Dissertations / Theses on the topic 'Propriétés viscoplastiques'

Ce mémoire est consacré à la modélisation et la simulation du comportement mécanique des matériaux hétérogènes par les méthodes autocohérente et par les calculs numériques par éléments finis. Les méthodes micro-macro développés dans cette thèse passent par la résolution du problème de l'inclusion qui est fondamental pour le calcul de la vitesse de déformation dans l'inclusion en fonction de celle appliquée à l'infini. Une formulation du problème de l'inclusion viscoplastique dans une matrice viscoplastique a été proposée, l'approche tangente anisotrope de Molinari et al. Est utilisée. Ceci constitue une extension du problème d'Eshelby pour un comportement non linéaire. L'objet de cette étude est l'analyse de la localisation de la vitesse de déformation dans une inclusion viscoplastique dans une matrice viscoplastique. Cette étude est réalisée pour différents rapports de rigidité entre l'inclusion et la matrice, différentes sensibilités à la vitesse de déformation et différents rapports de forme. Les résultats obtenus sont comparés et validés par les résultats des éléments finis. La méthode différentielle est abordée dans ce travail pour estimer le comportement effectif d'un matériau composite constitué d'inclusions viscoplastiques dispersées dans une matrice viscoplastique. La phase en inclusion est ajoutée incrémentalement de façon à ce que le matériau ajouté soit toujours en concentration dilué. Nous avons étudié l'effet de la sensibilité à la vitesse de déformation sur la rigidité effective pour différents rapports de rigidité inclusion/matrice et sensibilité à la vitesse de déformation dans l'inclusion et dans la matrice. Un développement théorique est proposé pour calculer la sensibilité à la vitesse de déformation effective du composite, selon que le chargement est contrôlé en imposant la contrainte ou la vitesse. La confrontation à des résultats expérimentaux sur des matériaux biphasé indique qu'un meilleur accord peut être obtenu en contrôlant la contrainte
An extension of the Eshelby problem for non-linear viscous materials is considered. An ellipsoidal heterogeneity is embedded in an infinite matrix. The material properties are assumed to be uniform within the ellipsoid and in the matrix. The problem of determining the average strain rate in the ellipsoid terms of the overall applied strain rate is solved in an approximate way. The method is based on the non-incremental tangent formulation of the non-linear matrix behavior (Molinari, A. , Canova, G. R. , Ahzi, S. , 1987. A self consistent approach of the large deformation polyctristal plasticity. Acta Metall. 35, 2983-2994). In the present work this approximate solution is verified with a good agreement by comparing to the finite element calculations for various inclusion and loading conditions. The differential scheme is using the obtained behavior of the composite depends on which phase is considered to be constituted by the inclusions. This is become the interaction is different between the inclusion and the matrix when they are exchanged. Results will be given for both cases in the applications part

L'objectif de ce travail est de mieux comprendre la phase de croissance de l'endommagement lors de la déformation des matériaux ductiles. Nous avons étudie les interactions entre endommagement global (changement de comportement effectif) et local (croissance des cavités). Dans un premier temps, le champ de vitesse exact autour d'une cavité ellipsoïdale de révolution dans une matrice viscoplastique linéaire isotrope compressible a été calcule (la compressibilité est supposée induite par l'endommagement). Les modes de perturbation obtenus ont ensuite été utilises afin d'appliquer un principe variationnel au problème de localisation dans une matrice viscoplastique non linéaire isotrope compressible. Dans un deuxième temps, le comportement global d'un matériau viscoplastique linéaire endommage par une fraction volumique donnée de cavités ellipsoïdales de révolution a été obtenu au moyen de la méthode différentielle. Le potentiel d'un matériau viscoplastique non linéaire endommage a ensuite été détermine a l'aide d'un principe variationnel propose par ponte castaneda (1991). L'anisotropie d'origine morphologique dans de tels composites a également été étudiée. Finalement l'évolution du comportement au cours du chargement d'un matériau viscoplastique linéaire endommage a été abordée

Le but principal de ce travail est la présentation de la formulation mathématique et l'analyse des propriétés viscoplastiques du fluide magnétorhéologique dans des conditions d'exploitation d'amortisseur ainsi que la détermination des dimensions optimum de l'orifice d'écoulement du fluide MR dans le dispositif de ce type. Une analyse particulière de la littérature a été effectuée. Nous nous sommes limités à deux types d'amortisseurs: l'amortisseur LORD RD 1005-3 et le prototype d'amortisseur T-MR SiMR 132 DG. Les résultats expérimentaux ont permis de déterminer la limite élastique et la contrainte maximale de cisaillement du fluide MR sous tension en fonction de différentes vitesses de cisaillement, différentes intensités du courant, températures et hauteurs d'orifice d'écoulement. Les modèles viscoplastiques identifiés ont permis de simuler le comportement du fluide MR et de comparer les résultats numériques avec ceux obtenus par des mesures. On a constaté une bonne concordance des courbes tracées dans ces deux cas, ce qui permet de conclure qu'il est possible d'utiliser les modèles viscoplastiques des métaux pour décrire le comportement du fluide magnétorhéologique.

Le but principal de ce travail est la présentation de la formulation mathématique et l’analyse des propriétés viscoplastiques du fluide magnétorhéologique dans des conditions d’exploitation d’amortisseur ainsi que la détermination des dimensions optimum de l’orifice d’écoulement du fluide MR dans le dispositif de ce type. Une analyse particulière de la littérature a été effectuée. Nous nous sommes limités à deux types d’amortisseurs: l’amortisseur LORD RD 1005-3 et le prototype d’amortisseur T-MR SiMR 132 DG. Les résultats expérimentaux ont permis de déterminer la limite élastique et la contrainte maximale de cisaillement du fluide MR sous tension en fonction de différentes vitesses de cisaillement, différentes intensités du courant, températures et hauteurs d’orifice d’écoulement. Les modèles viscoplastiques identifiés ont permis de simuler le comportement du fluide MR et de comparer les résultats numériques avec ceux obtenus par des mesures. On a constaté une bonne concordance des courbes tracées dans ces deux cas, ce qui permet de conclure qu’il est possible d’utiliser les modèles viscoplastiques des métaux pour décrire le comportement du fluide magnétorhéologique
The main goal of this dissertation is a mathematical description and an analysis of viscoplasticproperties of magnetorheological fluid, in operational conditions of the damper’s work, as well as the determining the optimum, in view of indicated values of parameters, size of the gap for the MR fluid to flow, in these devices. A detailed analysis of literature was made. The scope of research work has been limited to two types of magnetorheological devices: the shock absorber LORD RD 1005-3 and the MR damper prototype T-MR SiMR -132 DG. On the basis of performed experiments, it has been estimated i.e.: conventional yield point and the maximum shear stress of analyzed MR fluid, including variable shear rate, intensity of current flowing in a solenoid, liquid’s temperature and the gap height. Identified viscoplastic models were used to develop a simulation that verifies the proposed mathematical model which describes the behaviour of MR fluid in operating gap of machine’s head, with data derived from performed experiments

La plupart des géomatériaux sont hétérogènes à différentes échelles matérielles. Le comportement mécanique macroscopique de ces matériaux dépend directement de la composition minéralogique et de la microstructure ainsi que leurs évolutions. Cette étude fait un simple essai d'étendre le modèle polycristallin le plus largement utilisé en métallographie à un type de matériaux géologiques quasi-fragiles : le granit. La fonction de charge standard et le potentiel plastique sont modifiés pour tenir compte des principales caractéristiques mécaniques des géomatériaux, e.g. la sensibilité à la pression et la dilatance plastique. Ce modèle d'auto-cohérence d'abord proposé par Hill est adoptée pour relier les champs locaux et ceux globaux. La réponse du macropolycristal est déterminée par le procédé d'homogénéisation classique. La mise en œuvre de la procédure numérique de stress microscopique et macroscopique est donnée et les éventuelles difficultés rencontrées sont mis en évidence. L'identification de sept paramètres micromécaniques est brièvement décrite. La validité du modèle développé est vérifiée par la comparaison entre les prédictions du modèle et les données expérimentales sur le test conventionnels et aussi sur le test traditionnel -- compression triaxiale
Most geomaterials are heterogeneous material at different scales. The macroscopic mechanical behavior of these materials depends directly on the mineralogical composition and microstructure as well as their evolution. The present study makes a simple trial to extend the most widely used polycrystalline model in metallography to a typical quasi-brittle geological material--granite. The standard yield criterion and plastic potential are modified to consider the main mechanical features of geomaterial, e.g. pressure sensitivity and plastic dilatancy. The full self-consistent model firstly proposed by Hill is adopted to relate the local fields and overall ones. And the macro response of polycrystal is determined by the classical homogenization process. The numerical implementation of local and macro stress update procedure are given and the possible difficulties encountered are pointed out. The identification of seven micromechanical parameters is briefly described. The validity of the developed model is checked through the comparisons between model's predictions and experimental data on both conventional and true triaxial compression tests, respectively

La première partie des travaux concerne la construction, la mise au point et l'implémentation de quelques méthodes numériques de résolution du problème non linéaire en élasto-plasticité ou élasto-viscoplasticité en transformations finies. Une étude comparative globale des méthodes de Newton-Raphson, de Newton-Raphson modifiées et de quasi-Newton sur des tests numériques appropriés nous a permis de déterminer les stratégies de résolution à adopter en fonction des critères suivants: fiabilité, précision, rapidité de convergence et temps de calcul. Dans la seconde partie nous avons développé un algorithme implicite de calcul en élasto-viscoplasticité incluant les effets thermiques adiabatiques. Une configuration intermédiaire d'intégration est utilisée pour le calcul des contraintes, les variables internes sont actualisées selon un schéma implicite. Nous en déduisons une expression analytique de l'opérateur élasto-viscoplastique tangent associé de manière consistante au schéma d'intégration proposé. Nous présentons une série de tests de validation ainsi qu'un certain nombre de tests complémentaires en élasto-plasticité et élasto-viscoplasticité permettant d'évaluer les capacités et l'aptitude de notre code de calcul à résoudre les problèmes industriels de mise en forme des métaux.

Ce travail a pour but d’étudier les effets des longueurs internes, comme la taille des grains, sur le comportement mécanique des aciers IF par le biais de modélisations micromécaniques. Après une revue bibliographique des différents effets d’échelle observés en plasticité (effet taille des grains) et de quelques méthodes de transition d’échelle existantes, ce travail se décompose en trois étapes. Dans un premier temps, un schéma auto-cohérent écrit dans le cadre de l’élasto-viscoplasticité est utilisé afin d’étudier les effets de la dispersion de taille de grains sur le comportement mécanique d’agrégats polycristallins, en négligeant les hétérogénéités d’origine cristallographique. Ces effets sont aussi importants que ceux de la taille moyenne des grains et de la texture cristallographique. Dans un second temps, le même schéma de transition d’échelle est utilisé afin d’étudier les effets combinés de la dispersion de taille de grains et des orientations cristallographiques. Il apparaît alors que l’effet de la dispersion de taille de grains est effectivement plus important que l’effet de la texture cristallographique sur le comportement mécanique en traction. Néanmoins, la dispersion de taille de grains n’a que peu d’effet sur l’anisotropie plastique des aciers IF. La troisième étape consiste à développer de nouvelles approches, à champs de déformation non uniformes dans les grains, afin de capter des effets de taille de grains par le biais de nouvelles lois d’interaction. Ainsi, deux différentes modélisations à longueurs internes sont proposées : l’une “discrète”, considérant des distributions de dislocation contrainte au joint de grains, et l’autre “moyenne”, avec la prise en compte d’un gradient de déformation plastique dans une zone près du joint de grains. Ces nouvelles approches permettent de reproduire les effets de taille de grains sur le comportement mécanique des matériaux métalliques, en particulier pour les aciers IF
The objective of this work is to study the effects of internal lengths, as the grain size on the mechanical behavior of IF steels with micromechanical models. After a literature review about different length scale effects observed in plasticity (grain size effects...) and existing scale transition methods, this work is divided into three steps. First of all, a self-consistent scheme written for heterogeneous elastic-viscoplastic materials is used to study the grain size dispersion effects on the mechanical behavior of polycrystalline aggregates, ignoring the heterogeneities of crystallographic orientations. These effects are as important as those due to the average grain size and crystallographic texture. In a second time, the same transition scale scheme is used to study the combined effects of grain size dispersion and crystallographic orientation. It appears that the effect of the grain size dispersion is larger than the effect of crystallographic texture on the tensile behavior. The third step is to develop new approaches with non-uniform plastic deformation inside the grain, in order to capture the effects of grain size through new interaction laws. Thus, two different models are proposed : a “discrete” one, considering dislocation distributions constrained by grain boundaries, and, an “averaged” one, accounting for plastic strain gradient in the region close to grain boundaries. These new approaches allow to reproduce the grain size effects observed on the mechanical behavior of metallic materials, in particular for IF steels

Le processus de pompage du béton revêt une importance capitale dans le secteur de construction, facilitant le transport du béton frais vers le site de coulée, voire des zones difficiles d'accès. Cette technique offre la possibilité d'atteindre des hauteurs et des distances considérables. Toutefois, ce processus n'est pas sans défis. Il est donc primordial de pouvoir bien prédire la pompabilité du béton. En effet, la pompabilité du béton dépend étroitement de ses propriétés rhéologiques et de sa capacité à former une couche de lubrification (CL) lors de son écoulement dans les conduites de pompage. Par conséquent, une bonne compréhension de la rhéologie du béton et des caractéristiques de la CL est essentielle, d'autant plus que les mécanismes de formation de cette dernière demeurent encore méconnus. Cette thèse se concentre sur l'étude de la dilatance de Reynolds (DR) en tant que mécanisme potentiel intervenant dans la formation de la CL, et elle vise à mettre en évidence les principaux paramètres qui les régissent. La première partie de l'étude présente le développement d'une nouvelle méthode pour évaluer les variations de volume induites par le cisaillement, nommée la dilatance de Reynolds du béton en écoulement à surface libre. Cette méthode, bien que plus fiable pour les bétons conventionnels, ne permet cependant pas d'explorer pleinement ce mécanisme. En conséquence, un nouveau dispositif empirique, le CRD-Test, a été conçu pour évaluer la dilatance de Reynolds des bétons autoplaçants soumis à différents scénarios de cisaillement à surface libre et sous pression, simulant ainsi les processus réels de coulage et de pompage. Dans cette seconde partie de l'étude, le béton autoplaçant (BAP) est considéré comme un mélange biphasique, composé de gros granulats (> 1,25 mm) immergés dans une matrice fluide de mortier fin (< 1,25 mm). En outre, le CRD-Test offre une couverture large des niveaux de cisaillement et de pression. Il repose sur un tribomètre à cylindre coaxial modifié, dont la vitesse de rotation varie de 0 à 3 tr/s, et sur un régulateur de pression d'air ajustable de 0 à 300 kPa. Le phénomène de dilatance de Reynolds se traduit par des fluctuations de la pression latérale mesurée au niveau du cylindre extérieur de cet appareil et a été étudié à travers de nouveaux indices. Les résultats expérimentaux révèlent que les indices de pression induits par la dilatance de Reynolds sont en accord avec la maniabilité du béton et ses paramètres de formulation. Les bétons autoplaçants présentant des faibles valeurs d'étalement montrent des indices de dilatance de Reynolds élevés sous cisaillement à surface libre et sous pression. De plus, une approche diphasique permet de mettre en évidence des corrélations entre la dilatance de Reynolds et les caractéristiques des granulats dont le diamètre est supérieur à 1,25 mm ainsi que les caractéristiques viscoplastiques du mortier fin, (i.e. la phase suspendante). De plus l'étude montre que la dilatance de Reynolds est principalement affectée par le degré d'empilement initial du squelette granulaire pendant le processus de pompage. Enfin, les valeurs de dilatance de Reynolds sont en en bon accord avec les caractéristiques du régime d'écoulement, la dynamique des particules et les indices de migration des particules sous l'effet du cisaillement. Selon les corrélations établies, il apparaît que la ségrégation dynamique peut significativement influencer les mécanismes de formation de la CL lors du pompage du béton à faibles taux de cisaillement, illustrant ainsi l'importance de la dilatance de Reynolds dans ce processus. Cependant, il a été observé qu'à des taux de cisaillement plus élevés, la ségrégation dynamique peut avoir un impact négatif sur les valeurs de dilatance de Reynolds, augmentant ainsi le risque de blocage durant le processus de pompage du béton
Concrete pumping process is important in the construction sector, facilitating the transport of fresh concrete to the casting site, even in difficult-to-access areas. This technique enables the achievement of considerable heights and distances. However, this process presents challenges. Therefore, accurately predicting the pumpability of concrete appears to be essential. Indeed, concrete pumpability relies on its rheological properties and its ability to form a lubrication layer (LL) during its flow through pipes. Accordingly, it is worthy to mention that mastering the rheology of concrete and understanding the characteristics of the LL is important, especially considering that the mechanisms of LL formation remain not well understood.This project focuses on investigating Reynolds dilatancy (RD), a potential mechanism involved in LL formation, and aims to highlight the key parameters governing it. The first part of the study introduces the development of a new method to assess shear-induced variations (RD) at free-surface flow. This method, although more reliable for conventional vibrated concrete (CVC), it does not fully explore this mechanism. Consequently, a new empirical device, the CRD-Test, was designed to evaluate the RD of self-compacting concrete (SCC) subjected to various scenarios under free-surface and pressurized conditions, simulating real casting and pumping processes. In this second part of the study, SCC is considered as a biphasic mixture of coarser particles (> 1.25 mm) in a fluid matrix of fine mortar (< 1.25 mm). Moreover, the new experimental device, named CRD-Test, offers wide range of shear and pressure levels. It is based on a modified coaxial cylinder tribometer, with a rotational speed ranging from 0 to 3 rps, and an air pressure regulator from 0 to 300 kPa. The RD phenomenon is manifested by fluctuations in lateral pressure measured at the outer cylinder of this apparatus and it was investigated through new indices.Experimental results reveal that RD values were found to be in good agreement with the workability and design parameters of the investigated concrete mixtures. Concrete with low fluidity values exhibited high RD indices under both free-surface and pressurized shear conditions. Furthermore, a biphasic approach highlights correlations between RD and the characteristics of aggregates with a diameter greater than 1.25 mm, as well as the viscoplastic characteristics of the fine mortar (i.e., the suspending phase). Moreover, RD results are mainly affected by the relative packing density of coarse aggregate during pumping process. Finally, Reynold values were in good agreement with flow regime characteristics, particle dynamics, and shear-induced particle migration indices. According to established correlations, dynamic segregation can significantly influence the mechanisms of LL formation during concrete pumping at low shear rates, illustrating the importance of Reynolds dilatancy in this process. However, at higher shear rates, dynamic segregation has been observed to negatively impact RD values, thereby increasing the risk of blockage during concrete pumping

La nanoindentation est une technique très utilisée pour extraire les propriétés mécaniques des matériaux à partir de courbes force-déplacement. Cependant, l’unicité et le caractère intrinsèque des valeurs estimées restent des problèmes ouverts, particulièrement lorsque des phénomènes visqueux sont exhibés. Dans ce travail, une loi de comportement viscoélastique-viscoplastique (VEVP) a été implémentée dans le code éléments finis (EF) ANSYS par l’intermédiaire une subroutine UMAT avec un cas particulier: viscoélastique-plastique (VEP). Le cas viscoélastique (VE) a été traité en utilisant la loi disponible sur ANSYS. L’objectif principal est d’extraire des propriétés intrinsèques et fiables par nanoindentation. Dans ce contexte, une série d’essais expérimentaux de nanoindentation a été réalisée sur du polypropylène (PP) en déplacement contrôlé avec les indenteurs cube corner et Berkovich. La méthode du recalage de modèle EF montre que l’identification des propriétés VE intrinsèques au PP à partir d’un essai expérimental triangulaire effectué à 1000 nm/min est impossible. Afin de quantifier la richesse de l’information contenue dans l’essai de nanoindentation, un indice d’identifiabilité (I-index) basé sur le conditionnement numérique du problème inverse est utilisé. Les effets de la vitesse de déplacement, de type de chargement (triangulaire, trapézoïdal, exponentiel et sinusoïdal) et de l'angle de la pointe de l’indenteur sont étudiés dans le cas VE. On montre qu’il existe une corrélation entre les résultats d’identifiabilité et l'énergie dissipée par le matériau. Quelques combinaisons d’essais triangulaires de nanoindentation et d’angles de pointe sont aussi investiguées. On montre que la méthode de nanoindentation à double pointes (cube corner et Berkovich) avec des essais triangulaires charge-décharge s’avère robuste pour extraire tous les paramètres VE. Le recalage de modèle utilisant deux essais expérimentaux de nanoindentation réalisés à 500 nm/min avec les indenteurs cube corner et Berkovich montre que durant l’essai de nanoindentation, le PP ne se déforme pas seulement dans le domaine VE.L’investigation du comportement du PP est étendue en ajoutant la viscoplasticité dans la loi de comportement. Le recalage de modèle VEVP conduit à des solutions multiples des paramètres. L’analyse d’identifiabilité réalisée avec ce modèle illustre que l’identification des paramètres est impossible. On montre aussi que l’identification des paramètres VEP à partir de cette double nanoindentation est difficile.Ces résultats ouvrent la voie à l’utilisation de cet I-index pour concevoir une combinaison d’essais de nanoindentation capable de garantir l’unicité et le caractère intrinsèque au matériau des propriétés extraites
Instrumented nanoindentation is a popular technique to extract the material properties from the measured load-displacement curves. However, the uniqueness and the intrinsic character of the estimated material parameters remain open issues, particularly when viscous phenomena are exhibited. In this thesis, a constitutive viscoelastic-viscoplastic (VEVP) behavior law is implemented in the finite element software ANSYS through a subroutine UMAT with a viscoelastic-plastic (VEP) particular case. The viscoelastic (VE) was treated using the behavior law available in ANSYS. The goal is to extract reliable and intrinsic properties by nanoindentation. In this context, series of nanoindentation experimental tests are carried out on the polypropylene (PP) in displacement-controlled mode using cube corner and Berkovich indenter tips. The Finite Element Model Updating (FEMU) shows that the identification of intrinsic VE properties of PP from single experimental nanoindentation test performed at 1000 nm/min is not possible. In order to quantify the richness of the information contained in the nanoindentation test, an identifiability index (I-index) based on the numerical conditioning of the inverse problem is used. The effect of nanoindentation depth rate, loading type (triangular, trapezoidal, exponential and sinusoidal) and apex angle is numerically investigated using this I-index in the VE case. We show a correlation between the identifiability results and the energy dissipated by the material. Several combinations of nanoindentation triangular tests and indenter tip angles are also investigated. We show that a dual nanoindentation method (cube corner and Berkovich) with triangular load-unload tests is an interesting combination to reliably extract all the VE parameters. The updating process using dual nanoindentation experimental tests conducted at 500 nm/min with cube corner and Berkovich indenter tips shows that under nanoindentation the PP is not only deformed in the VE domain.The investigation of the PP behavior is extended by including viscoplasticity in the behavior law. The updating process of the VEVP behavior law leads to multiple solutions for the values of the behavior parameters. The identifiability analysis carried out using this behavior shows that the identification of the material parameters from this dual nanoindentation data is impossible. We also carried out an updating process and identifiability analysis with the VEP behavior law. The obtained results show that the identification of the VEP parameters is difficult.These results pave the way for the design of a combination of nanoindentation tests based on this I-index to guarantee the uniqueness and the intrinsic character of the extracted properties

La température élevée et l’irradiation prolongée que subissent les aciers inoxydables austénitiques des internes de cuve des réacteurs à eau pressurisée entraînent potentiellement l’apparition de cavités au sein des grains de la structure polycristalline du matériau considéré. Ces cavités peuvent modifier les propriétés mécaniques du matériau. Tout d’abord, ce travail de recherche propose de modéliser le comportement viscoplastique de monocristaux poreux, principalement via trois approches. Premièrement, le monocristal poreux est idéalisé comme un assemblage d’une infinité de sphères homothétiques ; deuxièmement, le monocristal poreux est idéalisé comme un laminé de rang infini ; troisièmement, le monocristal poreux est idéalisé comme une microstructure périodique dont le comportement est évalué par des simulations à base de transformées de Fourier rapides. Ensuite, les estimations pour monocristaux poreux sont exploitées via une démarche de double changement d’échelles pour modéliser le comportement viscoplastique d’un polycristal poreux. En vue d’une application sur les aciers d’étude, les paramètres matériau du modèle polycristallin poreux sont identifiés à partir de simulations sur des microstructures périodiques où localement le comportement cristallin est décrit par une loi de comportement spécialement dédiée à cet acier inoxydable austénitique irradié prenant en compte l’évolution des défauts dus à l’irradiation. De manière générale, ce travail cherche à proposer des outils de modélisation innovants, performants, et applicable à une grande variété de configuration cristalline, mais aussi facilement applicables aux aciers inoxydables auténitiques irradiés
Austenitic stainless steels employed as internals in pressurized water reactor vessels may nucleate intragranluar voids when exposed to prolonged irradiation and high temperature. The voids, almost spherical in shape, modify the mechanical behavior of the material. This work explores three different approaches in order to model viscoplasticity of voided single crystals. The first approach consists in idealizing the voided crystal as a hollow sphere assemblage made of crystalline material. The second approach consists in idealizing the voided crystal as a sequential laminate of infinite rank obeying an isotropic lamination sequence. The third approach consists in idealizing the voided crystal as a periodic medium with a complex unit cell, and computing the mechanical fields numerically via a Fast Fourier Transform algorithm. Then, the estimates for porous single crystals are used to model the viscoplasticity of voided polycrystals via a double up scaling process. Finally, in order to apply the present model to an irradiated austenitic stainless steel, the constitutive material parameters are identified with numerical simulations on periodic unit cells where locally the constitutive behavior is described by a phenomenological model especially devoted to this irradiated austenitic stainless steel, taking account of the evolution of irradiation defects. As a general rule, this work aims at delivering innovative, high-performance modeling tools, applicable to a wide variety of crystalline materials together with irradiated austenitic stainless steels

Ce travail s'inscrit dans le cadre général de l'étude et la modèlisation du comportement viscoplastique des matériaux metalliques dans le domaine des grandes déformations homogènes aux grandes vitesses de déformation, de 10[à la puissance]4 à 10[à la puissance]5 s[à la puissance] -1. Nous définissons une méthodologie permettant de restituer le comportement mécanique de l'acier à blindage Mars 190 et du tantale dans le domaine visé. Dans un premier temps, l'étude des mécanismes physiques de la viscoplasticité montre la nécessite de prendre en compte certains mécanismes fondamentaux de la déformation plastique. A partir de là, l'examen de différentes lois de comportement permet d'extraire le modèle de Preston-Tonks-Wallace, qui restitue notamment le phènomene physique de saturation de la contrainte d'écoulement aux grandes déformations. Dans une deuxième partie, une caractérisation mécanique intègrant l'influence du mode de chargement, de la vitesse de déformation et de la température est menée sur les deux matériaux d'étude. Cette étude expérimentale permet entre autres de déterminer les coéfficients associés aux modèles de Johnson-Cook, Zerilli-Armstrong et Preston-Tonks-Wallace pour chaque matériau. Dans un troisième temps, afin de tester et de valider les modèles, nous concevons et développons un dispositif expérimental capable d'atteindre le domaine d'étude : l'essai d'expansion de sphère. Il s'agit d'imposer une expansion radiale libre à une enveloppe sphérique mince au moyen d'une onde de choc générée par un explosif. A partir de la mesure de vitesse d'expansion radiale, nous pouvons déterminer les contraintes, déformations et vitesses de déformation appliquées à l'enveloppe sphérique au cours du temps. Dans une quatrième et derniere partie, nous évaluons les modèles hors de leur domaine d'identification. Cette validation est effectuee par confrontations expériences/calculs, à l'aide d'essais de validation dont l'experience d'expansion de sphère et l'essai de Taylor.

Ce travail de thèse est une contribution à l’étude de la réponse mécanique en grandes transformations du polyéthylène. Dans une première partie, des observations expérimentales sont données sur la réponse mécanique dépendante du temps de polyéthylènes contenant une large gamme de fractions cristallines. Dans une seconde partie, un modèle de comportement viscoélastique-viscoplastique est développé pour reproduire, lorsque le taux de cristallinité évolue, la transition progressive entre la réponse mécanique typique des thermoplastiques et celle plus typique des élastomères. Afin d’identifier les paramètres du modèle, une méthode déterministe analytique et une méthode numérique, basée sur un algorithme génétique, sont développées. Dans une troisième partie, le modèle de comportement proposé est implanté dans un code de calculs par éléments finis et utilisé pour prédire la réponse d’échantillons multi-couches de polyéthylènes à différentes fractions cristallines. Des comparaisons entre les simulations et les données expérimentales (en termes de réponse mécanique et d’évolution de la striction) mettent en évidence les capacités prédictives du modèle proposé
This PhD dissertation deals with the large-strain mechanical response of polyethylene. In a first part, experimental observations are reported on the time-dependent mechanical response of polyethylene materials containing a wide range of crystal fractions. In a second part, a large-strain viscoelastic-viscoplastic constitutive model is developed to capture the progressive transition from thermoplastic-like to elastomeric-like mechanical response of polyethylene materials, as the crystal content changes. In order to identify the model parameters, an analytical deterministic scheme and a practical, “engineering-like”, numerical tool, based on a genetic algorithm are developed. In a third part, the proposed constitutive model is implemented into a finite element code and used to predict the response of multi-layered polyethylene specimens with different crystal fractions. Comparisons between the simulations and the experimental data (in terms of mechanical response and necking evolution) point out the model predictive capabilities

Les argiles raides sont généralement rencontrées à grande profondeur (plus de 300 mètres). Ces matériaux se caractérisent par leur teneur en eau relativement faible. De nombreux projets industriels justifient l'intérêt récent porté à ces matériaux. La thèse traite en particulier d'argiles raides susceptibles de répondre à des sollicitations par des déformations élastiques, plastiques et viscoplastiques. C'est la prise en compte simultanée d'une rupture engendrant des déformations plastiques et des déformations différées de types viscoplastiques qui font l'originalité de cette thèse. Cette nouvelle approche constitue une amélioration indispensable dans la description du comportement mécanique d'argiles raides. Ce travail est présenté en trois parties : la première partie est consacrée à l'étude expérimentale et à la modélisation du comportement mécanique des argiles raides. Dans cette partie, nous décrivons les matériaux considérés, et les essais réalisés. Nous discutons les résultats et élaborons un modèle viscoplastique avec rupture. La deuxième partie, « Application du modèle VPR au calcul d'un tunnel de section circulaire », est consacrée à l'élaboration d'une solution originale semi analytique et d'un algorithme implanté dans GEOMEC91. La troisième partie, « Application du modèle VPR au calcul 2d axisymétrique des tunnels soutenus et étude paramétrique », montre très clairement l'influence du modèle VPR sur la convergence du tunnel au moment de la pose du soutènement, et par conséquent sur les sollicitations de ce dernier. Les résultats des calculs montrent une forte influence de la cohésion à court terme sur la convergence du tunnel.

Le parc nucléaire français fournissant plus de 75% de la production nationale d'électricité, la puissance des REP doit pouvoir être adaptée à la demande du réseau électrique. Par ailleurs, EDF souhaite augmenter la durée de vie des assemblages combustibles. Ces conditions de service provoquent des interactions répétées entre la pastille et la gaine (IPG) du crayon combustible. Nous présentons dans ce mémoire un modèle décrivant le comportement anisotrope viscoplastique de tubes de gaine en Zircaloy-4 détendu irradiés entre 0 et 4 cycles. L'anisotropie est décrite dans la modélisation au moyen de quatre tenseurs d'ordre 4 affectant les directions d'écoulement, les parties linéaires, ainsi que les restaurations dynamique et statique des variables d'écrouissage cinématique. Le modèle a été identifié à 350°C et 400°C sur des tubes de gainage représentatifs de ceux introduit dans les REP d'EDF. Les effets de la température affectent l'équation d'état ainsi que le terme de restauration statique. Le modèle proposé permet de reproduire des chargements complexes représentatifs d'une IPG à 350°C, 380°C et 400°C. L'irradiation provoque un durcissement et une diminution de la vitesse de fluage des gaines irradiées jusqu'à une fluence de 45. 10 puissance 24 n/m2 (E > 1 MeV). L'évolution des propriétés mécaniques sature au-dessus de cette fluence. Les propriétés élastiques des tubes de gainage ne sont pas modifiés par l'irradiation. L'introduction d'une variable d'état d'endommagement liée à la fluence permet d'imposer une augmentation de l'écrouissage cinématique, ainsi que la diminution du terme de restauration statique. Ce formalisme identifié à 350°C à partir d'essais monotones de traction et de fluage biaxés a été validé grâce aux essais mécaniques réalisés à 380°C et 400°C sur des gaines irradiées. L'application du modèle à un cas réel est illustré par le calcul éléments finis du comportement mécanique d'un crayon combustible soumis à une IPG.

Le présent travail est consacré à l'étude du comportement thermo-hydro-mécanique linéaire et non linéaire des roches poreuses de type argilites par approche de changement d'échelle. A partir des observations microstructurales de ces matériaux, un modèle conceptuel a été proposé. Dans ce modèle, le volume élémentaire représentatif du milieu hétérogène est composé d'une phase matricielle argileuse contenant des inclusions sphériques de minéraux de quartz et de calcite et des inclusions ellipsoïdales aplaties représentant l'espace poreux. Dans un premier temps, le procédé de la modélisation a été exploité par la détermination des propriétés effectives isotropes et isotrope transverses des argilites : la conductivité thermique et les propriétés thermo-hydro-mécanique croisées. En outre, de nombreuses études numériques ont mis en évidence l'influence de la morphologie de l'espace poreux, de la minéralogie et des schémas d'estimation sur les résultats prédictifs. Dans un deuxième temps, nous avons modélisé le comportement mécanique non linéaire (élasto-plastique, élasto-viscoplastique) des roches argileuses. La comparaison entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux disponibles (essai de compression triaxiale, essai de fluage) a confirmé la validation du modèle développé
The present work deals with the linear and non-linear thermo-hydro-mechanical behaviour of porous rocks such as the argillite by the multiscale modelling approach. Based on microstructure observations, a conceptual model was proposed. In this model, the representative elementary volume of a heterogeneous medium is composed of an argillaceous matrix containing spherical inclusions of minerals quartz and calcite and ellipsoidal inclusions representing the pore space. In a first step, the process of modelling has been exploited by determining the isotropic and transversely isotropic effective properties of the argillite: thermal conductivity and thermo-hydro-mechanical properties. Furthermore, many numerical studies have highlighted the influence of the morphology of the pore space, of the mineralogy and of the estimate schemes to the predictive results. In a second step, we modelled the non linear mechanical behaviour (elasto-plastic, elasto-viscoplastic) of argillaceous rocks. The comparison between numerical simulations and available experimental results (triaxial compression test, creep test) confirmed the validation of the model developed

Les vitrocéramiques sont des éatériaux composites ayant à la fois les caractéristiques intéressantes des céramiques et des solides vitreux. Le comportement mécanique des vitrocéramiques dépend étroitement de leur microstructure. L'objectif de ce travail est d'étudier ce double aspect évolution microstruc turale de 1' état verre à 1’état vitrocéramique et le comportement mécanique correspondant. L'étude microstructurale a été réalisée à l'aide de plusieurs techniques : diffusion des rayons X aux petits angles, diffraction des rayons X et microscopie électronique à transmission. Nous avons pu ainsi mettre en évidence les différentes étapes de nucléation et de croissance de la phase cristalline dans ce verre. La première étape correspond à la précipitation de la phase ZrTi04. Ces amas (ou germes) grossissent par coalescence pour atteindre une taille critique C. L'ordre de 50A. Lorsque cette dernière est atteinte la nucléation de la matrice commence à se développer. La phase cristalline ainsi nucléée est identifiée comme la Virgilité. La dernière étape correspond à la croissance de cette phase cristalline. Le comportement mécanique, en particulier, la déformation anélastique et viscoplastique du matériau est analysée à partir des courbes de fluage et de recouvrance de la déformation. Cette analyse a été faite d'une part à partir des lois phénoménologiques et d'autre part par l'application d'un modèle physique de déformation. A travers 1'évolution des paramètres phénoménologiques et physiques nous constatons qu'il y a une corrélation entre la microstructure et le comportement mécanique du matériau. Enfin 1’identification des paramètres phénoménologiques et physiques montre que les deux modes de description sont équivalents. Cependant, l'approche microscopique du modèle physique nous a permis de mieux comprendre les mécanismes qui sont à l'origine de la déformation anélastique et viscoplastique des vitrocéramiques.

Dans ce travail, la caractérisation mécanique de l’interphase entre les zones amorphes et cristallines dans le polyéthylène a été abordée. La caractérisation élastique est effectuée en appliquant deux approches micromécaniques à partir des données de la simulation moléculaire pour la zone interlamellaire. Ces approches micromécaniques sont d’une part le modèle étendu d’inclusion composite, et d’autre part la méthode de double inclusion. Les résultats des deux approches s’accordent parfaitement. Il a été mis en évidence que le tenseur de rigidité de l’interphase n’est pas défini positif, l’interphase est donc mécaniquement instable. La comparaison avec les résultats expérimentaux valide la méthodologie proposée. Pour la caractérisation hyperélastique, l’algorithme hybride proposé consiste à appliquer la loi de comportement d’un milieu continu isotrope, compressible et hyperélastique aux résultats de la simulation de la dynamique moléculaire d’un élément unitaire de polyéthylène. La notion d’optimisation d’un ensemble de fonctions coûts non négatives est l’idée clé de cette partie. Les paramètres hyperélastiques identifiés sont en bon accord avec ceux qui ont été estimés expérimentalement. L’évolution des frontières de l’interphase avec la déformation est le second résultat de cette analyse. La fin du travail est dédiée à la simulation numérique de la grande déformation viscoplastique d’un agrégat de polyéthylène. Le modèle de Gent adopté pour la contrainte de rappel, le tenseur de projection proposé pour l’approche modifiée de Taylor, et l’optimisation multiniveau font parties des contributions apportées
Elastic characterization of the interphase layer in polyethylene is implemented by applying the relationships of two micromechanical approaches, “Extended Composite Inclusion Model” and “Double-Inclusion Method”, to the Monte Carlo molecular simulation data for the interlamellar domain. The results of the two approaches match perfectly. The interphase stiffness lacks the common feature of positive definiteness, which indicates its mechanical instability. Comparison with experimental results endorses the proposed methodology. For the hyperelastic characterization of the interlamellar domain and the interphase layer, the proposed hybrid algorithm consists in applying the constitutive equations of an isotropic, compressible, hyperelastic continuum to the molecular dynamics simulation results of a polyethylene stack. Evolution of the interphase boundaries are introduced as auxiliary variables and the notion of minimizing a set of nonnegative objective functions is employed for parameter identification. The identified hyperelastic parameters for the interlamellar domain arein good agreement with the ones that have been estimated experimentally. Finally, the large, viscoplastic deformation of an aggregate of polyethylene is reexamined. The Gent model adopted for the back stress of the noncrystalline phase, correcting the projection tensor for the modified Taylor approach, and the idea of multilevel optimization are among the contributions made

Ces travaux de thèse sont composés principalement de deux grandes parties de volumes inégaux dont voici le résumé des contenus : Partie I : Elle concerne les problèmes de stabilité et de bifurcation rencontrés dans les matériaux indépendants du temps physique (i.e., élastiques ou élasto-plastiques). Une analyse approfondie et détaillée des différentes études dans ce domaine nous permet de faire une présentation originale et synthétique de la théorie de la stabilité et de la bifurcation. Une illustration de cette théorie est ensuite donnée à travers une collaboration industrielle avec la SNECMA. On y effectue des simulations numériques du formage des aubes de réacteurs d'avions accompagnées d'analyses des états critiques de flambage. Les conclusions de ces simulations montrent clairement la nécessité de tenir compte du comportement visqueux du matériau et motivent ainsi la seconde partie de la thèse. Partie II : La deuxième partie des travaux de thèse est la plus importante quant au volume et au fond. Elle concerne les problèmes de stabilité des matériaux dépendant du temps physique (i.e., visco-élastiques ou visco-plastiques). L'objectif de cette étude est double : D'une part, une modélisation théorique du problème de stabilité des solides visqueux est proposée. Cette modélisation a pour but de poser le problème étudié comme un problème de stabilité de l'évolution quasi statique du solide visqueux considéré. En effet, l'absence d'équilibres pour de telles structures visqueuses nous amène naturellement à étudier la stabilité de leurs évolutions quasi statiques. Ces dernières dépendent bien entendu de la vitesse du chargement, ce qui constitue une source de difficultés dans une telle analyse. Cette façon de poser le problème en termes de stabilité de trajectoires est, à notre connaissance, originale et généralise la notion plus classique de la stabilité d'un équilibre. Elle consiste, en quelque sorte, à mesurer la sensibilité des mouvements aux perturbations extérieures. D'autre part, la recherche de critères assurant la stabilité de l'évolution visqueuse est menée en étroite liaison avec les résultats mathématiques relatifs aux équations différentielles non autonomes. Il est mis en évidence, notamment, que la principale difficulté dans cette analyse vient du caractère non autonome des équations différentielles régissant l'évolution quasi statique visqueuse. Les conditions suffisantes de stabilité auxquelles on aboutit sont obtenues principalement par deux méthodes. La première consiste à construire des fonctionnelles de Lyapunov adéquates à la physique du problème ou à utiliser la méthode de linéarisation autour de la réponse quasi statique. L'autre démarche est plus directe et permet d'établir le critère de stabilité de l'évolution par des considérations de continuité de la réponse par rapport aux données initiales. Cette deuxième démarche a l'avantage de s'appliquer aussi bien aux évolutions visco-plastiques qu'aux évolutions élasto-plastiques. Enfin, l'application de ces différents résultats aux modèles de tiges de Shanley et pour le cas des poutres permet d'illustrer notre méthodologie sur des exemples concrets et de comprendre la portée des critères de stabilité ainsi obtenus.