Le travail concerne le comportement des plaques et coques soumises à des charges dynamiques dues à des explosions des mélanges gazeux. Des problèmes mécaniques d'apparition des fissures et d'endommagement ductile sont analysés. En introduction, la revue de la littérature a été présentée ainsi que les théories actuellement les plus souvent utilisées dans ce domaine. Une brève description des outils numériques qui ont servi dans l'étude a été également donnée. Les essais expérimentaux et les résultats des mesures ont été discutés dans la deuxième partie du mémoire. Ils ont permis d'identifier les paramètres matériels du modèle constitutif viscoplastique et d'endommagement nécessaires pour mener une analyse numérique du comportement des plaques, de faire la vérification des nombreuses simulations discutées à la fin du travail. Dans les conclusions, est présenté le bilan des modélisations en exposant surtout celles qui ont conduit à de meilleurs résultats.L'auteur discute les hypothèses utilisées, les limitations du modèle et esquisse desperspectives et l'évolution possible à l'avenir.

Le travail concerne le comportement des plaques et coques soumises à des charges dynamiques dues à des explosions des mélanges gazeux. Des problèmes mécaniques d’apparition des fissures et d’endommagement ductile sont analysés. En introduction, la revue de la littérature a été présentée ainsi que les théories actuellement les plus souvent utilisées dans ce domaine. Une brève description des outils numériques qui ont servi dans l’étude a été également donnée. Les essais expérimentaux et les résultats des mesures ont été discutés dans la deuxième partie du mémoire. Ils ont permis d’identifier les paramètres matériels du modèle constitutif viscoplastique et d’endommagement nécessaires pour mener une analyse numérique du comportement des plaques, de faire la vérification des nombreuses simulations discutées à la fin du travail. Dans les conclusions, est présenté le bilan des modélisations en exposant surtout celles qui ont conduit à de meilleurs résultats.L’auteur discute les hypothèses utilisées, les limitations du modèle et esquisse desperspectives et l’évolution possible à l’avenir. / The work presents the investigation in the response of plate-shell structures subjected to impact loadings (gas mixture explosions). This phenomenon is studied in the context of its mechanical aspects, mainly the ductile fracture prediction. The work starts with the literature review and the description of theories, which are nowadays the most popular in the damage and fracture modelling. After selecting the theoretical models and the numerical tools for the further analysis, the detailed report of all realized experimental tests and their results ispresented. Then, for the assumed constitutive and damage laws, the identification of material and fracture criteria parameters is realized. Finally, the numerical simulations are performed and their results, verified by the experiments, are summarized and commented.The work finishes with the conclusions, where the best approaches (from those, which havebeen tested) are pointed, all assumptions or limitations used in the study are discussed and the objectives for the further research are indicated.

Ce travail de thèse a pour but de contribuer à l'étude du comportement thermomécanique des matériaux métalliques soumis à un impact balistique. Des études expérimentales, analytiques et numériques ont été réalisées pour analyser en détail le processus de perforation. Deux matériaux ont été étudiés au cours de ce travail : un acier doux ES et un acier IF. Dans un premier temps, des essais de caractérisation mécanique (traction et compression quasi-statique et dynamique) ont été réalisés en vue de la modélisation du comportement mécanique des matériaux étudiés. Les résultats montrent que l'acier doux ES et l'acier IF sont très sensibles à la vitesse de déformation. Deux modèles constitutifs, l'un empirique (Johnson-Cook) et l'autre semi-physique (Rusinek-Klepaczko) ont été utilisés pour modéliser le comportement thermoviscoplastique des matériaux. Une identification complète des constantes définissant les deux modèles a été réalisée pour chaque matériau en vue de l'implémentation des lois dans un code éléments finis pour la simulation numérique des essais d'impact et de perforation. Le comportement à l'impact des matériaux a ensuite été étudié. Les essais d'impact et de perforation ont été réalisés à l'aide d'un canon à gaz. L'influence de la géométrie du projectile, des propriétés mécaniques du matériau le constituant, de l'épaisseur de la cible et de sa configuration (sandwich ou monolithique) sur le processus de perforation a été analysée. Les résultats montrent que le mode de rupture, la limite balistique et la capacité d'absorption d'énergie de la cible métallique sont fortement liés à la forme du projectile utilisé. Il a été montré que les cibles métalliques monolithiques résistent mieux à la perforation que les configurations sandwichs (épaisseur totale inférieure ou égale à 4 mm). En outre, il a été trouvé que la limite balistique de la cible est fortement influencée par la rigidité du projectile utilisé. Enfin un modèle EF 3D a été développé permettant de simuler le comportement mécanique des cibles métalliques soumises à l'impact et à la perforation. Les résultats issus des prévisions numériques ont été comparés aux résultats expérimentaux. Il a été observé de façon globale un bon accord entre les prévisions numériques et l'expérience notamment en termes de courbes balistiques, d'énergie absorbée, de modes de rupture et de temps de rupture pour chaque type de projectile. Les résultats numériques montrent l'importance d'une description précise du comportement des matériaux dans les conditions dynamiques basée sur des expériences de laboratoire incluant les effets d'adoucissement thermique, d'écrouissage et de sensibilité à la vitesse de déformation, dans la modélisation numérique de processus physiques / This thesis aims to contribute to the study of the thermo-mechanical behaviour of metallic materials subjected to ballistic impact. Experimental, analytical and numerical studies were performed to analyze in details the process of perforation. Two materials have been investigated in this work : mild steel ES and IF steel. As a first step, mechanical characterization tests (tensile and compression tests under quasi-static and dynamic conditions) As have been made towards to modeling the mechanical behaviour of the materials studied. The results show that mild steel ES and IF steel are highly susceptible to the strain rate. Two constitutive equations, one empirical (Johnson-Cook) and other semi-physical (Rusinek-Klepaczko) were used to model the thermoviscoplastic behaviour of materials. A complete identification of constants defining the two models was carried out for each material in order to implements the constitutive laws into a finite element code for the numerical simulation of impact and perforation tests. The behaviour of materials under impact was then examined. The effect of the projectile shape, the mechanical properties of the projectile material, the target thickness and it is configuration (monolithic or sandwich) on the perforation process was analyzed. The results show that the failure mode, the ballistic limit and the energy absorption power of the metal target are strongly related to the shape of the projectile used. It has been shown that the monolithic targets plates are more strong to be perforate than the sandwich configurations (total thickness less than or equal to 4 mm). In addition, it was found that the ballistic limit of the target is strongly influenced by the rigidity of the projectile used. Finally, a 3D FE model was developed to simulate the mechanical behaviour of metal targets subjected to ballistic impact. The results from the numerical predictions were compared with experiments. It has been observed globally a good agreement between the numerical predictions and experiments especially in terms of ballistic curves, energy absorbed, failure modes and failure time for each kind of projectile. The numerical results show the importance of an accurate description of materials behaviour under dynamic conditions based on laboratory experiments including thermal softening effects, strain hardening and strain rate sensitivity in numerical modeling of physical processes

L'introduction de l'écrouissage dans l'étude de l'adaptation élastoplastique est abordée ici, en particulier lorsque celle-ci impose de se placer en plasticité non associée. Le cadre des matériaux standards généralisés (MSG) n'étant plus adapté dans ce dernier cas, une approche alternative, fournie par le concept de matériaux standards implicites (MSI), est alors utilisée. En particulier, on présente dans ce travail l'étude d'exemples caractéristiques en adaptation élastoplastique par le modèle des MSI, soit par l'approche du bipotentiel. <br /> Un premier exemple concernant une éprouvette sous traction constante et torsion alternée est traité en utilisant la méthode pas à pas puis dans le cadre des MSI. La confrontation des résultats porte aussi bien sur le facteur d'adaptation que sur les contraintes internes. La comparaison entre les prédictions du calcul incrémental et celles de la solution analytique puis de la programmation mathématique, construites par l'approche du bipotentiel, montre une très bonne concordance. <br />La deuxième partie de l'étude est consacrée aux structures de type coques minces. Après avoir constaté que l'implémentation du problème de borne statique dans le cas de l'écrouissage cinématique linéaire limité nécessite d'imposer explicitement la limitation des contraintes internes pour que les résultats soient mécaniquement acceptables, il est montré que le cadre des MSI permet de construire un problème de borne cinématique. Son implémentation donne un encadrement très précis du facteur d'adaptation entre les facteurs cinématique et statique. Enfin, une règle d'écrouissage cinématique non linéaire et un bipotentiel sont construits pour les coques minces.

Cette étude, réalisée dans le cadre d'une thèse co-financée par la région Bretagne et l'Union Européenne, a pour objectif l'étude expérimentale et numérique du retour élastique après emboutissage. Ce phénomène, néfaste aux procédés de mise en forme dans le contexte industriel, modifie la forme finale des pièces fabriquées. Le retour élastique est issu des contraintes résiduelles, engendrées lors de la mise en forme, qui se relaxent lors du retrait des outils et des différentes étapes de découpe. L'étude porte sur deux alliages d'aluminium : Al5754-O et Al6016-DR130-T4. Leur caractérisation mécanique est réalisée à partir d'essais de traction et de cisaillement monotone et cyclique, afin de mesurer l'effet Bauschinger. La détermination des paramètres matériaux de lois de comportement élastoviscoplastiques à écrouissage isotrope et mixte, associés à des critères de plasticité isotrope ou anisotrope, a été réalisée. Des essais d'emboutissage de godets cylindriques ont été effectués à température ambiante pour les deux matériaux. Le retour élastique est mis en évidence après la découpe d'un anneau dans le mur d'un godet, puis l'ouverture de celui-ci. Différents paramètres expérimentaux comme l'effort de serre-flan et la vitesse d'avance du poinçon ont été étudiés dans le cas de l'alliage d'aluminium Al6016. Ces essais ont permis de constituer une base de données expérimentale conséquente pour les deux matériaux. La modélisation du procédé d'emboutissage a été réalisée avec le code de calcul par éléments finis Abaqus, ainsi que la prédiction du retour élastique. Plusieurs paramètres numériques comme le type d'éléments finis, la forme du maillage ou le procédé de découpe numérique, ont été étudiés. Cela a permis d'établir une configuration numérique de référence pour tester l'influence de la loi de comportement sur la modélisation du procédé d'emboutissage et la prédiction du retour élastique. Un dernier aspect envisagé dans notre étude concerne l'influence de la température sur le procédé de mise en forme et le retour élastique. La température joue un rôle important lors des différentes phases de mise en forme, engendrant une importante diminution des efforts mis en jeu et également du retour élastique. L'étude porte sur l'alliage d'aluminium Al5754 et sur une gamme de température comprise entre 25 et 200°C. La modélisation des effets de la température est réalisée en utilisant un modèle de comportement élastoviscoplastique à écrouissage isotrope prenant en compte la température et couplé à un critère de plasticité isotrope.

Le mémoire porte sur le développement d'un modèle micromécanique d'endommagement des roches quasi-fragiles. Ce modèle basé sur une approche micro-macro est destiné à enrichir la compréhension physique du comportement quasi-fragile et donc la formulation des modèles phénoménologiques. Pour arriver à ce but, les mécanismes physiques d'endommagement fragile sont tout d'abord étudiés. Le modèle physique de la fissure inclinée glissante est finalement retenu. Après avoir précisé les concepts de base des approches micromacro, différents modèles théoriques d'estimation des propriétés effectives des milieux contenant un nombre important de mésofissures ouvertes ou fermées sont analysés. Leurs prédictions sont évaluées et comparées à de nombreuses simulations numériques directes réalisées à l'aide d'une méthode de discontinuité de déplacement. Ces travaux constituent donc un préalable à l'étude de l'endommagement par mésofissuration des milieux élastiques fragiles. Le modèle dans sa version de base (utilisation de matrice sécante) est limité aux sollicitations de traction simple ou de compression triaxiale. Les mécanismes de déformation considérés sont la création, la croissance de mésofissures et le frottement sur les lèvres de mésofissures fermées. L'analyse et le test des prédictions de cette modélisation sur le comportement du grès permet d'établir une base de développement pour une formulation incrémentale du modèle. Cette seconde formulation autorise la description de la réponse des matériaux sous des trajets de chargement plus généraux : chemins de chargement cycliques, chemins proportionnels, extension latérale, etc.. Elle permet également d'aborder certaines spécificités du comportement des matériaux étudiés telles le contact unilatéral des lèvres de mésofissures. Enfin, l'étude des chemins de déchargement confirme le rôle clé du frottement en exhibant des déformations résiduelles ou des boucles d'hystérésis liées à celui-ci.

Dans un contexte mondial d’accroissement de la demande en travaux souterrains en sites urbains, l’ingénieur doit disposer d’outils et de méthodes performants pour concevoir des ouvrages sûrs, à risques évalués et maîtrisés. La prévision des tassements provoqués par le creusement de tunnels en site urbain repose largement sur des méthodes empiriques. Dans ce mémoire, on propose une méthode de prévision des tassements pour des tunnels creusés par la méthode conventionnelle avec présoutènements. Cette méthode est basée sur des modèles éléments finis tridimensionnels avec CESAR-LCPC. On s’intéresse d’abord aux spécificités des tunnels urbains, et aux limites des différentes méthodes empiriques et numériques. On introduit ensuite une loi de comportement du sol qui combine une élasticité non-linéaire et une isotropie transverse. Le modèle reproduit le profil, notamment la largeur, des cuvettes de tassements empiriques de référence et facilite les études de sensibilité. Le dimensionnement des présoutènements, boulons en fibre de verre et voûte parapluie, est ensuite décrit pour la maîtrise des tassements. La dernière partie est une étude de cas d’une conception par analyse de risques d’un ouvrage représentatif du contexte du Grand Paris Express / In a context of increasing demand for underground works in urban areas worldwide, the engineers must have efficient tools and methods to design safe structures, with assessed and managed risks. The prediction of settlements due to urban tunnelling is mainly made with empirical methods. In this dissertation, we propose a method of settlements prediction for tunnels built using conventional methods (i.e. without TBM), with reinforcements. This method is based on three dimensional finite element models with CESAR-LCPC. In the first place, we present the specificities of urban tunnels, and the limitations of numerical and empirical methods. Then, we introduce a constitutive model for the soil which combines a non-linear elasticity and a cross-anisotropic behaviour. This model reproduces the shape, and especially the width, of the reference empirical settlement troughs and permits easy sensitivity analysis. The design of reinforcements, fibreglass bolts and umbrella arches, is then described for the purpose of reducing the settlements. The last section is a case study of risk analysis design for a tunnel typical for the context of the Grand Paris Express project

Fruit d'une expérience de recherche de près de 30 ans dans le domaine des cavités salines, ce mémoire présente succinctement le problème industriel à l'origine de mes recherches. Qu'il s'agisse d'exploitation de sel par dissolution ou de cavités de stockage, le problème industriel ouvre en effet de nombreux axes de recherche dans diverses disciplines concernant les géomatériaux avec en particulier un couplage thermomécanique dans un matériau élastoviscoplastique subissant des transformations finies. La partie "Comportement mécanique des roches salines" rappelle les notions de base de lois de comportement d'un matériau solide et souligne deux difficultés actuelles concernant le sel gemme. Le premier problème est relatif au frettage au niveau des plateaux de la presse au cours des essais classiques de laboratoire qui peut fausser la détermination des lois qui régissent l'endommagement et la rupture de la roche (phénomène non souhaité d'hétérogénéité des contraintes dans l'éprouvette). Une démarche déjà proposée par l'auteur est utilisée pour montrer que les mêmes résultats de laboratoire concernant le phénomène de dilatance (endommagement) peuvent être interprétés par un modèle rhéologique dans lequel le matériau ne subit L'endommagement que lorsque l'une des contraintes principales est une traction. La seconde difficulté relève du caractère restreint de la gamme de validité de certaines lois classiques proposées pour décrire le comportement ductile des roches salines et en particulier la gamme de variation des contraintes (prise en compte des faibles déviateurs). Ce phénomène concernant le comportement des roches salines sous faibles déviateurs était déjà connu et ici, il est illustré par un exemple théorique original. Le chapitre "Modélisation des ouvrages souterrains" souligne l'intérêt des modélisations 1D (malgré les hypothèses simplificatrices sur la géométrie des ouvrages souterrains) et attire l'attention sur le fait qu'un modèle rhéologique qui ne représente pas correctement le comportement sous faible déviateur peut conduire à des résultats bien différents de ce qui se passe in situ. Le problème était déjà connu mais méritait que l'on y insistât avec un exemple qui peut être décliné sous diverses variantes. Dans le cadre général de la thermoélasto-viscoplasticité, il est possible d'expliquer la forte influence des faibles déviateurs sur la variation du volume d'une cavité. Par ailleurs, une méthodologie simple de prise en compte de la phase de lessivage en mécanique est présentée. On revient alors sur cette mobilité des parois des cavités durant la phase de lessivage dans le chapitre "Prise en compte du lessivage des cavités salines" mais cette fois avec l'aspect thermique. En effet, les logiciels qui modélisent le phénomène physico-chimique de dissolution ont besoin de la température dans la cavité avec une bonne précision. Aborder le problème thermique dans sa généralité (2D ou 3D) est pour le moment relativement difficile. Mais l'on peut contourner la difficulté par un modèle qui combine astucieusement des approches 1D cylindrique autour du puits, 1D sphérique autour de la cavité et 0D dans le fluide contenu dans la cavité. Une méthode originale pour le choix du modèle sphérique est décrite. Son utilisation pour un cas réel de cavité de stockage de gaz est encourageante.

Cette thèse aborde à la fois des aspects comportementaux et numériques de la réponse mécanique du massif rocheux au creusement d'un tunnel. La comparaison de critères existants a mis l'accent sur quelques points clefs, comme la dépendance du critère à la contrainte moyenne et le ratio d'extension. Une fonction de charge, aisément identifiable à partir des essais, au caractère régulier et convexe, capable de tenir compte de la forme de l'enveloppe de Mohr du critère, ainsi que du ratio d'extension, a été proposée : on peut ainsi réaliser des formes régularisées des critères de Mohr-Coulomb et de Hœk-Brown. Le développement de ce nouveau critère a été complété par la proposition d'une méthode d'abaques numériques, accélérant grandement la résolution. Pour le critère proposé, le problème physique est équivalent à un problème purement géométrique, en coordonnées polaires dans le plan. On peut ainsi constituer des abaques numériques qui permettent d'obtenir directement la valeur des déformations plastiques, ce qui diminue drastiquement le temps de calcul Les méthodes de calcul des tunnels ont fait l'objet d'une synthèse biblio- graphique, précisant les domaines et les limites d'emploi des méthodes utilisées par les ingénieurs pour dimensionner les tunnels. La modélisation du creusement des tunnels a été réalisée à l'aide de l'algorithme stationnaire, conçu pour calculer le comportement de systèmes soumis à des chargements mobiles. Cet algorithme a été programmé pour intégrer le nouveau critère et la méthode des abaques numériques. Les outils ainsi développés ont pu être confrontés à un cas d'étude réel, à partir de données fournies par l'Agence Nationale de Gestion des Déchets Radioactifs (ANDRA) au titre du projet européen MODEX-REP (projet s'insérant dans le cadre du 5e plan EURATOM de la commission européenne). L'étude de ces données a permis de définir une variable de dégradation de la roche, aisément identifiable et permettant de paramétrer le critère pour la roche endommagée.

L'épidémiologie des anévrismes de l'aorte est un problème de santé publique majeur dans les pays industrialisés. Cette pathologie peut engendrer la mort du patient en cas de rupture de l'anévrisme. Actuellement les critères d'intervention chirurgicale sont basés sur la morphologie de l'anévrisme et il existe des difficultés à évaluer correctement le risque de rupture pour chaque patient. L'objectif de cette thèse était de développer une méthode d'identification des propriétés mécaniques de la paroi artérielle de manière personnalisée permettant d'affiner les critères d'intervention chirurgicale. Des essais de gonflement utilisant des mesures de champs et le développement d'une méthodologie d'analyse ont permis de quantifier la distribution des contraintes des anévrismes de manière expérimentale et de mettre en évidence l'apparition des affaiblissements ponctuels dans la paroi afin de prédire la localisation de la rupture de l'anévrisme. Ensuite, une méthode d'identification de propriétés mécaniques a été mise en place pour mettre en évidence l'hétérogénéité du tissu artériel et pour localiser les endroits à l'origine de la rupture du tissu. L'identification des lois de comportement à partir de données expérimentales issues de patients permettra d'améliorer les modèles numériques artériels utilisées aujourd'hui. De plus, la méthodologie créée pour l'analyse de la rupture d'anévrismes pendant cette thèse ouvre la porte à une étape qui vise à développer la caractérisation mécanique in-vivo par l'utilisation de l'imagerie médicale. L'objectif final sera d'évaluer le risque de rupture de l'anévrisme de chaque patient de manière non-invasive.