Le but de cette étude est de prédire la rupture de tôles en alliage de Zinc via des simulations par éléments finis. Pour ce faire, la caractérisation du comportement mécanique a été fait grâce à des essais de traction sur différentes nuances et orientation. Ces essais ont fait ressortir une grande anisotropie ainsi qu'un grande sensibilité à la vitesse de déformation et à la température. L'ensemble de ces données expérimentales est modélisé avec une loi de comportement de Norton Hoff et le critère de plasticité de Hill48. De plus la formabilité ainsi que son anisotropie ont été caractérisées avec des essais de traction, de traction plane et de gonflage hydraulique. Une grande anisotropie de formabilité, inédite dans la littérature, est observée. Celle-ci est modélisée via différents modèles de rupture issus de la littérature où que nous avons développés spécifiquement pour les alliages de Zinc. Enfin un modèle de rupture en contrainte, paraissant le plus adéquat pour la prédiction de la formabilité, a été choisi. Il a été ensuite implémenté dans le logiciel Forge2009®. Des essais académiques mais aussi industriels de mise en forme ont été simulé par le logiciel Forge2009® et ont donné de bonnes modélisations du comportement mécanique des tôles en alliage de Zinc ainsi que de bonnes prédictions de sa rupture. / The aim of this study is to predict the rupture of Zinc alloy sheets by the mean of Finite Element Method simulations. The mechanical behaviour of the material has been tested by tensile tests for several directions and for several Zinc grades. The materials show a high anisotropic mechanical response and high strain rate and temperature sensitivity. This set of experimental data has been modelled by the mean of the Norton Hoff law and the Hill 48 plastic criterion. Moreover, the formability has been tested by tensile and plane strain tests, and also hydraulic bulge tests. A high anisotropic formability, unseen in the literature, has been observed. This formability is modelled with different rupture criteria coming from the literature or specifically developed for the Zinc alloy study. A stress criterion model has been chosen to predict the formability. This criterion has been implemented into Forge2009® software. Academic and industrial forming processes have been simulated with Forge2009® and lead to an accurate description of the mechanical behaviour and the rupture localisation.

Les besoins de réduction du poids se sont concrètement traduits par l'introduction de nouvelles nuances plus légères dans les structures automobiles. Ainsi, des alliages d'aluminium ont commencé à être intégrés dans les pièces de structure de plusieurs véhicules. La faible masse volumique des alliages d'aluminium (2,7g/cm 3 ) permet d'alléger le poids du véhicule qui entraîne une diminution de la consommation de carburant et, donc, des émissions de gaz à effet de serre. La striction et la rupture sont les principaux modes de défaillance qui entrainent le rebut systématique des pièces. C'est pourquoi, améliorer la prédiction d'apparition de ces défauts lors de la simulation va dans le sens d'une meilleure maitrise du procédé. Dans le cadre de ce travail doctoral, deux modèles sont développés pour simuler le comportement à grandes déformations d'alliages d'aluminium : un modèle polycristallin de type Taylor et un modèle à un ou plusieurs éléments finis par grain.Les diagrammes limites de formage (DLF) pour les deux alliages d'aluminium AA5754 et AA6063 ont été simulés numériquement en utilisant une formulation par éléments finis pour les polycristaux basée sur l'hypothèse de Taylor.Les DLF conventionnels et de l'hydroformage ont été traces. L'effet des chemins de déformation sur la formabilité des alliages d'aluminium a aussi été étudié. Finalement, des simulations numériques avec les données de diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) pour l'alliage d'aluminium AA5754 ont été effectuées en utilisant le modèle à un ou plusieurs éléments par grain. Ces simulations sont exécutées avec différents modèles du durcissement (Asaro, Bassani et puissance).

Les tubes métalliques de précision sont largement utilisés pour des applications biomédicales. De tels tubes sont fabriqués par étirage à froid car ce procédé garanti le meilleur aspect de surface, le plus grand contrôle des dimensions du tube et le contrôle des propriétés mécaniques. L'objet de cette étude est de modéliser le procédé d'étirage de tube sur mandrin afin d'en améliorer la compréhension et de construire un outil permettant l'optimisation du procédé et de prédire la rupture des tubes en étirage. La construction du modèle élément finis s'appuie sur la réalisation d'essais expérimentaux afin de caractériser les propriétés mécaniques des matériaux et le frottement entre le tube et les outils d'étirage (mandrin, filière). Le comportement mécanique des alliages est caractérisé par des essais de traction sur tube, des essais de traction sur des éprouvettes découpées dans différentes orientations dans un tube déplié et des essais de gonflement de tube. Pour ces derniers, une machine et un outillage de gonflement de tubes ont été développés spécifiquement. Par le biais de ces essais différents aspects ont été étudiés : la viscoplasticité, l'anisotropie plastique, l'hétérogénéité des propriétés dans l'épaisseur du tube, la thermomécanique. Les coefficients de frottements ont été identifiés par analyse inverse sur des essais d'étirage instrumentés par des cellules d'effort. Des essais d'étirage ont été spécifiquement conçus en modifiant la géométrie du mandrin afin de conduire à la rupture des tubes lors de l'étirage. L'objectif de tels essais étant d'identifier la limite de formabilité des tubes. L'approche choisie pour prédire de la rupture a été d'utiliser des critères de ruptures qui pouvaient être calibrés sur des essais de traction uniquement. Les critères ont été calculés au cours de la simulation numérique de l'étirage sur mandrin et ils ont été évalués par rapport à leur capacité à prédire les réductions de section et d'épaisseur maximales. Enfin, des méthodes analytiques de calcul d'effort d'étirage ont été développées et comparées à la modélisation éléments finis.

Les tubes métalliques de précision sont largement utilisés pour des applications biomédicales. De tels tubes sont fabriqués par étirage à froid car ce procédé garanti le meilleur aspect de surface, le plus grand contrôle des dimensions du tube et le contrôle des propriétés mécaniques. L'objet de cette étude est de modéliser le procédé d'étirage de tube sur mandrin afin d'en améliorer la compréhension et de construire un outil permettant l'optimisation du procédé et de prédire la rupture des tubes en étirage. La construction du modèle élément finis s'appuie sur la réalisation d'essais expérimentaux afin de caractériser les propriétés mécaniques des matériaux et le frottement entre le tube et les outils d'étirage (mandrin, filière). Le comportement mécanique des alliages est caractérisé par des essais de traction sur tube, des essais de traction sur des éprouvettes découpées dans différentes orientations dans un tube déplié et des essais de gonflement de tube. Pour ces derniers, une machine et un outillage de gonflement de tubes ont été développés spécifiquement. Par le biais de ces essais différents aspects ont été étudiés : la viscoplasticité, l'anisotropie plastique, l'hétérogénéité des propriétés dans l'épaisseur du tube, la thermomécanique. Les coefficients de frottements ont été identifiés par analyse inverse sur des essais d'étirage instrumentés par des cellules d'effort. Des essais d'étirage ont été spécifiquement conçus en modifiant la géométrie du mandrin afin de conduire à la rupture des tubes lors de l'étirage. L'objectif de tels essais étant d'identifier la limite de formabilité des tubes. L'approche choisie pour prédire de la rupture a été d'utiliser des critères de ruptures qui pouvaient être calibrés sur des essais de traction uniquement. Les critères ont été calculés au cours de la simulation numérique de l'étirage sur mandrin et ils ont été évalués par rapport à leur capacité à prédire les réductions de section et d'épaisseur maximales. Enfin, des méthodes analytiques de calcul d'effort d'étirage ont été développées et comparées à la modélisation éléments finis. / Precision metallic tubes are widely used for biomedical applications. The requirements of such tubes in term of surface quality, precise dimensions and mechanical properties can be achieved by cold tube drawing only. The purpose of this study is to model the mandrel tube drawing in order improve the process understanding and to build a tool both for process optimisation and for failure prediction during drawing. Building the finite element modelling requires to perform a series of experimental tests in order to characterise the material mechanical behaviour and the friction between the tube and the forming tools (mandrel, die). The materials mechanical behaviour is characterized by means of tube tensile tests, tensile tests of oriented samples cut in different directions from flattened tubes and tube bulge test. For the latter, a tube bulge test device was specifically designed. Different aspects were covered by these tests: viscoplasticity, plastic anisotropy, materials properties heterogeneity in the tube thickness, thermomechanics. Friction coefficients were identified by inverse analysis on instrumented tube drawing tests. A specific drawing test was designed in order to identify the tube fracture during drawing by modifying the mandrel geometry. The goal of such test was to identify the tube formability limit. Among the different techniques available to predict tube failure, the approach of failure criterion was chosen. Different failure criteria that could be calibrated on tensile test were selected. Failure criteria were computed during the simulation of the mandrel tube drawing and they were evaluated in term of predictability of the maximum section and thickness reductions before fracture. Finally, analytical methods that enable to compute the drawing force were developed and compared with the finite element modelling.

Ce mémoire présente les travaux de recherche effectués pour démontrer l'efficacité des actionneurs "Macro-Fiber Composite" (MFC TM) afin de contrôler activement la forme d'une structure en composite soumise à une perturbation thermique. Une étude numérique à l'aide du logiciel par éléments finis Abaqus a été menée parallèlement aux essais expérimentaux afin de prédire le comportement de la structure étudiée. Une étude analytique, numérique et expérimentale a permis de déterminer la géométrie nécessaire pour obtenir un gradient de température dans l'épaisseur de la structure assez important pour induire une déflexion mesurable. Ensuite, l'efficacité des actionneurs MFC TM à déformer une plaque sandwiche a été vérifiée. Un contrôle manuel est ensuite effectué lorsque la plaque sandwiche est déformée thermiquement. Finalement, une procédure expérimentale de contrôle actif basé sur les déformations de la plaque a été mise en place et vérifiée expérimentalement. Les résultats montrent que le contrôle de la forme de la plaque sandwiche est excellent

Dans ce projet, le matériau est l'alliage de magnésium AZ31-O en tôle. L'épaisseur de tôles est de 1,2 mm. Les essais de traction à chaud sont réalisés afin d'étudier la ductilité de l'alliage de magnésium AZ31-O, la température et l'influence la vitesse de déformation sont incluses dans tous les tests. Le résultat d'analyse montre que la ductilité est renforcée avec une température croissante et une vitesse de déformation décroissante, le phénomène d'adoucissement est évident à la température élevée. La propriété anisotrope n'est pas considérée dans ce projet. Les essais Nakazima à chaud avec le poinçon d'hémisphère sont réalisés pour étudier la formabilité de l'alliage de magnésium AZ31-O. Enfin, la FLD (Forming Limit Diagram) est identifiée et les comparaisons montrent que la formabilité est préférable à une température plus élevée. En outre, les prédictions des limites de formage sont effectuées dans le modèle M-K. La comparaison montre clairement avec la prédiction théorique ne convient pas avec l'expérience. Les simulations des éléments finis sont effectuées pour un emboutissage par poinçon hémisphérique et un emboutissage en croix. Tout d'abord, les simulations d'emboutissage de poinçon hémisphérique sont réalisés sur FORGE® et sur ABAQUS®. Les résultats des simulations de FORGE et de ABAQUS sont comparés afin d'étudier la différence de divers codes de simulation des éléments finis. Deuxièmement, le comportement de d'endommagent est étudié dans FORGE par modèle d'endommagement Lemaitre. Enfin, la simulation d'emboutissage en croix qui est un benchmark de la conférence 2011 NUMISHEET est réalisée avec FORGE. La charge de poinçon, l'épaisseur et la distribution de température sont obtenues et comparées pour chaque simulation. En outre, ces résultats de la simulation de benchmark (FORGE) sont également comparés à d'autres logiciels de simulation en conférence. Les résultats des analyses détaillées sont présentés dans cette thèse. / In this project, the material is AZ31-O magnesium alloy sheet. The sheet thickness is 1.2mm. Warm tensile tests are performed to study ductility of AZ31-O magnesium alloy, the temperature and strain rate influence are included in all tests. The analysis result shows the ductility is enhanced with temperature increasing and strain rate decreasing, and the softening phenomenon is obvious at high temperature. The anisotropic property is not considered in this project. Warm Nakazima tests with hemisphere punch are performed to study formability of AZ31-O magnesium alloy. Finally, the FLD (Forming Limit Diagram) is identified and the comparisons distinctly show that the formability is better at higher temperature. Moreover, the forming limits predictions are performed in M-K model. The comparison clearly shows the theoretical prediction do not fit well with experiment. Finite element simulations are performed for a hemisphere punch deep drawing and a cross-shaped deep drawing. Firstly, the hemisphere punch deep drawing simulations are performed in FORGE® and ABAQUS®. The simulation result from FORGE and ABAQUS are compared in order to study the difference of various finite element simulation codes. Secondly, the damage behavior is studied in FORGE by Lemaitre damage model. Finally, the cross-shaped deep drawing simulation which is a benchmark of NUMISHEET 2011 conference is performed with FORGE. The punch load, thickness and temperature distribution are obtained and compared for each simulation. Furthermore, this benchmark simulation results (FORGE) are also compared with other various simulation software in conference. The detailed analysis results are presented in this thesis.

Dans ce projet, le matériau est l'alliage de magnésium AZ31-O en tôle. L'épaisseur de tôles est de 1,2 mm. Les essais de traction à chaud sont réalisés afin d'étudier la ductilité de l'alliage de magnésium AZ31-O, la température et l'influence la vitesse de déformation sont incluses dans tous les tests. Le résultat d'analyse montre que la ductilité est renforcée avec une température croissante et une vitesse de déformation décroissante, le phénomène d'adoucissement est évident à la température élevée. La propriété anisotrope n'est pas considérée dans ce projet. Les essais Nakazima à chaud avec le poinçon d'hémisphère sont réalisés pour étudier la formabilité de l'alliage de magnésium AZ31-O. Enfin, la FLD (Forming Limit Diagram) est identifiée et les comparaisons montrent que la formabilité est préférable à une température plus élevée. En outre, les prédictions des limites de formage sont effectuées dans le modèle M-K. La comparaison montre clairement avec la prédiction théorique ne convient pas avec l'expérience. Les simulations des éléments finis sont effectuées pour un emboutissage par poinçon hémisphérique et un emboutissage en croix. Tout d'abord, les simulations d'emboutissage de poinçon hémisphérique sont réalisés sur FORGE® et sur ABAQUS®. Les résultats des simulations de FORGE et de ABAQUS sont comparés afin d'étudier la différence de divers codes de simulation des éléments finis. Deuxièmement, le comportement de d'endommagent est étudié dans FORGE par modèle d'endommagement Lemaitre. Enfin, la simulation d'emboutissage en croix qui est un benchmark de la conférence 2011 NUMISHEET est réalisée avec FORGE. La charge de poinçon, l'épaisseur et la distribution de température sont obtenues et comparées pour chaque simulation. En outre, ces résultats de la simulation de benchmark (FORGE) sont également comparés à d'autres logiciels de simulation en conférence. Les résultats des analyses détaillées sont présentés dans cette thèse.

Les aciers Dual-Phase sont largement utilisés dans le secteur de l’automobile enraison de leurs propriétés mécaniques remarquables et du bon compromis résistanceductilité qui lui donne d’intéressante potentialités comme absorbeur d’énergiemécanique. Cependant, la recherche de bons compromis entre les propriétésmécaniques en traction et celles de formabilité nécessite une optimisation desparamètres microstructuraux. Ce travail de thèse s’inscrit dans cet optique. Dans unepremière partie, l’étude bibliographique proposée permet de mieux cerner lesparamètres influençant la formation des microstructures ainsi que les propriétés desaciers DP. Dans une seconde partie, nous proposons un travail expérimental originalpermettant de mieux comprendre la formation des microstructures des aciers DP etde découpler l’effet de certains paramètres microstructuraux sur les propriétés deces aciers. Enfin, la modélisation micromécanique proposée permet de compléter etd’interpréter les données expérimentales acquises. Ce travail ouvre des voiesintéressantes de « design » des microstructures des aciers DP en vue de développerdes aciers de nouvelles générations possédant des propriétés optimisées. / Ferrite-martensite dual-phase (DP) steels have been widely used in automotiveindustry due to their excellent mechanical properties, such as high work-hardeningrate and a good compromise between strength and ductility allowing high energyabsorbing performance. In order to fully exploit the potential of DP steels and extendthe application, the dual-phase microstructure has to be optimized for bettercombination of strength and formability that is characterized by uniform strainand/or fracture strain. As a starting point, detailed literature review is made on themicrostructure development and mechanical properties of DP steels, and the keyfactors controlling microstructural features and determining mechanical propertiesare identified. Through experimental investigation, microstructures are developed inorder to decouple the effects of various microstructural features, and themicrostructure—mechanical properties relationship is systematically studied.Micromechanical modeling is used to further understand the experimental resultswithin a quantitative framework, and to provide a support for microstructurerefinement of DP steels by parametric study. Strategies of designing DP steels tofulfill specific forming operation have been proposed, and the concept of DP steelswith graded martensite islands has been discussed with FEM analysis as a possibilityof improving strength—formability trade-off.

Ce travail est une étude exploratoire sur la possibilité de réaliser un composite bois polymère ou WPC, rencontrant certaines exigences, notamment la post-thermoformabilité. Nous avons élaboré un panneau composite fibre de bois/thermodurcissable/thermoplastique dans la logique d’un « éco-matériau ». Ce matériau innovant est destiné à un usage structurel ou décoratif. Il est fabriqué selon un procédé de pressage à chaud d’un matelas fibreux. La problématique de l’incompatibilité d’interface entre le bois et le thermoplastique, récurrente pour bon nombre de WPC, a été résolue grâce au développement d’une technique originale d’amélioration de l’adhésion par enrobage. Les améliorations ont permis d’obtenir des caractéristiques physico-mécaniques semblables aux panneaux de densité moyenne. La composante thermoplastique nous a permis d’octroyer une aptitude de post-thermoformabilité à ce matériau. L’analyse détaillée de la composition des panneaux WPC, de leurs propriétés à différentes températures, ainsi qu’un travail de modélisation expliquent, en partie, le comportement complexe de ce nouveau WPC. / This project deals with a new type of Wood Polymer Composite (WPC) able to be post moulded. Based on wood industry processing we developed different wood/adhesive/thermoplastic fibreboards. This exploratory work leads to an innovative WPC fibreboard dedicated to structural or decorative use. In order to reach sufficient mechanical properties we managed to improve the cohesion properties. In fact, weak interfacial adhesion is a recurrent problem of all Wood/Thermoplastic products. An original coating process of MAPP onto PP fibres gave great interfacial adhesion enhancement and mechanical properties similar to MDF panels. The post thermoforming ability was measured with an original thermoforming test. These investigations, through characterisation and modelling, allowed us to determine the role of different factors and their interactions. Our post mouldable composite WPC fibreboards are porous and made-up of a fibre network which showed a complex rheological behaviour. Morphology, concentration, distribution of each components and surface interactions between them explain this behaviour.

Le comportement mécanique d'un nouveau type de tôle sandwich métallique apte à la mise en forme est étudié. La couche cœur est composée de deux tôles gaufrées, brasées entre elles. Contrairement aux panneaux sandwichs conventionnels, ce type de tôle sandwich peut être mis en forme par les techniques traditionnelles de travail des métaux. Dans un premier temps, la géométrie de la structure gaufrée est optimisée afin d'obtenir la couche cœur présentant un rapport raideur au cisaillement - densité relative maximal. L'étude se concentre ensuite sur le comportement plastique de la structure sandwich " optimale " à l'aide de simulations par éléments finis d'expériences multiaxiales. On propose un modèle phénoménologique faisant appel à une loi d'écoulement associée et à un modèle d'écrouissage isotrope avec distorsion. Les paramètres du modèle sont identifiés par une approche inverse à partir d'un essai de traction uniaxial et d'un essai de flexion 4 points. Finalement, des simulations de pliage en U sont réalisées, utilisant un modèle détaillé d'une part et un modèle coque d'autre part. Pour différents outils de mise en forme, un bon accord entre les simulations est observé, validant en partie le modèle phénoménologique proposé.