Ces travaux de thèse sinscrivent dans le cadre des études sur les interactions pastille-gaine dans les assemblages combustibles utilisés dans les centrales nucléaires. En effet, lexploitant (EDF)doit assurer et démontrer lintégrité de lensemble des crayons composant l'assemblage. Pour cela, on doit notamment connaître (et si possible maîtriser) les propriétés viscoplastiques du combustible. Le but de cette thèse a été de caractériser le fluage du dioxyde duranium dans des conditions de<br />transitoires de puissance de centrale nucléaire. Nous nous sommes intéressés aux résultats disponibles dans la littérature sur le comportement mécanique du dioxyde d'uranium UO2. Ce sont essentiellement des essais de compression qui ont permis de caractériser le fluage de la céramique nucléaire, et qui ont prouvé que le fluage du dioxyde d'uranium est caractérisé par deux types comportement, en fonction du niveau de contraintes appliqué.<br />Pour évaluer les sollicitations dans la pastille combustible, EDF ou CEA ont développé des codes de calcul spécifiques, dit globaux. Partant dun de ces calculs lors des transitoires de puissance, nous avons dégagé les ordres de grandeur des sollicitations vues par le combustible (température, gradients thermiques, déformations, vitesses de déformations,). Le calcul des contraintes lors de<br />transitoires de puissance nécessite lidentification de lois de comportement capables de décrire le comportement de la céramique pour de faibles taux de déformation e,t notamment, sous des contraintes de traction. Partant de ce constat nous avons choisi de caractériser le comportement du<br />dioxyde duranium en flexion. Le cahier des charges de cette étude imposant de prélever les échantillons directement dans les pastilles, ceci dans un souci de représentativité, lentraxe de sollicitation a été fixé à 10 mm. Pour cette étude nous avons donc développé un dispositif spécifique de flexion trois points pouvant atteindre 2000°C sous atmosphère contrôlée (Ar + 5%H2). Une attention particulière a été portée sur la mesure de la flèche ; elle est assurée par un extensomètre à ombrage laser dédié, d'une résolution de ± 2 µm à haute température.<br />En utilisant ce dispositif, nous avons testé en fluage des éprouvettes dépaisseur 0,5 à 1 mm. Dans nos conditions d'essai, le fluage stationnaire a pu être décrit à laide d'une loi de Norton avec un exposant de contrainte de 1,73 et une énergie d'activation de 540 kJ.mole-1. Nous avons ensuite modélisé le comportement mécanique du combustible : lintroduction de variables internes dans une loi à écrouissage cinématique a permis de représenter l'ensemble des courbes de fluage et les phénomènes de recouvrance de la déformation présentés lors de déchargements partiels. Lidentification a été réalisée par méthode inverse, couplant optimisation des paramètres et calcul par éléments finis des déformations de l'éprouvette de flexion. L'application de cette loi dans un calcul de transitoire de<br />puissance démontre que les capacités de relaxation du matériau ne permettent pas de prévenir une rupture radiale du combustible en fin de montée de puissance. Lors du maintien à puissance élevée, la température élevée à coeur autorise une diminution des contraintes, notamment près des évidements. Il en résulte un écoulement de matière principalement axial, clairement confirmé par l'observation de pastilles usagées. L'application finale de notre dispositif expérimental a été de tester des éprouvettes implantées aux ions, sur une profondeur de 50µm. La faible épaisseur de nos échantillons a permis de mettre en<br />évidence leffet de lirradiation sur le fluage de UO2.

Dans le but d'étudier le comportement mécanique du combustible nucléaire dans un scénario de stockage direct à long terme, des polycristaux d'UO2 sont implantés en ions Hélium dans une fine couche surfacique (environ 1 µm), induisant des déformations. Ces déformations sont mesurées, à l'échelle des grains, par micro-diffraction des rayons X, en utilisant un rayonnement synchrotron (ESRF). Des méthodes d'analyse d'images sont développées pour traiter automatiquement le grand nombre de clichés de diffraction. Le développement d'outils statistiques permet de détecter des clichés problématiques et d'améliorer la précision de l'analyse. Pour des faibles profondeurs d'implantation, l'interaction mécanique entre les grains peut être négligée. Les résultats expérimentaux peuvent être approchés par un modèle mécanique simple. À plus grandes profondeurs, les résultats expérimentaux montrent une plus grande interaction mécanique aux joints de grain qui peut être modélisée par éléments finis. Des outils de géostatistique ont été utilisés pour quantifier ces interactions. Le gonflement et les constantes élastiques de la couche implantée peuvent être ajustés à travers les déformations mesurées sur un grand nombre de grains d'orientations différentes. Ces études permettent de déterminer le gonflement du combustible nucléaire en conditions d'irradiation, ainsi que les modifications de ses propriétés élastiques / In order to study the mechanical behavior of nuclear fuel during direct long term storage, UO2 polycrystals were implanted with Helium ions at a thin surface layer (1 µm approximately), which leads to stress and strain fields in the layer. Strains were measured, at the grains scale, by X-ray micro-diffraction, using synchrotron radiation (ESRF). Image analysis methods were developed for an automatic analysis of the large number of diffraction patterns. Applying statistical tools to Laue patterns allows an automatic detection of low quality images, and enhances the measurement precision. At low layer thickness, the mechanical interaction between grains can be neglected. At higher thickness, experimental results showed a higher mechanical interaction near grain boundaries that can be modeled using finite elements method. Geostatistical tools were used to quantify these interactions. The swelling and the elastic constants in the implanted layer can be estimated through the measured strains on a large number of grains with different orientations. This work allows the determination of the swelling of nuclear fuel in irradiation conditions, as well as the modification of its elastic properties

Ma thématique de recherche s'intéresse à l'étude de la fatigue des matériaux, et se focalise plus particulièrement sur l'analyse de la plasticité cyclique et des endommagements induits dans les matériaux métalliques. Elle s'inscrit dans une démarche globale conjointe d'analyse expérimentale et de modélisation numérique.<br />Les travaux présentés se focalisent sur l'étude du comportement d'un acier inoxydable austéno-ferritique et s'articulent suivant quatre thèmes :<br />- Etude expérimentale du comportement mécanique en fatigue oligocyclique. Un certain nombre de résultats expérimentaux en fatigue oligocyclique sont présentés, en particulier, l'importance de caractériser le comportement mécanique sous sollicitations multiaxiales est soulignée. Deux méthodes sont comparées permettant la mesure des caractéristiques de l'écrouissage : la mesure de surfaces de plasticité en cours d'essai, et l'analyse a posteriori des boucles d'hystérésis.<br />- Modélisation du comportement mécanique observé. Deux approches ont été utilisées, d'une part une approche phénoménologique qui nécessite des mesures des caractéristiques de l'écrouissage, et d'autre part une approche micromécanique qui s'appuie sur l'analyse de la structure biphasée de l'acier étudié. L'identification de ce deuxième modèle a été réalisée sur une base expérimentale particulièrement réduite sans cependant amoindrir sa capacité de prédiction. Une proposition originale pour la modélisation de l'adoucissement cyclique a été faite à partir d'observations au microscope électronique à transmission.<br />- Etude de la déformation progressive. A partir de résultats expérimentaux biaxiaux, il est montré que les niveaux de déformation progressive obtenus peuvent s'expliquer par la direction d'écoulement plastique observée, due à la distorsion de la surface de plasticité. Un modèle simulant cette distorsion est alors identifié.<br />- Analyse et simulation de la plasticité à l'échelle de la microstructure. La plasticité cyclique et l'amorçage en fatigue étant fortement liés aux caractéristiques de la microstructure, une analyse locale a été entreprise. Un dispositif expérimental original a été développé afin d'analyser les mécanismes de déformation in-situ pendant un essai mécanique. Plusieurs moyens d'analyse sont utilisés conjointement (microscopie, champs cinématiques calculés à partir d'images obtenues entre deux instants, cartographie EBSD, profilométrie). Une comparaison est faite entre les champs cinématiques obtenus et un calcul d'agrégat polycristallin reprenant les lois cristallines identifiées précédemment.

Le but de la télé-échographie est de fournir une solution précise à l'examen expert dans des zones géographiques éloignées. Partant du constat que les experts sont peu nombreux et situés dans des grands centres hospitaliers, l'objectif de ce projet est de fournir des examens de qualité pour la plus grande population. La valeur et la précision du geste médical sont les raisons principales amenant à l'usage d'une interface haptique. Dans ce but, une station de commande haptique est développée pour donner un environnement virtuel haptique pour l'expert médical éloigné de son patient. Au cours de l'examen classique, l'expert médical reconstruit mentalement la 3D à partir des images échographiques et de sa proprioception. Nous devons tenir compte des contraintes physiologiques liées au geste humain de sorte que le télé-geste soit possible. Le système peut être brièvement décrit comme suit: une sonde virtuelle est montée sur le dispositif principal d'interface. La vraie sonde est placée sur le robot du site esclave. Les informations de position et de force sont transmises de manière bi-directionnelle (ainsi que le visuel et l'auditif) par le réseau de télé-communication. L'opérateur expert peut déplacer la sonde virtuelle pour contrôler la vraie sonde distante, action principalement basée sur les images échographiques et l'information de force qu'il reçoit en retour. Le robot esclave exécute les commandes envoyées du site maître. Un opérateur non-expert est situé près du patient et surveille le procédé qu'il peut interrompre. Le patient peut à tout moment communiquer avec lui ou avec l'expert. Du côté du praticien, la station de commande haptique est développée pour donner un environnement plus réaliste et une commande plus fine de ce qui se produit à distance. Du côté patient, le robot esclave est contrôlé à distance par l'expert médical, qui manipule sa sonde virtuelle par l'intermédiaire du robot à retour d'efforts. Le robot esclave est un robot parallèle découplé, composé de deux structures parallèles indépendantes faites des muscles artificiels McKibben comme actionneurs. Ce robot est équipé d'un capteur de force et il est possible de contrôler la force exercée sur l'axe de la sonde. Ce système de télérobotique est non seulement un système de télé-médecine, mais il agit aussi comme un robot avec une interface haptique permettant à l'expert médical de contrôler et sentir la force exercée par le robot. Ainsi, on réalise une immersion plus réaliste et une commande plus fine qui rendent possible le télé-palper du patient. Comparé aux systèmes de télé-médecine, ce système utilise la robotique pour télé-contrôler le robot porte sonde et l'haptique pour le rendu de la force exercée par le robot. Un environnement virtuel haptique pour la télé-échographie permet à l'expert médical de s'adapter plus rapidement et cela permet une immersion facilitée dans ce que nous pourrions appeler un cabinet virtuel d'examens échographiques. L'innovation de cette commande haptique est de préserver la proprioception des experts médicaux ainsi que leurs gestes synchronisés avec les images échographiques. Mots-clefs: haptique, geste médical, échographie, télé-médecine, réseau de télé-communication, maillage, prédicteur, modélisation mécanique et géométrique.

Les composites thermoplastiques hautes performances ont suscité l'intérêt de l'industrie aéronautique pour remplacer l'aluminium dans certaines pièces. Ils permettent la production de pièces moins lourdes et moins coûteuses. Parmi ces matériaux, le PEEK renforcé par des fibres de carbone courtes semble intéressant pour des applications nécessitant de hautes propriétés thermomécaniques. Ce matériau a déjà fait l'objet de travaux au Laboratoire ICA de l'IMT Mines Albi, dans le cadre de la thèse de Jérémy Crevel ainsi que les projets régionaux Midi-Pyrénées CINTHTE, CINTHTE2 et FUI INMAT2. En outre, des applications industrielles sont en cours de développement chez Liebherr Aerospace. Cependant, le comportement à long terme en température de ce matériau est mal connu. L'objectif de cette thèse est de déterminer la plage d'utilisation du matériau en fonction du temps, de la température et du chargement. Deux phénomènes intervenant à hautes températures et à long terme sont étudiés : le vieillissement et le fluage. L'étude du vieillissement sous air s'est concentrée sur l'évolution des propriétés mécaniques en traction après une longue exposition à haute température. L'influence du vieillissement sur les propriétés mécaniques usuelles (module, contrainte à rupture et allongement à rupture) ainsi que sur l'endommagement et la plasticité a été mesurée en dessous et au-dessus de la température de transition vitreuse et pour différentes orientations de fibres. L'évolution de la structure du matériau avec le vieillissement a été suivie pour faire le lien avec les propriétés mécaniques. L'étude du fluage s'est faite à des contraintes inférieures au seuil d’endommagement du matériau. Des essais à court terme et dynamiques fréquentiels ont été réalisés pour définir un modèle de comportement dépendant du temps et l’identifier sur le long terme. Ils ont en outre permis de prendre en compte la température, le vieillissement et l'anisotropie du matériau pour des durées longues. Ces deux études (vieillissement et fluage) ont été unifiées dans un critère de rupture pour prévoir le temps à rupture du matériau. Enfin, un modèle viscoélastique isotrope transverse et des indicateurs de rupture en fluage ont été implémentés dans Abaqus pour réaliser des calculs sur des pièces industrielles. / The high performance thermoplastic based composites sparked interest of the aeronautical industry to replace aluminum in some parts. These composites permit to produce lighter and less expensive parts. Among these materials, short carbon fiber reinforced PEEK is interesting for applications requiring high thermomechanical properties. This material has already been studied in some preliminary works at the ICA-Albi laboratory, especially in the PhD thesis of Jérémy Crevel and projects funded by the Midi-Pyrénées region CINTHTE, CINTHTE2 and FUI INMAT2. Moreover, some industrial parts are currently developed by Liebherr Aerospace. However, the long term and high temperature behavior is ill known. The aim of this PhD thesis is to determine the range of use for the material in function of time, temperature and loading. Two phenomena occurring at high temperature for long period of time are studied: ageing and creep. Ageing was studied under air atmosphere at high temperature. Mechanical properties evolution under tensile traction (elastic modulus, ultimate stress and stress at break) and damage and plasticity are measured below and above glass transition temperature and for different fiber orientations. Similarly, influence of ageing on the material structure is studied and linked to mechanical results. Creep study is done at stresses where material does undergo no damage. Short term and dynamic mechanical tests are carried out to define and identify a time dependent mechanical behaviour law over long period of time. Moreover, they permit to take into account effects of temperature, ageing and anisotropy. Both previous studies (ageing and creep) are unified in a failure criteria to forecast failure of the material. Finally, a transverse isotropic viscoelastic model and failure indices have been implemented into Abaqus to realize calculation of an industrial parts.

Cette thèse porte sur les relations entre la limite supérieure de la zone sismogène et la construction et la structuration du prisme de Nankai, au Sud-Est du Japon. La détermination des contraintes dans le prisme à partir des données d’ovalisation de puits montrent une permutation des contraintes au dessus d’un hors séquence, appelé splay fault, situé à la limite de la zone sismogène. Le régime de contrainte est extensif dans cette zone et décrochant dans le reste du prisme. L’étude de la compaction des sédiments à partir des données de porosité corrigée de l’effet des argiles permet de quantifier l’érosion récente des sédiments de pentes, et montre l’existence d’une érosion plus ancienne au dessus des chevauchements majeurs. L’étude des styles de déformations des sédiments montre que l’érosion peut rendre compte de la répartition des structures de déformation dans le prisme. Enfin, la modélisation mécanique de la marge montre que l’activité de la splay fault, très faible depuis le dernier million d’années, et la présence d’une zone d’extension en arrière de cette faille s’expliquent par l’arrêt de l’accrétion et un décollement faible dans le prisme frontal. / This study is focused on the upper limit of the seismogenic zone in the Kumano transect of the Nankai margin in relation with the construction of the wedge. The first step was to determine the stress orientations and amplitude within the wedge from borehole breakouts analysis. We show the striking presence of a trench normal extension zone behind the splay fault in a wedge dominated by a strike-slip stress regime. Locally an extensional stress regime is also observed in the slope sediment of the outer part of the wedge. In a second part of this work, we used porosity corrected from water bound to clay minerals to study the compaction state of the sediments and to quantify the amount of erosion in the slope sediments. Results also highlight the existence of past erosion related to the activity of the splay fault. In a third part, the observation of deformation style within sediments showed that erosion could explain the distribution of dilatant and compactive structures within the wedge. Finally, we show, based on mechanical modeling, that the splay fault slow slip rate over the last million year, and the presence of an extension zone landward of the splay fault, could both be explained by a pause in the accretion and a weak décollement beneath the outer wedge.

Afin de rendre les machines synchrones à aimants permanents plus attractives pour l'aéronautique (actionneurs de commande de vol, systèmes de freinage, train d'atterrissage ...), il peut être intéressant de réduire le nombre de modules d'électronique de puissance utilisés en les mutualisant. De nombreuses études ont été réalisées pour des systèmes composés de plusieurs machines asynchrones et principalement en traction ferroviaire, mais peu concernent les machines synchrones. Après avoir étudié différentes structures envisageables, les travaux développés lors de cette thèse présentent une étude originale d'un système composé de deux machines synchrones à aimants permanents connectées en parallèle sur un onduleur unique mutualisé. Ces machines ont des caractéristiques identiques ou proches et doivent être pilotées à la même vitesse. La structure de commande retenue lors de cette thèse est de type maître-esclave: seule une des deux machines est autopilotée (la machine maître), l'autre (la machine esclave) fonctionnant en boucle ouverte. Afin d'assurer la stabilité d'un tel système, le synchronisme des deux moteurs doit toujours être respecté. Une stratégie de commande, qui choisit quel est le moteur maître, en prenant en compte la variation des paramètres internes et externes du système, est alors instaurée. Dans ces conditions, les évolutions théoriques des différentes variables sont déterminées. Pour valider ces résultats, un processus expérimental est mis en place. Les nombreux résultats obtenus en simulation et expérimentalement permettent alors de confirmer les résultats théoriques: que ce soient les paramètres mécaniques ou électriques qui varient, la stabilité du système est toujours garantie. Le cas supplémentaire où les deux machines déplacent une charge mécanique commune avec une liaison mécanique rigide entre les deux machines, est finalement développé. Une autre stratégie de commande, dont la structure et les résultats sont également présentés dans cette thèse, est alors nécessaire.

Les erreurs dimensionnelles des pièces d'une famille de pièces provoquent un mauvais placement initial de la pièce sur le montage affectant la qualité du produit final. Même si la pièce est positionnée correctement, la pièce s'écarte de cette position initiale à cause des forces externe d'usinage et de bridage et de la rigidité du montage. Dans cette thèse, un modèle analytique complet, composé d'un modèle cinématique et un modèle mécanique, ayant une configuration de type 3-2-1 des appuis est proposé. Le modèle cinématique remet la pièce, initialement mal placée dans la référence machine, sur la bonne position par les avancements axiales des six appuis en tenant compte de tout les éléments du montage considérés rigides. Cette pièce repositionnée se déplace à nouveau à partir de la position corrigée sous les forces de bridage et d'usinage. Le modèle mécanique calcule ce déplacement de la pièce en considérant les appuis et des brides élastiques. Le plateau cuboïde rigide, utilisé pour repositionner la pièce précisément, est également considéré élastique au niveau des contacts avec les appuis. Le comportement non-linéaire de la déformation des contacts est linéarisé en convergeant la déformation des appuis jusqu'à ce que la précision requise est atteinte. En utilisant l'hypothèse des petits déplacements et en considérant le frottement nul au niveau des contacts, On calcule le déplacement de la pièce, la déformation de chaque appui suivant l'énergie minimale, la matrice de rigidité et le comportement mécanique du système du montage grâce à la formalisation Lagrangienne. Le déplacement de la pièce est à nouveau compensé par l'avancement axial des six appuis calculés par le modèle cinématique.

L'étude du comportement mécanique des verres métalliques, matériaux dépourvus d'ordre à longue distance, est un sujet actif. L'intérêt pour ces matériaux a été renouvelé par la mise au point d'alliages amorphisables à faible vitesse critique de trempe permettant d'obtenir des échantillons massifs et donc d'envisager des applications structurales. Les mécanismes de déformation d'un verre métallique base Zr ont été étudiés que ce soit à température ambiante, où le comportement semble fragile macroscopiquement, ou à des températures supérieures à la transition vitreuse, où une grande capacité de déformation est atteinte. Des techniques de caractérisation originales alliant des essais de compression à des essais de nanoindentation (à température ambiante) ou à des essais de spectromécanique (à haute température) ont été utilisées et validées. Un modèle de déformation multiatomique a ainsi pu être proposé pour rendre compte du comportement à haute température. Ces matériaux permettent également de fabriquer, au travers d'une cristallisation partielle, des nanocomposites amorphe / cristal. La cristallisation a été finement caractérisée et deux nouvelles méthodes de mesure de la fraction volumique de nanocristaux ont été validées. L'influence de ces nanocristaux a été étudiée dans les deux gammes de températures caractéristiques et pour les différents modes de sollicitation mécanique révélant une influence relative sur le comportement à température ambiante et une influence marqué sur les mécanissmes visqueux.

Les mousses fragiles font aujourd'hui partie des nouveaux matériaux très performants dont le procédé de fabrication permet un contrôle précis de la microstructure finale. De nouveaux débouchés apparaissent dans des applications structurales (absorption de choc, allègement des structures) en raison de leur excellente tenue mécanique alliée à une grande légèreté. Dans les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse, une mousse carbone à cellules ouvertes a été étudiée dans le but d'être utilisée pour assurer la protection des capots de protection d'emballages. Le comportement mécanique en compression a été caractérisé sous des sollicitations uniaxiales et multiaxiales. La surface de charge de la mousse ainsi que son évolution au cours du chargement ont été identifiés. Les principales propriétés mécaniques ont été évaluées et certaines d'entre elles ont été corrélées avec celles prédites par le modèle micro-mécanique de Gibson et Ashby développé pour les mousses fragiles. Grâce aux observations post-mortem sous microscope électronique à balayage et en micro-tomographie aux rayons X, les mécanismes de déformation et d'absorption d'énergie ont été également caractérisés. Pour modéliser le comportement multiaxial en compression de la mousse carbone, considérée comme un milieu continu homogène et isotrope, le modèle de Deshpande et Fleck (DF) a été adopté et adapté. Ce modèle a été implanté dans le code éléments finis LS-DYNA. Il a été identifié et validé sur l'ensemble des essais triaxiaux disponibles ainsi que sur des essais d'écrasement de mini-structure. Le comportement macroscopique global, obtenu à l'aide de simulations numériques, est prédit de manière satisfaisante. Il sera amélioré par la suite pour prendre en compte certains aspects non décrits actuellement. / Due to improvements in the manufacturing process that allow a better control of their microstructure, brittle foams are now part of the new efficient materials. New markets in the field of structural applications open up thanks to their excellent mechanical properties combined with light weight.In this study, a carbon foam with open cells has been studied in order to be used as shock absorber in packagings. Its compressive mechanical behavior has been characterized under various uniaxial and multiaxial loadings. The carbon foam yield surface and its evolution during loading have been identified. The main mechanical properties have been evaluated and some of them have been correlated with those predicted by the Gibson and Ashby micromechanical model. The mechanisms of deformation and the energy absorption have been studied using post-mortem observations by scanning electron microscopy (SEM) and X-Ray microtomography.The Deshpande and Fleck model (DF) has been adopted and slightly modified to model the compressive multiaxial behavior of the carbon foam. The latter is considered as an homogeneous continuum medium. The constitutive equations have been implemented in the finite element code LS-DYNA via a Umat routine. The model parameters have been identified and the model estimations validated on available triaxial tests as well as on crushing tests made on micro-structures. Numerical simulations are relevant on predicting the global macroscopic behavior. Nevertheless, the mechanical model needs to be improved to better account for some phenomena not currently described.