Le recours aux logiciels de simulation basés sur la méthode des éléments finis devenant de plus en plus systématique dans les différents secteurs de l'industrie, l'efficacité et la précision de ces derniers deviennent des propriétés déterminantes. Dans les situations les plus courantes, les structures minces nécessitent une analyse précise et efficace, rendue possible par les éléments coques. En présence de structures dans lesquelles coexistent des parties minces et des zones plus épaisses, l'utilisation de ces éléments est encore plus cruciale. Ce travail est une contribution au développement et à la validation d'éléments finis solide-coques. Les déplacements nodaux sont les seuls degrés de liberté et ils sont munis d'un ensemble de points d'intégration distribués le long d'une direction préférentielle, désignée comme “l'épaisseur”. Une intégration réduite dans le plan moyen est utilisée. La loi élastique 3D est modifiée pour s'approcher de la situation coque et atténuer les verrouillages. Grâce à ses formulations particulières, ces éléments solide-coques se connectent naturellement aux éléments 3D et présentent une bonne performance dans des applications de structures minces et pour des problèmes dominés par la flexion. Il s'agit des trois nouveaux éléments isoparamétriques SHB6, SHB15, et SHB20. L'analyse détaillée d'une potentielle déficience du rang de la matrice de raideur a révélé que ces derniers ne possèdent pas de modes à énergie nulle et qu'aucune stabilisation n'est donc nécessaire. Néanmoins, nous proposons des modifications basées sur la méthode bien connue “Assumed Strain”, pour l'opérateur gradient discrétisé de l'élément SHB6, dans le but d'améliorer sa vitesse de convergence. Pour illustrer les capacités de ces éléments, ses performances sont évaluées sur un ensemble de cas tests en configurations linéaire ou non-linéaire, communément utilisés dans la littérature pour tester les éléments finis de type coques. En particulier, il est montré que le nouvel élément SHB6 joue un rôle très utile en tant que complément à l'élément hexaèdre SHB8PS, ce qui nous permet ainsi de mailler des géométries arbitraires.

Les composites thermoplastiques préimprégnés suscitent un intérêt croissant pour l'industrie automobile grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques et leur procédé de fabrication rapide. Dans ce contexte, la modélisation et la simulation numérique des procédées de mise en forme de pièces composites à géométries complexes sont nécessaires pour prédire et optimiser les pratiques de fabrication. Cette thèse est consacrée à la modélisation et à la simulation du comportement de consolidation des composites thermoplastiques préimprégnés lors du processus de mise en forme. Un nouvel élément solide-coque prismatique à sept nœuds est proposé: six situés aux sommets et le septième situé au centre. Le champ de cisaillement transverse est supposé afin de réprimer le verrouillage de cisaillement transversal. La méthode de déformation renforcée supposée par addition d'un DOF de déplacement supplémentaire depuis le nœud central et un schéma d'intégration réduit sont combinées offrant un champ de déformation linéaire le long de la direction d'épaisseur pour contourner le verrouillage. De plus, une procédure de stabilisation de sablier est employée afin de corriger le défaut de rang de l'élément pour le pincement. Cet élément utilise un modèle de relaxation viscoélastique pour modéliser le comportement tridimensionnel de composites thermoplastiques préimprégnés avec effet de consolidation. Un modèle de contact intime est également utilisé pour prédire l'évolution de la consolidation et la microstructure du vide présente au sein du préimprégné. A l’aide d’une loi hyperélastique, plusieurs simulations ont été conduites en combinant le nouvel élément fini et les modèles de consolidation. La comparaison des résultats de simulation avec les essais expérimentaux montre l'efficacité de l’élément solide-coque face aux problèmes de déformations dans le plan et en flexion, mais également pour l'analyse du comportement de consolidation. De plus, le degré de contact intime fournit le degré de consolidation par conditions de procédé appliqué, ce qui est essentiel pour l'apparition de défauts dans la pièce finale de composite. / As the pre-impregnated thermoplastic composites have recently attached increasing interest in the automotive industry for their excellent mechanical properties and their rapid cycle manufacturing process, modelling and numerical simulations of forming processes for composites parts with complex geometry is necessary to predict and optimize manufacturing practices. This thesis is devoted to modelling and simulation of the consolidation behavior during thermoplastic prepreg composites forming process. A new seven-node prismatic solid-shell element is proposed: six located at the apexes and the seventh sited at the center. A shear stain field is assumed to subdue transverse shear locking, the enhanced assumed strain method by addition of an extra displacement DOF from the central node and a reduced integration scheme are combined offering a linear varying strain field along the thickness direction to circumvent thickness locking, and an hourglass stabilization procedure is employed in order to correct the element’s rank deficiency for pinching. This element permits the modelling of three-dimensional constitutive behavior of thermoplastic prepreg with the consolidation effect, which is modelled by a viscoelastic relaxation model. An intimate contact model is employed to predict the evolution of the consolidation which permits the microstructure prediction of void presented through the prepreg. Within a hyperelastic framework, several simulation tests are launched by combining the new developed finite element and the consolidation models. The comparison with conventional shell element and experimental results shows the efficiency of the proposed solid-shell element not only dealing with the in-plan deformation and bending deformation problems, but also in analyzation of the consolidation behavior, and the degree of intimate contact provides the level of consolidation by applied process conditions, which is essential for the appearance of defects in final composite part.

La simulation numérique par la méthode des éléments finis (MEF) fournit de nos jours une grande aide pour les ingénieurs dans les processus de conception d’optimisation des produits. Malgré le développement croissant des ressources de calcul, la fiabilité et l’efficacité des simulations numériques par la MEF restent à améliorer. Ce travail de thèse consiste à développer une famille d’éléments solide-coque (SHB) pour la modélisation tridimensionnelle des structures minces. Cette famille d’éléments SHB est basée sur une formulation tridimensionnelle en grands déplacements et rotations. La technique dite “d’intégration réduite dans le plan”, en utilisant un nombre arbitraire de points d’intégration dans la direction de l’épaisseur, permet la modélisation des structures minces avec une seule couche d'éléments. Dans ce travail de thèse, deux éléments linéaires SHB prismatique et hexaédrique, ainsi que leurs contreparties quadratiques, ont été implantés dans le code par éléments finis ABAQUS pour l’analyse quasi-statique et dynamique des structures minces. La performance de ces éléments a été validée à travers une série de cas tests académiques, ainsi que sur des problèmes complexes de type impact/crash et des procédés de mise en forme de tôles minces. L'ensemble des résultats numériques obtenus révèle que les éléments SHB représentent une alternative intéressante aux éléments coques et solides traditionnels pour la modélisation tridimensionnelle des structures minces. / Nowadays, the finite element (FE) simulation provides great assistance to engineers in the design of products and optimization of manufacturing processes. Despite the growing development of computational resources, reliability and efficiency of the FE simulations remain the most important features. The current work contributes to the development of a family of assumed strain based solid-shell elements (SHB), for the modeling of 3D thin structures. Based on reduced integration and special treatments to eliminate locking effects and to control spurious zero-energy modes, the SHB solid‒shell elements are capable of modeling most thin 3D structural problems with only a single element layer, while describing accurately the various through-thickness phenomena. In the current contribution, a family of prismatic and hexahedral SHB elements with their linear and quadratic versions have been implemented into ABAQUS using both standard/quasi-static and explicit/dynamic solvers. The performance of the SHB elements is evaluated via a series of popular benchmarks as well as with impact/crash and sheet metal forming processes. All numerical results reveal that the SHB elements represent an interesting alternative to traditional shell and solid elements for the 3D modeling of thin structural problems.