L'enjeu de cette thèse était de proposer un modèle de prévision de la fissuration (trajet et vitesse) par fatigue sous chargement complexe, afin de définir les pas d’inspection de structures industrielles. Dans le cas des métaux, il est reconnu que la plasticité au voisinage de l'extrémité de la fissure a des effets majeurs sur la vitesse et la direction de fissuration. La simulation par éléments finis non-linéaire permet de comprendre et de modéliser ces effets, mais le traitement de problèmes industriels par cette méthode (fissures tridimensionnelles se propageant pendant plusieurs millions de cycles en non-linéaire) reste toujours hors de portée. Pour réduire les temps de calcul, une démarche de changement d'échelle a été mise en place, afin d'identifier un modèle de comportement élasto-plastique en mode mixte non-proportionnel, non pas local, mais relatif à la région en pointe de fissure. Ce modèle, qui condense tous les effets liés à la plasticité confinée en pointe de fissure, peut alors être utilisé dans un calcul de structure linéaire pour simuler la fissuration par fatigue en mode mixte, à amplitude variable, sous des millions de cycles en quelques minutes. La méthode et les hypothèses de changement d'échelle, d'abord appliquées à des simulations numériques, ont ensuite été validées expérimentalement sur des éprouvettes cruciformes fissurées en s’appuyant sur la mesure optique du champ de déplacement à l’extrémité de la fissure. Enfin, une campagne d’essais, visant à caractériser le comportement en fissuration de l’acier S355NL en fatigue, a été réalisée. Les résultats expérimentaux et de simulation sont en bon accord en mode I et en mode mixte. / Predicting the growth of fatigue cracks under multi-axial loading conditions still remains very difficult because of the complexity of the crack path and because of history effects induced by plasticity. This thesis is devoted to the modeling of the effect of mixed mode plasticity on fatigue crack growth. A model was developed using a multi-scale approach from elastic-plastic finite element computations, it was validated using experimental measurements of the velocity field at crack tip by digital image correlation in I+II mixed mode loading conditions. The mode I and mode II components of the velocity field (experimental or from FE simulations) were extracted using symmetry and partitioned into elastic and plastic parts. With this approach, the velocity field is described using only four degrees of freedom, 2 for elasticity and 2 for plasticity. A criterion was proposed to determine the yield surface, and it was shown that the experimental yield surface agrees well with the theoretical one. The plastic flow direction was also measured in non-proportional loading conditions are consistent with the hypotheses of the model. The crack growth rate and direction is then calculated as function of the plasticity rate, which makes possible the use of this simplified model in a linear finite element code to predict 3D fatigue crack growth in mixed mode non-proportional conditions. In mode I, the model was successfully compared with a set of fatigue crack growth experiment under variable amplitude conditions. In mixed mode conditions, the crack growth direction is correctly predicted.

Cette thèse porte sur la fissuration par fatigue sous chargement variable en mode mixte I+II+III et sur les effets d'histoire induits par la plasticité confinée et les contraintes internes. Les essais réalisés montrent qu’il existe des effets antagonistes d’histoire du chargement à courte distance et à longue distance, que la forme de la séquence de chargement est cruciale et, par comparaison, que les effets de contact et de frottement sont d’importance moindre. Les contraintes internes jouent un rôle majeur sur la vitesse de fissuration par fatigue et sur le mode de fissuration. Une démarche a été mise en place pour étudier le comportement élasto-plastique d’une section représentative du front de la fissure par éléments finis. Pour ne retenir des calculs réalisés que le minimum d’information nécessaire, on se donne une approximation cinématique, le champ de vitesse est partitionné en composantes de modes I, II, III élastiques et plastiques, chaque composante étant caractérisée par un facteur d’intensité et une distribution spatiale fixe. Les calculs réalisés ont permis de sélectionner 7 trajets de chargement différents en mode I+II et en mode I+II+III, qui présentent les mêmes amplitudes pour chaque mode, les mêmes maxima, minima et valeurs moyennes. Ces trajets, censés être équivalents au sens des critères de rupture usuels, ne le sont pourtant pas lorsqu’on considère le comportement élasto-plastique du matériau et conduisent à des vitesses et des trajets de fissuration expérimentaux très différents les uns des autres. Les simulations numériques et la modélisation simplifiée sont en accord avec les résultats expérimentaux. Les calculs réalisés ont également permis de discuter le rôle des phases de chargement en mode III sur la fissuration. Le comportement du matériau étant non-linéaire, la direction du chargement nominal ne coïncide pas nécessairement avec celle de l’écoulement plastique. Ajouter une phase de chargement en mode III peut, dans certains cas, modifier très significativement le comportement de la fissure (direction de propagation, vitesse de fissuration, écoulement plastique). / This thesis deals with fatigue crack growth in non-proportional variable amplitude mixed mode I + II + III loading conditions and analyses the effects of internal stresses stemming from the confinement of the plastic zone in small scale yielding conditions. The tests showed that there are antagonistic long-distance and short-distance effects of the loading history on fatigue crack growth. The shape of loading path, and not only the maximum and minimum values in this path, is crucial and, by comparison, the effects of contact and friction are of lesser importance. Internal stresses play a major role on the fatigue crack growth rate and on the crack path. An approach was developed to analyze the elastic-plastic behavior of a representative section of the crack front using the FEA. A model reduction technic is used to extract the relevant information from the FE results. To do so, the velocity field is partitioned into mode I, II, III elastic and plastic components, each component being characterized by an intensity factor and a fixed spatial distribution. The calculations were used to select seven loading paths in I + II and I + II + III mixed mode conditions, which all have the same amplitudes for each mode, the same maximum, minimum and average values. These paths are supposed to be equivalent in the sense of common failure criteria, but differ significantly when the elastic-plastic behavior of the material is accounted for. The results of finite element simulations and of simulations using a simplified model proposed in this thesis are both in agreement with experimental results. The approach was also used to discuss the role of mode III loading steps. Since the material behavior is nonlinear, the nominal loading direction does not coïncide with the plastic flow direction. Adding a mode III loading step in a mode I+II fatigue cycle, may, in some cases, significantly modify the behaviour of the crack (crack growth rate, crack path and plasti flow).

Cette thèse s’effectue au sein de l’université de Bordeaux. Ce projet concerne la construction en bois et en particulier la compréhension des phénomènes à l’origine des fissures dans les structures bois. L’un des objectifs étant de concevoir des méthodes efficaces de renforcement local pour les éléments de structure. Pour cela, l’étude se décompose en plusieurs étapes, la compréhension des phénomènes mis en jeu dans la création des fissures sur des bois de construction. Ce travail s’orientera sur la modélisation de fissure en mode mixte, la recherche de solution de renforcement avec compréhension fine de l’impact de types de renforts sur la propagation de la fissure. Cette étude sera accompagnée d’une campagne d’essais, afin de vérifier l’efficacité des renforcements choisis et d’identifier l’impact de l’effet d’échelle sur les modèle de prédiction. Des essais de grandes dimensions seront donc réalisés pour mieux appréhender les effets de groupes et les effets d’échelle sur du matériau d’emploi. On vise ensuite à définir des outils prédictifs de la résistance des systèmes renforcés et de moyens de contrôles pour les Plan d’Assurance Qualité. / The purpose of reinforcing assemblies and structural elements inwood is to overcome the resistance limits of the material, by transferring greaterefforts in areas which can lead to premature cracking in structures. The reinforcementsused can be made of steel, composite materials or wood. Their hook can bemechanical (screwed bodies) or by adhesion (structural bonding like glued-in rodsfor example). In both cases, the transfer of solicitations remains poorly known, andthe effect of the beginning and the deflection of crack are not well apprehended. Inengineering techniques, the wood resistance in the reinforced area is neglected, whichis in line with the precautionary principle. Currently, the scientific investigations areinterested in the resistance of those kind of techniques without considering the interactionsbetween the quasi-brittle behavior of the wood and the reinforcementswhich govern the gain in mechanical performance. However, these solutions can leadto a failure caused by the progressive splitting of the wood and the anchor loss ofthe reinforcement. So it seems accurate to propose predictions of the short-termstrength for splitting of reinforced and unreinforced beams, which can be used tofurther exploration of the long-term failure mechanism. That is why, in this study, aglobal prediction model of the ultimate strength of structural components subjectedto splitting, reinforced and unreinforced ones, was developed. It considers the quasibrittlebehavior of the wood and crack propagation in mixed mode, using a mixinglaw established on the R-curves. The relevance of this modeling was then comparedto the current dimensioning methods of the Eurocodes 5, for notched beams, withexperimental campaigns conducted at different scales.

La connaissance de l'état mécanique du matériau et de son histoire de chargement (en tout point de la structure) est nécessaire pour évaluer l'étanchéité d'un ouvrage de confinement et par conséquent sa durabilité. Un modèle élastoplastique endommageable non local est développé pour reproduire le comportement mécanique du béton. Une méthode de régularisation est introduite sur la partie responsable de l'adoucissement pour éviter les problèmes numériques dus au phénomène de localisation de l'endommagement. La relation constitutive et son implantation numérique sont détaillées. La matrice tangente cohérente est dérivée, où la technique de la différenciation numérique est appliquée pour intégrer la relation constitutive de la plasticité et obtenir une convergence quadratique de la méthode de Newton-Raphson au niveau du point de Gauss et dans la solution du problème d'équilibre mécanique global. Les simulations effectuées ont montré la capacité du modèle à reproduire les comportements structurels classiques et complexes. Les comparaisons avec des modèles d'endommagement isotropes ont permis de mettre en évidence les améliorations apportées par l'introduction de la plasticité: le mode de rupture est correctement simulé (mode I et mode mixte) et la force ultime est en bon accord avec les résultats expérimentaux. Finalement, nous présentons des modifications du modèle d'endommagement non local intégral afin de prendre en considération les effets du bord. Notre justification est basée sur des arguments micromécaniques dans lesquels les interactions entre les microfissures sont diminuées proche du bord libre.

Cette thèse porte sur la fissuration par fatigue sous chargement variable en mode mixte I+II+III et sur les effets d'histoire induits par la plasticité confinée et les contraintes internes. Les essais réalisés montrent qu'il existe des effets antagonistes d'histoire du chargement à courte distance et à longue distance, que la forme de la séquence de chargement est cruciale et, par comparaison, que les effets de contact et de frottement sont d'importance moindre. Les contraintes internes jouent un rôle majeur sur la vitesse de fissuration par fatigue et sur le mode de fissuration. Une démarche a été mise en place pour étudier le comportement élasto-plastique d'une section représentative du front de la fissure par éléments finis. Pour ne retenir des calculs réalisés que le minimum d'information nécessaire, on se donne une approximation cinématique, le champ de vitesse est partitionné en composantes de modes I, II, III élastiques et plastiques, chaque composante étant caractérisée par un facteur d'intensité et une distribution spatiale fixe. Les calculs réalisés ont permis de sélectionner 7 trajets de chargement différents en mode I+II et en mode I+II+III, qui présentent les mêmes amplitudes pour chaque mode, les mêmes maxima, minima et valeurs moyennes. Ces trajets, censés être équivalents au sens des critères de rupture usuels, ne le sont pourtant pas lorsqu'on considère le comportement élasto-plastique du matériau et conduisent à des vitesses et des trajets de fissuration expérimentaux très différents les uns des autres. Les simulations numériques et la modélisation simplifiée sont en accord avec les résultats expérimentaux. Les calculs réalisés ont également permis de discuter le rôle des phases de chargement en mode III sur la fissuration. Le comportement du matériau étant non-linéaire, la direction du chargement nominal ne coïncide pas nécessairement avec celle de l'écoulement plastique. Ajouter une phase de chargement en mode III peut, dans certains cas, modifier très significativement le comportement de la fissure (direction de propagation, vitesse de fissuration, écoulement plastique).

L'enjeu de cette thèse était de proposer un modèle de prévision de la fissuration (trajet et vitesse) par fatigue sous chargement complexe, afin de définir les pas d'inspection de structures industrielles. Dans le cas des métaux, il est reconnu que la plasticité au voisinage de l'extrémité de la fissure a des effets majeurs sur la vitesse et la direction de fissuration. La simulation par éléments finis non-linéaire permet de comprendre et de modéliser ces effets, mais le traitement de problèmes industriels par cette méthode (fissures tridimensionnelles se propageant pendant plusieurs millions de cycles en non-linéaire) reste toujours hors de portée. Pour réduire les temps de calcul, une démarche de changement d'échelle a été mise en place, afin d'identifier un modèle de comportement élasto-plastique en mode mixte non-proportionnel, non pas local, mais relatif à la région en pointe de fissure. Ce modèle, qui condense tous les effets liés à la plasticité confinée en pointe de fissure, peut alors être utilisé dans un calcul de structure linéaire pour simuler la fissuration par fatigue en mode mixte, à amplitude variable, sous des millions de cycles en quelques minutes. La méthode et les hypothèses de changement d'échelle, d'abord appliquées à des simulations numériques, ont ensuite été validées expérimentalement sur des éprouvettes cruciformes fissurées en s'appuyant sur la mesure optique du champ de déplacement à l'extrémité de la fissure. Enfin, une campagne d'essais, visant à caractériser le comportement en fissuration de l'acier S355NL en fatigue, a été réalisée. Les résultats expérimentaux et de simulation sont en bon accord en mode I et en mode mixte.

Cette étude, basée sur la surveillance des ondes d'émission acoustique (E.A.), présente le développement d'une approche de prédiction de l'initiation de la délamination de pièces composites soumises à des chargements statiques et en fatigue. La surveillance des ondes d'E.A. fait parti d'un nombre restreint de méthodes pouvant détecter, en continu, l'apparition et la croissance de dommages dans les matériaux composites. L'approche est comparée à des méthodes conventionnelles ainsi qu'à une modélisation numérique pour des composites à fibre de carbone unidirectionnels et tissés, sur une gamme de rapports de mode mixte. Le présent mémoire met en lumière les différentes étapes abordées durant l'étude. L'utilisation des matériaux composites est mise en contexte au premier chapitre. La complexité des matériaux composites ainsi que la nécessité de modèles de prédiction fiables sont soulignées. Le deuxième chapitre contient une revue de la littérature et présente les outils disponibles pour analyser le délaminage et bâtir un modèle prédictif de sa propagation. Les sujets traités sont la délamination dans un contexte de mécanique de la rupture, la modélisation numérique d'une propagation de fissure, l'approche du monitorage par émission acoustique puis l'analyse fractographiques des surfaces de rupture. Les résultats des essais mécaniques et de la modélisation sont présentés sous forme d'article dans le troisième chapitre. Des essais statiques et en fatigue ont permis de calculer le taux de restitution d'énergie de déformation à l'initiation de la délamination selon des méthodes classiques pour ensuite les comparer à une méthode développée, basée sur le suivi des ondes d'émission acoustique. Une série d'essais de propagation de la délamination en fatigue ont permis d'observer des corrélations entre les émissions acoustiques, la longueur de la délamination, la vitesse de croissance des fissures et la sévérité du chargement. Finalement, une méthodologie de reconnaissance des formes non supervisée est présentée afin de discriminer les signaux d'E.A. d'amorçage et de propagation de fissure du bruit associé à la fatigue.

Ce mémoire de thèse présente l'étude de la propagation et de l'arrêt d'une fissure de clivage dans un acier de cuve REP. Une bonne compréhension des phénomènes en jeu nécessite de solides données expérimentales, ainsi qu'un outil de modélisation performant. La méthode X-FEM est implantée dans Cast3m, permettant de simuler efficacement la propagation de fissure par éléments finis. Deux techniques concernant l'actualisation des fonctions de niveau, ainsi qu'une intégration non conforme sont proposées. La campagne d'essais de propagation de fissure concerne trois géométries : des éprouvettes CT, et des anneaux comprimés en mode I et mixte. On relève les vitesses de propagation. Des fractographies désignent le clivage comme responsable de la ruine. Un modèle de propagation basé sur la contrainte principale en pointe de fissure est identifié. La contrainte critique de clivage dépend de la vitesse de sollicitation. Ce modèle permet de prédire précisément par la simulation numérique, le comportement de la fissure observé expérimentalement.

Ce travail s'articule autour de l'étude de matériaux coulés pour des composants électroniques. Une méthodologie est proposée pour analyser le comportement de fissures initiées dans des matériaux homogènes ou à l'interface entre différents matériaux. Une procédure expérimentale est décrite afin de mesurer le facteur d'intensité de contrainte critique d'un matériau homogène. Cette procédure est ensuite appliquée dans la comparaison du comportement d'une fissure d'un bimatériau et à la détermination du degré de validité des résultats. Une méthode est ensuite proposée pour déterminer la propagation de fissures dans les différents matériaux sous des chargements sous-critiques. Dans le cas d'une fissure à l'interface de bimatériaux, une méthodologie a été développée pour mesurer le taux de restitution d'énergie nécessaire à la propagation de la fissure. Les facteurs d'intensité de contraintes correspondants sont calculés à l'aide de simulations numériques, ainsi que l'angle de mode mixte résultant. L'ensemble des travaux expérimentaux réalisés et des simulations numériques développées permet de proposer une méthodologie d'analyse du comportement d'une fissure située au sein d'un composant multimatériau sollicité sous chargement thermo-mécanique.

La taille de la zone plastique en pointe de fissure dans un matériau est directement liée au facteur d’intensité de contrainte pour une configuration donnée. Cette étude utilise la technique d’indentation avec une très faible charge afin d’étudier la taille de la zone plastique cyclique et monotone au voisinage de la fissure. La zone plastique est caractérisée par la relation entre la dureté, le module réduit, le travail élastique, le travail plastique, l’indice de plasticité et la distance par rapport à la pointe de fissure. Les essais sont menés sur une éprouvette CT pour un alliage d’aluminium 2024T351. Dans une étude complémentaire, le contour des zones plastiques en fond de fissure en mode mixte, le rayon minimum de zone plastique (MPZR) et la direction de la fissure initiale pour l’alliage d’aluminium 2024T351 sur un “Compact Tension spécimen” est déterminé en utilisant le logiciel Matlab. Nous avons calculé la forme, la taille de la zone plastique au fond de fissure, le rayon minimum de la zone plastique par rapport à l’angle de chargement et le facteur d’intensité de contrainte en utilisant le critère de Von Mises. L’étude est effectuée pour les divers angles de chargement. Nous avons constaté que le chargement en mode mixte (13 = 600) est le plus néfaste pour le matériau. / The plastic zone size associated with a propagating crack in a material is directly related to the stress intensity factor for a given configuration. This work utilizes the ultra-low-load indentation techniques to study the cyclic and monotonic plastic zone size at the fatigue crack tip based on the relationship between the hardness, elastic work, plastic work, plasticity index and the distance from the crack tip. The study is conducted essentially on the aluminium alloy 2024T351. In a second part of this work, we study the contour of mixed mode crack-tip plastic zones, the minimum plastic zone radius (MPZR) and the direction of initial crack for the aluminium alloy 2024T351 in a Compact tension specimen by using Matlab software. We have computed the shape, size of plastic zone at crack-tip and the minimum plastic zone radius with respect to the loading angle and stress intensity factor in linear elastic fracture mechanics for plane strain condition according to Von Mises yield criteria, the study is conducted for various loading angle. We found that the mixed mode loading (F36O°) can lead to earlier material fracture earlier than any other biaxial loading.