Les Sheet Moulding Compounds (SMC) sont des matériaux composites pré-imprégnés thermodurcissables. Ils sont largement utilisés dans l’industrie automobile pour fabriquer des pièces d’habillage ou semi-structurelles. Le développement de nouvelles formulations SMC hautes performances et de haute réactivité permettent d’envisager des cycles de production rapides et des propriétés convenant à des pièces de structure. Le procédé de mise en forme par compression impose à la matière des chargements thermo-mécaniques sévères couplés à la réaction de réticulation de la matrice (phase de cuisson). Le contrôle des dimensions et des propriétés finales des pièces nécessite la compréhension et la maitrise des phénomènes physiques se déroulant pendant ce procédé. Les travaux de cette thèse portent sur la caractérisation et la modélisation des transferts de chaleur, de la cinétique de réticulation et sur l’évolution des propriétés mécaniques résultant de la phase de cuisson. Tout d’abord, les propriétés thermo-physiques et la cinétique de réaction sont caractérisées afin de prévoir les champs de température, les champs d’avancement et les variations dimensionnelles pendant le cycle de moulage. Ensuite, le comportement rhéologique en cours de transformation est étudié en abordant la notion de gel d’un point de vue mécanique, à travers le concept de contrainte seuil. Enfin, un nouveau dispositif de caractérisation est présenté ; il permet une analyse fine du comportement de la matière pendant la totalité du cycle de compression, à travers le suivi des flux de chaleur et des niveaux de pression dans la cavité moulante. Mots clés Composite thermodurcissable, Sheet Moulding Compound / Sheet Moulding Compound (SMC) materials are thermoset prepregs. They are already extensively used in the automotive industry to manufacture semi-structural parts. The development of new formulations containing a high fibre content (40-60 wt%) and with higher reactivity is ongoing in the perspective of producing structural parts and reducing cycle times. SMC compression moulding process imposes strong thermo-mechanical loadings coupled with the crosslinking reaction of the matrix (curing step). The control of the final dimensions and properties of the moulded parts requires to understand and to predict the physical phenomena occurring during this process. This study is focused on the characterization and the modelling of heat transfer, the kinetic reaction and on the variations of mechanical properties resulting from the curing step. At first, thermo-physical properties and kinetics of reaction are characterized in order to predict the temperature and conversion degree fields but also the dimensional variations during the moulding cycle. Then, the rheological behaviour during the transformation is investigated by considering a mechanical approach for the gel point, based on the concept of yield stress. Finally, a new specific device is introduced; it allows a fine characterization of the material behaviour during the whole compression cycle, thanks to the measurement of heat flux and pressures in the moulding cavity.

Ce travail porte sur la simulation numérique et la modélisation du comportement thermo-mécanique des matériaux composites renforcés par des fibres. Spécifiquement les matériaux SMC (Sheet Moulding Compound) sont utilisés dans le processus de moulage par compression pour construire des pièces automobiles de haute performance. Ce travail est divisé en quatre chapitres, décrivant tout d’abord un modèle thermo-mécanique entièrement couplé pour les matériaux SMC standards et innovants à haute concentration en fibres (> 25% en volume). Le SMC est traité comme un mélange incompressible de fibre et de résine complété éventuellement par une phase de porosité compressible. Son anisotropie est modélisée au moyen de tenseurs structurels. La cinétique de réaction et de consolidation de la pièce est également modélisée et étudiée. Les données expérimentales mécaniques et thermiques enregistrées sur des échantillons de matériaux SMC sont comparées au modèle et à la solution numérique fournie par ce travail. D’un point de vue numérique, nous utilisons la méthode des domaines immergées o`u chaque phase est distinguée par une fonction distance signée. Nous décrivons le procédé de moulage par compression en proposant une résolution compressible anisotrope unifiée capable de décrire la transition compressible / incompressible du matériau SMC sous déformation. Cela permet de décrire la réponse mécanique du SMC et de prédire localement la consolidation (durcissement) de la pièce le long du cycle thermique. / This work deals with the numerical simulation and modeling of thermomechanical analysis of fiber reinforcedcomposites materials. Specifically for SMC (Sheet Molding Compound) materials that are used in compression molding processes to build automotive high performance parts. The work is divided into fourchapters, firstly describing a fully coupled thermo-mechanical model for standard SMC materials and for innovative SMC with high fiber concentration (> 25% in volume). The SMC is treated as an incompressible mixtureof fibers and paste complemented by a compressible porosity phase. Its anisotropy is modeled by means of structural tensors. Kinetic of reaction and consolidation of the part is also modeled and studied. Mechanicaland thermal experimental data recorded on samples of SMC materials are compared to the model and numerical solution provided in this work. A numerical framework, we use the immersed boundary method and the level set method. We describe the compression molding process by proposing an unified anisotropic compressible resolution able to describe the transition between compressible/ incompressible of SMC materials under deformation. We are able to describe the mechanical response of the SMC and to predict locally the consolidation (curing) of thepart throughout the thermal cycle.