Dissertations / Theses on the topic 'Rupture criterion'

L'objectif de ce travail de thèse a été de modéliser avec une méthode aux éléments discrets la fracturation en tension, et plus particulièrement la fragmentation dynamique, sur des matériaux fragiles pour de hautes vitesses de déformation. La fragmentation est un phénomène irréversible, non linéaire et aléatoire. Elle intervient dans de nombreux domaines de la vie courante, quelque soit l'échelle considérée. La modélisation numérique de ce phénomène permettrait une prédiction de certains paramètres statistiques de la fragmentation, comme le nombre de fragments, la taille des fragments, la distribution de la taille des fragments, etc. Pour cette thèse, la Méthode des Éléments Discrets (DEM) s'est révélée être un excellent moyen pour simuler la fracturation en raison de sa nature discrète. Toutefois, une bonne méthode de simulation numérique ne suffit pas à elle seule pour modéliser la fragmentation dynamique. Un critère de rupture doit également être inséré, afin d'introduire un endommagement. Ce critère de rupture s'écrit au niveau d'un lien entre deux particules et il engendre un dommage, en faisant décroître la contrainte locale jusqu'à l'obtention d'une fissuration discrète. Dans un premier temps, un critère de rupture de Camacho-Ortiz |24| a été introduit dans une méthode aux éléments discrets. Ce critère se traduit par un endommagement en fonction d'une ouverture de fissure. Ce premier critère a donné de bons résultats comparé à ceux de |69, 88, 97, 143-147| sur la convergence des paramètres de la fragmentation sur des cas simples, mais nécessite un grand nombre de particules. Dans un second temps, afin d'envisager la modélisation de la fragmentation sur des cas plus complexes en trois dimensions à de hautes vitesses de déformation, un second critère de rupture a été introduit. Ce critère de rupture s'appuie sur une approche physique différente, qui prend en compte l'hétérogénéité des matériaux fragiles avec leurs défauts susceptibles d'évoluer et de provoquer une rupture locale. Pour cela, il fait intervenir une loi probabiliste de Weibull afin d'introduire des défauts par élément de volume. Ce critère a été développé par C. Denoual, P. Forquin et F. Hild |29, 33, 42-44|. Tout d'abord, ce second critère de rupture a été testé sur des cas simples en obtenant une convergence des paramètres statistiques de la fragmentation avec un nombre environ $10$ fois moins important de particules que pour la première méthode. Un cas plus complexe en trois dimensions de modélisation de barre d'Hopkinson en trois dimensions a permis de tester de manière " qualitative " la méthode.

L'adhérence moléculaire est une technique d’assemblage basée sur la mise en contact directe de deux surfaces sans utiliser aucune colle ou produit spécifique à l’interface. Une telle opération nécessite que les surfaces à coller soient suffisamment lisses et qu’elles soient suffisamment rapprochées pour provoquer l’adhérence moléculaire. La caractérisation de la tenue mécanique de ce type d’assemblage par des essais mécaniques classiques de type pelage, clivage ou double cisaillement présentent des dispersions de mesures très importantes.Le premier objectif de ce travail concerne la conception et le développement d’un nouvel essai pour l’analyse de l’amorçage de fissure permettant d’obtenir des résultats moins dispersés que les essais classiques notamment pour des colles fragiles de faible épaisseur comme l’adhésion moléculaire. Seul le mode I a été étudié et un montage de type DCB modifié a été proposé pour étudier l’amorçage pour différentes géométries de bord (homogène, concentration de contrainte élevée, …).Le second objectif se propose, en partant des différents résultats expérimentaux obtenues, de comparer des approches (PSC, CC, MZC) qui permettent de prédire l’amorçage de la fissure pour des colles fragiles et en particulier pour l’adhérence moléculaire. L’idée est de proposer une solution simple aux ingénieurs souhaitant prédire la rupture dans un assemblage collé avec une épaisseur de colle tendant vers zéro
Direct bonding by molecular adhesion is a bonding technique based on joining two surfaces into direct contact without the use of any adhesives or additional material. Such an operation requires the surfaces that are to be bonded to be sufficiently smooth and for them to be sufficiently close together to allow contact to be initiated. Mechanical characterization of this type of assembly with classical mechanical test as for instance wedge test, cleavage test or double shear test present a highly defects sensitivity on mechanical results.The first objective of this work concerns the design and the development of a new test for the analysis of crack initiation in order to obtain results less dispersed than conventional tests particularly for fragile adhesives with small thickness as molecular bonding. Only the mode I was investigated and an experimental device based on modified DBC classical test is proposed to study crack initiation with different edge geometries (homogeneous, high stress concentration).The second objective proposed, in starting from the different experimental results obtained, to compare some approaches (PSC, CC, MZC) to predict crack initiation for fragile adhesives and in particular for molecular bonding. The idea is to propose a simple methodology for engineers in order to predict fracture in an assembly bonded with an adhesive thickness close to zero

On cherche à définir un critère de rupture d'éprouvettes trouées en matériau composite stratifiés croisé. Des essais de traction statique uniaxiale, menés sur 3 matériaux (T300-5208, T300-6376, T400-6376) agencés sous différentes séquences d'empilement conduisent à déterminer l'influence de la nature du renfort ou de la matrice sur les mécanismes d'endommagement.

L'objet de ce travail est l'analyse experimentale et theorique du comportement mecanique anisotrope de trois types de stratifies composites carbone/epoxyde (unidirectionnel, croise et quasi-isotrope) dans les domaines de l'elasticite, des deformations irreversibles, de l'endommagement et de la rupture, sous sollicitations uniaxiales monotones et cycliques et sous contraintes complexes. L'instrumentation des eprouvettes par des jauges extensometriques a permis d'acceder aux differentes composantes du tenseur des deformations de green-lagrange. Les techniques experimentales tiennent compte des exigences particulieres des materiaux composites par l'utilisation du montage en doubles rotules ponctuelles en traction et du montage de boehler en compression simple et en compression sous pression de confinement. Les essais ont mis en evidence la forte anisotropie des differents stratifies. Pour les orientations hors-axes des stratifies unidirectionnel et croise, la deformation de distorsion joue un role important pour les modes de deformation et de rupture. Le plan du stratifie quasi-isotrope presente un comportement elastique isotrope et un comportement a la rupture anisotrope. A l'aide des essais cycliques, l'endommagement a ete evalue par les mesures des deformations irreversibles, des evolutions des modules directionnels et des variations relatives des modules directionnels en fonction des deformations irreversibles correspondantes. Sous etats de contraintes complexes, le critere de tsai et wu prevoit mal les resistances directionnelles des stratifies unidirectionnel et croise. La generalisation du critere de boehler, qui comporte trois branches correspondant a trois modes de rupture differents, est en tres bon accord avec les resultats experimentaux. Pour le stratifie quasi-isotrope, le critere de tsai et wu prevoit un comportement isotrope a la rupture, ce qui est en contradiction avec les donnees experimentales ; le critere de boehler prevoit correctement le comportement anisotrope a la rupture de ce stratifie

Les anévrismes intracrâniens constituent une pathologie critique de santé publique liée à la dégradation de la paroi d’artères cérébrales. Il n’existe actuellement aucune méthode permettant d'estimer le risque de rupture d’un anévrisme qui prenne en compte les propriétés mécaniques in vivo de la paroi anévrismale, pourtant reconnues comme essentielles dans le phénomène de rupture. Ce travail de doctorat s'inscrit dans un projet de grande envergure visant à améliorer les critères d’intervention, actuellement disponibles pour les praticiens, en développant un outil d'aide à la décision non invasif se basant sur l’état mécanique du tissu pour en évaluer la probabilité de rupture. Cet outil reposera sur la définition d'une relation entre la forme de l'anévrisme observé par imagerie clinique et une base de données contenant un ensemble d’images cliniques issues d’études préalables, associées aux propriétés mécaniques in vivo de la paroi et à une caractérisation de sa rupture. Pour produire cette base de données, un dispositif de déformation de la paroi anévrismale est développé dans le cadre du projet global. Ce travail doctoral se focalise sur (1) la calibration, l'optimisation et les tests in vitro de ce dispositif sur artères fantômes et (2) l’application in vivo du dispositif sur un modèle animal d'anévrisme intracrânien. Pour ce faire, un modèle numérique de l'expérimentation in vitro a été implémenté et validé au regard des résultats expérimentaux, grâce au développement d’une méthode de validation originale. Ce modèle éléments finis d’interaction fluide-structure a permis d'appréhender les incertitudes d'utilisation du dispositif au sein de l'anévrisme et d’aider au dimensionnement des artères fantômes. Le meilleur compromis en termes d'épaisseur et de souplesse de la paroi des artères fantômes a ainsi été identifié compte tenu des limites des techniques de fabrication. De plus, une procédure d'analyse inverse a été développée de sorte à estimer les caractéristiques mécaniques de la paroi anévrismale in vivo. Son utilisation repose sur la quantification de la déformation engendrée par le dispositif et visualisée par scanner spectral à comptage photonique, technique d’imagerie médicale émergente dont les résolutions spatio-temporelles permettent une sollicitation contrôlée du tissu sans risque accru de rupture. Les propriétés mécaniques identifiées sont cohérentes avec celles issues des caractérisations ex vivo d'anévrismes similaires disponibles dans la littérature. Enfin, un premier critère de rupture patient-spécifique de la paroi anévrismale, prenant en compte l’état de contrainte in vivo dans le tissu, a été proposé
Intracranial aneurysms are a critical public health condition linked to the degradation of the cerebral artery wall. There is currently no method for estimating the risk of aneurysm rupture that takes into account the in vivo mechanical properties of the aneurysm wall, which are believed to be essential in the rupture phenomenon. This doctoral work is part of a large-scale project aimed at improving the intervention criteria currently available to practitioners by developing a non-invasive decision-support tool based on the mechanical state of the tissue to assess the probability of rupture. This tool will be based on the definition of a relationship between the shape of the aneurysm observed by clinical imaging and a database containing a set of clinical images from previous studies, associated with the in vivo mechanical properties of the wall and a characterisation of the rupture. To produce this database, an aneurysm wall deformation device was developed as part of the overall project. This doctoral work focuses on (1) the calibration, the optimisation and in vitro testing of this device on phantom arteries and (2) the in vivo application of the device on an animal model of intracranial aneurysm. To do this, a numerical model of the in vitro experiment was implemented and validated against the experimental results by developing an original validation method. This finite element model of fluid-structure interaction was used to understand the uncertainties involved in using the device within the aneurysm and to help for dimensioning the phantom arteries. The best compromise in terms of phantom artery wall thickness and flexibility was identified, taking into account the limitations of the fabrication techniques. In addition, an inverse analysis procedure was developed to estimate the mechanical characteristics of the aneurysm wall in vivo. Its use is based on quantifying the deformation generated by the device and visualised by spectral photon-counting computed tomography, an emerging medical imaging technique whose spatio-temporal resolutions allow controlled stressing of the tissue without increasing the risk of rupture. The mechanical properties identified were consistent with those derived from ex vivo characterisations of similar aneurysms available in the literature. Finally, a first patient-specific criterion for rupture of the aneurysm wall, taking into account the state of stress in vivo in the tissue, was proposed

Les métaux déposés base nickel sont utilisés pour assembler des composants du circuit primaire des centrales nucléaires à Réacteurs à Eau sous Pression (REP). Un nombre croissant de cas de fissuration par Corrosion Sous Contrainte (CSC) des soudures en alliages base nickel 182 et 82 est rapporté dans le retour d'expérience international ce qui motive le développement d'un modèle permettant de prévoir la fissuration par CSC de ces matériaux. Ce mécanisme de dégradation fait intervenir des paramètres matériaux, mécaniques ou environnementaux qui peuvent interagir entre eux. L'objectif de cette étude est de mieux comprendre les mécanismes physiques locaux (aux joints de grains) impliqués dans l'amorçage de fissures de CSC. Un essai de traction sur une éprouvette en alliage 182 préalablement oxydée en milieu primaire simulé a mis en évidence une dispersion de la sensibilité à l'oxydation des différents joints de grains. L'analyse couplée entre oxydation et fissuration a permis, à l'aide de calculs de micro-mécanique sur un agrégat polycristallin synthétique, de proposer un critère de rupture des joints de grains oxydés défini par un couple profondeur d'oxydation/ contrainte locale critique. Compte tenu du rôle clé que tient l'oxydation intergranulaire dans le mécanisme de fissuration par CSC et de la dispersion observée entre les différents joints de grains, une cinétique d'oxydation intergranulaire des alliages base nickel 182 et 82 a été identifiée prenant en compte la précipitation de carbures de chrome, la température ou encore la teneur en hydrogène dissous. Ce modèle cinétique permet d'aborder statistiquement l'oxydation des joints de grains et est intégré à un modèle d'amorçage local. Dans ce dernier l'amorçage, défini par la fissuration de l'oxyde intergranulaire est suivi d'une phase de propagation lente puis rapide jusqu'à une certaine profondeur de fissure. Des hypothèses simplificatrices ont été faites lors de l'identification des lois embarquées dans le modèle de CSC. Toutefois, celles-ci s'avèreront utiles pour cibler les conditions des futurs essais à mener afin de conforter l'identification des différents paramètres
Nickel base welds are widely used to assemble components of the primary circuit of Pressurized Water Reactors (PWR) plants. International experience shows an increasing number of Stress Corrosion Cracks (SCC) in nickel base welds 182 and 82 which motivates the development of models predicting the time to SCC initiation for these materials. SCC involves several parameters such as materials, mechanics or environment interacting together. The goal of this study is to have a better understanding of the physical mechanisms occurring at grains boundaries involved in SCC. In-situ tensile test carried out on oxidized alloy 182 evidenced dispersion in the susceptibility to corrosion of grain boundaries. Moreover, the correlation between oxidation and cracking coupled with micro-mechanical simulations on synthetic polycrystalline aggregate, allowed to propose a cracking criterion of oxidized grain boundaries which is defined by both critical oxidation depth and local stress level. Due to the key role of intergranular oxidation in SCC and since significant dispersion is observed between grain boundaries, oxidation tests were performed on alloys 182 and 82 in order to model the intergranular oxidation kinetics as a function of chromium carbides precipitation, temperature and dissolved hydrogen content. The model allows statistical analyses and is embedded in a local initiation model. In this model, SCC initiation is defined by the cracking of the intergranular oxide and is followed by slow and fast crack growth until the crack depth reaches a given value. Simplifying assumptions were necessary to identify laws used in the SCC model. However, these laws will be useful to determine experimental conditions of future investigations carried out to improve the calibration used parameters

Ces travaux concernent l’étude numérique et expérimentale d’un panneau composite autoraidi fabriqué par le procédé d’infusion de résine (Liquid Resin Infusion LRI). Le procédé LRI permet d’intégrer des structures sur les peaux d’un panneau représentatif d’un fuselage composite. Dans l’étude numérique, des modèles éléments finis sont réalisés, pour étudier le comportement global du panneau en post-flambement. Cela permet de mettre au point un dispositif d’essai. L’approche expérimentale consiste en l’application de différentes méthodes pour contrôler la pièce et réaliser l’essai. Des essais de caractérisation sont aussi réalisés pour obtenir les propriétés mécaniques nécessaires à l’élaboration de modèles numériques locaux, permettant de décrire la décohésion des structures intégrées
These works are related to the numerical and experimental study of a composite stiffened panel, which is manufactured by a resin infusion process (Liquid Resin Infusion LRI). This manufacturing process allows structures to be integrated onto the skins of a panel being representative of a composite fuselage. Finite element models are built along with the numerical study, in order to deal with the post-buckling global behaviour of this panel. This leads to perfect a test set-up addressed during the experimental investigation. Several experimental methods are used to check the test panel and achieve the test. Material properties are also determined through material testing intended for the development of local numerical models, describing the integrated structures decohesion

Les matériaux composites sont utilisés dans le domaine maritime depuis des dizaines d’années que ce soit par exemple pour les éoliennes offshore ou encore les navires militaires étant donné leurs propriétés intrinsèques avantageuses pour de telles applications (faible masse, faible signature magnétique ...). Jusqu’ici les composites employés sont surtout composés de fibres de verre et de matrice polyester. Cependant, les demandes croissantes de navires toujours plus légers et rapides conduisent peu à peu les industriels à se tourner vers les composites à haute performance composés de fibres de carbone et de matrice époxyde. L’utilisation de cette nouvelle génération de matériau nécessite de connaître l’influence de l’endommagement plan, qui peut être d’origine hydrique ou mécanique, sur leur tenue hors-plan. Cette étude a montré une diminution importante de l’enveloppe de rupture du matériau étudié lorsqu’il a séjourné en eau de mer jusqu’à saturation. La résistance en traction hors-plan du composite n’est quant à elle que très peu affectée par la présence de fissures transverses dans le matériau, quel que soit son état de vieillissement. Des travaux ont également été menés sur des assemblages composites collés et mis en avant à la fois la chute de la tenue de l’assemblage due à la présence d’eau de mer dans la matrice époxyde, mais également la nécessité de la prise en compte du couplage endommagement plan/endommagement hors-plan pour la prédiction de la tenue hors-plan de tels assemblages. Enfin, différentes méthodes de prédiction ont été utilisées pour valider les résultats expérimentaux confirmant ainsi l’importance de la prise en compte de l’endommagement plan sur la tenue hors-plan des composites et des assemblages composites collés
Composite materials have been used in marine applications for decades for offshore windmills or even battleships because of its intrinsic properties which are assets for such applications (low weight, low magnetic signature...). Until now the composites used are almost made of glass fibers and polyester matrix. However the increasing demand for faster and lighter ships gradually leads manufacturers to turn to high performance composites made of carbon fibers and epoxy matrix. Using this new generation of material requires knowing the influence of the in-plane damage which can be due to water or mechanical damage on its out-of-plane strength. This study has shown a significant reduction of the out-of-plane failure envelope of the studied material after an extended stay in seawater until the saturation point.The out-of-plane tensile strength of the composite is very little affected by transverse cracking in the material whatever the aging state. Work has also been carried out on composite bonded assemblies and pointed out, on the one hand, the drop of the assembly strength because of the water aging and, on the other hand, the necessity to take into account the coupling between in-plane and out-of-plane damage for the prediction of the out-of-plane strength of such assemblies. Finally, different methods of prediction have been used to validate the experimental results confirming the importance to take into account the in-plane damage to predict the out-of-plane strength of composites and composite bonded assemblies

Les lanceurs spatiaux sont des structures complexes associant une multitude de composants. L’assemblage de ces éléments doit répondre à un niveau de performance élevé. Le collage structural demeure un bon candidat en raison des nombreux avantages qu’il présente. Cependant, cette technologie montre des inconvénients. En raison des changements brusques de géométrie et de propriétés matériaux, des concentrations de contraintes apparaissent aux extrémités du joint de colle. Ce phénomène appelé effets de bords est néfaste pour la tenue mécanique de l’assemblage collé. La présence des effets de bords exclut l’utilisation de critères en contrainte utilisés classiquement. Le dimensionnement d’assemblages collés requiert des outils fiables prenant en compte ces effets de bords. Dans cette étude, un modèle de ruine incrémentale, associant une approche en contrainte et en énergie, est utilisé. L’utilisation de cet outil dans un cadre industriel, impose de répondre aux besoins d’un Bureau d’Études, notamment en termes de coût de calculs. Afin de le diminuer, une implémentation semi-analytique, est tout d’abord développée. Puis, une seconde méthode d’implémentation, basée sur la méthode des Eléments Finis, permet une prévision plus précise de la ruine d’un assemblage. La pertinence de ces deux approches a été vérifiée pour plusieurs configurations de joints collés. Des campagnes d’essais, destinées à confronter les résultats expérimentaux aux prévisions numériques, ont été réalisées. Dans le cadre de ce travail, un montage de collage et d’essai pour assemblages tubulaires a en particulier été développé. L’objectif du pré-dimensionnement est d’identifier une zone d’intérêt dans l’ensemble du domaine d’étude. Aussi, une étude paramétrique peut être requise afin de réaliser cette tâche. Afin de réduire le coût de calcul, une méthode d’interpolation spatiale appelée Krigeage a été mise en œuvre, et permet la construction efficace d’une surface de réponse
Space Launchers are complex structures composed of a large number of elements. The assembling of these components must show a high level of reliability. The use of adhesive bonding technology is an interesting solution since it presentsseveral assets compared to “classical” joint techniques (such as riveting, bolting and welding), mainly because it can help to construct lighter and less energy consuming systems However„ the implementation of adhesives also has somedrawbacks. Due to the strong variations of geometrical and material properties, stress concentrations appear at the extremities of the joint. This phenomenon; called edge effects; has a great influence on the failure of the bond. As a result, the simple use of a classical stress or energetic criteria is not appropriate to predict the fracture of such structures. Therefore, it is obvious that the design of bonded assemblies requires reliable tools to take the edge effects into account. In this work an incremental failure model, which combines the stress and energetic criteria, is used. In order to decrease the computational cost, a semi-analytical application of this model is proposed. This is intended to make the approach more interesting to be implemented in an industrial environment. The accuracy of the prediction of the failure load is enhanced by means of the Finite Element method. The reliability of both the semi-analytical and Finite Element approaches is verified by comparing the model predictions with experimental data issued from double-notched Arcan and tubular specimen geometries. The aim of the pre-design phase is to identify the critical area in the whole range of the application of the studied geometry. Therefore, the realization of a parametric study is required in order to build a response surface. In the present study, this has been achieved by means of spatial interpolation using the Kriging model

L’athérosclérose est une maladie artérielle chronique qui est une des causes majeures d’accidents vasculaires cérébraux et de crises cardiaques. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre certains facteurs spécifiques impliqués dans le dévelopement de cette maladie en abordant cette problématique sous l’angle de la mécanique.Deux types de cellules qui jouent un rôle important dans le dévelopement et la progression de l’athérosclérose sont les cellules endothéliales adhérentes et les leucocytes non-adhérents (les globules blancs). Nous avons développé deux systèmes capables de mesurer les propriétés mécaniques de ces deux grands types cellulaires. Le premier, appelé “indentation de profil”, utilise des micropipettes et des microindenteurs pour indenter la cellule, tandis que le second utilise la microfluidique pour soumettre les cellules à une contrainte d’élongation.De plus, nous nous sommes demandé si la mécanique pouvait nous aider à comprendre quand les déformations des cellules, ou les contraintes exercées sur elles, pouvaient les endommager.En effet, lorsque les plaques d’athérosclérose obstruent une partie trop grande du flux sanguin, le traitement le plus courant consiste à rouvrir le vaisseau avec un ballon et à le maintenir ouvert au moyen d’une endoprothèse artérielle, qui est un petit dispositif maillé et tubulaire. Cette procédure exerce des contraintes de compression considérables sur l’endothélium et l’endommage. Nous avons donc cherché à trouver un critère physique prédictif de la rupture de la membrane des cellules endothéliales en compression, puis avons comparé cela aux contraintes exercées sur l’endothélium durant la pose d’une endoprothèse artérielle, afin de voir si les dommages faits à l’endothélium pouvaient potentiellement être évités.De façon similaire, nous avons cherché à obtenir un critère physique prédictif de la rupture de la membrane des leucocytes. Nous avons ensuite comparé les déformations maximales possibles des leucocytes selon que ces déformations soient passives (comme lors du passage dans la microvasculature) ou actives (comme lors de la traversée de l’endothélium par les leucocytes)
Atherosclerosis is a chronic disease of the arteries that is a major cause of heart attacks and strokes. This thesis aims to provide novel insight into this disease by looking at specific factors involved in its development from a mechanical standpoint.Two important cell types involved in the development and progression of atherosclerosis are adherent endothelial cells and non-adherent leukocytes (white blood cells). We developed two devices that are able to measure the mechanical properties of both of these cell types. The first one, termed “profile microindentation”, uses micropipettes and microindenters to indent the cell, while the second one uses microfluidics to submit cells to an extensional stress.Further, we wondered if mechanics could help us understand when deformations undergone by cells, or stresses exerted on them, could become harmful.As a matter of fact, when atherosclerotic plaques occlude too much of the blood flow, the most common treatment consists of reopening the vessel with a balloon and keeping it open with a tubular wired mesh called a stent. This procedure exerts considerable compressive stress on the endothelium and is known to be associated with extensive endothelial damage. Hence, we seek to find a physical criterion that is predictive of endothelial cell membrane rupture under compression and to compare this to the stress exerted on the endothelium during the stenting procedure, to see if endothelial damage could potentially be avoided.Similarly, we seek to obtain a physical criterion that is predictive of leukocyte membrane rupture. We then compare and contrast the maximum possible deformations of leukocytes depending on whether those deformations are passive (such as when going through the microvasculature) or active (such as when leukocytes traverse the endothelial barrier)

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
The new contributions of present thesis are an alternative experimental waviness method and a new theoretical model for evaluation of limit strains of sheet metal forming in the automotive industry, employing the analysis of roughness and waviness parameters evolution with the equivalent plastic strain and a new ductile rupture criterion as function of stress triaxiality. For validation of proposed experimental waviness method and rupture criterion, specimens of IF steel sheet of thickness 0.72mm, 0.82mm and 0.85mm were tested under tensile test and Nakazima sheet forming test with Marciniak flat punch. The specimens were deformed in incremental steps in different strain path such as: balanced biaxial stretching, plane strain, uniaxial tension and pure shear. Present proposed method consider that roughness and waviness parameters are important surface quality index and useful as indicator of onset of visible local necking and should be monitored in sheet metal forming. Thus, a Waviness Limit Curve, WLC, is proposed to be plotted in Map of Principal Limit Strains (MDLC) of sheet metal as an alternative to the forming limit strain curve, FLC. Various parameters of roughness and waviness such as arithmetic average roughness (Ra), maximum peak-valley roughness (Rt), arithmetic average waviness (Wa), total heigth peak-valley waviness (Wt), maximum peak height waviness (Pp) and maximum valley depth waviness (Pv) were measured during the uniaxial and biaxial testing. Tensile test of IF steel specimens at 0º, 45º and 90º to the rolling direction, RD, and Nakazima type of IF steel specimens at 0º RD only, in which a mesh of 2.5mm circles were printed, were employed. During the uniaxial and biaxial testing, the following plastic deformations were calculated in each straining step from the printed circles in the sheet surface: major true strain (1) and minor true strain (2). Parameters of roughness and waviness versus equivalent plastic strain curves were plotted to obtain a phenomenological equation of 4th and 3rd degree polynomials, using the Hill 1979 yield stress criterion. Furthermore, the growth rate of parameters Wa and Wt with equivalent plastic strain were calculated. From the growth rate, it was possible to conclude that the sheet 12 thickness imperfections, measured by Wa and Wt, evolve during material deformation, being possible to predict with accuracy the influence of equivalent plastic strain in the onset of local necking. From the experimental analysis, it was concluded that the maximum peak-valley waviness parameter (Wt) was the best option to chacaracterized the beginning of local necking in IF steel sheet forming. Thus, from the analysis of waviness growth rate parameters, Wa and Wt, during plastic strains, it was possible to propose a criterion of local necking inception. This allowed to obtain and plot an experimental Waviness Limit Curve (WLC) in the map MDLC: the beginning of local necking was established when the normalized parameter Wt* (=Wt/Wto) attained a critical value Wt*= 2.5, but with distinct values of equivalent strains. A second mathematical model was proposed for local necking criterion to obtain the FLC of IF steel sheets, employing stress triaxiality analysis and the Hill 1979 yield stress criterion. 2nd degree polynomials were obtained from plotted and adjusted phenomenological curves in graphs of equivalent strain at rupture versus stress triaxiality, considering the different plastic strain path in the formability testing. The IF steel specimens showed ductile rupture, according to scanning electronic microscope examinations, which showed that rupture occurred due to formation, growth and coalescence of large quantity of pores in many specimens of balanced biaxial (BB) and plane strain (DP). Also, mixed rupture of ductile type due to shear mechanisms in certain regions of tensile test (TS) and Nakazima uniaxial tension (UTN) specimens were shown.
As propostas de ineditismo da presente tese foram mostrar um método experimental alternativo de rugosidades e um modelo teórico de ruptura novo para se avaliar as deformações limites de conformação de chapas metálicas da indústria automobilística, empregando-se uma análise da evolução dos parâmetros de ondulação da rugosidade com a deformação plástica equivalente e um critério de ruptura dúctil em função da triaxialidade das tensões. Para validação do método experimental de rugosidades e do critério de ruptura propostos, utilizou-se corpos de prova de chapas de aço IF de 0,72mm, 0,82mm e 0,85mm de espessura, que foram submetidas aos ensaios de tração simples e ensaio de estampagem tipo Nakazima com punção plano de Marciniak. As amostras foram sujeitas a deformação incremental em diferentes trajetórias de deformação, tais como: estiramento biaxial balanceado, deformação plana, estiramento uniaxial e cisalhamento puro. O presente método proposto considera que parâmetros de rugosidade e ondulação são índices importantes de qualidade da superfície e servem como indicador preciso do início da estricção local visível e devem ser monitorados na conformação de chapas metálicas. Portanto, propõe-se traçar uma Curva Limite de Ondulação da Rugosidade, CLOR, no Mapa das Deformações Principais Limite de Conformação (MDLC) das chapas metálicas como alternativa da curva limite de conformação, CLC. Vários parâmetros do perfil de rugosidade e da ondulação da rugosidade tais como a rugosidade média aritmética (Ra), altura máxima pico-vale (Rt), ondulação média aritmética (Wa), a altura máxima da ondulação pico-vale (Wt), altura máxima de pico da ondulação (Pp) e profundidade máxima de vale (Pv) foram medidos durante os ensaios uniaxiais e biaxiais. Foram utilizados corpos de prova de aço IF em tração simples a 0º, 45º e 90º da direção de laminação, DL, e corpos de prova tipo ensaio Nakazima de aço IF somente a 0º DL nos quais foram impressos uma malha de círculos de 2,5 mm de diâmetro. Durante os ensaios uniaxiais e 10 biaxiais, as seguintes deformações plásticas foram calculadas em cada etapa a partir da malha de circulos impressos na superficie da chapa: a deformação verdadeira longitudinal maior (1) e a deformação verdadeira transversal menor (2). Curvas dos parâmetros de rugosidade e ondulações versus deformação plástica equivalente, empregando-se o critério de escoamento plástico de Hill (1979), foram traçados para se obter equações fenomenológicas do tipo polinomial de 4° e 3° graus. Além disso, foram calculadas as taxas de crescimento dos parâmetros Wa e Wt com a deformação plástica equivalente. A partir das curvas de taxas crescimento, foi possível concluir que as imperfeições na espessura da chapa, medidas por meio de Wa e Wt, evoluem durante a deformação do material, sendo possível prever com precisão a influência da deformação plástica equivalente no início do surgimento da estricção local. Concluiu-se então que o parâmetro da altura máxima total pico-vale das ondulações (Wt) é a melhor opção para caracterizar o início da estricção local em chapas de aço IF. Portanto, a partir da análise das taxas de crescimento dos parâmetros de ondulação, Wa e Wt, durante as deformações plásticas, foi possível propor um critério para o surgimento da estricção local. Isto permitiu obter e traçar a curva experimental de Limite de Ondulação da Rugosidade, (CLOR), no Mapa MDLC: o início da estricção local foi quando o parâmetro normalizado Wt* (=Wt/Wto) atingiu o valor crítico Wt*=2,5, mas com valores distintos da deformação equivalente. Um segundo modelo matemático foi proposto como critério de estricção local para obtenção da CLC de chapas de aço IF, empregando-se análise da triaxialidade de tensões e o critério de escoamento plástico de Hill (1979). Foram obtidos polinômios de 2º grau por meio de curvas fenomenológicas ajustadas e traçadas nos gráficos de triaxialidade de tensões versus deformação equivalente de ruptura, considerando-se as diferentes trajetórias da deformação plástica dos ensaios de conformabilidade. As amostras de chapa de aço IF mostraram ruptura dúctil conforme exame no microscópio eletrônico de varredura, o qual mostra que a fratura ocorreu devido a formação, crescimento e coalescência de uma grande quantidade de espaços vazios ou poros na maioria dos corpos de prova tipo Biaxial Balanceado (BB) e Deformação Plana (DP). Também, as amostras apresentaram fraturas mistas do tipo dúcteis e com mecanismos de cisalhamento em determinadas regiões das amostras fraturadas em Tração Simples (TS) e Tração Uniaxial de Nakazima (UTN).

Ce travail est consacre a une analyse theorique en vue de modeliser le phenomene de propagation de fissures dans un milieu suppose elastique, lineaire, homogene, isotrope (sans forces de masse), en etat de deformation plane. Dans ce cadre d'hypotheses, la situation la plus generale est envisagee (arbitraire sur la geometrie initiale du corps et de la fissure; arbitraire sur le chargement). Une telle entreprise necessite la formulation du critere de propagation, appele a porter sur des quantites convenablement identifiees et l'on peut anticiper que ces quantites representatives seront les facteurs d'intensite de contraintes k::(1)(s), k::(2)(s) a l'extremite de la fissure, au cours de sa propagation (s : abscisse curviligne le long de la courbe propagee). Dans ces conditions, nous nous sommes proposes d'etablir les expressions k::(1)(s), k::(2)(s), plus precisement sous forme d'un developpement vis-a-vis de la variable s, puis de justifier que le critere s'exprime effectivement a l'aide de ces quantites. En particulier, l'equation k::(2)(s) = 0 regit l'evolution geometrique de la fissure en cours de propagation et permet d'envisager une description numerique de cette propagation

Ce travail a pour objet l'application a un composite fortement heterogene d'un modele micro-macro variationnel pour les materiaux heterogenes a comportement non lineaire et a repartition aleatoire des heterogeneites. Ce modele, dit modele extremal heterogene, realise, a l'aide d'un parametre d'heterogeneite r, une transition continue entre les deux bornes, inferieure et superieure, de reuss-voigt-hill. Le modele est applique a la recherche du critere de resistance d'un mortier renforce de fibres metalliques (m. F. M. ). Le comportement des materiaux constitutifs est considere rigide-plastique et le calcul s'effectue en contraintes planes. On est amene a definir successivement deux modelisations du m. F. M: (i) une modelisation a fraction volumique, simple a mettre en uvre, et (ii) une modelisation plus complete integrant la forme de la fibre et le comportement a l'interface fibre-mortier. La modelisation (ii) necessite le couplage de la theorie de l'homogeneisation des milieux periodiques et du modele extremal heterogene. Le calcul d'homogeneisation fournit une famille de criteres de resistance du m. F. M. Dependant du parametre d'heterogeneite r. Afin d'obtenir le critere definitif, nous pratiquons le calage d'un calcul numerique (charge limite d'une plaque en traction) sur les essais experimentaux correspondants. Les previsions numeriques sont ensuite comparees a des essais experimentaux de plaques en compression et de poutrelles en flexion

Les tubes métalliques de précision sont largement utilisés pour des applications biomédicales. De tels tubes sont fabriqués par étirage à froid car ce procédé garanti le meilleur aspect de surface, le plus grand contrôle des dimensions du tube et le contrôle des propriétés mécaniques. L'objet de cette étude est de modéliser le procédé d'étirage de tube sur mandrin afin d'en améliorer la compréhension et de construire un outil permettant l'optimisation du procédé et de prédire la rupture des tubes en étirage. La construction du modèle élément finis s'appuie sur la réalisation d'essais expérimentaux afin de caractériser les propriétés mécaniques des matériaux et le frottement entre le tube et les outils d'étirage (mandrin, filière). Le comportement mécanique des alliages est caractérisé par des essais de traction sur tube, des essais de traction sur des éprouvettes découpées dans différentes orientations dans un tube déplié et des essais de gonflement de tube. Pour ces derniers, une machine et un outillage de gonflement de tubes ont été développés spécifiquement. Par le biais de ces essais différents aspects ont été étudiés : la viscoplasticité, l'anisotropie plastique, l'hétérogénéité des propriétés dans l'épaisseur du tube, la thermomécanique. Les coefficients de frottements ont été identifiés par analyse inverse sur des essais d'étirage instrumentés par des cellules d'effort. Des essais d'étirage ont été spécifiquement conçus en modifiant la géométrie du mandrin afin de conduire à la rupture des tubes lors de l'étirage. L'objectif de tels essais étant d'identifier la limite de formabilité des tubes. L'approche choisie pour prédire de la rupture a été d'utiliser des critères de ruptures qui pouvaient être calibrés sur des essais de traction uniquement. Les critères ont été calculés au cours de la simulation numérique de l'étirage sur mandrin et ils ont été évalués par rapport à leur capacité à prédire les réductions de section et d'épaisseur maximales. Enfin, des méthodes analytiques de calcul d'effort d'étirage ont été développées et comparées à la modélisation éléments finis.

Ce travail vise à améliorer la compréhension et la modélisation de la rupture des matériaux métalliques à gradient de propriétés. L'application se fait sur des pignons en acier 20MnB5 carbonitrurés insérés dans un "recliner", mécanisme de sécurité des siègesautomobiles. Le traitement de carbonitruration consisteà enrichir en carbone et azote une couche externe despièces en les chauffant dans le domaine austénitiquedans une atmosphère riche en ces deux éléments. Puisles pièces sont trempées afin de déclencher unetransformation martensitique. On obtient ainsi unmatériau à gradient de propriétés, intéressant pour despièces de transmission de puissance comme lesengrenages. Ce projet a commencé par l’analyse de larupture de mécanismes de sièges en test industriel. Celaa confirmé le double comportement à rupture binaire dumatériau : fragile sur une couche externe, ductile àl’intérieur. Un banc d’essai, spécialement conçu pour ceprojet, soumet une dent à un effort latéral jusqu’àrupture complète. Des observations in situ sonteffectuées et la courbe force-déplacement estenregistrée, montrant la diversité de comportement enfonction de la profondeur d'engagement des dents et dela présence ou non de la couche carbonitrurée. Desessais de traction, de flexion 4 points et de cisaillementsur éprouvettes papillons sont utilisés pour mesurer lespropriétés plastiques et calibrer les critères de rupturede la couche carbonitrurée comme de l'acier de base. Laplasticité de Von Mises avec une loi d'écrouissagesimple rend très bien compte de tous ces essaismécaniques. Différents critères de rupture ductile issusde la littérature sont calibrés; ils ne parviennent pas àreprésenter correctement tous les essais réalisés.Un critère plus adapté est donc proposé enconclusion de cette campagne expérimentale. Lasimulation de la rupture dans LS-Dyna est réaliséeavec une technique d'érosion d'éléments dont leslimitations sont discutées. La comparaison avec larupture de dent expérimentale permet d'évaluer lescritères numériques identifiés et d'analyser leslimites actuelles de la simulation, en particulier lanécessité de prendre en compte plus finement àl'avenir le gradient de propriétés mécaniques ainsique les contraintes résiduelles de compression dela couche carbonitrurée
This work aims at a better understanding and modeling of the failure of gradient metallic materials. It is applied to carbonitrided pinions made out of 20MnB5 steel, inserted in a "recliner", a safety mechanism of automotive seats. Carbonitriding induces high surface hardness while preserving significant core ductility. The experimental analysis of the fracture behavior of seat recliners in an industrial test confirmed the dual failure behavior of the component : brittle external layer, ductile core material. A test bench has been specifically designed for the project: one tooth is submitted to a lateral force until complete failure. In situ observations are performed and the load-displacement curve recorded, showing a variety of behaviors as a function of the teeth engagement depth and of the presence or not of the carbonitrided layer. Experimental tests with various tress states were conducted to measure plastic properties as well as to calibrate fracture criteria, for the carbonitrided layer and for the core steel. Von Mises plasticity and a simple strain hardening curve fit very well all these experiments. As fracture criteria from the literature were unable to predict failure correctly for all the mechanical tests, an adapted criterion has therefore been proposed as an outcome of this extensive mechanical testing campaign. Fracture simulation in LS Dyna has been performed using the element erosion technique, the limitations of which are discussed. Comparison with the experimental tooth fracture measurements allows evaluation of the proposed failure criteria, and enables to stress out and discuss the present limits of the simulation, concluding that it will be necessary in future work to account more finely for the mechanical property gradient together with the compressive residual stresses in the carbonitrided layer

O presente trabalho visa o estudo e avaliação de diversos modelos de falha através de ensaios experimentais e análises numéricas. A caracterização do material foi feita por meio de ensaios de tração de espécimes com e sem entalhe e de cisalhamento, para prover dados em uma ampla faixa de triaxialidade. A calibração dos parâmetros necessários para cada modelo de falha ocorreu através da obtenção das componentes de tensões e de deformações na região de ruptura, obtidas por meio de análises numéricas destes ensaios. O critério da máxima deformação plástica equivalente, modelo de dano de Johnson-Cook e critério da máxima tensão cisalhante foram aplicados em um caso de impacto em pára-choque. Diversos ensaios de impacto foram realizados até a que se atingisse a ruptura satisfatória do componente. Os ensaios foram modelados em elementos finitos, através do programa comercial LS-Dyna®, sendo que os modelos de falha calibrados foram aplicados para o ensaio onde se ocorreu ruptura. Houve boa concordância entre os resultados obtidos numericamente e experimentalmente, respeitadas as observações realizadas acerca da especificidade deste caso de impacto em baixa velocidade.
The aim of the present work is an assessment of several fracture models through experiments and numerical simulations. Tensile tests with notched and unnotched specimens were carried out to provide the material characterization in a wide range of stress triaxiality. The calibration of the parameters required by the fracture models was enabled by the parallel numerical simulation of the tensile tests, providing information on the stress and strain components at the failure locus. The constant equivalent strain criterion, the Johnson-Cook failure model and the maximum shear stress failure criterion were applied in a bumper beam impact case study. Several low speed impact tests were carried out in order to result in the components rupture. Numerical simulation of the experiments was performed using commercial finite element code LS-Dyna®. Good correlation of experiments and numerical simulations was achieved when considering this particular low speed case study.

Ce travail consiste à une étude expérimentale et numérique du comportement et de la résistance de matériaux composites stratifiés soumis à un impact faible vitesse/faible énergie. L’objectif principal porte sur le développement d’un modèle robuste capable de prévoir la réponse de composites stratifiés en statique et dynamique, en se basant sur des observations expérimentales précises. Des essais d’impacts ont été réalisés au moyen d’une tour de chute instrumentée par caméras rapide pour suivre l’évolution des endommagements en temps réel. L’étude éléments finis 3D d’impact en dynamique explicit permet de juger de l’applicabilité des critères de rupture et des méthodes d’évolution des dommages. Divers modèles d'endommagement progressif sont mis en œuvre pour prédire l'initiation et l'accumulation des dommages dans un stratifié composite NCF. Des éléments cohésifs sont également insérés entre les plis adjacents pour rendre compte de la délamination entre plis. Dans un deuxième temps, le modèle a été valider pour la simulation de manière fiable l’évolution des mécanismes jusqu’à la rupture, dans des situations de chargement quasi-statique. Dans ce cas, le composite NCF est modélisé à l’aide d’un modèle unitaire constitutif à l’échelle méso, et présentant des régions idéalisées de la matrice polymère et des mèches imprégnés. Le modèle unitaire idéalisé est défini sur la base de données provenant d’analyse d’image. La méthodologie proposée est générique, elle utilise une représentation par éléments 3D de la pièce pour l’analyse globale, ainsi que la non-linéarité de la matrice et la réponse local à l’endommagement
This work consists of an experimental and numerical study of the behavior and strength of laminated composites subjected to a low velocity/low energy impact. The main objective is to develop a robust model capable of predicting the static and dynamic response of laminated composites, based on accurate experimental observations. Impact tests have been performed using a drop tower instrumented with high-speed cameras to monitor the evolution of damage in real time. The 3D finite element study of impact in explicit dynamics allows to judge the applicability of the failure criteria and the damage evolution methods. Various progressive damage models are implemented to predict the initiation and accumulation of damage in an NCF composite laminate. Cohesive elements are also inserted between adjacent plies to account for inter-ply delamination. In a second step, the model has been validated to reliably simulate the evolution of the mechanisms until failure, under quasi-static loading situations. In this case, the NCF composite is modeled using a unitary constitutive model at mesoscale, and presenting idealized regions of the polymer matrix and impregnated wicks. The idealized unitary model is defined on the basis of data from image analysis. The proposed methodology is generic, using a 3D elemental representation of the part for the global analysis, as well as the non-linearity of the matrix and the local response to the damage

A pesquisa parte do fato de que os métodos semiempíricos de estimativa da capacidade de carga de estacas não devem ser empregados indiscriminadamente em qualquer região do país sem as devidas adequações às características do solo local. Constata-se, com isso, que não existem metodologias específicas para proceder tais adequações e que o meio técnico acaba por realizar a mera classificação dos métodos em conservador ou contra a segurança, o que se constitui num certo paradigma. Assim, o presente trabalho propõe uma Metodologia Semiempírica Unificada (MSU), em três etapas. Na primeira delas, o projetista estima a capacidade de carga a partir da otimização das melhores práticas adotadas pelos diversos métodos semiempíricos utilizados no Brasil. Discutem-se ainda o embutimento da ponta e a criação de novos métodos semiempíricos. Na segunda etapa, realiza-se a verificação de desempenho com base nos critérios de ruptura aplicados à curva carga-recalque de provas de carga. Nessa etapa, as imprecisões do dito paradigma são apontadas e faz-se uma nova proposta de aplicação dos critérios de ruptura. Na terceira etapa, faz-se uma retroanálise para aferição da estimativa semiempírica unificada da primeira etapa. Propõe-se, assim, o uso da separação das parcelas de atrito e ponta por meio de métodos de transferência de carga, bem como pela proposta de ajustes polinomiais, no caso de ensaios instrumentados. A análise crítica desse processo gerou a proposta de uma nova abordagem matemática da transferência de carga. A correção dos valores adotados para os coeficientes semiempíricos de cada camada, individualmente, é feita pela proposta de aplicação do conceito de Hierarquia dos Solos (AMANN, 2000). Os resultados de correção dos métodos semiempíricos, contudo, são específicos para o solo de cada local em estudo. Assim, são utilizados, como exemplo, ensaios em diversas regiões do país, o que permite a verificação da aplicabilidade da metodologia proposta.
The research starts from the fact that the semiempirical methods for estimating the pile load capacity shouldn\'t be used indiscriminately in any country\'s region without making proper adjustments to the local soil characteristics. It is verified, from this, that there are no specific methodologies to make such adjustments and the geotechnical engineers find themselves forced to perform a simple classification of the methods in \"conservative\" or \"against the safety\", which constitutes a form of paradigm. In this context, this paper proposes a Unified Semiempirical Methodology (MSU) in three steps. In the first, the designer estimates the foundation load capacity from the optimization of best practices adopted by different semiempirical methods used in Brazil. A discussion is also made the toe embedment and the creation of new semiempirical methods. In the second step, the verification of the foundation performance is carried out, based on the failure criteria applied to the load-settlement curve of load tests. At this step, the inaccuracies from that paradigm are outlined and a new proposal is made for applying the failure criteria. In the third step, a backanalysis is accomplished to admeasure the unified semiempirical estimative from the first step. It is, thus, proposed to separate both shaft friction and toe resistance from the total load, by means of load transfer methods, and by the proposal of polynomial adjustments in the case of instrumented piles. With the critical analysis of this process, a new mathematical approach to load transfer is presented. The correction of the coefficients of the semiempirical methods is made by the application of the Soils\'s Hierarchy concept (AMANN, 2000). The results of semiempirical methods correction, however, are specific to the soils of each particular site. The applicability, of the proposed methodology, is illustrated using pile load tests from various parts of the country.

L'usage des matériaux composites, et en particulier des stratifiés d'unidirectionnels, ne cesse de croître dans les structures aéronautiques en raison de leur rapport masse/rigidité/résistance très intéressant. Leur utilisation s'étend désormais aux structures primaires (jusqu'ici en matériaux métalliques) des futures gammes d'avions. Dans les structures vitales de l'avion, les pièces en composites contenant des cornières composites sont de plus en plus nombreuses. Ces pièces sont soumises à des sollicitations complexes qui induisent des modes de rupture tridimensionnelle. Or, la tenue mécanique hors-plan est l'une des principales faiblesses des stratifiés d'unidirectionnels et la prévision de la tenue de structures soumises à des chargements tridimensionnelles reste actuellement un challenge scientifique. Il semble indispensable de proposer des modèles matériaux innovants offrant un degré moindre d'empirisme que les approches actuellement utilisées en bureau d'études pour le dimensionnement de structures composites mais aussi il s'avère nécessaire de proposer les procédures d'identification associées. L'objectif de cette thèse est donc de proposer une stratégie robuste pour l'analyse de la tenue de structures composites soumises à des sollicitations tridimensionnelles. Nous avons proposé une approche progressive de la rupture 3D permettant de prévoir les différents types d'endommagement et modes de ruine pouvant intervenir dans un composite stratifié. Une procédure originale d'identification des résistances hors-plan de traction et de cisaillements à partir d'essais sur cornières composites stratifiées a également été proposée. Enfin, des essais de dépliages/pliages sur cornières ont été réalisés afin valider l'approche 3D de la rupture proposée
Composite materials, particularly unidirectional laminates, are increasingly used for the design of airplane structures because of their interesting mass/rigidity/strength ratio. Their use is now extended to the design of primaries structures (in metallic so far) for the future range of aircrafts. In those primaries structures, lots of composite components are subjected to complex out-of-plane loadings such as L-angle structures. The main failure mechanism encountered is delamination in the radius mainly due to the applied out-of-plane loadings. Nevertheless, the main weakness of the unidirectional laminates is their out-of-plane mechanical properties and the prediction of this failure mode in laminated structures (subjected to 3D loadings) remains a scientific challenge. It is thus necessary to propose an innovative 3D failure approach, physically based, and the associated identification procedure for the out-of-plane strengths. The aim of this Phd-thesis is thus to propose a 3D strength analysis method dedicated to 3D loadings and matching the requirements of a design office (low time of computation and easy to identify and to carry out). A 3D progressive failure approach which permits to predict damages and failure modes encountered in laminated structures has been proposed. The out-of-plane strengths (tensile and shears) are identified through the analysis of tests performed on L-angle structures, representative of the final aeronautical components. Finally, some unfolding/folding tests on L-angle specimens have been performed in order to validate the proposed 3D failure approach

Considering the similarity between the mechanical behavior of artificially cemented soils and rock masses, this study proposes a methodology to obtain the envelopes resistance of artificially cemented soils, using the Hoek-Brown failure criterion. The proposed methodology consists basically in performing two triaxial tests, with the soil non-cemented and cemented with a high cement content, and estimate the strength envelopes for intermediate cement contents, using the equations presented in this research. To develop the methodology, initially, a number of unconfined compression tests and triaxial tests were carried out in order to quantify the influence of the porosity/cement ratio (n/Civ) on the strength parameters of the cement mixtures used. From the tests results and the Hoek-Brown failure criterion, new equations were developed to calculate the envelope parameters (a, m, s), as functions of porosity/cement ratio. The proposed method was applied to triaxial tests data presented in four different studies and the results showed that the Hoek-Brown envelope is suitable to represent the resistance of artificial cemented soils, being able to incorporate the effects caused by the confining pressure and by the cement content. The envelopes estimated and those obtained from the triaxial tests were very close, indicating that the proposed methodology can be used with a reasonable degree of reliability. The results obtained with the proposed methodology were used to simulate, by the Finite Element Method, the pressuresettlement behavior and the variation of the safety factor of a shallow foundation bearing on a double-layered system formed by an artificially cemented soil layer overlaying a soil stratum. The simulations were performed using as variables the cement content of the enhanced layer and the relationship between the thickness of the treated layer (H) and the diameter of the foundation (D). The results show that the use of artificially cemented layers considerably increases the vertical pressure required for an specific settlement and also the foundation safety factor. Thus, the execution of shallow foundations, replacing deep foundations, becomes feasible
Considerando a semelhanÃa existente entre o comportamento mecÃnico dos solos artificialmente cimentados e dos maciÃos rochosos, o presente trabalho propÃe uma metodologia para a obtenÃÃo das envoltÃrias de resistÃncia dos solos artificialmente cimentados, utilizando o critÃrio de ruptura geral de Hoek-Brown. A metodologia proposta consiste, basicamente, em realizar dois ensaios triaxiais, um com o solo nÃo cimentado e outro com o solo cimentado com um teor de cimento elevado, e estimar as envoltÃrias de resistÃncia para os teores de cimento intermediÃrios, atravÃs das equaÃÃes desenvolvidas. Para o desenvolvimento da metodologia, inicialmente, foram realizados ensaios de compressÃo simples e triaxiais nÃo drenados, com o objetivo quantificar a influÃncia do fator vazio/cimento (n/Civ) sobre os parÃmetros de resistÃncia das misturas cimentadas utilizadas. A partir dos resultados dos ensaios de resistÃncia e da equaÃÃo geral do critÃrio de Hoek-Brown, foram desenvolvidas equaÃÃes para calcular os parÃmetros da envoltÃria (a, m, s), em funÃÃo do fator vazio/cimento. A metodologia proposta foi aplicada aos resultados dos ensaios triaxiais apresentados em outros quatro trabalhos e os resultados mostraram que a envoltÃria de Hoek-Brown à adequada para representar a resistÃncia dos solos artificialmente cimentados, sendo capaz de incorporar os efeitos causados pela tensÃo confinante e pelo nÃvel de cimentaÃÃo. As envoltÃrias estimadas e as obtidas com os ensaios triaxiais ficaram bem prÃximas, indicando que a metodologia proposta pode ser empregada com um razoÃvel grau de confiabilidade. Os resultados obtidos com a metodologia proposta foram utilizados para simular, atravÃs do MÃtodo dos Elementos Finitos, o comportamento carga-recalque e a variaÃÃo do fator de seguranÃa de uma fundaÃÃo superficial assente sobre um sistema de dupla camada, sendo a superior cimentada. As simulaÃÃes foram realizadas utilizando como variÃveis o teor de cimento da camada reforÃada e a relaÃÃo entre a altura da camada cimentada (H) e o diÃmetro da fundaÃÃo (D). Os resultados obtidos mostram que a utilizaÃÃo de camadas artificialmente cimentadas eleva consideravelmente as tensÃes verticais necessÃrias para um recalque relativo especÃfico e, tambÃm, o fator de seguranÃa da fundaÃÃo. Com isso, a execuÃÃo de fundaÃÃes superficiais, em substituiÃÃo a fundaÃÃes profundas, torna-se viÃvel.

Si l'emploi des matériaux composites dans l'aéronautique est déjà effectif sur des éléments de structures principales et de grande taille, leur généralisation aux structures secondaires bute sur leur positionnement en termes de coûts et performances face aux métaux. Il s'agit dans ce travail de contribuer à la mise en place d'une filière française de pièces composites hautes performances à bas coûts en s'appuyant sur un procédé de moulage en grande série, à savoir le thermoformage à haute pression. Ainsi, il a été question dans un premier temps d'optimiser ce procédé vis-à-vis des principales matières rencontrées dans les structures aéronautiques. Ensuite, les stratifiés moulés ont été caractérisés et les effets des conditions environnementales sévères (humidité, température, impact) sur leur comportement mécanique étudiés. Par ailleurs, réduire les coûts des pièces signifie également réduire les coefficients de sécurité qui restent très élevés pour les pièces composites. Cela passe par une meilleure prédictibilité de la rupture des matériaux et du comportement mécanique au-delà du linéaire. Sur le carbone/PEEK satin de 5 pris comme matériau d'illustration, les phénomènes non linéaires (viscoplasticité) ainsi que les mécanismes d'endommagement et de rupture ont été étudiés. Un accent particulier a été mis sur le délaminage et un critère permettant de prédire son amorçage a été proposé. La possibilité de faire des modèles éléments finis des pièces directement à l'échelle mésoscopique (du pli) a été également explorée et laisse entrevoir des pistes prometteuses pour des dimensionnements plus sûrs et donc moins conservatifs
If the use of composite materials is already effective on elements of main structures and large size parts, their generalization to secondary parts is not effective due to their cost and their performances compared to metals. The framework of this thesis is to contribute to the establishment of a French chain of high performance composite parts at low cost. Thus, it was initially question of optimizing the process vis-à-vis the main composite materials used in the aerospace structures. Then, the molded laminates were characterized and the effects of severe conditions (humidity, temperature, impact) on their mechanical behavior were studied. Also, reduce the cost of parts also means reducing the safety factors which remain very high. This requires a better prediction of the failure and the mechanical behavior beyond the linear. Taking the five harness satin weave carbon/PEEK material as example, non-linear phenomena (viscoplasticity), damage mechanisms and failure criteria were studied, with particular emphasis on the delamination. The possibility to perform finite element analysis of the parts directly at the mesoscopic scale (ply-scale) was also explored and suggests promising expectations for a less conservative sizing of composite structures

.Ce travail de thèse s'intéresse à la caractérisation de la déformation diffuse et localisée dans les grès isotropes et anisotropes sous contrainte de chargement monotone. En particulier, la cinématique de la localisation émergente et continue est étudiée dans une approche à la fois expérimentale, analytique et numérique, explorant l'effet de différentes sollicitations triaxial vrai dans le plan octaédrique.Plusieurs séries d'essais expérimentaux ont été réalisées en laboratoire, au sein d'une cellule de chargement en triaxial vrai (TTA), permettant la mesure de champs cinématiques à haute résolution spatiale et temporelle à la surface de l'échantillon. D'importants développements apportés au court de ce travail de thèse ont permis l'implémentation de modes de chargement par contrôle des invariants du tenseur de contrainte, tout en mesurant les déformations en temps réel par combinaison de jauges de déformation et mesures par corrélation d'images numériques (DIC). Utilisant cet appareil expérimental, deux campagnes d'essais ont été réalisées, mettant l'emphase sur la caractérisation du comportement mécanique d'un grès des Vosges isotrope largement étudié, ainsi que d'un grès des Vosges anisotrope nouvellement étudié. Ce dernier grès ayant été sélectionné pour sa composition matérielle en plans de litage orienté et organisé en couches de différentes porosités. Les séries d'essais mécaniques sur ces grès fournissent un apport important à la compréhension du caractère émergent et évolutif de la localisation, à différents stades du chargement déviatoire. Le caractère unique ce ces essais permet ainsi une analyse comparative approfondie entre la réponse macroscopique en contrainte-déformation et l'analyse des champs cinématiques par la DIC, et par tomographie à rayons X post-mortem. De plus, explorant des chemins de contrainte encore peu étudiés, l'analyse des essais expérimentaux sur le rôle indépendant de la contrainte moyenne, de l'angle de Lode et de l’orientation des plans de litage apporte une contribution novatrice à l'étude du comportement mécanique des roches poreuses. En particulier, la résistance à la rupture du grès, la manifestation de la localisation , ainsi que la transition du comportement ductile sont étudiées sous différentes conditions de chargement.En ce qui a trait au développement analytique, une analyse en bifurcation est proposée pour un modèle original à trois invariants, validé dans le cas des essais expérimentaux obtenus pour le grès isotrope. La pertinence de ce modèle théorique est démontrée pour la prédiction de l'orientation des bandes de cisaillement et de l'angle de dilatance à la rupture.Parallèlement, un modèle double-échelle basé sur l'homogénéisation numérique est présenté. Dans cette approche combinée, un modèle macroscopique en 2D des éléments finis (FEM) est couplé à un modèle microscopique en 3D des éléments discrets (DEM), sur la base d'un volume élémentaire représentative (VER) et dans la cadre d'un système hiérarchique (FEMxDEM) comportant une régularisation par second gradient. Ce modèle est étendu dans la portée des présents travaux pour l'étude des matériaux granulaire cimentés, par le développement d'une loi frictionnelle-cohésive endommageable au niveau de la DEM. Dans une vaste étude numérique de simulations en conditions de chargement triaxial vrai, ce modèle hiérarchique est utilisé afin d'explorer l'effet de différents arrangements granulaire (DEM), ainsi que différentes distributions hétérogènes à l'échelle macroscopique (FEM). En ce sens, deux types d'anisotropies résultant de l'hétérogénéité, définie à chacune des échelles, sont davantage étudiés. La réponse mécanique et la déformation localisée, émergeant du modèle constitutif à l'échelle du VER, démontrent une bonne concordance des comportements mécaniques complexes par rapport aux résultats de l'étude expérimentale
The objective of this doctoral thesis consists in the characterization of diffuse and localized deformations during monotonic loading of both isotropic and anisotropic porous sandstones. In particular, the kinematics of emerging and persistent strain localization structures are investigated in a combination of complementary experimental, analytical and numerical approaches, exploring the effect of different true triaxial loading paths in the octahedral plane.A series of experimental loading tests have been performed in a laboratory environment comprising a high pressure true triaxial apparatus (TTA), which is designed to provide access to full-field measurements of one of the sample surfaces at high spacial and temporal resolutions. Important developments contributed in this work enabled to extend the capabilities for this apparatus to perform invariant controlled loading paths, while acquiring direct strain measurements from a combination of strain gauges and digital image correlation (DIC). Using this apparatus, two experimental campaigns have been realized, focusing on the mechanical characterization of both a well-studied isotropic Vosges sandstone and a newly studied anisotropic Vosges sandstone. The later sandstone has been selected for the organization of its granular fabric in thin bedding plane layers of variable porosity. The results from these series of mechanical loading experiments contribute an original insight into the emergence and development of localized deformation during different stages of loading. A combined analysis is performed on the evolution of the macroscopic stress-strain responses, full-field measurements of incremental strains through DIC, as well as post-mortem x-ray tomography. Additionally, in this investigation exploring rarely considered loading paths, the independent role of the mean stress, the Lode angle and the orientation of the bedding planes is systematically studied according to their respective influence on the material strength, the manifestation of localized structures and the transition towards a ductile behavior of the material.In terms of analytical development, a bifurcation analysis is proposed for a novel three invariant model, validated with experimental results obtained for the isotropic sandstone. This theoretical model, proved to be successful in predicting both the deformation band inclination and the dilatancy angle of the material at failure.In parallel, a double scale model based on numerical homogenization is presented. In this approach, a macro 2D finite element model (FEM) is coupled to a micro 3D discrete element model (DEM) at the particle scale of a representative elementary volume (REV) in the frame of a hierarchical scheme (FEMxDEM), with second gradient regularization. This model is extended in the scope of this work to the study of cemented granular materials, with the development of a frictional-cohesive damageable contact law, implemented at the DEM level. In an extensive series of true triaxial loading simulations, the hierarchical numerical model is used to explore both the influence of different micro-structural arrangements (DEM) and heterogeneities at the sample scale (FEM). In this respect, two types of anisotropies resulting from heterogeneities defined at each scales are further investigated. The mechanical response and localized deformation, emerging from the micro-scale constitutive model, is shown to display significant correspondence with experimental observations in the studied Vosges sandstones.This combination of advanced experimental, analytical and numerical studies contributes a unique insight into important and open questions regarding the mechanical response and deformation processes of cemented granular materials

L'utilisation des structures sandwichs composées d’âme en nid d'abeilles et de peaux a considérablement augmenté ces dernières années dans plusieurs secteurs industriels tels que l’aéronautique, l’aérospatiale, le navale et l’automobile. Cet intérêt croissant pour ces matériaux alvéolaires est principalement lié à leur faible densité et meilleur rapport masse/rigidité/résistance en comparaison avec les alliages métalliques ou les matériaux composites classiques. Cependant, leur constitution rend souvent les opérations de mise en forme par usinage compliquées et difficile à mener à cause de l’usure prématurée des outils coupants et l’endommagement important induit en subsurface des pièces. En effet, les vibrations importantes des parois minces du nid d’abeilles sont une source de plusieurs problèmes comme la mauvaise qualité des surfaces usinées, les fibres non coupées, délaminage, défauts, etc. Les travaux de cette thèse s’intéressent à la compréhension du comportement des structures nids d’abeilles composite (Nomex®) et métallique (aluminium) en usinage. L’enlèvement de matière par fraisage présente pour ces matériaux plusieurs verrous scientifiques et technologiques. Une analyse expérimentale a permis d’identifier dans un premier temps les phénomènes physiques mis en jeu lors de la formation des copeaux et les interactions entre les arêtes de coupe et les parois minces des cellules de la structure alvéolaire. Un intérêt particulier a été porté sur la caractérisation des défauts induits dans le matériau par les différentes parties composant la fraise, le déchiqueteur et le coteau. Deux protocoles expérimentaux ont été mis en place afin de qualifier la qualité et l’intégrité des surfaces usinées. Ils tiennent compte de la particularité des âmes en nid d'abeilles : composite ou métallique, leur géométrie alvéolaire, leur densité et l’épaisseur fine des parois. Un nouveau critère de qualité a été établi et proposé en tant qu’indicateur d’endommagement pour le suivi de l’état des surfaces alvéolaires fraichement usinées. Basée sur l’analyse statistique de Taguchi, une hiérarchisation des paramètres d’usinage et leur influence sur le comportement de ces matériaux ont été ensuite réalisées. Par ailleurs, l’usure des outils de coupe a été étudiée selon le couple outil-matériau usiné et les conditions de fraisage choisies. Comme l’a montré l’étude expérimentale, l’optimisation des paramètres d’usinage via une approche expérimentale seule est souvent longue et coûteuse. La simulation numérique peut apporter une aide complémentaire et constituer un outil intéressant pour l’analyse de la physique de la coupe des nids d’abeilles. Dans cette optique et en deuxième partie de la thèse, un modèle numérique par éléments finis a été spécifiquement développé pour la simulation du fraisage 3D des matériaux nids d’abeilles. Pour le Nomex®, deux lois de comportement mécanique couplées avec l’endommagement ont été identifiées et implémentées via la subroutine VUMAT dans Abaqus explicit. Pour simuler la formation des copeaux, deux critères de rupture (Hashin et Tsai-Wu) avec chute de rigidité ont été exploités. Les résultats du calcul numérique et ceux des essais expérimentaux ont montré une bonne concordance en termes de mécanismes de formation des copeaux, d’efforts de coupe et de modes d’endommagement
The use of sandwich structures made with honeycomb core and skins has considerably increased these last years in several industrial sectors such as aeronautics, aerospace, naval and automotive. This growing interest for the alveolar materials is mainly related to their low density and better mass/stiffness/strength ratio compared to metal alloys or conventional composites. However, their constitution makes machining operations complicated and difficult to control because of the premature cutting tool wear and the significant damage induced in the workpiece. In fact, the important vibrations of the thin honeycomb walls are a source of several problems such as the poor surface quality, uncut fibers, delamination, defects, etc. This work deals with the understanding of the honeycomb composites behavior and metallic during machining. The material removal process by milling of these materials presents several scientific and technological challenges. Firstly, an experimental analysis has been used to identify the physical phenomena involved during the chip formation process and generated by the interactions between the cutting edge and the honeycomb cell walls. A particular interest was focused on the characterization of defects induced in the material by different parts of the cutter, the shredder and the saw blade. Two experimental protocols have been set up to qualify the quality and integrity of the machined surface. They consider the particularity of the honeycomb cores: composite or metallic, their geometry, and the thin wall thickness. A new quality criterion has been established and proposed as a damage indicator to monitoring the machining process and choice optimal cutting conditions. Based on Taguchi's statistical analysis, a hierarchy of the machining parameters and their influence on the behavior of these materials have then realized. In addition, the wear of cutting tools has been studied according to the selected tool-material couple and milling conditions. The optimization of machining parameters is often long and expensive only via experimental approach. Modelling and numerical simulation can provide complementary support with an interesting numerical tool to analyze the physics of cutting honeycombs. In this perspective and in the second part of the PhD thesis, a finite element numerical model has been especially developed for the 3D milling operation. For Nomex®, two coupled mechanical-damage behavior laws have been identified and implemented in Abaqus explicit subroutine VUMAT. To simulate the chip formation process and induced subsurface damage, two fracture criteria (Hashin and Tsai-Wu) with stiffness degradation concept have been operated. The comparison between the numerical simulation results and experimental data shows a good agreement in terms of the chip formation mechanisms, cutting forces and damage modes

Ce travail consiste en une étude expérimentale et numérique du comportement mécanique endommageable de matériaux composites sandwichs utilisés pour l’industrie nautique. A des fins d’éco-conception, les parements stratifiés exploitent des non tissés triaxiaux à base de basalte associés à une résine partiellement biosourcée (greenpoxy) et les mousses d’âme sont produites en PET recyclé. Au-delà de la préparation de ces matériaux par infusion sous vide et de leur caractérisation microstructurale et mécanique, le développement d’un modèle robuste capable de prévoir la réponse de ces matériaux sandwichs sous sollicitation statique en constitue l’objectif principal. Qu’il s’agisse de compression de la mousse seule, de traction simple du monolithique selon différentes directions ou de flexion sur le composite sandwich, l’ensemble des essais mécaniques est instrumenté par de la corrélation d’images sur plusieurs faces de l’échantillon pour suivre l’évolution des endommagements en temps réel. L’étude par éléments finis 3D de la réponse mécanique des constituants seuls (mousse et monolithique) et du sandwich est réalisée sur la base de simulations sous Abaqus® dans le but de juger de l’applicabilité des critères de rupture et des méthodes d’évolution des dommages. Pour la mousse, le modèle « crushable foam » a été utilisé afin de prédire l’effondrement au sein de la mousse dans la structure sandwiche. Pour le monolithique, un modèle d'endommagement progressif des constituants fibre/matrice est adopté au sein de chaque pli et des éléments cohésifs entre plis adjacents permettent de rendre compte de la délamination à une échelle mésoscopique. Cette méthodologie a pour but de prédire l'initiation et l'accumulation des dommages dans le stratifié. La méthodologie proposée est générique et constitue une base évolutive permettant notamment d’introduire la notion de cohésion entre fibre et matrice dont on souhaiterait juger de l’efficacité
This work consists of an experimental and numerical study of the mechanical behaviour of sandwich composite materials used in the nautical industry, up to damage occurrence and its evolution. For eco-design purposes, the facings are made of NCF triaxial basalt fibre laminates and a partially bio-sourced resin (greenpoxy), and the core consists of recycled PET foam. In addition to preparing these materials via vacuum infusion and conducting their microstructural and mechanical characterisation, the main goal of this study is to develop a robust model capable of predicting the response of these sandwich materials under static loading. It is worth noting that all conducted mechanical tests, including compression of the foam alone, simple traction of the monolithic in different directions, or bending of the sandwich composite, are instrumented by image correlation on multiple sides of the specimen to monitor the real-time damage evolution. Furthermore, a 3D finite element study of the mechanical response of the single components (foam and monolithic) and the sandwich is carried out based on Abaqus® simulations to assess the applicability of failure criteria and damage evolution methods. For instance, regarding the foam, the "crushable foam" model was used to predict its collapse within the sandwich structure. As for the monolithic, a progressive damage model of the fibre/matrix constituents is adopted within each ply, and cohesive elements between adjacent plies are used to account for delamination on a mesoscopic scale. This methodology aims to predict the initiation and accumulation of damage in the laminate. The proposed methodology is generic and provides an evolving basis for introducing the concept of cohesion between fibre and matrix, the effectiveness of which is intended for evaluation

L'utilisation des structures sandwichs composées d’âme en nid d'abeilles et de peaux a considérablement augmenté ces dernières années dans plusieurs secteurs industriels tels que l’aéronautique, l’aérospatiale, le navale et l’automobile. Cet intérêt croissant pour ces matériaux alvéolaires est principalement lié à leur faible densité et meilleur rapport masse/rigidité/résistance en comparaison avec les alliages métalliques ou les matériaux composites classiques. Cependant, leur constitution rend souvent les opérations de mise en forme par usinage compliquées et difficile à mener à cause de l’usure prématurée des outils coupants et l’endommagement important induit en subsurface des pièces. En effet, les vibrations importantes des parois minces du nid d’abeilles sont une source de plusieurs problèmes comme la mauvaise qualité des surfaces usinées, les fibres non coupées, délaminage, défauts, etc. Les travaux de cette thèse s’intéressent à la compréhension du comportement des structures nids d’abeilles composite (Nomex®) et métallique (aluminium) en usinage. L’enlèvement de matière par fraisage présente pour ces matériaux plusieurs verrous scientifiques et technologiques. Une analyse expérimentale a permis d’identifier dans un premier temps les phénomènes physiques mis en jeu lors de la formation des copeaux et les interactions entre les arêtes de coupe et les parois minces des cellules de la structure alvéolaire. Un intérêt particulier a été porté sur la caractérisation des défauts induits dans le matériau par les différentes parties composant la fraise, le déchiqueteur et le coteau. Deux protocoles expérimentaux ont été mis en place afin de qualifier la qualité et l’intégrité des surfaces usinées. Ils tiennent compte de la particularité des âmes en nid d'abeilles : composite ou métallique, leur géométrie alvéolaire, leur densité et l’épaisseur fine des parois. Un nouveau critère de qualité a été établi et proposé en tant qu’indicateur d’endommagement pour le suivi de l’état des surfaces alvéolaires fraichement usinées. Basée sur l’analyse statistique de Taguchi, une hiérarchisation des paramètres d’usinage et leur influence sur le comportement de ces matériaux ont été ensuite réalisées. Par ailleurs, l’usure des outils de coupe a été étudiée selon le couple outil-matériau usiné et les conditions de fraisage choisies. Comme l’a montré l’étude expérimentale, l’optimisation des paramètres d’usinage via une approche expérimentale seule est souvent longue et coûteuse. La simulation numérique peut apporter une aide complémentaire et constituer un outil intéressant pour l’analyse de la physique de la coupe des nids d’abeilles. Dans cette optique et en deuxième partie de la thèse, un modèle numérique par éléments finis a été spécifiquement développé pour la simulation du fraisage 3D des matériaux nids d’abeilles. Pour le Nomex®, deux lois de comportement mécanique couplées avec l’endommagement ont été identifiées et implémentées via la subroutine VUMAT dans Abaqus explicit. Pour simuler la formation des copeaux, deux critères de rupture (Hashin et Tsai-Wu) avec chute de rigidité ont été exploités. Les résultats du calcul numérique et ceux des essais expérimentaux ont montré une bonne concordance en termes de mécanismes de formation des copeaux, d’efforts de coupe et de modes d’endommagement
The use of sandwich structures made with honeycomb core and skins has considerably increased these last years in several industrial sectors such as aeronautics, aerospace, naval and automotive. This growing interest for the alveolar materials is mainly related to their low density and better mass/stiffness/strength ratio compared to metal alloys or conventional composites. However, their constitution makes machining operations complicated and difficult to control because of the premature cutting tool wear and the significant damage induced in the workpiece. In fact, the important vibrations of the thin honeycomb walls are a source of several problems such as the poor surface quality, uncut fibers, delamination, defects, etc. This work deals with the understanding of the honeycomb composites behavior and metallic during machining. The material removal process by milling of these materials presents several scientific and technological challenges. Firstly, an experimental analysis has been used to identify the physical phenomena involved during the chip formation process and generated by the interactions between the cutting edge and the honeycomb cell walls. A particular interest was focused on the characterization of defects induced in the material by different parts of the cutter, the shredder and the saw blade. Two experimental protocols have been set up to qualify the quality and integrity of the machined surface. They consider the particularity of the honeycomb cores: composite or metallic, their geometry, and the thin wall thickness. A new quality criterion has been established and proposed as a damage indicator to monitoring the machining process and choice optimal cutting conditions. Based on Taguchi's statistical analysis, a hierarchy of the machining parameters and their influence on the behavior of these materials have then realized. In addition, the wear of cutting tools has been studied according to the selected tool-material couple and milling conditions. The optimization of machining parameters is often long and expensive only via experimental approach. Modelling and numerical simulation can provide complementary support with an interesting numerical tool to analyze the physics of cutting honeycombs. In this perspective and in the second part of the PhD thesis, a finite element numerical model has been especially developed for the 3D milling operation. For Nomex®, two coupled mechanical-damage behavior laws have been identified and implemented in Abaqus explicit subroutine VUMAT. To simulate the chip formation process and induced subsurface damage, two fracture criteria (Hashin and Tsai-Wu) with stiffness degradation concept have been operated. The comparison between the numerical simulation results and experimental data shows a good agreement in terms of the chip formation mechanisms, cutting forces and damage modes

La modélisation de l'endommagement des matériaux composites hybrides a joué un rôle important dans la conception des structures composites. Bien que des modèles numériques pour l'endommagement progressif des pipes en matériaux composites hybrides à enroulement filamentaire, tels que la fissuration matricielle, le délaminage et la rupture des fibres, aient été développés dans la littérature, des améliorations sont encore nécessaires. Cette thèse vise à développer des modèles d'endommagement adaptés à la prédiction du comportement dynamique et l'endommagement intra-laminaire et inter-laminaire dans les tubes en matériaux composites hybrides sous une pression interne, et soumis à un chargement dynamique tel que l'impact d'un objet externe. Les approches de la mécanique de la rupture et de la mécanique de l’endommagement ont été adoptées pour construire le modèle de dommages. Une analyse détaillée a été réalisée pour avoir une vue d'ensemble de tous les mécanismes d'endommagement jusqu'à la rupture finale. Des éléments cohésifs ont été implémentés dans les modèles bidimensionnels et tridimensionnels pour simuler l'initiation et la propagation d’endommagement interlaminaire (délaminage) dans les stratifiés. Une subroutine a été implémentée dans le code de calcul FE (Abaqus/Explicit) via une VUMAT afin de modéliser l’endommagement intralaminaire. Par la suite, des validations basées sur des corrélations essai/calcul sur des sous-systèmes et/ou des pièces réelles ont été effectuées. L'initiation des dommages est prédite sur la base des critères de rupture contrainte-déformation, tandis que la loi d'évolution des dommages est basée sur la dissipation de l'énergie de rupture. Le comportement non linéaire du matériau en cisaillement a également été pris en compte et validé par rapport aux résultats expérimentaux. Les prédictions montrent un excellent accord avec les observations expérimentales
Damage modelling of hybrid composite materials has played an important role in the design of composite structures. Although numerical models for the progressive damage of filament wound hybrid composite pipes such, matrix cracking, delamination, and fiber failure have been developed in the literature; there is still a need for improvement. This thesis aims to develop damage models suitable for predicting dynamic behaviour and intra-laminar and inter-laminar damage in hybrid composite tubes under internal pressure subjected to dynamic loading such as the impact of an external object. Fracture mechanics and continuum damage mechanics approaches were adopted to build the damage model. A detailed analysis was performed to have an overview of all the damage mechanisms until the final failure. Cohesive elements were inserted into the two-dimensional and three-dimensional models to simulate the initiation and propagation of matrix cracking and delamination in cross-layered laminates. The damage model was implemented in the FE code (Abaqus/Explicit) by a user-defined material subroutine (VUMAT). Subsequently, validations based on test/calculation correlations on real subsystems and/or parts were performed. Damage initiation was predicted based on the stress-strain failure criteria, while the damage evolution law was based on the dissipation of failure energy. The nonlinear behavior of the material in shear was also taken into account and validated against experimental/numerical results. The predictions show excellent agreement with the experimental observations

碩士
國立成功大學
土木工程學系碩博士班
101
In order to reduce the emission of carbon dioxide, technology of carbon dioxide geological storage has been adopted by many countries widely. The theory is that injecting carbon dioxide in the form of Supercritical fluid into the layer such as old oil reservoirs, underground coal seams, and deep saline formations. While in the process of injection, the pressure of supercritical carbon dioxide must be greater than the fluid pressure existing in the stratum, this might cause new rupture in the rock layer, or induce the slide of rock layer by existing fault, both of whom are likely leading to carbon dioxide’s leaking out. The site in this study, Miao Li Tiechen Shan gas storage pit is one of the fit sites for carbon dioxide geological storage in Taiwan. Because the west of Taiwan are receive the extruding of Eurasian Plate and Philipenis Sea Plate, the in-situ stress conditions are complex, and the conditions of traditional triaxial test will ignore the intermediate principal stress, which means σ_2=σ_3. Thus, this study use improved triaxil cell to get the strength variation in the principle stress situation (σ_1≠σ_2≠σ_3) of Yutenping sandstone, which is the storage layer of geological storage by hollow cylinder triaxial test, and moreover the three dimensional failure criterion, which can be reference for further geological storage operations. This study also use improved triaxil cell to do hydraulic fracture test of original Yutenping sandstone and the specimen that had been during accelerate mineralization storage mechanism to get the rupture pressure of geological storage. At last, according to the establish three dimensional failure criterion to estimate the rupture pressure of Yutenping sandstone of Tiechen Shan in different depth.

L'usage des matériaux composites, et en particulier des stratifiés d'unidirectionnels, ne cesse de croître dans les structures aéronautiques en raison de leur rapport masse/rigidité/résistance très intéressant. Leur utilisation s'étend désormais aux structures primaires (jusqu'ici en matériaux métalliques) des futures gammes d'avions. Dans les structures vitales de l'avion, les pièces en composites contenant des cornières composites sont de plus en plus nombreuses. Ces pièces sont soumises à des sollicitations complexes qui induisent des modes de rupture tridimensionnelle. Or, la tenue mécanique hors-plan est l'une des principales faiblesses des stratifiés d'unidirectionnels et la prévision de la tenue de structures soumises à des chargements tridimensionnelles reste actuellement un challenge scientifique. Il semble indispensable de proposer des modèles matériaux innovants offrant un degré moindre d'empirisme que les approches actuellement utilisées en bureau d'études pour le dimensionnement de structures composites mais aussi il s'avère nécessaire de proposer les procédures d'identification associées. L'objectif de cette thèse est donc de proposer une stratégie robuste pour l'analyse de la tenue de structures composites soumises à des sollicitations tridimensionnelles. Nous avons proposé une approche progressive de la rupture 3D permettant de prévoir les différents types d'endommagement et modes de ruine pouvant intervenir dans un composite stratifié. Une procédure originale d'identification des résistances hors-plan de traction et de cisaillements à partir d'essais sur cornières composites stratifiées a également été proposée. Enfin, des essais de dépliages/pliages sur cornières ont été réalisés afin valider l'approche 3D de la rupture proposée
Composite materials, particularly unidirectional laminates, are increasingly used for the design of airplane structures because of their interesting mass/rigidity/strength ratio. Their use is now extended to the design of primaries structures (in metallic so far) for the future range of aircrafts. In those primaries structures, lots of composite components are subjected to complex out-of-plane loadings such as L-angle structures. The main failure mechanism encountered is delamination in the radius mainly due to the applied out-of-plane loadings. Nevertheless, the main weakness of the unidirectional laminates is their out-of-plane mechanical properties and the prediction of this failure mode in laminated structures (subjected to 3D loadings) remains a scientific challenge. It is thus necessary to propose an innovative 3D failure approach, physically based, and the associated identification procedure for the out-of-plane strengths. The aim of this Phd-thesis is thus to propose a 3D strength analysis method dedicated to 3D loadings and matching the requirements of a design office (low time of computation and easy to identify and to carry out). A 3D progressive failure approach which permits to predict damages and failure modes encountered in laminated structures has been proposed. The out-of-plane strengths (tensile and shears) are identified through the analysis of tests performed on L-angle structures, representative of the final aeronautical components. Finally, some unfolding/folding tests on L-angle specimens have been performed in order to validate the proposed 3D failure approach