La méthode de renforcement des ouvrages en béton par collage de matériaux composites est une pratique qui connaît actuellement un essor important. Dans cette optique, nous nous proposons d'apporter une contribution à l'analyse du comportement des dalles en béton armé renforcées par matériaux composites. Après avoir examiné les limites technologiques des différentes techniques de renforcement, le bilan bibliographique repose sur l'analyse des méthodes proposées pour le calcul et le dimensionnement des structures renforcées, en particulier dans le cas des dalles en flexion où les efforts sont transmis au renfort composite d'une manière bidirectionnelle. <br /><br />Dans ce contexte, un protocole expérimental a été mis au point afin d'évaluer les performances des diverses théories développées pour prédire la rupture des composites. Cette étude a démontré l'efficacité du critère de Tsai-Wu à prédire la résistance du composite stratifié carbone/époxy étudié. <br /><br />Dans un second temps, nous avons élaboré une procédure théorico-expérimentale portant sur l'évaluation du gain en résistance des dalles renforcées par matériaux composites ainsi que les paramètres influençant le comportement en rigidité. L'ensemble des résultats a mis clairement en évidence l'influence du composite en particulier sur la capacité portante de la dalle qui peut être augmentée jusqu'à cinq fois.<br /><br />L'analyse des modes de rupture obtenus expérimentalement confirme que la ruine de la structure se produit essentiellement par poinçonnement. En conséquence, notre travail s'est orienté vers l'analyse du comportement des dalles renforcées vis-à-vis du poinçonnement. Parmi les différents modèles proposés pour prédire la résistance au poinçonnement des dalles BA, les prédictions du modèle de Menètrey approchent le mieux les valeurs expérimentales. La dernière partie de l'actuel travail concerne la modification du modèle de Menétrey afin de considérer l'effet du composite sur la résistance des dalles renforcées au poinçonnement.

Ce travail vise à améliorer la compréhension et la modélisation de la rupture des matériaux métalliques à gradient de propriétés. L'application se fait sur des pignons en acier 20MnB5 carbonitrurés insérés dans un "recliner", mécanisme de sécurité des siègesautomobiles. Le traitement de carbonitruration consisteà enrichir en carbone et azote une couche externe despièces en les chauffant dans le domaine austénitiquedans une atmosphère riche en ces deux éléments. Puisles pièces sont trempées afin de déclencher unetransformation martensitique. On obtient ainsi unmatériau à gradient de propriétés, intéressant pour despièces de transmission de puissance comme lesengrenages. Ce projet a commencé par l’analyse de larupture de mécanismes de sièges en test industriel. Celaa confirmé le double comportement à rupture binaire dumatériau : fragile sur une couche externe, ductile àl’intérieur. Un banc d’essai, spécialement conçu pour ceprojet, soumet une dent à un effort latéral jusqu’àrupture complète. Des observations in situ sonteffectuées et la courbe force-déplacement estenregistrée, montrant la diversité de comportement enfonction de la profondeur d'engagement des dents et dela présence ou non de la couche carbonitrurée. Desessais de traction, de flexion 4 points et de cisaillementsur éprouvettes papillons sont utilisés pour mesurer lespropriétés plastiques et calibrer les critères de rupturede la couche carbonitrurée comme de l'acier de base. Laplasticité de Von Mises avec une loi d'écrouissagesimple rend très bien compte de tous ces essaismécaniques. Différents critères de rupture ductile issusde la littérature sont calibrés; ils ne parviennent pas àreprésenter correctement tous les essais réalisés.Un critère plus adapté est donc proposé enconclusion de cette campagne expérimentale. Lasimulation de la rupture dans LS-Dyna est réaliséeavec une technique d'érosion d'éléments dont leslimitations sont discutées. La comparaison avec larupture de dent expérimentale permet d'évaluer lescritères numériques identifiés et d'analyser leslimites actuelles de la simulation, en particulier lanécessité de prendre en compte plus finement àl'avenir le gradient de propriétés mécaniques ainsique les contraintes résiduelles de compression dela couche carbonitrurée. / This work aims at a better understanding and modeling of the failure of gradient metallic materials. It is applied to carbonitrided pinions made out of 20MnB5 steel, inserted in a "recliner", a safety mechanism of automotive seats. Carbonitriding induces high surface hardness while preserving significant core ductility. The experimental analysis of the fracture behavior of seat recliners in an industrial test confirmed the dual failure behavior of the component : brittle external layer, ductile core material. A test bench has been specifically designed for the project: one tooth is submitted to a lateral force until complete failure. In situ observations are performed and the load-displacement curve recorded, showing a variety of behaviors as a function of the teeth engagement depth and of the presence or not of the carbonitrided layer. Experimental tests with various tress states were conducted to measure plastic properties as well as to calibrate fracture criteria, for the carbonitrided layer and for the core steel. Von Mises plasticity and a simple strain hardening curve fit very well all these experiments. As fracture criteria from the literature were unable to predict failure correctly for all the mechanical tests, an adapted criterion has therefore been proposed as an outcome of this extensive mechanical testing campaign. Fracture simulation in LS Dyna has been performed using the element erosion technique, the limitations of which are discussed. Comparison with the experimental tooth fracture measurements allows evaluation of the proposed failure criteria, and enables to stress out and discuss the present limits of the simulation, concluding that it will be necessary in future work to account more finely for the mechanical property gradient together with the compressive residual stresses in the carbonitrided layer.

L'utilisation des structures sandwichs composées d’âme en nid d'abeilles et de peaux a considérablement augmenté ces dernières années dans plusieurs secteurs industriels tels que l’aéronautique, l’aérospatiale, le navale et l’automobile. Cet intérêt croissant pour ces matériaux alvéolaires est principalement lié à leur faible densité et meilleur rapport masse/rigidité/résistance en comparaison avec les alliages métalliques ou les matériaux composites classiques. Cependant, leur constitution rend souvent les opérations de mise en forme par usinage compliquées et difficile à mener à cause de l’usure prématurée des outils coupants et l’endommagement important induit en subsurface des pièces. En effet, les vibrations importantes des parois minces du nid d’abeilles sont une source de plusieurs problèmes comme la mauvaise qualité des surfaces usinées, les fibres non coupées, délaminage, défauts, etc. Les travaux de cette thèse s’intéressent à la compréhension du comportement des structures nids d’abeilles composite (Nomex®) et métallique (aluminium) en usinage. L’enlèvement de matière par fraisage présente pour ces matériaux plusieurs verrous scientifiques et technologiques. Une analyse expérimentale a permis d’identifier dans un premier temps les phénomènes physiques mis en jeu lors de la formation des copeaux et les interactions entre les arêtes de coupe et les parois minces des cellules de la structure alvéolaire. Un intérêt particulier a été porté sur la caractérisation des défauts induits dans le matériau par les différentes parties composant la fraise, le déchiqueteur et le coteau. Deux protocoles expérimentaux ont été mis en place afin de qualifier la qualité et l’intégrité des surfaces usinées. Ils tiennent compte de la particularité des âmes en nid d'abeilles : composite ou métallique, leur géométrie alvéolaire, leur densité et l’épaisseur fine des parois. Un nouveau critère de qualité a été établi et proposé en tant qu’indicateur d’endommagement pour le suivi de l’état des surfaces alvéolaires fraichement usinées. Basée sur l’analyse statistique de Taguchi, une hiérarchisation des paramètres d’usinage et leur influence sur le comportement de ces matériaux ont été ensuite réalisées. Par ailleurs, l’usure des outils de coupe a été étudiée selon le couple outil-matériau usiné et les conditions de fraisage choisies. Comme l’a montré l’étude expérimentale, l’optimisation des paramètres d’usinage via une approche expérimentale seule est souvent longue et coûteuse. La simulation numérique peut apporter une aide complémentaire et constituer un outil intéressant pour l’analyse de la physique de la coupe des nids d’abeilles. Dans cette optique et en deuxième partie de la thèse, un modèle numérique par éléments finis a été spécifiquement développé pour la simulation du fraisage 3D des matériaux nids d’abeilles. Pour le Nomex®, deux lois de comportement mécanique couplées avec l’endommagement ont été identifiées et implémentées via la subroutine VUMAT dans Abaqus explicit. Pour simuler la formation des copeaux, deux critères de rupture (Hashin et Tsai-Wu) avec chute de rigidité ont été exploités. Les résultats du calcul numérique et ceux des essais expérimentaux ont montré une bonne concordance en termes de mécanismes de formation des copeaux, d’efforts de coupe et de modes d’endommagement / The use of sandwich structures made with honeycomb core and skins has considerably increased these last years in several industrial sectors such as aeronautics, aerospace, naval and automotive. This growing interest for the alveolar materials is mainly related to their low density and better mass/stiffness/strength ratio compared to metal alloys or conventional composites. However, their constitution makes machining operations complicated and difficult to control because of the premature cutting tool wear and the significant damage induced in the workpiece. In fact, the important vibrations of the thin honeycomb walls are a source of several problems such as the poor surface quality, uncut fibers, delamination, defects, etc. This work deals with the understanding of the honeycomb composites behavior and metallic during machining. The material removal process by milling of these materials presents several scientific and technological challenges. Firstly, an experimental analysis has been used to identify the physical phenomena involved during the chip formation process and generated by the interactions between the cutting edge and the honeycomb cell walls. A particular interest was focused on the characterization of defects induced in the material by different parts of the cutter, the shredder and the saw blade. Two experimental protocols have been set up to qualify the quality and integrity of the machined surface. They consider the particularity of the honeycomb cores: composite or metallic, their geometry, and the thin wall thickness. A new quality criterion has been established and proposed as a damage indicator to monitoring the machining process and choice optimal cutting conditions. Based on Taguchi's statistical analysis, a hierarchy of the machining parameters and their influence on the behavior of these materials have then realized. In addition, the wear of cutting tools has been studied according to the selected tool-material couple and milling conditions. The optimization of machining parameters is often long and expensive only via experimental approach. Modelling and numerical simulation can provide complementary support with an interesting numerical tool to analyze the physics of cutting honeycombs. In this perspective and in the second part of the PhD thesis, a finite element numerical model has been especially developed for the 3D milling operation. For Nomex®, two coupled mechanical-damage behavior laws have been identified and implemented in Abaqus explicit subroutine VUMAT. To simulate the chip formation process and induced subsurface damage, two fracture criteria (Hashin and Tsai-Wu) with stiffness degradation concept have been operated. The comparison between the numerical simulation results and experimental data shows a good agreement in terms of the chip formation mechanisms, cutting forces and damage modes

Si l'emploi des matériaux composites dans l'aéronautique est déjà effectif sur des éléments de structures principales et de grande taille, leur généralisation aux structures secondaires bute sur leur positionnement en termes de coûts et performances face aux métaux. Il s'agit dans ce travail de contribuer à la mise en place d'une filière française de pièces composites hautes performances à bas coûts en s'appuyant sur un procédé de moulage en grande série, à savoir le thermoformage à haute pression. Ainsi, il a été question dans un premier temps d'optimiser ce procédé vis-à-vis des principales matières rencontrées dans les structures aéronautiques. Ensuite, les stratifiés moulés ont été caractérisés et les effets des conditions environnementales sévères (humidité, température, impact) sur leur comportement mécanique étudiés. Par ailleurs, réduire les coûts des pièces signifie également réduire les coefficients de sécurité qui restent très élevés pour les pièces composites. Cela passe par une meilleure prédictibilité de la rupture des matériaux et du comportement mécanique au-delà du linéaire. Sur le carbone/PEEK satin de 5 pris comme matériau d'illustration, les phénomènes non linéaires (viscoplasticité) ainsi que les mécanismes d'endommagement et de rupture ont été étudiés. Un accent particulier a été mis sur le délaminage et un critère permettant de prédire son amorçage a été proposé. La possibilité de faire des modèles éléments finis des pièces directement à l'échelle mésoscopique (du pli) a été également explorée et laisse entrevoir des pistes prometteuses pour des dimensionnements plus sûrs et donc moins conservatifs. / If the use of composite materials is already effective on elements of main structures and large size parts, their generalization to secondary parts is not effective due to their cost and their performances compared to metals. The framework of this thesis is to contribute to the establishment of a French chain of high performance composite parts at low cost. Thus, it was initially question of optimizing the process vis-à-vis the main composite materials used in the aerospace structures. Then, the molded laminates were characterized and the effects of severe conditions (humidity, temperature, impact) on their mechanical behavior were studied. Also, reduce the cost of parts also means reducing the safety factors which remain very high. This requires a better prediction of the failure and the mechanical behavior beyond the linear. Taking the five harness satin weave carbon/PEEK material as example, non-linear phenomena (viscoplasticity), damage mechanisms and failure criteria were studied, with particular emphasis on the delamination. The possibility to perform finite element analysis of the parts directly at the mesoscopic scale (ply-scale) was also explored and suggests promising expectations for a less conservative sizing of composite structures.