La simulation du procédé de fabrication de renforts fibreux secs est un enjeu majeur pour l’étude de l’élaboration de matériaux composites, dont l’utilisation dans les industries de pointe s’intensifie rapidement. Ainsi, l’influence du métier à tisser sur la qualité des renforts est primordiale dans la caractérisation de leurs propriétés mécaniques. Une campagne d’essais expérimentaux est tout d’abord réalisée, de manière à identifier les phénomènes physiques mis en jeu. Les différents modes de déformation de la mèche sont ainsi étudiés : élongation, compaction, cisaillement et distorsion. Est étudié également le comportement en flexion et en frottement, afin de mieux appréhender l’effet du procédé de tissage sur les mèches. Deux types de lois de comportement élastiques sont envisagés : une loi hypoélastique et une loi hyperélastique. Sont développées les propriétés de chacune d’entre elles, ainsi que les grandeurs caractéristiques nécessaires à leur implémentation dans le logiciel commercial ABAQUS/Standard. Les algorithmes de deux subroutines sont présentés, correspondant à l’une ou l’autre de ces lois. Le choix est fait de modéliser le comportement mécanique de la mèche à l’aide d’une loi hyperélastique isotrope transverse de type St-Venant, par l’intermédiaire de la subroutine ABAQUS/Standard UANISOHYPER_INV. Enfin, une identification des paramètres matériau à l’aide d’une méthode inverse est proposée. Sont comparés les résultats obtenus par simulation avec les résultats expérimentaux. La loi de comportement alors déterminée permet de mettre en place des simulations de procédé de tissage. / Simulating the manufacturing process of woven preforms is a major stack for understanding the development of composite materials, used in high performance industries. The effect of the weaving loom on the preforms is very important to caracterize their mechanicals properties. Experimental tests are realised to identify the physical phenomenon. Different deformation modes are studied : elongation, compaction, shear and distortion. The bending and friction behavior are also important to understand the effect of weaving process. Two constitutive laws are considered : a hypoelastic law and a hyperelastic law. An analyse of their properties is presented, and their implementation in a commercial software, ABAQUS/Standard, is detailed. In this purpose, two subroutines can be used. The modelisation of the mechanical behavior of the tows is finally realised with a transversely isotropic hyperelastic St-Venant model, with the subroutine ABAQUS/Standard UANISOHYPER_INV. To conclude, an identification method is presented and the simulated results are compared to experimental tests. The obtained consitutive behavior is finally used to simulate the weaving process.

L'industrie aéronautique doit faire face aux nouvelles exigences environnementales, tout particulièrement concernant la réduction de la consommation des énergies fossiles. L'utilisation de matériaux composites plus léger permet de répondre en partie à cette attente. Pour limiter les coûts lors de la fabrication et du développement des composites à renforts tissés 3D, il est nécessaire d'utiliser des outils de simulation performants. En particulier, les outils existants, qui discrétisent à une échelle mésoscopique l'architecture des tissus 3D, ne tiennent pas compte de l'influence du procédé de fabrication sur la constitution de la structure textile. Si des outils numériques dédiés à la modélisation du procédé de tressage et de tricotage sont disponibles, il n'en est rien concernant le tissage. Cette étude avait donc pour but de s'intéresser plus particulièrement à la simulation du prodécé de tissage pour pouvoir obtenir une structure de tissu sèche déformée numériquement. La production de différentes architectures de tissu en verre E dans notre laboratoire nous a permis d'observer les différents éléments en contact avec le fil ou le tissu sur la machine à tisser, par le biais de l'utilisation d'une caméra rapide par exemple. Le développement d'un modèle numérique par éléments finis reproduisant le procédé de tissage a été réalisé. Une loi de comportement isotrope transverse fut utilisée pour modéliser les fils de verre. Des premières simulations numériques encourageantes pour la fabrication d'un tissu d'armure toile et d'un tissu d'armure croisé 2-2 sont présentées et comparées avec les tissus réels produits correspondants. / The aeronautical industry faces new challenges regarding the reduction of fossil fuel consumption. One way to address this issue is to use lighter composite materials. The ability to predict the geometry and the mechanical properties of the unit cell is necessary in order to develop 3D reinforcements in composite materials for these aeronautical applications. There is a difficulty to get realistic geometries for these unit cells due to the complexity of their architecture. Currently, existing tools which model 3D fabrics at a meso scale don't take into account manufacturing process influence on the shape modification of the textile structure. There is already some numerical tools that can model the braiding or knitting process, but none have been developed for weaving so far. Consequently, this study deals with the numerical simulation of the weaving process to obtain a deformed dry fabric structure. During the weaving process of E-glass fabrics, achieved in our laboratory, it has been observed that large deformations led to the modification of transverse section of meshes, or local density changes, that can modify the fabrics mechanical resistance. For this reason, a numerical tool of the weaving process, based on finite element modelling, has been developped to predict these major deformations and their influences on the final textile structure. The correlation between numerical results and fabrics produced with glass fibres has been achieved for plain weave and 2-2 twill.

L'évaluation de la résistance à l'ouverture des mailles dans les filets de pêche est un enjeu important pour l'évaluation de la sélectivité des chaluts, et plus largement des engins de pêche. Les objectifs de cette thèse sont de développer et d'évaluer une méthodologie pour l'évaluation de la résistance à l'ouverture des mailles dans les filets. Différentes méthodes existent déjà (Sala et al., 2007, Priour and Cognard, 2011, Balash, 2012, De la Prada and Gonzales, 2013). Notre objectif est de proposer une méthode expérimentale simple et ne nécessitant pas d'équipements coûteux pour pouvoir être déployée facilement dans les laboratoires et dans l'industrie de la pêche, combinée avec un modèle numérique capable de représenter le comportement mécanique non-linéaire d'un filet. Le filet, constitué de fils tressés ou toronnés, en Polyéthylène ou Polyamide, présente une structure complexe. De plus, les filets peuvent être soumis à de grandes déformations. Afin d'étudier la réponse mécanique des filets à différents types de sollicitations et de créer une base de données expérimentale, de nombreux essais ont été effectués sur un large éventail de filets de pêche. Plusieurs méthodes numériques pour l'évaluation de la résistance à l'ouverture des mailles à partir de données expérimentales ont été développées. Ces travaux offrent une avancée scientifique pour l'évaluation de la résistance à l'ouverture des mailles : malgré le comportement mécanique visco-élasto-plastique des échantillons de filet, une méthodologie plus simple et plus précise que celles existantes, basée sur un dispositif expérimental simple et un modèle éléments finis libre de droits, est présentée. / The evaluation of the mesh resistance to opening in fishing nets is an important issue to assess the selectivity of trawls, and more broadly of fishing gear. The objectives of this thesis are to develop and to assess a methodology for the evaluation of the mesh resistance to opening in netting structures. Several methods are already proposed (Sala et al., 2007, Priour and Cognard, 2011, Balash, 2012, De la Prada and Gonzales, 2013). This thesis aims at proposing a simple experimental test that does not require expensive devices to be easily spread in laboratories and in the fishing industry, a simple test combined with a numerical model able to represent the non-linear mechanical behaviour of a tested netting panel. The netting structure, constituted of braided or stranded twines, made of Polyethylene or Polyamide, is complex. Moreover, the fishing nets can be subjected to large deformation. In order to study the mechanical response of netting samples to different types of solicitations and to obtain experimental data, numerous experimental tests were performed on a large range of netting samples. Several numerical methods for the evaluation of the mesh resistance to opening using experimental data were developed. This work offers scientific advance for the evaluation of the mesh resistance to opening: despite the visco-elasto-plastic mechanical behaviour of netting samples, one more accurate and simpler methodology than the existing ones, based on a simple experimental set up and on a free of rights finite element model, is presented.

L'objectif de ce travail est de caractériser et de modéliser le comportement mécanique des oxydes d'uranium (UO2) en situation d'Accident d'Injection de Réactivité (RIA). Les sollicitations vues par le combustible durant un RIA sont caractérisées par de fortes vitesses de déformation (jusqu'à 1/s) et de fortes températures (1000-2500°C). Deux lots de pastilles d'UO2 (de type industriel et à forte densité) ont donc fait l'objet d'une campagne d'essais de compression à vitesses de déplacements imposées (0,1-100 mm/min auxquelles correspondent des vitesses de déformations de 10−4-10−1/s) et à températures régulées (1100-1350-1550-1700°C). Les résultats expérimentaux obtenus (évolution de la géométrie, de la contrainte d'écoulement et de la microstructure) ont permis de définir un modèle de fluage en sinus hyperbolique ainsi qu'un critère de Drucker-Prager avec plasticité associée, modélisant la fragmentation des joints de grain à l'échelle macroscopique. Des simulations Éléments Finis de ces essais et de plus de 200 essais de fluage ont servi à valider la réponse du modèle sur une grande gamme de températures (1100°C-1700°C) et de vitesses de déformation (10−9-10−1/s). Enfin, une loi de comportement dite L3F (Loi Fluage Fissuration Fracturation des joints de grain) a été développée pour l'UO2 en ajoutant, au modèle précédent, le fluage d'irradiation et la fissuration macroscopique en traction. Cette loi a alors été utilisée dans le code crayon combustible ALCYONE-RIA pour simuler, à l'aide d'une modélisation 1,5D, les essais REP-Na effectués dans le réacteur expérimental CABRI. Les résultats de simulation sont en bon accord avec les observations post-essais. / The aim of this work is to characterize and model the mechanical behavior of uranium dioxide (UO2) during a Reactivity Initiated Accident (RIA). The fuel loading during a RIA is characterized by high strain rates (up to 1 /s) and high temperatures (1000°C - 2500°C). Two types of UO2 pellets (commercial and high density) were therefore tested in compression with prescribed displacement rates (0.1 to 100 mm / min corresponding to strain rates of 10-4 - 10-1 /s) and temperatures (1100°C - 1350°C - 1550°C et 1700°C). Experimental results (geometry, yield stress and microstructure) allowed us to define a hyperbolic sine creep law and a Drucker-Prager criterion with associated plasticity, in order to model grain boundaries fragmentation at the macroscopic scale. Finite Element Simulations of these tests and of more than 200 creep tests were used to assess the model response to a wide range of temperatures (1100°C - 1700°C) and strain rates (10-9 /s - 10-1 /s). Finally, a constitutive law called L3F was developed for UO2 by adding to the previous model irradiation creep and tensile macroscopic cracking. The L3F law was then introduced in the 1.5D scheme of the fuel performance code ALCYONE-RIA to simulate the REP-Na tests performed in the experimental reactor CABRI. Simulation results are in good agreement with post tests examinations.

Depuis plusieurs décennies, l’évaluation des armes à létalité réduite (ALR) et des gilets pare-balles suscite l’intérêt majeur des forces de l’ordre autour du globe. En effet, ces armes présumées à létalité réduite ou non létales sont tenues d’occasionner uniquement une douleur suffisamment importante à un individu afin d’assurer sa neutralisation. Les gilets pare-balles, quant à eux, doivent garantir un certain niveau de protection pour réduire le risque de traumatismes lié à leur déformation dynamique. Le Centre de Recherche, d’Expertise et d’appui Logistique (CREL) du Ministère de l’Intérieur français a ainsi pour objectif le développement d’un outil de prédiction du risque lésionnel thoracique lors d’impacts balistiques non pénétrants. Cela permettrait alors d’évaluer les performances des ALR et des gilets pare-balles avant leur déploiement en théâtre d’opérations. Plus précisément, cette méthode doit uniquement être fondée sur la mesure directe du processus dynamique de déformation d’un bloc de gel synthétique soumis à un impact balistique. Pour répondre à ce besoin, l’approche numérique est considérée dans ces travaux de thèse par l’emploi du mannequin numérique du thorax humain HUByx comme un outil intermédiaire permettant la détermination de fonctions de transfert entre les mesures expérimentales sur un bloc de gel et le risque lésionnel. La reproduction de conditions d’impact réelles sur HUByx nécessite la caractérisation et la modélisation de projectiles ALR ainsi que de projectiles d’armes à feu et de gilets pare-balles. Elles reposent sur une procédure d’identification par méthode inverse appliquée à l’essai de Taylor pour la modélisation des ALR et à l’essai du cône dynamique d’enfoncement sur le bloc de gel pour celle du couple projectile/gilet pare-balles. Des travaux sont dédiés à la caractérisation mécanique et à la modélisation du gel synthétique sous sollicitations dynamiques. Enfin, une approche statistique basée sur des analyses de corrélation est introduite exploitant à la fois les mesures expérimentales, les données numériques ainsi que les rapports de cas de la littérature. Une cartographie du thorax associée au risque de fractures costales est établie et est uniquement fonction d’une mesure expérimentale. / For decades, the assessment of less-lethal weapons (LLW) and bulletproof vests has generated major interest from law enforcement agencies around the world. Indeed, these presumed less-lethal or non-lethal weapons are required to cause only significant pain to an individual to ensure their neutralization. Bulletproof vests, in turn, must provide a certain level of protection to reduce the risk of trauma related to their dynamic deformation. The Center for Research, Expertise and Logistics Support (CREL) of the French Ministry of the Interior aims to develop a tool to predict thoracic injury risk during non-penetrating ballistic impacts. It would therefore be possible to evaluate the performance of LLW and bulletproof vests before their deployment in operations. More precisely, this method must only be based on the direct measurement of the dynamic process of deformation of a synthetic gel block subjected to a ballistic impact. To address that issue, the numerical approach is considered in this thesis by the use of the human thorax dummy HUByx as an intermediate tool for the determination of transfer functions between experimental metrics on a gel block and the risk of injury. The reproduction of real impact conditions on HUByx thus requires the characterization and modeling of less-lethal projectiles as well as projectiles of firearms and bulletproof vests. They rely on an inverse method identification procedure applied to the Taylor test for modeling LLW and on the analysis of blunt impacts on the gel block for projectiles/bulletproof vests. Work is then dedicated to the mechanical characterization and modeling of the synthetic gel under dynamic loadings. Finally, a statistical approach based on correlation analyses is introduced using both experimental measurements, numerical data as well as case reports from the literature. A thorax mapping associated with the risk of rib fractures is established and only depends on an experimental metric.

La présente étude porte sur le comportement mécanique de deux types de supports de catalyseurs utilisés industriellement en hydrotraitement des résidus. Ces supports extrudés, fabriqués par IFPEN, sont constitués d’alumine de transition γ avec un taux de porosité proche de 70%. La porosité du premier matériau est uniquement constituée de mésopores (< 50 nm). La porosité du second matériau est constituée de mésopores et de macropores (jusqu’à 20 µm). Les niveaux de sollicitation en service étant très peu connus, cette étude s’attache à décrire de manière précise et exhaustive le comportement mécanique de ces supports sous une large gamme de sollicitations, et à identifier les différents mécanismes de ruine possibles. L’objectif final est de mieux comprendre les relations entre les paramètres microstructuraux et les propriétés mécaniques afin d’identifier des leviers d’amélioration de la tenue mécanique des supports. Dans un premier temps, une méthodologie adaptée de caractérisation mécanique est établie. Le comportement des supports est étudié d’une part en traction, à l’aide d’essais de flexion trois points et d’écrasement diamétral, et d’autre part, en compression sous différents taux de triaxialité, à l’aide d’essais de compression uniaxiale et hydrostatique et d’essais de micro-indentation sphérique. Les différents mécanismes responsables de la ruine des supports sont identifiés au moyen de techniques d’imagerie telles que la microscopie électronique à balayage et la micro-tomographie à rayons X. En traction, le comportement est fragile avec l’amorçage de la rupture sur un défaut critique. En compression, une transition fragile / quasi-plastique du comportement est observée avec l’augmentation du taux de confinement. Cette quasi-plasticité s’exprime en particulier à travers un phénomène de densification de la macroporosité. Dans un deuxième temps, un critère de rupture est identifié pour chaque type de matériau en vue de représenter sur une même surface de charge les différents types de comportement et phénomènes physiques observés. Cette identification est réalisée en couplant les essais d’indentation sphérique à une analyse numérique. Des critères faisant intervenir la pression hydrostatique permettent de rendre compte de la forte dissymétrie du comportement des matériaux en traction et en compression. Enfin, dans un souci de se rapprocher des sollicitations subies par les supports de catalyseurs dans un réacteur en service, le comportement d’un empilement de supports est étudié en compression œdométrique. L’analyse de cet essai par tomographie à rayons X permet de déterminer les différents mécanismes de ruine intervenant au sein d’un empilement, en particulier ceux responsables de la génération de fines. Les résultats illustrent la pertinence de la caractérisation en flexion et en indentation des supports de catalyseurs seuls pour prévoir leur comportement au sein d’un empilement en compression. / In this work, we study the mechanical behaviour of two types of catalysts supports produced by IFPEN and industrially used in residues hydrotreating. Those extruded supports are made of transition γ-alumina with about 70% of porous volume. The first material’s porosity is exclusively composed of mesopores (< 50 nm). The porosity of the second material is composed of both mesopores and macropores (up to 20 µm). Because of the limited knowledge of the stress fields in embedded catalysts supports in use in a reactor, this study aims at precisely and exhaustively describing the mechanical behaviour of those supports under a wide range of stresses, and identifying the possible damage mechanisms. The final objective is to better understand the influence of microstructural parameters on the mechanical properties of the supports in order to propose some leads about how to improve their mechanical strength. First, an adequate mechanical characterization methodology is set. On one hand, the tensile mechanical behaviour of the supports is studied with three-point bending and diametrical crushing tests. On the other hand, their compressive behaviour under various triaxiality rates is characterized in uniaxial and hydrostatic compression, and by spherical micro-indentation. The different damaging mechanisms are identified by imaging techniques such as scanning electronic microscopy and X-ray micro-tomography. Under tensile stresses, the supports exhibit a brittle behaviour and fracture initiates at a critical flaw. Under compressive stresses, a brittle/quasi-plastic transition is observed with increasing the triaxiality rate. The quasi-plasticity is mainly due to the densification of the macroporosity. The second part of the study consists in identifying, for each material, a fracture criterion able to represent every types of behaviour and physical phenomena observed on the same yield surface. This identification is achieved by coupling the spherical indentation tests to a numerical analysis. Fracture criteria involving hydrostatic pressure are well suited to describe the highly dissymmetric mechanical behaviour of the materials in tension and in compression. The last part of this work aims at studying the mechanical behaviour of a stack of supports under œdometric compression in order to produce stress fields more representative of those existing within the supports stacked in a reactor. This test is analysed by X-ray tomography, which allows us to determine/acknowledge the different damaging mechanisms involved in fragments and fines generation. The results illustrate the suitability of the bending and indentation tests to characterize the mechanical properties of a single support and relate them to its mechanical behaviour in a stack of supports under compression.