Les départements de conception de pièces industrielles ont de plus en plus à modéliser de grandes structures contenant un nombre important de points d'assemblage (ex : avion, pont, rails, etc.). Cependant, exécuter des simulations avec une représentation explicite de chaque point d'assemblage reste à ce jour inenvisageable : problèmes numériques liés aux nombreux problèmes non-linéaires locaux à résoudre (contact, plasticité, endommagement), temps calculs et besoins mémoires trop importants, etc.). Afin de garder des temps de calcul raisonnables, une méthodologie visant à représenter en 3D le point d'assemblage de manière simple, tout en restant physiquement représentatif de la réalité, est nécessaire. Les travaux de cette thèse portent sur la mise au point d'une méthodologie basée sur une méthode innovante en éléments finis pour représenter de manière précise un point d'assemblage par déformation plastique (rivet, point clinché, vis, etc.) en prenant en compte le passé thermomécanique issu de la pose de ce point. Ces travaux sont réalisés sous FORGE et seront à terme développé dans la Cimlib. Plusieurs représentations du point d'assemblage sont proposées, notamment une représentation virtuelle, élaborée à partir des éléments finis définis par défaut lorsque deux plaques sont mises en contact. Le but d'un tel élément équivalent est de modéliser le comportement mécanique du point d'assemblage aussi précisément que possible selon six sollicitations mécaniques de base. Pour ce faire, le comportement équivalent optimal est identifiée à l'aide des courbes F/d et C/a des différentes sollicitations obtenus à l'aide d'un modèle complet numérique intégrant un comportement élasto-plastique. Une loi d'évolution de l'endommagement équivalent est aussi développée dans l'élément équivalent virtuel pour modéliser la rupture du point d'assemblage. Cette approche peut être assimilée à un problème d'optimisation où une fonction coût, définissant l'écart au sens des moindres carrés entre les deux courbes F/d ou C/a des modèles complet et équivalent, doit être minimisée. Une approche par Stratégie d'Evolution avec Métamodèle a été testée et s'est avérée fructueuse. Enfin, une synthèse du modèle équivalent virtuel vers un modèle simplifié utilisant un élément connecteur– plus rapide encore mais moins précis – est présentée. Toutes ces représentations sont validées sur des assemblages multipoints en comparant les résultats obtenus à la fois au modèle complet numérique et à des essais expérimentaux.

Le patrimoine ferroviaire français comporte de nombreux ponts métalliques, principalement construits au cours de la seconde moitié du XIXème siècle. Ces ouvrages d'art sont donc en service depuis plus d’un siècle et nécessitent une politique de maintenance adaptée. En collaboration avec SNCF Réseau, cette thèse de doctorat apporte des éléments de compréhension sur le comportement mécanique des assemblages rivetés à chaud sous sollicitations monotones et cycliques. Une stratégie expérimentale a été mise en oeuvre afin d'identifier les mécanismes de ruine des assemblages rivetés. Dans un premier temps, le matériau objet de cette étude, un fer puddlé, a été extrait d'éléments provenant du pont sur l'Adour à Bayonne (1864-2013). Ce matériau a été notamment caractérisé sous chargements monotones et cycliques ; sa fragilité, son anisotropie et son comportement dispersif ont été mis en évidence et analysés. Des outils numériques ont été développés pour l’étude microscopique de cette famille de matériaux. Des éprouvettes rivetées de type détail constructif ont par la suite été conçues, fabriquées et testées sous chargements monotones et cycliques. Un scénario précis du fonctionnement et de ruine d'un assemblage mono-rivet en double recouvrement a pu être identifié. Pour cela, les influences des caractéristiques matériau, des concentrations de contraintes, du cisaillement du rivet et de l'effort de serrage ont été étudiées. Les résultats de ce travail, comparés à ceux de la littérature et aux standards de dimensionnement des structures métalliques, montrent la complémentarité d'une étude à plusieurs échelles (comportement matériau et étude locale du fonctionnement des assemblages) dans le but de comprendre et estimer le comportement des structures rivetées anciennes. / Numerous metallic bridges can be found in the French railway heritage. Since a majority of these structures was built during the second half of the 19th century, they have been in service for over a hundred years and need an adapted maintenance policy.These doctoral thesis, done in collaboration with SNCF Réseau, improves the understanding of the mechanical behaviour of hot riveted assemblies under monotonic and cyclic loadings. An experimental strategy was proposed and carried out in order to identify the failure mechanisms of riveted assemblies. First, the studied material, a puddled iron, was obtained from recovered elements from the bridge over the Adour river in Bayonne (1864-2013). Mechanical testing and characterisation was performed under monotonic and cyclic loadings. Puddled iron’s brittle, anisotropic and scattered behaviour was observed and analysed. In-house software applications were developed in order to study this kind of material. Additionally, hot riveted specimens (constructional details) were designed, manufactured and tested under monotonic and cyclic loadings. A precise working (and failure) scenario of the double shear mono-rivet assembly was identified. The influence of the material’s behaviour, stress concentrators, shearing of the rivet and clamping force of the rivet were studied. The results obtained during these research works, compared to the ones found in academic literature as well as construction norms for metallic structures, showed the importance and complementarity of a multi-scale approach (material behaviour and local study of assemblies) in order to understand and assess the behaviour of ancient riveted structures.

Ces travaux de thèse portent sur la question de l'assemblage multi-matériaux polymère-acier. Dans un environnement automobile grande série, le rivetage auto-poinçonneur est le procédé d'assemblage proposé qui permet de répondre à la problématique industrielle. Dans un premier temps, la faisabilité de la technique i été étudiée en recherchant l'influence de la vitesse de rivetage et de l'effort serre-flan sur les caractéristiques géométriques du joint riveté et sur la tenue mécanique. Ainsi, il se révèle que l'augmentation de la vitesse de rivetage a un effet favorable: l'effort à la rupture en traction pure augmente de +10% en accord avec l'augmentation de l'ancrage mécanique. Par contre, l'augmentation de l'effort serre-flan a un effet défavorable : l'effort à la rupture en traction pure et en traction-cisaillement diminue de -6.6%. Par la suite, un modèle numérique 2D axisymétrique a été mis au point dans le but de simuler l'opération de rivetage. Les propriétés mécaniques effectives du matériau composite sont estimées par une méthode d'homogénéisation tandis que le comportement mécanique du matériau acier par un modèle élasto-plastique endommageable. Comparée à la coupe transversale issue d'un essai expérimental, la simulation effectuée sous Abaqus 6.10- 1® démontre être capable de correctement prédire la déformée en particulier pour la valeur d'ancrage mécanique. Enfin, un modèle numérique 30 a été développé et permet de simuler des chargements destructifs et asymétriques. L'effort à rupture et les déformées macroscopiques estimées sont en bon accord avec les résultats expérimentaux, grâce notamment à la prise en compte de l'endommagement local de la couche composite. / This thesis work is dealing with the issue of multi-material polymer-steel joining. Within a large-scale automotive environment, self-piercing riveting is the proposed joining technique to tackle the industrial challenge. Firstly, the feasibility of the technique is studied by investigating the influence of the riveting velocity and the sheet holder load on the geometrical characteristics of the riveted joint and the mechanical strength. Thus, it turns out that the increase in riveting velocity has a favorable effect: the joint strength in pure tension mode increases by +10% in agreement with the increase in mechanical anchoring. However, the increase of the sheet holder load has an unfavorable effect: the joint strength in cross tension and in shear modes decreases by -6.6%. Subsequently, an axisymmetrical 20 numerical model has been created enabling the simulation of the riveting operation. The effective mechanical properties of the composite material are estimated by a homogenization method while the mechanical behavior of the steel material is managed through an elastic-plastic model with damage. Compared with a cross section resulting from an experimental test, the simulation carried out under Abaqus 6.10-1® demonstrates being able to correctly predict the deformations, the anchoring value more particularly. Finally, a 30 numerical model has been developed and allows the simulation of destructive and asymmetrical loadings. The joint strength and the macroscopic deformations estimated are in good agreement with the experimental results, especially when taking into account the local damage of the composite laver.