Ces travaux de thèse s’inscrivent dans un thème de recherche portant sur l’optimisation de la phase de conception et la préparation de la fabrication par estampage de pièces de formes complexes. Le préformage des renforts tissés secs est un enjeu important pour plusieurs procédés de production de pièces en matériaux composites tel que, par exemple, le procédé RTM (Resin Transfer Molding). Au cours de cette phase, la préforme est soumise à des déformations importantes. La connaissance du comportement du tissu sec est alors un enjeu majeur en vue de l’optimisation des procédés de mise en forme. Pour mettre en œuvre les renforts tissés, il est nécessaire de tenir compte de leurs caractéristiques intrinsèques aux différentes échelles, de leurs très grandes déformations en cisaillement et du comportement fortement orienté de ces matériaux. Un point important réside dans la détermination des orientations des renforts après formage. Face à la complexité de mise au point expérimentale de la mise en forme des renforts tissés, la simulation est un outil important pour l’optimisation de conception de pièces composites. Dans ce travail, une nouvelle approche hybride discrète non linéaire, basée sur l’association d’éléments continus hypoélastiques (comportement en cisaillement non linéaire) avec des connecteurs spécifiques de comportement non linéaire a été abordée. Elle permet de prédire les contraintes au niveau des fibres et de déterminer avec plus de précision, les angles de cisaillement en se basant sur la modification de l’orientation en grande déformation. En outre, elle permet d’analyser et de prévoir le comportement global du tissu à partir de sa structure interne. Le nombre de paramètres à identifier est faible et le temps de calcul est raisonnable. Cette approche a été programmée via une routine VUMAT et implémentée dans le code de calcul élément fini ABAQUS/Explicit. L’identification et la validation du modèle ont été effectuées en utilisant des essais de caractérisation standard des tissus. Les résultats de mise en forme des renforts tissés ont été comparés à des résultats expérimentaux. / This thesis is part of a research theme dealing with the optimization of the design process and thepreparation for a manufacturing process by stamping of complex shaped parts. The preforming ofdry woven reinforcements is one of the most important steps during production of complexcomposite material parts such as RTM (Resin Transfer Molding) process. In this stage, thedeformation of preform (fabric) is quite important. Understand the woven behavior is an essentialstep in the study of shaping processes. In order to use woven reinforcements to produce industrialparts, it is compulsory to take into account their intrinsic characteristics at different scales, theirvery large shear deformations and the high oriented behavior of these materials. Further more, thedetermination of the reinforcement orientations after forming is an important task. The complexityof the experimental development of the shaping of woven reinforcements makes simulation animportant tool for optimizing the design of composite parts. This work presented a new non-lineardiscrete hybrid approach, based on the association of hypoelastic continuous elements (non-linearshear behavior) with specific non-linear behavior connectors. This approach able to predict thestresses at the level of the fiber to determine with more precision, the shear angles based on themodification of the orientation in large de formation. In addition, it allows the overall behavior of thetissue to be analyzed and predicted from its internal structure. The number of parameters to be identified is limited and the calculation time is reasonable. This approach was implemented in the Finite element code ABAQUS/Explicit via a VUMAT routine code. The identification and validationof the model was performed using standard fabric characterization tests. The woven reinforcement forming results were compared with experimental results.

Ce travail est consacré à l'étude du procédé de formage incrémental simple point (Single Point Incremental Forming, SPIF). Ce nouveau procédé de mise en forme de tôles à froid est surtout utilisé pour le prototypage et la réalisation de petites séries. Son principe est basé sur le repoussage local de la matière par un poinçon de petite taille devant les dimensions de la tôle et contrôlé en déplacement. Dans un premier temps, un pilote de SPIF équipé d'un capteur de forces tri-axes et d'un banc multi-caméras permettant l'utilisation de la mesure de champs par stéréo-corrélation a été développé au laboratoire. Au moyen de celui-ci, une étude paramétrique du procédé SPIF concernant entre autre la formabilité et l'emboutissabilité de tôles d'alliage d'aluminium a été tout d'abord réalisée. Ensuite, plusieurs méthodes d'identification ont été mises en œuvre afin d'identifier les paramètres de critères de plasticité (Hill48, Hill90 et Barlat) et de lois d'écrouissage isotrope permettant de modéliser le comportement élastoplastique anisotrope des tôles étudiées. La méthode d'identification à partir de mesures de champs par recalage de modèle Eléments-Finis a notamment été développée. Enfin, à partir des modèles identifiés, une simulation éléments finis d'une trajectoire simple en formage incrémental a été réalisée, ces résultats sont comparés avec des résultats expérimentaux.

Le travail présenté dans cette thèse vise à comprendre les vibrations de pièce mince durant l'usinage. De nombreux travaux proposent des modélisations de ce phénomène, mais des écarts persistent entre résultats de modélisation et réalité. Ce constat nous pousse à nous interroger sur l'emploi dans les modèles des modes propres de la pièce, sans y intégrer le contact de l'outil. Face à l'incapacité de vérifier la validité de cette hypothèse par mesures ponctuelles, la mesure de champ s'impose comme une alternative prometteuse. La deuxième partie du travail porte sur la mise au point d'un protocole expérimental novateur. Il inclut le relevé des déformées vibratoires d'une pièce mince en usinage par mesure de champs de déplacements. La stéréo corrélation d'images numériques se confronte à de nombreuses limitations dans ce contexte. Nous avons développé une méthode de réglage des capteurs permettant de contourner rapidement certaines difficultés. Cette méthode présentée sous forme graphique souligne la nécessité d'optimiser les paramètres de mesure dans un tel contexte. La troisième partie met en oeuvre le protocole de mesures. Le test des capteurs montre le fort intérêt de la mesure sans contact vis-à-vis de l'objectif recherché. Des essais d'usinage sont présentés en se basant sur une modélisation existante du broutement. Les déformées mesurées pendant l'usinage livrent des informations d'un type nouveau. Leur exploitation a impliqué la mise en place d'une procédure spécifique de traitement. La dernière partie présente les analyses de deux usinages. L'étude est effectuée au regard des états de surface obtenus, du comportement temporel, fréquentiel, et spatial. Cette approche souligne les subtilités de la génération d'état de surface en la présence de vibrations. L'examen des mesures de champs permet de relever des incohérences avec l'emploi des modes propres, classiquement utilisés en modélisation.

Dans cette étude, les propriétés mécanique et la microstructure du polyéthylène à haute densité (PEHD)/ fibres de bois (Pinmaritime) ont été caractérisés. Le comportement en traction et en flexion 4 points de composites fibres de bois/polyéthylène(WPC) avec et sans additif a été étudié en utilisant des mesures de champs par stéréo-corrélation d’image numériques. Nousavons tout d’abord comparé les mesures de déformation longitudinale par stéréo-corrélation d’image à celles mesurées parextensométrie mécanique au cours d’un essai de traction simple uni-axial. Les valeurs de déformation macroscopiquemesurées sont comparables à celles obtenues par extensométrie mécanique classique. Quatre formulations ont été testées(avec ou sans l'additif et avec 10% ou 30% de bois) au travers des essais de traction et flexion 4 points en utilisant laméthode par stéréo-corrélation d’image. Nous avons pu ainsi corréler la visualisation combinée des images enregistrées parles caméras au comportement mécanique ainsi qu’aux modifications des surfaces des composites. Les résultats ont montréque les singularités au niveau de la surface des échantillons ainsi que la présence des fibres de bois (dans les proportionsutilisées durant nos essais) n’ont pas d’effets sur la qualité du composite. La stéréo corrélation d’images nous permet d’avoirune information précise sur le cisaillement tant d’un point de vue quantitatif que qualitatif. L’essai cyclique a été utilisé pouranalyser l’endommagement du composite. Les courbes en traction et flexion ont montré un comportement global non linéaire. Le module d’élasticité (MOE) est évalué par la tangente à l’origine d’un modèle de Maxwell-Binhgam ajusté paroptimisation sur les courbes expérimentales. Les cartographies fausses couleurs du champ de déformation du WPC ont étéprésentées. D’autre part, on a analysé le comportement endommageable et le degré d’hétérogénéité pour différentspourcentages de bois à l’aide des valeurs de l’écart type spatial du champ de déformation longitudinale. Par cette technique,nous avons également pu étudier les propriétés mécaniques en traction et en compression à partir d’un essai de flexion 4points. Le second objectif était d’améliorer la performance des liaisons entre les fibres de bois hydrophiles polaires et lamatrice plastique de PEHD hydrophobe non polaire. Pour cette raison, la fibre de bois a été traitée par anhydride maléique depolyéthylène (MAPE) (greffage par copolymérisation) et acétylée (greffage de chaine de carbone). Dans cette partie, nousavons étudié l’effet de MAPE ainsi que la longueur de la chaine de carbone greffée sur les propriétés mécaniques du WPC.Par ailleurs, nous avons pu observer et caractériser la morphologie à l’interface fibre de bois/HDPE du WPC greffé enutilisant un microscope électronique à balayage (MEB). / Firstly we have compared longitudinal strenght obtained by stereo correlation with mechanical extensometer forthe same tests. It is shown that macroscopic values of the longitudinal strain are closed to those measured bymechanical extensometers using standard mechanical tests. Four injected WPC formulations (with or withoutadditive and with 10% or 30% of wood) are consider. WPC surface particularities and wood fibers distributionon samples have no effect on WPC mechanical performances. Also 3D digital image correlation givesinformations on Tensile performances (from quality and quantity point of view). Cyclic tensile tests have beenperformed in order to analyse the damage of material. A non-linear behaviour is shown. The Modulus ofElasticity (MOE) is provided by a Maxwell-Bingham model fitted to the experimental tensile curves. Color mapsof the spatial strain distribution are commented. Moreover, the damage behaviour and the degree ofheterogeneity for several percentages of fibre wood-based WPC are analysed thanks to the spatial standarddeviation of the longitudinal strain field. With this technology it was possible to study of the mechanicalproperties in tensile and compression during four bending test. The second objective was to improve the linkbetween PEHD matrix and wood fibres because of the incompatibility between the polar hydrophilic wood fibresand the non-polar hydrophobic polyethylene. For this reason, the wood fibre was treated by maleic polyethyleneanhydride (MAPE) (grafting by copolymerization) and was acetylated (grafting of carbon chain). In this part, theeffect on the mechanical properties, of maleic anhydride modified polyethylene (MAPE) and of the length of thecarbon chain graft (CCG) between a (HDPE) matrix and wood fiber is studied. Furthermore, Scanning ElectronMicroscope (SEM) is used to characterize the morphology of the wood fibre / HDPE matrix interface forspecimens with carbon chain grafted.

Ce travail porte sur l'identification de modèles de zones cohésives. Ces modèles, proposés initialement dans les années 60 sont maintenant intensivement utilisés dans les simulations numériques pour rendre compte de l'initiation et de la propagation de fissures pour différents matériaux et structures. L'identification de ces modèles reste encore aujourd'hui une problématique délicate. Les développements récents de techniques d'imagerie permettent d'accéder à des champs de mesures locales (e.g. déformation et température, ...). On se propose dans ce travail d'utiliser la richesse des informations issues de ces techniques d'imagerie pour mettre en place une procédure d'identification qui prenne en compte à la fois le développement de la localisation (effet de structure) mais aussi la nature des différentes irréversibilités mises en jeu (comportement thermomécanique). On s'intéresse à des comportements élasto-plastiques endommageables de matériaux ductiles. L'endommagement est associé à un comportement cohésif de l'interface entre les éléments volumiques supposés purement élasto-plastiques. La procédure d'identification comporte deux étapes. La première consiste à caractériser la forme et les paramètres de la loi cohésive sur des essais de traction standard à partir d'une analyse des champs mécaniques locaux. La seconde étape consiste à vérifier la cohérence thermo-mécanique du modèle identifié en confrontant les mesures calorimétriques déduites des champs de température aux les prévisions du modèle identifié. Cette méthode est appliquée avec succès sur différents matériaux ductile (acier Dual Phase et cuivre). Une attention particulière est portée sur la caractérisation de la longueur caractéristique associée aux modèles cohésifs. On montre que cette longueur peut-être corrélée à l'échelle d'identification des processus d'endommagement sousjacents. Ainsi les modèles cohésifs identifiés sont fournis au modélisateur avec l'échelle physique à laquelle ils résument l'endommagement volumique du matériau.