Academic literature on the topic 'Constructions, Théorie des – Matériaux – Fatigue'

Les composants structurels présentent des zones de concentrations de contraintes conduisant à des états de contraintes hétérogènes, pouvant amener de la plasticité locale et à des ruptures en fatigue oligocyclique. Dans ce travail, deux volets sont proposés pour étudier le comportement local élasto-plastique cyclique au point critique. Dans un premier temps, une méthode analytique est proposée afin de prévoir la réponse locale uniquement au point critique de la structure. Dans un second temps, des mesures expérimentales sont obtenues grâce à des mesures in-situ par diffraction de rayons X afin de pouvoir questionner les prévisions de la méthode simplifiée et éléments finis. L’étude du comportement au point critique de la structure est réalisée à partir d’une méthode basée sur l’utilisation d’un Opérateur de Localisation Ajustable (OLA). Deux stratégies permettaient jusqu’alors d’identifier cet opérateur sur une structure. En s’inspirant de ces méthodes, deux axes d’améliorations sont proposés afin d’améliorer les prévisions numériques. Ces deux méthodes présentent un nouveau compromis intéressant entre le coût d’identification et la qualité des prévisions vis-à-vis de la référence numérique. Afin de confronter ces résultats numériques à des résultats expérimentaux, un protocole pour le suivi de contrainte in-situ par diffraction de rayons X est mis en place. Par la suite, des essais ont permis d’observer un comportement cyclique présentant notamment une relaxation progressive et continue de la contrainte moyenne jusqu’à l’amorçage d’une fissure
The structural components exhibit zones of stress concentrations leading to heterogeneous stress states, that can lead to local plasticity and low cycle fatigue failure. In this work, two parts are proposed to study the local cyclic elasto-plastic behavior at the critical point. First, an analytical method is proposed to predict the local response only at the critical point of the structure. In the second step, experimental measurements are obtained through in-situ X-ray diffraction measurements to question the predictions of the simplified finite element method. The study of the behavior at the critical point of the structure is carried out using a method based on the use of an Adjustable Location Operator (ALO). Until now, two strategies have been used to identify this operator on a structure. Based on these methods, two lines of improvement are proposed to improve the numerical predictions. These two in the presence of a new interesting compromise between the identification cost and the quality of the predictions with respect to the numerical reference. In order to compare these numerical results with experimental results, a protocol for in-situ stress monitoring by X-ray diffraction was set up. Subsequently, tests were carried out to observe cyclic behavior, with a progressive and continuous relaxation of the average stress until the initiation of a crack

Le résultat de notre recherche est un logiciel opérationnel de formation en mécanique des structures. L'exploitation optimale des possibilités de la micro-informatique nous a conduit à mener une réflexion approfondie dans le domaine de la structuration et de la transmission des connaissances en mécanique. En nous fondant sur notre expérience d'étudiant, d'enseignant et d'ingénieur, nous avons adopté une philosophie de développement fondée sur l'approche progressive théorique et pratique des problèmes mécaniques, cherchant sans cesse à provoquer la curiosité, l'intérêt et la créativité de l'utilisateur. Le logiciel en couleurs starcolor constitue une application en vraie grandeur de cette philosophie, traitant, en une trentaine d'heures de cours, les calculs statistiques de structures de poutres et coques, les calculs en fatigue et les méthodes numériques.

Les dégradations observées dans les contacts soumis à des sollicitations de fretting apparaissent sous différentes formes en fonction des conditions de sollicitation. La prédiction de l'endommagement nécessite la connaissance du comportement des structures sous des chargements mécaniques qui varient périodiquement et peuvent induire ainsi des déformations irréversibles. Ceci conduit à une analyse inélastique des structures s'effectuant habituellement par l'utilisation de méthodes de type incrémentai. Dans le cas des chargements cycliques, ces méthodes amènent des coûts et des temps de calcul très élevés. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à la Méthode d'Analyse Simplifiée des Structures Inélastiques proposée par le Professeur Zarka et al. Elle repose, par un calcul purement élastique, sur la décomposition de la réponse réelle (en une partie élastique et une partie plastique) et sur un changement de variable qui pennettent de détenniner l'état limite d'une structure ainsi que les contraintes résiduelles et les déformations plastiques. Nous avons appliqué la méthode d'analyse simplifiée au fretting en utilisant une méthode de "chargement équivalent de contact". Après l'application de la MASSI au fretting, nous obtenons l'état stabilisé. Selon la nature de l'état stabilisé, le matériau subit de la fatigue à faible ou à grand nombre de cycles. Dans le cas de la fatigue polycyclique, on s'intéresse à la prédiciton de l'initiation des fissures dues au fretting fatigue avec un critère de fatigue.

Les procédés de fabrication additive s’imposent comme des moyens de production alternatifs pour la fabrication de pièces aux géométries complexes et à forte valeur ajoutée. C’est le cas du secteur industriel naval, où est proposée l’utilisation du procédé Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) pour la fabrication de pièces pouvant être creuses. Les matériaux issus de ce procédé présentent classiquement une microstructure hétérogène, des défauts internes, un champ de contraintes résiduelles et des aspérités marquées en surface. Dans ce contexte, et afin de mettre en place une méthode de dimensionnement en fatigue polycyclique d’une structure fabriquée par WAAM, les objectifs de cette thèse sont de proposer des méthodes de prévision prenant en compte, d’une part, les défauts internes inhérents au procédé, et d’autre part, l’état de surface brut de fabrication. La démarche adoptée pour répondre à ces objectifs repose sur l’utilisation de la thermométrie au cours d’essais cycliques pour l’identification de paramètres utiles à la mise en place de modèles probabilistes adaptés à chaque problématique. Il est ainsi montré, d’une part, que l’auto-échauffement (associé au caractère dissipatif) du volume moyen d’éprouvettes usinées, insensible à la présence de rares pores, permet l’identification de propriétés en fatigue d’un matériau virtuellement sain et par étude numérique du matériau avec ses défauts internes. D’autre part, le suivi par thermo-élasticimétrie (associé au couplage thermo-élastique) de surfaces brutes de fabrication permet la détection de l’amorçage de fissure et leur suivi en vue de l’identification d’une loi de propagation. Enfin ces observations sont confrontées au cas d’application d’une structure creuse aux faces internes brutes, à partir de laquelle sont posées les bases d’une démarche de dimensionnement
Additive manufacturing processes act as an alternative to the production of complex geometries and high added value parts. It is the case in the naval industry for which the Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) process is used to fabricate hollow structures. WAAM materials usually show a heterogeneous microstructure, internal defects, a strong residual stress field and rough asbuilt surfaces. The objective of the present work is to propose a method for fatigue life prediction taking into account both the internal defects and the rough asbuilt surfaces. The material parameters of probabilistic models are determined through the use of thermometry in fatigue tests. Firstly, it is shown that the self-heating of machined samples is not affected by the presence of rare pores, allowing for the identification of the fatigue properties of a virtually defect-free WAAM material. Secondly, the use of infrared thermography allows for the detection and the tracking of fatigue cracks on rough as-built surfaces of samples, giving useful information to the modelisation of crack propagation. Finally, these tests results are confronted to the case of a hollow WAAM structures with rough as-built internal surfaces. The fatigue testing of these structures allow to set the basis of a fatigue dimensioning method

The conservation of structures of the historical heritage is an increasing concern nowadays for public authorities. The technical design phase of repair operations for these structures is of prime importance. Such operations usually require an estimation of the residual strength and of the potential structural failure modes of structures to optimize the choice of the repairing techniques.

Although rules of thumb and codes are widely used, numerical simulations now start to emerge as valuable tools. Such alternative methods may be useful in this respect only if they are able to account realistically for the possibly complex failure modes of masonry in structural applications.

The mechanical behaviour of masonry is characterized by the properties of its constituents (bricks and mortar joints) and their stacking mode. Structural failure mechanisms are strongly connected to the mesostructure of the material, with strong localization and damage-induced anisotropy.

The currently available numerical tools for this material are mostly based on approaches incorporating only one scale of representation. Mesoscopic models are used in order to study structural details with an explicit representation of the constituents and of their behaviour. The range of applicability of these descriptions is however restricted by computational costs. At the other end of the spectrum, macroscopic descriptions used in structural computations rely on phenomenological constitutive laws representing the collective behaviour of the constituents. As a result, these macroscopic models are difficult to identify and sometimes lead to wrong failure mode predictions.

The purpose of this study is to bridge the gap between mesoscopic and macroscopic representations and to propose a computational methodology for the analysis of plane masonry walls. To overcome the drawbacks of existing approaches, a multi-scale framework is used which allows to include mesoscopic behaviour features in macroscopic descriptions, without the need for an a priori postulated macroscopic constitutive law. First, a mesoscopic constitutive description is defined for the quasi-brittle constituents of the masonry material, the failure of which mainly occurs through stiffness degradation. The mesoscopic description is therefore based on a scalar damage model. Plane stress and generalized plane state assumptions are used at the mesoscopic scale, leading to two-dimensional macroscopic continuum descriptions. Based on periodic homogenization techniques and unit cell computations, it is shown that the identified mesoscopic constitutive setting allows to reproduce the characteristic shape of (anisotropic) failure envelopes observed experimentally. The failure modes corresponding to various macroscopic loading directions are also shown to be correctly captured. The in-plane failure mechanisms are correctly represented by a plane stress description, while the generalized plane state assumption, introducing simplified three-dimensional effects, is shown to be needed to represent out-of-plane failure under biaxial compressive loading. Macroscopic damage-induced anisotropy resulting from the constituents' stacking mode in the material, which is complex to represent properly using macroscopic phenomenological constitutive equations, is here obtained in a natural fashion. The identified mesoscopic description is introduced in a scale transition procedure to infer the macroscopic response of the material. The first-order computational homogenization technique is used for this purpose to extract this response from unit cells. Damage localization eventually appears as a natural outcome of the quasi-brittle nature of the constituents. The onset of macroscopic localization is treated as a material bifurcation phenomenon and is detected from an eigenvalue analysis of the homogenized acoustic tensor obtained from the scale transition procedure together with a limit point criterion. The macroscopic localization orientations obtained with this type of detection are shown to be strongly related to the underlying mesostructural failure modes in the unit cells.

A well-posed macroscopic description is preserved by embedding localization bands at the macroscopic localization onset, with a width directly deduced from the initial periodicity of the mesostructure of the material. This allows to take into account the finite size of the fracturing zone in the macroscopic description. As a result of mesoscopic damage localization in narrow zones of the order of a mortar joint, the material response computationally deduced from unit cells may exhibit a snap-back behaviour. This precludes the use of such a response in the standard strain-driven multi-scale scheme.

Adaptations of the multi-scale framework required to treat the mesostructural response snap-back are proposed. This multi-scale framework is finally applied for a typical confined shear wall problem, which allows to verify its ability to represent complex structural failure modes.

Doctorat en sciences appliquées
info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les travaux presentes dans cette these concernent la contribution de l'approche systeme de l'automatique a la synthese de systemes de suspension automobile passive, semi-active et active. La conception des suspensions passive, active ou semi-active des voitures modernes est confrontee a des exigences contradictoires de confort d'une part, de securite et de tenue de route d'autre part. Aussi, une demarche d'ingenierie de systemes est necessaire (modelisation, analyse, identification, controle simulation, implementation, et essais): elle est basee sur l'utilisation de modeles mathematiques raisonnablement compliques et de methodes avancees de l'automatique moderne (controle optimal, controle a structure variable, controle flou). Cependant, etant donnees les limitations actuelles des methodes de conception de commande pour des systemes non lineaires multivariables, la conception des suspensions est faite sur la base de modeles multivariables lineaires ; leurs performances sont testees ensuite en simulation sur des modeles realistes, non lineaires, avec retard, saturation et hysteresis et en essai (sur banc 1/4 de vehicule pour ce qui nous concerne). Dans cette these, nous presentons, a partir de l'utilisation de modeles quart de vehicule (2ddl), demi-vehicule (4ddl), vehicule complet (7ddl), et de profil de route (deterministe et stochastique) la conception de suspensions active et semi-active mettant en jeu des controleurs optimaux (lineaire quadratique lqr/lqg, approches globale et decentralisee), des controleurs a structure variable vss et des controleurs robustes flous. L'efficacite de la demarche et les performances des differents controleurs sont analysees, en simulation en mettant en uvre un outil de simulation non lineaire (easy 5/w de boeing computer services) tandis que le progiciel matlab est utilise pour tous les calculs classiques de l'automatique lineaire. Dans un deuxieme temps, uniquement les performances des suspensions passives et semi-actives utilisant l'actionneur boge sont evaluees, par essais sur banc 1/4 de vehicule. Quelques reflexions sur la technologie et les problemes d'implementation sur vehicule reel terminent cette these

La compréhension du comportement de structures jusqu'à leur ruine est nécessaire pour concevoir au mieux ces structures. Selon le matériau et les sollicitations considérées, les mécanismes physiques à l'origine de la rupture changent. Nous nous intéresserons à des matériaux homogènes pour lesquels la ruine passe par le développement de fissures autour desquelles les non-linéarités de comportement n'ont pas un rôle dominant. Ces conditions sont réunies pour les matériaux fragiles pour lesquels la source principale de dissipation est la génération non réversible d'une surface libre, et pour certaines fissures de fatigue. Sur un cycle de chargement, il existe de nombreuses applications pour lesquelles les non-linéarités restent confinées. La théorie de la mécanique linéaire élastique de la rupture est alors un modèle pertinent pour approcher le comportement de la structure. Sous ces hypothèses, le front de la fissure introduit une singularité. L'étude asymptotique de cette singularité dans des situations plane et anti-plane permet de définir les séries de Williams. La singularité est alors d'ordre un demi et elle est quantifiée par les facteurs d'intensité des contraintes (FIC) pour chacun des trois modes de sollicitations. En 3D, la fissure peut avoir une géométrie complexe, et aucune expression générale de la singularité n'existe. Dans cette thèse, les séries de Williams en déplacements sont utilisées et régularisées le long du front au sens des éléments finis. À partir de cette définition 3D des séries asymptotiques en pointe de fissure, une méthode d'extraction directe des FIC (DEK-FEM) est étendue au cas 3D. Le domaine est décomposé en deux domaines, raccordés en moyenne sur l'interface. Au voisinage du front, les champs mécaniques sont approchés par une troncature des champs asymptotiques. La singularité est donc traitée avec des champs adaptés, et les degrés de liberté associés sont directement les coefficients asymptotiques. Parmi ces coefficients asymptotiques, on retrouve les FIC et les T-stresses. Pour des raisons d'efficacité numérique et pour pouvoir relier l'échelle de la structure à l'échelle de la fissure, cette méthode est intégrée dans un contexte multigrilles localisées X-FEM. Ainsi nous montrons que cette approche permet une bonne évaluation des évolutions des FIC et du T-stress. Cette méthode est développée en parallèle d'une stratégie de post-traitement expérimental (mesure de champs de déplacements par corrélation d'images) basée sur les mêmes séries asymptotiques. Les images tridimensionnels d'un essai de fatigue in situ sont obtenues par micro-tomographie à rayons X et reconstruction. La corrélation et la régularisation basées sur les séries asymptotiques permettent d'obtenir la géométrie de la fissure et les FIC pour pouvoir identifier des lois de propagation de fissures 3D en fatigue. L'efficacité de cette méthode en parallèle d'une simulation DEK-FEM est illustrée en 2D
It is necessary to understand the behavior of structures up to their failure to enhance their design. The mechanisms and phenomena undergoing failure vary according to the considered material and boundary conditions. We consider homogeneous materials for which cracks propagate in a context where behavior nonlinearities are not dominants. These conditions are matched for brittle and quasi-brittle materials and for some fatigue cracks. For the former, the main source of dissipation is the crack propagation which can be seen as the generation of a new free-surface. For the later, there is many applications where, in one loading cycle, the nonlinearities remains confined around the crack tip. The linear elastic fracture mechanics theory is then a pertinent model to approximate the structure behavior. Under such hypotheses, a singularity appears in the crack tip vicinity. The Williams' series expansion is computed from the asymptotic study of plane and anti-plane states. The stress is singular at the crack tip and the order of this singularity is one out of two. The singularity amplitude is quantified by the stress intensity factors (SIF), one for each of the three loading modes. In 3D, the crack shape is potentially complex (front curvature and non-planar crack), and no general asymptotic series expansion exists. In this PhD thesis, the 2D Williams' series in displacements are used and regularized with a finite element evolution along the front. From this 3D definition of the asymptotic fields in the crack tip vicinity, a numerical method for direct estimation of the SIF (DEK-FEM) is extended to 3D. This method is based on domain decomposition, the two domains are bounded in a weak sense on their interface. In the crack tip vicinity, the mechanical fields are approximated by a truncation of the asymptotic series expansion. Therefore, appropriate fields are used to deal with the singularity, and the associated degrees of freedom are directly the asymptotic coefficients. Among these coefficients are the SIF and the T-stresses. To bridge the scales between the structure and the crack front singularity and to increase the numerical efficiency, this method is embedded in a localized X-FEM multigrids approach. The proposed method is shown to provide an accurate evaluation of the SIF and T-stresses evolution. This approach has been developed in combination of an experimental post-processing method (full field displacement measurement through image correlation) based on the same asymptotic series expansion. The 3D images can be obtained for in situ fatigue experiments by X-ray microtomography and reconstruction. The crack geometry and the SIF are then provided by image correlation and regularization based on Williams series expansion. These data can be used for identifying a 3D fatigue crack growth law. The efficiency of the method is illustrated in 2D

L’extrusion des matériaux à base cimentaire est un procédé de mise en forme encore très peu utilisé et étudié. Notamment, les propriétés de l’écoulement d’extrusion de ces pâtes fermes sont encore méconnues. La possibilité d’extruder des matériaux à base cimentaire apparaît comme prometteuse dans le domaine de la préfabrication d’éléments présentant des résistances mécaniques élevées. L’étude du comportement rhéologique et tribologique a démontré le comportement plastique frottant des matériaux étudiés. La mesure de la perméabilité et des caractéristiques de compressibilité du squelette granulaire montre que les temps caractéristiques du phénomène de filtration er du procédé d’extrusion sont proches. L’ajout d’une sollicitation de vibration modifie la rhéologie du matériau (réduction du seuil de cisaillement liée à la vitesse de la vibration). L’observation de la typologie de l’écoulement d’extrusion axisymétrique engendré par le mouvement d’un piston à travers un rétrécissement brutal montre le développement de deux zones consolidées au cours de l’extrusion. La première zone est située à proximité du piston et la seconde constitue la zone morte. Un modèle analytique simplifié permettant de calculer l’effort d’extrusion pour cette géométrie en intégrant les hétérogénéités induites par l’écoulement est développé et validé. Un procédé de mise en forme continu possiblement applicable industriellement est ensuite testé : l’extrusion à vis des matériaux. Les résultats montrent qu’avec une vitesse de rotation de la vis suffisante, l’écoulement généré est non drainé et le matériau reste homogène. La pertinence du couplage entre vibration et extrusion est aussi démontrée. Ce couplage permet une diminution des efforts d’extrusion. Finalement, les limites du domaine d’extrudabilité en vitesse de rotation de la vis et en vitesse de vibration sont déterminées et visualisées sur un graphique bidimensionnel
Cement based material extrusion is not yet a very common forming process. As example, extrusion flow properties of such firm pastes are not well described. The possibility to extrude cement base materials seems to be very promising in the scope of high mechanical performance﷡precast concrete. The study of the rheological and tribological behaviour shows that the studied materials exhibit a frictional plastic behaviour. The measurements of the permeability and compressibilty properties of the granular skeletons indicate the time of fluid filtration and the extrusion time are close. ﷡The addition of a vibration change the materials rheology (yield stress reduction with the vibration velocity). The observation of the axisymetrical flow typology induced by a ram displacement toward a square entry die shows the development of two dewatered zones during the extrusion. The first zone is located near the ram and the second is the dead zone. A simplified analytical model allow to compute the extrusion force, in such geometry, integrating the flow induced heterogeneities. An ininterrupted forming process industrially working is then studied: the material screw extrusion. Results show that with a sufficient rotation velocity of the screw, the induces flow is undrained and the material stays homogeneous. The pertinency of a coupling between vibration and extusion is then demonstrated. Such coupling allows to reduce the extrusion force. Finally, the limits of the extrudability domain in rotation velocity and vibration velocity is determined and plotted in two dimensions