Le soudage par friction malaxage « Friction Stir Welding » est un procédé d'assemblage de pièces en phase semi solide. Le cordon de soudure est obtenu grâce à un outil de révolution composé d'un épaulement et d'un pion. Ce procédé utilise le principe de la conversion de l'énergie mécanique en énergie thermique par frottement de l'outil avec les pièces à assembler. Ce travail de thèse est une contribution à la modélisation expérimentale et à la simulation numérique de ce procédé permettant de fournir des modèles pour aider à la compréhension des phénomènes thermiques et mécaniques ainsi que les interactions entre les paramètres de soudage. Les études expérimentales sont principalement orientées vers la caractérisation de l'écoulement de matière à l'aide de marqueurs et vers l'optimisation des paramètres du procédé. L'effet de la géométrie de l'outil (outil à pion cylindrique ou outil avec méplats) sur l'écoulement de la matière au cours du soudage est étudié. Pour représenter la géométrie de l'écoulement et prédire les champs thermiques et mécaniques à l'état stationnaire, des modèles formulés sur la base de la dynamique des fluides sont adoptés dans la présente thèse. Deux modèles thermomécaniques sont développés: (1) un premier modèle numérique construit sous Fluent permet d'étudier le comportement thermomécanique et l'écoulement au cours du soudage FSW. Une loi de comportement dépendante de la température et de la vitesse de déformation est utilisée et une discussion sur les conditions de contact entre l'outil et les plaques à souder est présentée. Les résultats de l'écoulement sont comparés avec ceux obtenus expérimentalement dans le cas de suivi des trajectoires de particules de cuivre. (2) un deuxième modèle original basé sur une procédure itérative est mis en œuvre permettant le soudage de plaque de grandes dimensions. En effet, pour une meilleure prise en compte des conditions aux limites thermiques, un modèle thermomécanique construit autour de l'outil de soudage et couplé avec un modèle thermique pour tout le reste du domaine étudié. Ce modèle permet de prendre en compte le transfert de chaleur dans l'outil et dans la plaque support. Les cycles thermiques et la plage de viscosité pour deux alliages d'aluminium (AA7020-T6 et AA6061-T3) sont analysés et comparés avec succès aux résultats expérimentaux. Les efforts et le couple de soudage calculés numériquement sont validés par rapport à la littérature. / The friction stir welding is a process for assembling a semisolid phase parts. The weld seam is achieved by a revolution tool consists of the shoulder and the pin. This process converts the mechanical energy into heat energy by friction of the tool with the parts to be joined.This thesis is a contribution to the experimental modeling and numerical simulation of this process in order to provide models to assist in understanding the thermal and mechanical phenomena and interactions between the welding parameters. Experimental studies are used for the characterization of the material flow with markers and to optimize the process parameters. The effect of tool geometry (cylindrical pin or tool with flats) on the material flow during welding is studied. To represent the flow geometry and predict the thermal and mechanical fields in the steady state, CFD models are adopted in this thesis. Two thermomechanical models are developed: (1) first numerical model is used to study the thermomechanical behavior and flow during FSW. FLUENT is employed to solve the coupled thermal and fluid flow equations. A behavior law depending on temperature and strain rate is used and a discussion on the contact conditions between the tool and the workpieces is presented. The results of the flow are compared with those obtained experimentally in the followed case of trajectories copper particles. (2) A second original model based on iterative procedure is implemented to welding large plates. To take account the correctly thermal boundary conditions, a thermomechanical model built around the welding tool and coupled with a thermal model for the rest of the area studied. This model allows taking into account the transfer of heat in the tool and in the backing-bar. Thermal cycles and the viscosity range for two aluminum alloys (AA7020-T6 and AA6061-T3) are successfully analyzed and compared with experimental results. The loads and torque welding are calculated numerically and validated in the literature.

L'homogénéité des caractéristiques est garantie par une présence en fibres constante en tout point du matériau. La dispersion d'une espèce dans une autre est régie par des mécanismes de convection et/ou de diffusion. Pour des objets de la taille d'une fibre métallique, ces deux phénomènes trouvent leur origine dans le cisaillement appliqué au matériau, une donnée souvent inconnue et difficile à mesurer dans des malaxeurs à béton. Dans un premier temps, nous proposons une méthode permettant d'estimer l'efficacité d'un malaxeur. Elle est basée sur la mesure du diamètre moyen de granules de ciment fabriqués dans ce malaxeur. Nous montrons que la mesure de ce diamètre moyen permet de quantifier le cisaillement moyen. Dans un second temps, nous présentons un moyen de mesurer la dispersion des fibres pendant le malaxage des bétons à base de mesures de résistivité électrique. Puis, dans un troisième temps, nous mesurons la présence en fibres pendant le malaxage et relions le temps nécessaire à l'obtention d'une répartition homogène à la capacité de cisaillement du malaxeur / Fibers are added to the concrete to give it news properties. The homogeneity of these characteristics is assured by a constant presence of fiber as the whole material. The dispersion of one species within another is governed by convection and/or diffusion mechanisms. Concerning objects having the size of steel fiber, these two phenomena are caused by the shearing applied to the material, an unknown and difficult to measure datum in the case of concrete mixer. To begin, a method allowing to estimate the mixer's shearing is suggested. This method is based on the measurement of the medium diameter of cement aggregates produced in the mixer. The link between the medium diameter and the mean shearing is established. In a second time, a mean to measure fiber dispersion from electrical resistivity measurements during the concrete mixing is presented. Then, in a third time, fiber dispersion are measured during mixing. The link between necessary time to obtain an homogeneous distribution and the mixer's shearing ability is established

L'extraction du gluten et de l'amidon de la farine de blé est un procédé en pleine expansion avec le renchérissement des usages non-alimentaires de ces deux produits. Ce procédé repose sur l'aptitude des protéines du blé à former un réseau au cours du malaxage de suspensions farine / eau. Une difficulté majeure auquel ce procédé est confronté est la variabilité de cette aptitude selon la farine. L'enjeu de notre étude est de faire émerger les critères de composition des farines qui déterminent leur comportement dans le procédé amidonnier et de proposer des conduites du procédé adaptées. L'étude s'appuie sur un panel de 40 farines provenant de différents génotypes de blés dont on a déterminé la composition biochimique. On utilise un mélangeur planétaire (P600) couplé à une station de contrôle de la vitesse de mélange et instrumenté en couple et température pour développer le réseau de gluten (Plastographe, Brabender). Les essais sont réalisés à 25°C, pour des vitesses variables (50-110 rpm) et des teneurs en eau contrastées (rapports eau/farine de 70 à 120 g/g). Une relation reliant la durée de développement du réseau de gluten à la puissance de mélange a d'abord été établie. Cette relation fait apparaître deux paramètres propres aux farines, la quantité d'énergie et la puissance de mélange minimale pour développer le gluten. Ces paramètres sont fortement associés au locus glu-1D et à la teneur en protéines polymériques non extractibles au SDS. Par ailleurs, l'inclusion de temps d'arrêt dans le procédé et l'étude des effets d'agents chimiques interférant avec les fonctions thiols nous permet d'affirmer que la mise en place du réseau de gluten obéit successivement à un contrôle temporel puis énergétique. Dans la mesure où la viscosité des suspensions impacte également le procédé, une équation prédictive de celle-ci a été réalisée. Elle prend en compte les teneurs en amidon endommagé et en arabinoxylanes solubles, dans des proportions variables selon la teneur en eau de la pâte. Le rendement en gluten s'est enfin révélé sensible uniquement à la teneur en protéine, pour autant que l'extraction soit réalisée à l'atteinte de l'optimum de développement du réseau. De façon à disposer d'outils prédictifs faciles à mettre en œuvre industriellement, on a évalué les performances de plusieurs tests de qualité d'usage des farines (Farinographe, Alvéographe) et d'un mélangeur récemment développé (Gluten Peak Tester, Brabender). On montre qu'il est possible d'accéder à la plupart des paramètres définis dans ce travail à l'aide de cet appareil. Cette étude fournit ainsi un ensemble de relations pour contrôler le procédé et l'adapter à la farine utilisée. / Gluten and starch extraction out of wheat flour is a developing process due to the growing use of these two products for non-alimentary uses. This process is based on wheat protein abilities to form a network when flour and water are mixed. A difficulty that this process has to face is the variability of this ability among flours. The scope of our work is to determine the flour components that determine their behaviour in the gluten/starch separation process and to propose adapted process control.This study is based on a pool of 40 flours from various wheat genotypes and known biochemical composition. A planetary mixer (P600) coupled with a station controlling mixing speed and measuring torque has been used to develop gluten network (Plastograph, Brabender). Tests were performed at 25°C for varying mixing speeds (50-110 rpm) and contrasted dough water contents (water/flour ratio varying from 70 to 120g/g). A relation predicting mixing duration for network formation according to mixing power has been established. From this relation two parameters characterising flours have been isolated, energy demand and minimum mixing power to develop gluten network. Theses parameters are strongly linked with locus glu-1D and to SDS-unextractable polymeric protein content (UPP) in the flour. Besides, the inclusion of mixing stops in the process and the study of the effects of thiol-interfering chemical reactant has demonstrated that gluten development inclusing successively a temporal and an energetic phenomenon.As dough viscosity also strongly impacts process, a predictive equation of viscosity has been determined. Viscosity is obtained from the calculated effects of damaged starch and soluble arabinoxylans contents, varying with dough water content. Finally, it was whown that gluten extraction yield depends only of flour protein content when extraction is performed out of optimally developped dough,.In order to get tools applicable industrially, the predictive performance of two devices measuring flour quality (Farinograph, Alveograph) and of a novel mixer (Gluten Peak Tester, Brabender) was evaluated. Most of the relevant parameters defined in this work could be obtained out of that novel apparatus. This study hence gives relations to control the process and adapt it to the flour.

Le procédé de soudage par friction et malaxage est un procédé récent qui a été développé au sein de l'institut de soudure britannique "The Welding Institute" au début des années 90. Ce procédé, utilisé généralement en aéronautique, est sans apport de matière et permet de souder principalement des alliages d'aluminium difficilement soudables par les procédés classiques de soudage. Il consiste à malaxer le matériau de base à l'aide d'un outil constitué d'un pion et d'un épaulement frottant sur les faces supérieures des tôles à souder. La modélisation de ce procédé est très complexe puisque ce dernier implique des couplages entre des phénomènes mécaniques, thermiques et métallurgiques. Le malaxage dans le procédé de soudage FSW est difficile à simuler à l'aide de la méthode des éléments finis (en lagrangien) puisque la zone proche de l'outil de soudage est le siège de grandes déformations. Donc le remaillage est nécessaire. Cependant, le remaillage est cher et très difficile pour les problèmes tridimensionnels. Par ailleurs, après un remaillage, il est nécessaire d'interpoler les champs (vitesses, contraintes,...) correspondant à la solution courante, ce qui peut introduire des erreurs supplémentaires dans le calcul (on parle de diffusion numérique). Nous proposons dans ce travail des modèles basés sur la méthode sans maillage dite "Smoothed Particle Hydrodynamics SPH" et la méthode des moindres carrés mobiles (Moving Least Square MLS) pour la simulation de ce procédé. Ces modèles sont formulés dans le cadre lagrangien et utilisent la forme forte des équations aux dérivées partielles. Le premier modèle basé sur SPH considère la zone de soudure comme un fluide non newtonien faiblement compressible et dont la viscosité dépend de la température. Ce modèle est proposé pour la simulation numérique du comportement thermomécanique d'un matériau soudé par le procédé FSW. Dans le deuxième modèle, un algorithme itératif implicite de premier ordre a été proposé, pour simuler le malaxage de la matière dans le cas d'un matériau viscoplastique, en utilisant la méthode MLS et la technique de collocation. Le troisième modèle est un algorithme implicite d'ordre élevé basée sur le couplage de la méthode MLS et la Méthode Asymptotique Numérique MAN. Cet algorithme permet de réduire le temps de calcul par rapport à l'algorithme itératif implicite de premier ordre. La validation de ces trois modèles proposés a été faite par le code industriel Fluent / Friction stir welding is a recent process that has been developed by the British Welding Institute TWI "The Welding Institute" since 1990s. This process, generally used in aerospace, does not need additional material and allows mainly joining plates of aluminum alloys which are difficult to weld by the classical welding processes. It consists in mixing the base material using a tool comprising a pin and a shoulder which heats the plates to be welded by friction. The modeling of this process is very complex since it involves the coupling between mechanical, thermal and metallurgical phenomena. The mixing in welding process FSW is difficult to simulate using finite element method in lagrangian framework since the area near the welding tool is submitted to large deformations. So remeshing procedure is often required. However, remeshing can be very expensive and difficult to perform for three-dimensional problems. Moreover, after remeshing step, it is necessary to interpolate the fields (velocities, constraints ...) corresponding to the current solution, which may lead to additional errors in the calculation (called numerical diffusion). We propose in this work models based on meshless methods called "Smoothed Particle Hydrodynamics SPH" and Moving Least Square method for the simulation of this welding process. These models are formulated in lagrangian framework and use the strong form of partial differential equations. The first model based on SPH considers the welding zone as a weakly compressible non-newtonian fluid and whose viscosity depends on the temperature. This model is proposed for the numerical simulation of thermo-mechanical behavior of a welded material by FSW process. The second model is a first order implicit iterative algorithm proposed to simulate material mixing in the case a visco-plastic behavior using the MLS method and the collocation technique. The third model is a high order implicit algorithm based on the coupling of MLS method and Asymptotic Numerical Method (ANM). This algorithm allows reducing the computation time by comparison with the first order implicit iterative algorithm. The validation of these three proposed models was done by the industrial code Fluent

Les grandes quantités d’eaux usées générées par l’activité humaine doivent être traitées pour minimiser le risque sanitaire et l’impact sur les milieux récepteurs. Les boues résiduaires sont le principal coproduit de ce traitement. Afin de les valoriser, des transformations sont mises en œuvre dans les stations d’épuration pour réduire leur volume et améliorer leur qualité sanitaire. Des problèmes d’écoulement et de mottage sont fréquemment rencontrés par les opérateurs. La caractérisation du comportement rhéologique de ce mélange hétérogène d’eau, microorganismes, fibres, particules colloïdales et non colloïdales, polymères organiques, etc., représente encore de nos jours un challenge scientifique et technique, en particulier lorsque la concentration massique en solides excède 20%. Dans ce travail, une méthodologie complète, associant mesures et modélisation, a été développée afin de caractériser les propriétés rhéologiques, l’adhérence et la cohésion des boues résiduaires. Elle s’adresse à des boues dont le comportement, évalué par un test d’affaissement, s’apparente à celui d’un solide mou et elle peut être mise en œuvre tant que le matériau n’a pas dépassé la limite de plasticité mesurée selon la norme ASTM D 4318, relative aux sols. Dans cette étude, elle a été appliquée à des boues centrifugées, dont la teneur massique en solides était proche de 20%. La méthode expérimentale inclut des essais mécaniques en compression uniaxiale (à très grande déformation, à petite déformation avec un ou plusieurs cycles de charge/décharge) sur un texturomètre de Lloyd Instruments et des essais en cisaillement réalisés sur un dispositif spécialement conçu au laboratoire pour quantifier les propriétés adhésive et cohésive des boues. Ces essais permettent d’identifier le seuil de fracturation du matériau, les ordres de grandeur du module élastique, de la viscosité et du seuil de plasticité, la résilience, les contraintes maximales d’adhésion et de cohésion et, enfin, les énergies d’adhésion. Un modèle mécanique analogique a ensuite été établi. Le comportement viscoélastique et visco-élasto-plastique des boues sous une sollicitation uniaxiale de charge-décharge a pu être simulé par un modèle conceptuel, dit ‘Burgers-Ludwik’, à 7 paramètres rhéologiques. Ce modèle est basé sur les lois mécaniques fondamentales de Hooke, de Newton et sur l'équation de Ludwik pour décrire le comportement plastique d'écrouissage. L’optimisation des paramètres du modèle avec Matlab® a été réalisée avec une méthode de régression multiple non linéaire à plusieurs étapes, ainsi que les calculs des bassins d'attraction et des intervalles de confiance. La sensibilité de la méthodologie à mettre en évidence des changements de propriétés induits par des procédés ou par un stockage a ensuite été évaluée. Il s'est ainsi avéré qu"un malaxage rend le matériau plus adhésif et plus facile à déformer, avec une diminution du seuil et de la rigidité du matériau, et qu’un stockage rend les boues moins cohésives et aussi plus faciles à déformer. / Human daily activities generate a large quantity of wastewater that should be treated in order to minimise the sanitary risk and impacts on the environment. Sewage sludge is the main co-product of the wastewater treatment. Specific processes are implemented to reduce its volume and improve its sanitary quality before valorisation. As dewatered sludge is a mixture of water, microorganisms, fibres, colloidal and non-colloidal particles, organic polymers, etc., with the increase of its solid content, difficulties in pumping, conveying or discharging handling are frequently encountered during these treatments. The rheological characterisation of this heterogeneous material still remains a scientific and technical challenge, especially when solid mass content exceeds 20%. In this work, an entire methodology linking experimental measurements and modelling has been developed to characterise the rheological properties and the stickiness of sewage sludge. This methodology is suitable for sludge behaving as a soft solid (evaluated by slumping test) and as long as the material stays below its plastic limit (by the ASTM D 4318 initially standardized for soils). In this dissertation, the methodology is applied to dewatered sludge of total solid content around 20% by weight. This method includes uniaxial compression tests (from very large deformation to small one with single or two cycles of loading-unloading) using a universal materials testing machine of Lloyd Instrument and shearing tests using a device designed and fabricated in our laboratory for quantifying the sticky properties of sludge. These tests can identify the bioyield of the material, the orders of magnitude of the elastic modulus, viscosity, yield stress and resilience, the maximum adhesive and cohesive stresses, and finally the energy of adhesion. An analogical mechanical model is then established. The viscoelastic and visco-elasto-plastic behaviours under uniaxial cyclic compression can thus be simulated with this conceptual model of 7 parameters, named “Burgers-Ludwik”. This model is based on the fundamental mechanical laws of Hooke, Newton and the equation of Ludwik for simulating plastic hardening of material. A multi-step program based on non-linear multiple regressions is coded to optimize the model parameters with Matlab®. The sensibility of this methodology is highlighted by testing the changes in rheological properties of sewage sludge induced by processing or storage. Mixing makes the sludge more adhesive while storage makes it less cohesive. Both make the sludge easier to deform.

Le procédé Cold Spray (CS) ou projection à froid a été largement étudié en raison de son rendement de projection et de la conservation des propriétés du matériau de départ. Donc, ce procédé a montré des avantages évidents sur la fabrication de différents dépôts à base de cuivre et de ses alliages par rapport à d'autres techniques, comme l’électrodéposition, le Laser Cladding ou la projection thermique. Parmi les alliages de cuivre, le laiton s’implante dans les domaines de l'architecture ou de l'industrie. Malheureusement, aujourd’hui force est de constater qu’il n’existe que très peu de travaux sur les revêtements en laiton qui ne sont réalisés d’ailleurs que par électrodéposition et par aucune autre méthode d’élaboration limitant sérieusement leur utilisation dans de nombreuses applications.Cette thèse s’est appliquée à élaborer des revêtements de laiton et des composites à matrice laiton. La poudre d'alliage de laiton Muntz de composition Cu60Zn40, présentant une résistance à la corrosion parmi les meilleures, a été choisie comme matériau de base des revêtements. Deux méthodes de projection permettant d’éviter les phénomènes d’oxydation ont été sélectionnées : la projection à froid et la projection basse pression. La comparaison entre les deux procédés sur les microstructures, phases, textures, propriétés mécaniques, comportements à l’usure et en corrosion du revêtement Cu60Zn40 a été étudié. De plus, les recherches de ce travail ont porté sur l’optimisation du revêtement par le post-traitement de friction malaxage et par ajout de différents renforts céramiques. Les effets du post-traitement par friction malaxage sur les microstructures, phases, textures, et propriétés mécaniques et les effets des types de renfort et de leurs quantités dans les revêtements composites sur les microstructures, les phases, les propriétés mécaniques et thermiques et les comportements à la corrosion ont été analysés. Les gains de performance obtenus à la fin de cette étude sont finalement concrétisés par la réparation d’une pièce endommagée en Cu60Zn40 avec l’étude des microstructures interfaciales entre le revêtement composite Cu60Zn40 et le substrat Cu60Zn40 ainsi que la détermination des propriétés mécaniques et des comportements tribologiques. / Cold Spray (CS) has been widely investigated owing to its high deposition efficiency and retention of the properties of starting materials. Thus, this process has shown obvious advantages over the fabrication of different copper-based deposits and its alloys over other techniques, such as electroplating, Laser Cladding or thermal spraying. As one of the main copper alloys, brass is implanted in the fields of architecture or industry. Nevertheless, nowadays it is clear that there is very little work on brass coatings, and they were mainly made by electroplating and any other deposition methods, which has severely limits their uses in many applications.This study was applied to develop the brass coatings and its composites. The Muntz brass alloy powder of Cu60Zn40, which shows the best corrosion resistance, was selected to manufacture the brass coatings. Two projection methods were used, i.e. Cold Spraying and Vacuum Plasma Spraying (VPS), avoiding the oxidation. The comparison study of spraying processes on the microstructures, the phases, the textures, the mechanical properties, and the wear and corrosion behaviors of the Cu60Zn40 coatings was carried out. In addition, this work also focused on the optimization of the coatings either by applying the post-treatment of friction stir processing (FSP), or by adding different ceramic reinforcements. The effects of FSP on the microstructures, the phases, the textures and the mechanical properties of coating and the effects of reinforcement types and their amounts in composite coatings on the microstructures, the phases, the mechanical and thermal properties and the corrosion behaviors were revealed. At the end of this study, the obtained performance will ultimately be realized by repairing the damaged part of Cu60Zn40 alloy, and the studies on the interfacial microstructures between the Cu60Zn40 composite coating and the Cu60Zn40 substrate as well as the mechanical properties and the tribological behaviors between were performed.

Constitués de plusieurs composants (granulats naturels et pâte de ciment adhérente), les GBR ne sont à l’heure actuelle pas utilisés largement dans la formulation de nouveaux bétons. Les propriétés médiocres des GBR compliquent considérablement la détermination de la quantité d’eau efficace dans le béton frais. Tout d’abord, une étude bibliographique va mettre en évidence la grande dispersion des résultats des essais de caractérisation des GBR et des propriétés des bétons recyclés à l’état frais et durci. Ensuite, une étude vise à analyser l’hétérogénéité des GBR et des granulats de béton concassé (GBC) par rapport à différents paramètres : aux impuretés granulaires, à la densité et à la teneur en pâte de ciment, au malaxage du béton parent, et au niveau de la capacité d’absorption d’eau des GBC en fonction de leur état de pré-humidification. Enfin, une dernière partie est destinée à améliorer la maîtrise de l’eau efficace réelle dans la fabrication du béton recyclé. La cinétique d’absorption des GBC dans une pâte de ciment est tout d’abord étudiée. Ensuite, l’évolution de l’eau efficace durant le malaxage de bétons à base de GBC est investiguée au moyen d’une méthode originale basée sur le suivi des courbes de puissance du malaxeur. Finalement, l’effet d’un malaxage sous vide relatif sur les propriétés des bétons à base de granulats naturels et des bétons à base de GBC est étudié. / Composed of several components (natural aggregates and adherent cement paste), RCA are not widely recommended in new concrete formulations. Their poor properties considerably complicate the determination of the effective water in fresh concrete. In a first part, a bibliographic study will highlight the wide dispersion of the results of characterization tests of RCA and the properties of fresh and hardened recycled concrete. In a second part, the heterogeneity of RCA and crushed concrete aggregates (CCA) is studied according to different parameters: granular impurities, density, cement paste content, mixing of parent concrete, and water absorption capacity according to their pre-humidification. The third part consists of three experimental studies that intend to improve effective water control in the manufacture of recycled concrete. The absorption kinetics of CCA in a cement paste is first studied. Then, the evolution of effective water in fresh concrete during mixing is studied using an original method based on the power evolution of the mixer. Finally, the effect of vacuum mixing on the properties of ordinary and recycled concretes is investigated.

Le travail présenté dans cette thèse concerne la modélisation et la commande robuste en force de robots manipulateurs industriels à articulations flexibles utilisés pour le procédé FSW. Afin de réduire les temps de calcul et l'occupation de la mémoire, une approche basée sur la méthode par intervalle est proposée en vue de la simplification des modèles dynamiques des robots industriels, et contribue à identifier les paramètres d'inertie qui sont négligeables. Des études de cas sur trois types de trajectoires de test et l’analyse des couples moteurs ont démontré l'efficacité et les bonnes performances de la méthode de simplification. Ensuite, la modélisation dynamique et l'identification des paramètres du procédé FSW ont été effectuées. Les paramètres des modèles linéaires et non-linéaires de forces axiales sont identifiés. Sur la base de la modélisation du procédé FSW qui considère simultanément la cinématique du système complet, le modèle de déplacement du robot rigide, les flexibilités des articulations et le modèle dynamique de la force axiale, un contrôleur robuste en force est obtenu par la méthode de réglage fréquentielle. En outre, un simulateur du procédé FSW robotique est développé et les résultats de simulation montrent les bonnes performances du contrôleur en force. L'oscillation de la force axiale dans le procédé FSW peut être simulée en utilisant un modèle de perturbation de la position verticale de référence. / The work presented in this thesis focuses on the modeling and robust force control of flexible joints industrial robot manipulators used for FSW process. In order to reduce computation time and memory occupation, a novel interval-based approach for dynamic model simplification of industrial robots is proposed, which applies to arbitrary trajectories of whole robot workspace and contributes to obtaining negligible inertia parameters. Cases studies have been carried out on three kinds of test trajectories and torques analysis of robot dynamic equation, demonstrating the effectiveness and good performance of the simplification method. Then, the dynamic modeling and identification of robotic FSW process is performed, and the parameters of linear and nonlinear dynamic axial force process models are identified by using the plunge depth and its derivative. On the basis of the modeling of robotic FSW process which simultaneously considers the complete kinematics, the rigid robot displacement model, the joint flexibility and the dynamic axial force process model, a robust force controller can be obtained by using the frequency response approach. Besides, a simulator of robotic FSW process is developed and simulation results show good performance of the force controller. The oscillation of axial force in FSW process can be simulated when a disturbance model of initial vertical reference position is proposed and used in the simulation.

Les simulations numériques représentent un outil fondamental pour la conception et l'optimisation de procédés industriels de fabrication tels que le soudage. Malgré le développement impressionnant des méthodes numériques et des moyens de calcul utilisables, la complexité des procédés de fabrication et les nouvelles exigences des industries les plus avancées obligent à repenser les méthodes, les stratégies et les algorithmes de simulation disponibles. Dans cette thèse, de nouvelles méthodes numériques avec une approche de Réduction des Modèles sont proposées, une discipline consolidée qui a fourni des solutions étonnantes dans différentes applications, comme les procédés de fabrication avancés. Tout d'abord, différentes stratégies sont proposées pour la simulation efficace des procédés de soudage conventionnel, à cet effet, l'utilisation de Computational Vademecums est introduite. L’introduction de ces abaques numériques améliorent des méthodes telles que : les Éléments Finis Généralisés pour le calcul thermique, l'approche local-global pour le calcul mécanique et enfin, la construction directe des abaques numériques utiles pour la phase de pré-design. En second lieu, un solveur PGD efficace est présenté pour les simulations thermo-mécaniques de soudage par friction-malaxage. Cette thèse montre comment la réduction des modèles,en plus d'être une fin en soi, peut être un excellent ingrédient pour améliorer l'efficacité des méthodes numériques traditionnelles. Cela représente un grand intérêt pour l'industrie. / Numerical simulations represent a fundamental tool for the design and optimization of industrial manufacturing processes such as welding. Despite the impressive development of the numerical methods and the means of calculation, the complexity of these processes and the new demands of the more advanced industries make it necessary to rethink the available methods, strategies and simulation algorithms. In this thesis, we propose new numerical methods with a Model Order Reduction approach, a consolidated discipline that has provided surprising solutions indifferent applications, such as advanced manufacturing processes. First, different strategies for the efficient simulation of conventional welding processes are proposed. To this end, the use of Computational Vademecums is introduced for the improvement of methods such as the Generalized Finite Element for thermal calculation, the local-global approach for the mechanical calculation or the direct construction of vademecums useful for predesign phases. Then, an efficient PGD solver for thermomechanical simulations for friction stir welding is presented. This thesis shows how Model Reduction, besides being an end, it can be an excellent ingredient to improve the efficiency of traditional numerical methods, with great interest for the industry.

L'objectif de ce travail est d'améliorer l'interprétation donnée à la réponse d'un capteur mesurant la force de trainée exercée sur une sonde immergée dans un béton lors de son malaxage. Le domaine de fonctionnement d'un tel capteur et son aptitude à retranscrire toute variation de propriétés rhéologiques du béton sont étudiés. Deux types d'implantation de sondes sont testés sur un malaxeur planétaire, le premier en mouvement planétaire et le second en rotation simple. En complément, le comportement rhéologique du béton est identifié à l'aide d'un rhéomètre à béton. L'analyse expérimentale est accompagnée de simulations numériques de l'écoulement d'un fluide de Bingham dans un malaxeur. Les simulations 2D servent à l'interprétation des mesures expérimentales et permettent d'étudier différentes configurations de malaxage. Les résultats obtenus indiquent que la structure de l'écoulement du béton dans un malaxeur planétaire se décompose en deux principaux flux : un entrainement dans le train valseur et une interaction entre racleur et train valseur. L'utilisation de la loi de Stokes adaptée à l'écoulement de fluides de Bingham permet une interprétation satisfaisante des variations des forces de trainée mesurées. Les courbes d'écoulement provenant de la technique de dépouillement proposée sont comparées à celles identifiées à l'aide du rhéomètre pour différentes formulations de bétons. La rhéométrie en ligne s'avère ainsi accessible en particulier en présence de bétons autoplaçants.