L'objectif principal de cette étude est de proposer des lois de comportement macroscopiques permettant de décrire la viscosité de matériaux métalliques sur une large gamme de température et de vitesse de déformation. En effet, dans un contexte industriel fortement concurrentiel, le dimensionnement de structures comme le collecteur d'échappement des moteurs Diesel doit être rapide et prédictif. Les lois de comportement des matériaux jouent un rôle capital dans ce processus de dimensionnement. En effet, la multiaxialité et le caractère anisotherme des chargements appliqués aux collecteurs d'échappement induisent un comportement élastoviscoplastique du matériau et in fine de la structure. Bien qu'elles répondent aux principales exigences de coût, de masse et d'usinabilité, les fontes à graphite sphéroïdal, très souvent choisies comme matériau constitutif de ces pièces, ont un comportement complexe marqué par une très forte viscosité à hautes températures. Ainsi, les structures comme le collecteur d'échappement sont soumises principalement à deux contraintes lors de leur dimensionnement : - La prévention de tout risque d'amorçage de fissure lors de leur durée de vie nominale. On doit ainsi développer des méthodes de dimensionnement à la fatigue thermomécanique oligocyclique car ce sont les cycles de démarrage-arrêt du moteur qui sont endommageant pour la structure. - La prévention de tout risque de fuite et de dérives dimensionnelles. En effet, la succession de cycles thermomécaniques sévères peut induire une accumulation de déformation inélastique dans certaines zones de la structure et alors engendrer de fortes déformées globales. Ces "dérives" peuvent alors être à l'origine de défaut d'étanchéité et de perte de gaz d'échappement. Si une méthodologie efficace pour dimensionner les structures à l'initiation de fissure existait d'ores et déjà dans les bureaux d'études de PSA Peugeot Citroën, la prise en compte des phénomènes de dérives dimensionnelles restait un sujet peu exploré mais néanmoins crucial. En effet, les structures fonctionnent de plus en plus souvent à la limite de leurs capacités et une modélisation efficace de leur comportement permettrait des calculs de dimensionnement prédictifs tout en diminuant les temps de conception. De nombreuses solutions sont envisagées dans la littérature afin de modéliser le comportement élastoviscoplastique de matériau comme la fonte à graphite sphéroïdal. Leur capacité à bien décrire l'évolution d'un matériau soumis à des chargements complexes n'est que rarement avérée pour une large gamme de vitesses de déformation mécanique et inélastique. Par ailleurs, elle dépend fortement de la base expérimentale grâce à laquelle les paramètres de la loi ont été identifiés. Nous nous sommes donc attachés, au cours de cette étude, à constituer des bases expérimentales originales, composées d'essais (écrouissage cyclique, déformation progressive à vitesse constante ou Slow-Fast) qui ont permis de mieux comprendre le comportement de la fonte pour des températures variées (de l'ambiante à 700°C) et des niveaux de déformation multiples. En sollicitant le matériau sur de larges gammes de vitesses de déformation notamment inélastique, ils ont contribué à constituer une base de données souvent plus riche que celles que l'on trouve dans la littérature pour un nombre d'essais et donc un temps de développement réduit. Deux modélisations ont alors été proposées pour décrire le comportement élastoviscoplastique d'une fonte à graphite sphéroïdal particulière : la fonte SiMo. La première d'entre elles se base sur un potentiel visqueux innovant décrivant l'évolution de l'écoulement à l'échelle macroscopique en s'inspirant de la physique à l'échelle des dislocations et de la plasticité cristalline. En combinant différents termes valant pour différents régimes de températures, elle a permis de bien décrire la majorité des essais d'écrouissage cyclique et notamment les cinétiques de relaxation. Constituée de 7 paramètres par température identifiée (soit un de plus que les lois utilisées jusqu'alors par PSA Peugeot Citroën), dont l'évolution avec la température est physiquement ! réaliste, elle ne permet toutefois pas de bien décrire les essais réalisés à vitesse lente ou pour de faibles niveaux de déformation. La seconde loi a donc été développée à partir du même potentiel visqueux enrichi pour réduire la viscoplasticité pour les faibles déformations. Couplée à un terme d'écrouissage isotrope, cette nouvelle loi d'écoulement a permis de corriger les principaux défauts de la première modélisation proposée ainsi que de bien décrire l'ensemble des essais de la base expérimentale. Composée de 11 paramètres, obtenus grâce à une stratégie d'identification adaptée et rapide, elle permet une très bonne description des phénomènes visqueux et est capable de reproduire des essais anisothermes représentatifs des sollicitations sur collecteur avec bien plus d'acuité que les lois de référence utilisées par PSA Peugeot Citroën. Les deux lois de comportement, dont l'admissibilité thermodynamique a été vérifiée, ont été intégrées dans un schéma de calcul de structure. Leur implémentation numérique est fondée sur un algorithme implicite de type retour radial permettant d'obtenir des temps de calcul compatibles avec les exigences des bureaux d'études. Ces modélisations ont ensuite été validées sur deux architectures de collecteur d'échappement et la faisabilité de calculs rapides de collecteur d'échappement sous chargement thermique transitoire a alors été démontrée. Différents calculs de type éléments finis ont permis de démontrer l'amélioration certaine apportée par les lois proposées par rapport aux lois de référence pour déterminer la déformée globale de la structure et pour prévenir d'éventuelles fuites de gaz d'échappement. Ces mêmes calculs ont également permis de montrer que l'utilisation de ces deux nouvelles lois était compatible avec le critère de dimensionnement à la fatigue oligocyclique utilisé chez PSA. On peut donc maintenant prendre efficacement en compte, grâce aux modélisations proposées, les deux contraintes de dimensionnement des collecteurs d'échappement dès les calculs en bureaux d'études et ainsi diminuer les temps et les coûts de développement de telles structures.

Cette étude, réalisée dans le cadre d'une thèse co-financée par la région Bretagne et l'Union Européenne, a pour objectif l'étude expérimentale et numérique du retour élastique après emboutissage. Ce phénomène, néfaste aux procédés de mise en forme dans le contexte industriel, modifie la forme finale des pièces fabriquées. Le retour élastique est issu des contraintes résiduelles, engendrées lors de la mise en forme, qui se relaxent lors du retrait des outils et des différentes étapes de découpe. L'étude porte sur deux alliages d'aluminium : Al5754-O et Al6016-DR130-T4. Leur caractérisation mécanique est réalisée à partir d'essais de traction et de cisaillement monotone et cyclique, afin de mesurer l'effet Bauschinger. La détermination des paramètres matériaux de lois de comportement élastoviscoplastiques à écrouissage isotrope et mixte, associés à des critères de plasticité isotrope ou anisotrope, a été réalisée. Des essais d'emboutissage de godets cylindriques ont été effectués à température ambiante pour les deux matériaux. Le retour élastique est mis en évidence après la découpe d'un anneau dans le mur d'un godet, puis l'ouverture de celui-ci. Différents paramètres expérimentaux comme l'effort de serre-flan et la vitesse d'avance du poinçon ont été étudiés dans le cas de l'alliage d'aluminium Al6016. Ces essais ont permis de constituer une base de données expérimentale conséquente pour les deux matériaux. La modélisation du procédé d'emboutissage a été réalisée avec le code de calcul par éléments finis Abaqus, ainsi que la prédiction du retour élastique. Plusieurs paramètres numériques comme le type d'éléments finis, la forme du maillage ou le procédé de découpe numérique, ont été étudiés. Cela a permis d'établir une configuration numérique de référence pour tester l'influence de la loi de comportement sur la modélisation du procédé d'emboutissage et la prédiction du retour élastique. Un dernier aspect envisagé dans notre étude concerne l'influence de la température sur le procédé de mise en forme et le retour élastique. La température joue un rôle important lors des différentes phases de mise en forme, engendrant une importante diminution des efforts mis en jeu et également du retour élastique. L'étude porte sur l'alliage d'aluminium Al5754 et sur une gamme de température comprise entre 25 et 200°C. La modélisation des effets de la température est réalisée en utilisant un modèle de comportement élastoviscoplastique à écrouissage isotrope prenant en compte la température et couplé à un critère de plasticité isotrope.

Le domaine de la simulation numérique évolue vers des simulations de phénomènes physiques toujours plus complexes. Cela se traduit typiquement par le couplage de plusieurs codes de simulation, où chaque code va gérer une physique (simulations multi-physiques) ou une échelle particulière (simulations multi-échelles). Dans ce cadre, l'analyse des résultats des simulations est un point clé, que ce soit en phase de développement pour valider les codes ou détecter des erreurs, ou en phase de production pour confronter les résultats à la réalité expérimentale. Dans tous les cas, le pilotage de simulations peut aider durant ce processus d'analyse des résultats. L'objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser une plate-forme logicielle permettant de piloter de telles simulations. Plus précisément, il s'agit à partir d'un client de pilotage distant d'accéder ou de modifier les données de la simulation de manière cohérente, afin par exemple de visualiser "en-ligne" les résultats intermédiaires. Pour ce faire, nous avons proposé un modèle de pilotage permettant de représenter des simulations couplées et d'interagir avec elles efficacement et de manière cohérente. Ces travaux ont été validés sur une simulation multi-échelles en physique des matériaux.

La réduction de la traînée est un phénomène d'écoulement qui, par la présence de très petites quantités d'additifs (polymères ou tensio-actifs) dans un fluide quelconque, consiste en une réduction significative du frottement à la paroi en régime turbulent. Certaines solutions d'additifs, en interagissant avec la structure de la turbulence conduisent à une réduction du frottement pouvant aller jusqu'à 90 % par rapport au solvant pur. Ceci induit une réduction de la puissance de pompage de l'ordre de 30 %. La réduction de la traînée peut trouver son application dans des systèmes de chauffage et de refroidissement urbains, dans le domaine pétrolier (pipelines), ... Dans ce travail de thèse une contribution à l'étude de ce type d'écoulement a été menée. Une solution réductrice de la traînée à base de « CTAC/NaSal » à faible concentration a été largement explorée. La rhéométrie, la vélocimétrie par images de particules (PIV) et des modèles numériques sont utilisés. Ainsi, les solutions de tensio-actifs ont été caractérisées rhéologiquement. Plusieurs paramètres influençant la réduction de la traînée en conduite ont été étudiés. Le phénomène de glissement à la paroi a été abordé par une étude dans une géométrie de Couette. Enfin, un modèle de comportement rhéologique issu des mesures rhéologiques a été testé par Simulation Numérique Directe (DNS). Les principaux résultats qui ressortent de ce travail montrent que le mécanisme de la réduction de la traînée est conditionné par plusieurs paramètres par contre, le glissement à la paroi n'est pas forcement responsable de la réduction de la traînée.

Crystallization of polyethylene terephthalate in injection moulding : experiments, modelling and numerical simulation.

Crystallization of polyethylene terephthalate in injection moulding : experiments, modelling and numerical simulation.

Magnetohydrodynamics describes the motions of an electrically conducting fluid under the influence of magnetic fields. Such flows are encountered in a large variety of applications, from steel industry to heat exchangers of nuclear fusion reactors. Here we are concerned with situations where the magnetic field is relatively strong and the flow manifests turbulent motions. The interaction of the fluid with the electromagnetic field is still insufficiently understood and efficient predicting methods are lacking. Our goal is to provide more insight on this problem by making heavy use of numerical methods. In this work, two different classes of problem are investigated. First we consider that the turbulent character of the fluid is well developed and that solid boundaries are sufficiently far away to be completely neglected. The main effects of a strong magnetic field in that case are to damp the motion and to homogenize the flow along its direction, leading to a quasi two dimensional state. Using numerical simulations we have studied the dynamics of the flow in Fourier space and in particular the non linear energy transfers between turbulent eddies. Further we investigated the scale-by-scale anisotropy and compared various methods to address this quantity. Finally, the evolution of a passive scalar embedded in the flow was analyzed and it turned out that the characteristic anisotropy of the velocity field is reflected in the distribution of the scalar quantity. In the second problem, the flow in a duct of square cross section subject to a transverse magnetic field has been considered. Here, unlike in the previous situation, the magnetic field has globally a destabilizing effect on the flow, because of the strong inhomogeneities it produces. For instance, high velocity regions develop along the walls that are parallel to the magnetic field. There, we are mostly interested in the possible development of persistent time-dependent fluctuations. It is observed that the transition between laminar and turbulent regimes occurs through at least two distinct bifurcations. The first one takes place at moderate Reynolds number and is characterized by highly organized fluctuations. The second is encountered at higher Reynolds number and presents very strong and localized disturbances. /Il existe un grand nombre d'applications industrielles dans lesquelles un écoulement de métal liquide est soumis à un champ magnétique. La production d'acier par coulée continue, la fabrication de matériaux semi-conducteurs ou encore les échan-geurs de chaleur des futurs réacteurs à fusion nucléaire en sont de bons exemples. L'interaction du liquide conducteur avec le champ magnétique est à l'origine de nombreux phénomènes inhabituels en hydrodynamique classique et doit dès lors être décrite par la magnétohydrodynamique (ou MHD en abrégé). Le but de ce travail est d'étudier la physique de ces interactions, en se basant sur la résolution numérique des équations qui les gouvernent. Plusieurs aspects du problème ont été considérés indépendamment. Tout d'abord, l'étude de la turbulence homogène a permis de mettre en evidence les comportements du fluide loin de toute paroi solide. Ceci est mis un oeuvre dans un domaine spatial périodique, où les variables sont représentées par leur série de Fourier. L'influence du champ magnétique dans ce cas consiste à dissiper les fluctuations turbulentes et à rendre le champ de vitesse anisotrope. Les principaux résultats obtenus dans ce cadre concernent la distribution ainsi que le transfert d'énergie dans l'espace spectral, l'anisotropie des différentes échelles turbulentes de l'écoulement ainsi que le transport d'un scalaire passif au sein du fluide. Dans un deuxième temps, le travail a porté sur l'écoulement dans une conduite rectangulaire soumise à un champ magnétique et dont les parois sont conductrices d'électricité. La particularité de cet écoulement réside dans les zones de vitesse élevées qui se développent le long des parois parallèles au champ magnétique. Celles-ci donnent lieu à un intense cisaillement qui a généralement pour effet de rendre l'écoulement instable. La simulation numérique de ce problème a permis l'étude des instabilités au sein du fluide et de la transition du régime laminaire vers la turbulence.

La déformation en traitement thermique est associée à des mécanismes complexes du fait de l'interaction d'un grand nombre de paramètres technologiques et physiques. Dans ce contexte, la méthode développée dans ces travaux de thèse définit un cadre générique pour étudier l'influence de ces paramètres sur la déformation d'un produit. Cette méthode comporte trois facettes d'intérêt. La première est la qualification de la déformation au moyen de signatures géométriques 3D significatives, choisies pour leur réalité physique : les phénomènes de déformations. Ceux-ci sont ensuite quantifiés et leur pertinence est évaluée par un indicateur de niveau de confiance. La deuxième facette de la méthode est la possibilité de confronter directement les résultats expérimentaux et ceux issus de la simulation numérique. La prédiction de la déformation est ainsi vérifiée en comparant les amplitudes des signatures géométriques. La troisième et dernière facette est la compréhension des mécanismes de la déformation. Elle s'effectue par le suivi des amplitudes des phénomènes de déformations en fonction des effets thermiques, métallurgiques et mécaniques survenant lors du traitement thermique. Appliquée à l'éprouvette croissant, la méthode a permis d'illustrer l'influence de deux paramètres sur la déformation : la nuance d'acier et le milieu de trempe. Pour cela, les phénomènes de déformations ont été séparés en deux catégories : la première correspond à la variation homogène des dimensions dues aux effets thermomécaniques, la seconde, à la partie hétérogène due aux effets métallurgiques et mécaniques. L'application de la méthode à un cas issu de la simulation numérique 3D a révélé la prédiction satisfaisante des signatures géométriques, y compris celles locales. Les investigations numériques ont permis d'appréhender les mécanismes de la déformation du croissant et de mettre en évidence la forte sensibilité de certains phénomènes de déformations face à la variation des paramètres expérimentaux, utilisés comme données initiales dans les simulations.

L'objet de cette étude est l'optimisation de la distribution d'un fluide diphasique dans un évaporateur compact à mini-canaux. Une méthode de mesure, basée sur la thermographie infrarouge, a été développée pour caractériser la distribution des échanges thermiques en paroi de l'échangeur, représentatifs de la distribution du fluide. Cette méthode a été validée sur une maquette d'évaporateur à mini-canaux avec un fluide monophasique, puis avec un mélange eau-air. L'influence des débits et des titres en gaz du fluide sur la distribution a été étudiée, ainsi que l'orientation de l'échangeur. Il a été mis en évidence que la distribution dans l'échangeur est fortement dépendante de l'inertie de la phase liquide du fluide. L'introduction d'un corps poreux dans le distributeur permet de limiter cet effet. Un outil de simulation numérique de la distribution du fluide diphasique (eau-air et fluide frigorigène) dans un évaporateur a été développé puis validé par des résultats expérimentaux.% Ces essais ont mis en évidence l'importance majeure de l'inertie de la phase liquide sur la distribution des échanges. Un corps poreux a donc été inséré dans le distributeur, de façon à briser l'élan de la phase liquide. Les résultats montrent l'effet bénéfique obtenu, pour une augmentation des pertes de charge négligeable. Enfin, un outil de simulation numérique a été développé puis validé. Cet outil a pour vocation de prédire la distribution des échanges thermiques et du fluide frigorigène au sein d'un évaporateur.

Les travaux de cette thèse s'insèrent dans le cadre de l'étude de défauts détectés par contrôle ultrason dans des pièces forgées en alliage d'aluminium destinées à l'industrie aéronautique.Cette étude a été menée sur deux pièces produites par Aubert&Duval en alliage d'aluminium 7050 fourni par Constellium. Ces pièces ont été sélectionnées sur base d'une étude statistique de l'occurrence des défauts sur cinq années de production industrielle. L'une présente un taux de rebut important du fait de ces défauts, l'autre un taux de rebut quasiment nul, bien qu'elles soient produites avec le même matériau.L'étude de l'origine des défauts a été construite autour de deux axes de recherche:* Axe thermomécanique : formation des défauts pendant la mise en forme par endommagement ductile à chaud.* Axe matériau : caractérisation des défauts préexistants dans le matériau après son élaboration et non refermés pendant la mise en forme.L'axe thermomécanique est basé sur la simulation numérique des gammes de mise en forme des pièces industrielles à l'aide du logiciel Forge® 2009. Le deuxième axe est articulé autour de la caractérisation de l'état de porosité dans un matériau modèle présentant une teneur en hydrogène élevée induisant un taux de porosité plus important que le matériau sain utilisé industriellement. De petits lopins de ce matériau modèle ont été soumis à une campagne de compression alternée simulant le forgeage industriel. La campagne de compression a été conçue par simulation numérique afin de reproduire les conditions thermomécaniques industrielles. Deux techniques de caractérisation complémentaires ont été mises en œuvre pour suivre l'évolution de la porosité : détection indirecte par contrôle ultrason à haute résolution spatiale et observations directes par microscopie électronique à balayage. Une méthode d'analyse quantitative des signaux ultrasonores a été mise au point pour ce travail.La comparaison par simulation numérique du procédé de matriçage des deux pièces industrielles étudiées a permis d'écarter l'hypothèse de la création des défauts par endommagement ductile à chaud. Lors du matriçage, la matière est soumise à des chargements globalement compressifs, et le risque d'endommagement est par conséquent très faible. De plus, comme observé lors de la caractérisation des défauts industriels, les défauts présentent un fond lisse, similaire au fond lisse observé sur les rares porosités présentes dans le matériau industriel à l'état brut d'élaboration. Le même type de fond lisse caractérise également les porosités présentes dans le matériau modèle. Cette observation favorise l'hypothèse de défauts provenant d'un défaut préexistant dans le matériau initial (en l'occurrence à partir d'une porosité). Cette hypothèse est par ailleurs cohérente avec le comportement des porosités lors de la simulation du forgeage sur petits lopins du matériau modèle.Les résultats de cette étude montrent en effet que les porosités ont tendance à s'aplatir et à se refermer pendant la déformation plastique à chaud, sans forcément cicatriser. Les faciès de rupture d'échantillons soumis à de fortes déformations cumulées et ne donnant plus de réponse ultrasonore significative continuent en effet de présenter de petites plages à fond lisse qui témoignent d'une cicatrisation incomplète. Le traitement thermique semble en outre favoriser la réouverture des porosités non cicatrisées (zones lisses) pendant la déformation et leur élargissement (zones ductiles).