identification. Les essais EXP2 contenant des essais de rochet après déformation imposée.Ils sont réalisés dans le cadre de cette étude et permettent l’étude de l’effet de la pré déformation sur le phénomène de rochet. L’identification des paramètres est faite‘’automatiquement’’ avec une méthode d’optimisation en utilisant des bases de données à complexité croissante. Les paramètres identifiés sont ensuite injectés dans des simulations qui seront superposées avec les courbes expérimentales. L’ensemble des simulations est fait avec le code de calcul Zébulon avec le choix du modèle de Chaboche. Les résultats obtenus montrent l’effet de la pré déformation sur le rochet selon les histoires, les mêmes conditions à contraintes imposées peuvent mener à différents comportements cycliques : Elastique et adaptation plastique dans d’autre cas. La pré-déformation précédente peut également mener à l'anisotropie du matériau conduisant à un faible rochet sous traction compression avec une contrainte moyenne nulle !L'étude précise également l'importance de la base de données expérimentale utilisée pour l'identification de paramètres. Le choix des essais devrait étroitement être lié aux équations constitutives du modèle choisis . À savoir, la présence des essais à déformation imposée non proportionnelle peut être non appropriée si le modèle ne peut pas tenir compte explicitement d'un tel caractère. / This work has a first objective to point out the importance of the quality of the experimental data base used for the identification of the material parameters. For this goal,we will combine proportional and non proportional strain controlled as well as ratcheting tests to constitute different data bases. This work has also another objective related to an experimental study in order to see how previous strain controlled history may affect ratcheting. Such a situation may be encountered in different manufacturing processes. New tests were performed here where different strain controlled histories have been applied prior to tension-compression stress controlled tests. All tests considered here were carried out using tubular specimens made up of 304L stainless steel. In order to minimize the discrepancy of the material behavior, In this study, we consider two groups of stress/strain controlled experiments EXP1 and EXP2 performed on the 304L stainless steel. These tests have been conducted applying a sufficient number of cycles leading to the stabilization of thecyclic material response. The first set (EXP1) is taken from our previous works, it will be used in order to identify the parameters of Chaboche’s model with different combinations of strain and/or stress controlled tests. The second set (EXP2) is performed in this study; it includes tests composed of two sequences where strain controlled experiments are followed by ratcheting tests. The responses EXP2 will be simulated by Chaboche’s model with the different set of parameters identified with EXP1.The obtained results reveal the importance of such a role as according to the previous history, the same stress controlled conditions may lead to different cyclic behaviors: fully elastic in one case and plastic shakedown in anothercase. The previous pre-straining may also lead to the anisotropy of the material leading to slight ratcheting under tension-compression with zero mean stress! The study points out also the importance of the content of the experimental data base used for the parameters identification. The choice of the tests should be closely linked to the capabilities of the constitutive equations used. Namely, the presence of non proportional strain controlled tests may be not suitable if the model is not able to take into account explicitly such a character. Finally, in the industrial applications, the choice of the tests to be included for the identification process should also take into account the stress and strain states for the identification process should also take into account the stress and strain states applied to the considered components when such information is available.

On étudie une approche de type multimécanimes intermédiaire entre deux classes de modèles: les modèles micromécaniques et les modèles macroscopiques. Le but visé par l'application de ces modèles est d'essayer de reproduire simultanément les phénomènes les plus classiques au sens du comportement des matériaux, mais aussi de faire en sorte que les éléments du comportement généralement moins bien décrits soient également pris en compte. Le couplage entre les variables cinématiques des différents mécanismes permet de décrire: (1) l'effet normal à la vitesse de chargement et l'effet inverse à cette vitesse, (2) l'interaction entre plasticité et fluage, (3) du rochet à haute contrainte moyenne et de l'accommodation ou de l'adaptation quand cette contrainte est moins élevée. Par ailleurs, on s'est intéressé à une méthode d'intégration numérique pour minimiser les temps de calcul dans l'analyse de structures viscoplastique sous chargements cycliques par la méthode des EF. Cette méthode dite de sauts de cycles, est basée sur des pas de calcul qui se chiffrent en nombre de cycles. Cet algorithme a été appliqué à des exemples industriels complexes. La méthode de sauts de cycles permet une diminution du temps de calcul d'un facteur 2 à 10. Enfin on s'est intéressé à l'étude de problèmes d'optimisation. Des exemples ont été traités : l'optimisation de forme et l'optimisation de matériau. La méthodologie qu'on a adoptée consiste à utiliser deux logiciels différents dans leur version standard. Le premier logiciel est le code de calcul par éléments finis 2ebulon, et la deuxième est le code d'identification de paramètres Sidolo. Ce dernier est destiné initialement à identifier des paramètres de modèles physique sur des expériences réelles. Les expériences, dans la procédure d'identification, sont remplacées, dans le cas de l'optimisation, par des objectifs à atteindre selon des critères donnés.

Ma thématique de recherche s'intéresse à l'étude de la fatigue des matériaux, et se focalise plus particulièrement sur l'analyse de la plasticité cyclique et des endommagements induits dans les matériaux métalliques. Elle s'inscrit dans une démarche globale conjointe d'analyse expérimentale et de modélisation numérique.<br />Les travaux présentés se focalisent sur l'étude du comportement d'un acier inoxydable austéno-ferritique et s'articulent suivant quatre thèmes :<br />- Etude expérimentale du comportement mécanique en fatigue oligocyclique. Un certain nombre de résultats expérimentaux en fatigue oligocyclique sont présentés, en particulier, l'importance de caractériser le comportement mécanique sous sollicitations multiaxiales est soulignée. Deux méthodes sont comparées permettant la mesure des caractéristiques de l'écrouissage : la mesure de surfaces de plasticité en cours d'essai, et l'analyse a posteriori des boucles d'hystérésis.<br />- Modélisation du comportement mécanique observé. Deux approches ont été utilisées, d'une part une approche phénoménologique qui nécessite des mesures des caractéristiques de l'écrouissage, et d'autre part une approche micromécanique qui s'appuie sur l'analyse de la structure biphasée de l'acier étudié. L'identification de ce deuxième modèle a été réalisée sur une base expérimentale particulièrement réduite sans cependant amoindrir sa capacité de prédiction. Une proposition originale pour la modélisation de l'adoucissement cyclique a été faite à partir d'observations au microscope électronique à transmission.<br />- Etude de la déformation progressive. A partir de résultats expérimentaux biaxiaux, il est montré que les niveaux de déformation progressive obtenus peuvent s'expliquer par la direction d'écoulement plastique observée, due à la distorsion de la surface de plasticité. Un modèle simulant cette distorsion est alors identifié.<br />- Analyse et simulation de la plasticité à l'échelle de la microstructure. La plasticité cyclique et l'amorçage en fatigue étant fortement liés aux caractéristiques de la microstructure, une analyse locale a été entreprise. Un dispositif expérimental original a été développé afin d'analyser les mécanismes de déformation in-situ pendant un essai mécanique. Plusieurs moyens d'analyse sont utilisés conjointement (microscopie, champs cinématiques calculés à partir d'images obtenues entre deux instants, cartographie EBSD, profilométrie). Une comparaison est faite entre les champs cinématiques obtenus et un calcul d'agrégat polycristallin reprenant les lois cristallines identifiées précédemment.

Si un métal est soumis à un chargement cyclique autour d'une contrainte moyenne non nulle, de la déformation plastique peut s'accumuler au cours des cycles, généralement dans la direction de la contrainte moyenne : c'est le phénomène de déformation progressive ou phénomène dit de rochet.<br />Le contexte de cette thèse était l'amélioration de la description de ce phénomène dans les structures métalliques. Pour cela, nous avons choisi d'axer nos efforts sur les modèles macroscopiques phénoménologiques qui décrivent le comportement de matériaux dans des calculs de structure.<br />Comme cela était suggéré dans plusieurs articles récents, une voie d'amélioration de ces modèles était de prendre en compte la distorsion du domaine d'élasticité, phénomène maintes fois observé expérimentalement, mais jusqu'alors négligé par soucis de simplicité. Pour introduire convenablement ce nouvel ingrédient dans la modélisation, nous nous sommes appuyés sur un dialogue entre un modèle micro-macro d'une part (plus pertinent mais aussi plus coûteux en temps de calcul) et le modèle macroscopique à construire d'autre part. Nous avons sû tirer profit des informations données par le modèle micro-macro pour constuire un modèle macroscopique capable de décrire à la fois le phénomène de rochet multiaxial et la distorsion du domaine d'élasticité prévus par le modèle micro-macro, et ce sur une large base d'"essais virtuels". Ensuite, le modèle développé a été identifié et validé avec succès sur plusieurs résultats d'essais complexes obtenus sur un élément de volume d'un matériau réel. Une validation finale du modèle sur un essai non-homogène (de structure) est en cours d'étude.