Les composites stratifiés sont aujourd'hui fortement utilisés dans l'industrie. Ils permettent en effet une conception optimisée des structures et offrent ainsi une réponse aux contraintes énergétiques auxquelles font face les industriels. Cependant, la prévision par le calcul de leur comportement sous charge et de leur dégradation progressive soulève une difficulté : la modélisation du matériau doit être réalisée à une échelle très inférieure à celle de la structure. On se concentre ici sur les modèles de zone cohésive qui, depuis les vingt dernières années, ont démontré leur aptitude à la prédiction du délaminage. La taille des problèmes résultant de la simulation de l'évolution de structures industrielles par ce type de modèle est considérable. Leur résolution requiert alors l'utilisation de stratégies de calcul intensif. Dans ces travaux, le problème non linéaire posé à chaque piquet de temps du schéma d'intégration temporel est résolu par une méthode de décomposition de domaine à trois échelles. L'introduction des différents niveaux de résolution permet de traiter les informations de l'échelle fine, de l'échelle du pli et de l'échelle de la structure de manière adaptée au cours des itérations, et ainsi d'assurer l'efficacité de la méthode proposée, en termes de taux de convergence et d'aptitude à la parallélisation. Cette stratégie est ensuite aménagée pour résoudre les difficultés liées aux non-linéarités fortement localisées et aux éventuelles instabilités engendrées par le comportement adoucissant du matériau simulé.

Le comportement des assemblages combustibles des Réacteurs Nucléaires à Eau Pressurisée (REP) doit être évalué en conditions de fonctionnement ainsi qu'en conditions accidentelles. Pendant la 2ème phase du scénario dit " d'Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP) ", les gaines tubulaires des crayons combustibles en alliages de Zirconium subissent une oxydation à haute température (jusqu'à 1200°C), à partir de la face externe de la gaine, puis une trempe à l'eau lors du renoyage final du cœur du réacteur accidenté.Après oxydation et trempe, la gaine comporte schématiquement trois couches : une première couche extérieure de zircone très riche en oxygène (ZrO2) fragile à basse température, une deuxième couche de phase alpha stabilisée par l'oxygène (alpha(O)) elle aussi fragile, et une troisième couche interne de phase dite " ex-beta " qui est la seule à pouvoir garder une certaine ductilité à basse température. Cependant, en cas de prise d'hydrogène due à la corrosion en service et/ou pendant le transitoire, l'hydrogène a tendance à se concentrer dans cette couche interne en induisant une fragilisation supplémentaire.A l'issue d'un transitoire APRP et afin de caractériser le comportement résiduel de la gaine, les Essais de Compression d'Anneaux (ou Ring Compression Tests- RCT) sont utilisés pour évaluer les propriétés mécaniques " post trempe " de la gaine car ils sont simples à mettre en œuvre et également peu consommateurs de matière, ce qui est un atout pour d'éventuels essais comparatifs sur matériaux irradiés. Malheureusement, les courbes de force-déplacement ainsi obtenues, bien que très reproductibles, ont une évolution complexe, et sont sujettes à des interprétations diverses.Dans cette thèse, nous proposons un scénario original de rupture des différentes couches de la gaine au cours d'un essai de compression d'anneaux et la modélisation associée. Cette approche intègre à la fois, l'évaluation des contraintes d'origine thermique résultant de la trempe après oxydation à haute température, l'influence de la variation de la teneur en oxygène dans les différentes couches sur leurs lois de comportement respectives, et l'endommagement progressif des différentes couches au cours de l'essai. Le scénario proposé s'appuie sur des essais interrompus, des observations fines des couches de zircone et d'alpha(O), des essais sur anneaux " monocouche ex-beta ", et des lois de comportement obtenues sur matériaux modèles.La modélisation EF obtenue rend bien compte des multiples incidents relevés sur les courbes de compression. Le scénario auquel nous aboutissons devrait permettre de lever les interrogations sur les modes de dépouillement macroscopiques de ces essais.Cette étude propose finalement une évaluation préliminaire de l'impact de l'hydrogène (issu de la corrosion en service) sur le comportement mécanique post oxydation/trempe.

Nous avons, dans cette thèse, étudié, à l'échelle locale, le mélange induit par gravité de deux fluides miscibles de densités différentes dans un long tube incliné. Nous avons mesuré, sur des expériences indépendantes, les champs de vitesse (PIV) et les champs de concentration (LIF) dans un plan diamétral vertical. Avec l'aide des profils de vitesse et de concentration moyenne nous avons pu établir une carte des régimes d'écoulement observés en fonction des paramètres de contrôles : angle d'inclinaison du tube $\theta$ (repéré par rapport à la verticale) variant de 15°à 60°, et contraste de densité caractérisé par le nombre d'Atwood At allant de $10^{-3}$ à $10^{-2}$. Nous avons étudié le transport de quantité de mouvement dans les régimes d'écoulement quasi-stationnaires en comparant les résultats expérimentaux à des modèles simples et à des simulations numériques. Nous nous sommes également intéressés et la stationnarité et la stabilité des écoulements.

Dans ce travail, une méthode d'optimisation à coût fini, essentiellement locale,mais qui devient globale lorsque le nombre d'analyses croît est développée. La ± globalisation α vient de ré-initialisations probabilisées de recherches locales prenant en compte les points de départ et de convergence passés. L'optimiseur local est une version améliorée de la méthode de Nelder-Mead, où les variables sont bornées, où les contraintes d'inégalité sont prises en compte par pénalisation adaptative, et où les dégénérescences du simplexe sont traitées par ré-initialisation. Cette méthode, appelée ± Globalized and Bounded Nelder-Mead α (GBNM), est testée sur des fonctions multimodales et des problèmes de conception de stratifiés composites. Puis, des applications plus complexes sont traitées avec GBNM : l'optimisation de la raideur de flexion et l'identification des positions des sauts de plis de monopalmes de nage.

Cette thèse étudie la généralisation des inégalités de Gagliardo Nirenberg précisées sur les groupes de Lie stratifiés. Dans le cas euclidien il existe trois méthodes en fonction de l'exposant p qui caractérise l'espace de Sobolev. La première série d'inégalités concerne les espaces de Sobolev avec p>1. La démonstration de ces estimations découle de la caractérisation des espaces fonctionnels avec une analyse de Littlewood Paley. Pour traiter le cas p=1 il est nécessaire d'utiliser une autre technique. Nous allons utiliser les propriétés du noyau de la chaleur en généralisant la pseudo inégalité de Poincaré. Ce cas permet l'étude de l'espace de fonction BV, mais ne permet pas de considérer un espace de Sobolev dans le membre de gauche des inégalités. La troisième méthode de démonstration se base sur une décomposition en ondelettes à support compact et la généralisation au groupe de Heisenberg reste ouverte. On traite aussi des généralisations sur certains groupes de Lie et on discute une caractérisation de l'espace BV en termes d'espaces de Besov sur le groupe 2-adique

L'utilisation de limiteurs de localisation est nécessaire pour prendre en compte l'apparition de macro-fissures lors de la simulation de l'évolution des dégradations dans les matériaux composites stratifiés en accord avec des expérimentations. Ceux-ci introduisent un paramètre qui peut être relié à une longueur, ou un temps caractéristique, qui peut alors être identifié. L'approche introduite au LMT-Cachan consiste, dans le cadre dynamique, à utiliser un modèle d'endommagement retardé. Elle est basée sur le fait qu'une fissure ne peut pas apparaître instantanément. Ce modèle donne d'excellents résultats en restant dans le cadre de la dynamique et a l'avantage d'être local en espace. Cependant il requiert une discrétisation temporelle de la taille du temps caractéristique introduit (de l'ordre de la microseconde pour les composites), qui le rend inexploitable pour des simulations de chargement en quasi-statique. Les simulations dans ces cas de chargement nécessitent donc l'utilisation d'un temps caractéristique différent de celui identifié qui ne permet plus de maintenir un résultat en accord avec l'expérience. On cherche alors à adapter les paramètres de la loi d'évolution de l'endommagement afin d'obtenir une propagation de la macro-fissure dans la zone localisée qui soit compatible énergétiquement avec la mécanique de la rupture en contrôlant le taux de restitution d'énergie. Ce travail est dédié à maintenir l'objectivité de la solution et à adapter l'énergie dissipé à la mécanique de la rupture afin de pouvoir utiliser un temps caractéristique exploitable lors de simulations d'éprouvettes en composites sous un chargement quasi-statique.

Afin de mieux comprendre et de mieux quantifier la formation des dommages d'impact et leurs conséquences sur la tenue de la structure composite, le recours à la simulation numérique semble être un complément indispensable pour enrichir les campagnes expérimentales. Cette thèse a pour objectif la mise au point d'un modèle d'impact pour la simulation numérique par éléments finis dynamique implicite, capable de prévoir les dommages induits.La première étape du travail a consisté à élaborer un modèle s'appuyant sur le modèle de comportement du pli " Onera Progressive Failure Model " (OPFM) et sur le modèle bilinéaire de zones cohésives proposé par Alfano et Crisfield, puis d'évaluer la sensibilité aux différentes composantes des lois de comportement de la réponse à un impact et des dommages prévus. Des essais d'impact et d'indentation sur des plaques stratifiées en carbone/époxy ont ensuite été réalisés, analysés et enfin confrontés aux résultats numériques, afin d'évaluer les performances à l'impact du modèle OPFM et ses limites.Ces travaux permettent d'aboutir à trois principales conclusions. Premièrement, l'usage de modèles de zones cohésives semble nécessaire pour prévoir la chute de force caractéristique de l'impact sur stratifiés. Deuxièmement, la prise en compte des contraintes hors plan, notamment les cisaillements, est indispensable pour prévoir correctement l'endommagement d'impact. Enfin, si le modèle OPFM est capable de prévoir qualitativement les dommages d'impact, l'absence de caractère adoucissant ou de viscoplasticité semble cependant limiter leur prévision quantitative.

Afin de mieux comprendre et de mieux quantifier la formation des dommages d'impact et leurs conséquences sur la tenue de la structure composite, le recours à la simulation numérique semble être un complément indispensable pour enrichir les campagnes expérimentales. Cette thèse a pour objectif la mise au point d'un modèle d'impact pour la simulation numérique par éléments finis dynamique implicite, capable de prévoir les dommages induits.La première étape du travail a consisté à élaborer un modèle s'appuyant sur le modèle de comportement du pli « Onera Progressive Failure Model » (OPFM) et sur le modèle bilinéaire de zones cohésives proposé par Alfano et Crisfield, puis d'évaluer la sensibilité aux différentes composantes des lois de comportement de la réponse à un impact et des dommages prévus. Des essais d'impact et d'indentation sur des plaques stratifiées en carbone/époxy ont ensuite été réalisés, analysés et enfin confrontés aux résultats numériques, afin d'évaluer les performances à l'impact du modèle OPFM et ses limites.Ces travaux permettent d'aboutir à trois principales conclusions. Premièrement, l'usage de modèles de zones cohésives semble nécessaire pour prévoir la chute de force caractéristique de l'impact sur stratifiés. Deuxièmement, la prise en compte des contraintes hors plan, notamment les cisaillements, est indispensable pour prévoir correctement l'endommagement d'impact. Enfin, si le modèle OPFM est capable de prévoir qualitativement les dommages d'impact, l'absence de caractère adoucissant ou de viscoplasticité semble cependant limiter leur prévision quantitative. / In order to improve the understanding and the quantification of the impact damage formation and of their consequences on the composite structure behavior, numerical simulation seems to be a necessary complement to experiments. This thesis aims at designing an impact model suited for a dynamic implicit finite element numerical simulation, able to predict the induced damages.The first step of the work consisted in building an impact model using the ply behavior law “Onera Progressive Failure Model” (OPFM) and the bilinear cohesive law defined by Alfano and Crisfield, then in evaluating the impact response and the predicted damage sensitivity to the different parameters of the behavior laws. Impact and indentation tests on carbon/epoxy laminate plates have then been performed, analyzed and compared with the numerical results, in order to evaluate the impact performance of OPFM and its limits.This work points out three key results. First, the use of cohesive zone models seems necessary to predict the typical load drop. Secondly, the out-of-plane constraints, especially the shearing, must be taken into account to correctly predict impact damages. Finally, even if the OPFM model is able to qualitatively predict impact damages, the lack of softening or viscoplasticity seems to limit their quantitative prediction.

L’étude réalisée dans le cadre de cette thèse représente une recherche sur la durabilité de la réparation par collage de patchs externes de structures composites endommagées. Le comportement des réparations sollicitées en traction a été étudié. Les approches expérimentale et numérique ont été réalisées. La qualité et la répétitivité des réparations dépendent fortement du savoir-faire employé durant leur mise en œuvre. A ce titre, un protocole de fabrication précis a été établi et validé. Ce protocole a ensuite été appliqué strictement dans l’ensemble de l’étude. L’effet de la géométrie des patchs sur la performance des réparations en traction a été discuté. De plus, deux séries de patchs présentant des rigidités de membranes et des séquences d’empilement différentes ont été testées. Pratiquement, plusieurs méthodes de contrôle ont été appliquées pour localiser l’initiation de l’endommagement et suivre son évolution jusqu’à la rupture final. L’observation des scénarios d’évolution de l’endommagement a conduit à proposer trois modèles phénoménologiques permettant l’élaboration et la validation d’un modèle numérique.Le modèle numérique proposé a été validé grâce à la corrélation avec les résultats expérimentaux. Ensuite, ce modèle a été appliqué pour réaliser une étude paramétrique. Les résultats obtenus ont permis de proposer un modèle d’aide à la conception et à l’optimisation des structures composites réparées. Ce modèle fournit des informations intéressantes sur la meilleure combinaison des paramètres de réparation à utiliser. / The study in this thesis represents research on the durability of the repair of damaged composite structures by bonding external patches. The behaviour of the remedies sought in tension was investigated. The experimental and numerical approaches have been made.The quality and repeatability of repairs depends heavily on skills used during their installation works. As such, a specific manufacturing protocol was established and validated. This protocol was then applied strictly throughout the study. The effect of patch geometry on the performance of repair in tension has been discussed. In addition, two sets of patches with the different membrane stiffness and stacking sequences were tested. Practically, several control methods were applied to locate damage initiation and follow its evolution until the final rupture. Observing damage evolution scenarios has led to propose three phenomenological models for the development and validation of a numerical model.The proposed numerical model has been validated through correlation with experimental results. Then, this model was applied to perform a parametric study. The results obtained allowed to propose a model to help design and optimization of repaired composite structures. This model provides interesting information on the best combination of repair settings.

Une étude expérimentale a été menée sur le sillage d’un cylindre circulaire stratifié dans le but de décrire l’effet de l’inclinaison et de la stratification sur les instabilités tridimensionnelles d’un sillage. Principalement 4 modes instables ont été trouvés.Ces résultats mettent ainsi en évidence le fait que la stratification et l’angle d’in- clinaison modifient fortement la transition d’un écoulement 2D à 3D du sillage d’un cylindre avec la présence de nouveaux modes instables. / An experimental study has been delineated of a stratified wake of a circular cy- linder in order to describe the effect of the tilt and of the stratification on the 3D instabilities of the wake. Principally, four unstable modes have been figured out.These results highlight the fact that the stratification strongly modifies the transition from a 2D to a 3D flow in a cylinder wake, with the presence of new unstable modes. The tilt of the cylinder with respect to the vertical plays a major role, such that a study limited to a vertical or a horizontal cylinder misses a lot of the rich dynamics of the tilted wake.