La difficulté majeure de la modélisation numérique par éléments finis des empilements de tôles contenant des défauts d’isolement réside dans le facteur multi-échelle (stator, courts-circuits et vernis isolants). En effet, cet important facteur d’échelle reste un défi pour la raison principale que la finesse de représentation dépend du nombre d’éléments utilisés, ce qui implique des tailles mémoires et des temps de calculs excessifs rendant la réalisation d’un maillage adapté à l’échelle de chaque milieu irréalisable. Ainsi, l’objectif de ce travail a été de modéliser des empilements de tôles contenant des défauts de type courts-circuits entre tôles avec précision tout en ayant des temps de calcul acceptables. Cela, en homogénéisant des volumes ne nécessitant pas forcément une grande précision et en laissant telles quelles les zones où se trouvent des défauts avec une modélisation fine. La difficulté se situe au niveau du couplage entre les parties homogénéisées et les matériaux hétérogènes. L’approche de couplage développée nous permet d’obtenir directement le régime permanent et de prendre en compte la nature non-linéaire des tôles ferromagnétiques. L’approche de couplage a été validée à partir de résultats issus d’une modélisation classique en considérant des défauts sous différentes conditions. Une modélisation thermique a également été développée pour nous permettre d’estimer l’élévation de température d’un défaut. Les résultats de notre approche de couplage montrent une bonne concordance et démontrent la capacité de l’approche à modéliser un empilement de tôles contenant des défauts avec précision tout en réduisant les temps de calculs. / The major difficulty to model lamination stacks with defects using finite element method is the multi-scale nature of lamination stacks. Indeed, this important scale factor stays a challenge, because of the fineness of the representation that depends on the number of elements used, which implies memory sizes and excessive computation times making the realization of a fine mesh adapted to the scale of each subdomain unworkable. Thus, the objective of this work was to model lamination stacks containing short-circuit with precision with an acceptable number of unknowns and computation times, by homogenizing volumes that do not necessarily require great precision and leaving subdomains containing defects with fine modeling. The difficulty of this approach is the coupling between the homogenized parts and the heterogeneous materials. The coupling approach allows us to directly obtain the steady state and takes into account the non-linear nature of the ferromagnetic laminations. The coupling approach has been validated by comparing its results to a classical approach without homogenization, especially considering defects under different conditions. Thermal modeling has also been developed to estimate the temperature rise of a defect. Comparing the results of our coupling approach with a conventional approach shows good agreement. These results demonstrate the ability of the proposed coupling approach to model a lamination stacks with defects accurately with computation time reduction.

La thèse porte sur la capacité à modéliser et prédire numériquement le comportement des tôles minces embouties. Ce comportement est étroitement lié aux différents aspects qui interviennent dans la description du comportement plastique, en particulier l'écrouissage et l'anisotropie. Le travail, réalisé dans le cadre d'une cotutelle entre l'Université de Pitesti et l'Université Paul Verlaine - Metz, porte sur des tôles d'acier utilisées en construction automobile. La caractérisation expérimentale de l'écrouissage et de l'anisotropie fait appel à des essais de traction uniaxiale. La caractérisation du comportement en emboutissage s'appuie sur des essais d'expansion de type Marciniak et Nakazima, ainsi que sur des essais d'emboutissage profond. Les Courbes Limites de Formage sont déterminées par les essais Marciniak réalisés sur différentes largeurs de flan, en utilisant une analyse des champs de déformation réalisée grâce à une méthode d'analyse d'images qui permet le suivi des déplacements et le calcul des déformations tout au long des essais. La loi force-déplacement et la hauteur limite d'embouti dans les essais Nakazima réalisés avec différentes largeurs de flan ont également été déterminées expérimentalement, ainsi que les cornes d'emboutissage dans les essais d'emboutissage profond. Sur la base de ces résultats, le comportement observé en emboutissage a été comparé aux prévisions obtenues par utilisation du code d'éléments finis Abaqus/Explicit. L'ensemble des résultats a ainsi pu être analysé, en discutant en particulier la sensibilité du comportement en emboutissage vis-à-vis du choix du modèle de surface de charge anisotrope adopté dans les simulations / The thesis deals with the modelling and the numerical prediction of the forming behaviour of thin sheets. This behaviour is closely linked to the different aspects involved in the description of the plastic behaviour, namely, strain-hardening and anisotropy. The work, conducted under the joint collaboration of the University of Pitesti and the University Paul Verlaine - Metz, is performed on steel sheets used for automotive building. The experimental characterization of strain-hardening and anisotropy is obtained from uniaxial tension tests. The characterization of the forming behaviour is performed by means of expansion tests – Marciniak tests and Nakazima tests- and cup deep-drawing tests. The forming Limit Curves are determined in the Marciniak tests, using sheets of varying widths. The analysis of strain fields is made using a method allowing for a continuous recording of images during the tests, coupled with the determination of the displacement field and the calculation of strains. The load-displacement curve and the limiting dome height in the Nakazima tests have also been determined on sheets of varying widths, as well as the earing profile in the cup drawing tests. On the basis of these results, the experimental forming behaviour has been compared to the numerical predictions obtained with the finite element code Abaqus/Explicit. The whole results have been analysed, and discussed in relation

Ce travail de recherche, réalisé au sein de deux laboratoires (LPMM à l'ENSAM de Metz et LPMTM à l'Université Paris 13), se propose d’étudier l'anisotropie plastique des tôles métalliques lors d'opérations de mise en forme. Les applications visées sont la prédiction, au moyen de la simulation numérique du procédé, de l'anisotropie plastique initiale et son influence sur le comportement global de la tôle. Une anisotropie qui se manifeste lors de l'opération de mise en forme par l'apparition d'ondulations aux bords de la tôle. A cette fin, toute une classe de potentiel plastique a été introduite. Des potentiels écrits dans le cadre d'une approche dite duale (moins couramment utilisée) où la grandeur introduite est le taux de déformation plastique, contrairement à l'approche classique (largement utilisée) où le critère est défini en contrainte. De plus, l'écrouissage du matériau a été pris en compte à travers l'introduction de variables internes. Toute une étude à été consacrée à l'identification des différents critères introduit en ce basant sur des données expérimentales, ainsi qu'à celles issus de la mesure de texture du matériau. Les matériaux étudiés à cet effet sont des nuances d'acier et des alliages d'aluminium. Deux stratégies d'identification ont été explorées afin de s'assurer de la bonne détermination des paramètres du modèle de comportement. Pour permettre l'exploitation des différent critères dans le cadre de la simulation numérique des procédés de mise en forme, une implantation numérique robuste et efficace a été réalisée dans un code de calcul par éléments finis. Une routine de résolution du comportement suivant un schéma d'intégration implicite a été développée afin d'obtenir une bonne précision des calculs. La modélisation a d'abord été appliquée à la prédiction de cœfficients d'anisotropie. Cette étude a mis en évidence la capacité de chaque critère à reproduire les fortes anisotropies de plasticité. Par la suite, l'application de cette modélisation à l'étude des cornes d'emboutissage a été réalisé et a permis concrètement de voir les effets du potentiel sur le nombre de cornes formés, ainsi que sur leur degré de prononciation. Une corrélation entre les coefficients de Lankford et les cornes d'emboutissage a été établie / This research work, realized in two laboratories (LPMM of ENSAM of Metz and LPMTM of Paris 13 university) proposed to study the plastic anisotropy of sheet metals during forming operations. The applications in mind concern the prediction, through the forming process numerical simulation, of the initial plastic anisotropy and its influence on the global behaviour of the sheet. An anisotropy that manifest, during forming operation, by the apparition of undulations on the sheet edge. To do this, a class of strain rate potential has been introduced. Potential written in the frame of so called dual approach (less commonly used), where the introduce variable is the plastic strain rate, contrary to the classical approach (commonly used), where the criterion is defined with stress tensor. In addition, the material work-hardening has been considered by introducing internal variables. A large study has been devoted to the identification of the different criteria introduced, basing on the experimental data, as well as those of material texture measure. The materials under study are some steel grades and aluminium alloys. Different identification strategies have been investigated, in order to insure of the good determination of the behaviour model parameters. To allow the exploitation of the different criteria in the frame of the forming process simulation, a robust and efficient computer implementation has been performed in a finite element code. A solver routine following implicit time integration scheme has been developed in order to obtain a good accuracy. The modelling has been applied to the prediction of anisotropic coefficient. This study highlighted the capability of each criterion to reproduce the strong plastic anisotropies. Then, the application of this modelling to the study of deep drawing corns has been realized and allowed to show the effects of the criterion on the number of the formed corns as well as there pronunciation degree. A correlation between the Lankford coefficient and the deep drawing corns has been established

Le collage est largement utilisé dans l'industrie automobile comme mode d'assemblage de tôles grasses. Or, le lubrifiant initialement présent entre la tôle et l'adhésif peut dans certains cas poser problème et conduire à une déchéance de l'assemblage collé (avant ou après vieillissement). L'objectif de cette étude est de fournir des démarches et méthodes permettant d'acquérir une meilleure compréhension des phénomènes et mécanismes régissant le collage de tôles huilées. Le système étudié est semi industriel (tôle galvanisée, huile et cycle de cuisson industriels, adhésif époxydique modèle).Basée sur l'analyse de l'assemblage avant et après cuisson, une approche multitechnique a permis de montrer que le contact tôle/adhésif s'établit par diffusion du lubrifiant dans l'adhésif. Cette approche a été complétée par une étude dynamique des phénomènes. Ainsi, la formation des interphases substrat/huile/adhésif a été suivie de façon continue au cours du cycle thermique de cuisson de l'adhésif. Ceci nous a permis de mieux appréhender le comportement et devenir de l'huile au sein de l'assemblage, par exemple a- en établissant la chronologie des phénomènes de diffusion d'huile et de réticulation de l'adhésif, b- en déterminant l'influence de l'huile sur les cinétiques et mécanismes de réticulation et de formation des interphases, et c- en identifiant les paramètres clefs de la compatibilité huile/adhésif (viscosité de l'adhésif, charges, solubilité et évolution des masses moléculaires ). Enfin, des essais mécaniques (torsion et traction cisaillement, avant et après vieillissement hygrothermique) ont montré une faible influence de l'huile sur la robustesse des assemblages. Au delà de la caractérisation de notre système particulier, nos travaux ont été menés de façon à fournir et valider des démarches et appareillages utilisables pour une large gamme de systèmes modèles ou industriels.

Les tôles magnétiques en alliage de fer-silicium jouent un rôle de premier plan dans la construction des machines électriques grâce à l'excellent compromis qu'elles réalisent entre qualités techniques et coût. Les circuits magnétiques des machines électriques sont alors constitués d'empilements de ces tôles très minces (épaisseur inférieure au millimètre) préalablement découpées aux dimensions du circuit magnétique, mais cette découpe affecte les propriétés magnétiques des toles. Le but de notre étude est la modélisation des effets de la découpe sur le comportement magnétique de tôles de fer-silicium. Pour y parvenir, nous caractérisons expérimentalement les déformations plastiques en surface de rondelles poinçonnées par le biais de techniques de corrélation d'images. Puis, nous modélisons les contraintes résiduelles associées au champ de déformation plastique induit par la découpe à partir d'un modèle simplifié de ce mécanisme. Cette analyse met en évidence des contraintes résiduelles de faibles amplitudes mais dont le rayon d'action est suffisant pour affecter le comportement magnétique global de telles structures poinçonnées. La prise en compte de l'influence de ce type de contraintes dans un calcul magnéto-mécanique couplé est actuellement limitée car les modèles existants ne restituent pas correctement le caractère multiaxial du phénomène. <br />Pour résoudre ce problème dans le cas des tôles ferromagnétiques, nous avons mis en oeuvre un dispositif original alliant mesure magnétiques et sollicitations mécaniques biaxiales en traction/compression pour des tôles minces. <br />Ainsi, nous avons mis en évidence les faiblesses des modèles existants et rendu possible l'exploration systématique du comportement magnétique sous chargement mécaniques biaxiaux.

Grâce au développement des méthodes de mesure de champs, de nouvelles stratégies d’identification de paramètres matériau de lois de comportement mécanique sont proposées, fondées sur l’utilisation d’essais mécaniques hétérogènes. Les champs de déformation hétérogènes développés au cours de ces essais permettent une meilleure caractérisation du comportement mécanique des tôles métalliques et, par conséquent, de réduire considérablement le nombre d’essais nécessaires pour identifier les paramètres matériau de modèles phénoménologiques complexes. Mais comment concevoir ces essais? Dans ce travail, une méthodologie d’optimisation pour le développement d’essais mécaniques hétérogènes est présentée. L’objectif principal est la conception, par analyse inverse et en proposant un indicateur représentatif des états de déformation, d’un essai capable de caractériser le comportement mécanique des tôles métalliques pour plusieurs états de contrainte et déformation. Pour cela, cette étude a été réalisée en considérant un matériau virtuel (acier doux sous forme de tôle mince), obtenu à partir de données expérimentales. En outre, un indicateur qui caractérise les essais mécaniques a été proposé pour être utilisé dans la méthodologie d’optimisation. D’un côté, le comportement mécanique de l’acier doux a été représenté avec un modèle phénoménologique complexe composé du critère anisotrope de plasticité Yld2004-18p, combiné à une loi d’écrouissage mixte et un critère macroscopique de rupture. Pour cette loi de comportement, un procédé d’identification des paramètres du matériau a été développé et le jeu de paramètres identifiés a été validé en comparant des résultats expérimentaux et numériques de l’emboutissage d’un godet cylindrique. D’un autre côté, un indicateur quantitatif pour évaluer l’information du champ de déformation des essais mécaniques a été formulé et sa pertinence a été évaluée à travers l’analyse numérique d’essais classiques et hétérogènes de la littérature. Concernant la méthodologie d’optimisation, deux approches différentes ont été considérées pour la conception de l’essai mécanique hétérogène. La première approche est fondée sur une procédure en une seule étape, où l’optimisation de la forme de l’éprouvette et des conditions aux limites, imposées par un outil, a été effectuée. La seconde approche est fondée sur une technique incrémentale en plusieurs étapes, en optimisant la forme de l’éprouvette et le chemin de déformation, par l’application des déplacements locaux. Les résultats obtenus sont comparés et un essai est retenu pour identifier les paramètres matériau, en utilisant le matériau virtuel comme référence, afin d’illustrer la pertinence de la démarche / With the development of full-field measurements methods, recent material parameters identification strategies call upon the use of heterogeneous tests. The inhomogeneous strain fields developed during these tests lead to a more complete mechanical characterization of the sheet metals, allowing the substantial reduction of the number of tests in the experimental database needed for material parameters identification purposes. In the present work, an innovative design optimization process for the development of heterogeneous tests is presented. The main goal is the design of a mechanical test able to characterize the material behavior of thin metallic sheets under several stress and strain paths and amplitudes. To achieve this aim, the study was carried out with a virtual material, though derived from experimental data. An indicator of the mechanical interest of the test was proposed, and was used in an optimization procedure to design both the boundary conditions and the sample shape. On the one hand, the virtual behavior of a mild steel was characterized using a complex phenomenological model composed by the Yld2004-18p anisotropic yield criterion combined with a mixed isotropic-kinematic hardening law and a macroscopic rupture criterion. An efficient material parameters identification process based on finite element model updating type was implemented and the identified parameters set was validated by performing a deep drawing test leading either to full drawing or rupture of the blank. On the other hand, an indicator which rates the strain field of the experiment by quantifying the mechanical information of the test was formulated. The relevance of the indicator was stressed out by the numerical analysis of already known classical as well as heterogeneous tests and the results obtained were validated by a material parameter sensitivity study. Two different optimization approaches were used for designing the heterogeneous test, namely (i) a one-step procedure designing both specimen shape and loading path by using a tool and (ii) a sequential incremental technique designing the specimen shape and the loading path of the specimen considering local displacements. The results obtained revealed that the optimization approach proposed was very promising for designing a single experiment able to fully characterize the several strain paths and amplitudes encountered in sheet metal forming processes.

Les défauts d'aspect des ouvrants automobiles sont des perturbations géométriques de la surface extérieure dont les dimensions caractéristiques ont une profondeur de l'ordre de quelques dizaines de micromètres et une étendue de quelques dizaines de millimètres. Ils entrainent des irrégularités de réflexion de la lumière sur la surface de la carrosserie et influent fortement sur la qualité perçue du véhicule. Le terme " ouvrants automobiles " regroupe les portes, le capot moteur et le coffre à bagages, pièces propices à l'apparition des défauts d'aspect à cause de leurs caractéristiques géométriques tourmentées. Cette étude s'appuie sur des essais expérimentaux pour caractériser les défauts d'aspect et sur la simulation par éléments finis pour les prédire numériquement. Les matériaux étudiés sont des aciers d'épaisseur comprise entre 0,6 et 0,8 mm. Leur carac- térisation mécanique est réalisée à partir d'essais de traction uniaxiale et de cisaillement simple (monotone et Bauschinger), avec pour objectif d'identifier les paramètres matériau des lois de comportement élastoplastiques utilisées dans la simulation numérique. Un dispositif de laboratoire a été conçu pour reproduire à petite échelle le défaut d'aspect apparaissant lors de l'opération de tombage d'un coin de porte. Sa modularité permet de faire varier différents paramètres comme la hauteur et le rayon de tombage. La géométrie des éprou- vettes tombées est mesurée avec une machine à mesurer tridimensionnelle. Une nouvelle méthode de détection et de caractérisation expérimentale est proposée à partir d'un calcul de courbure de sections. Cette méthode, moins subjective que la méthode traditionnelle par déméritage, permet de caractériser les défauts d'aspect au travers d'une cartographie des profondeurs sur des sections de la surface étudiée par des plans sécants. On montre que la simulation numérique reproduit l'allure du défaut d'aspect de coin de porte à condition d'utiliser un maillage fin, mais minimise sa profondeur, quel que soit le type d'élément fini utilisé. La méthode a été validée sur un coin de porte industriel présentant un défaut d'aspect lors de l'opération de tombage. Le défaut est observé qualitativement et mesuré par digitalisation optique. On montre que l'allure du défaut est reproduite par la simulation numérique sous réserve d'un maillage raffiné et de la prise en compte de toute l'histoire de déformation. Enfin, les défauts d'aspect apparaissant autour d'une poignée de porte ont aussi été caractérisés par digitalisation optique. La simulation numérique de ce défaut récurrent sur les automobiles, sous les mêmes conditions que pour le coin de porte, permet de prédire la majorité des défauts d'aspect observés.

Le but de notre étude et d'analyser et de comprendre les propriétés dynamiques et statiques des tôles utilisées en Génie Electrique, quand elles sont soumises à un champ tournant. Nous avons réalisé au début une étude comparative des deux dispositifs de mesure en champ tournant existants au laboratoire. Le RSST 300 donne de meilleurs résultats. si le RSST 80 donne des mesures correctes pour les pertes. On observe des écans qui peuvent ëtre importants pour les champs .Ensuite nous avons proposé une méthode pour d'obtenir un comportement rêversible d'une tôle FeSi GO à partir des mesures dynamiques. La méthode est testée pour une fréquence allant de 10 à 400Hz Toutes les caractéristiques obtenues entre 10 et 200Hz sont identiques cela confirme la validité de notre approche. La caractéristique B(H) obtenue est pris en compte par un modèle basé sur le calcul de l'énergie totale. Une vérification du modèle a été effectuée. Elle aboutit à une critique et une interprétation pour mieux tenir compte des phénomènes observés.

Dans l’industrie automobile, les exigences en matière d’émissions polluantes conduisent à alléger les véhicules, notamment en réduisant l’épaisseur des tôles. Ce travail en partenariat avec ArcelorMittal porte sur le soudage par résistance par point de tôles fines d’acier. L’objectif est d’identifier les phénomènes qui induisent les difficultés de soudabilité opératoire rencontrées avec une combinaison dissymétrique de trois tôles revêtues, incluant une tôle très mince galvanisée de moins de 0,6 mm, une tôle de DP600 et une tôle en Usibor® emboutie à chaud. Des observations par caméra infrarouge montrent que les échauffements initiaux se produisent principalement au niveau des interfaces avec la tôle d’Usibor®1500, et que le noyau se forme du côté de cette tôle, loin de la tôle mince. Les valeurs très élevées des résistances de contact électrique et thermique, mesurées aux interfaces avec la tôle d’Usibor®, sont imputables au revêtement Alusi® et sont à l’origine des forts échauffements initiaux observés à ces interfaces. Un modèle numérique, limité aux aspects électrothermiques et développé sur COMSOL Multiphysics®, a permis de montrer que la zone fondue s’initie très rapidement dans la tôle d’Usibor® 1500 sous l’effet des fortes résistances de contact adjacentes, et que son développement en épaisseur et diamètre est piloté par les évolutions des rayons de contact électrode-tôle. Les résistances de contact entre électrode et tôle mince, le profil du courant de soudage et les rayons de courbure des faces actives des électrodes sont les paramètres prépondérants à optimiser pour améliorer la pénétration du noyau dans la tôle mince. / In the automotive industry, the requirements for polluting emissions lead to light vehicles, especially in decreasing the steel sheet thickness. This work in partnership with ArcelorMittal focuses on resistance spot welding of steel sheets. The aim is to identify the phenomena that induce operating weldability difficulties encountered with an asymmetrical stack of three coated steel sheets, including a very thin galvanized sheet of less than 0.6 mm, a sheet of DP600, and a hot stamped Usibor® sheet. Infrared camera observations show that the initial heating takes placeat the interfaces with the Usibor®1500 sheet, and that the nugget appears inside this sheet, away from the thin sheet. The very high values of the electrical and thermal contact resistances, measured at the interfaces with the Usibor®1500 sheet, are due to the Alusi® coating and are at the origin of the strong initial heating at these interfaces. A numerical model, limited to the electro- thermal aspects and developed with COMSOL Multiphysics®, shows that the nugget is initiated very quickly in Usibor®1500 sheet under the effect of adjacent contact resistances, and that its development is driven by the evolutions of the electrode-sheet contact areas. The contact resistances between the electrode and the thin sheet, the welding current evolution, and the curvature radius of electrode tips are the most efficient parameters to be optimized to improve the penetration of the nugget in the thin sheet.

Le transformateur est aujourd’hui l’un des convertisseurs statiques les plus utilisé notamment dans la distribution électrique. Les tôles magnétiques servant à la construction de leurs circuits magnétiques sont devenues de plus en plus performantes permettant une réduction des pertes produites. Néanmoins, les tests normalisés permettant de caractériser les tôles magnétiques ne reflètent pas totalement le comportement énergétique du transformateur. De plus, une autre problématique a gagné en importance durant ces dernières années : le bruit acoustique émis. Malheureusement, il n’y pas encore de lien entre la qualité de la tôle à grains orientés choisie pour construire le circuit magnétique et le bruit acoustiques que va produire celui-ci. L’objectif de cette thèse est de répondre à cette double problématique à partir de tests simplifiés. En effet, de nombreux dispositifs expérimentaux et méthodologies ont été développés tels que la méthode des trois cadres, permettant d’étudier la répartition des pertes fer dans le transformateur, les circuits magnétiques décalés, permettant d’étudier les phénomènes à l’origine des bruit acoustique, et des modèles de transformateurs monophasés et triphasés. De plus, des simulations numériques ont été effectuées afin d’approfondir nos analyses des résultats expérimentaux. L’étude des dispositifs ont permis de mettre en évidence trois paramètres relatifs à la qualité des tôles magnétiques, entrainant des différences de répartition d’induction set donc des différences de répartition de pertes fer, d’une part, et de bruit acoustique dans les transformateurs, d’autre part. / The transformer is now a static converter most notably used in electrical distribution. The electrical steel sheet used in the construction of their magnetic circuits have become more efficient to reduce losses occurred. However, standardized tests to characterize the electromagnetic steel do not fully reflect the energy behavior of the transformer. In addition, another issue has gained importance in recent years: the acoustic noise. Unfortunately, there is no link between the quality of grain oriented steel selected to construct the magnetic circuit and acoustic noise that will produce it. The objective of this thesis is to answer this dual problem from simplified test. Indeed, many experimental devices and methodologies have been developed such as the method of three frames, to study the distribution of core losses in the transformer, the magnetic circuits shifted, to study phenomena at the origin of acoustic noise, and models of single and three phase transformers. In addition, numerical simulations were performed to deepen our analysis of the experimental results. The study of the devices have allowed to identify three parameters relating to the quality of grain oriented electrical steel, resulting from differences in the distribution of the flux density and therefore, first, the differences in distribution of core loss and, hand, acoustic noise in transformers.