Le présent travail se situe dans le cadre de l'analyse thermo-mécanique de la solidification par éléments finis des pièces coulées. Il fait suite à de précédentes études ayant donné lieu à l'écriture d'un premier modèle tridimensionnel permettant déjà de simuler le refroidissement d'une pièce de fonderie d'un point de vue thermique dans l'ensemble des composants du système et mécanique dans la pièce. Cependant, au vu des phénomènes macroscopiques intervenant lors de la solidification, il apparait que l'hypothèse préliminaire des moules rigides est mise en défaut notamment dans le cas de pièces massives. Une partie de notre travail a donc consisté en l'implantation d'un couplage entre la pièce et les différents composants du moule permettant ainsi de prendre en compte leurs interactions. Ce couplage est basé sur une gestion du contact par méthode de pénalisation intégrée avec transfert des contraintes par interpolation. Il a été validé par rapport à des résultats expérimentaux et semi analytiques. D'autre part, l'hypothèse de quasi staticité de la partie liquide de la pièce est elle aussi mise en défaut par le phénomène de convection naturelle. Afin de parfaitement capter ce phénomène, l'implantation d'une loi de comportement viscoplastique dans la partie liquide de la pièce a été effectuée amenant a un couplage de loi de comportement au sein de la pièce. Ceci a été possible par une gestion particulière de l'élément fini P1+/P1 adapté aux deux lois, viscoplastique et élasto-viscoplastique. Par ailleurs, les mouvements de matière, mettant à mal la formulation lagrangienne réactualisée, ont été traites par une formulation eulérienne-lagrangienne. Les mouvements du maillage sont ainsi dissociés de ceux de la matière permettant la modélisation des boucles de convection tout en assurant un suivi des mouvements de surface libre. Afin de diminuer les temps de calcul, une gestion du pas de temps basée sur un estimateur à posteriori de l'équation de la chaleur a été mise en place et a permis un gain de temps significatif. Les développements ont été validés sur des cas académiques et industriels, montrant une bonne corrélation qualitative et quantitative.

Dans un premier temps, on s'intéresse à la modélisation numérique du comportement thermo-mécanique des élastomères. Pour ce faire un modèle mécanique en grandes déformations est proposé et discuté. Il est basé sur les hypothèses classiques de l'état local et des matériaux standards généralisés, et s'appuie sur la notion d'états intermédiaires. On applique alors la méthode des éléments finis à ces équations. Le modèle éléments finis mécanique ainsi obtenu est alors associé, via un algorithme de couplage séquentiel à une formulation éléments finis des équations de la thermique écrites en configuration lagrangienne. Diverses simulations numériques, visant à valider d'une part le comportement mécanique, et d'autre part thermo-mécanique, sont présentées et confrontées à des résultats expérimentaux. Dans un second temps, l'objet du travail concerne la modélisation d'un assemblage de structures composites à matrice élastomère, une à une invariantes dans une même direction. La forte hétérogénéité des composants, rendant impossible la modélisation par homogénéisation périodique, contraint à user du couplage d'une technique de sous structuration classique et d'une méthode de sous structuration multi niveaux. La taille des calculs oblige à adopter pour les différents constituants un comportement élastique linéaire. Cependant, une première approche d'un terme de dissipation mécanique, dans le cas de sollicitations périodiques, est proposée en vue d'un éventuel couplage thermo-mécanique.

Une Bande de Cisaillement Adiabatique (BCA) est une bande étroite associée à de grandes déformations et de hautes températures dans les matériaux ductiles. Il est bien établi que les BCAs impliquent souvent une dépendance au maillage dans la simulation numérique du phénomène localisé. Pour contourner cette difficulté, des modèles de discontinuités ont été proposés et largement appliqués en ingénierie. Cependant, des conditions cruciales doivent être vérifiées afin de développer ces modèles, telles que des descriptions précises des profils physiques, des relations de comportement dans des approches multi-physiques et surtout une capacité de prédiction de la largeur de bande. Sans discrétisation du domaine physique, on propose un nouveau modèle de la structure de BCA basé sur une approche énergétique variationnelle, incluant l'élasticité, l'écrouissage, la conduction de chaleur et la condition limite thermique. Les lois de comportement sont transformées en un problème d'optimisation mathématique par rapport à un ensemble de scalaires. A l'aide d'expressions canoniques de profils de déplacement et de température, la largeur de bande et la température centrale sont calculées en tant que des variables internes du potentiel incrémental total en régime stationnaire et transitoire. Comme application de notre modélisation variationnelle 1D à la localisation de cisaillement, on étend et propose une modélisation variationnelle à deux échelles en introduisant un "élément de localisation de la déformation". Contrairement aux travaux existant, des déformations plastiques et des températures non homogènes sont prises en compte par les expressions analytiques canoniques, et l'évolution de la largeur de bande est calculée comme un problème d'optimisation d'une fonctionnelle énergétique. Une dérivation variationnelle valide sa faisabilité théorique. De même, une implémentation d'élément fini est également dérivée et donne une bonne fondation pour une future mise en oeuvre.

Le procédé de déroulage est un procédé de coupe orthogonale du bois vert dont l'arête de coupe est parallèle à la fibre et dont la valeur ajouté est apportée au copeau. L'enjeu actuel est de d'augmenter la déroulabilité du Douglas français ainsi que de déterminer celle des bois guyanais tout en évitant de trop lourdes expérimentations. Une modélisation de ce procédé est donc nécessaire. Le noeud scientifique est la loi de comportement du bois durant le déroulage, comme ce procédé est caractérisé par une grande vitesse de déformation et d'importantes et complexes déformations mêlant cisaillement et compression. Afin comprendre les phénomènes physiques mis en jeux, nous avons réalisé plus de 700 essais quasistatiques de traction, compression et torsion avec différents types de chargement. Nous avons aussi réalisé une centaine d'essais de déroulage sur une micro-dérouleuse instrumentée à laquelle nous avons ajouté des mesures de températures. Nous proposons une modélisation analytique adaptée à la description des régimes continus de coupe. La description de la zone de déformation est lagrangienne et la résolution se fait par les puissances mises en jeu. Nous proposons une loi de comportement hyper-élastique isotrope compressible de Rivlin généralisée d'ordre 4 dont nous avons déterminé la forme grâce aux essais quasi-statiques et les coefficients grâce à une résolution de problématique inverse de Levemberg-Marquardt afin de tenir compte de la vitesse de déformation. Pour la première fois, l'angle d'inclinaison de la zone de déformation prédit correspond aux observations expérimentales. De plus, au moins 75% des efforts calculés sont à moins de 15% des efforts expérimentaux.

Sous le Chili central et l'ouest de l'Argentine (29°-35°S), la plaque océanique Nazca, en subduction sous la plaque continentale Amérique du Sud, change radicalement de géométrie : inclinée à 30°, puis horizontale, engendrée par la subduction de la chaine de volcans de Juan Fernandez. Le but de mon étude est d'évaluer, la variation de nature et de propriétés physiques de la lithosphère chevauchante entre ces deux régions afin de mieux comprendre (1) sa structure profonde et (2) les liens entre les déformations observées en surface et en profondeur. Pour répondre à cette thématique, j'utilise une approche originale couplant la sismologie, la thermométrie, et la pétrologie. Je montre ainsi des images 3-D de tomographie sismique les plus complètes de cette région par rapport aux études précédentes, qui intègrent (1) de nombreuses données sismiques provenant de plusieurs catalogues, (2) un réseau de stations sismiques plus dense permettant de mieux imager la zone de subduction. J'apporte la preuve que la plaque en subduction se déshydrate dans deux régions distinctes : (1) le coin mantellique, et (2) le long de la ride subduite avant que celle-ci ne replonge plus profondément dans le manteau. La croûte continentale au-dessus du flat slab possède des propriétés sismiques très hétérogènes en relation avec des structures de déformation profondes et des domaines géologiques spécifiques. La croûte chevauchante d'avant-arc, au-dessus du flat slab, est décrite par des propriétés sismiques inhabituelles, liées à la géométrie particulière du slab en profondeur, et/ou liées aux effets du séisme de 1997 de Punitaqui (Mw 7.1). Mes résultats, confirmant les études antérieures, montrent que : - le bloc Cuyania situé plus à l'est, dans la zone d'arrière-arc est plus mafique et contient une croûte inférieure éclogitisée ; quant à, la croûte continentale inférieure sous l'arc Andin, est épaisse et non-éclogitisée, décrivant surement le bloc felsique de Chilenia.

Le soudage par point est utilisé par l'industrie automobile pour assembler des tôles minces en acier. L'accumulation des points de soudage entraîne une usure des faces actives des électrodes surtout dans le cas du soudage de tôles galvanisées à haute limite d'élasticité. Cette étude, expérimentale et numérique, porte sur la compréhension des mécanismes de dégradation des électrodes en CuCr1Zr, avec une attention particulière portée à l'influence de l'adoucissement lié à l'état de précipitation du matériau. Le comportement thermomécanique de l'alliage et ses propriétés thermo-physiques ont été caractérisés dans différents états microstructuraux. Des essais de soudage par point instrumentés, sur tôles nues et revêtues, ont permis d'étudier la cinétique de dégradation des électrodes. Ces essais fournissent par ailleurs des données pour valider les simulations numériques réalisées avec le code SYSWELD®. Un modèle couplé électro-thermo-métallurgique permet une simulation correcte du champ de température dans les électrodes et d'évaluer la contribution respective des paramètres de soudage et des conditions aux limites qui influencent l'adoucissement. Un second modèle électro-thermo-métallurgique-mécanique, intégrant une loi de comportement élastoviscoplastique avec une variable de vieillissement, permet de calculer la déformation de l'électrode au cours d'une dizaine de cycles de soudage. Bien que le nombre de points simulés soit insuffisant, les premiers résultats sont satisfaisants en thermique et encourageants pour la mécanique.

Le mémoire porte sur l'étude de la fiabilité des assemblages utilisant des alliages de brasure sans-plomb en environnement sévère pour des applications électroniques. Une méthode de préparation métallographique fiable et reproductible en vue de l'analyse microstructurale est présentée. L'effet du vieillissement thermique statique sur l'évolution microstructurale de billes de brasure en SAC, la tenue à la fatigue mécanique des assemblages brasés et l'étude de l'endommagement thermomécanique sont développés. Le seul effet notable constaté après vieillissement thermique est l'augmentation des épaisseurs des intermétalliques de contact. A la suite de sollicitations mécaniques, les ruptures sont plus souvent observées dans les pistes que dans les brasures, et ne permettent pas d'incriminer des éléments de la microstructure brasée comme facteurs déterminant de propagation des fissures. Les sollicitations thermomécaniques conduisent à une recristallisation, et les fissures se propagent alors le long des joints de grains recristallisés.

Afin de répondre aux besoins du marché de l’acier, le procédé de cokéfaction du charbon doit s’adapter. Cependant, changer les paramètres de cokéfaction du charbon, tels que la température du four, le temps de cuisson ou la composition de la pâte à coke enfournée, peut générer un endommagement prématuré de la maçonnerie des fours. En effet, la transformation du charbon en coke s’accompagne d’une poussée sur les parois du four fortement dépendantes d’un grand nombre de paramètres. Afin d’anticiper ce problème, un projet européen nommé « Swelling PRessure In a coke oven, Transmission on oven walls and COnsequences on wall » a été mis en place. Cette thèse s’inscrit dans ce programme et vise à déterminer la poussée maximale pouvant être admise par un piédroit de cokerie lors de la pyrolyse du charbon. Pour modéliser ces structures composées de plusieurs centaines de milliers de briques, le point de vue macroscopique est le plus approprié. La maçonnerie est remplacée par un matériau homogène équivalent dont le comportement varie en fonction de l’état d’endommagement de la maçonnerie, ramené localement à un état d’ouverture des joints de mortier. Afin de détecter ces ouvertures, un critère de type Mohr-Coulomb en contraintes est utilisé. Il repose sur la comparaison des limites à rupture d’un sandwich brique-Mortier déterminé expérimentalement à haute température avec les contraintes mésoscopiques issues de la simulation. Un protocole expérimental novateur a été développé pour caractériser la tenue en traction du sandwich brique / mortier / brique jusqu’à 1000°C. Les limites à rupture issues de cet essai de traction directe ont été comparées à celles obtenues par des essais de fendage réalisés à l’université de Leoben. Les résultats sont concordants et confirment l’importance de l’état de surface avant maçonnage. Selon l’état d’endommagement considéré, les contraintes mésoscopiques sont obtenues grâce à un tenseur de localisation ou grâce à une sous-Structuration. Cette étape de sous-Structuration consiste à simuler localement une cellule à l’échelle mésoscopique en lui appliquant le champ de déplacement macroscopique obtenu grâce à la simulation. L’outil numérique a été validé par confrontation avec un cas test de référence. Pour finir, l’outil numérique développé a été utilisé pour caractériser l’influence de différents paramètres tels que la prise en compte de la thermique, la mise en compression de la structure…. Enfin, la simulation de cuissons sur des piédroits complets (sains ou initialement endommagés) a été réalisée. L’importance de l’endommagement initial est clairement soulignée par les résultats. Enfin, un nouveau modèle, appelé « deux carneaux avec poutres», est proposé pour réduire le coût de calcul. Plus complet que le modèle « deux carneaux » utilisé au CPM, il donne accès à de très bons résultats pour un coût nettement moindre que celui du piédroit complet avec homogénéisation et sous-Structuration. / To face coke and steel market requirements, the coking process has to be more flexible. Changing process parameters such as coking temperature, blend composition and cooking time can damaged coke oven battery heating wall. Indeed, the coking process generates a swelling pressure on wall which depends on a lot of parameters. To study this point, a European project named « Swelling PRessure In a coke oven, Transmission on oven walls and COnsequences on wall » has been set up. This work is a part of it and aims to determine the admissible pushing pressure for the coke oven heating walls to prevent crack formation. To model large masonries composed of numerous bricks, a mesoscopic point of view is more appropriate. Bricks and mortar are replaced by a Homogeneous Equivalent Material (HEM) whose behaviour depends on the joint state. In order to represent joint opening mechanism, a Mohr-Coulomb criterion in stress is used. This criterion compares the level of stress to the ultimate tensile or shear stress at mesoscopic scale. Ultimate stresses are obtained thanks to an experimental campaign using a new protocol developed at PRISME Laboratory. The brick-Mortar behaviour is experimentally characterised at high temperature (20°C to 1000°C). To validate the tensile test developed, a second experimental campaign using “wedge splitting tests” has been done at Leoben University. Results are similar and confirm the importance of the brick surface state. Depending on the initial damage of the structures, mesoscopic stresses are obtained by localization tensor or by sub-Modelling. The sub-Modelling step aims to simulate a local part of the masonry at the mesoscopic scale. This step aims to simulate with a mesoscopic point of view a local part of the global model. This numerical tool has been validated thanks to a literature test. Finally, the numerical tool has been used to characterise the influence of some parameters (thermal, force due to the cross tie rod,..). Next, the simulation of the whole coke oven heating wall has been performed (undamaged or initially damaged masonry). These FE simulations show the influence of initial damage on the final masonry damage. Finally, a two flues model with beams is proposed to take into account compression due to cross tie rod and to limit computational cost. It permits to obtain better results than the existing two flues model used at CPM with a lower cost compared to the whole coke oven heating wall model.

L'utilisation croissante des polymères dans les structures industrielles est impulsée par le besoin de réduction du cycle/coût de production ainsi que de l'allègement des structures. Dans l'industrie automobile, PSA Peugeot Citroën s'est lancé sur une problématique liée au dimensionnement d'un procédé d'assemblage de pièces plastiques par vissage-taraudage. Le principe du procédé consiste à réaliser le taraudage directement lors du montage de la pièce <<portée>> en polymère en utilisant une vis métallique auto-taraudeuse. Il s'agissait alors d'être capable de modéliser numériquement par éléments finis l'opération de vissage-taraudage. Cet outil numérique offre ensuite la possibilité de mener des plans d'expériences plus larges en étudiant l'influence d'un plus grand nombre de paramètres à des fins d'optimisation de procédé d'assemblage impliquant les polymères. Les premières investigations ont montré qu'il s'agissait d'un problème thermo-mécanique complexe où toutes les composantes de déformation des matériaux polymères sont sollicitées : élastique, visqueuse, plastique et volumique. La démarche suivie est donc celle de l'approche locale de la rupture qui nécessite des observations fines des micro-mécanismes de déformation et d'endommagement suivies d'une modélisation par éléments finis s'inspirant de ces micro-mécanismes. Les données expérimentales se basent sur les variables mesurables à partir des essais mécaniques, enrichies par des observations en tomographie X. Cette technique non destructive révélant des images en 3D a permis de caractériser la morphologie et la distribution de la porosité en fond de filet. La prise en compte de cette porosité a été réalisée à l'aide d'un modèle issu de la mécanique des milieux poreux : le modèle de Gurson-Tvergaard-Needleman adapté aux matériaux polymères. Le modèle identifié a permis de construire un diagramme sur lequel peut s'appuyer le choix de la vitesse de rotation optimale du procédé de vissage-taraudage. Une alternative consistant en un assemblage de type vis polymère/écrou polymère a été également étudiée. Grâce à l'approche locale dont le critère de rupture est basé sur la porosité critique, le point faible de l'assemblage ainsi que sa tenue mécanique présumée à partir du niveau d'endommagement atteint en ce point ont pu être estimés. / The increasing use of polymers in engineering structures is promoted by the need to reduce both cycle/cost production and the weight of these structures. PSA Peugeot Citroën initiated research works to design the assembling process using metallic screwing/threading on polymers. It consists in directly taping the polymeric piece during the mounting operation by using self-threading metallic screw. The final objective of the work deals with the ability to numerically (finite element) model the screwing/threading operation. This numerical tool offers the possibility to perform a large campaign of study highlighting the sensitivity of the assembly procedure to a significant range of parameters. The first investigations showed that this problem consisted of complex thermo-mechanical loading for which all the deformation components of the polymeric material were involved: elastic, viscous, plastic and volumetric. The study was performed within the framework of the local approach to fracture, that required fine examinations of the micro-mechanisms of deformation and damage within the polymer. The experimental database were composed of measurable variables obtained from mechanical tests together with a comprehensive X-ray tomographic inspections. This latter non destructive technique revealing 3D images of the deformed microstructure allowed for characterization of the morphology and the distribution of voids within the polymer in the vicinity of the crest. To account for void volume fraction, a model from the mechanics of porous media was utilized: the Gurson-Tvergaard-Needleman model, modified for polymeric materials studies. The present model allowed for a construction of a failure assessment diagram that would permit to optimize the screwing rotation speed of the screwing-tapping process. An alternative solution consisting of an assembly composed of polymeric screw and polymeric nut was additionally investigated. Thanks to the local approach of fracture criterion based on the critical porosity, the weakest point of the assembly as well as its mechanical residual strength were estimated.

L'objectif de ce travail de thèse est de mettre en place une simulation thermo-mécanique couplée d'une aube revêtue permettant de modéliser l'écaillage de la barrière-thermique qui survient dans les conditions de service de l'aube. La barrière thermique est un revêtement isolant déposé à la surface du substrat monocristallin base Nickel AM1 constitutif de l'aube préalablement recouverte d'une sous-couche. Le mode de dégradation dominant dans ces systèmes est la création de fissures qui résultent de l'accroissement des ondulations hors-plan d'une couche intermédiaire d'oxyde formée en service entre la céramique et la sous-couche. En vue de modéliser ce phénomène d'écaillage, un ensemble d'outils numériques permettant de réaliser un calcul 3D par éléments finis thermo-mécanique couplé de l'aube revêtue est développé au sein du code de calcul par éléments finis Z-set. L'insertion d'éléments de zone cohésive mécanique et thermique au niveau de l'interface barrière-thermique/substrat permet de tenir compte simultanément des changements dans le processus de transert de charge et des variations du flux de chaleur causés par l'amorçage et la propagation d'une fissure interfaciale. L'élément fini d'interface mixte de Lorentz qui repose sur un Lagrangien augmenté, est mis en oeuvre. Afin de tenir compte des propriétés structurelles du revêtement, la modélisation de la barrière thermique est réalisée au moyen d'éléments de coque thermo-mécaniques reposant sur l'approche dite “Continuum Based”. Ces éléments sont développés puis validés dans le cadre de la thèse. La méthode utilisée pour réalier le couplage thermo-mécanique est l'algorithme partitioné CSS (Conventional Serial Staggered) sous-cyclé à pas de couplage fixe dont on montre les limitations dans le cas d'une simulation impliquant la propagation d'une fissure. L'introduction de pas de couplage adaptatifs contrôlés au moyen d'une variable interne du problème mécanique a permis de contourner ces limitations. L'ensemble des briques numériques est validé sur des cas tests de complexité croissante. Des cas d'applications effectués sur des géométries tubulaires à gradient thermique de paroi sont réalisés afin de tester le modèle couplé sur des structures et des chargements proches des conditions de service de l'aube. Enfin, des calculs thermo-mécaniques couplés sur aube revêtue sont présentés. / The purpose of this thesis is to perform a coupled thermomechanical simulation of the failure of thermal barrier coatings for turbine blades under service conditions. The thermal barrier coating is an insulating component applied to the single crystal Nickel-based superalloy AM1 substrate which is covered with a bond coat beforehand. The main degradation mode of those systems is due to the initiation and propagation of cracks caused by the out-of-plane undulation growth of an oxide layer formed in service. A set of numerical tools is implemented into the Finite Element code Z-set in order to perform a 3D thermomechanically coupled simulation of the failure of thermal barrier coatings for turbine blades. Inserting thermomechanical cohesive zone elements at the interface between the coating and the substrate makes it possible to account for the changes in the load transfer and the variations in the heat flux as a consequence of interface degradations. The mixed finite interface element of Lorentz based on an Augmented Lagrangian is used. The thermal barrier coating is modelled by means of thermomechanical shell elements implemented using the Continuum-Based approach to take advantage of the structural properties of the coating layer. Moreover, the partitionned CSS (Conventional Serial Staggered) algorithm used to couple thermal and mechanical problems is assessed. The limitations of sub-cycling with constant coupling time-step are shown through a simulation with crack propagation. The introduction of adaptative time-stepping allows to circumvent that issue. The numerical tools are assessed on test cases with increasing complexity. Numerical simulations on cylindrical tube with a thermal through-thickness gradient are performed with realistic loading sequences. Finally, thermomechanical simulations on turbine blades covered with thermal barrier coating are shown.