Cette thèse est consacrée au développement d'un outil de pré-dimensionnement par éléments finis pour l'estimation de l'endommagement par fatigue polycyclique de structures linéaires sous chargements multiaxiaux et stationnaires gaussiens. L'état de contraintes atteint dans ces structures étant aléatoire, il devient nécessaire de raisonner en terme de statistique et l'approche spectrale s'avère particulièrement adaptée pour cette situation. Dans ce travail, les méthodes spectrales sont améliorées par la prise en compte des largeurs de bande des spectres de réponses des structures soumises à des chargements nonproportionnels et de moyennes non nulles. Le critère d'endommagement de Sines est retenu. L'étude numérique de la distribution de l'endommagement résultant des incertitudes sur les paramètres matériaux et des applications dans le domaine de l'optimisation des structures sont également abordées.

Cette recherche porte sur le développement d’un modèle de structure de géométrie complexe équipée de composants à comportement non linéaire viscoélastique dans le but de simuler sa réponse à des excitations définies par des densités spectrales de puissance (DSP). L’application industrielle concerne l’isolation vibratoire d’un module de refroidissement automobile monté sur plot de suspension en élastomère. Une revue du comportement des élastomères en fonction de leurs conditions d’environnement et de sollicitations identifie les paramètres des différents modèles analysés. Des essais préliminaires ont été menés pour définir les intervalles des niveaux de sollicitations et quantifier l’échauffement des plots. La caractérisation expérimentale de la suspension porte sur des plots en élastomère munis de leurs interfaces afin d’agréger dans un seul modèle les non linéarités du comportement viscoélastique, des glissements et des frottements. Les boucles effort-déflexion axiales et radiales mesurées sont traitées avec un système expert développé spécialement pour caler les paramètres du modèle retenu. Il s’agit du modèle de Dahl généralisé qu’il a fallu étendre aux aspects viscoélastiques. Ce processus de calage automatique a été codé avec un logiciel développé sous Octave/Matlab. Des méthodes d’interpolations et extrapolations rendent opérationnel ce modèle sur toute la gamme fonctionnement de l’application définie dans l’espace fréquence-déflexion. Ce processus a été codé dans le module UserSubroutine pour Abaqus. Soumettre le système mécanique non linéaire à des excitations définies par une DSP nécessite de s’appesantir sur le traitement des vibrations aléatoires. En effet il faut, pour calculer les réponses, considérer le passage fréquence-temps et inversement pour les comparer éventuellement aux exigences des normes. De plus, la taille et la complexité du modèle EF de la structure industrielle rendent impossible une résolution temporelle sur l’ensemble de ses degrés de liberté. Il s’agit alors de faire appel à des techniques d’homogénéisation et de condensation dynamique afin de prévoir la réponse aux excitations à large bande fréquentielle dans le but d’analyser les performances de l’isolation vibratoire. / This research work regards the development of a complex structure model with non-linear viscoelastic components. The purpose of this study is to simulate the response of this structure submitted to a random vibration excitation based on a power spectral density definition (PSD). The industrial applicative case is the vibratory insulation of a automotive engine cooling module supported by elastomer mounts. A brief review of elastomers behavior depending on solicitations types enables to identify the parameters of the different investigated models. Preliminary tests have been conducted to define the range of amplitudes of excitations and evaluate the internal warming of rubbers during the full structure validation test. The experimental characterization of the suspension is based on rubbers mounts and their interfaces with the cooling module, in order to take into account in a unique model all nonlinearities due to the viscoelastic behavior, the slidings, and the friction. Measured force-deflection hysteretic cycles in axial and radial direction are post-processed with an expert system developed to obtain the parameters of the retained model: the modified Dahl’s model, generalized to viscoleastic aspect. This process has been developed with Octave/Matlab code. Interpolation and extrapolation methods enable to obtain a good model response on the global operating range. These methods have been coded in an Abaqus UserSubroutine. Imposing random vibration excitation of a non linear mechanical system based on PSD imposes to take into account signal processing aspects. To evaluate response levels versus norms requirements, it’s mandatory to consider the time-frequency transfer. In addition, the size and the complexity of the total finite element model of the industrial structure don’t allow a global resolution in the time domain for all the degrees of freedom. Homogenization and dynamic reduction techniques are used to evaluate the response of the system submitted to large frequency range excitations, and to analyse the behavior of the suspension.

Cette thèse est consacrée au développement d’un outil de pré-dimensionnement par éléments finis pour l’estimation de l’endommagement par fatigue polycyclique de structures linéaires sous chargements multiaxiaux et stationnaires gaussiens. L’état de contraintes atteint dans ces structures étant aléatoire, il devient nécessaire de raisonner en terme de statistique et l’approche spectrale s’avère particulièrement adaptée pour cette situation. Dans ce travail, les méthodes spectrales sont améliorées par la prise en compte des largeurs de bande des spectres de réponses des structures soumises à des chargements nonproportionnels et de moyennes non nulles. Le critère d’endommagement de Sines est retenu. L’étude numérique de la distribution de l’endommagement résultant des incertitudes sur les paramètres matériaux et des applications dans le domaine de l’optimisation des structures sont également abordées. / This dissertation is devoted to the development of a finite element pre-designing tool for the estimation of high cycle fatigue damage for linear structure subject to multiaxial and Gaussian stationary loads. Given the random nature of the stress state, it becomes necessary to look at this problem from a statistical point of view and spectral methods appear to be the best approach. In this work, spectral methods are improved by taking into account the response spectral bandwidths of structures under non proportional and non zero mean loads; the Sines’ damage criterion is employed. The numerical analysis of the fatigue damage distribution resulting from the uncertainties of the material parameters and applications in the field of structural optimisation are also treated.

Les vibrations aléatoires sont les sollicitations les plus représentatives à celles qui se trouvent dans l'environnement réel. Elles sont souvent rencontrées dans l'environnement de fonctionnement automobile, aéronautique, spatial, ferroviaire et d'autres. La particularité des vibrations aléatoires est l'utilisation de son analyse par fatigue. Grâce aux propriétés statistiques des signaux aléatoires que les méthodes spectrales permettent d'estimer la moyenne du dommage d'une façon efficace et économique mais avec certaines limitations. Une étude numérique sur un système électronique embarqué accompagnée des essais expérimentaux ont été mis en place dans cette thèse pour présenter une démarche complète d'une analyse spectrale des vibrations aléatoires. Une modélisation par éléments finis a été réalisée ainsi qu'une technique du 'zoom structural' en analyse spectrale des vibrations aléatoires a été proposée dans ce travail avec la présentation des équations de cette technique. Une application numérique a montré la validité de la technique proposée en appliquant une étude de l'endommagement par fatigue par l'approche temporelle et par l'approche spectrale. Les résultats numériques de cette application mènent à une estimation d'un temps à l'initiation de la fissure très proche du temps de défaillance observé dans les résultats des essais expérimentaux. Cette technique montre la performance et l'efficacité des méthodes spectrales dans l'estimation du dommage par fatigue aléatoire. Une étude de l'optimisation d'un système soumis aux sollicitations aléatoires a été développée. L'objectif de cette étude est de rechercher la conception optimale du système soumis aux vibrations aléatoires en posant des limitations sur le dommage qui en résulte. Ce dommage estimé par les méthodes spectrales de Dirlik et de Single Moment ne doit pas dépasser un dommage cible pour assurer la fiabilité du système étudié. / Random vibrations are the most representative excitations that can be found in the real environment. They are often encountered in the automotive, aeronautical, space, railway and other operating environments. The special feature of the random vibrations is their important role in damage fatigue analysis. The spectral methods allow to estimate efficiently and economically the mean of the damage using the statistical properties of the random signals. A numerical study on an embedded electronic system with experimental tests was set up in this thesis to present a complete spectral analysis of random vibrations methodology. A finite element model was performed as well as submodelling technique in spectral analysis of random vibrations with associated equations was proposed in this work. A numerical application has shown the validity of the proposed technique by applying the fatigue damage study using the time-domain approach and the spectral approach. The numerical results of this application lead to the estimation of a crack initiation time very close to the failure time observed in the experimental tests. This technique shows the performance and efficiency of spectral methods in the estimation of random fatigue damage. The optimization of a system subjected to random excitations has been developed in this work. The objective of this study is to retrieve the optimal design of the system subjected to random vibrations with limitations on the resulting damage. This damage estimated by Dirlik and Single Moment spectral methods must not exceed defined target damage in order to insure the reliability of the studied system.

Cette thèse traite des inéquations variationnelles stochastiques et de leurs applications aux vibrations de structures mécaniques. On considère d'abord un algorithme numérique déterministe pour obtenir le régime stationnaire d'une inéquation variationnelle stochastique modélisant un oscillateur élasto-plastique excité par un bruit blanc. Une famille de solutions d'équations aux dérivées partielles définissant la mesure invariante par dualité est étudiée comme alternative à la simulation probabiliste. Puis, nous présentons une nouvelle caractérisation de l'unique mesure invariante. Dans ce contexte, nous montrons une relation liant des problèmes non-locaux et des problèmes locaux en introduisant la définition des cycles courts. Dans un cadre orienté vers les applications, nous démontrons que la variance de la déformation plastique cro^it linéairement avec le temps et nous caractérisons rigoureusement le coefficient de dérive en introduisant la définition des cycles longs. Dans la suite, nous étudions un processus approché de la solution de l'inéquation comportant des sauts aux instants de transition de l' état plastique vers l' état élastique. Nous prouvons que la solution approchée converge sur tout intervalle de temps ni vers la solution de l'inéquation, lorsque la taille du saut tend vers 0. Ensuite, nous défi nissons une inéquation variationnelle stochastique pour modéliser un oscillateur élasto-plastique excité par un bruit blanc filtré. Nous prouvons la propriété ergodique du processus sous-jacent et nous caractérisons sa mesure invariante. Nous étendons la méthode de A.Bensoussan et J.Turi avec une difficulté supplémentaire due à l'accroissement de la dimension. Finalement, dans un chapitre orienté vers l'expérimentation numérique, nous mettons en évidence par les simulations probabilistes le phénomène de phases micro-élastiques. Leur impact concerne des grandeurs utiles a l'ingénieur comme la fréquence des déformations plastiques. Un critère empirique qui peut ^etre utile à l'ingénieur est fourni afin de ne pas prendre en compte les phases micro-élastiques et ainsi évaluer d'une façon réaliste, à partir de la mesure invariante, les statistiques de la déformation plastique d'un oscillateur élasto-plastique excité par un bruit blanc.