Les travaux que nous présentons dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre des études portant sur le dimensionnement à la fatigue des structures soudées par laser. Ces études sont les résultats d'une collaboration entre PSA Peugeot Citroën et le Laboratoire de Mécanique des Solides de l'école Polytechnique. La technique de soudage par laser devient une méthode d'assemblage de plus en plus utilisée par les constructeurs automobiles, navals, ferroviaires, etc. Elle permet de réaliser des assemblages en utilisant une source laser de forte puissance, donnant des cordons continus plus profonds et de plus faible largeur par rapport à d'autres techniques. Elle améliore donc le temps de soudage, la qualité, les propriétés mécaniques des soudures, et réduit le coût de production et le poids des véhicules. La première partie de cette thèse consiste d'une part à analyser l'influence de certains paramètres du procédé sur la tenue en service des structures soudées par laser, d'autre part en une étude bibliographique sur les méthodes actuelles de dimensionnement des structures soudées. Les limitations de ces dernières ont mis en évidence la nécessité d'une nouvelle méthode pour les structures soudées par laser. La méthodologie proposée s'appuie sur la démarche initiée par Fayard, Bignonnet et Dang Van. Elle se fonde sur la recherche d'un volume élémentaire représentatif et d'une contrainte de dimensionnement déterminée à partir des contraintes moyennées sur ce volume. La contrainte de dimensionnement est utilisée pour estimer la durée de vie à l'amorçage des fissures de fatigue dans les structures soumises à des sollicitations multiaxiales. Pratiquement, dans un calcul d'éléments finis, cette contrainte est déterminée au point critique en utilisant une règle de maillage précise. La deuxième partie de la thèse a pour l'objectif de donner une méthode numérique qui d'une part facilite la mise en oeuvre de la règle de maillage proposée pour les calculs, d'autre part permet la multi-utilisation d'un seul maillage pour des calculs de fatigue et de vibration-acoustique. La solution adoptée est la méthode de calcul multi-échelle Arlequin. Cette dernière permet de calculer les structures modélisées par deux maillages de différentes échelles superposés. Elle présente la facilité d'implémentation et d'utilisation ainsi que la flexibilité, et la possibilité d'automatisation dans la modélisation des structures soudées. Nous présentons dans cette thèse une méthode d'implémentation de la méthode Arlequin dans la plate-forme du code de calcul Abaqus en utilisant des éléments créés par l'utilisateur (User Element). Sa validité est montrée par des calculs en fatigue réalisés sur des sous-structures.

L'objectif de ce travail est de présenter un modèle prédictif de durée de vie à l'amorçage des structures métalliques travaillant en endurance limitée et qui sont soumises à des sollicitations multiaxiales d'amplitude variable. La particularité de ce modèle déterministe réside dans son utilisation possible dans l'industrie qui requiert certaines exigences : modèle prédictif sur structures sans comptage de cycles, d'utilisation simple en termes de données et de rapidité (pas trop de paramètres à identifier, pas trop de données de fatigue utilisées et calcul moins coûteux) et applicable sur une large variété de matériaux métalliques pour tout type de séquences répétées de chargement multiaxial d'amplitude variable. Après une analyse bibliographique des critères proposés dans ce domaine, aucun d'entre eux n'est utilisable dans les bureaux d'études, et ne répond pas complètement aux exigences industrielles. Le modèle est fondé à l'échelle mésoscopique. Il repose sur deux points : (i) le choix de la déformation plastique mésoscopique cumulée du cycle stabilisé "pc s comme variable de dommage avec l'utilisation d'un modèle élastoplastique dépendant de la pression hydrostatique pour son évaluation, (ii) la détermination de la durée de vie à l'amorçage via un facteur d'endommagement dépendant de "pc s et de certains paramètres liés au matériau et au chargement. Le modèle fait intervenir six paramètres identifiables à l'aide d'une courbe de Wöhler et deux limites d'endurance. La validation du modèle est assurée via des essais de fatigue (de la littérature) sous chargement multiaxial d'amplitude constante et variable, réalisés sur cinq matériaux. De bonnes corrélations avec les essais expérimentaux ont été obtenues. Enfin, le modèle est utilisé pour déterminer la durée de vie à l'endurance limitée d'un ressort de suspension d'automobile.

AFIN D'OBTENIR LES PROPRIETES METALLURGIQUES OPTIMALES DU MATERIAU, LES CULASSES AUTOMOBILES EN ALLIAGE D'ALUMINIUM SUBISSENT UN TRAITEMENT THERMIQUE (TREMPE-REVENU) GENERANT D'IMPORTANTES CONTRAINTES RESIDUELLES. LEUR MODELISATION EST NECESSAIRE POUR POUVOIR PREDIRE LA TENUE EN FATIGUE POLYCYCLIQUE. LES CONTRAINTES RESIDUELLES ETANT PILOTEES PAR LA THERMIQUE DE TREMPE, IDENTIFIER L'HISTOIRE THERMIQUE DU REFROIDISSEMENT EST PRIMORDIAL. LES COEFFICIENTS D'ECHANGE H(T), MODELISANT LES TRANSFERTS THERMIQUES AVEC L'EXTERIEUR, DETERMINENT LE REFROIDISSEMENT. LEUR EVOLUTION EST DEFINIE PAR UNE FONCTION ANALYTIQUE SIMPLE DONT LES PARAMETRES SONT RECALES PAR OPTIMISATION A PARTIR DE DONNEES EXPERIMENTALES. UNE FOIS L'HISTOIRE THERMIQUE SIMULEE CORRECTEMENT, LES CONTRAINTES RESIDUELLES SONT OBTENUES SUITE A UN CALCUL MECANIQUE METTANT EN EVIDENCE, DANS LES REGIONS A RISQUE, DES ZONES DE TRACTION DEFAVORABLES A LA TENUE EN SERVICE. LA PRISE EN COMPTE DE CET ETAT INITIAL PERMET ALORS DE CARACTERISER LES ZONES CRITIQUES EXPERIMENTALEMENT OBSERVEES. PAR AILLEURS, AFIN DE RENDRE L'OUTIL OPERATIONNEL EN BE, IL EST NECESSAIRE DE PROPOSER UNE METHODE NUMERIQUE PERMETTANT DE DIMINUER LES DUREES DE SIMULATION POUR LA RESOLUTION D'UN PROBLEME D'EVOLUTION ET POUR LA RECHERCHE DIRECTE DE LA REPONSE STABILISEE D'UNE STRUCTURE SOUMISE A UN CHARGEMENT CYCLIQUE. L'APPROCHE DEVELOPPEE REPOSE SUR LA METHODE A GRAND INCREMENT DE TEMPS ET LA METHODE CYCLIQUE DIRECTE : L'EQUILIBRE GLOBAL, ECRIT SOUS SA FORME RESIDUELLE, EST RESOLU SUR UNE BASE D'ONDELETTES REDUITE. DES GAINS SIGNIFICATIFS EN TEMPS CPU SONT OBTENUS POUR LA RECHERCHE DU CYCLE STABILISE.

Les ruptures des garnitures de forage sont des évènements très coûteux pour l'industrie pétrolière. Dans notre travail, nous nous sommes intéressés aux connexions vissées de la garniture subissant des chargements cycliques pouvant apparaître durant une opération de forage.<br />L'objectif de ce travail est donc d'élaborer une méthodologie de dimensionnement en fatigue qui se base sur une approche multi-échelle :<br />• l'échelle de la garniture de forage dédiée aux calculs de l'historique du chargement (tension, flexion et torsion),<br />• l'échelle de la connexion vissée dédiée à la détermination des cycles du champ de contraintes macroscopiques,<br />• l'échelle du grain de métal dédiée au problème de fatigue.<br />À cause d'un temps de calcul conséquent, l'emploi de la méthode des Éléments Finis ne permet pas d'estimer quasi instantanément l'endommagement subit au niveau des connexions vissées durant le processus de forage. Afin de palier cet inconvénient, une solution élastique semi-analytique du champ de contraintes macroscopiques a donc été développée.<br />Enfin des essais expérimentaux ont été conduits sur des connexions vissées à échelle réduite et ces résultats sont comparés aux prédictions faites avec une extension du critère de Dang Van au domaine de l'endurance limitée. Les résultats montrent que les phénomènes de fatigue dans une connexion vissée sont induits par les facteurs de concentrations de contraintes et que l'application d'un critère local de fatigue donne des estimations de durées de vie trop conservatives. Une étude numérique à l'échelle cristalline a donc été menée afin d'expliquer ces observations et une correction est apportée afin d'améliorer les prédictions de durée de vie.

Cette thèse présente une approche globale d’optimisation vis-à-vis de la fatigue des matériaux et structures en alliages à mémoire de forme (AMF). Cette approche s’articule en trois étapes : i) Le développement d’une loi de comportement capable de prédire la réponse thermomécanique à l’état stabilisé d’une structure en AMF sous chargement cyclique multiaxial non proportionnel. On prend notamment en compte la dépendance de la déformation résiduelle par rapport à la température. Par ailleurs, la méthode LATIN à grand incrément de temps a été généralisée pour les AMF dans le cadre du modèle ZM. Ceci permet de résoudre les problèmes de convergence numérique rencontrés lorsque le processus de transformation de phase se produit avec une pente du plateau de transformation faible. ii) Le développement d’un critère de fatigue à grand nombre de cycles pour les AMF. Ce critère s’inscrit dans le cadre de la théorie d’adaptation à l’instar du critère de Dang Van pour les métaux élasto-plastiques. Le critère proposé permet de calculer en chaque point de la structure en AMF un facteur de fatigue indiquant son degré de dangerosité. iii) Le développement d’une approche d’optimisation structurale qui peut être utilisée pour améliorer la durée de vie en fatigue prédite par le critère proposé dans la deuxième partie. Des exemples numériques sont traités pour valider chaque étape. L‘approche globale a par ailleurs été testée et validée pour l’optimisation structurale d’un stent. / This thesis presents a comprehensive and effi cient structural optimization approach for shape memory alloys (SMAs) with respect to fatigue. The approach consists of three steps: First, the development of a suitable constitutive model capable of predicting, with good accuracy, the stabilized thermomechanical stress state of a SMA structure subjected to multiaxial nonproportional cyclic loading. The dependence of the saturated residual strain on temperature and loading rate is discussed. In order to overcome numerical convergence problems in situations where the phase transformation process presents little or no positivehardening, the large time increment method (LATIN) is utilized in combination with the ZM (Zaki-Moumni) model to simulate SMA structures instead of conventional incremental methods. Second, a shakedown-based fatigue criterion analogous to the Dang Van model for elastoplastic metals is derived for SMAs to predict whether a SMA structure subjected to high-cycle loading would undergo fatigue. The proposed criterion computes a fatigue factor at each material point, indicating its degree of safeness with respect to high-cycle fatigue. Third, a structural optimization approach, which can be used to improve the fatigue lifetime estimated using the proposed fatigue criterion is presented. The prospects of this work include the validation of the optimization approach with experimental data.