Dans le domaine du calcul de structure, l'augmentation de la puissance des ordinateurs permet aujourd'hui de traiter des structures complexes avec des modèles de plus en plus fins.<br />Néanmoins, pour des structures hétérogènes ou minces, des modèles tridimensionnels détaillés conduisent à des temps de réalisation du maillage importants, et à une analyse des résultats très difficile compte tenu du volume d'informations à traiter.<br />Il est donc nécessaire de construire des modèles simplifiés de ces structures, en exploitant l'existence d'un ou plusieurs petits paramètres, traduisant la finesse des hétérogénéités et la minceur de la structure. Pour ce faire, des méthodes très diverses sont proposées dans la littérature. Dans ce travail, c'est principalement la méthode des développements asymptotiques qui est utilisée.<br />Pour des structures à hétérogénéité périodique, cette méthode permet de déterminer une structure homogène équivalente, à partir de laquelle on pourra obtenir une approximation de la solution du problème hétérogène. Il s'agit donc d'un processus d'homogénéisation, puisque les hétérogénéités sont lissées. <br />Dans le cas des structures minces, l'objectif est de construire, à partir d'une formulation 3D initiale, des modèles approchés mono- ou bidimensionnels. <br />Dans une première partie de ce mémoire, intitulée "Modèles Homogénéisés du 1er ordre", un premier niveau d'application des méthodes d'homogénéisation est présenté. L'objectif est simplement l'obtention du comportement macroscopique du matériau, ou de la structure mince périodique.<br />Au chapitre 1, la modélisation d'un joint de culasse est exposée. Le joint présente une périodicité de ses constituants dans le plan. Or, sur le moteur, du fait du serrage entre le bloc et la culasse, une modélisation tridimensionnelle du joint est nécessaire. Il s'agit là d'une source de difficultés car on n'a pas périodicité dans les 3 directions de l'espace. Ceci conduit à développer de méthodes spécifiques, dans le cadre de la méthode des moyennes. Dans ce même chapitre, figure également un travail sur la modélisation du comportement élastoplastique d'un constituant du joint.<br />Le chapitre 2 est consacré à l'étude des structures minces périodiques. Comme indiqué auparavant, ces structures se caractérisent par l'existence de deux petits paramètres. Ceci donne lieu à plusieurs méthodes d'homogénéisation, selon l'ordre dans lequel on fait tendre vers 0 ces deux petits paramètres. Cependant, le domaine de validité de ces méthodes n'est pas très bien défini, et d'une manière générale, très peu d'applications ont été traitées, notamment à l'aide de méthodes numériques. Une synthèse de ces différentes méthodes est présentée, avec des applications à différents exemples de poutres, plaques et coques périodiques. Toutes ces méthodes rentrent dans le cadre de la méthode des développements asymptotiques.<br />Au chapitre 3, le cas des milieux poreux est étudié. En effet, les plaques périodiques que nous avons étudiées au chapitre 2 sont très peu denses, et il est intéressant de les aborder en tant que structures discrètes, où de nombreux travaux existent sur les méthodes d'équivalence. Ces méthodes sont comparées à celles utilisées au chapitre 2. D'autre part, une méthode numérique pour le calcul des caractéristiques équivalentes de ces milieux est proposée, avec une application aux matériaux cellulaires.<br />Dans la deuxième partie de ce mémoire, intitulée "Modèles homogénéisés d'ordre supérieur et effets de bords", il s'agit de dépasser le stade de la détermination du comportement macroscopique Notre objectif est en effet d'étudier quelles sont les erreurs induites par l'utilisation d'un milieu homogène équivalent dans un problème aux limites, en substitution du milieu hétérogène 3D d'origine, et comment faire pour les diminuer.<br />Au chapitre 4, pour une poutre périodique, un modèle asymptotique d'ordre supérieur est construit, en déterminant formellement l'expression des termes du développement asymptotique à un ordre quelconque. Les aspects pratiques de mise en oeuvre de la méthode sont également abordés, et une approche pour calculer la série complète à partir de la résolution d'un seul problème macroscopique est présentée.<br />Pour que le modèle macroscopique d'ordre supérieur soit plus précis que le modèle du 1er ordre, il faut travailler avec une approximation cohérente des équations différentielles et des conditions aux limites. Ceci nous amène à étudier les effets de bords, qui résultent de l'incompatibilité entre la solution asymptotique et les conditions aux limites appliquées à la structure 3D hétérogène. Une approche pour les prendre en compte est exposée au chapitre 5.<br />Des exemples d'application sont ensuite présentés au chapitre 6, où la solution issue du modèle asymptotique d'ordre supérieur avec prise en compte des effets de bords est comparée à la solution du modèle fin tridimensionnel hétérogène. L'efficacité de la méthode proposée est ainsi démontrée.<br />En plus de ces deux parties, on présente au chapitre 7 les développements numériques utilisés dans les différentes parties du mémoire. Ce chapitre comprend également l'exposé d'une méthode de calcul originale pour la résolution des problèmes à l'échelle microscopique.<br />Enfin, le chapitre 8 concerne un travail en cours sur la modélisation des câbles synthétiques.

La simulation numérique par la méthode des éléments finis (MEF) fournit de nos jours une grande aide pour les ingénieurs dans les processus de conception d’optimisation des produits. Malgré le développement croissant des ressources de calcul, la fiabilité et l’efficacité des simulations numériques par la MEF restent à améliorer. Ce travail de thèse consiste à développer une famille d’éléments solide-coque (SHB) pour la modélisation tridimensionnelle des structures minces. Cette famille d’éléments SHB est basée sur une formulation tridimensionnelle en grands déplacements et rotations. La technique dite “d’intégration réduite dans le plan”, en utilisant un nombre arbitraire de points d’intégration dans la direction de l’épaisseur, permet la modélisation des structures minces avec une seule couche d'éléments. Dans ce travail de thèse, deux éléments linéaires SHB prismatique et hexaédrique, ainsi que leurs contreparties quadratiques, ont été implantés dans le code par éléments finis ABAQUS pour l’analyse quasi-statique et dynamique des structures minces. La performance de ces éléments a été validée à travers une série de cas tests académiques, ainsi que sur des problèmes complexes de type impact/crash et des procédés de mise en forme de tôles minces. L'ensemble des résultats numériques obtenus révèle que les éléments SHB représentent une alternative intéressante aux éléments coques et solides traditionnels pour la modélisation tridimensionnelle des structures minces. / Nowadays, the finite element (FE) simulation provides great assistance to engineers in the design of products and optimization of manufacturing processes. Despite the growing development of computational resources, reliability and efficiency of the FE simulations remain the most important features. The current work contributes to the development of a family of assumed strain based solid-shell elements (SHB), for the modeling of 3D thin structures. Based on reduced integration and special treatments to eliminate locking effects and to control spurious zero-energy modes, the SHB solid‒shell elements are capable of modeling most thin 3D structural problems with only a single element layer, while describing accurately the various through-thickness phenomena. In the current contribution, a family of prismatic and hexahedral SHB elements with their linear and quadratic versions have been implemented into ABAQUS using both standard/quasi-static and explicit/dynamic solvers. The performance of the SHB elements is evaluated via a series of popular benchmarks as well as with impact/crash and sheet metal forming processes. All numerical results reveal that the SHB elements represent an interesting alternative to traditional shell and solid elements for the 3D modeling of thin structural problems.

Dans ce travail, des modèles thermomécaniques basés sur une approche non-locale sont proposés pour décrire le comportement des Alliages à Mémoire de Forme (AMF) avec la prise en compte des effets de la localisation et de la chaleur latente lors de la transformation de phase. Ces modèles sont obtenus comme des extensions d’un modèle local existant. Pour décrire la localisation de la transformation de phase, l’extension du modèle initial a consisté à le réécrire dans un contexte non-local par l’introduction d’une nouvelle variable, définie comme la contrepartie non-locale de la fraction volumique de martensite déjà présente dans le modèle local. L’exploitation de ce modèle a nécessité le développement d’un élément fini spécial dans ABAQUS avec la fraction volumique non-locale de martensite comme un degré de liberté supplémentaire. Les simulations réalisées montrent la pertinence d’une telle approche dans la description de la transformation de phase dans des structures minces en AMF, soumises à des chargements thermomécaniques. Pour décrire les effets de la chaleur latente, une équation d’équilibre thermique ayant comme terme source des contributions dépendant de la transformation de phase a été adjointe au modèle initial. Là encore, l’exploitation du modèle a nécessité le développement d’un élément fini qui prend en compte le couplage thermomécanique et la formulation proposée pour l’équilibre thermique. Les simulations numériques réalisées ont montré l’effet retardant sur la transformation de phase de la chaleur latente, et le caractère hétérogène possible de la transformation dans ce cas. Ces effets sont d’autant plus importants que la vitesse de déformation est élevée / In this Phd thesis, thermo-mechanical models based on a nonlocal approach are proposed in order to describe the behavior of Shape Memory Alloys (SMA), taking into account localization and latent heat effects during phase transformation. These models are obtained as extensions of an existing local model. In order to describe the localization of phase transformation, the extension of the initial model consisted of rewriting it in a nonlocal context through the introduction of a new variable, defined as the nonlocal counterpart of the martensite volume fraction. The use of this model has required the development of a specific finite element in ABAQUS with the nonlocal martensite volume fraction as an additional degree of freedom. The simulations show the relevance of such an approach in the description of the phase transformation occurring in thin SMA structures subjected to thermo-mechanical loadings. To achieve the description of the latent heat effects, a heat balance equation with a source term depending on contributions of the phase transformation was added to the constitutive equations of the initial model. Even there, the use of the model required the development of a finite element which takes into account the thermo-mechanical coupling and considers the proposed formulation for the thermal balance. Numerical simulations have shown the delaying effect of the latent heat on phase transformation and the possible heterogeneous character of the phase transformation in this case. These effects are even more important as the strain rate is high

Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à l'étude des vibrations non linéaires de structures minces, par des approches numériques et expérimentales. Un outil destiné au calcul de la réponse forcée harmonique de structures minces, en non linéaire géométrique, a été développé. Le problème de l'élastodynamique en grands déplacements, avec prise en compte d'un défaut de forme et d'une précontrainte, est discrétisé par une méthode éléments finis. Les solutions périodiques sont obtenues par application de la méthode de l'équilibrage harmonique (EH) puis de la méthode asymptotique numérique (MAN) pour la continuation des branches de solutions. Ces deux méthodes ont été introduites indépendamment l'une de l'autre dans un code éléments finis existant, Eve. Au final on obtient l'expression des inconnues (déplacements et contraintes) en fonction des paramètres de la force d'excitation (pulsation et amplitude). Au terme de ce travail, on dispose donc d'un outil numérique qui permet de traiter une large classe de structures (poutres, plaques et coques). Son application à quelques exemples a permis d'illustrer les caractéristiques d'un comportement non linéaire, en particulier les phénomènes d'hysteresis sur la résonance principale ou encore l'apparition de résonances secondaires et de bifurcations de branches. De plus, pour une amplitude d'excitation très faible, on est en mesure d'obtenir une représentation des modes non linéaires de structure. En parallèle, une étude expérimentale a été menée. Un banc d'essai pour l'étude de la réponse forcée de plaques ou de panneaux galbés a été réalisé ; il est équipé d'un dispositif de précontrainte en vue de l'observation d'interaction modale. Des essais préalables <br />sur une poutre bi-encastrée, ont également permis l'observation<br />de phénomènes non linéaires caractéristiques.

Dans un contexte où l'utilisation de structures déployables s'est généralisée, le département Recherche de la société Thales Alenia Space étudie un nouveau concept de télescope spatial dont le miroir secondaire est déployé grâce au déroulement de six mètres rubans. Des études antérieures ont permis la mise au point d'un prototype constitué de rubans métalliques dont le déploiement s'est avéré trop violent. Dans ce travail de thèse nous proposons d'une part un nouveau type de ruban à la vitesse de déroulement maîtrisable et d'autre part un modèle original décrivant le comportement dynamique de tels rubans, permettant de mieux appréhender les phénomènes complexes pouvant intervenir lors de scénarios de pliage, de déploiement ou de déroulement. La solution envisagée pour contrôler la vitesse de déroulement repose sur l'exploitation des propriétés mécaniques d'une couche de matériau viscoélastique collée à la surface du ruban. Ces propriétés variant avec la température permettent de garantir un maintien de la position enroulée à froid et assurent un déroulement régulé grâce à un réchauffage localisé. Ces phénomènes ont été mis en évidence expérimentalement et numériquement. La lourdeur des méthodes classiques de modélisation et le manque de richesse des méthodes simplifiées nous ont conduit à développer un modèle de poutre à section fortement déformable permettant de décrire le comportement dynamique des rubans en grands déplacements. Partant d'un modèle de coque, l'originalité de la méthode repose essentiellement sur l'introduction d'une cinématique de type elastica pour décrire les grandes variations de forme de la section. Un modèle énergétique 1D est obtenu en intégrant dans la section et le problème est résolu à l'aide du logiciel de modélisation par éléments finis COMSOL. On propose finalement un modèle continu 1D à 4 paramètres cinématiques qui permet de rendre compte d'une large gamme de phénomènes intervenant dans des scénarios complexes de pliage, de déroulement et de déploiement dynamique. / The research department of Thales Alenia Space is studying new concepts of space telescopes whose secondary mirror is deployed thanks to the unreeling of six tape-springs. A breadboard using metallic tape-springs has been built during preliminary studies and has exhibited a deployment that is too energetic and induce too important shocks.In this thesis a new kind of tape-spring with a controlled uncoiling speed is introduced. Secondly a rod model with highly deformable thin-walled cross-sections describing the dynamic behaviour of tape-springs is derived.In order to over come the deployment speed of a tape spring, a viscoelastic layer is stuck on its sides. Thanks to its properties varying with the temperature, the viscoelastic layer is used to maintain the tape-spring in a coiled configuration at low temperature whereas a local heating leads to a controlled uncoiling. These phenomenons have been underlined experimentally and numerically.Because of the high complexity of classical shell models and the lack of details of simplified models, smart modelling methods need to be developed to describe the highly non linear behaviour of a tape-spring. A planar rod model with highly deformable thin-walled cross-sections that accounts for large displacements and large rotations in dynamics is proposed. Starting from a classical shellmodel, the main additional assumption consists in introducing an elastica kinematics to describe thelarge changes of the cross-section shape with very few parameters. The expressions of the strain andkinetic energies are derived by performing an analytical integration over the section. The Hamilton principle is directly introduced in a suitable finite element software to solve the problem. Several examples (folding, coiling and deployment of a tape spring) are studied through the FEM software COMSOL to demonstrate the ability of the 4-parameter model to account for several phenomena: creation of a single fold and associated snap-through behaviour, splitting of a fold into two, motion of a fold along the tape during a dynamic deployment, scenarios of coiling and uncoiling of a bistable tape-spring.