Le soudage multipasse est mis en œuvre pour recharger des tuyauteries présentant localement des sous-épaisseurs. La simulation numérique facilite le choix des nombreux paramètres de soudage. La réduction des modèles permet d'accélérer ces choix. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés aux cas pour lesquelles il est difficile de réaliser intégralement la simulation du soudage, faute de temps ou par manque de moyens de calcul. Ce sont des simulations hors d'atteintes. Or, les prévisions manquantes ne permettent pas la mise en œuvre d'une méthode de décomposition orthogonale aux valeurs propres pour extraire une base réduite de modes empiriques à partir des données produites par simulation numérique. Nous proposons donc soit un modèle directionnel bien adapté au soudage, soit une étape d'extrapolation des données de simulations par décalage spatial des prévisions calculées. Ces deux approches sont complémentaires de la méthode d'hyper-réduction, dans laquelle les équations de bilan sont restreintes à un maillage réduit. Ces méthodes permettent de démarrer une simulation numérique du soudage avec un modèle éléments finis, puis de poursuivre cette simulation par un modèle hyper-réduit. Cela évite d'avoir à réaliser de nombreuses études paramétriques et permet de traiter des simulations qui sont hors d'atteintes. Ce mémoire se termine par un chapitre traitant du cas de rechargement d'un tube, pour lequel EDF a mis en œuvre un essai instrumenté. / Multi-pass welding is used to recharge pipes with local sub-thickness. Numerical simulation facilitates the selection of many welding parameters. Reducing the order of models speeds up these choices. In this work, we were interested in cases where it is difficult to carry out the entire welding simulation due to time constraints or lack of calculation means. These computations are called out of reach simulations. However, the missing forecasts do not allow the implementation of a orthogonal decomposition method to extract a reduced basis of empirical modes from the data produced by numerical simulations. To overcome this difficulty, we propose either a directional model well adapted to welding, or a step of extrapolation of the simulation data by spatial shift of the already calculated forecasts. These two approaches are complementary to the hyper-reduction method, in which the balance equations are restricted to a reduced mesh size. These methods allow to start a numerical simulation of welding with a finite element model, then to continue this simulation with a hyper-reduced model. This avoids the need for numerous preliminary parametric studies and allows simulations that are out of reach. This manuscript ends with a chapter dealing with the case of reloading a tube, for which EDF has carried out an instrumented test.

Ce travail traite de la formulation de l'elastoplasticite anisotrope en grandes déformations. Un formalisme général, en référentiel tournant, permettant de décrire tout type d'anisotropie est présenté et étudié. Les différentes théories des grandes déformations ont été situées dans ce cadre, elles se distinguent par leur façon de définir l'évolution du référentiel tournant. Les différentes façons de choisir un référentiel tournant sont étudiées: - Choix cinématique a priori: différents référentiels cinématiques sont proposes et analyses; - Proposition d'une loi d'évolution: théorie de la rotation plastique; - Détermination a partir de la microstructure: quelques matériaux modèles sont développes. L'influence du choix du référentiel tournant est étudiée dans des cas de sollicitations simples telles que le cisaillement simple, la traction hors axes et la torsion. D'une manière générale, une cinématique bidimensionnelle est proposée et analysée. Le comportement rigide plastique avec critère de Hill et écrouissage isotrope est détaillé.

Dans la conception et la fabrication des structures, l'assemblage des composants est une étape cruciale en termes de durabilité et de fiabilité. Les techniques l'assemblage dites mécaniques telles que le boulonnage, le rivetage et le soudage entre autres, ont longtemps été celles traditionnelles. Toutefois, les avancées dans l'étude et l'analyse de la fissuration au sein des matériaux ont permis de mettre en évidence certains de leurs inconvénients en tant que cause de rupture de ces structures à travers les concentrations de contraintes localisées et/ou l'altération mécanique ou thermique des propriétés locales des pièces assemblées. Ainsi, des techniques alternatives tel que le collage structural ont été développées permettant de s'affranchir ou plutôt de réduire ces effets indésirables lors de l'assemblage, pour le peu que le processus soit bien maîtrisé. Parmi les avantages les plus connus, le collage permet d'une part une meilleure transmission et répartition des efforts à l'interface réduisant ainsi l'endommagement en fatigue et augmentant la durée de vie de l'assemblage, et d'autre part, de conserver l'intégrité des pièces à assembler. D'autres avantages proviennent également de la conception des adhésifs structuraux qui, après l'application de traitements physico-chimiques permettent d'ajouter des propriétés thermiques, acoustiques et d'étanchéité.Malgré ces avantages, le collage souffre d'une réputation de non fiabilité due aux manques d'outils de prédiction du comportement des joints collés. En effet, les paramètres qui influent sur le comportement de l'interface sont nombreux et sont souvent sources de variabilité sur la résistance du joint de colle. L'étude de cette ténacité des joints d'adhésif s'effectue grâce à des essais de fissuration selon différents modes de rupture qui cherchent à mesurer l'énergie de fissuration de l'assemblage. La connaissance de cette énergie permet d'être prédictif dans la plupart des cas sur la propagation des fissures pour le peu que nous soyons en mesure de décrire et de prédire le comportement de l'interface.D'un point de vue numérique, de nombreuses techniques et formulations de loi de comportement ont été proposées dans un souci de reproduire le comportement de l'interface au sein des assemblages. Parmi ces dernières, celle des lois de zone cohésive semble être une voie des plus prometteuses en terme de modélisation et de simulation des interfaces par son caractère local et discret. Parmi les avantages qu'elles procurent demeurent la prise en compte intrinsèque de l'endommagement et des phénoménologies du comportement du joint collé. En outre, de nombreuses études ont été entreprises pour identifier ces lois de zone cohésive en comparant des observations issues d'essais de fissuration et des sorties de modèle où elles sont utilisées. Cette identification se fait au moyen d'algorithmes itératifs de minimisation d'une fonction coût qui mesure la métrique entre observations et sorties de modèles. Toutefois, peu d'importance est attachée d'une part, aux sensibilités des techniques de mesure employées par rapport aux paramètres de loi de zone cohésive, et d'autre part, sur les incertitudes associées aux paramètres de loi de zone cohésive identifiés. À notre connaissance, aucun travail sur ces deux derniers aspects n'a été mené et constitue ainsi le principal propos de ce mémoire de thèse. [...] / In the design and manufacture of structures, assembly of components is a crucial step in terms of durability and reliability. Mechanical assembly techniques such as bolting, riveting and welding, among others, have long been traditional. However, advances in the study and analysis of cracks within materials have made it possible to highlight some of their disadvantages as a cause of rupture of these structures through localized stress concentrations and / Mechanical or thermal alteration of the local properties of the assembled parts. Thus, alternative techniques such as structural bonding have been developed which make it possible to eliminate or rather reduce these undesirable effects during assembly, for the little that the process is well controlled. Among the best known advantages, bonding allows, on the one hand, a better transmission and distribution of forces at the interface, thus reducing fatigue damage and increasing the service life of the assembly and, on the other hand, maintain the integrity of the parts to be assembled. Other advantages also arise from the design of structural adhesives which, after the application of physicochemical treatments, make it possible to add thermal, acoustic and sealing properties.Despite these advantages, bonding suffers from a reputation for unreliability due to the lack of tools for predicting the behavior of bonded joints. Indeed, the parameters which influence the interface behavior are numerous and are often sources of variability on the strength of the bonded joint. The study of this toughness of the adhesive joints is carried out by means of crack tests according to different modes of fracture which seek to measure the assembly crack energy. The knowledge of this energy makes it possible to be predictive in most cases on cracks propagation for the little that we are able to describe and predict the interface behavior.From a numerical point of view, numerous techniques and formulations of interface law have been proposed in order to reproduce the interface behavior within the assemblies. Among the latter, that of the cohesive zone laws seems to be one of the most promising ways in terms of modeling and simulation of the interfaces by its local and discrete character. Among the advantages that they provide are the intrinsic consideration of damage and behavior phenomenologies of bonded joint. In addition, numerous studies have been undertaken to identify these cohesive zone laws by comparing observations from crack tests and model outputs where they are used. This identification is done by means of iterative minimization algorithms of a cost function which measures the metric between observations and models outputs. However, little importance is attached, on the one hand, to the sensitivities of the measurement techniques used in relation to the cohesive zone law parameters and, on the other hand, to the uncertainties associated with the identified cohesive zone law parameters. To our knowledge, no work on these two aspects has been conducted and is thus the main purpose of this thesis. [...]

L'objectif de ce travail est de proposer un modèle de comportement avec endommagement ductile pour la simulation des procédés de mise en forme de tôles minces qui peut bien représenter le comportement des matériaux sous des trajets de chargement complexes en grandes déformations plastiques. Basé sur la thermodynamique des processus irréversibles, les équations de comportement couplé à l’endommagement tiennent compte des anisotropies initiales et induites, de l’écrouissage isotrope et cinématique et de l’endommagement isotrope ductile. Les effets de fermeture des microfissures, de triaxialité des contraintes et de l’angle de Lode sont introduits pour influencer l’évolution de l’endommagement sous une large gamme de triaxialité des contraintes. La distorsion de la surface de charge est introduite via un tenseur déviateur qui gouverne la distorsion de la surface de charge. A des fins de comparaison, les courbes limites de formage sont tracées basées sur l’approche M-K.Des essais sont conduits sur trois matériaux pour les besoins d’identification et de validation des modèles proposés. L’identification utilise un couplage entre le code ABAQUS et un programme MATLAB via un script en langage Python. Après l’implémentation numérique du modèle dans ABAQUS/Explicite et une étude paramétrique systématique, plusieurs procédés de mise en forme de structures minces sont simulés. Des comparaisons expériences-calculs montrent les performances prédictives de la modélisation proposée / The objective of this work is to propose a “highly” predictive material model for sheet metal forming simulation which can well represent the sheet material behavior under complex loading paths and large plastic strains. Based on the thermodynamics of irreversible processes framework, the advanced fully coupled constitutive equations are proposed taking into account the initial and induced anisotropies, isotropic and kinematic hardening as well as the isotropic ductile damage. The microcracks closure, the stress triaxiality and the Lode angle effects are introduced to influence the damage rate under a wide range of triaxiality ratios. The distortion of the yield surface is described by replacing the usual stress deviator tensor by a ‘distorted stress’ deviator tensor, which governs the distortion of the yield surfaces. For comparisons, the FLD and FLSD models based on M-K approach are developed.A series of experiments for three materials are conducted for the identification and validation of the proposed models. For the parameters identification of the fully coupled CDM model, an inverse methodology combining MATLAB-based minimization software with ABAQUS FE code through the Python script is used. After the implementation of the model in ABAQUS/Explicit and a systematic parametric study, various sheet metal forming processes have been numerically simulated. At last, through the comparisons between experimental and numerical results including the ductile damage initiation and propagation, the high capability of the fully coupled CDM model is proved

L’objectif de ce travail est de développer une modélisation prédictive du comportement et de la rupture ductile des matériaux métalliques à anisotropies initiales et induites par l’endommagement. La thermodynamique des processus irréversibles est utilisée comme cadre pour la formulation proposée. Le modèle de comportement est élastoplastique anisotrope avec écrouissage non linéaire isotrope et cinématique en grandes déformations plastiques, avec une théorie non associée à normalité associée, basée sur des normes de contraintes quadratiques. L’endommagement ductile anisotrope est décrit par un tenseur du second ordre symétrique dont l’évolution est décrites par des relations de type Lemaitre-Desmorat. Le couplage fort comportement-endommagement est réalisé dans le cadre de l’hypothèse de l’équivalence en énergie totale où l’effet de l’endommagement sur le comportement est introduit par un tenseur « effet d’endommagement » d’ordre quatre symétrique de type Murakami. Après une caractérisation expérimentale des mécanismes physiques de l’endommagement dans l’acier AISI 316L, le modèle de comportement avec endommagement a été identifié. Une fois discrétisé et implémenté dans le code de calcul de structures ABAQUS/Explicit®, une étude paramétrique et de nombreuses simulations numériques de l’endommagement anisotrope en mise en forme de quelques structures ont été réalisées et discutées en détail / The objective of this work is to develop a predictive modeling of behavior and ductile fracture of metallic materials with initial anisotropy and induced by the ductile anisotropic damage. Thermodynamics of irreversible processes is used as a framework for the proposed formulation. The model is anisotropic elastoplastic with non-linear isotropic and kinematic hardening under large plastic strains. It is formulated in the framework of the non-associative plasticity theory with associative normality rule and based on quadratic equivalent stress. The anisotropic ductile damage is described by a symmetric second-rank tensor whose evolution is described by Lemaitre /Desmorat type relationships. The strong damage-behavior coupling is done under the assumption of total energy equivalence where the effect of the anisotropic damage is introduced by a fourth-rank symmetric damage-effect tensor of Murakami kind.After an experimental characterization of the main physical mechanisms of anisotropic damage in stainless steel AISI 316L, the behavior model with damage has been identified. Once discretized and implemented in the computer code ABAQUS / Explicit ®, a parametric study and many numerical simulations of anisotropic damage in some metal forming processes have been carried out and discussed in detail

L'industrie se tourne de plus en plus vers les matériaux composites. A l'échelle de la microstructure leur comportement est fortement hétérogène mais à l'échelle de la structure ceux-ci peuvent être considérés homogène. Les méthodes multi-échelles ont été développées pour résoudre les problèmes de structure avec un temps de calcul raisonnable. Ces méthodes sont validées par comparaison avec un calcul numérique où les hétérogénéités sont entièrement maillées. Dans ce travail de thèse, une structure architecturée modèle a été créée au centre d'une plaque (homogène) mince en acier inoxydable (304L). La cellule unitaire du matériau architecturé est constitué d'un carré avec un trou au centre. L'utilisation d'une caméra à très haute résolution (270 millions de pixels) permet de suivre simultanément l'évolution des déformations aux échelles microscopique et macroscopique. La variation de l'orientation de la structure architecturée modifie les sollicitations appliquées aux cellules unitaires. Les expériences réalisées ont pour but d'analyser les cinématiques de déformation des cellules unitaires sous un chargement multi-axial. La recherche des cellules ayant une cinématique périodique est réalisée. Il est ainsi montré que les cellules avec une cinématique non périodique correspondent à la zone de transition entre le matériau architecturé et le matériau homogène. La connaissance des cinématiques des cellules permet d'investiguer les changements d'échelles dans le domaine linéaire et non-linéaire. Le passage de l'échelle macroscopique à l'échelle microscopique est particulièrement étudié avec le choix des conditions aux limites. Le remplacement des cellules ayant une cinématique périodique par un milieu homogène équivalent (MHE) est traité. La géométrie de la cellule unitaire introduit des symétries dans le comportement du MHE, celui-ci devient cubique. Les caractéristiques élastiques du MHE sont obtenus par homogénéisation à partir des résultats expérimentaux. Un critère de Tsaï-Hill est identifié dans le domaine non-linéaire. Le dernier chapitre s'intéresse à la fissuration de la zone architecturée et à l'initiation de la localisation des déformations dans les cellules. Le support de la localisation est calculé à partir du champ des déformations mesuré par CIN. La cinématique de la cellule est enrichie avec une discontinuité et le saut de déplacement normal à la localisation est identifié. Une comparaison avec le saut de déplacement calculé par corrélation d'images étendue à l'échelle macroscopique est menée afin de valider la stratégie d'identification à l'échelle microscopique. / Industry employ more and more composite materials in structures todecrease the weight. At the microstructure scale behavior is strongly heterogeneous but at the structure scale behaviour may be considered homogeneous. Multiscale methods have been developed to solve the structural problems with a reasonable calculation time. These methods are validated by comparison with a numerical calculation where heterogeneities are fully meshed. In this thesis work, an ideal architectural material was created in the center of a (homogeneous) stainless steel (304L) thin plate. The unit cell architecture material consists of a square with a hole in the center. The use of a high resolution camera (270 million pixels) allows to follow simultaneously the evolution of deformation at microscopic and macroscopic scales. The orientation of the heterogeneous structure modifies the sollicitations applied to the unit cells. The experiments are designed to analyze the kinematics of deformation of the unit cells in a multi-axial loading. Unit cells with periodic kinematics are searched. It is thus shown that the cells with a non-periodic kinematic correspond to the transition zone between the homogeneous material and the architectured material. Knowledge of the kinematic cells allows to investigate the scale changings in the linear and nonlinear range. The downscaling from the macroscopic to the microscopic scale is particularly studied with the choice of boundary conditions. An equivalent homogeneous medium (MHE) is determined as a remplacement for the cells having a periodic kinematic. The geometry of the unit cell introduced symmetries in the behavior of MHE, it becomes cubic (orthotropic with material parameters). The elastic characteristics of the MHE are obtained by homogenization from the experimental results. A criterion of Tsai-Hill is identified in the non-linear domain. The last chapter is interested in cracking of the architected zone and the initiation of strain localization in cells. The support of location is calculated from the strain field measured by correlation. The kinematics of the cell is enriched with a discontinuity and the displacement jump normal to the localization is identified. A comparison with the displacement jump calculated by extended digital image correlation at the macroscopic scale is conducted to validate the identification strategy at the microscopic level.

La nature est complexe et c’est en toute modestie que les ingénieurs doivent chercher à prédire le comportement des ouvrages dans le sous-sol. La réalisation de projets industriels dans le domaine souterrain, à forts enjeux économiques et sociaux (traversées alpines, stockage de déchets nucléaires), nécessite d’évoluer vers une meilleure compréhension des mécanismes comportementaux des ouvrages à concevoir. Cette amélioration passe par une meilleure représentativité physique des mécanismes macroscopiques et par la mise à disposition d’outils de prédiction adaptés aux attentes et aux besoins des ingénieurs. Les outils de calculs développés dans ce travail s’inscrivent dans cette volonté de rapprocher les attentes de l’industrie et les connaissances liées à la rhéologie des géomatériaux. Ces développements ont ainsi débouché sur la proposition d’un modèle de comportement mécanique, adapté aux roches peu fissurées et assimilables à des milieux continus, intégrant, en particulier, l’effet du temps. Fil conducteur de cette étude, la problématique du sujet de thèse concerne précisément la prise en compte du comportement différé des massifs rocheux dans les modélisations et ses conséquences sur les ouvrages souterrains.Fondé sur des concepts physiques de référence, définis à différentes échelles (macro/méso/micro), le modèle rhéologique développé est transcrit dans un formalisme mathématique dans le but d’être mis en oeuvre numériquement.Les applications numériques proposées s’inscrivent principalement dans le contexte du stockage des déchets radioactifs. Elles concernent deux configurations d’ouvrages rigoureusement différentes : l’excavation du laboratoire souterrain canadien de l’AECL, dans le granite du Lac du Bonnet et le creusement de la galerie GMR du laboratoire de Bure (Meuse/Haute-Marne) dans l’argilite de l’Est. Dans les deux cas, l’utilisation du modèle a permis de mettre en évidence l’apport de la prise en compte du comportement différé sur la représentativité des prédictions numériques du comportement à court, moyen et long termes des ouvrages souterrains / Nature is complex and must be approached in total modesty by engineers seeking to predict the behavior of underground openings. The engineering of industrial projects in underground situations, with high economic and social stakes (Alpine mountain crossings, nuclear waste repository), mean striving to gain better understanding of the behavioral mechanisms of the openings to be designed. This improvement necessarily involves better physical representativeness of macroscopic mechanisms and the provision of prediction tools suited to the expectations and needs of the engineers. The calculation tools developed in this work is in step with this concern for satisfying industrial needs and developing knowledges related to the rheology of geomaterials. These developments led to the proposing of a mechanical constitutive model, suited to lightly fissured rocks, comparable to continuous media, while integrating more particularly the effect of time.Thread of this study, the problematics ensued from the subject of the thesis is precisely about the rock mass delayed behavior in numerical modeling and its consequences on underground openings design.Based on physical concepts of reference, defined in several scales (macro/meso/micro), the developed constitutive model is translated in a mathematical formalism in order to be numerically implemented.Numerical applications presented as illustrations fall mainly within the framework of nuclear waste repository problems. They concern two very different configurations of underground openings: the AECL’s underground canadian laboratory, excavated in the Lac du Bonnet granite, and the GMR gallery of Bure’s laboratory (Meuse/Haute-Marne), dug in argillaceous rock.In this two cases, this constitutive model use highlights the gains to be obtained from allowing for delayed behavior regarding the accuracy of numerical tunnel behavior predictions in the short, medium and long terms