Cette thèse consiste à mettre en place un couplage externe aéro-thermo-mécanique, sur la base d'un schéma partitionné, entre les codes de recherche CEDRE (mécanique des fluides, volumes finis) et Z-set (modules indépendants pour la mécanique des structures et la thermique du solide, éléments finis). Les résultats numériques sont confrontés à ceux de l'expérience (une campagne de mesures a été menée dans le cadre de cette étude), dans le cas d'un problème complexe lié au domaine de l'aérospatial : l'interaction flamme-paroi. Ce phénomène est piloté par la thermique, à travers le flux de chaleur pariétal généré par la flamme. A cause de la disparité des temps caractéristiques thermiques entre les milieux fluide et solide, la partie aéro-thermique du couplage est traitée de façon simplifiée, en considérant le fluide comme une suite d'états stationnaires. L'échauffement de la plaque métallique provoque sa déformation (la loi de comportement mécanique du matériau est de type élasto-visco-plastique). Le déplacement de l'interface fluide-structure est propagé sur le maillage fluide. En se basant sur les similitudes entre jets non réactifs et réactifs (de type flamme) dans le cas de l'impact, des calculs couplés sont menés dans des configurations 2D et 3D de l'impact d'un jet chaud non réactif.

Dans ce projet, le matériau est l'alliage de magnésium AZ31-O en tôle. L'épaisseur de tôles est de 1,2 mm. Les essais de traction à chaud sont réalisés afin d'étudier la ductilité de l'alliage de magnésium AZ31-O, la température et l'influence la vitesse de déformation sont incluses dans tous les tests. Le résultat d'analyse montre que la ductilité est renforcée avec une température croissante et une vitesse de déformation décroissante, le phénomène d'adoucissement est évident à la température élevée. La propriété anisotrope n'est pas considérée dans ce projet. Les essais Nakazima à chaud avec le poinçon d'hémisphère sont réalisés pour étudier la formabilité de l'alliage de magnésium AZ31-O. Enfin, la FLD (Forming Limit Diagram) est identifiée et les comparaisons montrent que la formabilité est préférable à une température plus élevée. En outre, les prédictions des limites de formage sont effectuées dans le modèle M-K. La comparaison montre clairement avec la prédiction théorique ne convient pas avec l'expérience. Les simulations des éléments finis sont effectuées pour un emboutissage par poinçon hémisphérique et un emboutissage en croix. Tout d'abord, les simulations d'emboutissage de poinçon hémisphérique sont réalisés sur FORGE® et sur ABAQUS®. Les résultats des simulations de FORGE et de ABAQUS sont comparés afin d'étudier la différence de divers codes de simulation des éléments finis. Deuxièmement, le comportement de d'endommagent est étudié dans FORGE par modèle d'endommagement Lemaitre. Enfin, la simulation d'emboutissage en croix qui est un benchmark de la conférence 2011 NUMISHEET est réalisée avec FORGE. La charge de poinçon, l'épaisseur et la distribution de température sont obtenues et comparées pour chaque simulation. En outre, ces résultats de la simulation de benchmark (FORGE) sont également comparés à d'autres logiciels de simulation en conférence. Les résultats des analyses détaillées sont présentés dans cette thèse.

L’enjeu du projet MATTE est de proposer à terme un mode de transformation novateur utilisant des technologies parfaitement maîtrisées, pour la production haute cadence de structures composites hautes performances à fibres continues et résines thermoplastiques (composites TPFC) ou thermodure. Ce système fait partie des techniques dites Heat&Cool, bien connues dans le domaine de l’injection plastique. Il s’agit ici d’étendre ces techniques au domaine des matériaux composites structuraux. Par rapport aux moyens existant, ce procédé permettra d’intégrer en production : de nouvelles fonctions de contrôle, de réduire les consommations énergétique de l’ordre de 80%, les investissements périphériques de 30% et de tendre vers un temps de cycle complet inférieur à 3 minutes. Le procédé similaire dans les composite déjà existant est le RTM lourd, cependant il est très énergivore et ne permet de faire que de la moyen cadence dû à des cycles de cuisson assez long. Il est donc la référence pour quantifier les performances de la technologie MATTE / The issue of MATTE project is to propose an innovative process using perfectly controlled technologies for the production of structural composites high speed high performance with continuous fibers and thermoplastic resins (composites TPFC) or thermoset. This system is one of the techniques known as Heat & Cool, well known in the field of plastic injection. The aim of this technology is to extend these techniques to the field of structural composites. Compared to existing resources, this process will integrate in production: new monitoring functions, reduce energy consumption by about 80%, peripheral investments by 30% and to pursue a complete cycle time of less than 3 minutes. The similar method in the existing composite is the RTM, however, it is high energy consumption technology and do not allow high production rate. It is therefore the reference to quantify the performance of the MATTE technology

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. / The aim of this work was to perform numerical simulations of the thermal and mechanical behavior of a particle-based nuclear fuel. This is a refractory composite material made of UO2spherical particles which are coated with two layers of pyrocarbon and embedded in a graphitematrix at a high volume fraction (45 %). The objective was to develop a multi-scale modelingof this composite material which can estimate its mean behavior as well as the heterogeneity ofthe local mechanical variables. The first part of this work was dedicated to the modeling of themicrostructure in 3D. To do this, we developed tools to generate random distributions of spheres,meshes and to characterize the morphology of the microstructure towards the finite elementcode Cast3M. A hundred of numerical samples of the composite were created. The secondpart was devoted to the characterization of the thermo-elastic behavior by the finite elementmodeling of the samples. We studied the influence of different modeling parameters, one of themis the boundary conditions. We proposed a method to vanish the boundary conditions effectsfrom the computed solution by analyzing it on an internal sub-volume of the sample obtained byerosion. Then, we determined the effective properties (elastic moduli, thermal conductivity andthermal expansion) and the stress distribution within the matrix. Finally, in the third part weproposed a multi-scale modeling to determine the mean values and the variance and covarianceof the local mechanical variables for any macroscopic load. This statistical approach have beenused to estimate the intra-phase distribution of these variables in the composite material.

La maîtrise des procédés de mise en forme des polymères reste difficile du fait des couplages forts entre les sollicitations thermomécaniques complexes et la micro-stucture du matériau. Nous nous intéressons dans cette étude au cas représentatif du P.E.T. et du procédé d'étirage-soufflage. Nos objectifs sont de caractériser expérimentalement ces couplages pour améliorer leur compréhension et de valider des modèles de comportement représentatifs les prenant en compte, en particulier pour des sollicitations multi-axiales. Les différents éléments développés (machine multi-axiale, éprouvettes cruciformes, logiciel d'inter-corrélation d'image) associés à une caractérisation micro-structurale (densimétrie, dichroïsme IR, diffraction X) nous donnent accès à une large base de données mécaniques et micro-structurelles, obtenues pour des sollicitations variées et représentatives du procédé. Nous l'utilisons pour valider les modélisations existantes et proposer des pistes pour leur amélioration.

Dans le domaine des applications avioniques, des dispositifs d'électronique de puissance sont susceptible d'être placés sur le réacteur avec, dans le pire des cas, une température ambiante de 200°C et des cycles thermiques compris entre -55°C et 200°C.<br /><br /> La première partie de cette étude présente les caractérisations électriques de composants à semi-conducteur, afin de justifier le choix des diodes Schottky SiC et de transistor CoolMOS Si pour une utilisation à haute température. Ces composants sont alors intégrés dans un véhicule de test (module de puissance) adaptée à une localisation sur le réacteur. L'objectif est d'évaluer les performances électriques des éléments actifs à haute température, et la technologie d'assemblage par brasure des substrats céramiques sur une semelle AlSiC. En complément d'une campagne expérimentale, s'appuyant sur un cyclage thermique de grande amplitude, une évaluation numérique des sollicitations dans l'assemblage permettra de mieux comprendre les mécanismes de défaillances et les moyens permettant d'augmenter la durée de vie des modules de puissance dans ces conditions d'utilisation.<br /><br /> Afin de trouver des solutions d'intégration et de chercher à améliorer la durée de vie des assemblages, la dernière partie de cette étude présente les résultats expérimentaux, dans des conditions tout aussi sévères, pour de nouveaux véhicules de test, sans élément actif, composés de substrats céramiques de technologie différente. Les produits testés comportent des céramique AlN et Al2O3 dont les métallisations, avec ou sans dimples, présentent des géométries différentes. Nous évaluerons également, des substrats de technologie AMB avec des solutions DAB et Si3N4. Finalement, une nouvelle étude numérique est réalisée sous ANSYS dans le but d'estimer l'influence ce des substrats céramiques sur la durée de vie de l'assemblage. Finalement, nous tenterons de proposer des règles de conception permettant d'augmenter la durée de vie des assemblages de puissance.

Nous avons proposé une modélisation thermomécanique de la coulée continue d'acier en deux 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 (appelé "faux-mannequin") admet la cinématique de l'outil de guidage du procédé. Ainsi, sous l'action du "faux-mannequin", le matériau parcourt tout le chemin délimité par les rouleaux. 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 thermique est résolu numériquement en variable enthalpie. Le problème mécanique est abordé selon une approche monophasique; nous négligeons les phénomènes de convection naturelle et de macroségrégation, mais les phénomènes de dilatation thermique 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 choisissons des viscosités arbitrairement élevées pour le pâteux et le liquide afin de pouvoir négliger les phénomènes de convection naturelle. Nous avons validé, avec succès, notre approche sur plusieurs cas, qualitativement avec une étude de gonflement sur la machine de Dunkerque et quantitativement sur des calculs en lingotière, en comparant contraintes et lame d'aire avec des travaux de la littérature.

L'objectif de l'étude consiste en l'établissement d'une modélisation prédictive du procédé avec des temps de calcul acceptables en vue d'optimiser le procédé vis-à-vis de la tenue mécanique de l'assemblage soudé. Le modèle mis en place est constitué de deux étapes sucessives.<br /><br />Lors de la première étape, un calcul stationnaire thermohydrodynamique couplé permet d'obtenir le champ de température et l'écoulement de matière autour de l'outil. Pour cela, un comportement purement visqueux est adopté et la zone de contact outil-matière est modélisée par des conditions de glissement. Des données expérimentales obtenues par thermographie infrarouge ont permis de fixer deux paramètres de ce modèle.<br /><br />La seconde étape du modèle s'appuie sur un comportement élastoviscoplastique pour déterminer l'état mécanique résiduel d'un assemblage. Pour cela, l'écoulement de matière permet de suivre l'histoire de chaque particule, en particulier lors de leur passage autour de l'outil. Le champ de température permet de quantifier la dissolution des précipités durcissants au sein de l'alliage et de tenir compte de la variation avec la température des paramètres de la loi de comportement adoptée. En outre, la fraction de précipités dissous est reliée à la limite d'élasticité du matériau. Une méthode de calcul stationnaire est utilisée pour obtenir directement l'état stationnaire des variables mécaniques.<br /><br />Les résultats obtenus sont en accord avec des profils de contraintes résiduelles publiés dans la littérature. De plus, l'influence de la vitesse de soudage et de la vitesse de rotation de l'outil a été étudiée au regard des contraintes résiduelles simulées.

Les matériaux composites occupent une place de plus en plus importante dans l'industrie, en particulier aéronautique. Les composites à matrice thermoplastique suscitent aujourd'hui dans ce secteur un très fort engouement par rapport à leurs concurrents thermodurcissables. Le présent travail de thèse se concentre sur le soudage de matériaux composites à matrice thermoplastique. Le procédé de soudage ultrasons consiste à dissiper un travail mécanique au niveau de l'interface. La température augmente alors localement et entraîne un écoulement dans la zone soudée. Le procédé dit "continu", proposé par EADS IW, permet aujourd'hui d'envisager l'assemblage de structures aéronautiques à l'échelle industrielle par la technique ultrason. Bien évidemment, une bonne compréhension du procédé est un préalable indispensable à une telle application aéronautique. Afin d'étudier la qualité de l'adhésion, la présente étude se situe à l'échelle dite mésoscopique, de quelques millimètres. La problématique consiste à modéliser puis simuler numériquement la thermo-mécanique de l'écoulement à l'interface lors du soudage. L'objectif est de mieux comprendre les liens entre les différents paramètres du procédé, les phénomènes physiques dans la zone soudée et la qualité de la soudure. Après identification des phénomènes physiques prépondérants, la mise en équations de cet écoulement révèle la co-existence de phénomènes rapides (vibration) et lents (écoulement). Une méthode d'homogénéisation temporelle par développements asymptotiques permet alors de modéliser le procédé à l'aide de trois problèmes aux limites couplés. La résolution numérique de ces problèmes nécessite l'utilisation de méthodes particulières permettant de gérer les couplages multiphysiques et les grandes déformations de la géométrie. Finalement, l'outil numérique développé permet une analyse de l'influence des paramètres procédés sur la qualité de l'écoulement et du soudage.

Les aubes de turbine haute pression en superalliage monocristallin sont refroidies, à la fois par un réseau de canaux internes, ainsi que par des perforations débouchantes. Soumises à des cycles thermo-mécaniques complexes, elles subissent des endommagements de type fatigue, fluage et oxydation. Pour valider les chaînes de prévision de durée de vie en conditions réelles d'utilisation, il a été nécessaire d'étudier des configurations d'essais technologiques reproduisant les conditions d'un cycle moteur en laboratoire. Pour cela, une installation d'essai de fatigue à gradient thermique de paroi est développée. Le gradient thermique est généré par chauffage de la surface externe et refroidissement interne par une circulation d'air. L'installation a ainsi permis la réalisation d'essais selon une complexité croissante, allant de l'essai isotherme jusqu'au cycle thermo-mécanique complexe, sur éprouvette tubulaire lisse ou multi-perforée. Afin d'analyser finement ces essais, deux méthodes de mesures sont étudiées. La méthode du potentiel électrique pour la détection et le suivi de fissure appliquée à des géométries complexes et la corrélation d'images, dont l'utilisation est étendue à la haute température. Le point-clé de la modélisation de ces essais est l'estimation du champ thermique. L'impossibilité de le mesurer sur éprouvette, a conduit à le déterminer numériquement, notamment par des simulations couplées aéro-thermiques. La chaîne de prévision de durée de vie intégrant l'aspect non-local, a ainsi pu être confrontée aux mesures expérimentales en termes de réponse mécanique, localisation de l'endommagement et durée de vie à amorçage.