L’acier 55Cr3 est mis en œuvre dans la fabrication des barres stabilisatrices cambrées (BSC) utilisées dans l’industrie automobile. Le procédé consiste en un cintrage à chaud suivi d’un traitement thermique de trempe/revenu. Les barres ainsi mises en forme subissent ensuite un grenaillage de précontrainte avant peinture et livraison au client final. L’objectif de ce travail est de fiabiliser cette fabrication en vue de garantir des performances optimales quelle que soit la provenance de l’acier. Deux lots d’acier de nuance 55Cr3 élaborés respectivement par la filière électrique et la filière fonte ont été caractérisés métallurgiquement et mécaniquement à chaque étape de la fabrication. Les résultats indiquent une légère différence de trempabilité, conduisant à des écarts inférieurs à 5% de la limite élastique à l’issue du revenu. Le nombre de cycles à rupture d’éprouvettes sollicitées en traction uniaxiale et en torsion est bien corrélé avec les limites élastiques, contrairement aux résultats obtenus sur BSC sur banc de fatigue représentatif des sollicitations de service. L’évaluation des contraintes résiduelles par diffraction des rayons X met en évidence une différence de réponse au grenaillage, qui a été reliée à la microstructure initiale, à réception de l’acier. Un modèle numérique de couplage métallo-thermo-mécanique permettant de simuler le formage des BSC et tenant compte des transformations de phase liées à la trempe a été développé. Ce modèle permet de mettre en évidence l’influence des paramètres matériaux, du process et géométriques et de calculer les contraintes résiduelles introduites par l’opération de trempe. Ceci contribue à l’amélioration de la fiabilité. / 55Cr3 steel grade is used for the manufacturing of stabilizer bars in the automotive industry. Steps in the process are hot bending followed by quench and tempering. After such forming, the bars are submitted to shotpeening before painting and final customer delivering. This work aims at improving the manufacturing reliability in order to get the best performance whatever the steel supply.In this purpose, the microstructure and mechanical properties resulting from each step of the manufacturing process have been characterized for two batches of bars made of 55Cr3 steel grade respectively elaborated by blast furnace route and by electric arc furnace route. A slight difference in quenchability has been found, which is responsible for a 5% variation in the yield strength. Samples fatigue tested under uniaxial tensile stress and torsional stress have reached an amount of cycles to failure that is in agreement with the respective yield strength. Different results have been obtained by fatigue testing complete manufactured bars under representative complex service stresses. The determination of residual stresses by X-ray diffraction shows that both steels respond differently to shotpeening, which results from differences in the as-received microstructure.A metallo-thermo-mechanics coupling model based on finite element method has been created which takes into account phase transformations during the quenching process. This model can simulate the forming process of stabilizer bar, in order to analyze the influence of material properties, processing parameters and sample geometry, to calculate the residual stresses induced by the quenching process, and improve process reliability.

Les échangeurs réacteurs intensifiés (ERI) sont des échangeurs de chaleur utilisés comme réacteurs chimiques afin d'intensifier les procédés de synthèse. L'ERI étudié dans ce travail est composé de plaques en carbure de silicium, lui conférant ainsi des propriétés thermiques et chimiques importantes. En contrepartie, l'utilisation du SiC accentue les risques de rupture fragile, à ajouter aux risques principaux associés aux ERI qui sont les fuites de fluide et l'emballement thermique de la réaction. L'intensification des procédés représente un gain important en terme de productivité, de sécurité et d'impact environnemental, à condition de maîtriser la conception et la mise en œuvre de l'ERI. L'objectif de ce travail est de proposer une démarche d'étude adaptée à ce type de produit en général, et d'optimiser la conception de cet ERI en particulier. Pour cela, les modèles thermo-chimique et thermo-mécanique de l'ERI sont développés puis utilisés dans une étude mécano-fiabiliste, notamment au moyen à la méthode AK-MCS basée sur l'interpolation par krigeage de la fonction de performance. / Intensified heat exchanger reactors (ERI) are heat exchangers used as chemical reactors for process intensification. The ERI studied in this work is composed of silicon carbide (SiC) based plates, giving it interesting thermal and chemical properties. In return, the use of SiC increases the brittle fracture risk, in addition of the main risks that are leaking fluid and thermal runaway reaction. The process intensification represents a significant gain in productivity, safety and environmental impact, provided that the design and the implementation procedure of the ERI are optimized. The objective of this work is to propose a process of study suited to this type of product in general, and to optimize the design of this ERI in particular. For this, the thermo-chemical and thermo-mechanical models are developed and used in a mechano-reliability study, notably using the AK-MCS method based on kriging interpolation of the performance function.

Ce travail de thèse a porté sur la simulation numérique du comportement thermique et mécanique d'un combustible nucléaire à particules. Il s'agit d'un composite réfractaire constitué d'une matrice de graphite comportant 45 % en fraction volumique de particules sphériquesd'UO2 revêtues de deux couches de pyrocarbone. L'objectif était de développer une modélisationmulti-échelles de ce composite afin d'estimer son comportement moyen, ainsi que les hétérogé-néités des champs mécaniques au sein des constituants. Nous avons modélisé la microstructuredu combustible et généré des échantillons numériques en 3D. Pour cela, des outils de générationde distributions aléatoires de sphères, de maillage et de caractérisation microstructurale, tellela covariance, ont été développés dans le code de calcul Cast3M. Une centaine d'échantillonsnumériques de différentes tailles ont été réalisés. Le comportement thermo-élastique du combustiblea été caractérisé à partir de ces échantillons, à l'aide de calculs de microstructures paréléments finis. Nous avons étudié l'influence de divers paramètres de la modélisation, dont lesconditions aux limites. Nous proposons une méthode pour s'affranchir des effets des conditionsaux limites sur les résultats, appelée méthode d'érosion. Elle s'appuie sur l'analyse des résultatssur un érodé du volume élémentaire. Nous avons alors déterminé les propriétés effectives ducomposite (modules d'élasticité, conductivité thermique, dilatation thermique), ainsi que lesdistributions des champs mécaniques locaux au sein de la matrice. Enfin, nous avons proposéun modèle de changement d'échelles permettant d'obtenir, non seulement les valeurs moyennesdes variables mécaniques dans chaque phase, mais également leurs variances et covariances pourtout chargement macroscopique imposé. Cette approche statistique de changement d'échellespermet ainsi d'estimer la distribution des grandeurs mécaniques au sein de chaque phase ducomposite.

Ces dernières années, l'étude de la rupture localisée des structures massives sous chargement thermomécanique est devenue un enjeu important en Génie Civil du fait de l'augmentation du nombre de constructions endommagées ou totalement effondrées après un feu. Deux questions centrales ont émergé : la modélisation mathématique des phénomènes mis en jeu lors d'un feu d'une part et la simulation numérique de ces problèmes d'autre part. Concernant la modélisation mathématique, la principale difficulté est la mise en place de modèles thermomécaniques capables de modéliser le couplage existant entre les effets thermiques et mécaniques , en particulier dans une zone de rupture localisée. Comment le chargement mécanique affecte la distribution de température dans le matériau et inversement, comment le chargement thermique influence la réponse mécanique ? Sont des questions qui doivent être abordées. Ces questions sont d'autant plus difficiles à aborder que l'on considère une zone de rupture où la mécanique des milieux continus classiques ne peut pas être appliquée du fait de la présence de discontinuités du champ de déplacement et, comme cela est démontré dans ce travail, du flux thermique. Pour ce qui concerne la simulation numérique, la complexité du problème multi-physique posé en termes de système d'équations aux dérivées partielles impose le développement de méthodes de résolution approchées adaptées, efficaces et robustes, la solution analytique n'étant en général pas disponible. Cette thèse contribue sur les deux aspects précédents. En particulier, des modèles thermomécaniques pour le béton et l'acier (les deux principaux matériaux utilisés en Génie Civil) capables de contrôler simultanément les phases d'écrouissage accompagnées de plasticité et/ou d'endommagement diffus ainsi que la phase adoucissante due au développement de macro-fissures sont proposés. Le problème thermomécanique est ensuite résolu par une méthode dite «adiabatic operator split» qui consiste à séparer le problème multiphysique en une partie mécanique et une partie thermique. Chaque partie est résolue séparément en utilisant une fois de plus une méthode «d'operator split» dans le cadre des méthodes à discontinuités fortes. Dans ces dernières, une discontinuité du champ de déplacement ou du flux thermique est introduite et gérée au niveau élémentaire du code de calcul Éléments Finis. Une procédure de condensation statique élémentaire permet de prendre en compte ces discontinuités sans modification de l'architecture globale du code de calcul Éléments Finis fournissant les champs de déplacement et de température. Dans cette thèse est également abordée la question de l'évaluation de la réponse jusqu'à rupture de structures en béton armé de type poteaux/poutres soumises à un feu. L'originalité de la formulation proposée est de tenir compte de la dégradation des propriétés mécaniques du matériau due au chargement thermique pour la détermination de la résistance limite et résiduelle des structures mais également de prendre en compte deux types de rupture caractéristiques des structures poteaux/poutres à savoir les ruptures en flexion et les ruptures en cisaillement. Les travaux présentés dans cette thèse pourront être étendus pour décrire la rupture de structures en béton armé dans des cas bi ou tridimensionnels en tenant compte en particulier du comportement de l'interface acier/béton et/ou d'autres types de rupture comme la rupture par fatigue ou le flambage. Une extension possible est également la prise en compte des effets dynamiques mis en jeu lorsque la structure est sollicitée mécaniquement par un tremblement de terre ou un impact en plus de la sollicitation thermique. / During the last decades, the localized failure of massive structures under thermo-mechanical loads becomes the main interest in civil engineering due to a number of construction damaged and collapsed due to fire accident. Two central questions were carried out concerning the theoretical aspect and the solution aspect of the problem. In the theoretical aspect, the central problem is to introduce a thermo-mechanical model capable of modeling the interaction between these two physical effects, especially in localized failure. Particularly, we have to find the answer to the question: how mechanical loading affect the temperature of the material and inversely, how thermal loading result in the mechanical response of the structure. This question becomes more difficult when considering the localized failure zone, where the classical continuum mechanics theory can not be applied due to the discontinuity in the displacement field and, as will be proved in this thesis, in the heat flow. In terms of solution aspect, as this multi-physical problem is mathematical represented by a differential system, it can not be solved by an ‘exact’ analytical solution and therefore, numerical approximation solution should be carried out. This thesis contributes in both two aspects. Particularly, thermomechanical models for both steel and concrete (the two most important materials in civil engineering), which capable of controling the hardening behavior due to plasticity and/or damage and also the softening behavior due to the localized failure, are carried out and discussed. Then, the thermomechanical problems are solved by ‘adiabatic’ operator split procedure, which ‘separates’ the multi-physical process into the ‘mechanical’ part and the ‘thermal’ part. Each part is solved individually by another operator split procedure in the frame-work of embbed-discontinuity finite element method. In which, the ‘local’ discontinuities of the displacement field and the heat flow is solved in the element level, for each element where localized failure is detected. Then, these discontinuities are brought into the ‘static condensation’ form of the overall equilibrium equation, which is used to solved the displacement field and the temperature field of the structure at the global level. The thesis also contributes to determine the ultimate response of a reinforced concrete frame submitted to fire loading. In which, we take into account not only the degradation of material properties due to temperature but also the thermal effect in identifying the total response of the structure. Moreover, in the proposed method, the shear failure is also considered along with the bending failure in forming the overal failure of the reinforced structure. The thesis can also be extended and completed to solve the behavior of reinforced concrete in 2D or 3D case considering the behavior bond interface or to take into account other type of failures in material such as fatigue or buckling. The proposed models can also be improved to determine the dynamic response of the structure when subjected to earthquake and/or impact.

La plate-forme Saharienne paléozoïque, comprenant les bassins péri-Hoggar (Murzuq, Illizi, Mouydir, Ahnet, Reggane et Tim Mersoï) sont définies comme des bassins intracratoniques. Ils ont été dominés par des mouvements verticaux lents et à grande longueur d'onde, conduisant à une subsidence globale à faible vitesse (i.e. ca. 10 m/Ma à 50 m/Ma) et à l'accumulation d'une couverture sédimentaire étendue de type plate-forme (environnements de dépôts peu profonds), rythmée par des périodes pulsatiles d’augmentation et de diminution du taux de subsidence probablement déclenchées par des événements géodynamiques régionaux. Les mouvements verticaux de la plate-forme ont créé plusieurs arches également appelés dômes, paléo-topographies (e.g. les arches de la Tihemboka, d’Amguid El Biod, d’Arak-Foum Belrem et de l’Azzel Matti) et des bassins (en forme de synclinal) de différentes longueurs d'onde allant de plusieurs centaines à plus de milliers kilomètres. La persistance d’un ensemble assez uniforme de mouvements verticaux semble contrôler l’architecture des bassins, ce qui semble indiquer un contrôle à grande échelle (i.e. lithosphérique). Ce dernier contrôle spatialement et temporellement la dynamique sédimentaire de dépôt et d'érosion. Plusieurs périodes d'érosion majeures ont considérablement tronqué les sédiments préexistants sur de vastes zones, produisant des discordances régionales, restreintes et amalgamées sur les arches, qui séparent la couverture sédimentaire de la plateforme. À travers une approche intégrée multidisciplinaire originale allant d’une analyse géologique de bassin, associant le substrat et l’architecture de bassin à une modélisation thermomécanique numérique de la lithosphère, cette étude a permis de décrypter les facteurs de forçage des bassins intracratoniques de la plate-forme saharienne (bassins péri-Hoggar).L'architecture en Arches-Bassins est mise en évidence par l'identification de structures tectono-sédimentaires (onlap divergents, troncatures…). Cette architecture se caractérise par des variations d'épaisseur et des partitionnements de faciès, organisés par des failles normales planes sub-verticales formant des systèmes d'horst-graben souvent associés à des plis forcés dans la couverture. Connectés et nucléés aux grandes zones de méga-cisaillement, les systèmes d'horst-graben sont inversés (inversion positive) ou réactivés (plis forcés) au cours d'événements géodynamiques successifs (par exemple : extension cambro-ordovicienne, rebond glaciaire ordo-silurien, extension/ compression Siluro-Dévonien «Calédonienne», extension/compression du dévonien tardif et compression «hercynienne»).Formée sous une lithosphère précambrienne de type accrétionnaire héritées de plusieurs paléo-orogénèses (e.g. Eburnéenne, Panafricaine), une zonation des substrats sous l’architecture en Arches-Basins est observée : Les terranes Archéen à Paléoprotérozoïque se situent sous les hauts structuraux et les terranes méso-néo-protérozoïques sous les dépressions.Sur la base de ces observations géologiques et de l’hypothèse de densités différentielles conservées (impliquant un potentiel isostatique) entre les différents terranes accrétées héritées (i.e. les terranes archéennes et protérozoïques) dans la lithosphère, un modèle numérique thermo-mécanique 2D est proposé. Les facteurs de forçage du premier et du second ordre, respectivement caractérisés par de faible taux de subsidence et par leurs déviations cycliques pendant de longues durées (250 Ma), sont bien contraint par le modèle réconciliant aussi l’architecture tectono-stratigraphique singulière en Arches-Basins. Les différentes simulations ont montré l’importance des anomalies thermiques, de la tectonique (faible taux de déformation) et de l’apport externes en sédiments sur la dynamique de ces bassins intracratoniques. Le flux sédimentaire contrôle la vitesse et la durée de remplissage du bassin jusqu'à l'équilibre isostatique (…). / The Paleozoic Saharan platform including the peri-Hoggar Basins (i.e. Murzuq, Illizi, Mouydir, Ahnet, Reggane and Tim Mersoï basins) are defined as intracraonic basins. Their histories have been dominated by slow long-wavelength vertical motions leading to overall low subsidence rate (i.e ca. 10 m/Ma to 50 m/Ma) and accumulation of an extensive cover of platformal sediments (i.e. shallow deposits environments), rhythmed by pulsatile periods of increasing and decreasing rate probably triggered by regional geodynamic events. The vertical motions of the platform produced several arches also called domes, swells, highs, ridges (e.g. the Tihemboka, Amguid El Biod, Arak-Foum Belrem and Azzel Matti Arches) and basins (syncline-shaped) with different wavelengths going from several hundred to more than a thousand kilometres. The persistence of a rather uniform pattern of vertical motions seems to control the architecture of the basins indicating a large-scale control (i.e. lithospheric). This latter controls spatially and temporally the deposition and the erosion dynamics. Several major erosion events significantly truncated the pre-existing sediments over wide areas, producing regional unconformities, especially restricted and amalgamated on arches, which separate the platformal cover into divisions. Through an original multidisciplinary integrated approach going from a geological basin analysis, coupling the substrate and the basin architecture to a numerical thermo-mechanical modelling of the lithosphere, this study has led to decipher the forcing factors of the intracratonic basins of the Saharan platform.The Arches-Basins architecture is highlighted through the identification of tectono-sedimentary structures (growth strata, truncatures…). This architecture is featured by thickness variation and facies portioning, organized by sub-vertical planar normal faults (sometimes blind faults) forming horst-graben systems associated with forced folding in the cover. Connected and nucleated to major mega-shear zones, horst-graben systems are inverted (positive inversion) or reactivated (forced folds) during successive geodynamic events (e.g. Cambro-Ordovician extension, Ordo-Silurian glacial rebound, Siluro-Devonian “Caledonian” extension/compression, late Devonian extension/compression and “Hercynian” compression).Formed under a Precambrian lithosphere of accretionary type, inherited during several paleo-orogenies (e.g. Eburnean, Pan-African), a substrates zonation of the Arches-Basins framework is described, where the Archean to Paleoproterozoic terranes are forming the structural highs and the Meso-Neoproterozoic terranes the structural lows.Based on these geological observations and the hypothesis of conserved differential densities (implying an isostatic potential) between the inherited different accreted terranes in the lithosphere (i.e. archean and proterozoic terranes), a 2D thermo-mechanical numerical model is proposed. The first and second order forcing factors, respectively recorded in the subsidence rate pattern by the low long-lived and by their cyclic deviations, are well constrained reconciling the singular Arches-Basins tectono-stratigraphic architecture. The different simulations have shown the importance of thermal anomaly, tectonics (weak strain rate) and external sediment supply on the dynamic of these intracratonic basins. Where, sediment flux controls the speed and the duration of basin infill until achievement of the isostatic equilibrium. The thermal anomaly and the tectonics compel the tectono-stratigraphic complexification such as the arches framework (intra-arches, boundary secondary arches…) and the stratigraphy architecture (wedges, diachronic unconformities) (…).

La simulation numérique des procédés de transformation des matériaux est un domaine de recherche vaste et multidisciplinaire : il met en jeu essentiellement la thermomécanique des milieux continus, la science des matériaux et l'analyse numérique. Les deux premières parties de ce document présentent les résultats de recherches en simulation des procédés de compaction des poudres d'une part, et de soufflage des polymères d'autre part. Cet aspect est illustré par six articles sélectionnés, deux sur les poudres et quatre sur les polymères. Le reste du document est consacré à la modélisation des procédés de solidification, objet de l'essentiel de l'activité récente de l'auteur. En particulier, sont présentés les aspects relatifs à la simulation des phénomènes thermomécaniques en solidification (section ‎3) en insistant sur les formulations arbitrairement lagrangiennes-eulériennes, très utiles dans ce contexte (section ‎4). La section 5 est centrée sur quelques exemples d'application de ces méthodes à la coulée de pièces en moule ainsi qu'à la coulée continue (section ‎5). Enfin, la modélisation effectivement biphasique du milieu semi-solide fait l'objet d'un développement détaillé (section ‎6).

Nous avons proposé une modélisation thermomécanique de la coulée continue d'acier en trois dimensions. Notre approche permet d'obtenir la solution thermomécanique stationnaire du procédé, sur toute la machine. Il est alors possible de déduire l'histoire thermique et mécanique du produit en visualisant les cartes de contraintes ou de température. Un des résultats attendus de notre étude concerne les déflections entre les rouleaux qui traduisent le gonflement, à l'origine des ségrégations. Nous avons basé notre étude sur la stratégie globale instationnaire, en adoptant une approche purement lagrangienne. Nous simulons l'apport continuel de matière, grâce à l'introduction d'un outil d'injection situé sur la face supérieure du domaine. La face inférieure du domaine admet la cinématique de l'outil de guidage du procédé. Ainsi, le maillage augmente constamment selon un chemin délimité par les rouleaux. L'évolution du maillage -création de nouveaux noeuds- est gérée de manière locale par une technique de recollement de maillages. D'un point de vue modélisation, nous résolvons les équations instationnaires de conservation de l'énergie, de la matière et de la quantité de mouvement. Le problème mécanique est abordé selon une approche de type milieu monophasé équivalent; nous négligeons les phénomènes de convection naturelle et de macroségrégation, mais les phénomènes de dilatation thermique et de retrait à la solidification sont pris en compte. La zone solide est supposée obéir à un comportement élasto-viscoplastique, dont la rhéologie est donnée par les lois de la littérature. Les zones pâteuse et liquide sont supposées obéir respectivement à un comportement viscoplastique et newtonien. Nous avons validé, avec succès, notre approche sur plusieurs cas et nous l'avons appliqué à deux machine de coulée industrielles.

Les travaux de recherche, menés depuis une quinzaine d'années, portent sur les développements de modèles mécaniques et numériques permettant de décrire le comportement local et global de pièces complexes constituées d'élastomères. Parmi les développements accomplis durant ces dernières années, citons les plus significatifs: -Modélisation numérique du comportement hyperélastique incompressible et réalisation d'une bibliothèque d'éléments finis. - Mise en oeuvre et validation d'une technique de réduction de modèles à travers la mise à profit des symétries géométriques pour la résolution des problèmes linéaires ou non-linéaires (Eléments finis pseudo-axisymétriques, Eléménts de réduction 3D/2D...) - Modélisation du couplage thermo-viscoélastique en grandes transformations des structures élastomères. - Elaboration de modèles hyper-visco-plastiques, microphysiquement motivés, dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. - Développement d'algorithmes d'identification de paramètres des modèles et établissement d'une méthodologie de caractérisation pour les comportements à différentes températures et sous sollicitations dynamiques multifréquences.

Traditionnellement, les collecteurs d'échappement sont fabriqués en fonte, d'un seul tenant. En raison de l'augmentation des performances des moteurs, des tôles d'acier mécano-soudées sont maintenant utilisées pour améliorer la tenue mécanique du collecteur à haute température. Cette technologie permet de réduire la masse du collecteur et de répondre ainsi favorablement aux normes de dépollution les plus sévères. L'objectif de la thèse est de proposer un modèle numérique de soudure et un critère de ruine associé permettant de prédire la durée de vie de ces structures mécano-soudées soumises à des chargements thermiques anisothermes. La procédure de dimensionnement consiste à simuler plusieurs cycles de chargements et à évaluer le critère de fatigue sur le dernier cycle simulé, considéré comme stabilisé.Dans un premier temps, une étude théorique est menée sur la caractérisation des différents états asymptotiques (adaptation, accommodation et rochet). Elle permet, d'une part de vérifier que l'état stabilisé est effectivement atteint et éventuellement d'estimer le nombre de cycles nécessaires pour l'atteindre, d'autre part de déterminer la nature de l'état limite. Dans un second temps, des essais de durée de vie isothermes, réalisés sur des éprouvettes en tôle, en tôle soudée et en tôle soudée arasée (abrasion du cordon puis polissage de la zone utile) mettent en évidence l'influence de la géométrie et de la microstructure au niveau de la soudure sur la durée de vie de ces structures. Enfin, des essais de durée de vie anisothermes, inspirés de chargements effectivement observés sur le collecteur, ont été réalisés sur des éprouvettes en tôle et en tôle soudée.La rigidité du cordon de soudure est modélisée à l'aide d'éléments coques dimensionnés de sorte à reproduire la déformée des éprouvettes en tôle soudée observée expérimentalement. Différents critères de ruine sont mis au point sur le matériau de base pour caractériser l'endommagement induit par des chargements anisothermes puis sont adaptés à la zone soudée. Enfin, la simulation d'un essai de choc thermique sur un collecteur d'échappement permet de valider le modèle de soudure proposé et de tester la pertinence des critères vis-à-vis de l'application industrielle. / Exhaust manifolds are classically designed in cast-iron. However, the engine performance increasing, the output gas reaches higher temperature, and other types of material like welded steel plates are considered to design exhaust manifolds. These components are subjected to complex thermomechanical loadings which must be taken into account in fatigue design. To limit the computational costs, only a few loading cycles are simulated and a fatigue criterion is used to estimate the lifetime of the structure. This study proposes a junction model combined with a fatigue criterion to assess the lifetime of a welded structure. The model is simple enough to be integrated into a computation on a complete structure and the fatigue criterion is available for anisothermal loadings.The theoretical characterization of the asymptotic states (elastic or plastic shakedown, ratchetting) is studied and adapted to anisothermal loadings in order to check whether the structure reaches a stabilized behaviour and to find the trend line of the evolution of the structure. Then isothermal low cycle fatigue tests are completed up to specimen crack initiation on plate, butt-welded plate and butt-welded plate after smoothing out the weld bead. The geometry and the microstructure of the weld have significant influence on strain localization and on the fatigue lifetime of the specimens. Finally anisothermal tests were completed on welded specimens to reproduce the typical loading seen by welds on exhaust manifolds.The stiffness of the weld is modelled thanks to additional shell elements calibrated to reproduce the deflected shapes of the welded specimens. Various fatigue criteria are developed on the base material to characterize anisothermal damage, and are then adapted to welded zones. The junction model is finally validated thanks to the simulation of a thermal shock on an exhaust manifold and the relevance of the criteria is estimated in relation to the industrial application.

Cette étude est consacrée à la modélisation du comportement thermo-mécanique des argiles raides saturées et au développement d'un algorithme d'intégration efficace de contrainte correspondant. Le comportement mécanique de l'argile de Boom naturelle dans des conditions isothermes a été caractérisé. Le modèle Cam Clay modifié (MCC) a été ensuite appliquée pour simuler le comportement de l'argile de Boom naturel. Il a été constaté que le MCC donne des prédictions de mauvaise qualité pour le comportement de l'argile de Boom naturel. Ainsi, un modèle Cam Clay (ACC-2) adapté a été développé en introduisant une nouvelle surface de charge et un nouveau potentiel plastique ainsi que d'un mécanisme plastique de Deux surfaces. Ce modèle permet la description satisfaisante des caractéristiques principales du comportement mécanique de l'argile de Boom naturelle. De plus, les équations de ce modèle peuvent être formulées mathématiquement comme dans un modèle élasto-plastique classique. L'algorithme d'intégration de contrainte classique peut donc être appliqué. Les effets thermiques ont été examinés par l'évaluation de la pertinence de trois lois thermomécaniques avancées (Cui et al, 2000; Abuel-Naga et al, 2007; Laloui et François, 2008; 2009). Il apparaît que tous les trois modèles peuvent décrire les caractéristiques principales du comportement thermo-mécanique des argiles saturées. Cependant, chaque modèle a ses limites ou des points peu clairs du point de vue théorique. L'algorithme d'intégration de contrainte du modèle thermo-mécanique de Cui et al. (2000) au point de contrainte a également été développé spécifiquement en utilisant une méthode adaptive du pas de temps. Le temps de calcul nécessaire pour obtenir une précision donnée est ainsi largement réduit pour des chemins de chargements thermiques et mécaniques. Un modèle thermo-mécanique à Deux surfaces (modèle TEAM) a été développé en se basant sur le mécanisme plastique de Deux surfaces. Le modèle proposé a étendu le modèle de Cui et al. (2000) à une formulation de Deux surfaces considérant le couplage entre les déformations plastiques des chemins de chargements thermiques et mécaniques. La simulation des essais drainés montre que ce modèle peut décrire les caractéristiques principales thermo-mécaniques de l'argile de Boom naturelle le long de différents chemins de chargements. Le modèle TEAM a finalement été étendu à des conditions non drainées. Après la clarification du concept des contraintes effectives et la définition d'une condition de déformation volumique, le processus d'échauffement non drainé est analysé. La validité des équations thermo-hydro-mécaniques de ce modèle a été examinée en se basant sur des résultats d'essais typiques / This study is devoted to the thermo-mechanical constitutive modeling for saturated stiff clays and the development of a corresponding efficient stress integration algorithm. The mechanical behavior of natural Boom Clay in isothermal conditions was first characterized. The Modified Cam Clay model (MCC) was then applied to simulate the natural Boom Clay behavior. It has been found that the MCC gives poor-quality predictions of the natural Boom Clay behavior. Thereby, an adapted Cam Clay model (ACC-2) was developed by introducing a new yield surface and a new plastic potential as well as a Two-surface plastic mechanism. This model allows satisfactory prediction of the main features of the mechanical behavior of natural Boom Clay. Moreover, the constitutive equations of this model can be formulated mathematically as in a classic elasto-plastic model. Thus, the classic stress integration algorithm can be applied. The thermal effects were considered by assessing the performance of some advanced thermo-mechanical models (Cui et al., 2000; Abuel-Naga et al., 2007; Laloui and François, 2008; 2009). It appears that all the three models can capture the main features of the thermo-mechanical behavior of saturated clays. However, each constitutive model has its own limitations or unclear points from the theoretical point of view. The stress integration algorithm of the thermo-mechanical model proposed by Cui et al. (2000) at the stress point level was also developed using a specifically designed adaptive time-stepping scheme. The computation time required to achieve a given accuracy is largely reduced with the adaptive sub-stepping considered for both mechanical and thermal loadings. A Two-surface thermo-mechanical model (TEAM model) was developed based on the Two-surface plastic mechanism. The proposed model extends the model of Cui et al. (2000) to a Two-surface formulation, considering the plastic strain coupling between the thermal and the mechanical loading paths. The simulation of drained tests shows that this model can capture the main thermo-mechanical features of natural Boom Clay along different loading paths. The TEAM model was finally extended to undrained conditions. After setting up an appropriate effective stress principle and defining a volumetric strain condition, the undrained heating process was analyzed. The validity of the thermo-hydro-mechanical constitutive equations was examined based on the data from typical tests