La fabrication de grandes pièces structurelles aéronautiques en alliage d’aluminium nécessite la réalisation de multiples étapes de mise en forme (laminage, matriçage, forgeage…), de traitements thermiques et usinage. Pendant ces étapes de fabrication, les différents chargements thermomécaniques subis par la pièce avant son usinage induisent des déformations plastiques ainsi que des modifications de la microstructure qui sont sources de contraintes résiduelles. A ces contraintes résiduelles issues de l’histoire thermomécanique de la pièce, viennent s’ajouter celles issues directement de l'étape d'usinage. En effet lors de cette étape jusqu’à 90% de la matière initiale d'une pièce peut être retirée en utilisant des conditions de coupe parfois sévères. Les pièces aéronautiques présentent parfois des géométries complexes avec des parois minces. Ainsi, pendant et à l’issue de l’usinage, la géométrie de la pièce usinée se trouve fortement modifiée et une redistribution des contraintes résiduelle est alors à l’œuvre. Ces contraintes résiduelles qu’elles soient héritées ou induites par le procédé, influencent fortement la géométrie finale obtenue et sont une des causes principales de non-conformité des pièces avec les tolérances dimensionnelles du produit fini. Engendrant une perte conséquente pour les industries manufacturières. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes concentrés sur la prise en compte de ces deux types de contraintes résiduelles dans un modèle numérique de prédiction des distorsions. Nous nous sommes uniquement focalisés sur les pièces en aluminium issues de l’aéronautique. Nous avons ainsi couplé des modèles numériques avancés d’immersion et de remaillage avec un logiciel industriel existant afin de proposer une nouvelle solution numérique, rapide et robuste. En se basant sur les hypothèses de la littérature nous avons décidé de simuler l’usinage comme un enlèvement de matière massif où la trajectoire de l’outil et les machine seront négligées. L’objectif numérique est donc de proposer une méthode qui puisse rendre compte de la redistribution des contraintes résiduelles au sein de la pièce. Chaque étape de la gamme d’usinage est ainsi représentée par une étape de remaillage où le « volume usiné » sera supprimé du maillage pour céder ensuite sa place à un calcul mécanique permettant de rendre compte de la réorganisation des contraintes et les déformations qu’elle induisent. Ce processus itératif, réalisé dans un environnement parallèle a nécessité de nombreux développements numériques. Ainsi une nouvelle stratégie de remaillage et de repartitionnement a été proposée pour pouvoir obtenir un maillage à même de capturer les contraintes résiduelles issues de l’usinage en proche surface ainsi que pour réduire de manière significative les temps de calcul liés aux modifications de la géométrie par la découpe. Un modèle d’élasticité linéaire simplifié a aussi été ajouté au programme pour réduire le coût numérique des calculs mécaniques et permettre de traiter des problèmes de taille plus conséquente sur des ordinateurs de puissance raisonnable. Afin de confirmer les résultats obtenus par ces calculs, les simulations ont été comparées à des résultats expérimentaux tirés de la littérature et réalisés spécifiquement pour ce travail de thèse. / The manufacture of large aeronautical structural parts made of aluminium alloys requires multiple forming steps (rolling, die forging, forging, etc.), heat treatment and machining. During these manufacturing steps, the various thermomechanical loads suffered by the part before its machining induce plastic deformations as well as modifications of the microstructure which are sources of residual stresses. In addition to these residual stresses resulting from the thermomechanical history of the part, others result directly from the machining step. Indeed, during this step, up to 90% of the raw material of a part can be removed using sometimes severe cutting conditions. Aeronautical parts sometimes have complex geometries with thin walls. Thus, during and after machining, the geometry of the machined part is significantly modified by the redistribution of residual stresses at work. These residual stresses, whether inherited or induced by the process, strongly influence the final geometry obtained and are one of the main causes of non-conformity of the parts with the dimensional tolerances of the finished product. This results in a significant loss for manufacturing industries. In this thesis work, we focused on considering these two types of residual stresses in a numerical model predicting distortions. We focused only on aluminium parts from the aeronautics industry. We have thus coupled advanced numerical fitting and remeshing models with existing industrial software to provide a new numerical solution, fast and efficient. Based on the assumptions in the literature, we decided to model machining as a massive material removal where tool path and interaction with the machine will be neglected. The numerical objective is therefore to propose a method that can account for the redistribution of residual stresses within the part. Each step of the machining plan is thus represented by a remeshing step where the "machined volume" will be removed from the mesh followed by a mechanical computation to account for the reorganization of stresses and the deformations they induce. This iterative process, carried out in a parallel environment, required many numerical developments. Thus, a new remeshing and repartitioning strategy has been proposed to obtain a mesh capable of capturing the residual stresses resulting from near-surface machining and to significantly reduce the calculation times associated with changes in geometry through cutting. A simplified linear elasticity model has also been added to the approach to reduce the numerical cost of mechanical computation and allow for larger problems to be addressed on computers of reasonable power. In order to confirm the results obtained by these computations, the simulations were compared with experimental results from the literature and carried out specifically for this thesis work.

Le soudage est un moyen d'assemblage très utilisé dans l'industrie. Disposer d'un logiciel de simulation permettrait d'évaluer les contraintes résiduelles et d'obtenir des informations sur la microstructure du joint de soudure, nécessaires à l'analyse de sa tenue mécanique; mais aussi d'évaluer la faisabilité du procédé pour la réalisation de pièces complexes et d'optimiser les séquences de soudage pour minimiser les défauts. Cette thèse porte sur le développement d'un outil de simulation numérique du soudage à l'arc des aciers. Après avoir décrit le contexte tant industriel que bibliographique de ce travail, nous précisons les différents modèles implémentés dans le code de calcul TransWeld (le logiciel développé au CEMEF dans le cadre de ce travail). La description des équations macroscopiques employées est suivie de leur mise en œuvre numérique. Nous abordons ensuite la théorie du remaillage adaptatif et nous décrivons les éléments essentiels de la stratégie de remaillage développée dans le cadre de cette thèse. Ensuite, nous présentons les méthodes développées pour la modélisation de l'apport de métal et de la formation du cordon de soudage. Des simulations numériques conformes aux essais sont réalisées. L'analyse comparative entre résultats expérimentaux et numériques permet de juger de l'aptitude du code de calcul à prédire l'état thermomécanique et métallurgique de la structure soudée. Les limitations de notre modélisation et les phénomènes qu'elle a permis de mettre en évidence sont enfin discutés et permettent de définir quelques orientations intéressantes pour les développement futur de cette modélisation.

L'objectif de cette thèse de doctorat est de contribuer à une meilleure compréhension et modélisation de la rupture ductile lors de la mise en forme des métaux. Cette mise en forme se réalise en général par une série de chargements thermomécaniques où de multiples paramètres comme le type et la direction de chargement varient. Des outils de simulations prédictifs sont nécessaires pour modéliser les mécanismes de rupture, et ensuite optimiser les coûts de production.La rupture ductile des matériaux métalliques est précédée par la détérioration progressive de leur capacité de charge due à la germination, croissance, et coalescence de cavités microscopiques. Dans ce travail, une approche micromécanique est développée afin de conduire des simulations éléments finis réalistes et à champ complet de la rupture ductile à l'échelle microscopique. Des méthodes de génération et d'adaptation de maillage s'appuyant sur des fonctions de niveau sont proposées pour discrétiser la microstructure. Avec ces méthodes, les propriétés géométriques des fonctions de niveau sont conservées, ainsi que le volume et la morphologie de chaque composante de la microstructure, et ce pour de grandes déformations plastiques. Ces méthodes numériques sont étendues pour permettre la modélisation de fissures aux interfaces entre certaines composantes de la microstructure, ou à l'intérieur même de ces composantes. Une nouvelle méthode de détection de contact par adaptation de maillage est aussi développée.L'intérêt de ces développements numériques et modèles micromécaniques est démontré tout d'abord pour des microstructures générées statistiquement. Ensuite, une nouvelle méthodologie est proposée pour modéliser des microstructures réelles (laminographie in-situ) avec des conditions aux limites mesurées expérimentalement (corrélation d'images volumiques). / The present PhD thesis aims at a better understanding and modeling of ductile fracture during the forming of metallic materials. These materials are typically formed using series of thermomechanical loads where many parameters such as loading type and direction vary. Predictive numerical tools are necessary to model fracture mechanisms, and then optimize production costs.Ductile fracture in metallic materials is the result of a progressive deterioration of their load carrying capacity due to the nucleation, growth, and coalescence of microscopic voids. In this work, a micromechanical approach is developed in order to conduct realistic full field finite element simulations of ductile fracture at the microscale. Meshing and remeshing methods relying on the use of Level-Set functions are proposed to discretize the microstructure. Thanks to these methods, the geometric properties of Level-Set functions are preserved, as well as the volume and morphology of each component of the microstructure, even at large plastic strains. These numerical methods are extended to account for cracks and model the failure of some components of the microstructure, or interfaces between them. A new contact detection method based on mesh adaptation is also developed.The interest of these numerical developments and micromechanical models is first demonstrated at the scale of representative volume elements with statistically generated microstructures. Then, a new methodology is proposed to conduct simulations of real microstructures observed via in-situ X-ray laminography, with boundary conditions that are measured using digital volume correlation techniques.

Cette thèse d'habilitation présente une synthèse de contributions dans le domaine du traitement numérique de la géométrie sous la forme de concepts et d'algorithmes pour la reconstruction de surfaces, l'approximation de surfaces, le remaillage quadrangle de surfaces et la génération de maillages.

Ce travail a pour but la mise au point d'une méthodologie de formage virtuel qui consiste à simuler numériquement tous procédés de mise en forme de pièces minces ou massives avec la prise en compte d'un couplage thermo-mécanique-endommagement. Ceci permettra de prévoir l'apparition de l'endommagement ductile au cours du formage des pièces. On pourra ainsi agir sur les paramètres technologiques pertinents du procédé afin soit de retarder cet endommagement pour obtenir des pièces saines, soit au contraire de favoriser celui-ci afin de simuler des opérations de coupe. Une formulation théorique générale du couplage "fort" thermo-élasto-visco-plastique-endommagement est introduite, prenant en compte une loi d'évolution de l'endommagement ductile isotrope. Sur le plan numérique, un soin particulier a été apporté à l'intégration locale des équations d'évolution couplées. Pour résoudre le système global couplé, deux schémas ont été utilisés : (1) un schéma itératif statique implicite associé au calcul analytique de la matrice tangente consistante, (2) un schéma dynamique explicite associé à un contrôle automatique du pas de temps. Une procédure de remaillage adaptatif en grandes déformations a été utilisée en connexion avec le code de calcul par éléments finis ABAQUS. Après une validation sur des essais de traction, une large gamme de procédés, dont certains sont issus de l'industrie, tels que le découpage de tôle, la compression de cylindres, la coupe orthogonale par enlèvement de copeaux,... est présentée et comparée avec des essais expérimentaux quand cela est possible. La capacité de cette méthodologie de formage virtuel à prédire correctement l'initiation et la propagation de l'endommagement en mise en forme est clairement démontrée.

La simulation numérique du fonctionnement des dispositifs électromécaniques doit prendre en compte simultanément les aspects magnétiques, électriques et mécaniques en présence. En effet, les convertisseurs étudiés sont généralement reliés à un circuit d'alimentation électrique et possèdent des pièces magnétiques et conductrices en mouvement. Les modélisations proposées sont basées sur la méthode des éléments finis qui permet une discrétisation des équations des phénomènes physiques à traiter. Une formulation du problème des courants induits avec mouvement est présentée, ainsi que les couplages nécessaires avec les équations électriques et cinématiques. L'essentiel des travaux porte sur les techniques de prise en compte du mouvement dans un tel contexte. Deux méthodes sont alors proposées et comparées : le couplage des éléments finis avec des équations intégrales de frontières d'une part, et des procédures de remaillage automatique d'autre part. Une approche originale de maillage à l'aide de boules est présentée. Les développements réalisés sont appliqués pour l'étude 2D de dispositifs électromécaniques industriels. Les modélisations permettent d'étudier l'influence de phénomènes tels que les courants induits ou les saturations magnétiques sur leur fonctionnement.

Les matériaux cristallins, notamment métalliques, sont des matériaux hétérogènes. Leurs propriétés macroscopiques sont fondamentalement déterminées par leurs caractéristiques microstructurales. L'étude des mécanismes opérant à l'échelle du grain permet de mieux comprendre et mieux contrôler les caractéristiques des pièces fabriquées afin de réduire leur coût et optimiser leur performance. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la méthode dite "CPFEM'' qui couple la plasticité cristalline à la méthode des Eléments finis (EF). L'objectif de ce travail est d'étudier les hétérogénéités à l'échelle du grain au sein d'agrégats polycristallins soumis à de grandes déformations. Pour ce faire, une représentation explicite de la microstructure est nécessaire. Le travail réalisé, ainsi que ce manuscrit, s'articule autour de deux axes principaux: i) la mise en place d'un cadre numérique robuste adapté à des calculs de microstructure intensifs en grandes déformations; ii) la validation de ce cadre à travers différents cas tests, qui permettent, notamment, d'étudier les hétérogénéités locales. Dans le chapitre 2, le comportement du matériau est modélisé par une loi élastoviscoplastique cristalline, qui ne prend cependant pas en compte le développement d'une sous-structure dans sa formulation. Cette loi est couplée à une formulation EF mixte en vitesse pression. L'approche EF, détaillée dans le chapitre 3, peut être considérée comme le modèle polycristallin idéal vu le respect, au sens numérique faible, de l'équilibre des contraintes et la compatibilité des déformations. Dans le chapitre 4, l'approche utilisée pour construire, représenter et discrétiser un volume polycristallin est détaillée. La microstructure est représentée, soit par des polyèdres de Voronoi, soit par des voxels, si elle est construite à partir de données expérimentales. L'agrégat polycristallin est discrétisé avec une approche "monolithique'', où un seul maillage, non structuré et non-conforme aux interfaces entre les grains, est utilisé. Une approche level set permet alors de décrire l'interface entre les grains de façon implicite et sert de base pour la construction d'un maillage adaptatif anisotrope. Le remaillage, avec un transport approprié des variables du problème, se fait de façon naturelle et automatique si la carte de métrique, associée au maillage, est calculée avant la procédure de remaillage. Dans le chapitre 5, les hétérogénéités inter- et intragranulaire sont appréhendées à travers une étude de la distribution d'une fraction de l'énergie de déformation. Cette fraction est considérée, dans une première approche, comme étant représentative de l'énergie stockée durant la déformation. Une analyse de sensibilité, au degré et au type de maillage utilisé, permet de mettre en évidence l'apport d'une stratégie de maillage anisotrope. Ces données locales sont particulièrement importantes à calculer lors de la déformation d'agrégats polycrystallins si l'objectif est de modéliser le phénomène de recristallisation statique qui suit l'étape de déformation. Un cas test 3D permet d'illustrer le chaînage de la simulation de la déformation et de la recristallisation, toutes deux réalisées dans le même cadre numérique. Dans le chapitre 6, notre approche numérique est, dans un premier temps, validée à l'aide d'un cas test de laminage pour un polycrystal statistiquement représentatif d'une texture expérimentale. Une réduction d'épaisseur de plus de 90 % est réalisée. Le remaillage, dans ce type d'application, s'avère plus que nécessaire. Dans la seconde partie de ce chapitre, une étude approfondie de la microtexture, développée au sein de microstructures virtuelles, est effectuée. Dans ce cas, ces microstructures "digitales'' correspondent à une microstructure réelle dans un sens discret. Les prédictions de désorientations, d'orientations cristallographiques moyennes ainsi que les cartes d'orientation 2D virtuelles, sont comparés à l'expérience à l'échelle de chaque grain, mettant ainsi en évidence les facteurs à l'origine de certaines des différences observées.

Dans le contexte industriel actuel, la modélisation numérique apparaît comme un outil nécessaire, entraînant des gains de temps et d'argent importants. Le logiciel FORGE2 Multimatériaux a été développé dans ce cadre, afin de modéliser des matériaux élastoplastiques ou élasto-viscoplastiquse en grandes déformations. Nous présentons dans ce mémoire les développements qui ont été réalisés pour permettre de prendre en compte et de gérer plusieurs sous-domaines et plusieurs matériaux, en insistant sur les difficultés liées à la gestion des contours et du remaillage. Nous présentons également les outils numériques introduits pour modéliser la propagation quasi-statique de fissures dans le maillage. Pour cela, nous introduisons les paramètres caractéristiques classiques en mécanique de la rupture, et nous les étudions pour une fissure statique. La méthode G, permettant de calculer avec précision le taux de restitution d'énergie, est développée et comparée à d'autres méthodes. Nous abordons ensuite l'amorçage et la propagation quasi-statique de fissures en présentant et en comparant trois critères de propagation: le critère de la contrainte normale maximale, le critère de la densité d'énergie de déformation minimale et le critère du taux de restitution d'énergie maximal. Une attention particulière est portée aux problèmes de remaillage et de structure du maillage en pointe de fissure. La caractéristique multimatériaux du code permet également d'étudier la propagation de fissures dans des matériaux composites. Les exemples d'application proposés montrent la robustesse des développements effectués et offrent de nombreuses perspectives intéressantes. Enfin nous utilisons les différents outils présentés pour étudier les mécanismes de déformation et de rupture lors du compactage de tubes en zircaloy 4. Une étude expérimentale est menée en parallèle afin de valider les résultats numériques, et d'étudier l'influence de l'oxydation sur les propriétés mécaniques du zircaloy 4.

Ce travail porte sur la simulation numérique tridimensionnelle par éléments finis du refroidissement primaire lors de la coulée continue d'aciers via le logiciel THERCAST. L'objectif de cette étude est de modéliser avec précision les régions solides, liquides (et pâteuses) présentes dans une lingotière de coulée continue. Dans ce contexte, la stratégie globale instationnaire est utilisée : le domaine de calcul croît à la vitesse de coulée. Afin de s'affranchir des difficultés liées aux approches purement eulériennes ou langrangiennes, nous proposons une méthode de type Eulérien-Lagrangien-ALE (Arbitrairement Lagrangienne Eulérienne). La peau solidifiée est modélisée par une loi de comportement élasto-visco-plastique. Une méthode de remaillage adaptatif automatique permet de la représenter finement grâce à un maillage anisotrope très fin dans le sens des gradients de température et de contrainte. Afin de modéliser les écoulements liquides, nous avons implémenter une méthode de transport sur la densité de bulles d'argon, couplée aux équations de Navier-Stokes par le terme de force gravitationnelle. Les effets turbulents sont pris en compte par le modèle k − " standard. Tous ces développements ont été confrontés avec succès à des résultats académiques ou à des benchmarks, bien que la simulation d'une configuration industrielle prenant en compte l'ensemble de ces méthodes et phénoménologies ne soit pas encore à notre portée.

L'Interaction Fluide-Structure (IFS) décrit une classe très générale de problème physique, ce qui explique la nécessité de développer une méthode numérique capable de simuler le problème FSI. Pour cette raison, un solveur IFS est développé qui peut traiter un écoulement de fluide incompressible en interaction avec des structures différente: élastique ou rigide. Dans cet aspect, le solveur peut couvrir une large gamme d'applications.La méthode proposée est développée dans le cadre d'une formulation monolithique dans un contexte Eulérien. Cette méthode consiste à considérer un seul maillage et résoudre un seul système d'équations avec des propriétés matérielles différentes. La fonction distance permet de définir la position et l'interface de tous les objets à l'intérieur du domaine et de fournir les propriétés physiques pour chaque sous-domaine. L'adaptation de maillage anisotrope basé sur la variation de la fonction distance est ensuite appliquée pour assurer une capture précise des discontinuités à l'interface fluide-solide.La formulation monolithique est assurée par l'ajout d'un tenseur supplémentaire dans les équations de Navier-Stokes. Ce tenseur provient de la présence de la structure dans le fluide. Le système est résolu en utilisant une méthode élément fini et stabilisé suivant la formulation variationnelle multiéchelle. Cette formulation consiste à décomposer les champs de vitesse et pression en grande et petite échelles. La particularité de l'approche proposée réside dans l'enrichissement du tenseur de l'extra contraint.La première application est la simulation IFS avec un corps rigide. Le corps rigide est décrit en imposant une valeur nul du tenseur des déformations, et le mouvement est obtenu par la résolution du mouvement de corps rigide. Nous évaluons le comportement et la précision de la formulation proposée dans la simulation des exemples 2D et 3D. Les résultats sont comparés avec la littérature et montrent que la méthode développée est stable et précise.La seconde application est la simulation IFS avec un corps élastique. Dans ce cas, une équation supplémentaire est ajoutée au système précédent qui permet de résoudre le champ de déplacement. Et la contrainte de rigidité est remplacée par la loi de comportement du corps élastique. La déformation et le mouvement du corps élastique sont réalisés en résolvant l'équation de convection de la Level-Set. Nous illustrons la flexibilité de la formulation proposée par des exemples 2D.