Th. doct.-ing.--Nancy, I.N.P.L., 1982.

L'objectif est d'apporter une contribution à la prédiction des phénomènes de striction et de localisation sous forme de bandes par la modélisation des critères d'instabilité plastique, par la comparaison de leurs bases théoriques et par le tracé de Courbes Limites de Formage (CLF) numériques. Une étude bibliographique permet de distinguer quatre approches principales : le principe de force maximum, l'analyse de bifurcation, l'analyse linéaire de stabilité et les méthodes multizones. Afin de permettre une comparaison, les principaux critères sont réécrits dans un cadre commun. Pour la striction diffuse, un rapprochement entre les critères de force maximum et de bifurcation par point limite est proposé. Pour la localisation, les prédictions de CLF obtenues avec le modèle M - K tendent vers celles du critère de Rice lorsque la taille du défaut initial tend vers zéro. Des tracés de CLF illustrent ces résultats et mettent en évidence l'influence du choix de la loi d'écrouissage sur les CLF.

Depuis un certain nombre d'années, les méthodes optiques s'imposent dans le domaine de la mesure. Plus particulièrement, la technique de stéréo-corrélation d'images est souvent utilisée en raison de sa facilité de mise en oeuvre, de son caractère non intrusif et de sa bonne resolution spatiale couplée à un suivi temporel. Dans cette thèse, nous mettons en application la technique de stéréo-corrélation pour différentes vitesses de sollicitation allant du quasi statique à la dynamique ultra-rapide, cette dernière étant appliquée dans le cadre d'expérience de détonique. Cette large gamme d'expérimentations nous impose de développer des outils spécifiques afin d'obtenir des résultats quantifiés. Ainsi, nous avons mis au point des méthodes de correction des distorsions optiques et de l'étalonnage. Nous avons également développé une nouvelle technique d'association capable de traiter des images de faible dimension. Afin d'améliorer l'association, des méthodes de correction des grands d'eplacements, basées sur l'image elle-même ou un calcul hydrodynamique prédictif, ont été élaborées. Afin de valider l'ensemble de notre approche, nous la mettons en application lors de divers essais : compression quasi statique sur un matériau composite, traction lente sur une plaque en tantale, traction rapide sur des échantillons en aluminium. Enfin, nous nous intéressons à nos applications principales de dynamique ultra-rapide : l'expansion et le relèvement de cylindre. Pour ce dernier point, un soin particulier est apporté à l'élaboration d'un cas de synthèse représentatif de nos expériences. Ceci, dans le but de caractériser les performances de notre approche dans des conditions expérimentales sévères. Dans tous les cas, nous donnons les incertitudes de reconstruction afin de quantifier au mieux la rugosité de la surface et, par conséquent, le phénomène de striction.

Les travaux de recherche concernent le développement et la mise en oeuvre de nouveaux critères de détection des défauts de striction localisée/éclatement et de plissement/flambage lors de procédés d'emboutissage et d'hydroformage de structures minces. La striction est considérée comme une instabilité du flux de matière. Elle est modélisée via une Analyse Linéaire de Stabilité (ALS) par méthode de perturbation étendue à un état tridimensionnel. Ainsi, de nouveaux modes de striction sont repérés. De plus, le critère initial est amélioré par la détermination rigoureuse du seuil d'instabilité différenciant l'instabilité effective de l'instabilité absolue. Des Courbes Limites de Formage sont construites pour étudier l'influence de paramètres de comportement matériel sur l'apparition de la striction/éclatement. Enfin l'ALS appliquée à une plaque e flexion pure montre que les défauts observés ne sont pas dus à un phénomène de striction. Concernant le plissement, ce défaut semble plus correspondre à un problème de bifurcation qu'à un problème d'instabilité. Dans cet ouvrage, une nouvelle analyse basée sur l'équilibre d'une plaque est développée. De plus, l'analyse qualitative de Nordlund et Häggblad est reprise. Enfin, un nouveau critère basé sur une méthode de perturbation est développé en annexe. Les modélisations présentées pour la détection de striction/éclatement et de plissement/flambage ont été intégrées dans le code POLYFORM? de simulation par éléments finis des procédés d'emboutissage et d'hydroformage. L'influence des paramètres de procédés et de comportement matériel sur la prédiction des défauts lors de simulations est présentée. La validation expérimentale des prédictions est réalisée pour un procédé d'hydroformage oscillant. L'influence des paramètres de ce procédé sur l'apparition de défauts est également observée

La fragmentation d’enveloppes métalliques en expansion dynamique intéresse tant l’industrie civile que celle de la défense. Pour les deux domaines d’application, il s’agit de pouvoir prédire la taille et la vitesse des fragments, résultant de la destruction des enveloppes, afin de mesurer les conséquences que ceux-ci peuvent avoir sur des structures de sécurité. Les modèles de prédiction existants étudient le développement d’un défaut au sein du matériau et arrivent à déterminer une taille caractéristique des fragments. Néanmoins, ces modèles nécessitent une hypothèse dont la validité est remise en cause lorsque la vitesse de déformation est importante. Dans ce travail, nous proposons un nouveau modèle analytique pour des cylindres (sollicitation en traction plane) permettant de s’affranchir de cette hypothèse et d’étudier l’influence du défaut initial en suivant son évolution. Le modèle développé est comparé avec succès à des résultats issus de simulations numériques par éléments finis. Nos travaux permettent notamment de préciser les cadres d’application et de validité des approches classiques. Comme résultats majeurs, la nouvelle approche permet d’analyser les évolutions des perturbations aux faibles déformations mais aussi d’estimer le temps d’apparition des premières décharges élastiques, synonymes de strictions localisées. / This work deals with the fragmentation of dynamically expanding metal shells and covers a problem of interest for both civil and military industries. For both fields of application, it is crucial to predict the size and the speed of fragments, resulting from the destruction of shells in order to measure the consequences that it could have on structures. Current models study the growth of a defect within the material and are able to determine a characteristic size of fragments. Nevertheless, these models require a hypothesis whose validity is questionable when the rate of deformation is important. In this work, we propose a new analytical model for cylinders (equivalent to the dynamic extension of a plate) to overcome this hypothesis and study the influence of the initial defect by following its time evolution. The model is compared successfully with results performed with a finite element method. Our work notably expands the framework of classical linear stability analyses. As a major outcome, the proposed approach is able to track the evolution of a perturbation even for small plastic strain, when the flow may be stable. In addition it is shown that the present approach can predict accurately the time where the elastic unloading is observed in finite element simulations.

L'acier grade 91 serait un candidat approprié pour des éléments de structures du circuit secondaire et du générateur de vapeur des réacteurs nucléaires de génération IV. Leur durée de vie sera prolongée jusqu'à 60 ans. Cela nécessite de considérer les mécanismes actifs durant de très longs temps de fluage afin de proposer des prédictions de durées de vie plus fiable que de simples extrapolations. La striction est le mécanisme de ruine principal pour des durées de vie jusqu'à 160 kh à 500°C et 94 kh à 600°C. Une simulation de la striction tenant compte de l'adoucissement du matériau conduit à deux lois de bornes qui encadrent les durées de vie expérimentales d'un grand nombre d'aciers martensitiques revenus jusqu'à 200 kh à température 500-700°C. Des cavités intergranulaires observées en FEG-SEM à deux durées de vie longues affectent faiblement la vitesse de déformation. Une prédiction du développement des cavités permettrait d'extrapoler les durées de vie hors du domaine expérimental. Leur germination et croissance, supposées associées à la diffusion des lacunes, sont modélisées grâce à deux modèles classiques. Le premier tient compte d'une germination instantanée (Raj et Ashby) et le second d'une germination continue - Dyson. Le second, plus stable par rapport à ses paramètres que le premier, conduit à des prédictions des tailles finales de cavités en accord raisonnable avec les mesures en FEG-SEM. La vitesse de germination identifiée expérimentalement est requise dans ce modèle. La germination continue des cavités par diffusion est modélisée grâce au modèle classique de Raj. Ce modèle ne permet pas des prédictions de densité de cavités en accord avec les mesures, même en tenant compte de la germination aux interfaces matrice / précipités, observée au MEB-FEG et d'un facteur maximal de concentration de contrainte locale de 2. Ce dernier a été obtenu grâce à des calculs par éléments finis en déformations planes du fluage de microstructures simulées ou réelles, comprenant des points triples ou des précipités/phases de Laves. L'utilisation de la loi de germination de Dyson permet de proposer des prédictions au-delà de 200kh. La durée de vie prédite par le modèle de Riedel d'un essai à basse contrainte semble être en accord avec la durée expérimentale estimée de l'essai (toujours en cours) et actuellement en stade tertiaire, basée sur la fraction de la durée de vie habituellement consommée par le stade tertiaire.

Depuis un certain nombre d'années, les méthodes optiques s'imposent dans le domaine de la mesure. Plus particulièrement, la technique de stéréo-corrélation d'images est souvent utilisée en raison de sa facilité de mise en oeuvre, de son caractère non intrusif et de sa bonne résolution spatiale couplée à un suivi temporel. Dans cette thèse, nous mettons en application la technique de stéréo-corrélation pour différentes vitesses de sollicitation allant du quasi statique à la dynamique ultra-rapide, cette dernière étant appliquée dans le cadre d'expérience de détonique. Cette large gamme d'expérimentations nous impose de développer des outils spécifiques afin d'obtenir des résultats quantifiés. Ainsi, nous avons mis au point des méthodes de correction des distorsions optiques et de l'étalonnage. Nous avons également développé une nouvelle technique d'association capable de traiter des images de faible dimension. Afin d'améliorer l'association, des méthodes de correction des grands déplacements, basées sur l'image elle-même ou un calcul hydrodynamique prédictif, ont été élaborées. Afin de valider l'ensemble de notre approche, nous la mettons en application lors de divers essais : compression quasi statique sur un matériau composite, traction lente sur une plaque en tantale, traction rapide sur des échantillons en aluminium. Enfin, nous nous intéressons à nos applications principales de dynamique ultra-rapide : l'expansion et le relèvement de cylindre. Pour ce dernier point, un soin particulier est apporté à l'élaboration d'un cas de synthèse représentatif de nos expériences. Ceci, dans le but de caractériser les performances de notre approche dans des conditions expérimentales sévères. Dans tous les cas, nous donnons les incertitudes de reconstruction afin de quantifier au mieux la rugosité de la surface et, par conséquent, le phénomène de striction.

L’objectif de ce sujet de thèse est de prédire l’apparition des instabilités plastiques (striction diffuse et striction localisée) dans les matériaux métalliques. Ces matériaux sont décrits par des modèles de comportement élasto-plastique couplés à l’endommagement. L'approche de Lemaitre, reliant l'endommagement à la déformation plastique équivalente et au taux de restitution de la densité d'énergie élastique, est adoptée. Parmi les différents critères et indicateurs qui sont considérés pour la prédiction des instabilités matériau, la théorie de bifurcation et les critères de type force maximum sont tout particulièrement analysés et comparés. Un objectif important de cette étude consiste à déterminer les mécanismes déstabilisants clés associés à cette modélisation du comportement, ainsi que l’impact des différents aspects physiques et des paramètres matériau sur l’apparition de la striction. Les développements résultants sont appliqués à une sélection représentative de matériaux métalliques afin prédire leurs limites de formabilités. Cette approche combinant des lois de comportement et critères de striction peut être utilisée comme outil théorique et numérique d’aide à la conception de nouveaux matériaux à ductilité améliorée / The aim of the present work is to predict the occurrence of plastic instabilities (diffuse and localized necking) in thin sheet metals. The prediction of these plastic instabilities is undertaken using an elastic–plastic model coupled with ductile damage, which is then combined with various plastic instability criteria theory. The bifurcation-based criteria and the maximum force criterion used in this work are formulated within a general three-dimensional modeling framework, and then applied for the particular case of plane-stress conditions for sheet metals. Some theoretical relationships or links between the different investigated necking criteria are established, which allows a hierarchical classification in terms of their conservative character in predicting critical necking strains. The resulting numerical tool is implemented into the finite element code ABAQUS/Standard to predict forming limit diagrams, in both situations of a fully three-dimensional formulation and a plane-stress framework. This approach, that combines constitutive equations to necking criteria, serves as a useful tool in the design of new materials with improved ductility

La compréhension et la modélisation des mécanismes de localisation observés lors de processus d'emboutissage représentent un enjeu industriel important. L'objectif de ce travail est d'étudier, par une approche expérimentale basée sur l'analyse des sources de chaleur, les manifestations de localisation pouvant se produire, sur des aciers, lors d'essais quasi-statiques de traction monotone.<br />A partir d'un traitement d'images thermiques infrarouge (effets) et de l'équation de diffusion de la chaleur, on propose une méthode permettant d'estimer les sources de chaleur (causes) générées par le processus de déformation.<br />Sur certains aciers doux, on met en évidence la propagation à vitesse uniforme d'une ou plusieurs bandes dissipatives étroites à travers la zone utile de l'éprouvette. Comparativement à ce premier mode (bandes de Lüders) où les effets dissipatifs sont soudains, intenses et très localisés, on met en évidence le caractère plus régulier et progressif de la concentration des zones où se développent les irréversibilités mécaniques menant à la striction localisée. Des "indicateurs de localisation énergétiques'' proposés pour détecter la localisation montrent qu'elle peut apparaître avant le maximum de la charge, dans plusieurs zones de l'éprouvette. Ce constat implique que la partie utile d'une éprouvette doit être considérée comme une structure et non comme un élément de volume réagissant de façon homogène, ce qui n'est pas sans conséquences sur les méthodes d'identification des modèles de comportement utilisés, en particulier, dans les approches théoriques de la localisation.<br />Enfin, d'autres expériences ont permis de mettre en évidence des manifestations énergétiques associées à des formes particulières de localisation : propagation de fronts de changement de phase (acier inoxydable A301), effets dissipatifs associés à des bandes de glissement (acier magnétique HiBiGO), effets dissipatifs localisés dans des bandes de cisaillement (polymère PVC).

Le procédé d'hydroformage repose sur la déformation plastique d'une forme première (tôle, tube) sous l'action combinée d'un fluide sous pression et d'un outil rigide. L'objet de ces travaux est de contribuer à la modélisation de ce procédé. Cette contribution s'articule autour de trois problématiques essentielles: la caractérisation rhéologique, la prédiction des défauts de striction et le développement d'algorithmes adaptés à la simulation de l'hydroformage. - L'identification expérimentale des courbes d'écrouissage en grandes déformations est nécessaire afin d'éviter toute extrapolation intempestive au cours d'une simulation numérique. A cet effet, un essai de gonflage circulaire, analysé selon un modèle homogène, a été mis en place. Des résultats très satisfaisants ont pu ainsi être obtenus grâce notamment à la mesure locale du rayon de courbure de la tôle. - La prédiction de la striction au cours de l'opération d'hydroformage est essentielle pour la maîtrise de ce procédé. Dans cette optique, le Critère de Force Maximum Modifié a fait l'objet d'une étude détaillée. Il a été démontré que la forme locale de la surface de charge constitue le facteur le plus influant sur les prédictions du modèle. Le problème de la dépendance de la CLF au trajet a été également abordé, nous avons pu mettre l'accent sur l'utilité d'une représentation des CLF dans l'espace des déformations équivalentes afin de s'affranchir de cette dépendance. Enfin, nous avons proposé un modèle intégrant l'effet de la sensibilité à la vitesse de déformation. La confrontation avec les résultats expérimentaux de tôles en acier a montré une amélioration des prédictions mais le modèle reste relativement conservatif. - Le troisième volet a concerné la modélisation numérique. D'une part, un schéma d'intégration implicite reposant sur une actualisation itérative du maillage et tenant compte des dérivées du domaine a pu être testé. Les résultats ont montré la faible influence des dérivées du domaine. En revanche, l'actualisation itérative semble améliorer la conservation du volume. D'autre part, il est bien établi que certains matériaux peuvent présenter un potentiel de déformation au-delà du pic de pression. Pour une simulation correcte de ce potentiel de déformation, nous avons développé plusieurs variantes de la méthode de continuation. Reposant sur une technique de prédiction-correction, ces méthodes ont permis de dépasser le pic qui reste un point infranchissables pour la méthode conventionnelle de contrôle de pression.