Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Titre de l'écran-titre (visionné le 9 mai 2008). Bibliogr.

Le travail présenté ici a pour but d’évaluer les mécanismes microstructuraux liés à l’amorçage de l’endommagement par fatigue d’un acier à usage pétrolier. Les microdéformations et les contraintes résiduelles (macrocontraintes) ont été déterminées par diffraction des rayons X en temps réel pendant des essais de fatigue en flexion alternée sur des éprouvettes plates prélevées dans la paroi d’un tube neuf. Les microdeformations sont estimées à partir de mesures de la largeur de corde à mi-hauteur (LCMH) d’un pic de diffraction et les contraintes résiduelles à partir du déplacement du pic. Les essais de fatigue sont réalisés pour cinq niveaux de contraintes différents. On observe trois stades de variation pendant l’évolution des microdeformations. On montre que leur amplitude et leur durée sont proportionnelles au niveau de contrainte alternée. Des variations similaires sont observées pour les contraintes résiduelles, avec des durées identiques à celles des microdéformations. Des évolutions dans la densité et la répartition des dislocations ont été observées par microscopie électronique en transmission à l’aide de la technique du faisceau d’ions focalisés. Pour comprendre le rôle de la structure initiale, des essais de fatigue sur éprouvettes recuites ont été réalisés dans les mêmes conditions d’essai. Là encore trois stades d’évolution sont observées mais avec un premier stade inversé du fait de l’état initial du réseau de dislocations. Les résultats obtenus sont très encourageants pour la prise en compte des évolutions microstructurales dans l’établissement d’un futur indicateur de dommage de la phase d’amorçage en fatigue à grand nombre de cycles des matériaux. / The present work aims to evaluate the microstructural mechanisms associated with the initiation of fatigue damage of steels used in the oil and gas industry. Microdeformations and residual stresses (macrostresses) were evaluated by X-ray diffraction in real time during alternating bending fatigue tests performed on flat test pieces taken from a pipe sample. Microdeformations were estimated from measurements of the full width at half maximum (FWHM) of the diffraction peak and residual stresses from the peak displacement. The fatigue tests were performed at five different stress levels. Three stages of changes during the evolution of microdeformation were detected. We show that their amplitude and duration are proportional to the level of alternating stress. Similar variations were observed for the residual stresses, with duration identical to those of the microdeformation. Changes in the density and distribution of dislocations were observed by transmission electron microscopy using the technique of focused ion beam. To understand the role of the initial structure, fatigue tests on annealed samples were performed under the same test conditions. Again, three stages of changes are observed but with an increase of the microdeformations instead of a decrease during the first stage due to the initial state of the dislocation network. The results are very encouraging for the consideration of the microstructural evolutions in the construction of a future counter of fatigue damage initiation in materials.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'un des défis majeurs de la simulation numérique de la résistance au crash des structures composites aéronautiques est de pouvoir prédire les endommagements, leur initiation, leur évolution au cours de l'écrasement, et l'énergie absorbée, à partir d'un nombre limité de propriétés matériaux. Le but de la thèse est d'améliorer la compréhension des mécanismes élémentaires impliqués dans l'écrasement des composites à renforts tissés taffetas (plain weave PW) fabriqués en ou hors autoclave à base d'Époxyde et de fibres de carbone et de développer un modèle numérique performant. Ce rapport présente une investigation numérique et expérimentale effectuée au sein du département de Génie Mécanique à l'Université Laval dans le cadre du projet CRIAQ Comp-410 "Impact Modeling of Composite Aircraft Structures" en collaboration avec l'Université de Waterloo, Bombardier Aerospace, Bell Helicopter, le conseil national de recherche du Canada et DRDC-Valcartier. L'objectif principal est de développer des méthodes de simulations numériques prédictives pour différentes vitesses de crash des composites tissés. La démarche consiste en deux grandes étapes, une étude du crash en quasi statique et une autre étude dynamique pour voir l'effet du taux d'endommagement. Des simulations numériques avec des modèles de comportements existants dans les codes commerciaux éléments finis ont été effectuées afin de déceler les avantages et les inconvénients de chaque modèle, ensuite, un nouveau modèle 3D est développé pour tenir compte principalement, du délaminage, de la fragmentation, des bandes de pliage, de l'inélasticité et de l'endommagement. En parallèle, un plan expérimental est mis en œuvre pour la validation des différents modèles numériques et pour faire une étude paramétrique des différents paramètres influents, tels que, la forme des sections des éprouvettes, les initiateurs de crash, l'effet de l'échelle des éprouvettes et les séquences d'empilement. La mise en œuvre d'un modèle mathématique performant pour prédire le comportement mécanique des structures composites soumises au crash est une lourde tâche avec de multiples paramètres de matériaux et mécanismes de déformation à prendre en considération. Cette thèse peut être considérée comme une nouvelle contribution à l'avancement de la compréhension du processus d'endommagement lors du crash des matériaux composites. Le nouveau code numérique éléments finis développé a été validés expérimentalement et une étude de sensibilité des paramètres a été effectuée pour mesurer l'effet et le degré d'influence de chaque paramètre sur la précision de la solution finale. / One of the major challenges of the numerical simulation of the crashworthiness of aeronautical composite structures is to be able to predict damages, their initiation, and evolution during crash, and energy absorbed, from limited material properties. The goal is to improve the understanding of the elementary mechanisms involved during crush of plain weave (PW) fabric CFRP composites made in or out of autoclave to develop a powerful numerical model. This report presents a numerical and experimental investigation carried out within the Department of Mechanical Engineering at Université Laval as part of the CRIAQ Comp-410 project "Impact Modeling of Composite Aircraft Structures" in collaboration with the University of Waterloo, Bombardier Aerospace, Bell Helicopter, National Research Council of Canada and DRDC-Valcartier. The main objective is to develop predictive numerical simulation methods for different crash scenario of woven composites. The approach consists of two main steps, a quasi-static crash study and another dynamic study to see the effect of the strain rate. Numerical simulations with existing material models implemented in finite elements commercial codes were carried out in order to detect the advantages and the disadvantages of each model, then, a new 3D material model is developed to take account, mainly, of delamination, fragmentation, kink-bands, inelasticity and damage. In parallel, an experimental plan is implemented for the validation of the different numerical models and to make a parametric study of the different parameters, such as, the section shapes of the specimens, the triggers, the effect of scale and layup of the specimens. The implementation of a powerful mathematical model to predict the mechanical behavior of composite structures subjected to crash is a heavy task with multiple material parameters and deformation mechanisms to consider. This thesis can be considered as a new contribution to the advancement of the understanding of the process of damage during the crash of composite materials. The new developed material model developed has been validated experimentally and a parameter sensitivity study is performed to measure the effect and degree of influence of each parameter on the accuracy of the final solution.

Ce projet de maîtrise met en avant une étude du suivi et de la prédiction de l’endommagement dans des structures composites à fibres de carbone tissées soumises à des efforts de fatigue tension-tension par le biais de deux méthodes de détection non-destructives que sont l’émission acoustique (AE) et la corrélation d’image (DIC). L’émission acoustique se présente comme une méthode unique permettant le suivi en continu des phénomènes microscopiques d’endommagement apparaissant dans le matériau, alors que la corrélation d’image permet un accès en temps réel au champ de déformation et par conséquent aux effets macroscopiques de cet endommagement sur les propriétés du matériau. Le croisement des résultats obtenus à partir de ces deux méthodes améliore la fiabilité et la validité des hypothèses réalisées. L’approche utilisée permet d’établir des courbes de durée de vie du matériau prenant en compte la propagation du défaut artificiel intégré et propose un modèle d’endommagement dans la lignée des modèles phénoménologiques existants. Dans un premier temps, le contexte de l’étude est introduit ainsi que les objectifs détaillés de ce projet. L’importance d’établir des modèles de prédiction de durée de vie en fatigue pour les structures composites est mise en avant. La deuxième partie de ce rapport a pour but de réaliser un état de l’art exhaustif sur les différents domaines touchés par ce projet de recherche. On y retrouve une analyse des mécanismes d’endommagement se développant dans les matériaux composites unidirectionnels et tissés ainsi qu’une présentation des différentes méthodes de modélisation de l’endommagement ayant été développées. Les approches par éléments finis permettant de modéliser l’initiation et la propagation de fissures macroscopiques dans les composites sont ensuite présentées, avant de finalement proposer une revue du domaine de monitorage de l’état de santé des structures, et plus particulièrement l’émission acoustique et la corrélation d’image. Ensuite, le récapitulatif des travaux de recherche réalisés est illustré sous forme d’article dans la troisième partie. Des essais statiques de traction ont d’abord permis d’établir les gammes de charge à utiliser pour les essais de fatigue. Ces mêmes essais de fatigue tension-tension ont été menés à différents chargements à l’aide d’un suivi en continu par émission acoustique et corrélation d’image afin de mettre en évidence l’accumulation des mécanismes d’endommagement. Des courbes de durée de vie représentant l’apparition de ces différents mécanismes d’endommagement ainsi que la rupture totale ont pu être proposées. L’observation du paramètre mécanique de rigidité a finalement permis d’établir une approche de modélisation de l’endommagement par le biais d’une variable d’endommagement dans le lignée des modèles phénoménologiques existants.

La présente maîtrise est réalisée à la demande de Recherche et Développement pour la Défense Canada (RDDC) à Valcartier. Dans un contexte militaire, la capacité à caractériser indépendamment un matériau pour la simulation numérique est primordiale for trois raisons. Premièrement, les matériaux utilisés ne sont pas répandus comme ceux utilisés en aéronautique ou bien en construction automobile. Deuxièmement, les paramètres des matériaux spécifiques au domaine militaire sont rarement divulgués. Troisièmement, l’utilisation d’alliages secrètement développés prohibe la caractérisation par une seconde entité. Le présent projet à pour objectif the permettre au RDDC Valcartier d’effectuer de faon indépendante la détermination des paramètres du modèle Johnson-Cook [1] [2] de matériaux ductiles. Pour arriver à ce point, le modèle Johnson-Cook est présenté à partir de la théorie de la mécanique de l’endommagement des milieux continus (CDM). La méthode de caractérisation proposée par Johnson et Cook dans les références [1] et [2] est introduite. Après quoi, les techniques et moyens expérimentaux nécessaires sont également décrits. Le reste du mémoire se concentre sur les paramètres statiques du modèle (A, B, n, D1, D2, et D3), puisqu’ils sont prédominants dans la modélisation de la mécanique de l’endommagement comparativement aux autres paramètres [2], [16], et [27]. Quelques lacunes sont observées dans la méthode proposée par les auteurs du modèle. Finalement, une amélioration est proposée pour la partie statique de la méthode de caractérisation. La technique utilisée pour cette proposition utilise le système photogrammétrique ARAMIS afin de mesurer les déformations locales des échantillons sur tout la plage de temps et de faciliter la corrélation avec les simulations numériques effectuées avec le code explicit Ls-Dyna. / This Master of Science thesis is realized for the Defence Research and Development for Canada (DRDC) Valcartier. In a military context, the capacity to characterise independently the material for numerical simulation is important for three reasons. First, the material used are not widely used as aeronautical and car industries material. Secondly, the material parameters militarily relevant are rarely published. Thirdly, the used of secretly developed alloys could prevent from its characterisation by an external entity. The aim of the present study is to allow the DRDC Valcartier to self-characterize ductile metals for their simulation with the model Johnson-Cook, proposed in [1] and [2]. To get to this point, the Johnson-Cook model is presented starting from the CDM theory. The characterization method proposed by Johnson and Cook in [1] and [2] is introduced. Then, the experimental tests and equipments are described. After what, the work is focused on the static parameters (A, B, n, D1, D2, and D3), since those parameters are predominant compared with others in damage mechanics [2], [16], and [27]. Few lacks are pointed out of the suggested method. Finally, an improvement of the static part of the characterization method is proposed and tested. This added part includes the used of the photogrammetry system ARAMIS to monitor the experimental tests and simulation of those tests with LS-Dyna.

À l'âge actuel des composites, les développements industriels reposent en grande partie sur l'utilisation d'outils numériques pour le dimensionnement et l'optimisation des structures et des matériaux. Face au challenge scientifique que représente la construction de ces outils, on propose de rassembler les travaux menés par les communautés macro- et micro- mécanique. Pour cela, on considère des cadres de modélisation et de simulation suffisamment larges pour contenir l'ensemble des mécanismes, situés à différentes échelles et appartenant à différentes physiques, qui pilotent le comportement mécanique et la durée de vie des composites. Les modèles ainsi dérivés, appelés matériaux virtuels, sont i) utilisables tant en calcul de structure qu'en optimisation matériau, ii) extrapolants pour les chargements sévères et les grandes durées de vie, iii) génériques pour des familles entières de matériaux. La thèse présentée ici initie la construction d'un matériau virtuel pour les composites tissés à matrice céramique auto-cicatrisante développés par Snecma Propulsion Solide, et plusieurs briques ont été étudiées. i) Au niveau macroscopique, le comportement mécanique est analysé au travers d'un modèle écrit dans le cadre de la théorie de l'endommagement anisotrope et unilatéral. On discute d'abord du cadre même de la théorie, différentes formulations et lois d'évolutions sont alors comparées. Puis on discute de l'implémentation numérique des modèles proposés, et des exemples de calculs de structures industrielles sont présentés. ii) À l'échelle du tissu, pour traiter la fissuration inter-fil, une méthode basée sur la mécanique de l'endommagement à taux limité en quasi-statique est analysée et illustrée par des exemples de calculs à la propagation. iii) Toujours à cette échelle, la fissuration intra-fil transverse est introduite au travers d'un modèle continu avec déformation inélastique, homogénéisé à partir d'un modèle discret avec frottements situé à l'échelle fibre. Des exemples de calculs sur des tissus réalistes sont présentés. iv) Pour finir, le point clef de la thèse : à l'échelle fibre la durée de vie est analysée au travers d'une approche novatrice de la propagation sous-critique des défauts dans les céramiques. Elle unifie les propagations classique et sous-critique, ainsi que les propagations reaction- et diffusion-controlled, via un simple couplage entre la mécanique de la rupture et des problèmes de diffusion/réaction. Elle est validée sur le cas des fibres Hi-Nicalon.

L’étude présentée s’inscrit dans un programme de recherche mené par l’Université de Sherbrooke (UdeS) pour le ministère des Transports du Québec (MTQ) sur la détection de l’endommagement par des mesures de vibrations ambiantes sur un pont routier en service. La méthode s’appuie sur la mise à jour automatique des propriétés physiques d’un modèle numérique d’un pont de façon à reproduire les fréquences et modes propres de la structure mesurés expérimentalement. Pour cette étude, le logiciel commercial FEMtools a été utilisé. L’ouvrage ciblé est le pont Est de la Rivière-aux-Mulets situé à Sainte-Adèle (Qc) sur l’autoroute des Laurentides (autoroute 15) sur lequel des essais d’analyse modale ont été effectués sous vibrations ambiantes en novembre 2013. L’étude présentée porte essentiellement sur la phase d’ingénierie la plus délicate du processus de détection d’endommagement par mise à jour d’un modèle numérique, soit la définition et le recalage du modèle initial. Pour cela, un modèle du pont par éléments finis a été développé sous le logiciel Abaqus, puis a été exporté vers FEMtools selon une procédure qui a été établie. Avant d’utiliser le logiciel FEMtools pour le recalage automatique du modèle, une brève étude de vérification des capacités du logiciel à recaler un modèle et à détecter de l’endommagement est effectuée à partir d’un cas d’étude connu étudié antérieurement à l’UdeS (cadre de deux étages en béton armé endommagé sismiquement). Puisque les algorithmes de recalage automatique de modèles par éléments finis sont très sensibles à plusieurs variables et choix définis par l’utilisateur et que le problème de recalage est fortement sous-déterminé, le risque d’obtenir des résultats incohérents est grand si on ne suit pas une démarche rigoureuse. Une méthodologie en cinq étapes adaptée aux problématiques de pont est donc proposée et appliquée au cas du pont de la Rivière-aux-Mulets. Les résultats du recalage en termes de réductions de rigidité des sections de béton par rapport aux rigidités initiales supposées sont cohérents avec les comportements statique et dynamique attendus d’un pont routier en service. Pour en arriver à ce résultat, plusieurs tentatives de recalage ont été effectuées. Un échantillon de ces cas d’études est présenté, montrant notamment l’influence dans le processus de la définition et du nombre des paramètres de recalage, de leurs valeurs initiales, de la complexité des modes expérimentaux et du critère de convergence utilisé. Il est aussi montré que des résultats de recalage manifestement erronés permettent parfois d’identifier des erreurs majeures de modélisation, ce qui est un atout important de la méthode. Finalement, plusieurs scénarios d’endommagement fictifs imposés numériquement sont étudiés pour évaluer brièvement la capacité de FEMtools à détecter de l’endommagement sur le pont. Les résultats montrent notamment que la précision de la détection est grandement améliorée par l’utilisation d’un nombre croissant de modes expérimentaux.

La technique de collage est déjà largement utilisée en Génie Civil dans le cadre de la réparation d'ouvrages, et la voie semble ouverte pour le développement de nouvelles applications en collage structural (connexions de ponts mixte acier/béton, assemblages de structures en béton fibré, etc.). Il existe donc une demande croissante de la part des maîtres d'œuvre pour disposer d'un outil de modélisation permettant de prévoir la durabilité de ce type d'assemblages collés. L'objectif de ce travail de thèse est justement de développer un modèle mécanique prédictif capable d'intégrer les propriétés physico-chimiques de l'adhésif et leurs évolutions dans le temps. La première partie de ce mémoire rassemble les données bibliographiques concernant les mécanismes de vieillissement des adhésifs époxydes utilisés en génie civil ainsi que les modèles phénoménologiques qui décrivent ces phénomènes en terme de cinétique. Il est également ressorti de cette étude, que les modèles mécaniques de zone cohésive sont particulièrement adaptés pour simuler le processus complexe de fissuration des interfaces dans les assemblages collés. Certains de ces modèles font intervenir des paramètres autres que mécaniques dans les équations d'évolution de l'endommagement surfacique et permettent prendre en compte de manière élégante les lois d'évolutions physico-chimiques des adhésifs. La seconde partie est consacrée à l'étude expérimentale des phénomènes de vieillissement des adhésifs massiques et des joints adhésifs dans les assemblages collés. Les effets du vieillissement physique et du vieillissement en milieu humide ont été analysés, mettant en évidence des différences de comportement entre les adhésifs massiques et les joints de colle, qui peuvent être attribuées à des effets d'interface et à des répartitions de contraintes spécifiques dans le polymère confiné au sein des joints. Les modèles phénoménologiques issus de la littérature ont ensuite permis de dégager des lois de comportement visant à prédire l'évolution des propriétés de ces adhésifs au cours du temps. La dernière partie du travail a permis de développer un outil de modélisation mécanique basé sur la théorie du premier gradient de l'endommagement, qui permet de décrire l'état de l'interface dans les assemblages collés à travers une variable d'endommagement. L'originalité de ce modèle réside dans le fait que les équations d'évolution de l'interface font intervenir des coefficients caractéristiques du comportement physico-chimique de l'adhésif. Dans un premier temps, le modèle a été confronté à l'expérience dans une configuration simplifiée de traction homogène. Les expérimentations ont mis en évidence des phénomènes de raidissement du joint en début d'essai puis de fluage aux temps longs, qui n'étaient pas prévus par le modèle initial. Les équations d'évolution ont donc été modifiées pour tenir compte de la nature viscoélastique du polymère, ce qui a permis de valider le modèle dans les conditions de chargement et de déchargement des assemblages collés. Nous avons ainsi pu identifier quatre des cinq coefficients du modèle relatifs au comportement de l'adhésif. Dans un second temps, une configuration expérimentale non homogène a été proposée afin de valider le modèle pour un problème avec gradient d'endommagement, et identifier le dernier coefficient théorique. Des études ultérieures pourront se baser sur ce modèle optimisé pour dégager les lois d'évolution des coefficients théoriques en fonction des phénomènes de vieillissement mis en évidence sur les joints adhésifs.

Les canalisations en polyéthylène haute densité (PEHD) prennent une part de plus en plus importante dans les réseaux de distribution d'eau potable. Pour assurer une bonne qualité microbiologique de l'eau distribuée, des agents désinfectants, comme le chlore, sont introduits dans les réseaux. La durabilité de ces tuyaux, initialement prévus pour durer 50 ans, est un enjeu capital pour Veolia, qui souhaiterait disposer d'un modèle de prédiction de durée de vie, tenant compte à la fois, des mécanismes de dégradation du PE au contact du chlore et de l'impact sur la tenue mécanique du tube. Pour cela, deux modèles physiquement motivés sont proposés : l'un prédit l'état physico-chimique du PE suite à sa dégradation au contact d'agents chlorés, tandis que l'autre estime la durée de vie résiduelle d'un tube dégradé, initialement fissuré. Le modèle cinétique de dégradation chimique est issu de la thermo-oxydation du PE auquel des réactions d'amorçage radicalaire dues au chlore ont été ajoutées. Les constantes de vitesse et les coefficients de diffusion sont déterminés à partir des résultats expérimentaux sur échantillons vieillis de façon accélérée. L'impact de l'oxydation sur le comportement mécanique en fluage du PE est étudié à partir de matériaux modèles représentatifs d'un état neuf et d'un état vieilli. Les mécanismes d'endommagement et de rupture sont analysés en fonction du degré de vieillissement. Le modèle mécanique s'intéresse à la propagation d'une fissure, amorcée par l'oxydation sur la surface en contact avec le désinfectant. Deux méthodologies sont proposées pour prédire la durée de vie résiduelle d'un tube : l'approche globale qui repose sur une courbe maîtresse C* = f (tR), et l'approche locale qui s'inspire des mécanismes d'endommagement et modélise ainsi la rupture grâce à un code de calcul par éléments finis. La loi de comportement utilisée dans ce cas s'appuie sur les résultats expérimentaux obtenus aux échelles macroscopique et microscopique.

La présente étude a pour objectif d'identifier non seulement la position mais également la réduction locale de rigidité au sein d'une zone endommagée d'une plaque mince composite. Pour cela, des mesures de champs de pentes par déflectométrie sont couplées à une technique d'identification inverse dédiée au traitement des mesures de champs : la méthode des champs virtuels. Cette méthode se base sur l'écriture de l'équilibre global via le principe des travaux virtuels. Elle a été adaptée ici pour identifier des rigidités spatialement variables. Deux paramétrisations ont été étudiées : discrète (par morceaux) et continue (polynômes). Dans ce document, la procédure est décrite en détail, validée sur des simulations puis testée expérimentalement. Les résultats confirment le potentiel de la méthode dans différents cas. Néanmoins, elle est mise en défaut lorsque l'hypothèse de distribution linéaire des déformations dans l'épaisseur n'est plus vérifiée, ce qui est le cas d'un délaminage unique sur le plan moyen de la plaque, par exemple. Ce cas de figure est heureusement assez éloigné d'un endommagement par impact réel et un premier résultat sur plaque impactée le confirme.