xx

Le découpage de tôles minces en alliages de cuivre est un procédé de mise en forme très utilisé pour la fabrication de composants électroniques. Deux aspects permettent la caractérisation du procédé : d'une part, le profil de découpe représente la qualité du produit et d'autre part, l'effort de découpage conduit à la définition de l'outillage (matériaux du poinçon et de la matrice, la vitesse et la puissance des presses, etc.). La modélisation numérique permet d'obtenir des réponses rapides sur les questions concernant ces deux aspects. Au sein de l'équipe modélisation et mise en forme des matériaux du Laboratoire de Mécanique Appliquée R. Chaléat, un code de calcul par éléments finis dédié à la simulation bidimensionnelle du découpage a été développé depuis quelques années (Blankform©).<br />Afin d'obtenir une meilleure prédiction de l'effort de découpage par simulation numérique, notre démarche commence par la caractérisation expérimentale du comportement thermo-élasto-viscoplastique de la nuance de cuivre CuNiP par des essais de traction à températures et à vitesses de déformation imposées. Suite à ces essais, une loi de comportement particulière permettant la prise en compte de la sensibilité du matériau à la vitesse et à la température a été proposée. Après l'implémentation de cette loi dans le code de calcul, l'application du modèle au découpage d'une tôle mince en CuNiP, dans un cadre adiabatique, montre que l'effort maximal de découpage est correctement prédit.<br />Lors d'une opération de découpage, certaines nuances de cuivre, comme le Cua1, présentent un phénomène de recristallisation dynamique. Les essais de traction sur cette nuance nous ont permis de caractériser le comportement mécanique du matériau. Sur cette base spécifique, un modèle de comportement thermo-élasto-viscoplastique avec prise en compte de la recristallisation dynamique a été proposé dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. L'application de ce modèle au découpage montre qu'il permet de prédire qualitativement les phénomènes observés expérimentalement pour cette nuance.<br />La modélisation bidimensionnelle du découpage est souvent utilisée pour des empreintes de formes relativement simples. Cependant, pour des formes complexes, il est nécessaire de résoudre le problème par une analyse tridimensionnelle. A partir d'un cas d'étude industriel, une modélisation tridimensionnelle du découpage a été réalisée afin d'étudier l'influence des paramètres technologiques sur la distribution des contraintes et des déformations. Les résultats numériques obtenus corroborent bien les constatations expérimentales en termes de profil de découpe.

Dans une première partie, un cas de précipitations intenses, dans la région alpine du Lac Majeur, est étudié à partir de données radars recueillies durant la campagne internationale MAP qui fut notamment conduite pour comprendre le rôle des montagnes sur la formation et la croissance des précipitations. Trois radars, dont un polarimétrique, ont permis d'analyser finement l'évolution dynamique et microphysique des précipitations du 25/09/1999. En outre, le modèle Meso-NH, a permis de quantifier les processus microphysiques impliqués dans la croissance des hydrométéores.<br />Dans une seconde partie, l'attention est portée sur les nuages (partie non précipitante de l'eau atmosphérique condensée) ; ils sont une source d'atténuation des micro-ondes non négligeable bien qu'ils soient généralement indétectables. Un modèle de représentation de nuages chauds a été construit et des observations radar ont été simulées pour documenter quantitativement l'influence de microscopiques gouttelettes nuageuses

Ces travaux se placent dans le cadre de l'étude des propriétés mécaniques des architectures à renforcement tridimensionnel dans les structures composites. Nous proposons une approche permettant de caractériser les propriétés mécaniques de structures composites Interlock et en particulier de résoudre les problèmes liés à la création de ces géométries complexes et leur discrétisation.Une des difficultés des approches méso-macro réside dans la manière de reproduire de façon fidèle la géométrie de ces architectures aux formes très complexes et d'obtenir en particulier un Volume Elémentaire Représentatif (VER) duquel on peut déduire par calcul éléments finis les propriétés mécaniques par homogénéisation. Cette pluralité des formes engendre des difficultés de mise en œuvre essentiellement géométriques et des difficultés de maillage bien connues : interpénétration et contact des mèches, maillage de fines couches de résines aux interfaces, détermination en tout point de l'orientation des fibres. Nous proposons une approche qui consiste à créer un modèle géométrique des mèches limitant ou contrôlant les intersections et les contacts, à définir un VER périodique et à mailler ce VER en tétraèdres avec des maillages conformes aux interfaces. Une fois le modèle maillé obtenu et les conditions de périodicités définies, les propriétés mécaniques effectives sont obtenues par homogénéisation. Les calculs par éléments finis sont réalisés avec le logiciel ABAQUS. Les tissages complexes ont été traités automatiquement avec cette technique. Les résultats sont confrontés à ceux d'autres modélisations, issus de la littérature et de l'expérience.

Nous étudions par simulation numérique le transport et le dépôt turbulent d'inclusions d'oxydes métalliques (de l'ordre de 10 µm de diamètre) en suspension dans l'acier liquide. Deux surfaces de dépôt sont envisagées : l'interface acier liquide/paroi solide et l'interface métal liquide/laitier. Dans les deux cas, nous nous focalisons sur la couche limite adjacente à l'interface. Le comportement des inclusions en suspension est examiné à l'aide d'un suivi lagrangien où le poids, la poussée d'Archimède, la force d'accélération en volume, la force de masse ajoutée et la force de traînée sont prises en compte dans l'équation de la dynamique. Dans le cas de la paroi solide, nous nous appuyons sur une représentation schématique de l'écoulement du métal liquide dans la sous-couche visqueuse et dans la zone tampon, où les structures turbulentes qui apportent le liquide à la paroi (sweeps) ou l'éjectent (bursts) sont décrites analytiquement (modèle d'Ahmadi). Les simulations numériques montrent que les mécanismes principaux de dépôt des inclusions sont la sédimentation et dans une moindre mesure l'interception directe. Notons cependant que la contribution de l'interception directe croît avec l'intensité turbulente de l'écoulement et peut devenir prépondérante pour les vitesses de frottement les plus élevées (au-delà de 0,1 m.s-1). Les effets inertiels ont, quant à eux, une contribution négligeable sur le dépôt des inclusions (contrairement au cas des aérosols). Enfin, la prise en compte des interactions hydrodynamiques entre les inclusions et la paroi solide conduit à une diminution significative de la vitesse de dépôt des inclusions. Dans le cas de l'interface acier liquide/laitier, l'écoulement du métal liquide est calculé par simulation numérique directe (DNS) à l'échelle de la couche de surface. La turbulence, générée à distance de l'interface par un forçage aléatoire, diffuse vers l'interface métal liquide/laitier modélisée comme une surface libre indéformable. L'évolution des inclusions en suspension est obtenue par un suivi lagrangien à l'aide d'un couplage one-way. Le nombre de Reynolds de surface des simulations varie de 68 à 235. Le diamètre des inclusions varie de 10-5m à 5.10-5m et le rapport entre la densité des inclusions et la densité du métal varie de 0,5 (inclusions d'alumine) à 1 (inclusions fictives). Il apparaît que le dépôt des inclusions d'alumine est contrôlé par la sédimentation. En l'absence d'effet gravitaire, le dépôt d'inclusions est contrôlé par l'interception directe et dépend fortement du nombre de Reynolds de surface. Dans ce dernier cas, nous montrons que la vitesse de dépôt adimensionnée par la vitesse de Kolmogorov de surface est proportionnelle au diamètre des inclusions adimensionné par la longueur de Kolmogorov de surface. La prise en compte des interactions hydrodynamiques entre les inclusions et la surface libre conduit à une diminution de moitié de la contribution de l'interception directe mais affecte peu la contribution gravitationnelle. En outre, en l'absence d'effet gravitaire, la linéarité entre la vitesse de dépôt adimensionnée et le diamètre des inclusions adimensionné est conservée.

Le béton de chanvre constitue une solution constructive conforme aux objectifs en matière de développement durable.Sa morphologie structurelle, induite par l'association de fibres végétales poreuses à une matrice minérale grenue, se traduit par une forte porosité et une densité limitée. Le béton de chanvre présente ainsi des propriétés hygrothermiques très intéressantes : sa faible conductivité thermique lui confère de bonnes capacités d'isolation et sa forte perméabilité au transport d'eau favorise le transfert d'humidité.En outre, il est caractérisé par un comportement thermohydrique hystérétique gouverné en humidité et en température qui conditionne l'évolution de ses propriétés. L'objectif de ce travail est d'évaluer sa réponse hygrothermique auxsollicitations climatiques, enjeu majeur pour le développement de cette solution technologique face aux problématiques énergétiques et de confort dans le bâtiment. La difficulté d'évaluation de cette réponse réside dans la complexitédes phénomènes couplés des transferts de masse et de chaleur auxquels est soumise la paroi. Le transfert d'humidité au sein de parois poreuses est régi par le transport diffusif d'eau sous forme liquide et vapeur. Le transfert de chaleur dans les milieux poreux humides est dû à plusieurs mécanismes simultanés comme la conduction thermique ou le phénomène d'évaporation-condensation. Par ailleurs, dans le cadre de la physique du bâtiment, les surfaces externes sont notamment soumises au rayonnement solaire, à la pluie ou aux phénomènes de convection mixte, naturelle et forcée, dus à la température d'air ambiant et au vent ou aux systèmes de ventilation.Dans un premier temps, un modèle numérique de transferts hygrothermiques HAM (Heat, Air and Moisture) prenant en compte ces phénomènes a été développé. Afin d'alimenter ce modèle numérique, l'étude est par ailleurs focaliséesur la modélisation des propriétés thermiques et hydriques du matériau en s'appuyant sur les résultats de différents essais de caractérisation. Elle permet également d'appréhender l'effet d'une variation de la masse volumique du béton de chanvre sur ses propriétés. Les résultats du modèle sont alors confrontés aux mesures expérimentales réalisées sur une paroi en béton de chanvre placée dans une enceinte biclimatique dont les régulations suivent un programme choisi. Une analyse de sensibilité aux paramètres montre que le transfert thermo-hydrique est très influencé par le paramètreteneur en eau. La modélisation de l'effet hystérétique thermo dépendant qui conditionne la capacité de stockage hydrique et influe sur le transport de masse et de chaleur s'avère nécessaire pour bien appréhender le comportement du matériau. La prise en compte du phénomène d'hystérésis sur l'évolution de la teneur en eau produit ainsi des résultats de simulation pertinents en accord avec les réponses expérimentales obtenues sous sollicitations hydriques et thermiquescycliques.En outre, le travail est étendu à l'étude numérique de l'influence de la nature et de l'épaisseur d'une couche d'enduit apposée sur les surfaces externes de la paroi en béton de chanvre. Finalement, la notion de confort hygrothermique est discutée en configuration réelle d'utilisation sous sollicitations climatiques typiques annuelles.

L'Usinage Assisté Laser (UAL) est un procédé d'usinage qui consiste à chauffer la pièce à l'aide d'un faisceau laser en amont de l'outil de coupe. La pièce ainsi chauffée voit ses caractéristiques mécaniques chuter, ce qui augmente son usinabilité. Les travaux réalisés ont porté sur l'influence de l'assistance laser sur l'usinabilité et l'intégrité de surface, de plusieurs matériaux: l'acier 42CrMo4, l'acier 100Cr6 traité (57 HRc) et l'alliage de titane Ti6Al4V. La mesure de l'effort de coupe a permis de quantifier l'amélioration de l'usinabilité des matériaux en fonction de la puissance du faisceau d'assistance et des paramètres de coupe. Dans certaines configurations, l'effort de coupe diminue jusqu'à 50 % sur le 100Cr6 et jusqu'à 40 % sur le Ti6Al4V. L'état de surface est peu sensible à la puissance laser. En revanche, les contraintes résiduelles tendent vers la traction avec l'augmentation de la température de surface. Cette modification des contraintes résiduelles provoque, par exemple, une diminution de la limite de fatigue en traction-compression (-30 MPa) des pièces en Ti6Al4V. Parallèlement, la limite de fatigue évolue avec les traitements thermiques de la surface effectués par le laser pendant l'UAL. Sur l'alliage de titane, le traitement thermique laser crée une microstructure aiguillée qui est catastrophique pour la tenue en fatigue. En revanche, sur l'acier 100Cr6, une couche martensitique (en forte compression) est créée en surface ce qui augmente la limite de fatigue d'environ 70 MPa. Des simulations numériques de l'UAL et de l'usinage conventionnel ont été réalisées pour comprendre le rôle du chauffage laser sur la formation du copeau. Les résultats numériques montrent une diminution de l'effort de coupe avec la puissance laser en accord avec les essais expérimentaux. De plus, ils permettent d'optimiser les paramètres de coupe et de connaître les sollicitations mécaniques et thermiques sur l'outil.

L'ablation laser dans l'air à la pression atmosphérique est souvent appliquée dans l'industrie, l'analyse chimique, la chirurgie, ... Pour un développement plus approfondi des technologies laser basées sur l'effet d'ablation, il est nécessaire de mieux comprendre les phénomènes à l'origine de l'interaction laser-matière. Lors d'un impact du faisceau laser sur la surface d'un matériau, une plume plasma se forme au dessus de la cible. Ce plasma contient des électrons, des atomes et des ions du matériau évaporé, ainsi que du gaz ambiant, s'il est présent. Lors de l'impulsion laser, cette plume absorbe une grande partie d'énergie du faisceau laser, réduisant ainsi la quantité du rayonnement laser qui arrive à la surface de la cible. Les dimensions, ainsi que les paramètres de cette plume plasma évoluent très rapidement avec le temps. L'étude de la dynamique et des paramètres de cette plume est très importante, parce qu'ils influent sur tous les processus physiques ayant lieu à la surface du matériau traité. Nous avons étudié l'expansion de la plume plasma formée lors de l'ablation des échantillons métalliques (Al, Ti, Fe) par faisceau laser Nd :YAG nanoseconde (durée d'impulsion : 5.1 ns, longueur d'onde : 1064 nm, irradiance de l'ordre de grandeur de GW/cm2) dans l'air à la pression atmosphérique en utilisant la technique d'imagerie rapide. Cette technique nous a permis d'observer l'évolution spatio-temporelle de la plume au début de son expansion. Les résultats obtenus indiquent que la plume d'ablation laser a une structure : deux régions ont été distinguées - le cœur et la périphérie de la plume. La dynamique de ces deux régions de la plume a été étudiée et les vitesses de leur expansion ont été déterminées. En plus, nous avons examiné l'influence de l'irradiance laser, ainsi que l'influence de la composition de la cible sur la dynamique de la plume. D'autre part, nous avons développé des modèles numériques sous COMSOL Multiphysics pour simuler le processus d'ablation laser. Un modèle thermique a été utilisé pour simuler l'interaction laser - cible. Les résultats de ce modèle ont été employés comme conditions à la limite du modèle hydrodynamique, utilisé pour simuler l'expansion de la plume du plasma dans l'air ambiant. Deux approches ont été proposées : approche microscopique et macroscopique. Les résultats de simulation basée sur l'approche macroscopique donnent l'évolution temporelle et distribution spatiale (1D) des paramètres de la plume : masse volumique, vitesse, pression.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Une méthode de pénalisation en volume est implémentée de façon implicite dans un code pseudo-spectral tri-périodique. Le schéma est étudié et la méthode numérique est testée et validée à l'aide de benchmarks concernant des effets linéaires anisotropes -- propagation et réflexion d'ondes d'inertie et internes de gravité--ou la réflexion de structures tourbillonnaires. Cet outil numérique est alors appliqué à des écoulements turbulents en rotation confinés dans une géométrie cylindrique. Les effets globaux du confinement sont observés (anisotropie des petites échelles, etc) ainsi que des effets locaux de proche paroi (modification des pdfs, élongation verticale des grandes structures tourbillonnaires, etc). Enfin, la méthode de pénalisation est utilisée à des fins de forçage de la turbulence dans un contexte de type von Kármán et l'écoulement généré au coeur du domaine est étudié en détail et comparé à des approches théoriques. Différentes géométries pour les pales sont testées et les résultats obtenus révèlent des différences significatives dans la structure de l'écoulement en fonction de la forme des pales utilisées.