Les structures géologiques sont le plus souvent dessinées par interpolations de données dispersées. Un problème est de pouvoir contraindre ces interpolations par des règles géométriques et cinématiques. La méthode dite de l'équilibrage des structures en coupe illustre ce principe. Pour tester la compatibilité de structures à déformation hétérogène, on peut les diviser en éléments dont on considère la déformation comme homogène, mais cette technique est limitée. Une autre méthode, pour s'assurer de la compatibilité géométrique de zones plissées-faillées, consiste à tester la possibilité de restaurer de telles surfaces à leur état initial. Le principe de la méthode est de décrire ces surfaces par des éléments rigides plans et de les rabattre dans le plan horizontal par un programme de calcul (minimisation automatique de vides et de recouvrements). En dépliant différents blocs et en ajustant ces blocs le long de failles, il est possible de retrouver l'état antérieur à la déformation (continue et discontinue). Le programme (UNIX, FORTRAN, station de travail), a été initialement testé sur des exemples théoriques et expérimentaux, puis appliqué à des structures naturelles (gisements pétroliers) avec les applications suivantes: (1) en zone pétrolifère (ou minéralisée), le but est de dessiner au mieux les structures associées aux failles qui peuvent faire office de piège, ce qui permet de mieux contraindre les capacités du gisement et sa géométrie; (2) en l'utilisation plus géodynamique, le champ de déplacement fini associé à la déformation, traduite par les plis et les failles, peut être étudié.

L'acquisition de modèles 3D des scènes réelles trouve son utilité dans de nombreuses applications pratiques, comme l'archivage numérique, les jeux vid eo, l'ingénierie, la publicité. Il existe principalement deux méthodes pour acqu érir un modèle 3D: la reconstruction avec un scanner laser (méthode active) et la reconstruction à partir de plusieurs photographies d'une même scène prise dans des points de vues différents (méthode passive). La méthode passive, ou la stéréo multi-vues est en revanche plus flexible, facile à mettre en oeuvre avec une grande précision, et surtout moins couteuse que la méthode active. Cette thèse s'attaque au problème de la reconstruction de stereo multi-vues à grande échelle . Nous améliorons des méthodes précédentes et les assemblons pour créer une chaine de stereo multi-vues efficace tirant parti de l'accélération des cartes graphiques. La chaîne produit des maillages de qualité à partir d'images de haute résolution, ce qui permet d'atteindre les meilleurs scores dans de nombreuses évaluations. Aux plus grandes échelles, nous développons d'une part des techniques de type diviser-pour-régner pour reconstruire des morceaux partiaux de la scène. D'autre part, pour combiner ces résultats séparés, nous créons une nouvelle méthode qui fusionne rapidement des centaines de maillages. Nous réussissons à reconstruire de beaux maillages urbains et des monuments historiques précis à partir de grandes collections d'images (environ 1600 images de 5M Pixel).

Cette thèse introduit une nouvelle approche pour la reconstruction de surface à partir d'acquisitions de nuages de points. Cette approche construit un complexe cellulaire à partir du nuage de points puis formule la reconstruction comme un problème d'étiquetage binaire des cellules de ce complexe sous un ensemble de contraintes de visibilité. La résolution du problème se ramène alors au calcul d'une coupe minimale s-t permettant d'obtenir efficacement une surface optimale d'après ces contraintes. Dans la première partie de cette thèse, l'approche est utilisée pour la reconstruction générique de surface. Une première application aboutit à un algorithme très robuste de reconstruction de surface à partir de nuages denses issus d'acquisitions laser. Une seconde application utilise une variante de cet algorithme au sein d'une chaîne de photo-modélisation en combinaison avec un raffinement variationnel photométrique. La chaîne complète est adaptée à la reconstruction de scènes de grande échelle et obtient d'excellents résultats en terme de complétude et de précision des reconstructions. La seconde partie de cette thèse considère le problème de la reconstruction directe de modèles géométriques simples à partir de nuages de points. Un algorithme robuste est proposé pour décomposer hiérarchiquement des nuages de points denses en formes issues d'un ensemble restreint de classes de formes. Lorsque que cet ensemble de classes est réduit aux plans seulement, la reconstruction de modèles de très faible complexité est possible. Une extension à d'autres classes de formes échange cet avantage contre la gestion de nuages de points plus difficiles.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les procédés de fabrication de pièces mécaniques par enlèvement de matière (tournage, fraisage, perçage, ...) connaissent une utilisation massive dans l’industrie aéronautique et l’automobile. Les pièces obtenues par ces procédés doivent satisfaire à des propriétés géométriques, métallurgiques et à des caractéristiques de qualité. Pour répondre à ces exigences, plusieurs essais expérimentaux basés sur le choix des conditions de coupe sont souvent nécessaires avant d’aboutir à une pièce satisfaisante. Actuellement, ces méthodes empiriques basées sur l’expérience des fabricants et des utilisateurs des outils coupants sont souvent très longues et coûteuses, donnent une large plage de choix des paramètres en fonction de leurs besoins. Toutefois, le coût très élevé d’un essai limite fondamentalement le nombre d’expériences, avoir une pièce respectant les caractéristiques souhaitées avec un coût acceptable devient une tâche difficile. / Manufacturing processes of mechanical parts by removal of material (turning, milling, drilling ...) have extensive use in aeronautic and automobile industry. The components obtained using these methods must satisfy geometric properties, metallurgical and quality characteristics. To meet these requirements, several experimental tests based on the selection of cutting conditions are often necessary before manufacturing. Currently, these empirical methods based on the experience of manufacturers and users of cutting tools (charts, diagrams with experimental findings, ...) are often very lengthy and costly. However, the high cost of a trial limits the number of experiments, so to have a deserted component with an acceptable cost is a difficult task. The importance of cutting conditions monitored by limitations is related to the type of material to be machined, since it determines the behavior of the machining.

Les composites utilisés dans l'industrie aéronautique sont hétérogènes. Ils sont composés d'une matrice polymère souple et ductile et d'un renfort dur et fragile. Les différentes phases ainsi que l'anisotropie du matériau peuvent rendre l'usinage de ces matières, difficile. Deux problèmes majeurs peuvent être rencontrés lors de l'usinage : garder l'intégrité de la matière usinée et réduire l'usure de l'outil de coupe. Les niveaux de qualité demandés dans le secteur aéronautique imposent une coupe sans défaut, ces derniers pouvant entrainer une altération ultérieure de la pièce. Les principaux défauts rencontrés sont : le délaminage des plis, la surchauffe de la résine, les plis non coupés francs ou l'écaillage. / Aeronautic composites are inhomogeneous and most often consist in two distinctly phases. The reinforcement fibres are relatively hard and brittle whereas the matrix is soft and ductile. The anisotropy causes some severe challenges when machining composites. People in the field often experience a trade-off between two main problems ; on one hand, keeping the composite parts integrity and quality, and on the other hand, reducing the wear of the cutting tools. The quality level required in aeronautic applications imposes a high quality cut of machined parts. Common defects that may occur during machining of these materials are delamination, overheat of the resin, uncut fibres, and fibre pull-out.

Cette étude s’est focalisée sur l’influence d’une opération de fraisage sur l’intégrité de surface et la durée de vie en fatigue des pièces usinées en titane (Ti-6Al-4V). L’influence des paramètres géométriques tels que les angles de coupe et les rayons de bec sur la performance de l’outil à savoir la durée de vie de l’outil est analysée. Une deuxième partie est consacrée à l’influence des paramètres géométriques sur l’intégrité de surface définie par des facteurs tels que la topographie, les contraintes résiduelles, la dureté et la microstructure. Afin de déterminer la nature des contraintes résiduelles, une approche thermomécanique a été utilisée. Une relation entre les contraintes résiduelles et la dureté sous la surface usinée est établie. Une dernière partie est dédiée à la l’étude de la fatigue des pièces en titane usinées selon les différents paramètres géométriques. Une comparaison des limites d’endurance expérimentales et analytiques issue de la littérature a permis de déterminer les paramètres influents de l’intégrité de surface sur la performance en fatigue. Une analyse fractographique a révélé les phénomènes liés à l’usinage influençant la rupture du matériau. / This study is carried out on the influence of milling process on surface integrity and fatigue life of a titanium alloy (Ti-6Al-4V). Geometric parameters like cutting angles and nose radius are investigated. In the first part, the observation is focused on tool life. The second part is dedicated to the influence of geometric parameters on surface integrity which is defined by topography, residual stress, hardness and microstructure. To determine the nature of the residual stresses a thermomechanical approach is used. A relation between residual stress and hardness is established. The last part deals with the study of the fatigue of milled titanium samples. A comparison is made between experimental fatigue limit and analytical fatigue limit of a model from literature. With this comparison, the most influential factor of surface integrity on fatigue limit is determined. A fractography analysis reveals the phenomenon related to milling process which can influence the material rupture.

Ce travail s'inscrit dans une stratégie d'investigation expérimentale et numérique des mécanismes d'enlèvement de la matière lors de l'usinage de l'alliage de titane Ti-6Al-4V. Il aborde un problème complexe, fortement couplé, faisant intervenir la thermique et la mécanique aux petites échelles (micrométrique). Le manque de moyens de mesure dédié à ces échelles de temps et de l'espace (phénomènes rapides et très locaux) ne permet pas, à ce jour, d'appréhender précisément les phénomènes thermomécaniques mis en jeu pendant la formation de copeau. De ce fait, un dispositif spécifique, appelé VISIR, répondant à cette problématique a été mis en place. La partie expérimentale s'est donc orientée vers une compréhension plus fine des mécanismes d'enlèvement de la matière. Elle a notamment permis de mettre en évidence l'évolution de grandeurs mécaniques et thermiques durant la formation des festons mais surtout le couplage entre la température et la vitesse de déformation. Basée sur les constatations expérimentales, une étude du comportement thermomécanique de cet alliage a été mis en place. Des essais en cisaillement dynamique à travers des éprouvettes chapeau ont permis d'identifier par méthode inverse une nouvelle loi de comportement couplée en température et en vitesse de déformation. De plus, une étude de l'endommagement s'est appuyée sur l'identification et l'évaluation de huit critères communément utilisés dans le domaine de mise en forme a permis de proposer une nouvelle loi, inspirée du critère de Tresca, couplée au comportement. L'intégralité de ces formulations couplée à un modèle de frottement Stick-Slip ont enfin été implémentés dans un modèle EF 3D. La confrontation expérimentale/numérique en termes de grandeurs mécaniques et thermiques a révélé la robustesse et l'aspect prédictif du modèle EF développé. Enfin, les résultats de cette étude ont permis de développer une discussion détaillée sur les mécanismes d'enlèvement de la matière et plus particulièrement les complexes trajet des fissurations. / This work develops an experimental and numerical strategy in order to investigate material removal of titanium alloy Ti-6Al-4V during machining process. It therefore intends to tackle a complex and strongly coupled problem, involving thermal and mechanical aspects at small scales (micrometric). The lack of measuring means dedicated to such scales in terms of time and space (rapid and strongly local phenomena) does not allow yet to precisely apprehend the thermomechanical phenomena involved during the chip formation. As a result, a specific device, called VISIR, that addresses this issue has been set-up. The experimental aspect of this work has therefore been oriented towards a more precise understanding of the material removal mechanisms. It allowed to observe the evolution of mechanical and thermal quantities during the chip formation and more precisely the strong coupling between the temperature and the strain rate. Based on these experimental insights, the thermomechanical behavior of this alloy has been studied through dynamic shear tests using hat-shaped specimens. It allowed to identify through inverse method a new constitutive equation coupled in temperature and strain rate. In addition, a study on damage is conducted. It is based on the identification and the evaluation of eight criteria commonly used in the material forming process. This leads to proposing a new damage equation, inspired from the Tresca criterion and coupled to material plastic behavior. All of these formulations along with a Stick-Slip friction model have finally been implemented in a 3D FE orthogonal cutting model. Experimental/numerical comparison in terms of mechanical and thermal quantities revealed the robustness and predictive aspect of the developed FE model. Finally, the results of this study allowed to develop a detailed discussion on the material removal mechanisms and more particularly the complexe cracks paths.

De nos jours, le contexte de mondialisation des marchés impose aux industriels des contraintes économiques sans précédent. Afin de rester concurrentiels, ils n’ont d’autre choix que de modifier leur façon de concevoir et d’innover. Les techniques de production sont directement concernées avec par exemple une volonté de réduire les cycles de mise au point visant à définir les paramètres optimaux de mise en forme. On constate alors l’immersion d’un besoin fort en moyens de support, flexibles et prédictifs, permettant de limiter les campagnes d’essais et de faciliter leur exploitation. La simulation numérique se présente comme un outil pouvant répondre à ces critères. Ce travail s’est inscrit dans une démarche d’amélioration de la modélisation et de la simulation des opérations d’usinage, et à une échelle plus locale, de la modélisation de la coupe des métaux. Il aborde donc un problème complexe, fortement couplé, faisant intervenir mécanique, thermique, tribologie et métallurgie dans des conditions extrêmes. Une première partie expérimentale s’est donc orientée vers une compréhension plus fine des mécanismes de coupe mis en jeu en usinage d’un C45 normalisé et d’un 42CrMo4 trempé revenu. Elle a notamment permis de mettre en évidence, dans les zones de déformation intense, des affinements de grain conséquents, produits par l’activation d’un processus de recristallisation dynamique (DRX). L’inspection des zones de contact outil-matière a également montré les fortes hétérogénéités de contact existantes à l’interface outil-copeau et révélant la formation d’une résistance thermique de contact. Une étude rhéologique des deux nuances s’est appuyée sur des essais de compression dynamique. Menée à haute déformation, elle a permis de reproduire les évolutions microstructurales observées en coupe et d’appréhender leur influence sur la limite d’écoulement des matériaux. Deux modèles de comportement "à base métallurgique" ont été identifiés, présentant une retranscription plus fidèle que les modèles phénoménologiques standards. Des essais tribologiques dédiés ont permis d’extraire des modèles de contact capables de reproduire les phénomènes locaux existants à l’interface outil-matière. L’accent s’est principalement porté sur la thermique de contact au travers de lois de partage variables intégrant la notion de résistance thermique. L’intégralité de ces modèles a enfin été implémentée dans le code de calcul Abaqus© grâce à des développements spécifiques. Une stratégie de modélisation a été mise en place autour d’un modèle de coupe 2D afin de restituer les tendances majeures observées lors de la coupe d’aciers spéciaux. L’association de modèles 2D et 3D à copeau continu, de modèles à copeau segmenté ainsi que de simulations thermiques découplées présente un fort potentiel permettant, à terme, de modéliser une opération d’usinage dans sa globalité. / Nowadays, in a context of globalization, companies are submitted to unprecedented economic constraints. To remain competitive, they are forced to change their way of designing and innovating. Manufacturing is directly concerned with in mind to reduce the development steps necessary to define the optimal processing parameters. A need of flexible and predictive support tools is clearly rising in order to limit the experimental campaigns and make easier their exploitation. The numerical simulation appears as a relevant tool that match these criteria. This work is a contribution to an approach which aims at improving the modeling and simulation of machining operations, and on a more local scale, the modeling of metal cutting. It therefore addresses a complex and tightly coupled problem, involving mechanics, thermal sciences, metallurgy and tribology in extreme conditions. A first experimental part was thus directed towards a more sophisticated understanding of the cutting mechanisms occuring in machining of a normalized AISI 1045 and a quenched and tempered AISI 4140. It made possible to highlight, in the main intensive deformation zones, drastic grain refinements produced by the activation of dynamic recrystallization (DRX). Inspection of the tool-material contact areas also showed the strong heterogeneities of contact existing at the tool-chip interface, revealing the formation of a thermal contact resistance. A rheological study of these two grades was based on dynamic compression tests. Conducted at high strain, it reproduced the microstructural changes observed in cutting and enabled to understand their influence on the flow stress of both materials. Two "metallurgy based" models have been identified, leading to a better description of the material behaviour than standard phenomenological models. Special tribological tests have been conducted and analyzed to extract contact models able to reproduce local phenomena existing at the tool-material interface. The study has especially been focused on the thermal contact through heat partition models including the concept of thermal contact resistance. The proposed constitutive and contact models were finally implemented in a finite element code Abaqus© thanks to some specific developments. A modeling strategy has been developed around a 2D cutting model in order to simulate the major trends observed during the cutting of the mentioned steels. The combination of 2D and 3D continuous chip models, 2D segmented models and uncoupled thermal simulations appears as promising to model the different aspects of a machining operation.

Dans l’industrie aérospatiale, l’utilisation des matériaux hybrides CFRP/Ti montre une tendance à la hausse en raison de leurs propriétés mécaniques/physiques améliorées ainsi que des fonctions structurelles plus flexibles. En dépit de leurs nombreuses applications, l’usinage CFRP/Ti en perçage en une seule passe reste le principal défi scientifique et technologique de l’assemblage multi-matériaux. Par rapport au coût de production élevé et le temps des recherches basées sur des approches exclusivement expérimentales de l’usinage multi-matériaux, cette étude a pour objectif d’amener une meilleure compréhension de la coupe CFRP/Ti à travers une approche physique hybride qui fait dialoguer les méthodes numériques et expérimentales. Un modèle EF utilisant le concept de zone cohésive a été développé pour étudier l’usinabilité anisotrope de pièces structurales CFRP/Ti à des fins d’assemblage. L’approche numérique explicite, par des études préliminaires, les mécanismes de coupe clés qui contrôlent l’usinage CFRP/Ti. Par la suite, l’approche expérimentale a été conduite sous différentes conditions d’usinage en configuration de coupe orthogonale et de perçage. Une attention spéciale a été consacrée aux effets des stratégies des séquences de coupe CFRP/Ti sur la formation des endommagements d’interface induits. Ces études expérimentales et numériques ont permit (i) d’expliciter les mécanismes physiques activés qui contrôlent la coupe à l’interface ainsi que les endommagements induits par celle-ci, (ii) de préciser les effets des différentes stratégies d’assemblage multi-matériaux sur l’usinage CFRP/Ti, (iii) de définir la classification d’usinabilité CFRP/Ti, et (iv) d’analyser enfin les effets paramétriques géométrie/matériau d’outil régissant l’opération d’usinage CFRP/Ti. / In modern aerospace industry, the use of hybrid CFRP/Ti stacks has experienced an increasing trend because of their enhanced mechanical/physical properties and flexible structural functions. In spite of their widespread applications, machining hybrid CFRP/Ti stacks in one-shot time still consists of the main scientific and technological challenge in the multi-material fastening. Compared to the high cost of pure experimental investigations on the multi-material machining, this study aims to provide an improved CFRP/Ti cutting comprehension via both numerical and experimental methodologies. To this aim, an FE model by using the cohesive zone concept was established to construct the anisotropic machinability of the bi-material structure. The numerical work aims to provide preliminary inspections of the key cutting mechanisms dominating the hybrid CFRP/Ti stack machining. Afterward, some systematic experimental work including orthogonal cutting and hole drilling was carefully performed versus different input cutting conditions. A special focus was made on the study of the effects of different cutting-sequence strategies on CFRP/Ti cutting output and induced interface damage formation. The combined numerical-experimental studies provide the key findings aiming to (i) reveal the activated mechanisms controlling interface cutting and subsequent interface damage formation, (ii) clarify the influences of different cutting-sequence strategies on hybrid CFRP/Ti stack machining, (iii) outline the machinability classification of hybrid CFRP/Ti stacks, and (iv) analyze finally the parametric effects of the material/tool geometry on cutting CFRP/Ti stacks.