Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche de solutions composites innovantes pour l'allègement des structures aéronautiques. Les matériaux composites stratifiés offrent, de par leur architecture interne, de nouveaux degrés de liberté pour la conception et l'optimisation des structures. L'objectif est ici de proposer une méthodologie pour l'optimisation robuste des empilements, à l'échelle de petits sous-ensembles structuraux composites. La démarche est décomposée en trois éléments imbriqués : algorithme d'optimisation, stratégie de calcul et prise en compte des incertitudes. L'algorithme multiobjectif développé retourne au concepteur un ensemble de compromis optimaux. Il s'agit d'un algorithme évolutionnaire, dont l'efficacité est considérablement accrue, par rapport aux outils génériques, par l'introduction de considérations mécaniques multiéchelles spécifiques aux composites stratifiés. Il est en particulier adapté à la prise en compte des recommandations industrielles pour le choix des séquences d'empilements. Afin de réduire les coûts de calcul, des stratégies de calcul sont mises en oeuvre, articulant modélisations fines et approximation des modèles. Une méthode d'optimisation robuste est proposée, pour la prise en compte des incertitudes, méconnaissances ou erreurs potentielles. La première application proposée traite du flambement et post-flambement de panneaux raidis. La seconde application traite de l'optimisation des assemblages boulonnés composites, dont le calcul reste aujourd'hui problématique. Un modèle de la rupture en matage est développé, basé sur une approche progressive de la rupture du stratifié et de l'amorce des délaminages, avec d'excellents résultats par rapport à l'expérience. Ce modèle est appliqué pour l'optimisation d'un assemblage élémentaire à une fixation, et intégré dans une approche multiniveau pour le calcul d'une jonction complexe à plusieurs centaines de fixations.

Les liaisons hybrides métal/composite sont fréquemment sollicitées en matage. Dans le système de transmission d’un hélicoptère, ces liaisons peuvent subir plus de 〖10〗^9 cycles de chargement en fatigue. Il convient de maîtriser les effets du matage sur le comportement des matériaux, afin que ce mode de sollicitation ne conduise pas à la ruine de pièces tournantes hybrides.L’objectif de cette thèse est de s’intéresser au comportement en matage des matériaux composites stratifiés, d’abord en statique, afin d’identifier les principaux phénomènes d’endommagement, puis en fatigue. En statique, des modèles d’endommagement de complexité croissante sont proposés, puis leur réponse est analysée en détails. La fatigue est abordée principalement sous un angle expérimental. La question de l’existence éventuelle d’une limite de fatigue est discutée, et les liens étroits entre les mécanismes d’endommagement en statique et en fatigue sont mis en évidence / Hybrid metal/composite connections are frequently subjected to bearing (localised compression) loads. In a helicopter, such connections can endure as many as 〖10〗^9 fatigue cycles. It has to be ensured that the effects of bearing loads are understood in order to prevent in-service failure of hybrid rotating components. The aim of this thesis is to study the bearing behaviour of composite laminates, first under a monotonic loading, in order to identify the main damage modes, and then in fatigue. Static damage models of increasing complexity are elaborated and thoroughly analyzed. Fatigue is mainly dealt with from an experimental point of view. The possible existence of a fatigue limit is debated, and the existence of a strong connection between fatigue and static damage is emphasised.

Les structures composites sont de plus en plus présentes dans le domaine aéronautique. Le perçage, procédé qui permet le montage de fixations pour assembler ces structures, peut induire des défauts tels que délaminages, écaillages, arrachements de fibres ou surchauffes au niveau de l’alésage.Dans la littérature les auteurs s’intéressent principalement aux défauts créés en entrée et en sortie de trou. Aussi, cette recherche s’est focalisée sur les défauts de paroi crées par l’opération de perçage. Une caractérisation qualitative et quantitative a été proposée et le lien entre ces défauts et la tenue mécanique a été évalué.L’état de surface des parois est quantifié via sa rugosité qui mesure globalement les défauts générés lors du perçage. Jusqu’à présent, la qualité de la surface est estimée par un critère de rugosité géométrique Ra issu de la culture métallique. Il présente un certain nombre d’incohérences pour les perçages des composites. Dans ce travail de thèse, les relations entre les paramètres de perçage, le matériau de l’outil, sa géométrie et la qualité des alésages mesurée par les critères normalisés d’état de surface ont été établies. Un critère de qualité des parois de trou pour les matériaux composites autre que les critères normalisés a été proposé.La nature intime de la surface de contact influence clairement la qualité du transfert de charge par contact localisé. Dans un premier temps, l’influence des défauts de paroi sur la tenue en matage quasi-statique a été établie, ensuite, la tenue en compression quasi-statique des stratifiés C/E liée à la présence de défauts de paroi a été étudiée. Une analyse de la tenue en fatigue des stratifiés percés liée à la présence des défauts d’état de surface a aussi été réalisée. Enfin, une analyse numérique originale par éléments finis incluant une représentation géométrique des défauts observés, a permis de mieux cerner la cinétique d’endommagement des stratifiés percés liés à la présence de défauts de paroi / Composite materials are finding an increasing number of applications in the aerospace industry. The drilling is the process that allows the fasteners installation. The drilling operation can induce defects such as delamination, fibers and matrix pull-out and matrix burning.Previous studies focused mainly on the defects created at the hole entry and exit. Only few of these studies concern the hole wall drilling defects. In this study, we focused on the hole wall defects created by the drilling operation. A qualitative and quantitative characterization of defects was proposed and the relationship between these defects and the mechanical strength was evaluated.The hole surface finish is quantified by the roughness criterion Ra, that comes from metallic culture. Because of their heterogeneous nature, composite materials do not present the same defects patterns as metallic materials. The question that arises is whether the roughness may have an influence on the mechanical behavior of composite materials. In this study, the relation between the drilling parameters, the drill material, its geometry and the hole quality quantified with normalized parameters has been established. A criterion used to quantify the hole surface finish of composites have been proposed.The inner nature of the contact surface clearly influences the load transfer quality. As a first step, the influence of the hole wall defects on the quasi-static bearing behavior has been established, then the compressive behavior linked to the presence of hole wall defects have been studied. An analysis of the fatigue behavior of drilled laminates due to the presence of hole wall defects have been conducted.Finally, a numerical analysis by finite elements including an original geometric representation of the defects observed, has allowed to further clarify the damage kinetics of drilled laminates linked to the presence of drilling defects.