Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. [147]-149. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

L'assemblage d'éléments en bois est majoritairement réalisé à l'aide de broches métalliques, mais certaines recherches scientifiques tentent d'orienter ces assemblages vers une conception intégrant plus de bois. L'utilisation de connecteurs en bois densifié a montré l'efficacité du processus de densification sur le matériau bois pour améliorer notamment la résistance d'assemblages de membrures en bois par rapport à une connexion par goujon en bois non densifié. Les caractéristiques mécaniques de ce nouvel assemblage sont prometteuses selon le groupe de recherche AFTB (Adhesive Free Timber Buildings) mais restent tout de même inférieures en termes de rigidité et de ductilité lorsqu'elles sont comparées à un assemblage similaire par broche métallique. Ainsi, la présente maîtrise a cherché à étudier une solution de confinement du goujon en bois densifié dans un tube d'aluminium pour améliorer les caractéristiques mécaniques évoquées. Un prototype de goujon hybride bois-aluminium a été fabriqué et testé en flexion trois-points. La comparaison avec le goujon en bois densifié a montré une nette amélioration des caractéristiques de résistance et de rigidité ainsi qu'un gain en ductilité à travers la retenue de la rupture brutale du goujon en bois densifié par l'enveloppe d'aluminium. Des essais de cisaillement double ont aussi été menés avec des connecteurs en bois densifié, hybrides et en acier pour permettre l'identification de paramètres nécessaires à la création d'un modèle numérique ayant pour objectif d'optimiser la conception du prototype hybride bois-aluminium. Celui-ci a permis d'étudier différentes conceptions hybrides et de montrer qu'avec une enveloppe de 1 mm, le goujon hybride apportait à l'assemblage une bien meilleure résistance et rigidité que le goujon en bois densifié, mais tout de même inférieure de moitié en comparaison à un goujon en acier de même diamètre. Cependant, l'amélioration du modèle est encore nécessaire pour permettre l'étude numérique des modes de ruine du goujon hybride. / The assembly of timber elements is mostly done with steel fasteners, but some scientific studies are trying to conduct these assemblies towards a design integrating more wood. The use of compressed wood dowels has shown the efficiency of the densification process on the wood material to improve the resistance of wood member connections compared to a wood dowel connection. The mechanical characteristics of this new connection are promising according to the AFTB (Adhesive Free Timber Buildings) research group but remain inferior in terms of stiffness and ductility when compared to a similar steel dowel connection. Thus, the present study investigated a solution to confine a compressed wood dowel in an aluminum tube to improve the mentioned mechanical characteristics. A prototype of hybrid wood-aluminum dowel was manufactured and tested in three points bending. The comparison with the compressed wood dowel showed a clear improvement of the strength and stiffness characteristics as well as a gain in ductility through the restraint of the brutal rupture of the compressed wood dowel by the aluminum envelope. Double shear tests were also conducted with densified wood, hybrid, and steel connectors to allow the identification of parameters necessary for the creation of a numerical model with the objective of optimizing the design of the hybrid wood-aluminum prototype. This model allowed studying different hybrid designs and to show that with a 1 mm envelope, the hybrid dowel brought to the assembly a much better resistance and rigidity than the compressed wood dowel but still less than half in comparison to a steel dowel of the same diameter. However, the improvement of the model is still necessary to allow the numerical study of the failure modes of the hybrid dowel.

L'objectif du présent mémoire est de clarifier l'influence qu'ont sur la solution divers paramètres de calcul couramment utilisés en mécanique des fluides numérique, dans le but d'améliorer la prédiction de l'écoulement dans les aspirateurs de turbines hydrauliques. Pour y arriver, la résolution eulérienne des équations de Navier-Stokes est faite par une approche RAXS à l'aide du logiciel commercial ANSYS CFX. Pour les trois cas tests sélectionnés, la turbulence est modélisée à l'aide des modèles à deux équations k ? e ou SST. Les résultats principaux font ressortir très clairement l'impact de la composante radiale de la vitesse ainsi que des quantités turbulentes imposées sur la frontière amont du domaine de calcul. On remarque aussi que l'extension ajoutée en aval du domaine d'intérêt peut quant à elle faire varier de façon significative la pression statique dans la dernière portion de la géométrie et ainsi influencer le coefficient de récupération mesuré. Finalement les deux modèles de turbulence utilisés sont eux aussi susceptibles d'influencer le développement de l'écoulement.

L'étirage à froid de tubes est un procédé déjà bien connu. Il est utilisé afin de réduire le diamètre extérieur d'un tube tout en calibrant de façon précise l'épaisseur finale de ce dernier. Généralement, le tube brut est passé à travers une matrice qui réduit son diamètre et l'épaisseur du tube est imposée par l'utilisation d'un mandrin interne. Certains éléments de structure en aluminium qu'on retrouve dans les voitures, dans les avions ou encore dans d'autres moyens de transport, nécessitent l'utilisation de l'hydroformage étant donné leur géométrie complexe. Il peut être alors intéressant d'utiliser des tubes dont l'épaisseur de paroi varie afin de minimiser les risques de rupture lors de l'hydroformage dans les zones où l'amincissement est très important. On présente dans ce mémoire les étapes qui ont mené à la conception d'un banc d'essais afin de pouvoir mettre en forme des tubes en aluminium à paroi variable. Le principe de fonctionnement de la machine d'étirage consiste à tirer un tube à travers une matrice permettant le calibrage du diamètre extérieur final du tube. Pour faire varier l'épaisseur de la paroi du tube, on utilise un mandrin interne qui se déplace dans l'axe du tube selon les paramètres géométriques du tube désiré. Ainsi, selon le déplacement du mandrin, il est possible d'amincir la paroi du tube et d'obtenir un tube dont l'épaisseur de paroi varie sur sa longueur. Des essais mécaniques préliminaires ont été complétés afin de valider le bon fonctionnement du banc de test. Les premiers résultats nous montrent qu'il est possible de faire varier l'épaisseur de la paroi d'un tube. Cependant des essais plus exhaustifs seront nécessaires d'abord pour étudier en profondeur l'effet de différents paramètres sur le produit final mais aussi afin de mieux contrôler le procédé.

La présente thèse intitulée «Développement d'outils intégrés pour la fabrication virtuelle de produits en aluminium et en acier par hydroformage de tubes pour l'industrie aéronautique » porte essentiellement sur l'étude de comportement du matériau métallique en grandes déformations. En utilisant la réponse de comportement, nous avons construit des outils de fabrication virtuelle qui détectent et corrigent « en ligne» les défauts qui peuvent survenir en cours de simulation de différents procédés de mise en forme, notamment, le procédé d'hydroformage de tubes. Pour être en mesure de modéliser efficacement le mouvement nonlinéaire de la matière et contrôler sa cinématique et sa dynamique, nous avons développé une loi hyperélastoplastique (écrite dans un repère corotationnel) en utilisant la théorie de grandes déformations (Simo) et nous l'avons couplé avec différents modèles d'écrouissage nonlinéaire (Voce et Simo) et d'endommagement ductile (Lemaitre et Chaboche). Nous avons calibré la loi de comportement en utilisant la courbe contrainte-déformation vraie (obtenue à partir des essais expérimentaux (uniaxiaux ou biaxiaux)) par l'utilisation de la méthode statistique de moindres carrés. À l'aide d'un utilitaire matériau (VUMAT) disponible dans l'environnement du logiciel Abaqus/Explicit, nous l'avons implémenté dans le but de vérifier l'évolution des différentes variables spécifiques au comportement réel du matériau (le champ de déformation et des contraintes, l'écrouissage, l'endommagement, etc.). En ce qui concerne la construction des outils adaptatifs pour les différents procédés de mise en forme et le contrôle du comportement du matériau, nous avons couplé les utilitaires de l'usager VUMAT (comportement du matériau), VDLOAD ( chargement) et avec un algorithme adaptatif qui utilise les résultats de VUMAT pour évaluer le chargement requis pour éviter des défauts et le transférer à l'utilitaire VDLOAD qui applique le chargement. Le premier sous programme adaptatif a été développé pour le procédé de gonflement de tubes avec les extrémités fixées. Il a été conçu pour évaluer la pression interne nécessaire pour gonfler le tube jusqu'à ce qu'il atteigne la circonférence maximale. Nous avons proposé une relation de calcul de l'incrément de pression fictive dans chaque point matériel. Cette relation contient des informations liées à l'écoulement (la limite d'écoulement) et à l'évolution de la plasticité équivalente. Après avoir trouvé la valeur maximale de la pression fictive dans chaque point matériel (pour un incrément de temps donné), nous avons évalué finalement la valeur maximale à partir de tous les points d'intégrations. Nous utilisons ultérieurement cette valeur maximale pour réaliser la mise à jour de la pression à l'intérieur du tube, afin de mieux contrôler le déroulement de l'opération dans le prochain pas de temps. Dans le but de couvrir une large gamme de produits fabriqués par hydroformage de tubes, nous avons proposé deux sous-programmes de contrôle pour évaluer la pression fictive dans chaque point matériel du tube. Le premier sous programme utilise le contrôle circonférentiel du champ de contraintes tandis que le second est basé sur le contrôle en compression axiale. Afin de vérifier la validité et la précision de nos travaux de recherche, nous avons évalué la qualité de nos résultats numériques en les comparant à des résultats expérimentaux disponibles dans la littérature scientifique. Dans ce contexte, nous avons utilisé les cas d'hydroformage dans une matrice conique et dans une matrice en « Y ». Parallèlement, nous avons tenté d'explorer la possibilité de déterminer la formabilité de tubes en alliages en aluminium en utilisant les outils de fabrication virtuelle que nous avons développés pour le gonflement de tubes avec extrémités mobiles. Dans ce cadre, nous avons proposé une méthode originale de traçage du diagramme limite de formage en utilisant les données du test de gonflement de tubes (avec extrémités fixées) combinés avec un calcul analytique qui évalue la plastification matérielle causée par le déplacement axial du tube. En dernier lieu, nous avons exploré l'hydroformage en double cavité et l'hydroformage des pièces qui sont d'abord cintrées et ensuite hydroformées. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude sur l'évolution de l'épaisseur par rapport aux changements de la géométrie (les rayons de raccordement à la profondeur des cavités) et par rapport au changement dans les conditions du contact entre le tube et la matrice.

Les réglementations gouvernementales concernant l'économie de carburant et la réduction des gaz à effet de serre forcent les industries de transport et les fabricants à modifier la façon dont les pièces sont conçues et fabriquées. Le problème de la réduction du poids est mis à l'avant-plan et on croit fortement que l'utilisation étendue des alliages d'aluminium et le développement de designs innovants font partie de la solution pour remplir les mandats. En même temps, la faible formabilité de l'aluminium pose un vrai défi aux fournisseurs de pièces de véhicules chaque fois qu'ils sont confrontés à fabriquer des composants à géométrie complexe avec des procédés de mise en forme conventionnels. En conséquence, d'autres procédés plus avancés sont explorés, comme l'hydroformage qui offre de tels avantages comparés aux procédés d'usage courant. Cette technologie semble être le catalyseur qui permettra aux métaux difficilement formables d'être utilisés sur une échelle beaucoup plus large Dans la présente thèse, une étude approfondie a été effectuée sur l'hydroformage des tubes d'aluminium ainsi que les procédés connexes. Dans les études numériques, une stratégie d'optimisation issue de l'application du logiciel Ls-Opt et des codes sources développés dans MATLAB a été présentée. Elle rend possible l'optimisation de l'étirage à paroi variable, du pliage et de l'hydroformage des tubes soit d'une façon regroupée ou seule. Dans la partie expérimentale du projet, dans le prototype de banc d'étirage, la distribution d'épaisseur désirée sur le tube initial a été mise en application. Une nouvelle méthode de conception de moule d'hydroformage à géométrie complexe est aussi présentée et appliquée expérimentalement avec succès. Enfin, les résultats de l'optimisation globale ont été appliqués et validés expérimentalement et une correspondance acceptable a été observée. Les résultats de ce projet se révèlent fortement utiles pour les industries de transport terrestre et de l'aérospatiale pour produire des produits tubulaires plus facilement et avec moins d'essais et erreurs.

L'utilisation de modèles numériques de procédés de mise en forme des matériaux est devenue une nécessité dans la conception et la fabrication de composants évolués. De plus, les geometries de ces composants sont de plus en plus complexes et demandent l'utilisation de procédés avancés comme l'hydroformage. Le présent mémoire fait état des différentes étapes effectuées pour produire une pièce majeure de la structure d'un banc d'autobus. Pour ce faire, des outils numériques et expérimentaux ont été créés pour les étapes de cintrage et d'hydroformage. Une méthodologie est aussi proposée pour l'optimisation du procédé d'hydroformage en utilisant le module LS-Opt. De nombreuses simulations ont été effectuées pour l'alliage d'aluminium 6061 à l'état recuit (O) et à l'état brut de livraison (F).

Le procédé d'extrusion permet d'obtenir des tubes de section circulaire à partir d'une billette d'aluminium. Cependant, l'extrusion tubulaire de l'alliage 6063 lui confère de faibles propriétés mécaniques ainsi que des épaisseurs de paroi limitées. Elle donne aussi de mauvaises tolérances ainsi qu'un fini de surface qui laisse à désirer. L'opération d'étirage subséquente permet alors de réduire le diamètre ainsi que l'épaisseur de la paroi des tubes afin d'améliorer leurs tolérances, d'augmenter leurs propriétés mécaniques par écrouissage ainsi que d'obtenir un meilleur fini de surface. Pom atteindre la condition T832 prescrite par le client, un certain pourcentage de réduction est nécessaire afin d'écrouir les tubes suffisamment. Le pourcentage de réduction à atteindre est de 50% afin d'obtenir les bonnes propriétés mécaniques. Actuellement, ce haut pourcentage de réduction nécessite deux passes d'étirage afin d'éviter le bris des tubes. Le projet vise à optimiser les paramètres du procédé d'étirage à froid afin de permettre la réduction nécessaire en une seule passe. L'optimisation de la géométrie de l'outillage est effectuée par le biais d'un modèle éléments finis. Une loi de comportement élasto plastique déjà implémentée dans le logiciel commercial LS-DYNA a été utilisée. Le comportement aux interfaces de contact du tube avec l'outillage est modélisé par un contact surface sur surface avec un coefficient de friction de Coulomb. Les deux variables étudiées pour la géométrie des filières sont l'angle d'entrée ainsi que le rayon de courbure entre la région conique et la portée cylindrique. Des expérimentations ont été effectuées afin de valider les résultats numériques. Une bonne corrélation entre les résultats numériques et expérimentaux a été trouvée.