L'objectif de ce travail consiste à accroître la connaissance sur le thermoformage du verre. Ce procédé, largement mis en œuvre par le CERFAV, est basé sur la déformation du verre au sein d'un four électrique radiant sous l'effet de la température.<br />Deux axes de travail ont été identifiés : le développement d'un outil de simulation numérique, et la conception d'un banc expérimental original. D'un point de vue mécanique, le modèle viscoélastique rhéologique choisi permet de décrire le comportement du verre successivement élastique linéaire, viscoélastique puis visqueux, de l'ambiance jusqu'à 800°C. D'un point de vue thermique, le couplage de la conduction avec le rayonnement, validé pour des cas tests issus de la littérature, a été appliqué dans des conditions similaires au thermoformage sans déformation. Pour ce faire, le code radiatif RAD2D développé au LEMTA a été généralisé au verre et implémenté dans le logiciel MSCMARC©.<br />La phase expérimentale a été marquée par la conception et le développement d'un banc d'essais original autour d'un four de thermoformage. Les mesures sans contact de déplacement vertical et de température de la face supérieure du verre ont ainsi été comparées qualitativement aux résultats numériques. Par ailleurs, le four a fait l'objet d'un protocole de qualification (température et flux) qui permettra d'affiner la modélisation. En parallèle, une campagne de détermination des propriétés thermomécaniques du verre a été initiée en vue de paramétrer plus fidèlement le modèle numérique.<br />En conclusion cette première étude a permis la mise en place d'outils performants de calcul et de mesure, les premiers résultats probants devront être complétés par une seconde étude.

Ce travail porte sur l'étude des mécanismes d'endommagement et de rupture des matériaux métalliques sous sollicitation dynamique. Pour de grandes vitesses de déformation, il apparaît une localisation de la déformation sous forme de fines bandes appelées bandes de cisaillement adiabatique (BCA). Comme la durée de sollicitation est très courte, la dissipation de l'énergie mécanique sous forme de chaleur génère de fortes hétérogénéités de température. Pour étudier les mécanismes d'amorçage et de propagation d'une BCA lors d'un essai de torsion dynamique, nous avons développé un dispositif de mesure par pyrométrie : pour les "basses températures" comprises entre 50°C et 300°C, nous utilisons une barrette de 32 détecteurs infrarouges InSb afin d'étudier les hétérogénéités de température pendant l'amorçage de la BCA. La fréquence d'acquisition est de 1MHz et la résolution spatiale de 43µm. Pour les "hautes températures" comprises entre 800°C et 1600°C, nous utilisons une caméra intensifiée sensible dans le visible. La résolution spatiale est de 2µm et le temps d'ouverture est de 10µs. Ce dispositif a montré que la température pouvait dépasser 1100°C avec hétérogénéité au sein même de la bande. Pour interpréter ces résultats, nous avons développé un modèle thermomécanique bidimensionnel de l'éprouvette de torsion. Un défaut de rugosité a été inséré au centre de l'éprouvette et une loi de comportement élasto-thermoviscoplastique a été choisie. Les paramètres de la loi d'écoulement plastique de type Johnson-Cook ont été identifiés à partir d'essais statiques et dynamiques à différentes températures. La solution obtenue avec le code de calcul éléments finis Abaqus permet de simuler l'amorçage et la propagation de la BCA. La confrontation entre l'expérience et le modèle nous a permis de proposer un mécanisme d'amorçage de multiples BCA suivi d'interactions et d'annihilations des BCA entre elles.

Nous développons, en trois étapes, une approche globale de calcul à la fatigue des Alliages à Mémoire de Forme. La détermination de la loi de comportement permet le calcul de l'état thermomécanique stabilisé de la structure. Afin d'obtenir une meilleure prédiction de cette réponse, la dissymétrie entre traction et compression et le couplage fort thermomécanique sont ajoutés aux modèles ZM. Ensuite, le calcul numérique de l'état stabilisé est réalisé grâce à une généralisation de la Méthode Cyclique Directe, permettant un gain de temps de calcul considérable par rapport à la méthode incrémentale. Enfin, la durée de vie en fatigue est déterminée par un critère de fatigue énergétique qui tient compte de l'effet de la pression hydrostatique. La dépendance de la durée de vie vis-à-vis de la température et de la fréquence de chargement est discutée. Les perspectives concernent la validation des lois de comportement et du critère de fatigue pour des chargements non proportionnels.

L'objectif de ce travail est d'étudier le couplage thermomécanique dans les mécanismes de rupture dynamique notamment dans la loi de comportement. Le problème de propagation de fissure est étudié dans le cadre de la thermodynamique classique. Les conséquences du premier et second principe sont déduites, en particulier, il est montré que la pointe de fissure se comporte comme une source mobile. Les singularités puis les régularités de température sont discutées. En élastodynamique, l'expression asymptotique de la solution couplée est donnée en élasticité et conduction linéaire. En plasticité dynamique, la réponse mécanique et thermique est simulée pour le mouvement d'état d'équilibre instantané et le mode I de chargement. Le problème de fissure fixe est discuté sous l'hypot! hèse d'adiabaticité. Pour une restriction unidimensionnelle, les équations mécanique et thermique sont découplées dans toute la structure avec en pointe de fissure un couplage thermomécanique simplifié. Les résultats obtenus sont comparés aux observations expérimentales par des essais de flexion 3 points instrumentés thermiques.

Malgré des résultats prometteurs, les procédés de mise en forme à grande vitesse sont encore peu utilisés dans l'industrie du fait d'un manque de compréhension du phénomène de Bande de Cisaillement Adiabatique (BCA).Ce travail présente le développement d'outils numériques permettant la simulation adaptative et l'analyse de BCA dans des procédés 3D de mise en forme à grande vitesse. L'utilisation du modèle ALE-adaptatif séquentiel développé dans le logiciel Forge3 permet pour la première fois la simulation automatique de BCA 3D. L'étude des résultats numériques permet de proposer une description innovante du processus de formation de BCA. Les moyens de calcul requis s'avérant très importants, un nouveau code éléments finis hautement parallèle appelé Forge++ est développé. Ce dernier inclut de nouveaux algorithmes tels que le couplage thermomécanique implicite, la méthode de stabilisation RFB et un recouvrement par patch parallèle pour une meilleure simulation de BCA.

De nouvelles approches phénoménologiques sur la modélisation du comportement des AMFs sont nécessaires pour tenir en compte leur réponse complexe sous chargement multiaxial. L’effet de l’anisotropie induit une dépendance de leur comportement inélastique de la direction du chargement pour des cas superélastiques. La réorientation martensitique affecte drastiquement la réponse du matériau sous chargement non-proportionnel. La charge répétitive modifie aussi certaines propriétés du matériau. L’objectif de cette étude est de proposer un nouveau modèle constitutif thermodynamique robuste pour les AMFs, focalisé surtout sur des compositions NiTi équiatomiques pour capter la transformation martensitique anisotrope et la réorientation des variantes martensitiques. Une nouvelle approche mathématique est introduite pour permettre la prise en compte de l’anisotropie de contraintes et l’évolution des déformations inélastiques lors de la transformation directe, causée par les conditions de mise en forme de structures en AMFs. Cette méthode est évaluée en employant des courbes contraintes-déformations résultant de chargements proportionnels simulés par un modèle micromécanique. Un modèle phénoménologique considérant surtout la réorientation martensitique et mettant en évidence le fort couplage thermomécanique est développé. Il est implémenté dans une plate-forme numérique en C++, SMART+, et évalué en exécutant des simulations des expériences non-proportionnelles existantes. Des structures complexes sont également simulées en employant la Méthode des Élements Finis. La dernière partie de ce travail concerne l’étude expérimentale des effets du chargement cyclique sur l’évolution des déformations résiduelles et le seuil de transformation des alliages NiTi sous sollicitation uniaxiale et biaxiale. / New phenomenological approaches in modeling the behavior of SMAs are needed to account for their complex response under multiaxial loading. The effect of anisotropy induces a dependence of their inelastic behavior to the direction of the loading for superelastic cases. Martensitic reorientation affects drastically material response under non-proportional loading. Repeated loading also alters certain material properties. The goal of this study is to propose a new robust thermodynamic constitutive model for SMAs with focus on equiatomic NiTi compositions to capture anisotropic martensitic transformation and reorientation of martensitic variants, always taking in mind the strong thermomechanical coupling. A new mathematical approach is introduced to account for the anisotropy of stresses and the evolution of inelastic strains during forward transformation caused by the forming conditions of SMA structures. This method is evaluated by utilizing stress-strain curves resulting from proportional loading simulated with a micromechanical model. A phenomenological thermodynamic model considering especially martensitic reorientation and exhibiting the strong thermomechanical coupling is developed. It is implemented on a numerical platform in C++, SMART, and evaluated by simulating existing non-proportional experiments. Complex structures are also simulated using Finite Element Analysis. The last part of this work concerns the experimental study of the effects of cyclic loading to the evolution of residual strain and transformation threshold of NiTi under uniaxial and biaxial testing.

Le laminage est un procédé de mise en forme à chaud permettant d’obtenir des barres de différents diamètres en partant de blooms issus de la coulée continue. Dans les bruts de coulée se répartissent des inclusions qui sont de natures, de formes et de tailles différentes. Le laminage va permettre de réduire le diamètre de la barre et d’agir sur la microstructure du matériau, notamment, en fragmentant et dispersant les inclusions. L’objectif des travaux de thèse est de contribuer à la compréhension des effets du chargement thermomécanique sur l’évolution des défauts de coulée en laminage. Vu la dimension des installations, les investigations expérimentales directes sur les moyens industriels ne sont pas envisageables. L’idée développée dans les travaux de thèse concerne la mise en place et la validation d’un essai de caractérisation à échelle réduite reproduisant le chemin thermomécanique subi par la matière au cours du laminage. Pour ce faire la ligne de laminage industrielle est modélisée afin d’obtenir le chargement thermomécanique de la barre au cours du laminage. Seules les sollicitations ayant un rôle majeur sur le comportement des défauts sont reproduites. Un essai dit de « forgeage libre » a ainsi été conçu, réalisé, mis en place sur les moyens de mise en forme de la plateforme VULCAIN de l’ENSAM. L’essai a été utilisé avec des défauts artificiels présentant des similarités comme la malléabilité avec les défauts réels. Une campagne expérimentale paramétrique a été menée sur les différents types de défauts. Les échantillons forgés ont été analysés par des méthodes non destructives comme les ultrasons, la radiographie et la tomographie X. Ces analyses ont permis de suivre le comportement du défaut et d’observer certains phénomènes mis en évidence dans la littérature comme l’apparition de cavité à l’interface défaut-matrice / Rolling is a hot forming process dedicated to manufacture bars with different diameters. The initial product is a bloom from the continuous casting. The bloom contains inclusions which have different forms, sizes and distributions. The rolling reduces the diameter of the bar and acts on the material microstructure by fragmenting and dispersing the inclusions. The aim of the thesis work is to understand the behavior of the inclusions with the rolling thermo mechanical loading effects. The direct investigations on the rolling mill are not possible because of the size of the installations. To address this problem, the solution is to develop and validate a small scale characterization test reproducing the thermo mechanical loading of the rolled bar. To achieve this, the rolling mill is modeled. Only the solicitations which have a major role on the behavior of the defects are reproduced. An open-die forging test is designed, manufactured and implemented on the VULCAIN installation of the ENSAM. The artificial defects which have a similar malleability to the real defects are integrated into the sample. A parametric experimental campaign has been conducted on the different defects. The forged samples have been analyzed with non-destructive methods such as ultrasound, radiography and tomography. These analyses allowed to follow the behavior of the defects and to observe certain phenomena illustrated in the literature such as the emergence of a cavity on the defect-matrix interface.

Pour les compresseurs axiaux et centrifuges, la minimisation du jeu, entre l’extrémité des aubes et le carter qui les entoure, augmente l’efficacité aérodynamique des turbomachines mais favorise également l’apparition de contacts structuraux. En présence du contact, les deux structures échangent de l’énergie et le système peut devenir instable lorsque ses fréquences propres, exprimées dans le même repère, sont égales. Nous verrons qu’il existe également la possibilité de créer des réponses forcées lorsque les harmoniques de la vitesse de rotation coïncident avec les fréquences propres de la structure fixe ou tournante. Dans les deux cas, les structures peuvent subir des endommagements assez importants. La maitrise de l’interaction aube-carter est donc logiquement un phénomène que les constructeurs de turbomachines doivent intégrer lors de la définition d’un moteur. Ainsi, dans l’étape de conception des compresseurs, il faut prévoir le comportement vibratoire du système en prenant en compte les phénomènes physiques les plus influents. Dans ce contexte, ce travail de recherche est focalise sur l’étude du comportement mécanique et thermomécanique résultant de l’interaction aube-carter entre un compresseur centrifuge (ou rouet) expérimental du premier étage de compression d’un moteur d’hélicoptère et son couvercle qui est recouvert d’un matériau abradable afin de réduire la sévérité du contact. L’objectif majeur des travaux présentes dans ce manuscrit est d’établir un scénario plausible pour expliquer les divers phénomènes présents lors du contact et de créer une base de données expérimentales, dans un environnement de laboratoire au travers d’un essai réaliste et maitrisé. Puis, il s’agit de confronter et valider les interprétations expérimentales sur un modèle numérique. Pour atteindre nos objectifs, nous avons utilisé un dispositif d’essai adapté afin de fournir des données fiables sur le comportement dynamique et thermomécanique en situation de contact aube-carter. L’analyse des résultats expérimentaux et numériques montre des évènements transitoires concomitants entre la structure fixe et tournante. Le contenu spectral des réponses est caractérise par la présence d’harmoniques de la vitesse de rotation et de sidebands, qui influencent le comportement dynamique du système lorsqu’ils coïncident avec les fréquences propres des structures. / In axial and centrifugal compressors, minimizing the clearance between the blade tips of the impeller and its surrounding casing increases the aerodynamic efficiency, but also the probability of contacts. An energy exchange is then produced between the two structures, leading to forced excitation of the natural modes and potentially to dynamical instabilities, such as interaction phenomena. In both cases, the structures suffer subsequent structural damages. Mastering blade-to-casing interactions is thus a phenomenon that turbomachinery manufacturers must incorporate into the design process of an engine. Compressor designers must predict the vibration behavior of the system, taking into account the predominant physical phenomena. In this context, this work focuses on the study of the dynamic and thermomecanichal behavior resulting from blade-to-casing interactions between a low-pressure centrifugal compressor (or impeller) and a casing lined with abradable coating. The main purpose of this work is to build a likely scenario to explain the various phenomena present when contact occurs, and the creation of a database for subsequent comparisons with numerical simulations. To achieve this, a test rig heavily instrumented has been used in order to better understand the influence of various physical phenomena (dynamic, wearing, heating). Analysis of experimental and numerical results shows transient events, characterized by a simultaneous increase in amplitude on both the rotating and stationary structures. The spectral content of the response highlights the presence of harmonics of the rotating speed and some sidebands aside from the main excited frequencies, which may cause the system to become unstable when they coincide with the natural frequencies of structures.

Cette thèse présente une approche globale de la modélisation du comportement thermomécanique et cyclique des alliages à mémoire de forme (AMF) en grandes déformations. Cette approche s’articule en trois étapes : i) La généralisation du modèle ZM de comportement des AMF en grandes déformations dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. Pour ce faire, le gradient de la transformation totale est décomposé sous la forme du produit de trois gradients : le gradient de transformation lié à la déformation élastique, le gradient lié au changement de phase et le gradient de transformation lié à la réorientation de la martensite. Cette décomposition permet ainsi la modélisation de la réponse des structures en AMF dans le cas de chargements multiaxiaux non-proportionnels en transformations fi nies. ii) La prise en compte du couplage thermomécanique en transformations fi nies. Pour ce faire, la déformation de Henckya été introduite. Le modèle obtenu intègre trois caractéristiques thermomécaniques importantes des AMF, à savoir l’effet de la coexistence de l’austénite et de deux variantes de martensites distinctes, la variation de la taille de la boucle d’hystérésis avec la température et la transition du processus de changement de phase, d’abrupt à doux. iii) Enfin, en vue de prédire la réponse des structures en AMF sous chargement thermomécanique cyclique, le modèle développé dans la deuxième étape est généralisé pour décrire la pseudoélasticité cyclique des AMF polycristallins. Le modèle obtenu permet la prise en compte de quatre caractéristiques fondamentales liées au comportement cyclique des AMF : la déformation résiduelle accumulée, la dégénérescence de la boucle d’hystérésis, l’évolution de la transformation de phase, d’abrupte à douce. La mise en œuvre numérique de ces modèles s’appuie sur des algorithmes d’intégration appropriés. Des exemples numériques on été traités pour valider chaque étape. / Shape Memory Alloys (SMAs) are a class of smart materials that possess two salient features known as pseudoelasticity (PE) and shape memory effect(SME). In industrial applications, SMA structures are typically subjected to complex service conditions, such as large deformations, thermomechanically coupled boundaries and loadings, and cyclic loadings. The reliability and durability analysis of these SMA structures requires a good understanding of constitutive behavior in SMAs. To this end, this work develops a comprehensive constitutive modeling approach to investigate thermomechanical and cyclic behavior of SMAs in fi nite deformations. The work is generally divided into three steps. First, to improve accuracy of SMA model infinite deformation regime, the ZM model proposed by Zaki and Moumni (2007b) is extended within a fi nite-strain thermodynamic framework. Moreover, the transformation strain is decomposed into phase transformation and martensite reorientation components to capture multi-axial non-proportional response. Secondly, in addition to the fi nite deformation, thermomechanical coupling effect is taken into account by developing a new fi nite-strain thermomechanical constitutive model. A more straightforward approach is obtained by using the fi nite Hencky strain. This model incorporates three important thermomechanical characteristics, namely the coexistence effect between austenite and two distinct martensite variants, the variation with temperature of hysteresis size, and the smooth transition at initiation and completion of phase transformation. Finally, with a view to studying SMA behavior under cyclic loading, the model developed in the second step is generalized to describe cyclic pseudoelasticity of polycrystalline SMAs. The generalized model captures four fundamental characteristics related to the cyclic behavior of SMAs: large accumulated residual strain, degeneration of pseudoelasticity and hysteresis loop, rate dependence, and evolution of phase transformation from abrupt to smooth transition. Numerical implementation of these models are realized by introducing proper integration algorithms. Finite element simulations, including orthodontic archwire, helical and torsion spring actuators, are carried out using the proposed models. The future directions of this work mainly involve plasticity and fatigue analysis of SMA structures.

L’utilisation croissante des Alliages à Mémoire de Forme (AMF) dans des structures de plus en plus complexes, notamment en vue d'applications médicales, rend nécessaire la compréhension des phénomènes régissant leur comportement et plus précisément la pseudo-élasticité. Le fort couplage thermomécanique, résultant de la transformation de phase martensitique, est un point clé de ce comportement. Les travaux de thèse présentés sont consacrés à l’étude et la modélisation de ce couplage. Tout d’abord, la transformation de phase martensitique provoque une déformation et une émission de chaleur couplées qui peuvent se localiser en bandes de transformation sous sollicitation uniaxiale. Une partie de cette thèse a été consacrée au développement de la Corrélation d’Images InfraRouge, qui permet à partir d’un unique film IR de mesurer conjointement, en une seule analyse, les champs cinématiques et thermiques discrétisés sur un même maillage éléments finis. Une application à l’analyse d’un essai de traction sur AMF de type NiTi a été réalisée. Le comportement pseudo-élastique a aussi été abordé d’un point de vue modélisation. Une large part de ce travail de thèse a donc été consacrée à l’élaboration d’un modèle multiéchelle et multiaxial, décrivant le comportement d’un VER à partir de la physique de la transformation martensitique à l’échelle de la maille cristalline. L’approche est inspirée de modèles multiéchelles développés pour la modélisation d’autres couplages multiphysiques et notamment magnéto-élastique. La troisième partie de cette thèse a été consacrée à l’élaboration d’un modèle de structure 1D sous traction uniaxiale. Dans un premier temps un modèle de thermique 1D ainsi qu’un modèle mécanique phénoménologique à seuils ont été développés. Les simulations rendent compte des phénomènes de transformation diffuse accompagnant l’élasticité puis de la transformation localisée. L’algorithme est notamment capable de gérer les deux sens de transformation. Ce modèle met en compétition les deux phénomènes transitoires de génération et évacuation de la chaleur par la transformation de phase et les échanges thermiques avec l’environnement. Ainsi, il est capable de reproduire la relation liant le nombre de bandes de transformation générées à la vitesse de sollicitation et aux conditions aux limites thermiques. Un travail été initié pour coupler ce modèle de structure et de gestion de la thermique au modèle monocristallin multiaxial. Sans encore reproduire la localisation de la transformation en bande, les simulations de traction montrent un hystérésis, issu des pertes thermiques dans l’air ambiant, bien que le modèle de comportement multiéchelle élémentaire soit écrit dans un cadre réversible, l’irréversibilité et la localisation étant avant tout des effets de transferts. Le couplage thermomécanique à la source des comportements si spécifiques des AMF que sont la super élasticité et la mémoire de forme ont donc été étudiés sous divers points de vue : expérimentalement, par l’établissement de modèles de comportement, par la simulation de structures 1D et des échanges thermiques mis en jeu. Les outils et modèles ont été appliqués à l’étude du Ni49,75at%Ti, support de ce travail, mais sont facilement adaptables à tout autre AMF. L’approche utilisée pour la modélisation multi-échelle peut être étendue à d’autres couplages, par exemple en cumulant les couplages thermo- et magnéto- mécaniques en vu de l’étude des Alliages à Mémoire de Forme Magnétiques par exemple. / The increasing use of Shape Memory Alloys (SMA) for complex structure, especially for medical applications, requires a better understanding of the phenomena governing their behaviors and particularly the super-elasticity. The strong thermomechanical coupling resulting from the martensitic phase transformation is a key point of this behavior. The thesis is devoted to the study and modeling of this coupling. First, the martensitic phase transformation causes coupled local deformation and heat emission that can locate onto transformation bands when structure undergoes uniaxial stress. A part of this thesis has been devoted to the development of InfraRed Image Correlation (IRIC). This technique permits us to measure by a single analysis, from a single IR film, both kinematic and thermal fields discretized on the same finite element mesh. An application to the analysis of a tensile test on a NiTi type AMF has been made. Superelastic behavior is also discussed from a modeling point of view. A large part of this work has been devoted to the development of multiaxial multiscale model describing the behavior of a RVE from the description of martensitic transformation at the crystal scale. The approach is inspired from multiscale models developed for modeling other multiphysic couplings especially the magneto-elastic coupling. It is based on the comparison of the free energies of each component, without any topological description. A probabilistic comparison is made, using a Boltzmann distribution, to determine the internal variables : the volume fractions. Interfaces are not taken into account. This model allows the simulation of the effect of any thermo-mechanical loading. It well gives account of the superelasticity, including the asymmetry in tension / compression ... The third part of this thesis has been devoted to the development of a one dimensional model for structure under uniaxial tension. In a first step, a 1D thermal model and a phenomenological mechanical model, based on the Clausius Clapeyron diagram have been developed. The simulations account for the diffuse transformation accompanying the elasticity at the very beginning of stress-strain behavior, and localized phase transformation afterthat. The algorithm is capable of handling two-way transformation. This model emphasizes competition both transient phenomena : generation and heat dissipation by the phase transformation and heat exchange with environment. Thus, it is able to reproduce relationship linking the number of nucleated transformation bands to the strain rate and the thermal boundary conditions. A study has been initiated to couple this model to the singlecrystalline multiaxial RVE model detailed in the previous part. It is currently not able to model the localization phenomenon, but the simulations show a tensile hysteresis issued from the thermal losses in the air. Indeed, even if the local multiscale model is written in a reversible way, irreversibility and the localization are primarily structural effects. The thermomechanical coupling is at the origin of the so specific AMF behavior (super elasticity and shape memory effect), it has been studied from various points of view: experimentally, by establishing RVE models, by simulating 1D structures and heat exchange. Developed tools and models have been applied to the study of Ni49, 75at% Ti, but are easily adaptable to other AMF. The approach used for the multi-scale modeling can be extended to other couplings, such as couplings cumulating the thermo-and magneto-mechanical aspect for the study of Magnetic Shape Memory Alloys for example.