L'objet du présent travail est la modélisation, par simulation numérique, de la tenue mécanique de flasques de sièges automobile obtenus par semi-découpe de tôle d'acier à haute limite élastique. Des essais de compression, de traction et de cisaillement sont mis en place pour étudier l'anisotropie plastique, l'écrouissage, l'endommagement et la rupture. Des essais non proportionnels de cisaillement suivi de traction et de semi-découpe suivie de poinçonnement permettent d'investiguer l'effet de prédéformations, à bas taux de triaxialité des contraintes, sur le comportement du matériau à nouveau sollicité à un taux de triaxialité des contraintes plus élevé. Basé sur les travaux de Xue et Wierzbicki, un critère de rupture permettant de rendre compte des observations expérimentales est proposé et comparé à un modèle d'endommagement de Lemaitre. Le critère de rupture proposé est implanté dans deux logiciels de calcul par éléments finis : le logiciel Forge® dédié à la simulation de la mise en forme et le logiciel LS-Dyna® dédié à la simulation de crash. Dans un premier temps, la mise en forme par semi-découpe est simulée avec Forge®. Dans un second temps, les champs de variables d'état sont transportés du maillage résultat obtenu avec Forge®, vers le maillage d'entrée pour LS-Dyna®. Ensuite les calculs de tenue mécanique sont réalisés avec LS-Dyna®. Les résultats de calculs de tenue mécanique sont enfin comparés à des résultats expérimentaux. Ces résultats expérimentaux sont des essais de mise en forme par semi-découpe suivis d'essais d'arrachement qui reproduisent, en laboratoire, les sollicitations observées sur les pièces industrielles.

Dans le but d’enrichir la modélisation virtuelle d’êtres humains et de mieux comprendre la biomécanique de certaines parties du squelette, ce travail propose une analyse comparative des propriétés histologiques et mécaniques de deux os appendiculaires fonctionnellement opposés : l’humérus et le fémur. La campagne a été réalisée à partir d’échantillons provenant de quatre SHPM embaumés (Sujet Humain Post-Mortem), de sexe masculin. Une étude géométrique en 3D a débuté l’expérimentation. Elle a été suivie par une analyse histomorphométrique de 153 photographies réalisées à partir de la face antéromédiale du cortex diaphysaire, à quatre niveaux de hauteur et à trois niveaux de profondeur. Des essais mécaniques ont ensuite été effectués sur 28 éprouvettes d’os cortical non congelé, provenant du même site anatomique. L’expérimentation s’est déroulée sur machine conventionnelle de traction. Elle comportait des essais en traction/compression et des essais de cyclage en traction dans le domaine élastique, à la vitesse de 0,05 mm/mn, jusqu’à rupture. Une loi d’endommagement a également été élaborée. Ces travaux ont montré que ces deux os offrent un comportement différent. L’humérus s’avère être moins résistant et plus raide que le fémur. Son endommagement intervient plus rapidement. Les valeurs mécaniques relevées sont en rapport avec la densité et la taille des ostéones actifs, ainsi qu’avec les caractéristiques de la porosité Haversienne. Les différences de comportement mécanique relevées s’expliquent par l’adaptation microscopique du tissu osseux cortical aux contraintes subies par un os porteur ou non-porteur. Les variations interindividuelles observées sont fonction de son état physiologique. / With the aim of enriching the virtual modelisation of human beings and understanding better the biomechanics of some parts of the skeleton, this work proposes a comparative analysis of histological and mechanical attributes of two functionally opposed appendicular bones: femur and humerus. The campaign has been done with samples coming from four embalmed PMHS (post mortem human subjects) of the male gender. A 3D geometric study started the experiment. It was followed by an histomorphometric analysis of 153 pictures carried out on the anteromedial face of the diaphyseal cortex at four levels of height and three levels of depth. Mechanical tests were then done on 28 specimens of non frozen cortical bone coming from the same anatomic site. The experiment took place on a conventional traction machine. It consisted of traction/compression tests and cycling tests under traction in the elastic zone, at the speed of 0.05 mm/mn until yield point. A damage law has also been elaborated. These studies have shown that these two bones offer a different behaviour. The humerus bone turns out to be less resistant and stiffer than the femur. It is damaged more quickly. The mechanical values noted are related to the density and the size of active osteons and also to the characteristics of Haversian porosity. The difference of mechanical behavior noticed can be explained by the microscopic adaptation of the cortical bone tissue to the stresses undergone by the bearing and non bearing bones. The inter-individual variations observed are linked to the physiological state of this tissue.

Cette étude s'intéresse au vieillissement thermique d'élastomères synthétiques, amorphes, vulcanisés et additionnés de charges (noir de carbone). Sur la base d'une même formulation matériau, on étudie plus particulièrement, l'impact du procédé initial (conditions de vulcanisation), les conséquences de l'évolution physico-chimique des matériaux sur le comportement mécanique et l'influence d'un chargement mécanique permanent durant le vieillissement. Des caractérisations mécaniques (essais cycliques, relaxations par paliers, essais de compressibilité) et physico-chimiques (suivi des variation de dimension et de masse, essais de gonflement dans un solvant) sont réalisées afin de quantifier l'impact du vieillissement. Le phénomène dominant étant une augmentation de la densité de réticulation (maturation des ponts polysulfures en ponts disulfures ou monosulfures). D'une manière générale la partie expérimentale a permis de formuler un certain nombre d'hypothèses (isotropie, insensibilité de certaines caractéristiques physiques aux vieillissement, etc.) qui ont guidé le développement d'un modèle multiphysique. Ce modèle s'appuie sur une approche thermo-chimio-mécanique formulée dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles avec introduction de variables internes afin de traduire d'une part les non-linéarités de comportement de ce type de matériau (grandes déformations, viscoélasticité non-linéaire et effet Payne), et d'autre part de décrire l'évolution physico-chimique du réseau macromoléculaire (qui dépend de la température et de l'état mécanique). Cette modélisation a permis d'introduire un couplage réciproque entre les états physico-chimique et mécanique / This study mainly concerns the thermal aging phenomenon in amorphous synthetic rubbers, initially vulcanized and filled with carbon blacks. On the basis of one material formulation, we study: the impact of the process (vulcanization condition), the influence of the chemo-physical evolution of the cross-linked network on the mechanical behavior and the influence of a permanent mechanical load during aging. Mechanical characterizations (cyclic, relaxation and hydrostatic tests) and chemo-physical ones (variation of mass and volume, swelling in solvent) are realized in order to quantify the impact of ageing. The main phenomena observed is an increase of the crosslink density (maturation of polysulfides to monosulfide or disulfide crosslinks). From a general point of view, we can formulate many hypothesis from the experimental characterizations (isotropy, non-dependence of some physical properties on ageing, etc.). For the modeling, we have adopted a themo-chemo-mechanical approach that is based on the thermodynamics of irreversible processes and the introduction of internal variables in order to phenomelogically describe on one hand the nonlinear mechanical behavior at finite strain (nonlinear viscoelasticty, Payne effect, etc.) and on the other hand the chemo-physical evolution of the macromolecular network (which depends on temperature and mechanical state). This approach has permitted to introduce a reciprocal coupling between chemo-physical and mechanical states

L'objectif de ce travail est d'obtenir un outil numérique permettant de simuler et d'optimiser le procédé de mise en forme par compression et frittage de poudres métalliques. La démarche proposée repose sur une étude expérimentale du comportement des matériaux, une modélisation phénoménologique et l'utilisation du modèle dans un code éléments finis. Une étape de validation des calculs à partir de pièces fabriquées en milieu industriel complète la démarche. La première partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude de poudres métalliques (mélanges fer-graphite et carbure de tungstène-cobalt). Une vaste étude expérimentale a plus particulièrement été entreprise sur le mélange fer-graphite. Les conditions expérimentales à adopter pour obtenir le comportement intrinsèque du matériau ont été étudiées. Une loi élastoplastique isotrope à une variable d'écrouissage a été ensuite retenue pour simuler la compression d'une pièce de référence complexe. La confrontation entre résultats numériques et expérimentaux montre quelques écarts qui sont discutés. Les déformations au cours du frittage sont étudiées sur les mélanges de poudres de carbure de tungstène et de cobalt à partir d'essais de dilatométrie. Les résultats expérimentaux ont permis d'identifier les paramètres d'une loi phénoménologique simple. La seconde partie de ce travail est consacrée à l'étude de pâtes d'hexaferrite de strontium destinées à la fabrication d'aimants permanents. Le comportement du matériau a été étudié sous diverses sollicitations mécaniques et thermiques. Nous avons montré que la simulation de la compression d'un segment ferrite à partir d'une approche monophasique était mal adaptée parce qu'elle n'était pas suffisamment représentative des phénomènes observés. Enfin les retraits anisotropes au cours du frittage ont été calculés à partir d'un modèle thermoélastique. L'agrément obtenu entre les résultats numériques et expérimentaux valide les calculs proposés.

L'objectif de cette thèse était de développer et de caractériser la microstructure et les propriétés mécaniques des céramiques bio-inspirées. L'alumine inspirée par la nacre fabriquée par texturation à la glace (freeze-casting), précédemment développée dans le cadre de la thèse de F. Bouville, a été choisie comme matériau de référence. La simplification et le changement d’échelle du procédé d’élaboration des matériaux ont été étudiés. Le procédé sophistiqué de freeze-casting a été remplacé par le pressage uniaxial à cru. Les mesures de diffraction des électrons rétrodiffusés ont confirmé le bon alignement après frittage des plaquettes d'alumine utilisées pour préparation du matériau. Le cycle de frittage assisté par effet de champs a été adapté à de plus grandes quantités de poudre céramique et d'additifs organiques. La deuxième partie du projet a été consacrée à la modification de l'interphase entre les plaquettes d'alumine, afin d’améliorer les propriétés mécaniques du matériau. Diverses possibilités ont été explorées: ajout de poudre de zircone, dépôt de zircone sur les plaquettes par réaction sol-gel ou substitution de la phase vitreuse par du graphène. Tous les matériaux obtenus ont été caractérisés par flexion quatre points sur des barrettes entaillées. La troisième partie de cette étude a porté sur le développement de composites multicouches métal/céramique, par frittage simultané d'alumine et de titane. L'épaisseur et la composition de la feuille de titane ont été modifiées pour étudier leur influence sur les phénomènes de diffusion lors du frittage. Les composites ont été caractérisés par MEB, EBSD, spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie et tomographie à rayons X au synchrotron. La fabrication simplifiée des matériaux permet de préparer des échantillons de plus grandes dimensions de céramiques inspirées par la nacre, sans passer par une étape de freeze-casting. Cependant, la croissance des grains doit être limitée pour maintenir de bonnes propriétés mécaniques. La modification de l'interphase entre les plaquettes d'alumine n'a pas amélioré les propriétés mécaniques des matériaux par rapport au matériau de référence. D'autre part, le dépôt de nano-zircone sur la surface des plaquettes semble prometteur et devrait faire l'objet d'études plus poussées. Dans le cas des composites alumine/titane, les composites architecturées multiéchelles ont été fabriqués de manière assez simple. Cependant, il est crucial d'éviter la fissuration des feuilles de métal afin d’améliorer les propriétés mécaniques. / The goal of this thesis was to develop and characterize the microstructure and the mechanical properties of bioinspired ceramic composites. Nacre-like alumina fabricated by freeze-casting previously developed in Bouville thesis was chosen as a reference material. Simplifying and up-scaling material fabrication was intended. Architectural levels were added to the microstructure to further improve mechanical properties of the material. Sophisticated processing by freeze-casting was substituted by uniaxial pressing. Electron backscatter diffraction observations confirmed the good alignment of alumina platelets used to prepare the material. The field assisted sintering cycle was adapted to greater quantities of ceramic powder and organic additives. The second part of the project was dedicated to the modification of the interphase between alumina platelets. Various possibilities were explored: adding fine zirconia powder, depositing zirconia on the platelets by sol-gel reaction, or substituting the glassy phase by graphene. All obtained materials were characterized by four point bending on notched bars. The third part of this study was focused on the development of multilayered metal/ceramic composites, by simultaneous sintering of alumina and titanium. The titanium foil thickness and composition were varied. The composites were characterized by SEM, EBSD, energy dispersive X-ray spectroscopy and synchrotron X-ray tomography. Detailed microstructural and chemical characterization was performed to understand mechanisms of titanium diffusion into ceramic matrix. Simplified material fabrication allows to prepare larger samples of nacre-like ceramics. However grain growth should be limited to maintain good mechanical properties. Modification of the interphase between alumina platelets did not improve mechanical properties of the materials as compared to the reference material. On the other hand, depositing nano-zirconia on platelets surface seems promising and should be further investigated. In case of alumina/titanium composites, a multiscale architecture composites were process in a rather simple way. However, avoiding metal foil cracking is crucial to improve mechanical properties.

La mise en oeuvre des constructions en terre est basée sur le principe de compactage de matrices argilo-sableuses optimisées en fonction de la teneur en eau et de la granulométrie du mélange. Malgré les possibilités constructives de ce matériau, il n'en reste pas moins que la science de celui-ci est grandement empirique. Ces travaux ont pour objectif de comprendre les processus intrinsèques de ce matériau et surtout sa cohésion, concept important mais difficilement mesurable pour qui veut parler de la tenue d'un mur. Cette évolution de cohésion interne a été étudiée sur un matériau modèle constitué de sable d'Hostun et de kaolinite. Les éprouvettes ont été fabriquées pour des ratios pondéraux kaolinite / sable de 5, 10, 15 et 25%, à teneur eau W légèrement supérieures aux « limites de plasticité » sur matériau total (10 < W < 20 %) puis séchées jusqu'à équilibre avec l'atmosphère ambiante (W résiduelle < 2%). Les évolutions de cohésion et d'angle de frottement interne (paramètres de Mohr-Coulomb) ont été mesurées par essais de cisaillement à la presse triaxiale associés à des essais en compression simple et cisaillement direct. La résistance mécanique à la rupture augmente avec le pourcentage d'argile mais il semble exister un seuil entre 15 et 25 % massique de kaolinite au delà duquel les comportements macroscopiques se modifient. À ces macro-observations sont ajoutées des analyses d'images 2D-3D permettant de visualiser et de « cartographier » la répartition de chaque phase : sable / argile / macropores. De plus, ces observations permettent de comprendre les arrangements particulaires de la matrice argileuse (anisotropie de matrice) démontrant ainsi qu'il existe des mécanismes permettant l'organisation de la kaolinite autour des macropores et la formation de « ponts» argileux entre les grains de quartz. L'ensemble de ces mécanismes génère, à leur échelle, une force de cohésion qu'il est possible d'estimer théoriquement par une re-décomposition de l'ensemble des forces, de la mécanique aux forces électrochimiques.

De nouvelles approches physiques concernant les mécanismes d'endommagement consistent à considérer le phénomène de rupture comme le point critique d'une transition de phase. La rupture peut alors se traduire pour certains matériaux par une percolation de microfissures. Cette multi-fissuration implique le choix de matériaux hétérogènes. Des essais mécaniques sur mousses polymères solides sont conduits jusqu'à rupture, couplés au suivi de l'activité acoustique. Les distributions des énergies révèlent des lois de puissance indépendamment de la densité du matériau, du mode de chargement ou des lois de comportement. En revanche, la conformité à une loi de puissance des intervalles de temps semble exiger une contrainte quasi constante sur la plus grande partie de l'essai. L'allure de l'énergie cumulée dans le cas d'essais de fluage semblerait présenter une loi de puissance sur une plage de temps restreinte. En revanche, pour les essais de traction, aucune loi de puissance n'est observée.

Les alliages à mémoire de forme (AMF) font partie des matériaux qui ont besoin d'une caractérisation de leur comportement sous sollicitations dynamiques afin de pouvoir être intégrés dans des solutions de conception de structures prévues pour l'absorption d'énergie ou pour subir de grandes déformations à des régimes de vitesses équivalents à des impacts. Même si les phénomènes mis en jeu dans ce type de matériau commencent à être maîtrisés, la caractérisation de leur comportement en dynamique est un point qui nécessite encore beaucoup d'études d'approfondissement. Leurs propriétés singulières et leur bonne capacité d'absorption d'énergie font d'eux de bons candidats à l'application dans des technologies innovantes et motivent la poursuite de leur étude. Ces travaux de thèse présentés dans ce manuscrit portent sur un AMF à base de Nickel-Titane (NiTi).Les deux propriétés singulières principales des AMF sont la superélasticité (ou pseudo-élasticité) et l'effet mémoire. La propriété sur laquelle cette étude se concentre est la superélasticité : celle-ci correspond à une transformation martensitique activée par une sollicitation mécanique.Afin de pouvoir caractériser le NiTi pour des applications soumises à des impacts ou à des sollicitations dynamiques, il est nécessaire de pouvoir, dans un premier temps, observer la transformation martensitique pour ces régimes et de tenir compte de ces résultats pour l'élaboration de lois de comportement.Ces travaux de thèse, essentiellement expérimentaux, s'inscrivent dans la mise en place d'un projet visant à pouvoir prédire le comportement des alliages à mémoire de forme soumis à des sollicitations dynamiques multiaxiales et sont centrés sur trois thèmes : les AMF, les essais de traction dynamique, la corrélation d'image pour les essais aux barres de Hopkinson et pour la mesure de la transformation martensitique des AMF.

L'objectif de cette thèse est de développer de nouveaux textiles biomimétiques pour réaliser des prothèses vasculaires au comportement mécanique proche de celui de l'aorte native, afin de limiter les problèmes post-opératoires observés actuellement. Afin d'établir le cahier des charges, un modèle de comportement de l'AA inspiré d'un modèle multicouches a été ajusté sur des essais biaxiaux de la littérature réalisés sur des échantillons d'AA excisés, pour trois groupes d'âge distincts. Ce modèle a ensuite été implémenté dans un code de calculs par éléments finis afin de simuler le comportement mécanique de l'aorte saine soumise à un ensemble de sollicitations mécaniques, tant à l'échelle du matériau (traction uni et biaxiale, flexion) qu'à celle de la structure (gonflement avec pré-élongation, flexion, compression diamétrale). Dans un second temps, des essais de caractérisation couplés à des mesures par imagerie ont été mis en œuvre sur des prothèses du commerce, avec les mêmes conditions limites et de chargement que les simulations numériques. Ces essais ont permis d'identifier les écarts de comportement mécanique entre les prothèses actuelles et l'aorte native. Afin de pallier à cela, la dernière partie de ce travail a été consacrée au développement de nouveaux textiles biomimétiques, i.e mimant le comportement mécanique de l'aorte native ainsi que ses principales caractéristiques histologiques (« ondulation » et « orientations de fibres privilégiées»), réalisables à l'échelle industrielle par technologie « tricot maille jetée ». Dans un premier temps, le comportement mécanique de plusieurs multifilaments en PET avec différents titres, nombres de filaments et différentes textures, a été étudié après plusieurs traitements (thermique…). Ceci a permis de sélectionner un fil en particulier pour la réalisation des textiles. Par la suite, une première optimisation des paramètres de fabrication (armure, densité de mailles, jauge) a été réalisée pas-à-pas à travers plusieurs campagnes de réalisations et de caractérisations de tricots plans en sollicitation uniaxiale et biaxiale. Enfin, des premiers essais de mise en forme tubulaire ont été réalisés à partir des textiles optimisés. Deux procédés de mise en forme ont été développés : tubes cousus / tubes tramés. La production de « tubes tramés » continus est une technologie innovante à notre connaissance, et prometteuse. Le comportement mécanique des tubes réalisés a été caractérisé en gonflement pour une première évaluation. Plus spécifiquement, l'effet des procédés appliqués sur les textiles médicaux (lavage, traitement thermique, enduction) a été testé sur des échantillons de tube tramé et de textiles plans. Ces premiers essais ont montré qu'en pilotant les paramètres de ces différents traitements et plus particulièrement ceux du traitement thermique, il est possible de moduler le comportement mécanique des tricots afin qu'il s'approche au mieux de celui de l'AA. / This thesis aims at developing new biomimetic textiles to design vascular prostheses with a mechanical behavior close to the one of the host aorta, in order to reduce current post-operative problems. To define the ideal target properties, a AA mechanical model was chosen, based on a multi-layered model from the literature. The model parameters were adjusted on biaxial tensile data reported in the literature, performed on excised AA samples for three different age groups. Then, this model was implemented in a finite element code in order to simulate the mechanical behavior of the healthy aorta submitted to various mechanical loadings, both at the material's scale (uni- and biaxial tensile tests, bending) and at the structure's scale (inflation with prestretch, bending, diametric compression). Secondly, several commercial prostheses were characterized using dedicated experimental devices combined with image recordings. The prostheses were tested under the same boundary and loading conditions as the ones used in the numerical simulations. These tests showed that the actual prostheses are not fully mechanically compatible with the host aorta. In order to solve this problem, the last part of this work was dedicated to the design of new biomimetic textiles, i.e. mimicking the healthy aorta's mechanical behavior and main histologic properties (“wavy fibres” and “preferred fiber orientations”), which can be produced industrially using “warp knitting” technology. Firstly, the mechanical behavior of several PET yarns made of different titers, filament numbers and textures were characterized after several treatments (thermal, etc.). This step enabled to identify one specific yarn to produce the biomimetic textiles. Then, a first optimization of the manufacturing parameters (weave, gauge, density, etc.) was made step by step by means of several textile production and planar tests (uni- and biaxial tensile tests). Finally, several trials were conducted to design tubular structures from the optimized textiles. Two shaping methods were developed: sewed tubes / weaved tubes. The continuously “weaved tubes” production is an innovative and promising technology as far as we know. The mechanical behavior of the new tubes was characterized using inflation tests for a first assessment. More specifically, the effect of the treatments usually applied on medical textiles (cleaning, thermal treatment, coating) was tested on weaved tubes and planar textiles samples. By adjusting the parameters of the several processes - and mostly those of thermal treatments – it was possible to adjust the textiles' mechanical behavior in order to make it the closest to the AA's one.

L'emboutissage est une technique de mise en forme des tôles métalliques. L'emboutissage est généralement suivi par un phénomène de retour élastique de la tôle emboutie. Le phénomène de retour élastique correspond à une modification de la géométrie de la tôle après enlèvement de la charge d'emboutissage. L'écrouissage du matériau est l'un des facteurs les plus importants qui influence ce phénomène. Dans cette thèse, l'écrouissage de différentes tôles dédiées à l'emboutissage a été étudié en utilisant la technique d'indentation instrumentée. Cette technique permet d'obtenir la loi d'écrouissage d'un matériau à partir de la mesure de l'évolution de l'enfoncement d'une bille dans le matériau testé en fonction de l'effort appliqué sur cette bille. Trois aspects essentiels de l'écrouissage ont été étudiés : La variation de la loi d'écrouissage dans l'épaisseur de la tôle, le niveau d'écrouissage atteint par la tôle après déformation plastique et le type d'écrouissage. Le test d'indentation instrumentée a permis de caractériser chacun de ces aspects influençant le retour élastique. Cet outil peut ainsi être utile dans une démarche d'amélioration de la prédiction du phénomène de retour élastique en emboutissage. / Stamping is a forming technique of the metal sheets. Stamping is generally followed by a springback phenomenon of the stamped sheet metal. The phenomenon of springback corresponds to a modification of the geometry of the sheet after removal of the load. One of the most important factors influencing springback is the work-hardening of the material. In this thesis, the work-hardening of different sheet metals used for stamping process was investigated using the instrumented indentation technique. This technique allows obtaining the work-hardening law of a material from the measurement of the evolution of the penetration depth of a ball in the tested material as a function of the applied force on the ball. Three major aspects of the work-hardening were studied: The variation of the work-hardening law in the thickness of the sheet, the level of work-hardening obtained after plastic deformation and the type of the work-hardening. The instrumented indentation test allows characterizing each of these aspects influencing springback. This tool can thus be useful in a process of improving the prediction of the springback phenomenon in stamping.