Ce travail avant tout numérique concerne l'identification directe des rigidités d'une plaque mince anisotrope avec la méthode dite des champs virtuels. Cette méthode est basée sur l'utilisation du principe de travail virtuel avec des champs virtuels particuliers. L'intérêt est d'identifier plusieurs paramètres inconnus à partir d'un seul essai générant des champs de contraintes hétérogènes et pour lequel aucun lien direct n'existe entre données du problème et déformations ou déplacements en des points donnés.<br />Deux aspects originaux sont développés dans ce travail. Le premier concerne des champs virtuels définis par sous-domaines. Le deuxième concerne l'optimisation des conditions d'essai vis-à-vis du bruit de mesure. La caractérisation d'une plaque endommagée est également examinée. Enfin, quelques essais ont permis de confirmer certains résultats trouvés dans la première partie du travail.

Afin de participer à l’émergence de technologies innovantes et contribuer aux objectifs de développement durable, un consortium composé de 13 partenaires (3 laboratoires académiques et 10 entreprises industrielles) a été formé. Le projet Thermofluid-RT consiste à développer un système de refroidissement à boucle de fluide diphasique à pompage mécanique. Le LMT-Cachan contribue à la conception de l'élément essentiel de la pompe, à savoir, le soufflet. Celui-ci est obtenu en soudant des feuilles d’acier inoxydable à durcissement structural très mince (70 µm) et doit fonctionner sans défaillance pendant 20 ans. Un dimensionnement fiabiliste du soufflet basé sur la théorie du maillon le plus faible est réalisé. Une méthode d'optimisation basée sur la technique d’identification intégrée à la corrélation d'images numériques aboutit à une géométrie d’éprouvette qui minimise l'incertitude des paramètres recherchés. Toutes les données brutes sont combinées à leur juste valeur grâce à une formulation Bayésienne basée sur l’hypothèse de bruits blanc gaussiens. La géométrie optimisée est testée sur Mini-Astrée, la nouvelle machine biaxiale du LMT. Plusieurs lois de comportements sont étudiées et testées sur le matériau étudié. De très fines feuilles du même acier, sont de même testées à l’aide d’essais uni-axiaux et multiaxiaux. Une analyse microscopique est conduite au travers d’un micro-essai de traction sur 2 grains et l’identification de paramètres d’une loi de plasticité cristalline. Enfin, le dimensionnement probabiliste du soufflet est validé à partir de plusieurs mesures expérimentales infra-rouges sur un nouveau banc d’essai. Un modèle probabiliste à deux échelles permet la caractérisation des phénomènes observés relatifs au matériau d’étude et au composant lui-même. / In the context of leveraging and accelerating innovative technological solutions that contribute to meeting sustainable goals, a consortium composed of 13 partners (3 academic laboratories and 10 industrial companies) has been formed. The THERMOFLUID-RT project consists in developing a two-phase fluid loop driven by a mechanical pump. LMT-Cachan contributes to the design of the critical component of the pump, i.e., bellows. This component obtained by welding very thin (70 µm) pre-deformed sheets made of precipitation-hardened stainless steel is expected to operate without failure for 20 years. First, a new probabilistic design methodology allows for the fatigue design of the component. Second, an optimization methodology based on full field measurements and Integrated Digital Image Correlation (IDIC) allows the sample geometry to be designed with the least uncertainty of the sought parameters. All data account for the latter thanks to a Bayesian foundation that equitably weights all measurements. Third, the optimized cruciform geometry has been tested in a new compact biaxial machine, mini-Astrée that allows for a fast, yet robust identification. Several elasto-plastic models with increasing complexity are investigated to probe the material behavior. Ultra-thin sheets are also tested in uniaxial and biaxial experiments thanks to an anti-wrinkling setup. Fourth, a microscopic analysis is also performed via quasi-3D IDIC and a uniaxial micro-specimen allow a crystal plasticity law to be characterized. Last, the probabilistic fatigue design of the bellows based on the weakest link theory and a two-scale probabilistic model is validated with infrared measurements in the high cycle fatigue regime.

De nombreux domaines concernant le comportement mécanique des matériaux posent le problème de la mesure des déplacements ou des déformations. Pour ce type de mesure, les méthodes optiques se sont largement imposées en raison de leur caractère non intrusif, de leur grande résolution spatiale, de leur sensibilité élevée, de l'importance du champ examiné à tout instant et des progrès de l'informatique qui permet le traitement automatique d'un grand volume d'information.<br /><br />Dans ce contexte, nous avons développé un système de mesure de formes 3D ou de champs de déplacements 3D par stéréovision (en particulier par stéréo-corrélation).<br /><br />Cette technique permet : (1) la mesure de la forme 3D d'un objet à partir d'une simple paire d'images stéréoscopiques de l'objet, (2) la mesure de champs de déplacements 3D à partir d'au moins 2 paires d'images correspondant à différents instants de déformation de l'objet (en général analyse d'une séquence de paires d'images acquises en cours de déformation).<br /><br />Les points développés dans la thèse sont : le calibrage fort d'une caméra ou d'un capteur de vision stéréoscopique, la reconstruction 3D par stéréovision (en particulier par stéréo-corrélation), la mesure de champs de déplacements 3D à partir du couplage de la stéréo-corrélation et du suivi de pixels dans une séquence d'images par corrélation. Compte tenu de la finalité métrologique de ces travaux, nous accordons une attention toute particulière à la précision des méthodes mises en oeuvre (qualité du calibrage, qualité de la mise en correspondance des images, corrélation subpixel,...).<br /><br />Ces travaux ont été appliqués à l'emboutissage de tôles minces (mesure de formes 3D d'emboutis et mesure de champs de déformations à la surface d'emboutis 3D), à la mise en forme de polymères (mesure de champs de déplacements 3D sur des membranes en élastomère soufflées), et à l'étude du comportement mécanique de bétons réfractaires renforcés de fibres métalliques (mesure de champs de déplacements 3D lors d'essais de traction).

Le poly(ethylene téréphtalate) est un polymère thermoplastique très utilisé dans l'emballage alimentaire. Malheureusement, pour des raisons de sécurité sanitaire, son recyclage dans le même domaine d'application est interdit en France et en Europe. Au cours de cette étude nous avons étudié la faisabilité d'un tel recyclage matière en effectuant une étude en trois parties - une analyse multi-échelle de la dégradation des PET recyclés et vierges extrudés jusque 6 fois sous forme de films, en comparant la structure de ces matériaux avec leur comportement mécanique, rhéologique et thermique - la modélisation de leur comportement rhéologique et mécanique, grâce à une étude expérimentale permettant la mise en place d'un certains nombre d'hypothèses à la base du développement : d'un modèle rhéologique permettant de déterminer à partir des caractéristiques de départ du matériau et de l'extrudeuse (pression en oxygène, température, temps) l'évolution de la viscosité du matériau ; d'une simulation des caractéristiques d'endommagement de ces matériaux au cours d'un essai de traction uniaxiale, permettant de relier comportement mécanique du matériau avec sa structure, ce qui n'était pas possible avec des essais mécaniques macrohomogènes classiques. - Enfin, nous avons réalisé une étude à l'échelle industrielle, qui a démontré que l'utilisation du PET recyclé dans l'emballage alimentaire était possible à condition de respecter un certain nombre de contraintes dans le choix des paramètres de mise en oeuvre et des caractéristiques du PET recyclé.

Avec le développement actuel des nano-technologies, la demande en matière d'étude du comportement des matériaux à des échelles micro ou nanoscopique ne cesse d'augmenter. Pour la mesure de forme ou de déformation tridimensionnelles à ces échelles de grandeur, l'acquisition d'images à partir d'un Microscope Électronique à Balayage (MEB) couplée à l'analyse par corrélation d'images numériques s'est avérée une technique intéressante. Cependant, un MEB est un outil conçu essentiellement pour de la visualisation et son utilisation pour des mesures tridimensionnelles précises pose un certain nombre de difficultés comme par exemple le calibrage du système et la correction des fortes distorsions (spatiales et temporelles) présentes dans les images. De plus, le MEB ne possède qu'un seul capteur et les informations tridimensionnelles souhaitées ne peuvent pas être obtenues par une approche classique de type stéréovision. Cependant, l'échantillon à analyser étant monté sur un support orientable, des images peuvent être acquises sous différents points de vue, ce qui permet une reconstruction tridimensionnelle en utilisant le principe de vidéogrammétrie pour retrouver à partir des seules images les mouvements inconnus du porte-échantillon.<br /><br />La thèse met l'accent sur la nouvelle technique de calibrage et de correction des distorsions développée car c'est une contribution majeure pour la précision de la mesure de forme et de déformations 3D aux échelles de grandeur étudiées. Elle prouve que, contrairement aux travaux précédents, la prise en compte de la dérive temporelle et des distorsions spatiales d'images est indispensable pour obtenir une précision de mesure suffisante. Les principes permettant la mesure de forme par vidéogrammétrie et le calcul de déformations 2D et 3D sont aussi présentés en détails. Dans le but de valider nos travaux et démontrer en particulier la précision de mesure obtenue, des résultats expérimentaux issus de différentes applications sont présentés tout au long de la thèse. Enfin, un logiciel rassemblant différentes applications de vision par ordinateur a été developpé.

L'expérience en mécanique permet tout d'abord l'observation, la compréhension des phénomènes, puis la mise en place éventuelle de modèles. Ces modèles nécessitent des données d'entrée expérimentales (paramètres) puis des validations. In fine les produits issus des prédictions / dimensionnement via les modèles sont aussi testés. Dans ce cadre, les méthodes optiques pour la caractérisation des matériaux et des structures (photomécanique) sont d'un grand intérêt. Les travaux présentés dans ce mémoire se situent dans ce périmètre, suivant les deux principaux thèmes de recherche que j'ai développés : (A) les mesures de champs par méthodes de corrélation d'images et leur exploitation pour l'analyse du comportement et la caractérisation mécanique des matériaux, et (B) les capteurs à fibre optique pour le suivi des procédés de fabrication des composites (mesures confinées et sans accès visuel). La première partie du mémoire présente mon dossier personnel résumant mes activités générales en temps qu'enseignant-chercheur à l'Ecole des Mines d'Albi. La deuxième partie présente mon dossier de recherche, articulée autour de ces deux thèmes. Le premier thème se décompose suivant trois axes majeurs : (A1) les mesures de champs cinématiques par corrélation d'images et leur caractérisation métrologique, (A2) la caractérisation du comportement de matériaux à l'aide de mesures par corrélation d'images, et (A3) l'identification inverse de paramètres constitutifs à partir d'essais statiquement indéterminés et de mesures par corrélation d'images. Le second thème se décompose suivant deux axes majeurs : (B1) la mesure de température et de déformations par capteur à fibre optique à réseaux de Bragg appliquées au suivi de procédé d'élaboration de composites, et (B2) la mesure du degré d'avancement par réfractomètre de Fresnel. Le mémoire se clôture par un bilan général et quelques perspectives de recherche.