<p> The automotive industry is using advanced high strength steels (AHSS) to improve the fuel efficiency of passenger vehicles by lightweighting strategy. The higher strength of AHSS allows vehicle manufacturers to implement thinner and lighter components while still meet the safety requirements. Press hardened steels (PHS) exhibit the highest tensile strength among AHSS and are widely used for manufacturing crash relevant automotive parts. Boron-containing steel with enhanced hardenability is the most commonly used grade of steel for press hardening. The addition of a small amount of boron, 0.002 – 0.005 wt.%, can effectively increase hardenability. However, the boron addition also causes problems in commercially production of steel slabs by continuous casting. Defects including transverse corner cracks, surface cracks, and internal halfway cracks are sometimes found in continuously-cast boron steel slabs during or after the final cooling process. These problems can arise during the post-casting cooling process because boron addition changes the phase transformation behavior of steel.</p> <p>The cooling of slabs during and after continuous casting is a multiphysics process including coupled heat transfer, solidification, solid-solid phase transformations, and deformation. Numerical models are helpful for a better understanding of the cooling process and the interaction of different physical phenomena in it. In this work, a 3-D thermomechanical finite volume model (FVM) with coupled heat transfer, stress, and phase transformation calculations is developed to investigate the temperature history, phase evolution, and stress development during cooling.</p> <p>The model is used to simulate the cooling process of continuous cast steel slabs at different post-casting stages. The effect of boron addition on stress development and phase evolution during cooling of a single slab is investigated via simulation of both boron-containing and non-boron steels. The results show the slab with boron consists of mostly bainite, in contrast to the non-boron grade which is mostly ferrite and pearlite after cooling. Higher tensile stresses, both peak and residual, and plastic strains, which could lead to cracking, are observed at the edge of slab in the boron-containing grade. The effect of slowing the cooling rate by using a radiation shield is studied for the boron-containing steel. The reduced thermal gradient and the increased ferrite formation reduce the stresses in the slab. The cooling process of a stack of multiple slabs is also simulated to study the influence of slabs stacking on cooling rate and slab deformation. A slower cooling rate can be achieved in stacked slabs and the compressive load provided by slabs above the slab can prevent large deformation and flatten the slab during cooling. The combination of slab stacking and radiation shield is modeled to study the stress development under a slow cooling rate that is feasible in practice. Boron addition also affects the water quenching process of steel strips on the runout table after hot rolling. Simulations of strips with and without boron show different cooling curves, residual stress and phase distributions as austenite decomposition does not occur for boron-containing steel due to the fast cooling rate. Therefore, the cooling strategy on the runout table should be adjusted accordingly to control the coiling temperature and improve strip quality.</p>

L’objectif de ce travail a été de modéliser les écoulements de polymères dans les co-malaxeurs de type BUSS. Le co-malaxeur est une extrudeuse particulière utilisée comme une boite noire depuis des dizaines d’années par des industriels. Sur le fourreau sont fixés des doigts de malaxage et la vis principale dispose d’interruptions de filets et oscille pour permettre le passage des doigts de malaxage dans les différents chenaux. Cet outil est utilisé pour gélifier du PVC ou disperser des charges dans des matrices polymères. Ce travail de thèse répond donc à un besoin industriel puisque, actuellement, mettre au point un produit nécessite de nombreuses heures d’essais coûteux.Un modèle thermomécanique instationnaire en deux dimensions fondé sur les approximations d’Hele-Shaw a été développé. La discrétisation du domaine du co-malaxeur a été faite par éléments finis. La résolution numérique s’effectue par éléments finis et éléments finis stabilisés par SUPG. La modélisation nous permet d’obtenir en tout point du domaine de calcul la pression, les vecteurs débits, les vitesses de cisaillement, la viscosité et la température.Les résultats issus des simulations nous permettent d’obtenir des ordres de grandeur de pressions et températures et des indices de mélange pour différentes conditions procédés. Une comparaison entre les résultats issus de la modélisation et des essais expérimentaux montre que, dans les zones remplies, le modèle donne des résultats satisfaisants. / The aim of this study was to model molten polymers flow in BUSS type co-kneaders. The BUSS co-kneader is a particular single-screw extruder. It is composed of a rotating screw like standard single screw extruders, but with interrupted flights and mixing pins fixed to the barrel. The screw has also an axial reciprocal movement. It has been used for decades in industry for its mixing capacities, specifically for PVC gelification or polymer compounding with fibres, additives or carbon black. This work is therefore answering to nowadays industrial needs, as developing new products is expensive and time consuming.A 2D time-dependent thermomechanical model based on Hele Shaw approximations was developed and the co-kneader domain was discretized by finite elements. The numerical problem was solved by finite elements and SUPG stabilized finite elements. This model provides, at every point of the calculation domain, the pressure, throughput vectors, shear rates, viscosity as well as temperature.Simulation results provide pressure and temperature orders of magnitude, as well as information on polymer mixing depending on process parameters. A comparison between the model and experimental trials shows a satisfactory agreement in the filled zones.

La thèse s’intéresse au comportement thermomécanique des circuits imprimés pour des applications spatiales hyperfréquences. Dans cette étude, les circuits imprimés sont des assemblages multi-matériaux faisant intervenir des substrats diélectriques (composites tissés) et des connexions en cuivre. Les circuits étudiés sont des multicouches et l’information électrique transite d'une couche à l'autre par le biais de trous traversants : des perçages réalisés à travers les différentes couches, recouverts de cuivre par électrodéposition. Tout satellite comporte de l’électronique embarquée dont le circuit imprimé constitue le support et les connexions. Dans le cadre des applications spatiales, le circuit imprimé subira des variations importantes de température. Ces chargements engendrent des déformations qui ne sont pas homogènes dans les différents matériaux, pouvant mener à des contraintes importantes qui seront source de défaillances. En effet, les coefficients d'expansion thermique des substrats diélectriques et du cuivre sont différents. À chaque cycle thermique, le cuivre est alors entrainé sous chargement alterné. Suivant les configurations, le cuivre peut se plastifier et rompre après quelques centaines ou milliers de cycles thermiques (fatigue oligo-cyclique). On remarque que les ruptures sont souvent observées dans les trous traversant. Deux volets sont identifiables dans la thèse : un premier volet de caractérisation du comportement thermomécanique des matériaux présents dans les circuits imprimés hyperfréquences (substrats composites et cuivre), et un second volet concernant les simulations de configurations stratégiques à partir des comportements identifiés / In this thesis, the thermomechanical behavior of Printed Circuit Boards with high frequency space applications is assessed. A printed circuit board is a multi-material assembly, linking dielectric substrates and copper paths. The studied PCBs are multilayers, thus drills are made through these layers with copper electrodeposited on the wall of the hole, allowing the electrical signal to go from one layer to the other. Any satellite carries embedded electronics and the PCB is the link and the support of these electronics. During the life of the PCB in space applications, important temperature changes will drive strains which are inhomogeneous in the different materials and thus will lead to important stresses, root of the observed failures. Indeed, the coefficients of thermal expansion of the dielectric substrates are different than the one of copper. For each thermal cycle, the copper undergoes thus an alternate loading. Depending on the configuration, the copper may endure plastic strain and break after hundreds or a few thousands of cycles (oligo-cyclic fatigue). These failures happen often in the copper barrels linking the different layers.Two phases are distinguishable in the thesis: a first phase in which the thermomechanical behaviors of the materials constituting high frequency printed circuit boards is assessed (composites substrates and copper), and a second phase concerning the simulations of crucial configurations thanks to the identified behaviors of the materials

Comprendre comment s’initie une subduction au niveau d’une marge passive est un problème géodynamique majeur, mais il reste très débattu en raison des forces nécessaires pour provoquer la flexion de la plaque plongeante, et dépasser la résistance frictionnelle de la lithosphère pour localiser cette subduction. Formant la bordure sud de la Méditerranée Occidentale, la marge algérienne subit des conditions aux limites en compression en raison de la convergence Afrique-Eurasie à un taux de moins de 1 cm/an. Ce contexte favorise l’inversion de cette marge nord-africaine et possiblement le début d’une subduction. En effet, des données géophysiques récentes acquises dans le bassin algérien (campagnes de MARADJA, 2003, 2005 (MARge Active d’el Djazaïr) et SPIRAL 2009 (Sismique Profonde et Investigations Régionales en ALgérie) ont montré des indices de déformation compressive récente. Nous avons utilisé les profils SPIRAL afin de calculer l’état isostatique de la lithosphère au voisinage de la limite océan-continent. Ceci nous a permis d'imager un Moho trop profond dans le domaine océanique, et plus superficiel dans le domaine continental, de part et d'autre d'une limite située vers le pied de pente de cette marge, donc un déséquilibre isostatique général de la marge. Nos résultats indiquent que la marge algérienne montre les mêmes anomalies isostatiques qu’au niveau d'une marge active, avec une zone de découplage océan/continent située en pied de marge. Ces anomalies peuvent être interprétées par un mécanisme de flexure des deux lithosphères en présence, que l’on peut simuler ensuite par une modélisation en éléments finis d’une plaque mince élastique. / Understanding how subduction initiates at a passive margin is a major geodynamic question, which remains debatted because of the forces necessary to overcome bending and frictional resistance of the lithosphere and initiate this subduction. Along the southern shore of the Western Mediterranean Sea, the Algerian margin undergoes ~NS compression due to the African-Eurasian convergence at a rate of less than ~ 1 cm / year. This setting causes tectonic inversion of this North African passive margin and possibly incipient subduction. Indeed, recent geophysical marine data acquired in the Algerian Basin (MARADJA, 2003, 2005MARge Active d’el Djazaïr) and SPIRAL 2009 (Deep Seismic and Regional Investigations in Algeria campaigns) showed evidence of recent compressive deformation. We used SPIRAL wide-angle seismic profiles to determine the state of isostatic equilibrium at the vicinity of the continent-ocean boundary. This allowed us to image a too deep Moho in the oceanic part, and a too shallow one in the continental domain, with a boundary between both domains located at the margin toe. These results indicate that the Algerian margin display the same isostatic anomalies as an active margin. This isostatic disiquilibrium may be simulated by the flexural bending of two lithospheric plates that can be modelled by a finite element procedure. This modeling shows larger vertical deflection in the central part of the study area (6-7 km) compared to the earsternmost and westernmost profiles (3 km).

Ce travail de thèse vise à étudier l'emdommagement induit par la fatigue thermique d'un acier inoxydable austénitique AISI 316L(N), qui est un matériau candidat pour construire les structures internes des réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na). Des réseaux de fissures, aussi appelés "faeïençage thermique", ont été observés en surface des certains composants. L'origine de ce type d'endommagement provient de sollicitations themiques hétérogènes et répétées des parois des composants dans une zone où se mélange du sodium chaud et froid.L'étude de la fatigue thermique à grand nombre de cycles pose des difficultés expérimentales, notamment le maintien tout au long des cycles d'un chargement thermique d'amplitude constante ou encore, la mesure continue de ce chargement thermique et de ses effets en termes de déformation mécanique et d'endommagement dans la zone la plus fortement sollicitée. Une campagne d'essais est réalisée avec un dispositif expérimental original, la machine FLASH. Une procédure spéciale de corrélation multivue hybride qui combine une caméra infrarouge et deux caméras visibles est développée pour réaliser des mesures de champs thermomécaniques et aussi assurer le suivi in-situ de l'endommagement causé par les chocs thermiques produits par un laser de puissance.Les mesures expérimentales sont comparées avec des résultats de simulation thermomécanique. Le bon accord entre ces deux approches permet d'estimer la variation de déformation mécanique équivalente dans la zone la plus forte sollicitée. Une courbe de fatigue reliant le chargement équivalent au nombre de cycles à l'amorçage d'une fissure de 200um est alors construite à partir des résultats d'essais. La comparaison sur cette courbe entre les résultats de fatigue thermique FLASH et des essais de fatigue isothermes uniaxiaux standardisés est jugée satisfaisante (légèrement conservative). De plus, les analyses expérimentles des réseaux de fissures fournissent des informations utiles pour comprendre le mécanisme de multi-fissuration. Les paramètres morphologiques des fissures sont comparés avec les prédictions d'un modèle probabiliste. / This PhD work is devoted to the study of thermal fatigue damage of AISI 316L(N) austenitic stainless steel, a candidate material to make the primary cooling system of Sodium-cooled Fast Reators (SFRs). Initiation and propagation of crack networks can be induced by locally constrained thermal expansions or contractions of the component surface subjected to repeated thermal shocks of turbulent coolants.A campaign of high cycle thermal fatigue tests on AISI 316L(N) austenitic stainless steel has been carried out with the FLASH facility. Full field measurements have been performed to capture thermomechanical fields of monitored surfaces in thermal fatigue tests. An original procedure based on hybrid multiview correlation (HMC) uses images acquired by two visible light cameras and one infrared camera. With such a system, Lagrangian temperature fields can be measured and experimental strain or displacement fields can be used to calibrate Finite Element analyses to reproduce the thermomechanical cyclic response of the material in the region of interest. One additional benefit of the spatiotemporal synchronization of the HMC system is that the entire fatigued region has been monitored in-situ during the whole test, without interruptions, which enables crack initiation and propagation to be tracked thanks to the different modalities of the three cameras.

Cette thèse présente le travail effectué sur la conception d’un oscillateur à quartz miniature (volume visé de 1 cm3) con-trôlé en température. Les équipements de télémétrie, poursuite et contrôle tels que ceux utilisés dans les microsatellites (comme Myriades) sont d'un volume très important (8 litres). Des équipements avec un volume 8 fois moindre (1 litre) sont envisagés sur les pico et nano satellites. Une réduction drastique du volume et de la consommation est donc nécessaire, à performances égales. Elle nécessite une remise en question de l'ensemble des éléments composant l'équipement dont le micro-oscillateur, tant au niveau volume qu'au niveau consommation d’énergie. Les études préliminaires ont servi à définir le résonateur adapté pour satisfaire les spécifications de stabilité demandées. La simulation thermique d'un modèle d’oscillateur OCXO (Oven Controlled Xtal Oscillator) a permis d'obtenir une bonne compréhension des transferts de chaleur dans le dispositif. La réduction des pertes thermiques et l'augmentation de la stabilité thermique du résonateur étaient les principaux défis. La dilatation thermique du résonateur entraine des contraintes mécaniques au niveau de ses fixations et décale la fréquence de résonance. Un MEMS en silicium a été conçu pour supporter le résonateur à l’aide de simulations thermomécaniques. Ce support est compatible avec les contraintes de faible con-sommation et de sensibilité thermique tout en gardant une bonne résistance aux chocs. En ce qui concerne l’électronique, une puce ASIC utilisée depuis plusieurs années a été caractérisée pour établir un modèle numérique. Cette étude a dévoilé les facteurs limitants des performances de l’ensemble et permis d’envisager des solutions correctives. En intégrant dans la démarche les coûts de fabrication, l’utilisation d’un ASIC a été écartée (au moins provisoirement) au profit d’une solution exploitant des composants électroniques du commerce. Enfin, un démonstrateur de module physique miniature a été monté et caractérisé. Les résultats de mesures montrent que la consommation du démonstrateur reste inférieure à la spécification demandée (50 mW à une température extérieure de 25°C et à 100 mW pour -40°C). L’importance de la participation du rayonnement dans les échanges thermiques a aussi été validée expérimentalement. / This thesis presents the work on designing a miniature temperature controlled crystal oscillator (required volume is 1 cm3). TTC (Telemetry, Tracking and Control) equipment which is used in microsatellites (as Myriades) has a very important volume (8 liters). 8 times lower volume equipment (1 liter) is planned for pico and nano satellites. Therefore, a significant reduction of volume and consumption for equal performance is necessary. Redesign is required for all components of equipment items including micro-oscillator, as in volume as at the level of energy consumption. Preliminary studies have served to define the resonator adapted to satisfy the request stability specifications. Thermal simulation of an OCXO oscillator model (Oven Con-trolled Xtal Oscillator) has permitted to achieve a good understanding of heat transfer into the device. Reducing heat loss and increases the thermal stability of resonator were major challenges. Thermal expansion of the resonator causes mechanical stresses in its mountings and shifts the resonance frequency. A silicon MEMS has designed for supporting the resonator by using thermo-mechanical simulations. This support is compatible with the constraints of low consumption and heat sensitivity retaining good impact resistance. As regards electronics, an ASIC chip which is used during many years has characterized with the purpose to obtain the digital model. This study has revealed the limiting factors of the oscillator performance. Also it has allowed to provide remedial solutions. The ASIC using was rejected in favor of the solution operating with commercial electronic components (at least temporarily). Finally, a miniature demonstrator of physical module was assembled and characterized. The measuring results show that demonstrator consumption remains below the required specification (50 mW at outside temperature 25°C and 100 mW at -40 ° C). The importance of the participation of radiation within the thermal exchanges has also validated experimentally.