This dissertation contains a comprehensive analysis of both non-coupled and mutually coupled switched reluctance motors with concentrated windings for an electric bicycle traction application. Multiple pole configurations are analyzed and compared for each motor type. Includes magnetic design, thermal analysis, and structural analysis. A prototype is designed, manufactured, and validated. / This thesis discusses the design of both a conventional non-coupled switched reluctance motor (CSRM) and a mutually-coupled SRM (MCSRM) for an exterior rotor e-bike application. Several novel pole configurations were analyzed for each machine type, and the performance of the final CSRM and MCSRM designs were compared for this application. A commercially available e-bike permanent magnet synchronous motor (PMSM) was purchased, reverse engineered, and validated to define the geometry constraints and performance targets for the designs. Since switched reluctance motors do not use rare-earth permanent magnets, they are often seen as a potential low-cost alternative to permanent magnet machines. The goal of this research is to explain the relative advantages of CSRMs and MCSRMs when compared to PMSM machines for a direct-drive e-bike application. The final CSRM and MCSRM designs are analyzed in detail; electromagnetic, controls, thermal, and structural considerations are all studied. A prototype of the final CSRM design was manufactured and validated experimentally, using a dynamometer setup. The finalized CSRM design is shown to be competitive with the PMSM machine when considering torque output, and is superior in terms of peak efficiency, and high speed torque performance. However, the CSRM noise output and torque ripple were not compared to the PMSM, and a less-common asymmetric-bridge converter is required for the CSRM, which may hinder the ability for the machine to be implemented into existing e-bike packages. The high speed torque performance of the MCSRM is shown to be inferior to both the CSRM and PMSM, as is the torque quality and efficiency. The MCSRM is shown to be highly resistant to saturation which gives it the potential for high torque output at low speed (if thermal limits are not breached), though low saturation levels also contribute to low machine power factor. The MCSRM may be better suited to lower speed, high torque applications, for this reason. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / This thesis studies the design process and analysis of two different motor types, for an electric bicycle application. They are designed to replace a commercially available permanent magnet synchronous motor (PMSM). This type of motor is typically expensive due to the rare-earth magnet material it requires. The two motors discussed in this thesis are switched reluctance motors (SRMs), which do not require magnet material, and thus have the potential to save cost (in addition to other benefits). One of the SRMs has magnetic fields that are independently controlled (CSRM), and one has fields that are controlled together to produce torque (MCSRM). The magnetics, control, thermal, and structural aspects of the CSRM and MCSRM are studied in detail. Novel geometry considerations (i.e. novel pole configurations) which impact the magnetics of each machine are compared to find the best-performing configuration for each machine type.

The problem of a thin elastomeric layer confined between two stiff adherends arises in numerous applications such as microelectronics, bio-inspired adhesion and the manufacture of soft biomedical products. A common requirement is that the debonding of the elastomeric layer from the adherends be controlled to avoid undesirable failure modes. This level of control may necessitate understanding the collective role of the interfacial adhesion, material properties, part geometries, and loading conditions on the debonding. Analytical and numerical approaches using the finite element method and a cohesive zone model (CZM) for the interfacial debonding are used in this dissertation to delineate the role of the afore-mentioned parameters on the initiation and propagation of debonding for both rigid and non-rigid adherends. Extensively studied in the dissertation is the debonding of a semi-infinite relatively stiffer adherend from an elastomer layer with its other surface firmly bonded to a rigid base. The adherend is pulled upwards by applying normal displacements either on its entire unbonded surface or on the edge of its part overhanging from the elastomer layer. The adherend and the elastomeric layer materials are assumed to be linear elastic, homogeneous and isotropic and the elastomer is assumed to be incompressible. Viscoelasticity of the elastomer is considered in the first part of the work. Plane strain deformations of the system with a bilinear traction-separation (TS) relation in the CZM are analyzed. Two non-dimensional numbers, one related to the layer confinement and the other to the interfacial TS parameters, are found to determine if debonding initiates at interior points in addition to at corner points on the adherend/elastomer interface, and if adhesion-induced instability is exhibited. This work is extended to axisymmetric problems in which debonding can take place at both interfaces. Motivated by an industrial demolding problem, numerical experiments are conducted to derive insights into preferential debonding at one of the two interfaces, including for curved adherends. Results reported herein should help engineers design an elastomer layer sandwiched between two adherends for achieving desired failure characteristics. / Ph. D.

In the current climate crisis situation, the development and wide operating range of electric mobility is of great importance, with electric rail traction being the main form of electric transport over medium-long distances. In this sense, electric traction converters are undergoing a deep modification, moving towards more powerful, more compact converters with a wider operating range. This project addresses the problem of overheating of the internal air of a railway electric traction converter when it operates in extreme environments with high temperatures, around 50o C or 60o C. In these cases, the existing cooling system, which uses external air at ambient temperature as the coolant fluid, is not enough to ensure safe operation of the converter. This limits the operating range of electric trains with high power density converters, which cannot operate in hot climates. Furthermore, it poses a risk for other operating ranges in the near future, where the development of converters with higher current levels and thus higher power losses will again challenge conventional cooling systems. This project uses the MITRAC/TC1500TM traction converter developed by Alstom as a basis for proposing different additional cooling systems that complement the conventional one, with the use of different cooling technologies, including forced air convection, heat pipes, liquid-cooled cold plates and Peltier cells, also called thermoelectric coolers. The implementation of the different technologies is evaluated based on mathematical models developed in MATLAB® and computational fluid dynamics simulations in StarCCM+® . The results obtained allow to conclude that the use of heat pipes and Peltier cells is the most recommendable for the development of thermal management systems for electric traction converters, provided that they are implemented with a good external heat dissipation medium, preferably ambient temperature air flows already that already exist in the converter. Furthermore, it is shown that the same cooling technology can provide very different results depending on its implementation. / I den rådande klimatkrisen är det mycket viktigt att utveckla elektrisk mobilitet och att ha ett brett användningsområde, där elektrisk järnvägsdrift är den viktigaste formen av elektrisk transport över medellånga avstånd. Omvandlarna för elektrisk traktion genomgår därför en genomgripande förändring, mot kraftfullare och mer kompakta omvandlare med ett bredare driftsområde. Detta projekt behandlar problemet med överhettning av den inre luften i en elektrisk traktionsomvandlare för tåg när den används i extrema miljöer med höga temperaturer, runt 50o C eller 60oC. I dessa fall är det befintliga kylsystemet, som använder extern luft vid omgivningstemperatur som kylmedel, inte tillräckligt för att garantera en säker drift av omvandlaren. Detta begränsar användningsområdet för elektriska tåg med omvandlare med hög effektdensitet, som inte kan användas i varma klimat. Dessutom utgör det en risk för andra driftområden inom den närmaste framtiden, där utvecklingen av omvandlare med högre strömnivåer och därmed högre effektförluster återigen kommer att utmana konventionella kylsystem. I projektet används MITRAC/TC1500TM , en traktionsomvandlare som utvecklats av Alstom, som grund för att föreslå olika ytterligare kylsystem som kompletterar det konventionella, med användning av olika kyltekniker, inklusive luftkonvektion, värmerör, vätskekylda kylplattor och Peltierceller, även kallade termoelektriska kylare. Implementeringen av de olika teknikerna utvärderas baserat på matematiska modeller som utvecklats i MATLAB® och beräkningsflödesdynamiska simuleringar i StarCCM+®. De erhållna resultaten gör det möjligt att dra slutsatsen att användningen av värmerör och Peltier-celler är det mest rekommenderade för utvecklingen av termiska styrsystem för elektriska traktionsomvandlare, förutsatt att de implementeras med ett bra externt värmeavledningsmedium, helst luftflöden vid omgivningstemperatur som redan finns i omvandlaren. Dessutom visas att samma kylteknik kan ge mycket olika resultat beroende på hur den implementeras.

Le mémoire traite de la machine à réluctance variable en proposant d'une manière simultanée et du point de vue conception des solutions à ses deux inconvénients majeurs à savoir les ondulations de couple et les efforts radiaux. Les premières se propagent le long de la chaine de transmission diminuant ainsi le confort des usagers et les deuxièmes sont à l’origine d’une nuisance sonore. Dans une première partie et en s’intéressant à une structure axiale caractérisée par une faible force radiale, un bilan sur cette structure est donc établi. En effet, une configuration à deux stators et un rotor est la plus adéquate pour éventuellement remplacer la machine radiale de référence. Cette structure axiale est comparée à cette machine de référence après avoir établi des règles de passage d’une structure à une autre. Un premier passage est effectué en gardant le même encombrement et un deuxième passage en dimensionnant la machine axiale pour satisfaire le même cahier des charges que la machine radiale. Dans une deuxième partie, le travail s’oriente vers la modification de la structure radiale de la machine de référence et son optimisation. Plusieurs modifications sont proposées dont une structure avec une cale magnétique qui est la plus performante. Des optimisations géométriques à l’aide de l’algorithme génétique sur un point de fonctionnement sont ensuite effectuées pour remédier aux deux problèmes. A la fin, un récapitulatif de plusieurs structures optimisées est proposé pour servir de référence. Le choix de la machine la plus adéquate pourra donc être effectué en faisant un compromis entre la maximisation du couple, la réduction de ses ondulations et la réduction des efforts radiaux. / This report deals with switched reluctance motor by offering design solutions to the drawbacks of torque ripples and radial forces in the same time. Torque ripples reduce the user comfort and radial forces are the origin of noise. In the first part, an axial structure characterized by low radial force is analysed. Indeed, an axial configuration with two stators and one rotor is the most appropriate to replace the reference radial machine. Ones the rules of passage from one structure to another are established, the axial structure is then compared to the reference one. A first passage is made by keeping the same volume and a second one by sizing the axial machine with the same specifications as the radial one. In the second part, the work concerns the modification of radial structure of the reference machine and its optimization. Several modifications are proposed including a structure with a magnetic wedge which is the most efficient. Geometric optimization using genetic algorithm are then performed on operating points to remedy the both problems. In the end, several optimized structures are proposed. The choice of the most suitable machine can be done by making a compromise between the torque maximization, reducing its ripples and reducing radial forces.

Dans un contexte mondial régi par de multiples facteurs économiques, énergétiques et environnementaux, la transition vers des modes de transport à zéro émission polluante semble inévitable. De ce fait, les constructeurs automobiles s’investissent de plus en plus dans le développement de groupes motopropulseurs électriques afin d’anticiper les besoins du marché. Parmi les différentes technologies de machines électriques considérées pour cette application, la Machine à Réluctance Variable à Double Saillance (MRVDS) présente des caractéristiques très attractives pour le milieu industriel.Les travaux présentés dans cette thèse visent à élaborer des solutions qui répondent aux points qui bloquent encore l’adoption de la MRVDS dans les véhicules électriques. Dans un premier temps, la commande en couple d’une MRVDS destinée à la traction électrique est analysée. En prenant en considération les exigences imposées par l’application envisagée, une stratégie de commande en couple est développée en intégrant deux méthodes complémentaires sur le plan de fonctionnement de la MRVDS choisie.Dans la deuxième partie, l’asservissement en courant est abordé. Les problématiques du contrôle propres à la MRVDS à forte dynamique de courant sont d’abord identifiées. Ensuite, deux régulateurs de courant, qui répondent à différents conditions d’implantation, sont présentés et validés par simulation.La dernière partie de cette thèse aborde le problème des à-coups d’accélération induits à basse vitesse et de leurs répercussions sur l'agrément de conduite. En effet, ce type de motorisation électrique introduit un nouvel aspect sur cette problématique. Une loi de commande anti-à-coups, composée de deux actions, est développée. Les simulations ont montré la conformité de la performance obtenue en utilisant la loi de commande proposée avec le cahier des charges industriel visé. / In a global context governed by multiple economic, energetic and environmental factors, the transition towards transportation modes with zero polluting emissions seems inevitable. Hence, automotive manufacturers are investing increasingly in the development of electric powertrains in anticipation of the market needs. Among the different electric motors technologies considered for this application, the switched reluctance motor (SRM) presents attractive characteristics for the industry.The work presented in this thesis aims to elaborate solutions in response to the points still hindering the adoption of the SRM in electric vehicles. First, torque regulation of an SRM intended for an electric traction is analyzed. Taking into consideration the requirements of the application in hand, a regulation strategy is developed through the integration of two methods which complement each other over the studied SRM range of operation.In the second part, the subject of current regulation in the SRM is discussed. The issues related to current regulation in SRMs disposing of high current dynamics are firstly identified. Then, two current regulators, each adapted to different implementation conditions, are presented and validated through simulations.The last part of this thesis discusses the acceleration jerks induced at very low speeds and their repercussions on driving comfort . Indeed, electric traction introduces a new aspect on this rather classic issue. An anti-jerk control law, composed of two control actions, is developed. Simulations have shown the conformity of the performance obtained with the proposed control law with the target industrial specifications.

Le problème de la commande de machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse est très étudié dans les domaines de l'automatique et de l'électrotechnique. Ce travail porte sur la faisabilité de ce type de commande sur l'ensemble de la plage de vitesse et pour tout type de machine asynchrone afin d'être utilisée en traction ferroviaire. Une étude poussée de l'observabilité permet de définir une mesure quantitative continue de l'observabilité de la vitesse de la machine, appelée index d'observabilité. La synthèse d'un observateur confirme ainsi la correspondance entre les zones de faible index d'observabilité et celles où l'observation est de mauvaise qualité. L'index d'observabilité défini dans cette thèse permet donc de prédire les performances d'observation d'un système. L'originalité principale des travaux présentés tient dans l'utilisation de cet index d'observabilité dans la commande de la machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse. En tirant profit du degré de liberté qu'offre la variation d'amplitude du flux, nous proposons de garantir un index d'observabilité au-dessus d'un seuil tout en respectant les autres contraintes de la commande. L'observation de la vitesse devient alors précise sur toute la plage de vitesse, et un fonctionnement long est possible en tout point sans perturber le couple réalisé. Des expérimentations sur simulateur numérique viennent confirmer ces résultats, y compris lors de phases de patinage. L'observation des paramètres électriques est également étudiée afin de garantir la précision de l'observation de vitesse. Pour cela, la sensibilité de l'observation de vitesse aux variations de paramètres électriques et l'observabilité de ces paramètres sont étudiées, permettant de définir une nouvelle stratégie d'observation des paramètres électriques. Des essais sur banc de puissance, puis en application réelle sur un train régional, valident les performances de la commande sans capteur de vitesse proposée sur toute la plage de vitesse, et son adéquation aux contraintes d'une application ferroviaire. / The problem of speed sensorless control of induction machine is a well-studied problem in the field of automatic control and electrical engineering. This work addresses the problem of the feasibility of induction machine control over the whole speed range and for any type of induction machine, aiming at being used in a railway application. An intensive study of observability has defined a continuous quantitative measurement of the speed observability, named observability index. An observer was developped to confirme the correspondence between low-observability index areas and poor observation quality. The observability index defined in this thesis is thus a way to predict the observation performance of systems. The main originality of the work presented in this thesis is the use of this observability index in the induction machine speed sensorless drive. By taking advantage of the degree of freedom given by the variation of the flux amplitude, we propose to guarantee the observability index value above a given threshold while respecting the other constraints of the control. The speed observation becomes precise over the entire speed range, and a long time operation is possible on any point, without interfering with torque regulation. Experiments on real-time simulator confirm these results, including when slipping and sliding occurs. The electrical parameter observation is also studied to ensure the accuracy of speed observation. For this, the sensitivity of the speed observation to electrical parameter variations and the observability of these parameters are studied, leading to the definition of the electrical parameter observation strategy. The testings on power bench, and in real application on a regional train, validate the performance of the speed sensorless drive proposed on the entire speed range, and its suitability to the constraints of a railway application.

De nos jours, la politique écologique encourage les constructeurs automobiles à réduire le poids global du véhicule. Des tôles d'acier fines d'épaisseur différente optimisant chaque partie de l'assemblage sont utilisées et les sidérurgistes développent des aciers de plus en plus résistants à savoir l'Acier Haute Résistance Avancé (AHSS) avec un bon compromis entre résistance mécanique et ductilité (emboutissage). Lors des essais mécaniques de soudage hétérogène AHSS, des modes de fractures inhabituels sont observés, notamment le long de l'interface entre la zone affectée par la chaleur (ZAT) et la zone de fusion ou zone fondue (ZF). Ces fractures se produisent généralement avec une résistance inférieure à celle attendue pour ces soudures. Les objectifs de l'étude sont de comprendre les mécanismes de rupture au cours des essais mécaniques et de créer un modèle mécanique de FE conçu pour prédire la résistance mécanique des assemblages soudés. Tout d'abord, une étude de soudage hétérogène constituée de deux nuances d'acier bien connues d'ArcelorMittal vise à comprendre le mécanisme de défaillance et les paramètres affectant les modes de défaillance. Différentes configurations sont étudiées avec l'épaisseur. Le modèle FE est construit avec une réponse mécanique identifiée de chaque zone (matériaux de base, zones affectées par la chaleur et zone de fusion), en utilisant des modèles d'ArcelorMittal et des données expérimentales. Des critères de défaillance basés sur des dommages ductiles tenant compte de l'influence de la triaxialité sont utilisés et certains éléments cohésifs sont utilisés pour simuler une défaillance interfaciale. Deux configurations d'essais mécaniques dans le cas du soudage par résistance par points (essais de traction transversale et de traction) sont considérées. Les prédictions du modèle étaient très précises avec les modes de défaillance et les forces expérimentaux. Ensuite, cette méthode de modélisation FE a été appliquée avec succès à un boîtier de soudage par points très hétérogène comprenant un nouveau concept AHSS basse densité de troisième génération à forte teneur en aluminium et en manganèse. Les modes d'échec et les forces obtenues étaient comparables. De plus, la méthode de modélisation FE a été appliquée sur des configurations plus complexes, en particulier sur un assemblage soudé par points triple épaisseur. La robustesse du modèle pour prédire les modes de défaillance partielle et les forces d'une soudure par points triple épaisseur a été démontrée. En outre, la méthodologie de modélisation FE a été étendue à un autre type de soudage: le soudage à l'arc. Dans ce cas, deux feuilles sont soudées en configuration de chevauchement ab avec un fil d'apport. Le modèle FE permet de prédire la zone de rupture et la résistance de l'assemblage soudé. / Nowadays, ecological policy encourages carmakers to reduce the global vehicle weight. Fine steel sheets assemblies with different thickness optimizing each part of the assembly are used and steelmakers develop steels which are more and more resistant namely Advanced High Strength Steel (AHSS) with a good compromise between mechanical strength and ductility (stamping). During the mechanical tests of heterogeneous AHSS welding, unusual fracture modes are observed, in particular along the interface between the Heat Affected Zone (HAZ) and the Fusion Zone or molten zone (FZ). These fractures generally occur with lower strength than expected for these welding. The objectives of the study are to understand fracture mechanisms during mechanical testing and create a mechanical FE model is developed to be able to predict mechanical strength of the welded assemblies. Firstly, a study of heterogeneous welding constituted of two well-known steel grades of ArcelorMittal aims at understanding failure mechanism and parameters affecting the failure modes. Different configurations are studied with thickness. FE model is built with mechanical response identified of each zone (base materials, heat affected zones and fusion zone), using ArcelorMittal models and experimental data. Failure criteria based on ductile damage taking into account the influence of the triaxiality are used and some cohesive elements are used to simulate interfacial failure. Two configurations of mechanical testing in the case of Resistance Spot Welding (cross tension and tensile shear tests) are considered. Model predictions were very accurate with experimental failure modes and strengths. Then, this FE modelling method was successfully applied to a highly heterogeneous spot welding case including a new third generation low density AHSS concept with high aluminum and manganese content. Failure modes and strengths obtained were comparable. Moreover, FE modelling method was applied on more complex configurations, in particular on a triple thick spot welded assembly. The robustness of the model to predict partial failure modes and strengths of a triple thick spot weld has been demonstrated. In addition, FE modelling methodology was extended to another welding type: arc welding. In this case, two sheets are welded in ab overlap configuration with a filler wire. FE model allows predicting the failure zone and strength of welded assembly.

Les propriétés des matériaux cellulaires dépendent de leur architecture et des défauts de coulée. L'architecture se réfère à la forme et la distribution de la phase solide. Les défauts correspondent à la présence et aux distributions des cavités et d'intermétalliques dans la phase solide du fait de la procédure de fabrication. Deux types de matériaux produits de différentes façons sont étudiés dans cette thèse. D'une part, deux mousses ERG de tailles de pores différentes ont été choisies pour étudier l'effet de la présence des intermétalliques sur la plasticité et l'endommagement. Des tests de micro-traction et des expériences de nanoindentation ont été réalisés sur des éprouvettes extraites de la mousse pour déterminer leur comportement micro-élastoplastique de la phase solide. D'autre part, deux structures ayant la même forme et le même motif répétitif, mais différentes épaisseurs d'entretoises et de nœuds ont été produites par fusion sélective par laser pour étudier aussi la plasticité et l'endommagement. Ce travail de thèse visait à développer une procédure de modélisation par éléments finis générique basée sur les images 3D pour prendre en compte l'effet de la porosité locale et la présence des intermétalliques dans le comportement. Les états initiaux des échantillons ont été numérisés en utilisant des méthodes de tomographie "locale" et "stitching" à haute résolution. Les géométries 3D maillées, la porosité locale et les propriétés élastiques-plastiques de chaque élément ont été directement renseignées à partir des images 3D à haute résolution. Les procédures de déformation et de rupture des échantillons ont été illustrées en effectuant des expériences in-situ/ex-situ couplées à une numérisation tomographique à basse résolution. Des modèles éléments finis conformes à l'image 3D ont été développés pour la simulation des essais de traction/compression et montrent que la prise en compte des hétérogénéités locales de microstructure permet de prédire plus finement le comportement mécanique des structures cellulaires, en particulier dans la rupture. L'étude visait également à déterminer la conductivité thermique d'une mousse ERG hautement poreuse en utilisant des calculs par éléments finis basés sur l'image. Les résultats ont été vérifiés en comparant avec la conductivité thermique mesurée à partir des expériences de plaques chauffées. / The properties of cellular materials depend on their architecture and casting defects. The architecture refers to shape and distribution of the solid phase. Defects correspond to the presence and distribution of cavities or intermetallic particles in the solid phase due to the fabrication procedure. Two types of materials produced by different fabricating routes are studied in this manuscript. On the one hand, two ERG foams with different cell sizes were chosen to study the effect of the presence of intermetallic particles on the plasticity and damage. Micro-tensile tests and nanoindentation experiment were also performed on the struts extracted from the foam to determine their micro elastoplastic behaviour. On the other hand, two structures with the same shape and repetitive pattern but different struts and nodes thicknesses were produced by selective laser melting manufacturing route to study the effect of porosity on plasticity and damage. This PhD-work aimed at developing a generic image-based finite element procedure to take into account the effect of the local porosity and the presence of intermetallic particles into the finite element simulations of the cellular materials. The initial state of the samples was pictured by performing high resolution "local" tomography and "stitching" methods. The 3D geometries were meshed and the local porosity and elastic-plastic properties of each element were directly informed according to high-resolution 3D images. The deformation and fracture procedures of the samples were pictured by performing in-situ/ex-situ experiments coupled with low-resolution tomography scanning. 3D image-based finite element models were developed for the simulation of the tension/compression tests. The microstructurally informed FE models better capture the mechanical behaviour of the cellular structures, especially for the prediction of the fracture. The study also aimed at determining the thermal conductivity of a highly porous ERG foam using image-based finite element calculations. The results were verified by comparing with the measured thermal conductivity from guarded hot plates experiments.

Le travail présenté dans ce mémoire avait pour objectif d’étudier le processus de la pénétration d'eau dans les composites en carbone/époxyde dans un premier temps, et dans un deuxième temps, d’étudier l’effet de la prise en eau par ces matériaux sur les performances mécaniques des composites et leur joints collés. L'intégration de ces phénomènes physiques dans la modélisation numérique est d'une grande importance dans la prédiction de la durabilité d’une structure en composite subissant un vieillissement hygrothermique. Par conséquent, ce travail consiste non seulement en des observations expérimentales, mais aussi en des simulations numériques. Des corrélations entre les résultats obtenus permettent d’une part de mieux comprendre ce qui se passe dans un système composite avec l’assemblage collé soumis à des charges mécaniques, de l’initiation d’endommagement jusqu’à la rupture finale ; d'autre part, de valider un modèle numérique robuste dans le but de la conception et de l’optimisation. Les originalités de ce travail se situent à différents niveaux en proposant : 1. un nouveau modèle de diffusion à deux-phases permettant de mieux décrire l’effet de l’épaisseur des stratifiés sur la pénétration de l’eau; 2. un nouveau modèle RPM « Residual Property Model » afin de prévoir la dégradation des propriétés mécaniques due à la prise en eau ; 3. une nouvelle loi de traction-séparation linéaire-exponentiel pour décrire la courbe-R observée dans les essais DCB en mode I pur sur les composites stratifiés afin de les intégrer plus facilement dans les modèles numériques / Le travail présenté dans ce mémoire avait pour objectif d’étudier le processus de la pénétration d'eau dans les composites en carbone/époxyde dans un premier temps, et dans un deuxième temps, d’étudier l’effet de la prise en eau par ces matériaux sur les performances mécaniques des composites et leur joints collés. L'intégration de ces phénomènes physiques dans la modélisation numérique est d'une grande importance dans la prédiction de la durabilité d’une structure en composite subissant un vieillissement hygrothermique. Par conséquent, ce travail consiste non seulement en des observations expérimentales, mais aussi en des simulations numériques. Des corrélations entre les résultats obtenus permettent d’une part de mieux comprendre ce qui se passe dans un système composite avec l’assemblage collé soumis à des charges mécaniques, de l’initiation d’endommagement jusqu’à la rupture finale ; d'autre part, de valider un modèle numérique robuste dans le but de la conception et de l’optimisation. Les originalités de ce travail se situent à différents niveaux en proposant : 1. un nouveau modèle de diffusion à deux-phases permettant de mieux décrire l’effet de l’épaisseur des stratifiés sur la pénétration de l’eau; 2. un nouveau modèle RPM « Residual Property Model » afin de prévoir la dégradation des propriétés mécaniques due à la prise en eau ; 3. une nouvelle loi de traction-séparation linéaire-exponentiel pour décrire la courbe-R observée dans les essais DCB en mode I pur sur les composites stratifiés afin de les intégrer plus facilement dans les modèles numériques

Le centre de recherche ArcelorMittal de Montataire développent de nouvelles solutions acier innovantes associant métal et polymère. Pour les ailes de voiture, le composite retenu est un matériau multicouche composé d’une lame d’acier sur laquelle est déposé un film mince de polypropylène choc chargé avec des particules minérales par l’intermédiaire d’une fine couche de polypropylène fonctionnalisé par le greffage d’anhydride maléique. Afin de prévoir et de connaitre le comportement de la partie organique du matériau lors de sa mise en forme par emboutissage et à posteriori de prédire l’état de ses propriétés mécaniques lors de son utilisation, la détermination des lois de comportement mécanique vrai et intrinsèque sur le modèle de la loi G’sell et Jonas est nécessaire. Ces lois sont définies selon trois chemins de déformation : la traction uniaxiale, le cisaillement simple et la traction plane. Les micromécanismes de déformation de la microstructure semi-cristalline des différentes formulations des matériaux selon leur mode de sollicitation mécanique ont été étudiés. Les résultats obtenus Post Mortem et In Situ ont permis la description qualitative et quantitative des évolutions des principales modifications microstructurales. Ces dernières diffèrent avec l’ajout de charges minérales. Deux nouvelles méthodes, la Tomographie X et la spectroscopie Raman permettent la détermination de la déformation volumique dans le cas de matériau de géométrie fine (300 µm). Le retrait lors d’un cycle thermique est étudié. Les influences du chauffage, de la formulation et de la microstructure (orientation des chaînes macromoléculaires et endommagement volumique) sont décrites / The ArcelorMittal research centre of Montataire elaborates innovative steel / polymer products. In the case of automotive fenders, the composite is a multilayered material. A thin impact polypropylene film is laminated on steel using a thin layer of a functionalized polypropylene. Mineral particles are added to improve stiffness. In order to predict and understand the behaviour of the organic layer all along its production process and finally to be able to characterize the state of its mechanical properties in use, the determination of the true and intrinsic mechanical behaviour laws according to the G’sell and Jonas model is necessary. These laws are obtained for three different mechanical paths: uniaxial tensile, simple shear and plane tensile. The deformation micromechanisms of the impact polypropylene semi-crystalline microstructure which depend on the materials formulations and on the mechanical path used are studied. Post Mortem and In Situ results give qualitative and quantitative description of the main microstructural modifications. Two new methods, X Tomography and Raman spectroscopy allow the quantification of the volume deformation which is developed during tensile tests. They are mainly available for very thin samples. X radiography and VideoTraction™ are not suitable anymore for this kind of geometry. Finally, the thermo-mechanical phenomenon of shrinkage which occurs during thermal treatment above the material melting point is analysed. Influences of the heating conditions, of the material formulations and of the material microstructure are described. Special overviews are done on the macromolecular chains orientation and on the volume damage influences