Un modèle d’endommagement dédié aux composites bobinés est développé à partir des outils de lamécanique de l’endommagement continu, de la thermodynamique des processus irréversibles et dela théorie de représentation des fonctions tensorielles. La particularité de ce modèle est l’utilisationd’une approche à directions fixes de l’endommagement qui associe à chaque mode de dégradationdes variables internes scalaires et des tenseurs directionnels. La rupture des fibres (considéréecomme probabiliste), les fissurations tant matricielles, que hors – plan ou provoquées par lecisaillement sont ainsi prises en compte. Le modèle est capable de reproduire, dans un contextetridimensionnel imposé par les fortes épaisseurs de composite, la perte de rigidité, l’interaction entreanisotropies initiale et induite, la non linéarité du comportement, les déformations résiduelles et laviscosité en cisaillement. Afin de valider cette approche, le comportement thermomécaniqued’éprouvettes issues de structures bobinées a été caractérisé grâce à des essais de traction multi –instrumentés (vidéo – traction, émission acoustique,...). On montre que le modèle est capable nonseulement de simuler la réponse mécanique macroscopique de ces échantillons, mais également dereproduire l’émission acoustique enregistrée, de distinguer les différentes formesd’endommagement et de prédire précisément l’éclatement des réservoirs hyperbares. / A damage model dedicated to wound composite is developed by using the tools of continuousdamage mechanics, irreversible processes thermodynamics and the representation theory of tensorfunctions. The particularity of this model is the use of a fixed directions approach of damage whichassociates each degradation mode to internal scalar variables and directional tensors. Fiber breakage(considered probabilistic), matrix cracking (transverse, out-of-plane or caused by shear) are thustaken into account. The model is able to reproduce, in a three-dimensional context imposed bythick composite layers, loss of strength, interaction between initial and induced anisotropy, nonlinearitybehavior, residual strain and shear viscosity. To validate this approach, thermo mechanicalbehavior of specimens from the wound structures was characterized by tensile multi - instrumentedtests (video - traction, acoustic emission, ...). We show that the model is able to simulate not onlythe macroscopic mechanical response of these samples, but also to reproduce the recorded acousticemission to distinguish the various forms of damage and to accurately predict the burst ofhyperbaric tanks.

Les pièces de sécurité automobile fabriquées en acier comme les ferrures d'ancrage de ceinture de sécurité ont vu leur coût de fabrication augmenter ces dernières années du fait de l'augmentation du prix des matières premières. De plus, ces pièces sont soumises à des normes européennes de plus en plus exigeantes. C'est pourquoi les équipementiers automobiles comme l'entreprise DEVILLÉ S.A. cherchent aujourd'hui à développer des outils numériques permettant d'optimiser et de prédire le comportement de ces pièces à l'usage en intégrant l'ensemble du processus de fabrication. Le travail proposé ici s'efforce d'apporter une contribution à ce développement. L'utilisation de méthodes d'optimisation, en particulier un algorithme génétique NSGA-2, couplées avec des logiciels de conception et de calculs par éléments finis a permis d'améliorer différentes fonctions coût comme le dommage maximum subit par la pièce lors de sa conception ou encore l'effort maximal nécessaire à son dépliage... L'utilisation de réseaux de neurones pour réduire le temps d'optimisation global a également fait l'objet d'une étude. Ces méthodes numériques nécessitent la modélisation du comportement du matériau avec des lois de comportement et d'endommagement qui ont fait l'objet d'une étude expérimentale ainsi que d'une identification. Une méthode d'identification inverse a notamment permis de réduire l'erreur commise lors de la simulation numérique.

Un modèle d'endommagement dédié aux composites bobinés est développé à partir des outils de lamécanique de l'endommagement continu, de la thermodynamique des processus irréversibles et dela théorie de représentation des fonctions tensorielles. La particularité de ce modèle est l'utilisationd'une approche à directions fixes de l'endommagement qui associe à chaque mode de dégradationdes variables internes scalaires et des tenseurs directionnels. La rupture des fibres (considéréecomme probabiliste), les fissurations tant matricielles, que hors - plan ou provoquées par lecisaillement sont ainsi prises en compte. Le modèle est capable de reproduire, dans un contextetridimensionnel imposé par les fortes épaisseurs de composite, la perte de rigidité, l'interaction entreanisotropies initiale et induite, la non linéarité du comportement, les déformations résiduelles et laviscosité en cisaillement. Afin de valider cette approche, le comportement thermomécaniqued'éprouvettes issues de structures bobinées a été caractérisé grâce à des essais de traction multi -instrumentés (vidéo - traction, émission acoustique,...). On montre que le modèle est capable nonseulement de simuler la réponse mécanique macroscopique de ces échantillons, mais également dereproduire l'émission acoustique enregistrée, de distinguer les différentes formesd'endommagement et de prédire précisément l'éclatement des réservoirs hyperbares.

La tenue résiduelle à l'impact basse vitesse est un critère dimensionnant des structures composites minces pour l'aéronautique. La majorité des travaux réalisés jusqu'ici porte sur l'analyse du comportement en zone courante. Ce travail élargit le domaine d'étude aux zones de variation d'épaisseur. L'objectif est d'étudier la tolérance aux dommages d'impact d'un stratifié comportant une zone de reprise de plis (ZRP) dans le cadre d'un dialogue essai/ calcul, en menant en parallèle une campagne d'essais expérimentaux et l'adaptation d'un modèle numérique de l'endommagement des composites.Le volet expérimental étudie successivement l'impact, la compression et la fatigue à R=-l après impact (CAI et FAI) d'éprouvettes comportant une ZRP. L'analyse des essais d'impact a permis d'identifier la résistance à l'impact et le mécanisme d'endommagement des éprouvettes. Ensuite, un outillage d'essai adapté à la géométrie des éprouvettes a été conçu pour les essais de CAI et de FAI. Les essais de compression montrent une tenue résiduelle statique après impact similaire à celle des éprouvettes sans perte de plis. Les essais de fatigue menés à 60 070 de la tenue résiduelle statique montrent une propagation des délaminages d'impact (en dessous du BVID) qui mène à la rupture des éprouvettes pour un nombre de cycles relativement faible. Alors que la tolérance aux dommages d'impact des ZRP sous chargement statique est comparable à celle des zones courantes lisses, on constate une forte vulnérabilité de ces zones sous chargement de fatigue.Le volet numérique a permis de tester l'approche DPM (Discrete Ply Model), développé lors de travaux précédents, sur une configuration particulière. Un maillage spécifique a été réalisé pour tenir compte des discontinuités de la ZRP. Au niveau de la loi matériau, une formulation unifiée de la rupture de fibres en traction/compression a été implémentée. Les résultats de la simulation d'impact sont en bonne corrélation avec les données expérimentales. Le modèle est capable de prédire la réponse globale de l'éprouvette ainsi que l'étendu des dommages internes. La modélisation de la CAI a permis de confirmer les mécanismes de rupture identifiés lors des essais. Ces résultats numériques sont remarquables puisqu' aucune modélisation locale particulière n'a été faite pour les arrêts de plis. L'approche DPM s'est révélée suffisamment robuste et bien adaptée à la modélisation de l'endommagement des stratifiés unidirectionnels. / The residual strength after low velocity impact is a sizing criterion of thin composite structures in aeronautics. The majority of work on the subject is focused on the analysis of plain laminates. This study expands the field of interest to tapered area. The objective is to study the impact damage tolerance of a laminate with ply drop-off using an experiment/ modelling dialogue: on one hand carrying experimental test campaign and on other hand adapting numerical modelling of composite damage. The experimental part successively examines the impact, compression and fatigue R=-l after impact (CAI and FAI) of specimens with ply drop-off. Analysis of the impact results has enabled the identification of impact resistance and damage mechanism. Then, a testing tool for CAI and FAI was specially designed to suit the geometry of the specimens. Compression tests show a static residual strength after impact similar to plain laminates. Fatigue tests carried at 60% of CAI strength show a propagation of impact delamination (below B VID). Failure of specimens occurs after a relatively small number of cycles. While the impact damage tolerance of tapered laminates is comparable to plain laminates under static loading, high vulnerability is observed under fatigue loading. The numerical part allowed to test the Discrete Ply Model (DPM), developed in previous works, on a particular configuration. A specific meshing was realized to account for the discontinuities in the ply drop-off area. Regarding the material law, a unified formulation of the fiber breakage in tension/ compression is implemented. Impact simulation results correlated well with the experimental data. The model is able to predict the overall response of the specimen and internal damage. The modeling of the CAI enabled to confirm the failure mechanisms identified during tests. These numerical results are remarkable since no particular local modeling has been realized for the ply drop-off area. DPM approach has proven robust enough and well suited to damage modeling of unidirectional laminates.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la caractérisation des mécanismes de déformation et de leurs interactions pour un zinc polycristallin pur, sous les conditions de chargement complexe et local qui caractérisent l'essai de nanoindentation. En effet, l'interaction des différents mécanismes mis en jeu a généralement été étudiée sur la base de sollicitations dites simples, telles que les essais de traction uniaxiale, biaxiale… Sous l'action d'un chargement uniforme, la prépondérance d'un système particulier sera conditionnée par l'orientation du cristal et par le sens du chargement par rapport à l'axe sénaire. La situation peut être rendue plus complexe dans le cas d'un chargement non simple, comme c'est le cas de l'essai d'indentation. Nous avons réalisé des essais de nanoindentation sur des grains de différentes orientations cristallographiques (mesurées par EBSD), et les résultats obtenus en termes de courbes "charge-profondeur de pénétration" et topographie des empreintes résiduelles ont été analysés. La complexité de l'état de contrainte qui se développe dans le matériau dépend des caractéristiques géométriques de l'indenteur et des orientations cristallographiques en présence, ce qui peut donner lieu à diverses interactions entre les modes de déformation. Ces interactions impacteront directement l'écoulement plastique local du matériau, et par voie de conséquence les propriétés mécaniques macroscopiques du matériau. En adoptant une loi de comportement en plasticité cristalline, nous avons ensuite procédé à la détermination des cissions résolues critiques et des paramètres d'écrouissage pour les différents mécanismes observés. Cette détermination s'est basée sur la résolution d'un problème inverse, au cours duquel nous avons couplé la simulation numérique 3D de l'essai de nanoindentation à l'identification des paramètres de la loi de comportement au moyen d'algorithmes génétiques. La confrontation des résultats expérimentaux et numériques en termes de courbes "charge-profondeur de pénétration" et profils de déformation montrent la bonne adéquation entre les données expérimentales et le modèle identifié. Les résultats obtenus ont ainsi permis de caractériser les mécanismes de déformation observés, et de proposer des perspectives à ce travail. / Within the scope of this thesis, we focused on the characterization of deformation mechanisms and their interactions for pure polycrystalline zinc under complex and local loading conditions such that those involved in a nanoindentation test. Indeed, the interaction between the different mechanisms involved has generally been studied on the basis of so-called simple tests, such as uniaxial or biaxial tensile tests ... Given uniform loading conditions, the predominance of a given deformation system depends on the crystal orientation and the loading direction relative to the crystal c-axis. The situation may be further complicated in case of a complex stress state, as it is the case of the indentation test. We performed nanoindentation tests on grains of different crystallographic orientations (measured by EBSD) and the results (curves "load-penetration depth" and topography of residual imprints) were analyzed. The complexity of the stress state that develops underneath the indenter depends on both the geometrical characteristics of the latter and the crystallographic orientations of the grains, which can give rise to different interactions between the deformation modes. Those interactions will directly affect the local plastic flow, and thus the mechanical properties of the macroscopic material.By using a crystal plasticity model, we have then determined the critical resolved shear stresses and hardening parameters for the observed deformation mechanisms. This determination is based on the solution of an inverse problem, in which we have coupled 3D numerical simulations of the nanoindentation test to genetic algorithms to solve an optimization problem. Comparison between experimental and numerical results in terms of "load-penetration depth" curves and penetration depth profiles show a good agreement between the experimental data and the identified model. The results enabled to characterize the observed deformation mechanisms, and to provide perspectives to this work.

Avec l’avènement des NEMS, MEMS, films minces et autres revêtements, la caractérisation des propriétés mécaniques à uneéchelle locale est primordiale. A cet effet, l’essai d’indentation instrumentée permet l’acquisition continue de la réponse (courbeforce – profondeur de pénétration) d’un matériau à la pénétration d’un indenteur de géométrie donnée. Le post-traitement d’unetelle courbe permet la détermination de propriétés telles que le module d’indentation ou la dureté. Cette analyse est basée surla théorie du contact élastique, qui suppose une géométrie axisymétrique parfaite de la pointe d’indentation, un comportementpurement élastique du matériau, et la non-prise en compte des déplacements radiaux dans la zone de contact. En pratique, ceshypothèses sont souvent mises en défaut : les indenteurs sont généralement des pyramides à 3 pans (Berkovich, Cube Corner)ou 4 pans (Vickers, Knoop) présentant un émoussement de la pointe, et le comportement mécanique des matériaux est souventcomplexe. La correction de la relation de Sneddon, utilisée dans la méthode d’Oliver et Pharr pour l’analyse des essais denanoindentation, est donc nécessaire. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la détermination de ce facteurde correction, qui n’est pas une valeur universelle ni unique comme le préconisent certains auteurs. Il dépend notamment de lapression exercée par la pointe d’indentation et du matériau sollicité. Cette étude s’est faite sur la base de la détermination de laloi de comportement d’un des matériaux standards utilisés pour la calibration de l’essai de nanoindentation, la silice fondue.Ce matériau présente un comportement mécanique spécifique : sa déformation anélastique s’effectue par un mécanisme dedensification. Dans un premier temps, les paramètres de cette loi de comportement sont identifiés par une approche inversecombinant la simulation numérique 3D de l’essai d’indentation à l’optimisation de la fonction objectif au moyen d’unalgorithme génétique. Le facteur de correction est ensuite déterminé pour deux géométries de pointes et à différentes valeursdu rapport adimensionnel "profondeur de pénétration/rayon de pointe". La méthodologie proposée a été appliquée à ladétermination du module d’indentation d’un acier inox. / With the advent of NEMS, MEMS, thin films and other coatings, the characterization of local mechanical properties is achallenge. For this purpose, the instrumented indentation test allows for the continuous acquisition of the response (loadpenetration depth) of the material using an indenter of given geometry. The post-processing of such a curve allows thedetermination of the indentation modulus or the hardness of that material. This analysis relies on the elastic contact theory,which assumes an axisymmetric and perfect indenter, a purely elastic behaviour, and no radial displacements in the contactarea. In practice, those assumptions are defeated: indenters shapes are rather three-sided (Berkovich, Cube Corner) or foursided (Vickers, Knoop) pyramids, with blunted tips. Furthermore, mechanical behaviour is rather complex. The introductionof a correction factor in the Sneddon’s relationship, on which is based the Oliver and Pharr method for the analysis ofnanoindentation data is then necessary. Whithin the scope of this work, we aimed at determining this correction factor, whichhas not a unique nor a universal value, as recommended by some authors. It depends on the pressure distribution beneath theindenter and on the tested material. This study is based on the identification of the constitutive law of one of the referencespecimen used for calibration of the nanoindentation test, namely fused silica. The latter exhibits a specific mechanicalbehaviour, its anelastic deformation being achieved by a densification mechanism. In a first step we have determined the modelparameters by an inverse approach combining the 3D numerical simulation of the indentation test with the optimization of theobjective function using a genetic algorithm. The correction factor is then determined for two tip geometries and at severalpenetration depth over tip radius adimensional ratios. The proposed methodology was applied to the determination of theindentation modulus of an inox steel.