Lam3/Tec3 est un modèle stationnaire éléments finis 3D de laminage dans lequel le maillage de la tôle est composé d'éléments hexaédriques. Des études passées ont montré que par lui-même, il est mal adapté pour simuler les défauts de planéité des tôles laminées. A l'heure actuelle, les éléments coques sont les mieux adaptés pour prédire le flambage des tôles sous contraintes résiduelles, dont font partie les défauts de planéité. Ainsi, l'objectif du présent travail est de perfectionner Lam3/Tec3 en le couplant itérativement avec un modèle éléments finis de flambage de coques sous contraintes résiduelles. Ce modèle, nommé « MAN », est basé sur la Méthode Asymptotique Numérique pour la résolution des problèmes non linéaires. Comparé aux modèles existants de la littérature, il possède une précision satisfaisante pour la détection de la charge critique de flambage et les modes correspondants; il peut aussi traiter des cas de champs de contraintes résiduelles et modes de flambage plus complexes; il possède enfin une capacité de calcul du post-flambage, ce qui le distingue aussi de ses concurrents. Nous avons comparé les résultats obtenus en mode découplé et en mode couplé itérativement, ainsi qu'avec Lam3/Tec3 additionné d'un modèle simplifié de flambage dû à Counhaye (plus simple et moins coûteux, mais sans capacité de post-flambement). Nous nous sommes particulièrement intéressés à la comparaison avec les mesures en ligne des profils transverses de contrainte longitudinale par "rouleaux de planéité" (la "planéité latente"), ainsi qu'à la question des interactions entre les champs mécaniques sous emprise et post-emprise. Les profils obtenus à la position des rouleaux de planéité sont en bon accord avec les mesures expérimentales, en particulier pour les cas de laminage présentant des défauts. Les résultats montrent l'importance de réaliser un calcul couplé, soit fortement soit itérativement, pour saisir les détails de ces profils de contrainte, capitaux à quelques MPa près pour le calcul des formes post-flambées, c'est-à-dire les défauts de planéité.

L’objectif de ce sujet de thèse est de prédire l’apparition des instabilités plastiques (striction diffuse et striction localisée) dans les matériaux métalliques. Ces matériaux sont décrits par des modèles de comportement élasto-plastique couplés à l’endommagement. L'approche de Lemaitre, reliant l'endommagement à la déformation plastique équivalente et au taux de restitution de la densité d'énergie élastique, est adoptée. Parmi les différents critères et indicateurs qui sont considérés pour la prédiction des instabilités matériau, la théorie de bifurcation et les critères de type force maximum sont tout particulièrement analysés et comparés. Un objectif important de cette étude consiste à déterminer les mécanismes déstabilisants clés associés à cette modélisation du comportement, ainsi que l’impact des différents aspects physiques et des paramètres matériau sur l’apparition de la striction. Les développements résultants sont appliqués à une sélection représentative de matériaux métalliques afin prédire leurs limites de formabilités. Cette approche combinant des lois de comportement et critères de striction peut être utilisée comme outil théorique et numérique d’aide à la conception de nouveaux matériaux à ductilité améliorée / The aim of the present work is to predict the occurrence of plastic instabilities (diffuse and localized necking) in thin sheet metals. The prediction of these plastic instabilities is undertaken using an elastic–plastic model coupled with ductile damage, which is then combined with various plastic instability criteria theory. The bifurcation-based criteria and the maximum force criterion used in this work are formulated within a general three-dimensional modeling framework, and then applied for the particular case of plane-stress conditions for sheet metals. Some theoretical relationships or links between the different investigated necking criteria are established, which allows a hierarchical classification in terms of their conservative character in predicting critical necking strains. The resulting numerical tool is implemented into the finite element code ABAQUS/Standard to predict forming limit diagrams, in both situations of a fully three-dimensional formulation and a plane-stress framework. This approach, that combines constitutive equations to necking criteria, serves as a useful tool in the design of new materials with improved ductility

Cette thèse met l'accent sur la recherche scientifique pour développer une classe de procédés à hautesvitesses de déformation des tôles métalliques en alliages d'aluminium et en acier à haute résistance (AHR).Ces technologies emploient une impulsion de pression de courte durée qui propulse la tôle dans une matrice.Ces procédés sont généralement décrits comme procédés de formage par impulsion de pression (PPF). Letravail proposé dans ce mémoire de thèse a permis de surmonter trois obstacles pour l'utilisation desprocédés PPF et la fabrication à moindre coût de structures légères. Le premier obstacle a été le manque decorrélation entre formabilité et vitesses de déformation qui se développent lors d'un procédé PPF. Nous avonsproposé d'analyser la formabilité et la rupture des tôles, et de caractériser les vitesses de déformation et leurl'hétérogénéité pendant le procédé PPF. Le deuxième obstacle a été le manque de lois constitutives validéespour les métaux déformés par le procédé PPF. Nous avons étudié la microstructure et l'évolution despropriétés mécaniques durant le procédé PPF. Le troisième obstacle est le manque de modèles de formabilitéprédictifs validés pour le procédé PPF. Nous avons utilisé la méthode Marciniak-Kuczynski pour la prédictionde la formabilité de l'alliage AA5182 et de l'acier DP600 sous un large éventail de vitesses de déformation etsous différentes directions de ces vitesses. La combinaison de ces résultats de recherche permet une plusgrande capacité prédictive pour concevoir et développer des procédés PPF pour composants d'automobiledésirés à partir d'aluminium et d'acier AHR.

Le présent travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet industriel proposé par une entreprise luxembourgeoise et en collaboration avec le Centre de Recherche Public Henry Tudor du Luxembourg (Laboratoire des Technologies Industriels (LTI)). L’objectif consiste à mettre au point une méthode numérique de détermination de la forme des outils d’emboutissage et du flan de pièces de précision en tôlerie fine pour que ce dernier, une fois déformé en une ou plusieurs opérations, correspond à la définition tridimensionnelle du cahier des charges. La méthode a pour objectif de remplacer une démarche expérimentale coûteuse par essais–erreur. Deux démarches numériques sont proposées, la première est relative à la détermination de la forme du flan. Elle consiste à estimer la forme du flan par Approche Inverse en partant de la forme 3D demandée. Puis, un logiciel de simulation incrémental par éléments finis en 3D est utilisé dans une procédure d’optimisation heuristique pour déterminer la forme du flan. Dans la deuxième démarche, il s’agit de déterminer la forme des outils d’emboutissage en utilisant le logiciel de simulation incrémental couplé avec une méthode de compensation du retour élastique en 2D. La démarche numérique est validée expérimentalement dans le cas d’un emboutissage réalisé en une ou plusieurs passes, à l’aide d’une presse manuelle, sans serre flan et avec des outils de forme très complexe. / The present study deals with an industrial project proposed by a luxembourgian enterprise and in collaboration with the luxembourgian research centre Henry Tudor (Laboratory of Industrial Technologies (LTI)). The main objective is to build a numerical approaches for the determination of the initial blank shape contour and tools shape for 3D thin metallic precision parts obtained by stamping, knowing the 3D CAD geometry of the final part. The purpose of the present procedure is to replace the expensive and time consuming experimental trial and error optimization method. Two numerical approaches have been proposed, the first is regarding the determination of the blank shape. An estimation of the blank shape can be given using the Inverse Approach. Update of the blank shape will then be continued by iterations combining heuristic optimization algorithms and incremental stamping codes. The second approach is based on precise finite element models and on spring-back compensation algorithm. The numerical approaches are tested in the case of a special stamping process where the parts are pressed in one or more steps using a manual press, without blank holder and by the mean of complex shape tools.

Les bobinages des machines électriques tournantes actuelles sont, pour la plupart, isolés avec des matériaux issus de la chimie organique. La limite en température des bobinages actuels se situe au-dessous de 240°C. L’augmentation significative de la température de fonctionnement d’une machine permettrait d’envisager, indirectement, une augmentation de la densité de courant dans les conducteurs actifs. Dans ces conditions, ces nouvelles machines peuvent présenter une puissance, tant massique que volumétrique, supérieures à celles exploitées actuellement. De plus, les matériaux magnétiques permettent vraisemblablement de fonctionner jusqu’à 800°C. La limite technologique actuelle pour les machines est clairement l’isolant des conducteurs électriques. Ce sujet de thèse propose de définir une approche théorique couplée à des validations expérimentales pour définir les matériaux les mieux adaptés aux machines hautes températures en termes de mise en œuvre et de performances électriques. La conception, repensée autour du bobinage, sera concrétisée par le calcul d’une machine asynchrone à haute température (400°C au cœur du bobinage). Le bobinage devra être placé au cœur de la démarche de conception des machines en adaptant les formes et les propriétés des circuits magnétiques aux caractéristiques des nouvelles bobines. / The windings that are currently used in electrical machines are mostly insulated based on organic insulation. The temperature limit of these windings is up to 240°C. Increasing the working temperature of electrical motors means, indirectly the increasing of current density on the main conductors. Therefore these new motors may provide a higher mass and volume power as classical machines. Furthermore, the magnetic materials can work up to 800 °C. Indeed, in reality technical limit today is the wire insulation. The objective of thesis is to define a theoretical approach combined with experimental validations for identify the appropriate electrical materials used on high-temperature electrical machines. Design is fixed around the winding, that will implemented by calculating a high-temperature asynchronous machine (400°C of windings). The windings are placed as the base of machine design and will determine the geometrical shape and properties of magnetic core.

Dans cette thèse, deux méthodes de couplage sont proposées pour la simulation multi-échelle des procédés de mise en forme. Dans la première partie, une procédure simplifiée (couplage indirect) est adoptée pour coupler les codes éléments finis (Abaqus et LAM3) au modèle polycristallin avec un schéma de transition autocohérente basée sur le comportement élastoplastique du monocristal écrit dans le formalisme des grandes déformations. Cette procédure simplifiée consiste à lier le modèle polycristallin avec l'analyse EF par l'extraction de l'histoire de l'incrément de déformation et de contrainte macroscopique, obtenue à partir d'une simulation EF préliminaire avec une loi phénoménologique, et à l'utiliser comme trajet de chargement dans le modèle polycristallin. Cette méthode est appliquée pour la simulation multi-échelle du procédé de skin-pass. Le suivi du trajet de chargement extrait dans la demi-épaisseur de la tôle a permis de prédire l'évolution des grandeurs physiques associées au modèle de plasticité en particulier la texture cristallographique, la texture morphologique et l'écrouissage. Dans la seconde partie de cette thèse, un modèle polycristallin élastoplastique du type autocohérent en petites déformations est couplé au code EF Abaqus via la routine utilisateur UMAT. Ce couplage (dit couplage direct) consiste à utiliser la théorie de la plasticité cristalline comme loi de comportement à chaque point d'intégration du maillage EF. Le polycristal est représenté par un ensemble de N monocristaux. Chaque fois que le code EF a besoin d'information sur le comportement mécanique aux points d'intégration de chaque EF, le modèle polycristallin est appelé. Pour valider ce couplage développé, nous avons effectué des cas tests de simulation de trajets rhéologiques. Les résultats issus de ce couplage ont été validés avec des modèles de référence. À la différence des modèles phénoménologiques, ce couplage permet non seulement d'avoir des informations sur le comportement macroscopique de la structure mais aussi d'obtenir des informations sur l'état de la microstructure du matériau. / In this thesis, two coupling methods are proposed for the multiscale simulation of forming processes. In the first part, a simplified procedure (indirect coupling) is adopted to couple the finite element codes (Abaqus and LAM3) with a polycrystalline selfconsistent model based on the large strain elastoplastic behavior of single crystals. This simplified procedure consists in linking the polycrystalline model with the FE analysis by extracting the history of the increment of macroscopic strain and stress, obtained from a preliminary FE simulation with a phenomenological law, and then using it as loading path prescribed to the polycrystalline model. This method is applied to multiscale simulation of skin-pass processes. By following on the loading path extracted at the halfthickness of the sheet, we can predict the evolution of some physical parameters associated with the plasticity model, in particular the crystallographic texture, the morphological texture and hardening. In the second part on this thesis, a small strain version of the elastoplastic polycristalline self-consistent model is coupled to the Abaqus FE code via the user material subroutine UMAT. This coupling (called direct coupling) consists in using crystal plasticity theory as constitutive law at each integration point of the FE mesh. The polycristal is represented by a set of N single crystals. Each time the FE code needs information on the mechanical behavior at the integration points considered, the full polycrystalline constitutive model is called. In order to validate this coupling, simulations of simple mechanical tests have been conducted. The results of this coupling have been validated through comparison with reference models. Unlike phenomenological models, this coupling provides not only information on the overall macroscopic response of the structure, but also important information related to its microstructure

Cette thèse s’inscrit dans le cadre des études des phénomènes électromagnétiques dansles régions frontales des grands turbo-générateurs. L’objectif de la thèse est d’estimer apriori le champ magnétique axial en fonction du point de fonctionnement afin d’éviterles possibles dégradations du circuit magnétique (dus aux points chauds et tensions entretôles, qui sont liés à la composante axiale du champ).Une maquette à échelle réelle a été spécialement conçue et réalisée dans le but d’améliorerla compréhension physique des phénomènes : les pertes, la pénétration du champ magnétiqueet les tensions entre tôles sont analysés.Les simulations par éléments finis sont ensuite utilisées : les avantages et inconvénientsseront discutés, ainsi qu’une comparaison critique des résultats par rapport aux mesuresexpérimentales sur la maquette. La région frontale d’un turbo-alternateur est aussi entièrementmodélisée.Enfin, un modèle simple du flux axial est développé. Ses coefficients sont déterminés àl’aide de simulations par éléments finis, mais il peut ensuite être utilisé en temps réel afind’estimer le flux axial correspondant à un point de fonctionnement quelconque. / This work aims to improve the knowledge of electromagnetic phenomena that occurin the end region of large turbo-generators. The goal of this work is to evaluate theaxial magnetic flux density with regard to the operating conditions (such as active orreactive power) in order to prevent potential deterioration of the stator. Indeed, the axialmagnetic field is known to induce hot points or voltages between laminations that maycause insulation breakdown and thus stator faults.An experimental apparatus in real scale has been designed and built. Its purpose is tostudy precisely the following phenomena: losses, axial magnetic flux density penetration,voltage across adjacent voltages.Finite element simulations (FEM) are also used: their advantages and drawbacks arediscussed, and the results are compared with the experimental measures. The wholeend-region of a turbo-generator is also simulated.Finally, a simple model of the axial magnetic flux is proposed. Its parameters are basedon the results of the FEM model, but it may be used in real time to evaluate the axialmagnetic flux density of any operating point.

Dans le cadre de la conception des structures automobiles et de la modélisation de leur tenue au crash, la prédiction du comportement mécanique et de la rupture des assemblages soudés par point par résistance, s’avère encore délicate. En introduisant une nouvelle génération d’assemblages multi-tôles en aciers multigrades soudés par point, la prédiction de leur tenue mécanique est devenue encore plus complexe. En effet, malgré une utilisation croissante de ces assemblages, l’étude expérimentale de leur comportement mécanique est encore très limitée, tandis que leur modélisation macroscopique n’a pas encore été proposée. Dans ce contexte, un dispositif expérimental approprié de type Arcan est proposé pour caractériser la tenue mécanique et la rupture des assemblages trois tôles soudés par points, en chargements purs et combinés et dans les différentes configurations possibles. Une approche de modélisation macroscopique est également proposée pour simuler le comportement des assemblages trois tôles soudés, pour des applications de type structure. Un modèle d’élément équivalent ’connecteur’ est tout d’abord proposé, identifié et validé par rapport un assemblage deux tôles soudé par point. Ensuite, une approche de modélisation utilisant trois connecteurs est proposée pour simuler le comportement mécanique et la rupture d’un assemblage trois tôles soudé par point par résistance. Une stratégie d’identification est aussi détaillée pour simplifier la procédure d’identification des paramètres du modèle. Le modèle est identifié et validé par rapport aux résultats expérimentaux des essais de caractérisation de type Arcan réalisés au cours de cette thèse. / Resistance spot welding (RSW) is widely used in the automotive industry. However, the prediction of their non-linear mechanical behavior and their failure in structural crashworthiness computations remains a challenge. The introduction of a new generation ofmulti-sheet multi-steel grade spot welded assemblies makes the prediction of their mechanical strength more complex.Despite the increasing use of these assemblies, the experimental study of their mechanical behavior is still very limited, while their macroscopic modeling has not yet been studied. An experimental device based on Arcan principle is thus proposed to characterize the mechanical strength and the failure of three-sheet spot welded assemblies, in pure and combined loads for different loading configurations. A macroscopic modeling approach is also proposed to simulate their mechanical behavior for structural applications. As a first step, a ’connector’ element is proposed, identified and validated for a two-sheet spot welded assembly. Then, a modeling approach using three connectors is proposed to simulate the mechanical behavior and the rupture of a three-sheet multi- steel grade spot welded assembly. An identification methodology is also presented to simplify the identification procedure of the model parameters. The model is identified and validated based on the experimental results of the Arcan tests carried out during this thesis.

Environ 300 millions de moteurs électriques, de puissance moyenne comprise entre 0,75 kW et 300 kW, sont utilisés dans l’industrie, l’infrastructure et les grands bâtiments. En plus, 30 millions sont renouvelés chaque année. En France, l’énergie électrique consommée par ces moteurs représente environ deux-tiers l’énergie électrique consommée dans l’industrie. Une amélioration, même faible, des performances environnementales de chaque unité apporte donc des gains environnementaux conséquents. La démarche d’éco-conception d’une machine électrique permet d’introduire, contrairement aux autres démarches classiques, les aspects environnementaux lors de la conception de la machine en tenant compte de toutes les phases du cycle de vie, depuis l’extraction des matières premières nécessaires à la fabrication des pièces de la machine jusqu’à son démantèlement et son recyclage. Cette démarche permet de concevoir une machine électrique avec un meilleur écobilan global. Dans ce travail, un outil performant destiné à l’Analyse du Cycle de Vie (ACV), prenant en compte plusieurs critères d’impacts afin d’éviter le transfert de pollution d’un critère à l’autre, a été utilisé pour améliorer significativement les performances éco-énergétiques des moteurs électriques. Un premier prototype de moteur « vert » réalisé avec de nouveaux concepts a été fabriqué et comparé à une machine de référence. Sa réalisation a été dictée par le souci de réduire au maximum son empreinte environnementale en utilisant des matériaux plus respectueux de l’environnement, mais aussi en augmentant son efficacité énergétique. Le prototype est ainsi fabriqué à base de tôle à grains orientés, de fil émaillé UV sans solvant, de plastique d’origine végétale et de roulements éco-énergétiques. Ce moteur prototype possède une haute éco-efficacité énergétique puisque son rendement est augmenté de l’ordre de trois points par rapport au moteur standard, sans augmenter sa masse, de plus il comporte un système d’isolation qui n’utilise pas de solvant et des plastiques biosourcés. / Approximately 300 million of electric motors, with average power range from 0.75 kW to 300 kW, are used in industry, infrastructure and large buildings. In addition, 30 millions are renewed each year. In France, the electrical power consumed by these motors is about two-third of the electrical energy consumed in the industry. Thus, an improvement, even small, of the environmental performance of each motor would provide substantial environmental benefits. Contrary to the conventional approaches, the eco-design of an electrical machine can introduce environmental aspects during the design of the machine, taking into account all phases of the life cycle from the extraction of raw materials to the decommissioning and the recycling. This approach has been applied in this study to design an electrical motor, which has a better global energetic eco-balance. Therefore, a Life Cycle Analysis (LCA) tool is used; it takes into account several impact criteria to avoid pollution transfers from one criterion to another. A first "Green" prototype motor made with a high energetic eco-efficiency was fabricated and tested. The study was dictated by the need to minimize its global environmental impact by using materials more environmentally friendly, but also in order to increase its energy efficiency. The prototype is made with a grain oriented steel sheets, an enameled wire polymerized by UV and without solvents, some plastic based on biopolymers and with eco-energetic bearings. The eco-designed motor has a high energetic eco-efficiency; its performance is increased by about 3 % compared to the standard motor and without increasing its mass.