Dissertations / Theses on the topic 'Fatigue par chocs'

Le but de cette thèse est d'étudier la simulation de la fatigue par chocs, par la fatigue conventionnelle, à partir des matériaux suivants: 30 NCD 16, Marval 18H, composite Al/SiC. Dans une première approche, nous avions examiné l'évolution de la vitesse de propagation des fissures en fonction uniquement du pic maximal de chaque chargement. Cette étude a permis de montrer que l'influence de la vitesse de déformation propre à ces deux modes de chargements, n'est pas significative. L'ensemble des pics du chargement de fatigue par chocs, a été considérée dans une seconde approche cela a nécessité l'utilisation des méthodes de comptage pour transformer ce chargement, en plusieurs cycles d'amplitude constante. Le calcul de la vitesse de fissuration à partir des résultats de cette décomposition, a été faite par le biais du cumul des progressions de la fissure et du chargement équivalent. L'application de ces deux concepts, révèle l'effet négligeable des petites oscillations du signal de fatigue par chocs sur cette vitesse. Par ailleurs, les essais d'amorçage font apparaître que les nombres de cycles d'amorçage correspondant respectivement, au chargement équivalent et au chargement programme, sont assez proches. Enfin, les résultats d'amorçage ont été dépouillés selon le nouveau critère base sur le facteur d'intensité de contraintes d'entaille une dispersion des résultats relativement faible par rapport à celle obtenue par le critère lié au facteur d'intensité de contraintes, a été observée de ce point de vue, la validité de ce nouveau critère se trouve justifiée
The aim of this thesis is to study the simulation of impact fatigue with the help of conventionnal fatigue, on the following materials : 30 NCD 16 steel, Marval 18 h steel, Al/SiC composite. In a first step, we have examined the evolution of crack growth rate with respect to the maximum peak value of each loading. This study has shown that the influence of the strain rate of both kinds of fatigue loadings, is no significant. All the loading peaks for impact fatigue has been considered in a second step. It has been necessary to make use of counting methods in order to transform this loading in a constant amplitude loading cycles. The computation of the crack growth rate from these results, has been made using cumulative growth length and equivalent loading methods. The application of both concepts, reveals that small oscillations in the amplitude of the impact fatigue signal has no effect on the crack growth rate. On another hand, initiation tests has shown that the numbers of cycles to initiation corresponding respectively to the equivalent loading and the programmed loading, are quite similar. Last, the results of initiation tests has been analysed using a new criterion based on the notch stress intensity factor. A quite reasonnable scattering of results with respect to that observed with an analysis using the crack stress intensity factor, has been noticed. From this point of view, the validity of this criterion has been emphasised

Le but de ce travail a ete de developper une simulation numerique du choc thermique dans le cas d'echantillons prismatiques a section carree. Cette simulation numerique comprend une determination, par discretisation volumique, des profils de temperature lors d'un choc thermique, une determination des profils de contraintes et la determination spatio-temporelle du coefficient d'intensite de contraintes qui conduit a un critere dimensionnel de stabilite des defauts. Cette methode de simulation par discretisation volumique presente le double avantage d'etre d'utilisation simple et d'etre peu couteuse. Diverses experiences ont ete menees afin de verifier l'accord entre la simulation et les resultats experimentaux, telles que l'allure de la courbe ecart critique de temperature en fonction de la temperature du bain de trempe, l'allure de la fissuration en fonction de la temperature du bain de trempe, l'allure de la fissuration en fonction de la temperature et du positionnement de l'echantillon et la mesure de la profondeur de fissuration. L'accord satisfaisant entre les resultats experimentaux et la simulation semble prouver que la methode de calcul peut etre consideree comme fiable en ce qui concerne les chocs thermiques. Les resultats de simulation de fatigue thermique, en accord avec ceux de la simulation de choc thermique, ne permettent pourtant pas de tirer des conclusions par rapport aux resultats experimentaux. En effet, une forte dispersion des resultats experimentaux et une imprecision sur les valeurs de l'exposant de propagation et du coefficient 1na confirment le faut que seul un calcul prenant en compte les effets probabilistes de la fatigue thermique permettrait d'approfondir cette simulation

Lorsqu'une structure est soumise à un chargement thermique hétérogène, des dilatations empêchées génératrices de contraintes surviennent. Lorsque ces sollicitations sont répétées un grand nombre de fois, un endommagement puis une fissuration du matériau peuvent apparaître. On parle alors de fatigue thermique du matériau. Ce phénomène, jugé responsable de différents incidents rencontrés dans les zones de mélange entre fluides chaud et froid des centrales nucléaires a fait l'objet de nombreuses études lancées au sein de projets successifs pilotés par EDF. Ces études portaient sur la détermination des chargements thermo-hydrauliques dans les zones de mélange, le transfert de chaleur à la structure, la résolution du problème thermomécanique permettant de connaître les champs de contrainte et de déformation en tout point de la structure et enfin la résistance du matériau (un acier inoxydable austénitique AISI 304L)soumis à de telles sollicitations. Concernant ce dernier aspect, plusieurs types d'essais ont été réalisés : d'une part, des essais de fatigue uniaxiaux et isothermes pour construire une courbe de fatigue mécanique du matériau et, d'autre part, des essais sur plusieurs dispositifs expérimentaux de fatigue thermique développés au sein d'organismes de recherche (CEA, EDF, JRC, JAEA,…) pour s'approcher des conditions de service. L'interprétation de ces derniers essais passe par l'estimation des champs de température et de déplacement dans la structure à partir de quelques mesures ponctuelles de température par thermocouples. On constate alors que les premières fissures s'amorcent en fatigue thermique pour un nombre de cycles sensiblement inférieur à celui estimé à partir des courbes de fatigue mécanique du matériau et de l'amplitude maximale de déformation équivalente estimée dans les essais de fatigue thermique. L'objet de ce travail de thèse consiste donc à concevoir et à réaliser des chocs thermiques sur un matériau de structure couplés à des mesures synchrones et sans contact de champs de température et de déplacement au niveau de la surface endommagée. Les chocs thermiques seront réalisés à l'aide d'un laser de puissance dont la longueur d'onde sort du spectre utilisé par la caméra infrarouge qui mesure le champ de température de surface de telle manière que le dépôt d'énergie n'affecte pas les mesures de température. Plusieurs pistes sont envisagées selon que les champs sont mesurés uniquement avec la caméra infrarouge ou en utilisant deux caméras, l'une travaillant dans l'infrarouge et l'autre dans le visible. Dans les deux cas de figure, l'absorptivité et l'émissivité de la surface soumise au choc thermique doivent être optimisées pour permettre d'avoir à la fois un dépôt d'énergie homogène par laser et une mesure précise des champs thermomécaniques. Une difficulté qu'il conviendra de surmonter est d'obtenir un champ d'émissivité de surface représentant un compromis acceptable entre une émissivité forte et homogène dans l'infrarouge pour des mesures de température et une émissivité hétérogène (dans l'infrarouge ou le visible selon la caméra utilisée) pour créer un contraste de niveau de gris indispensable aux mesures de déplacement par corrélation d'images. Parallèlement aux essais,des simulations numériques thermomécaniques seront également réalisées pour compléter ces champs en volume et tester l'influence des conditions aux limites. L'objectif final de la thèse est d'obtenir pour la première fois une mesure fiable des quantités d'intérêt dans une zone d'amorçage en fatigue thermique et ainsi pouvoir quantifier convenablement un éventuel effet aggravant des sollicitations de fatigue thermique
Thermal fatigue occurs in nuclear power plant pipes. The temperature variations are due to the turbulent mixing of fluids that have different temperatures. Many experimental setups have been designed but the measured temperatures have only been punctual and out of the zone of interest (e.g., via thermocouples). The equivalent strain variation in the crack initiation region is calculated with numerical thermomechanical simulations. In many cases, the comparisons between numerical and experimental results have shown that the crack initiation predictions in thermal fatigue are non-conservative. A new testing setup is proposed where thermal shocks are applied with a pulsed laser beam while the thermal and kinematic fields on the specimen surface are measured with infrared (IR) and visible cameras, respectively. Experimental testings are performed and different measurement techniques for temperature and kinematic fields are used. IR camera and pyrometers allow to measure the temperature variations in the zone impacted by the laser beam. To estimate the absolute temperature, the surface emissivities at the respective wavelengths are determined by different methods. The absolute temperature field is then used to apply the actual thermal loading in a decoupled FE model after an identification process of the parameters of the laser beam. Once the thermal loading is generated based upon the experimental data, the stress and strain fields can be computed in the region of interest with an elastoplastic law.The experimental strain variations calculated from the DIC measurements are compared with the predictions obtained with the FE simulation

L'étude porte sur la propagation des fissures dans les matériaux métalliques soumis à des chocs repétés. Un dispositif expérimental permet de solliciter des éprouvettes entaillées par des impacts successifs, et les résultats obtenus sur ce dispositif sont comparés à ceux obtenus en fatigue conventionnelle sur une machine hydraulique. L’importante vitesse de déformation générée par les chocs n'affecte pas la propagation des fissures, mais la forme du cycle, une succession de pics d'amplitudes décroissantes, est déterminante. Une attention particulière a été apportée au phénomène de fermeture de fissure

Dans cette thèse, nous avons caractérisé expérimentalement les emballages en carton compact et ondulé à l’aide de tests spécifiques qui permettent de reproduire les conditions de transport. Après avoir effectué des essais de traction pour caractériser le comportement orthotrope des papiers et carton compact, nous avons déterminé par des essais de compression statique la résistance à la compression verticale (RCV) des boîtes en carton compact et des caisses en carton ondulé étudiées. Pour l’analyse dynamique, nous avons mené des expériences de vibrations aléatoires et de chocs sur ces emballages. Nous avons ensuite implémenté un modèle de comportement élastoplastique orthotrope (IPE) pour les papiers et le carton compact dans le logiciel Abaqus à l'aide du programme utilisateur VUMAT. Nous avons également proposé une homogénéisation du modèle IPE pour le carton ondulé, que nous avons implémenté dans lelogiciel Abaqus à l'aide du programme utilisateur UGENS. Nous avons montré que le modèle élastoplastique IPE permettait de décrire de manière très satisfaisante le comportement statique et dynamique des boîtes en carton compact. L’utilisation du modèle IPE homogénéisé permettait, d’une part la création facile de la géométrie, et d’autre part la réduction importante des temps de calcul. Les résultats obtenus avec le modèle homogénéisé se comparaient très bien avec ceux obtenus avec le modèle 3D complet et les résultats expérimentaux en statique et en dynamique. Enfin, pour la simulation des essais de fatigue, nous avons réalisé des simulations des essais de chocs successifs jusqu’à l’endommagement de la caisse, et nous avons utilisé un modèle de fatigue dans le logiciel Fe-Safe pour déterminer la durée de vie des caisses. Les résultats des simulations obtenus montrent que notre modèle permet de bien reproduire les résultats expérimentaux pour les trois zones d’endurance des courbes limites de dommage
In this thesis, we have experimentally characterized compact and corrugated cardboard packaging using specific tests that reproduce transport conditions. After carrying out tensile tests to characterize the orthotropic behavior of papers and cardboard, we determined by static compression tests the box compressive strength (BCT) of the cardboard and corrugated cardboard boxes. For the dynamic analysis, we conducted random vibration and shock experiments on these packages. We then implemented an orthotropic elastoplastic behavior model (IPE) for papers and cardboard in Abaqus software using the VUMAT user program. We also proposed a homogenization of the IPE model for corrugated cardboard, which we implemented in the Abaqus software using the UGENS user program. We have shown that the IPE elastoplastic model allows a very satisfactory description of the static and dynamic behavior of cardboard boxes.The use of the homogenized IPE model allowed, on the one hand, the easy design of the geometry, and on the other hand, the significant reduction in computation times. The results obtained with the homogenized model compared verywell with those obtained with the full 3D model and the experimental results in statics and dynamics. Finally, for the simulation of the fatigue tests, we carried out simulations of successive impact tests until the box was damaged, and we used a fatigue model in the Fe-Safe software to determine the fatigue life of the boxes. The results of the simulations obtained show that our model makes it possible to well reproduce the experimental results for the three endurance zones of the damage boundary curves

Cette thèse traite de l’étude des contraintes induites par le transport de marchandises. Les systèmes d’emballage reposent sur une multitude de fonctionnalités : transporter, protéger, informer,etc… Leur dimensionnement est un paramètre important quant à la protection d’un produit. Lors des transports, les marchandises sont soumises à un important panel de contraintes physiques. Ces contraintes vont engendrer des dégâts et de l’usure. Cette usure peut être étudiée en décomposant les signaux accélérométriques en cycles de contraintes afin d’observer leur l'influence. Ce travail de thèse vise, dans un premier temps à estimer les dommages par fatigue provoqués par un transport particulier sur un système d’emballage donné. Dans ce cas, l'extraction de cycles de contraintes n'est pas appropriée (l'enregistrement continu des longs transports est matériellement difficile). Cette estimation est donc réalisée à partir des densités spectrales de puissance (PSD) et du calcul de leurs moments spectraux, des différentes phases de transport. Dans un second temps, ce travail consiste à réaliser en laboratoire des tests induisant un dommage par fatigue similaire aux transports réels, mais réalisés sur une durée beaucoup plus courte. La méthode de réduction de temps de test repose ici sur les expressions de calcul du dommage afin de déterminer un facteur multiplicateur de PSD réelle afin d’obtenir une PSD de test reproduisant le dommage du transport réel dans un temps plus court. Pour ce faire, ce facteur prend en compte le comportement mécanique de vieillissement des systèmes testés
This thesis is focused on studies of the goods transport induced stresses. Packaging systems are composed of a multitude of functionalities: to transport, to protect, to inform, etc. Their development is an important parameter referring to the goods protection. During transports, goods endure an important panel of mechanical stress. This stress induces damages par fatigue. This damage by fatigue can be studied in decomposing the acceleration signal into stress cycles. This decomposition permits to observe the influence of each stress cycle. This thesis work, in a first step, consists in estimating the damage by fatigue generated during a particular transportation on a given packaging. In this case, stress cycle extraction is not appropriated (continuous record of long transportation is difficult point of view devices). This estimation is realized from the power spectral densities (PSD) and the calculation of the spectral moments of transport phases. The second aim of this work is to develop a simulation protocol inducing the same damage rate on packaging as the actual transportation, in a shorter time. The test time compression method is here based on the damages estimation expression. The aim consists in determining a PSD multiplicative factor to generate a PSD of test witch induce the same damage as the actual transport in a shorter duration. This test time compression take into account the mechanical behavior of damage accumulation for a particular system

L'utilisation des matériaux composites renforcés par des fibres végétales ne cesse de croitre dans divers secteurs tels que l'automobile et le packaging. Toutefois, le problème de leur sensibilité à l'humidité freine encore leur utilisation dans des applications exposées à des conditions environnementales extrêmes. Par conséquent, l'hybridation des fibres végétales avec des fibres synthétiques peut constituer une voie prometteuse pour améliorer certaines propriétés des composites à renfort végétal. C'est dans ce contexte que se situe le présent travail doctoral. Il présente une analyse expérimentale du comportement en fatigue par traction--traction et en fatigue par chocs à faible énergie de stratifiés non hybrides et hybrides lin-verre/époxyde. Une investigation de leur durabilité après un vieillissement hydrique jusqu'à la saturation est également présentée. À cette fin, plusieurs plaques des composites non hybrides et hybrides lin-verre/époxyde ont été élaborées par le procédé d'infusion sous vide. Dans un premier temps, nous avons réalisé une caractérisation en traction monotone des composites de l'étude et étudié la cinétique de diffusion de l'humidité au sein de ces matériaux. Les résultats de ces essais montrent que le remplacement de couches de lin par des couches de verre améliore nettement les propriétés mécaniques stratifié lin/époxyde et diminue également sa masse d'eau absorbée à saturation. Ensuite, des essais de fatigue cyclique ont été réalisés sur des éprouvettes composites non vieillies et vieillies. Ces essais de fatigue ont été couplés à la technique de l'émission acoustique afin d'identifier les mécanismes d'endommagement et leur chronologie d'apparition. Pour évaluer l'effet de la charge de fatigue sur la perte de rigidité, les boucles d'hystérésis et le facteur d'amortissement des composites non hybrides et hybrides ont été étudiées. L'analyse des signaux acoustique permet d'identifier trois classes de signaux acoustiques dans tous les composites étudiés. Ces trois classes sont attribuées aux principaux mécanismes d'endommagement comme la fissuration matricielle, la décohésion fibre--matrice et la rupture des fibres. Cette attribution est consolidée par des observations microscopiques obtenues à l'aide d'un microscope électronique à balayage. Enfin, des essais de fatigue par chocs à faible énergie ont été réalisés sur des échantillons composites non vieillis et vieillis. Les résultats obtenus montrent clairement que le composite lin/époxyde absorbe une grande partie de l'énergie d'impact en déformation élastique. Cependant, le stratifié verre/époxyde consomme cette énergie en endommagement et rupture. De plus, le vieillissement hydrique fragilise tous les composites étudiés et diminue leur résistance à la fatigue par chocs
The use of natural fibre-reinforced composite materials is growing in various sectors such as automotive and packaging. However, the problem of their sensitivity to humidity still hinders their use in applications exposed to extreme environmental conditions. Therefore, the hybridization of natural fibres with synthetic fibres can constitute a promising way to improve some properties of natural fibre-reinforced composites. It is in this context that the present doctoral work is situated. It presents an experimental analysis of the tensile-tensile fatigue and low-energy impact fatigue behaviour of non-hybrid and hybrid flax-glass/epoxy laminates. An investigation of their durability after water aging until saturation is also presented. To this end, several plates of non-hybrid and hybrid flax-glass/epoxy composites have been fabricated by the vacuum infusion process. First, we carried out a monotonic tensile characterization of the studied composites and evaluated the kinetics of moisture diffusion within these materials. The results of these tests show that the addition of glass layers to the flax/epoxy laminate improves its mechanical properties and also reduces its mass of water absorbed at saturation. Then, cyclic fatigue tests were performed on unaged and aged composite specimens. These fatigue tests were coupled with the acoustic emission technique in order to identify the damage mechanisms and their chronology of appearance. To evaluate the effect of fatigue loading on the loss of stiffness, hysteresis loops and the damping factor of non-hybrid and hybrid composites were investigated. The analysis of the acoustic signals makes it possible to identify three classes of acoustic signals in all the studied composites. These three classes are attributed to the main damage mechanisms such as matrix cracking, fibre/matrix decohesion and fibre breakage. This attribution is supported by microscopic observations obtained using a scanning electron microscope. Finally, low-energy impact fatigue tests were performed on unaged and aged composite samples. The obtained results clearly show that the flax/epoxy composite absorbs a large part of the impact energy and transforms it into elastic energy. However, the glass/epoxy laminate consumes this energy in damage and breakage. In addition, water aging weakens all the studied composites and reduces their resistance to impact fatigue

Le traitement mecanique par choc laser change profondement les proprietes des couches de surface de l'acier z100cd17, acier a roulement dans les moteurs cryotechniques, par durcissement superficiel et introduction d'importantes contraintes residuelles de compression. Mais il est difficile, voire impossible, de prelever des eprouvettes d'essais mecaniques dans ces couches d'epaisseur de l'ordre du millimetre. En elastoplasticite, une methode inverse de caracterisation de ces couches est presentee. Cette methode repose sur la realisation experimentale et la modelisation par elements finis d'essais d'indentation spherique quasi-statiques, supposant que l'acier suit une loi d'ecrouissage cinematique lineaire. Cette etude permet non seulement la caracterisation des proprietes mecaniques des couches durcies par choc laser, et ainsi la mise en evidence de l'apport du traitement, mais egalement la definition des differents modes de comportement de l'acier traite en plasticite confinee. La validation de la methode inverse est assuree par la bonne correlation entre les profils de contraintes residuelles determines par la simulation numerique et ceux mesures par diffraction x. En fatigue de contact, des essais de compression ondulee bille sur plan en ambiance cryotechnique sont realises. Les analyses menees au niveau geometrique, mecanique, metallurgique et tribochimique, permettent de determiner le nombre optimal d'impacts de choc laser pour ameliorer la tenue en fatigue de contact de l'acier z100cd17. De plus, une etude theorique realisee a partir du critere de dang van, prenant en compte les heterogeneites de valeurs de contraintes residuelles en tout point de l'acier etudie, permet de definir un volume critique a la fissuration, et d'expliquer le principe d'amorcage et de propagation de la fissuration observee experimentalement

Un nouveau dispositif de choc et de fatigue thermiques a été développé pour la caractérisation des céramiques. Il présente les avantages d'une montée en température rapide, la possibilité de mesurer la distribution de température de la zone chaude ainsi que de la zone périphérique de l'échantillon et d'une détection in situ de la rupture, toutes ces caractéristiques facilitant la modélisation. Les différents paramètres conditionnant la sévérité du choc thermique ont été étudiés. Nous avons ainsi montré que le flux de chaleur augmentait rapidement avec le flux d'hydrogène. La modélisation du choc thermique nous a permis d'étudier l'influence de différents paramètres relatifs aux matériaux. Le module élastique et le coefficient de dilatation thermique jouent un rôle direct, alors que le coefficient de Poisson affecte peu le champ de contrainte. Comme le modèle est basé sur la connaissance du champ de température en surface de l'échantillon, la valeur de conductivité thermique est inutile pour le calcul de la contrainte maximale. Le choc thermique a été étudié en utilisant différents échantillons de céramiques : alumine, nitrure de silicium, carbure de silicium et cordiérite. On constate que les contraintes thermiques calculées à partir de la mesure de ΔTc, sont comprises entre 60 et 70% des contraintes à rupture. Plusieurs raisons peuvent être invoquées pour expliquer un tel écart : la contrainte thermique maximale de tension est développée à la périphérie de l'échantillon (coté zone chaude) sur une couronne circulaire de 4 à 6 mm de largeur, l'arête de l'échantillon est donc comprise dans cette zone. De plus la surface et le volume sollicités sont donc supérieurs à ce qu'ils sont sur les éprouvettes de mesure de résistance par flexion. La distribution de température à la surface est délicate à mesurer précisément, puisqu'on doit notamment le faire en plusieurs essais. D'autre part l'émissivité de certains matériaux comme le nitrure peut évoluer au cours de ces différents essais. Pour résoudre les difficultés rencontrées, différentes améliorations peuvent être envisagées. On pourrait modifier le champ de contrainte pour que la Contrainte maximale soi t loin des angles de l'échantillon. Ceci pourrait être réalisé en fixant de façon rigide l'échantillon sur le support de cuivre. Les problèmes de mesures de température pourraient être simplifiés en permettant une mesure globale de la distribution instantanée, par exemple à l'aide d'une caméra I. R. , ou d'un dispositif de balayage. Enfin, pour valider plus finement Je dispositif et l'ana lyse, il serait nécessaire de tester des matériaux sur lesquels l'ensemble des propriétés physiques et mécaniques sciaient connues en fonction de la température
The study relates to the fabrication and standardisation of suitable test equipment to study thermal shock and thermal fatigue of ceramic material and their modelisation. The developed test equipment consists of oxyhydrogen gas torch for heating, IR pyrometer for measurement of temperature of the hot zone and facility for insitu crack detection by AE technique. The equipment has a facility to carry out thern1al fatigue cycles in automation mode. The effect of heat input rate by changing oxygen/hydrogen gas ratio was studied. It was observed that the heat input rate increases rapidly with little increase in hydrogen flow rate. Similarly, the effect of different nozzle sizes of the flame torch and the distance of the nozzle from sample surface on heat input was studied. Little variation of the heating rate over a distance of 40 mm was observed. The emissivity of the materials was also measured. The AE parameters are selected suitably to detect micro-cracking and macro-cracking. The temperature measurement at different distances from centre of the sample on top surface was standardized by extrapolation method. The effect of different test and material parameters on thermal stress was studied by theoretical modelisation. It was observed that the thermal stress was very sensitive to the temperature distribution on hot face, Young's modulus and coefficient of expansion of the material and it is Jess sensitive to the Poisson's ratio. Interestingly, thermal conductivity of the sample is not directly affecting the thermal stress. This is because, the effect of thermal conductivity of the material is reflected on the temperature profile measured and extrapolated on the top surface. Thermal shock test was conducted by using different ceramic samples e. G. Ah03, SiC, Si3N4, cordierite etc. It was observed that the thermal stress at the failure lies between 60%-70% of their mechanical strength value measured by 4-point bend test or biaxial test. For comparison with mechanical strength, it is required to use a suitable temperature measurement facility, which could measure the total hot 7. Ne tempcrat11re simultaneously. The use of constant heat flux heating system within suitable mechanical constraints might help in generating the similar stress pattern as that of mechanical stressing

L'irradiation d'un matériau métallique par une impulsion laser de forte puissance provoque la sublimation d'une fine couche de matière, transformée en plasma, dont la détente induit une onde de choc à l'intérieur de ce matériau. Dans certaines conditions, ce chargement peut conduire à la production de fragments, solides ou liquides, qui sont éjectés à des vitesses élevées, et sont alors susceptibles d'endommager l'environnement proche, notamment les équipements optiques (lentilles, miroirs, hublots, etc.). Avec l'avènement des installations laser de haute énergie destinées à réaliser la fusion thermonucléaire par confinemenet inertiel, comme le Laser MégaJoule en France ou le National Ignition Facility aux Etats-Unis, l'éjection des débris issus d'une cible métallique soumise à une irradiation laser intense est devenue un problème crucial. Ainsi, il est essentiel pour ces deux projets de comprendre les processus de fragmentation induits par choc laser, de caractériser les fragments produits et leurs propriétés balistiques, et de développer des modèles prédictifs afin de pouvoir prévoir les protections adéquates, de dimensionner les expériences, et préserver les installations laser. Les principaux processus de fragmentation qui peuvent survenir dans une cible soumise à un choc laser et générer des fragments à hautes vitesses sont : (i) l'éjection de jets micrométriques, ou microjetting, qui se produit lorsqu'une onde de compression intense débouche sur une surface libre rugueuse, (ii) l'écaillage, qui est dû à une traction dynamique induite par l'interaction entre des ondes de détente au sein de la cible, et (iii) la rupture par perforation, qui résulte d'un effet de poinçon dynamique dans une cible de faible épaisseur. Des campagnes expérimentales ont été menées sur les grandes installations laser du Centre d'Études Scientifiques et Techniques d'Aquitaine (CEA/CESTA) et du Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI / École Polytechnique) pour caractériser ces processus et évaluer les influences des principaux paramètres expérimentaux. Ces expériences ont principalement porté sur deux matériaux : l'aluminium et l'or. Plusieurs diagnostics complémentaires ont été développés et utilisés au cours de ces campagnes : visualisation transverse ultra-rapide, mesures de vitesses résolues en temps par interférométrie, récupération des éjectas dans des collecteurs de faible densité, analyse de ces éjectas par micro-tomographie. Les résultats expérimentaux ont été comparés avec les prédictions numériques du code hydrodynamique bi-dimensionnel CHIC, qui prend en compte l'interaction laser-matière et la propagation des ondes de pression. Un modèle numérique de fragmentation a été implémenté dans ce code au cours de cette thèse. La capacité de cet outil à simuler la fragmentation dynamique des cibles sous choc laser a pu être testée.

Les traitements de mise en compression, comme le choc laser, offrent la possibilité de réduire la contrainte de traction ou générer des contraintes de compression afin d’empêcher l’amorçage de fissures ou de ralentir leur propagation en particulier dans les zones soudées où il existe une contrainte de traction. Ce traitement peut être appliqué sur certains composants métalliques pour la prévention de la corrosion sous contrainte de l’Inconel 600 et de la fatigue thermique à grand nombre de cycles des aciers inoxydables. L’objectif principal de la thèse était de développer les capacités en modélisation nécessaires à la maîtrise de la simulation numérique de la mise en compression par le choc laser, afin de mieux comprendre cette technique de traitement de surface. Dans un premier temps, des modèles numériques axisymétriques et 3D, en mono et multi impacts ont été développés dans les codes de calcul Code_Aster et Europlexus. Ces modèles ont pu être validés à partir d’essais expérimentaux réalisés au laboratoire PIMM-ENSAM. Une identification des paramètres de la loi de Johnson-Cook a été réalisée à grande vitesse pour l’Inconel 600. Par ailleurs un nouvel essai expérimental a été proposé qui valide le caractère isotrope de l’Inconel 600 à grande vitesse de déformation. Une modification de cette loi a également été proposée pour prendre en compte différemment la sensibilité à la vitesse de déformation. Dans un second temps, une étude sur l’effet d’un état initial de soudage sur les contraintes résiduelles après application du choc laser a été faite. Nous avons pu conclure que cet état initial n’a pas une forte influence sur les contraintes résiduelles finales. Enfin, une étude qualitative sur l’effet de l’écrouissage induit par le choc laser sur la durée de vie en fatigue des aciers inoxydables a été réalisée, qui montre l’avantage du choc laser sur le grenaillage par la création d’un moindre écrouissage
Surface treatments as laser shock peening offer the possibility to reduce tensile stresses or to generate compressive stresses in order to prevent crack initiation or reduce crack growth rate in particular in the areas where tension weld residual stresses are present. Laser shock peening may be applied on different metallic components to prevent stress corrosion cracking of Inconel 600 and high cycle thermal fatigue of austenitic stainless steels. The main aim of the PhD thesis is to develop the numerical simulation of laser peening. In the first section, axisymetrical and 3D numerical models for one or several pulses have been developped in Code_Aster and Europlexus softwares. These models were validated by experimental tests carried out in PIMM-ENSAM laboratory. Parameters identification of Johnson-Cook constitutive law was carried out for Inconel 600 at high strain rates. Moreover a new test was proposed which allowed proving the isotropic behavior of Inconel 600 at high strain rates. A modification of the Johnson-Cook constitutive law was also proposed, to take into account in a new way the sensitivity of the law to high strain rates. The second section of the thesis concerns a study on the effect of an initial state of welding on residual stresses after application of laser peening. We could conclude that this initial state has no strong influence on final residual stresses. Finally, a qualitative study on the effect of strain hardening induced by laser peening on fatigue life of stainless steels was undertaken, which shows the advantage of laser peening on shot peening due to smaller strain hardening created by laser peening

Le but de l'etude etait l'application aux alliages d'aluminium d'un nouveau traitement superficiel utilisant des ondes de choc issues d'une lumiere laser-pulsee. Le champ de contraintes residuelles de compression introduit sur des profondeurs superieures a 1 mm a permis d'augmenter les limites de fatigue d'eprouvettes entaillees de +20 a +40% en flexion repetee a r=0,1. Ces gains sont superieurs a ceux obtenus par un grenaillage de precontrainte et resultent principalement d'une augmentation de la phase d'amorcage des fissures de fatigue. Vis-a-vis de grenaillage, la conservation de l'etat de surface initial est le facteur d'influence preponderant

Cette étude porte sur un composite de tissu de chanvre et matrice époxy. Des essais ont d’abord été réalisés sur les constituants. Ils ont montré que le comportement des fils imprégnés par de la résine est plus représentatif du comportement dans le composite que celui des fils secs. Ces essais ont aussi permis de déterminer les paramètres matériaux nécessaires pour l’élaboration d’un modèle par éléments finis d’un pli du composite. Ce modèle est basé sur une simplification de la représentation du tissu. La variabilité des propriétés des constituants a été prise en compte. Les champs de déformation ont été comparés avec ceux mesurés par la technique de DIC à la surface des composites. Des essais de fatigue ont été réalisés sur les composites [0°/90°]7 et [±45°]7. L’échauffement a été mesuré par caméra IR, les endommagements ont été suivis par EA et par une caméra haute résolution. Des observations ont été effectuées par microscopie et par microtomographie X. Une analyse approfondie des mécanismes d’endommagement a été réalisée. Un modèle de courbe SN de fatigue a été adapté aux composites chanvre/époxy étudiés. La tenue à l’impact et le comportement mécanique postimpact du composite chanvre/époxy [0°/90°]7 ont été étudiés. Les résultats ont montré l’influence d’un impact non destructif sur la durée de vie en fatigue de ce composite, et l’évolution de l’endommagement a été analysée. Il a été montré que le modèle des courbes S-N de fatigue peut s’appliquer aux éprouvettes impactées. Il est ainsi possible de prédire la durée de vie en fatigue du composite impacté à partir de sa contrainte à rupture en traction et du comportement en fatigue du matériau sain
This study focuses on a woven hemp/epoxy composite. Tests were first conducted on its components. They showed that the behaviour of resin impregnated yarn is more representative of the yarn behaviour in the composite than the dry yarn usually studied. These tests were also used to determine the material parameters necessary for the development of a finite element model of a composite ply. This model is based on a simplified representation of the fabric. Variability of properties of the components was taken into account. Strain fields were compared with those measured by the DIC technique on the surface of the composites. Fatigue tests were conducted on composites [0°/90°]7 and [±45°]7. Heating was measured by IR camera; the damage was followed by AE and high resolution camera. Observations were made by microscopy and X-ray microtomography. A detailed analysis of damage mechanisms was performed. A model of S-N fatigue curve was adapted to the studied hemp/epoxy composite. The resistance to impact and the post-impact mechanical behaviour of the [0°/90°]7 hemp/epoxy composite were studied. The results showed the influence of a non-destructive impact on the fatigue life of the composite, and the evolution of the damage was analyzed. It has been shown that the model of S-N fatigue curve can be applied to impacted specimens. It is thus possible to predict the fatigue life of the impacted composite from the tensile strength and fatigue behaviour of the non-impacted material

Les travaux de cette thèse permettent d’apporter de nouveaux outils d’aide à la conception d’un système mécatronique appliqué au monde automobile. Ces méthodologies s’inscrivent dans le cycle de vie du produit découpé selon les phases de Fiabilité : Prédictive, Expérimentale et Opérationnelle. Nous répondons aux trois problématiques : 1. Comment juger la criticité d’une défaillance obtenue lors d’un essai aggravé HALT ? Une approche par équivalence d’endommagement est utilisée et appliquée à un cas concret d’onduleur/convertisseur. 2. Comment tenir compte des variabilités du matériau et de l’environnement dans le modèle d’Arrhenius ? Trois modèles statistiques sont construits et appliqués à un capteur mécatronique en essai climatique. 3. A partir des données financières de coûts garantie, comment estimer la fiabilité du système ? Deux nouveaux modèles probabilistes sont présentés et appliqués à un cas réel de retour garantie
This research proposes new tools for designers of automotive mechatronic systems. These new methods are linked with the Product Life Cycle which can be described by: Predictive Reliability, Experimental Reliability and Operational Reliability. Three problematics are exposed : 1. How can we judge the severity of a failure observed in aggraved test HALT? An equivalent fatigue damage approach is used and realized on concrete case of converter/inverter. 2. How can we take into account the variability of the material and the environment in the Arrhenius’ model ? Three statistical models are built and used on a mechatronic sensor in climatic test. 3. Thanks Financial data of warranty cost, how can we estimate the system reliability performance ? Two new probabilistic models are introduced and applied on concrete warranty returns