La présente étude vise à comprendre l'influence du comportement visco-élasto-plastique d'une matrice TP (PPS) et TD (Epoxy) sur le comportement en fatigue à haute température de composite tissés à fibres de carbone. Une analyse fractographique a permis de révéler le rôle déterminant des zones riches en matrice au niveau des plis à ±45° dans la chronologie d'endommagement et sur le comportement en fatigue de stratifiés à plis croisés et quasi-isotropes. Afin d'évaluer la contribution de la viscoélasticité et de la viscoplasticité de la matriceTP au comportement thermomécanique des stratifiés C/TP à T>Tg, un modèle viscoélastique de Norton généralisé ont été implémentés dans le code Eléments Finis Cast3m. Une technique de corrélation d’images numériques (CIN) a été mise œuvre pour tester la capacité du modèle à prédire la réponse du stratifié dans le cas de structures à forts gradients de contraintes. / The present work was aimed at investigating the influence of the matrix visco-elastoplasticbehavior on the high-temperature fatigue behaviour of carbon woven-ply TP (PPS)-and TS (Epoxy)-based laminates. A fractography analysis showed that matrix-rich areas at the vicinity ±45° plies proved to be instrumental in modifiyng the damage chronology and the fatigue behaviour of angle-ply and quasi-isotropic laminates.In order to evaluate the contribution of viscoelasticity and viscoplasticity to the thermo-mechanical response of C/TP laminates at T>Tg, a linear spectral viscoelastic model and a generalized Norton-type viscoplastic model have been implemented int the Finite Elements code Cast3m. A digital image correlation technique has been used to validate the model's ability to predict the response of high gradient structures to various loading.

Cross-Laminated Timber (CLT) has recently become a popular construction material for building timber structures. One advantage of CLT is, that it can be used as floor, beam and wall element. As the arrangements of layers in CLT is in perpendicular direction to each other, it exhibits remarkable strength properties in both in-plane directions. However, the low stiffness and strength properties in compression perpendicular to the grain hinder application of CLT in high rising building, since forces are usually transferred from the wall elements through floor elements perpendicular to the grain. Thus, the aim of this thesis is to get a thorough understanding of the mechanical properties of such connections for different setups, including wood-wood connections, connections with acoustic layers and connections with screws. In addition, the wall was place at different positions on the CLT-floor element. Mechanical tests and numerical simulations, by means of finite element modelling (FEM) were carried out. CLT floor elements, consisting of 5-layers, were loaded by 3-layered CLT wall elements. Displacement and deformation were continuously measured by Potentiometers/LVDTs and an optical measurement system, respectively. Based on the experimental results compressive strength, slip curve and stiffness of the CLT connections were evaluated. Subsequently, results from FE-modelling were compared with experimental findings, which show a good agreement in elastic stiffness. Experimental results exhibited a pronounced influence of the wall position and connection setup on strength and stiffness. Central position of the wall showed higher mechanical properties than edge position. Highest strength and stiffness were found for screwed connections, where the wood-wood connections showed similar results. Connections with acoustic layers exhibited the lowest mechanical properties.

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Injection molded short fiber reinforced composites have generated commercial interest in the manufacturing of lightweight parts used in semi-structural applications. Predicting these materials’ fiber orientation with quantitative accuracy is crucial for technological advancement, but the task is difficult because of the effect of inter-particle interactions at high concentrations of fiber found in parts of commercial interest. A complete sample preparation procedure was developed to obtain optical micrographs with optimal definition of elliptical and non-elliptical footprint borders. Two novel aspects in this procedure were the use of tridimensional markers to identify specific locations for analysis and the use of controlled-etching to produce small shadows where fibers recede into the matrix. These images were used to measure fiber orientation with a customized image analysis tool. This tool contains several modifications that we introduced in the method of ellipses which allow us to determine tridimensional fiber orientation and to obtain measurements in regions with fast changes in orientation. The tool uses the location of the shadow to eliminate the ambiguity problem in orientation and characterizes non-elliptical footprints to obtain the orientation in small sampling areas. Cavitywise measurements in two thin center-gated disks showed the existence of an asymmetric profile of orientation at the gate and an orientation profile that washed out gradually at the entry region until disappearing at about 32 gap widths. This data was used to assess the prediction of cavitywise orientation using a delay model for fiber orientation with model parameters obtained from rheometrical experiments. Model predictions combining slip correction and experimentally determined orientation at the gate are in agreement with experimental data for the core layers near the end-of-fill region. Radialwise measurements of orientation at the shell, transition and core layer, and microtextural description of the advancing front are included in this dissertation. The analysis and assessment of the radial evolution of fiber orientation and advancing front based on comparing the experimental data with simulation results are under ongoing investigation. / Ph. D.

This research investigates the modeling of randomly distributed surface-breaking microcracks and their effects on higher harmonic generation in Rayleigh surface waves. The modeling is based on micromechanical considerations of rough surface contact. The nonlinear behavior of a single microcrack is described by a hyperelastic effective stress-strain relationship. Finite element simulations of nonlinear wave propagation in a solid with distributed microcracks are performed. The evolution of fundamental and second harmonic amplitudes along the propagation distance is studied and the acoustic nonlinearity parameter is calculated. The results show that the nonlinearity parameter increases with crack density and root mean square roughness of the crack faces. While, for a dilute concentration of microcracks, the increase in acoustic nonlinearity is proportional to the crack density, this is not valid for higher crack densities, as the microcracks start to interact. Finally, it is shown that odd higher harmonic generation in Rayleigh surface waves due to sliding crack faces introduces a friction nonlinearity.

Cette thèse est un travail prospectif sur la caractérisation multi-échelle de matériaux à gradient de propriétés générés par des traitements de surface de type mécanique (grenaillage à air comprimé ou par ultrasons) ou thermochimique (nitruration, implantation ionique, cémentation basse température). Les apports de plusieurs techniques de caractérisation (microscopie électronique à balayage, spectrométrie, indentation instrumentée, microscopie interférométrique), à différentes échelles, et l’existence possible d’une signature des traitements de surface étudiés sur le matériau ont été examinés. Une analyse multi-échelle des échantillons grenaillés par ultrasons a permis d’établir un lien entre les paramètres procédé et la rugosité du matériau. Une approche originale statistique a été proposée pour déterminer la dureté d’un matériau modifié par un traitement de surface donné sans altérer la surface par une rectification. Elle a permis d’établir un lien entre la rugosité des échantillons grenaillés par ultrasons et leur dureté. Une recherche bibliographique détaillée a été réalisée sur la simulation de l’essai d’indentation instrumentée par éléments finis en étudiant une centaine d’articles afin d’évaluer l’influence des hypothèses des modèles sur leurs résultats. A l’aide d’un modèle éléments finis, la sensibilité des courbes d’indentation à une variation des paramètres matériau a été examinée. Cela a permis de mettre en place une réflexion sur l’identification des propriétés d’un matériau à gradient à l’aide de l’essai d’indentation. / This thesis is a prospective work on the multiscale characterization of plastically graded materials obtained with mechanical (shot peening using air pressure or ultrasounds) or thermochemical (nitriding, ion implantation, low temperature carburizing) surface treatments. The benefits of several characterization techniques (scanning electron microscopy, spectrometry, instrumented indentation, interferometric microscopy), at different scales, and the possible existence of a signature of the studied surface treatments on the material were examined. A multiscale analysis of the ultrasonically shot-peened specimens linked the process conditions with the material roughness. A novel statistical approach was proposed to determine the treated material roughness without deteriorating the surface through resurfacing. The latter enabled to establish a link between the shot-peened specimen roughness and their hardness. A detailed literature review of a hundred articles examined the IV simulation of the instrumented indentation test with finite elements in order to assess the effect of different hypotheses on the simulation results. Using a finite element model, the sensitivity of indentation curves to a variation of material parameters was examined. The latter enabled to reflect on the identification of the properties of plastically grade materials using the instrumented indentation test.

Avec le remplacement des réseaux hydrauliques et pneumatiques à bord des aéronefs par des réseaux électriques, le nombre d'équipements embarqués pour assurer un bon fonctionnement augmentera. Le passage à un avion entièrement électrique permettrait de réduire les couts de production et fonctionnement, assurerait une meilleure fiabilité des systèmes, et réduirait l'impact écologique de la circulation d'un tel appareil. En effet, un tel avion serait plus léger qu'un avion actuel. Pour s'assurer de cela, il est nécessaire de réduire la masse des équipements embarqués servant à la gestion, la mise en forme, la distribution d'énergie électrique. Le dimensionnement et l'optimisation de la masse des équipements embarqués est donc une problématique fondamentale dans le développement de l'avion plus électrique. Cette masse est majoritairement fixée par les systèmes de refroidissement lorsque l'on considère des systèmes de conversion d'énergie. Parmi l'ensemble des systèmes de refroidissement disponibles et dédiés au refroidissement des convertisseurs statiques, deux grandes technologies ont été sélectionnées, dans l'objectif d'en produire des modèles dédiés à des routines d'optimisation. Les dissipateurs à ailettes droites en convection forcée, ainsi que les systèmes associant dissipateurs à ailettes et caloducs seront modélisés au cours de ces travaux de thèse. Des modèles analytiques de ces systèmes de refroidissement seront proposés, dans l'optique de pouvoir optimiser au mieux leur masse tout en assurant un bon fonctionnement thermique. Même si de nombreuses méthodes de dimensionnement et d'optimisation dédiées aux systèmes de refroidissement existent, notre choix de modélisation s'est porté sur une représentation analytique. En effet, ce type de modélisation est déduit d'une résolution exacte de l'équation de la chaleur pour représenter des configurations géométriques et thermiques simples. Les configurations sélectionnées correspondent à des configurations simples à modéliser analytiquement. L'avantage de tels modèles réside dans le fait que le comportement thermique de systèmes de refroidissement, i.e de la température de la source de chaleur à l'ambiant, est une fonction des paramètres géométriques, des matériaux et des conditions environnementales des systèmes de refroidissement. Ce sont donc des modèles très rapides d'exécution qui donnent une solution exacte du comportement thermique des dissipateurs modélisés. Ils présentent donc un réel intérêt dans l'optique d'optimiser la masse de ces systèmes. / The replacement of hydraulic and pneumatic network embedded in aircraft by electrical network will increase the number of embedded systems to ensure the effective functioning of the aircraft. The development of an electrical aircraft will allow the reduction of production and functioning costs. It will also help ensure a better reliability of systems and will reduce the ecological impact of the aircraft circulation. This kind of plane would be lighter than a usual one. To be sure of this, it is necessary to reduce weight of embedded equipment's dedicated to management, conversion and distribution of electrical energy. The sizing and the optimization of embedded equipment's weight is a critical issue in the development of more electrical aircraft. This weight is mostly defined by heat transfer systems, when we consider the sizing of energy conversion system A lot of heat transfer system exists and are dedicated to the cooling of power converters. We selected two of these heat transfer system, in order to produce models of them. These models will be used in optimization routines. Plate fin heat sink in forced convection, and system assembly, combining heat pipe and plate fin heat sink, will be modelled during this thesis. Analytical models of these heat transfer systems will be developed, to optimize their weight and ensure a good cooling of electrical systems. Even if lots of dimensioning and optimization methods exists, dedicated to heat transfer systems, we choose to use analytical modelling. This kind of models gives an exact solution to the heat equation, to describe simple geometric and thermic configurations. Selected heat transfer systems can be simply described. The main advantage of these models is that it represents the thermal behavior of the system as a function of its geometrical parameters, materials and environmental conditions. Execution of these models is very fast and gives a precise solution of the thermal parameters of the described configuration. There is then a real interest to use this type of models to optimize weight of heat transfer systems, and then power converter.

La récupération d’énergie thermique peut être réalisée par de nombreuses techniques de transduction d’énergie. Les techniques directes de conversion d’énergie thermique en énergie électrique sont généralement les technologies les plus utilisées. Lorsque des générateurs miniaturisés son requis, des méthodes directes de conversion présentent des difficultés, y compris la nécessité des dissipateurs de chaleur volumineux ou la forte dépendance aux fluctuations de température rapides. Donc, les méthodes de conversion indirecte, comme la conversion d’énergie thermique à mécanique et puis mécanique à électrique sont présentées comme des alternatives aux récupérateurs d’énergie. Cette technologie ouvre une nouvelle ligne de recherche pour surmonter les contraintes des récupérateurs d’énergie à petite échelle. Même si leur rendement est relativement faible en raison des pertes liées aux étapes de conversion d’énergie, les générateurs d’énergie basés sur l’effet thermomagnétique présentent une densité de puissance élevée lors de leur miniaturisation. Néanmoins, peu de recherches sur la récupération d’énergie thermomagnétique à petite échelle ont été menées et aucune étude de faisabilité industrielle n’a été signalée jusqu’à présent. Ces travaux présentent la conception d’un générateur capable de convertir de faibles et de lentes fluctuations de température ambiante en électricité. L’effet thermomagnétique d’un matériau magnétique doux, à savoir l’alliage de fer et de nickel (FeNi) ainsi que la piézoélectricité sont la base de fonctionnement du dispositif. Cette thermo-magnétisation entraîne la conversion d’énergie thermique, sous la forme de fluctuations temporelles, en vibrations mécaniques d’une structure. La structure consiste en un bimorphe piézoélectrique (PZT). Le générateur a deux positions stables; la position ouverte et celle fermée. En modifiant la température de FeNi, l’interaction entre deux forces du système (forces magnétique et mécanique) amène le générateur à l’une de ses deux commutations. La température de Curie du FeNi étant proche de la température ambiante, des applications comme des dispositifs connectés portables peuvent être ciblées. Un modèle analytique est développé. Donc, une conception rapide du générateur est réalisée pour répondre aux cahiers des charges tels que: la température d’opération, la plage de températures, la réponse thermique, les capacités de conversion piézoélectrique, etc. De plus, des règles de conception ont été dérivées envers la réduction de la taille du générateur. Des modélisations par éléments finis sont développés sous ANSYS afin de valider notre modèle analytique simplifié. Ces modèles permettent aux concepteurs d’explorer d’autres matériaux et de faire des améliorations en utilisant des processus d’optimisation de la conception. Des prototypes des récupérateurs d’énergie atteignent des densités de puissance de 0.6μWcm^−3 pendant des commutations d’ouverture à 40°C et 0.02μWcm^−3 pendant des commutations de fermeture à 28°C. En réduisant la taille du générateur, des commutations d’ouverture à 31°C et des commutations de fermeture à 27°C, sont atteints. La distance initiale de séparation entre l’aimant permanent et l’alliage magnétique doux est identifiée comme une clé pour augmenter la capacité de conversion d’énergie du générateur. Un modèle équivalent électrique du générateur est développé afin de concevoir un circuit d’extraction d’énergie ainsi qu’un module de gestion d’énergie. Ce circuit est développé sous PSpice, permettant de mettre en œuvre des pertes liées aux matériaux (pertes mécaniques et diélectriques). Par le biais d’ajustement de courbe, ce modèle est capable de calculer des valeurs de pertes. Une analyse de la variabilité de la conception est réalisée afin d’explorer la faisabilité industrielle d’un tel générateur. Ainsi, la récupération d’énergie thermomagnétique peut concourir, pour la première fois, avec les thermo-générateurs les plus modernes. / Thermal energy harvesting can be realized by numerous techniques of energy transduction. Direct conversions of thermal to electrical energy are typically the most popular technologies used. When miniaturized generators are required, direct conversion methods present difficulties, including the need of bulky heat sinks or the strong dependence to rapid temperature fluctuations. Therefore, indirect conversion methods, like thermal-to-mechanical-to-electrical energy are presented as an alternative to thermal energy harvesters towards powering autonomous sensors. This disruptive technology opens up a new approach to overcome the limitations of miniaturized thermal energy harvesting systems. Even if having a relatively low efficiency due to losses linked to energy conversion steps, energy harvesters based on thermo-magnetic effect show a large power density upon miniaturization. Nevertheless, little research on thermo-magnetic energy harvesting at miniature scale has been conducted and no competitive electrical output has been reported until now.This work presents the design of a generator able to convert small and slow ambient temperature fluctuations into electricity. It exploits the thermo-magnetic effect of a soft magnetic material, namely, iron nickel alloy (FeNi) and piezoelectricity. Thermo-magnetization of FeNi is driving the conversion of thermal energy, in the form of temporal fluctuations, into mechanical vibrations of a structure. The structure consists in a piezoelectric bimorph (PZT) cantilever beam. The generator has two stable positions; open position and closed one. Curie temperature of FeNi being near to ambient temperature, applications like wearable connected devices may be targeted. By changing the temperature of the soft magnetic alloy, the interaction between counterbalance forces (magnetic and mechanical forces) leads the generator to one of its two commutations.Analytical model is developed in order to predict generator performance. Making use of this model, a rapid design of generator is conducted to fit custom requirements such as: temperature of operations, temperature range of operation, thermal response, piezoelectric energy conversion capabilities, etc.Additionally, main design rules were derived from the design parameters of the generator. Special attention was paid on how scaling down size affects the generator performance by using the analytical model.Finite element models are developed through ANSYS software in order to validate the analytical simplified model. They couple the thermal to magnetic field and then mechanical to electrical energy conversion is solved. This model allows designers to explore other materials and do improvements by using design optimization processes.First generation energy harvesting demonstrators achieve power densities of 0.6µWcm^-3 during opening commutations around 40°C and 0.02µWcm^-3 at closing commutations around 28°C. By reducing the generator’s size opening commutations at 31°C while closing commutations at 27°C are achieved. By modifying design parameters such as initial distance of separation between the permanent magnet and soft magnetic alloy is identified as a key to boost the energy conversion capability of the generator. Finally, electrical equivalent model of this thermo-magnetically activated piezoelectric generator is developed to design an energy extraction circuit and power management module. This circuit is developed in a unique software PSpice, to implement losses linked to materials (mechanic and dielectric losses). Making use of curve fitting processes, this model is able to find losses values. A variability analysis of the design is conducted by using the analytical model through Matlab in order to explore the feasibility of producing such a generator industrially. Thus, thermo-magnetic energy harvesting can compete for the first time with the state-of-the-art thermos-electrics.

Development in urban areas around the world has steadily increased in recent years. This rapid development has not been matched by the ever decreasing open space commonly associated with urban centers. Vertical construction, thus, lends itself a very useful solution to this problem. Deep excavation is often required for urban construction. Unfortunately, the ground movements associated with deep excavation can result in damage to adjacent buildings. Thus, it is critically important to accurately predict the damage potential of nearby deep excavations and designing adequate support systems. A new design method is proposed, as an attempt, to address the problem. The method is semi-empirical and directly links excavation-induced distortions experienced by nearby buildings and the components of the excavation support system. Unlike, the traditional limit equilibrium approach, the method is driven by the distortions in adjacent buildings. It goes further to propose a preliminary cost chart to help designers during the design phase. The benefit is that initial cost is known real time and will help speed up making business decisions. A new design flowchart is proposed to guide the designer through a step-by-step procedure. The method is validated using 2D Plaxis (the finite element program) simulation. Though the nature of deep excavation is three-dimensional, a plane strain condition is valid when the length of the excavation is long. Hence, two-dimensional finite element simulation was considered appropriate for this effort. Five hypothetical cases were compared and the model performed very well. The lack of available literature on this approach made verification difficult. It is hoped that future case histories will be used to ascertain the veracity of the deformation-based design method.

Le récent développement de la Fabrication Additive de pièces métalliques permet d'élaborer directement des structures à partir de modèles 3D. En particulier, la technologie "Electron Beam Melting" (EBM) permet la fusion sélective, couche par couche, de poudres métalliques. Elle autorise la réalisation de géométries très complexes mais apporte de nouvelles contraintes de fabrication.Ce travail se concentre sur la caractérisation géométrique et mécanique de structures treillis produites par cette méthode. Les pièces fabriquées sont comparées au design initial à travers des caractérisations par tomographie aux rayons X. Les propriétés mécaniques sont testées en compression uni-axiale. Pour les poutres de faibles épaisseur, la différence entre la structure numérique et celle fabriquée devient significative. Les écarts au design initial se traduisent pour chaque poutre par un concept de matière mécaniquement efficace. D'un point de vue modélisation, ce concept est pris en compte en remplaçant la poutre fabriquée par un cylindre avec un diamètre mécaniquement équivalent. Ce diamètre équivalent est utilisé dans des simulations et optimisations "réalistes" intégrant ainsi les contraintes de fabrication de la technologie EBM.Différentes stratégies sont aussi proposées pour réduire la proportion de volume "inefficace" et améliorer le contrôle de la taille des poutres, soit en jouant sur les paramètres procédé et les stratégies de fusion, soit en effectuant des post-traitements. / The recent development of Additive Manufacturing for the fabrication of metallic parts allows structures to be directly manufactured from 3D models. In particular, the "Electron Beam Melting" (EBM) technology is a suitable process which selectively melts a powder bed layer by layer. It can build very complex geometries but brings new limitations that have to be quantified.This work focuses on the structural and mechanical characterization of lattice structures produced by such technology. The structural characterization mainly rely on X-ray tomography whereas mechanical properties are assessed by uni-axial compression. The geometry and related properties of the fabricated structures are compared with the designed ones. For small strut size, the difference between the designed structure and the produced one is large enough to impact the desired mechanical properties. The concept of mechanical efficient volume is introduced. For the purpose of simulation, this concept is taken into account by replacing the struts by a cylinder with a textit{mechanical equivalent diameter}. After validation, it has been used into "realistic" simulation and optimization procedures, thus taking into account the process constraints.Post-treatments (Chemical Etching and Electro-Chemical Polishing) were applied on lattice structures to get rid of the inefficient matter by decreasing the surface roughness. The control of the size of the fabricated struts was improved by tuning the process strategies and parameters.