Tesi sul tema "Matériaux à gradient fonctionnel – Vibrations"

On propose par le biais de cette thèse un outil numérique pour l’étude statique et dynamique des structures viscoélastiques constituées de matériaux à gradient de propriétés (FGM) pour le contrôle des vibrations par amortissement passif. L’objectif est de mettre à la disposition des ingénieurs un code générique basé sur l’approche élément fini pour des calculs de dimensionnements sur des poutres sandwich FGM à âme viscoélastique destinées aux applications exigeant la légèreté et une bonne résistance thermique et mécanique comme le domaine de l’aérospatial, de l’automobile et du nucléaire. Pour atteindre cet objectif nous avons d’abord proposé un modèle numérique pour l’étude statique et des vibrations libres des poutres sandwich FGM à comportement élastique. Ce modèle élément fini est implémenté dans l’environnement du code Matlab. A l’aide de ce code nous comparons les différentes théories de poutre pour différentes configurations géométriques et différentes conditions aux limites. Ainsi, la limite de la théorie classique de poutre dans l’étude des structures courtes est soulignée. Aussi, avec ce modèle numérique, l’étude du couplage flexion membrane et rotation membrane est possible. De là, il est montré que les structures FGM sont très sensibles aux effets de couplages spatiaux et du gauchissement à cause de la répartition non symétrique de la matière dans leurs sections droites. Dans le code proposé, la résolution du problème de vibrations est possible grâce à des méthodes classiques de résolution des problèmes aux valeurs propres et vecteurs propres. Pour introduire de l’amortissement passif dans la structure sandwich FGM, nous avons proposé un modèle de poutre sandwich dont les faces sont en matériaux FGM et le cœur en matériaux viscoélastiques. Ce modèle est également implémenté dans le langage de programmation Matlab et proposé sous forme d’un outil générique. L’intérêt de cet outil numérique réside dans sa capacité à calculer les propriétés modales ainsi que le comportement de la structure sandwich FGM viscoélastique tout en prenant en compte la dépendance en fréquence du comportement viscoélastique, les conditions aux limites et le couplage membrane-flexion et membrane-rotation propres aux matériaux FGM. Le problème de vibrations libres est fortement non linéaire dans ce cas à cause de la non linéarité matériaux induite par la couche molle. Dans le code proposé, la résolution de ce problème est possible grâce au couplage de la technique d’homotopie, de la méthode asymptotique numérique et de la différentiation automatique. Par ce travail, l’apport des matériaux FGM dans l’amélioration du pouvoir amortissant des structures est démontré. Dans la suite du travail, nous proposons une formulation élément fini pour calculer l’amplitude des vibrations forcées des structures sandwich FGM viscoélastiques. La résolution du problème de vibration forcée est possible par utilisation de la méthode des bandes passantes. Une étude sur la contribution des matériaux FGM dans la réduction des amplitudes de vibrations est menée pour différentes lois viscoélastiques. Il est prouvé dans cette étude que par un contrôle direct du gradient de composition des matériaux FGM, il est possible d’optimiser le pouvoir amortissant des structures même pour les modes de basses fréquences pour lesquels les matériaux composites classiques présentent un pouvoir amortissant nécessitant des améliorations
This thesis proposes a numerical tool for the static and dynamic study of viscoelastic structures made of Functionally Graded Materials (FGM) for vibration control by passive damping. The objective is to make available to engineers a generic code based on the finite element approach for sizing calculations on FGM sandwich beam with viscoelastic core for applications requiring lightness and good thermal and mechanical resistance such as aerospace, automotive and nuclear. To reach this objective we first proposed a numerical model for the static and free vibration study of FGM sandwich beams with elastic behavior. This finite element model is implemented in the Matlab code environment. Using this code, we compare different beam theories for different geometric properties and boundary conditions. Thus, the limit of the classical beam theory in the study of short structures is highlighted. Also with this numerical model, the study of axial-bending and axial-rotation coupling is possible. From this, it is shown that FGM structures are very sensitive to spatial coupling and warping effects because of the non-symmetrical distribution of the material in their cross sections. In the proposed code, the resolution of the vibration problem is possible using classical eigenvalue and eigenvector problem solving methods. Then to introduce passive damping in the FGM sandwich structure, we proposed a sandwich beam model with FGM materials faces and viscoelastic materials core. This model is also implemented in the Matlab language and proposed as a generic tool. The interest of this numerical tool lies in its ability to compute the modal properties as well as the behavior of the viscoelastic FGM sandwich beam while taking into account the frequency dependence of the viscoelastic behavior, the boundary conditions and the axial-bending and axial-rotation coupling specific to FGM materials. The free vibration problem is non-linear in this case due to the material non-linearity induced by the soft layer. In the proposed code, the resolution of this problem is possible thanks to the coupling of the homotopy technical, the asymptotic numerical method and the automatic differentiation. Through this work, the contribution of FGM materials in the improvement of the damping power of structures is highlighted. In the continuation of the work, we propose a finite element formulation to compute the amplitude of forced vibrations of viscoelastic FGM sandwich structures. The resolution of the forced vibration problem is possible by using the bandwidths method. A study on the contribution of FGM materials in the reduction of vibration amplitudes is carried out for different viscoelastic laws. It is proved in this study that by a direct control of the composition gradient of FGM materials it is possible to optimize the damping power of structures even for low frequency modes for which classical composite materials have a damping power requiring improvement

Ce travail porte sur l'étude de structures multicouches à gradient de propriétés (FGM : Functionnally Graded Materials). Ces matériaux sont apparus afin d'obtenir des dépôts aux caractéristiques nouvelles et innovantes. Les FGM sont désormais présents dans divers applications de haute technologie.Un système multicouche à gradient de composition entre le cuivre et le nickel, a fait l'objet d'une étude expérimentale par l'application de la technique des ultrasons laser (LU) couplée à une étude numérique basée sur le formalisme de Stroh et la méthode de la matrice de raideur. Le travail de thèse est organisé autour de quatre chapitres. Le premier chapitre est dédié à l'aspect théorique de la propagation des ondes de surface dans une structure multicouche et à gradient de propriétés. Ainsi, un développement des méthodes numériques pour les matériaux dotés de la piézoélectricité est fourni. Le second chapitre se consacre à l'élaboration des échantillons utilisés dans notre étude et obtenus par pulvérisation cathodique. Le troisième chapitre présente la méthode opto-acoustique utilisée pour caractériser les échantillons réalisés. le dernier chapitre présente les résultats expérimentaux, confrontés aux résultats théoriques, décrivant le comportement dispersif des multicouches submicrométriques
This thesis focuses on the study of multilayered and FGM systems (FGM : Functionnally Graded Materials). The main purpose of this type of materials is to obtain deposits with new and innovative features and to increase the fracture toughness. From now on, FGM have been used in various high technology applications.A multilayer system with a composition gradient of copper and nickel was studied experimentally by the application of the laser ultrasonics (LU) technique which was coupled to a theoretical study based on the ordinary differential equations (ODE) and the Stiffness Matrix Method (SMM). This PhD thesis is organized around four chapters. The first chapter is dedicated to a theoretical study of the propagation behavior of surface acoustic wave (SAW) in a multilayer system with à gradient of properties. Thus, the numerical methods developped for the piezoelectric materials (FGPM) are presented. The second chapter is devoted to describe the setup for making the samples used in this study which were obtained by sputtering technique. The third chapter presents the experimental study dedicated to the measurement of surface wave velocities in many crystal orientations. The last chapter of the manuscript presents experimental results, compared to the theoretical results, describing the dispersive behavior of submicrometer multilayers

Les composants à gradient d'indice sont, au vu des simulations effectuées à l'aide de codes de calculs optiques (code V), d'un grand intérêt pour la correction des combinaisons optiques de haute qualité. Les calculs indiquent, en effet, que la réalisation de composants à profil d'indice et de dispersion contrôlés peut permettre la correction d'aberrations d'ordres élevés tel que le sphéro-chromatisme. Actuellement plusieurs méthodes existent pour fabriquer des composants à gradient d'indice (procédés de diffusion, procédés de pecvd, procédés sol gel etc. ), cependant aucune de ces méthodes ne permet l'obtention simultanée des profils d'indice et de dispersion adaptés ainsi que les dimensions requises dans des matériaux de qualité optique acceptables. Quant aux méthodes de caractérisation (2e volet de notre étude) elles ne sont optimales que pour les composants d'optique guidée ou les matériaux à gradient constant. Nous avons de surcroit montré dans notre étude que la mesure d'indice de réfraction ne peut s'effectuer qu'avec une précision qui dépend de la pente locale du gradient. Pour chaque méthode de caractérisation il existe bien sur des limites inhérentes à chacune d'entre elles. De plus, quelle que soit la méthode utilisée la mesure d'indice de réfraction dans les gradients est fondamentalement limitée par les incertitudes induites sur les directions des rayons (normales aux surfaces d'onde) dues à la diffraction. Ces concepts ont été développés dans le manuscrit autour de trois procédés de caractérisation optique classique que nous avons adaptés à notre problème (ellipsométrie à zéro type Brewster ; méthode du couteau de Foucault ; méthode de la caustique). Il a été trouvé, à titre d'exemple, que pour un gradient d'indice de 10 2/mm la précision sur la mesure de l'indice de réfraction (et donc sur sa définition même !) tombe à 10 2 10 3 au lieu de 10 5 10 6 pour un verre homogène

Le développement d’un nouveau prototype d’ergol vert destiné aux moteurs de repositionnement de satellites implique des conditions thermiques et environnementales plus sévères pour les matériaux de la chambre de combustion, par rapport aux conditions actuelles. De ce fait, des matériaux alternatifs dits Matériaux à Gradient de Propriétés (MGP) sont développés depuis plusieurs années dans le cadre d’une étude ONERA-CNES-ICB. Cette thèse a pour objectif de poursuivre le développement de ce type de matériau à gradient céramique/métal afin d’optimiser sa conception et d’assurer ainsi sa mise en œuvre jusqu’à 2400 °C en présence de vapeur d’eau. Premièrement, différentes configurations de MGP élaborés par projection thermique plasma sous air (APS) ont été testées sous flux thermique laser sous vide jusqu’à 2350 °C. La mise en place d’une modélisation de la fissuration de ces matériaux soumis à un choc thermique a permis de mieux faire le lien entre les dégradations observées et les configurations de MGP. En particulier, il a été montré que l’augmentation de l’épaisseur de la céramique à la surface du MGP est responsable de l’apparition et de la propagation de fissures plus profondes et déviées.Dans un second temps, la possibilité d’utiliser les MGP élaborés dans une ambiance oxydante à ultra haute température a été étudiée au moyen de deux bancs d’essais expérimentaux. Le premier d’entre eux est un banc laser qui a permis de tester les matériaux face à des chocs thermiques répétés jusqu’à 1800 °C et en présence de vapeur d’eau. Les matériaux testés ont présenté une bonne résistance et les mécanismes de dégradation relatifs à l’oxydation du MGP ont pu être identifiés et reliés à aux différentes configurations de MGP et aux conditions d’essai testées. Dans ces conditions, l’augmentation de l’épaisseur de la couche céramique assure une meilleure protection contre l’oxydation. Le second moyen d’essai a permis de qualifier les MGP dans la flamme H2/O2 d’une chambre de combustion. De ce fait, les conditions d’essais étaient relativement proches des conditions réelles visées. Aucune dégradation majeure n’a été relevée à la suite de ces essais en chambre de combustion, ce qui démontre le potentiel de ce type de MGP pour l’application visée.En parallèle, un travail a été mené sur l’amélioration de la partie en céramique du MGP. En effet, le métal utilisé a un coefficient de dilatation thermique deux fois inférieur à celui de la céramique choisie. De ce fait, et malgré la présence du gradient, de fortes contraintes thermomécaniques s’exercent au niveau des interfaces entre les différentes couches du MGP. Ainsi, un point clé de cette étude a consisté à comprendre l’influence de la composition de la céramique et en particulier du taux et de la nature de l’oxyde de terre rare utilisé sur le coefficient de dilatation thermique. De plus, des mesures de conductivité ionique et de conductivité thermique ont permis de rendre compte du rôle de barrière thermique et environnemental de la couche en céramique pure à la surface du MGP. Il a été montré que des compositions à base de forts taux de Lu2O3 étaient les plus prometteuses. Enfin, une dernière partie de cette thèse était consacrée à étudier la possibilité de cicatriser les fissures observées au sein de la couche céramique, apparues à la suite du traitement thermique ou à la suite d’un essai sous flux thermique. Pour cela, un disilicate d’yttrium a été introduit dans la couche en céramique pure du MGP directement au cours de l’élaboration par APS. Son influence sur la résistance des échantillons dans des conditions sévères de température et d’atmosphère a été reportée. En particulier, la présence de ce disilicate est responsable de transformations chimiques au sein du MGP au cours des essais à haute température
The development of a new green ergol prototype for satellite repositioning engines requires more severe thermal and environmental conditions for combustion chamber materials than is currently the case. As a result, alternative materials known as functionally graded materials (FGM) have been developed for several years as part of an ONERA-CNES-ICB study. The aim of this thesis is to pursue the development of this type of ceramic/metal gradient material, in order to optimize its design and ensure that it can be used up to 2400 °C in the presence of water vapor. Firstly, different configurations of FGM developed by air plasma thermal spraying (APS) were tested under vacuum laser heat flux up to 2350 °C. By modelling the cracking of these materials when subjected to thermal shock, the link between the observed degradations and the FGM configurations was better established. In particular, it has been shown that increasing the thickness of the ceramic on the FGM surface is responsible for the appearance and propagation of deeper, deviated cracks.Secondly, the possibility to use such FGM under an oxidising atmosphere at ultra-high temperature was studied through two experimental set ups. The first one is a laser test bench which allowed to assure the resistance of the materials submitted to repeated thermal schocks up to 1800 °C in presence of water vapour. The tested materials presented an appropriate behaviour under the tested conditions. The degradation mechanisms related to FGM oxidation have been identified and compared from one FGM configuration to another and linked to the tested conditions. The second one permits to qualify the behaviour of FGM in the H2/O2 flame of a combustion chamber. Thus, the tested conditions were relatively close to the ones of the intended application. No major degradation was observed after the combustion chamber tests, which demonstrates the potential of this type of FGM for the application.In parallel, a study was carried out about the improvement of the ceramic part of the FGM. Indeed, the thermal expansion coefficient of the chosen metal is twice lower than the one of the chosen ceramic. Thus, and despite the presence of graded layers in-between the metal and the ceramic, high thermomechanical stresses occur at the interfaces between the different layers of the FGM. Thus, a key point of this study consisted in the understanding of the influence of the ceramic composition, and in particular of the amount and nature of the rare earth oxide, on the thermal expansion coefficient. In addition, ionic conductivity and thermal conductivity measurements most accurately reflect the role of thermal and environmental barrier coating of the pure ceramic layer upon the FGM. It has been shown that high content Lu2O3 based compositions are the most promising to be used for the ceramic composition of the FGM. The last part of this thesis was dedicated to study the possibility to heal the cracks observed in the ceramic, which came either from the thermal treatment, either from the thermal tests. Thus, an yttrium disilicate was introduced in the pure ceramic layer of the FGM directly during the elaboration process with APS. Its influence on the resistance of FGM under harsh thermal and environmental conditions was finally reported. In particular, the presence of this disilicate is responsible of chemical transformations in the FGM during high temperature tests

Les propriétés idéales d’un matériau de blindage sont la combinaison d’une extrême dureté pour casserles noyaux des projectiles et d’une grande ductilité pour résister à l’impact et arrêter les fragments du projectile. Or cettecombinaison de propriétés est incompatible avec un matériau unique. Pour pallier ce problème, les concepteurs de blindageassocient un matériau dur (céramique) à un matériau ductile (métal). Une autre solution serait de réaliser un matériauprésentant un gradient de propriétés mécaniques : dans le cas présent, d’une très grande dureté de la face avant à une grandeductilité de la face arrière. Les technologies non conventionnelles de frittage telles que le Spark Plasma Sintering (SPS)permettent d’assembler ou de fritter/assembler des matériaux aux caractéristiques aussi différentes et complémentaires. Ils’agit donc d’étudier les conditions d’assemblage ou de cofrittage de tels matériaux (dans le cas présent, Al2O3 et Ti) ainsique l’influence de la microstructure résultante de l’ensemble sur sa performance balistique.La première partie de ce travail a porté sur la caractérisation de l’alumine et du titane. Cinq poudres d’alumines ontété étudiées d’un point de vue comportement au frittage. Trois d’entre elles sont retenues en raison de leurs microstructuresintéressantes, proches en termes de densité et de taille de grains. Ces alumines ont été caractérisées mécaniquement (dureté,ténacité, résistance à la rupture) et balistiquement pour n’en garder qu’une dans la deuxième partie du travail. Le titane, frittédans les mêmes conditions que l’alumine, a montré qu’il n’avait malheureusement pas les propriétés attendues (absence deductilité).La seconde partie du travail a montré que l’obtention de MGFs sains à partir de Al2O3 et Ti uniquement est délicate,que ce soit avec un intercalaire sous forme de monocouche ou de multicouche. La forte affinité du titane avec l’oxygène(formation d’oxyde ou en insertion) et le carbone (formant des carbures), ainsi que sa réactivité avec l’alumine (produisantdes intermétalliques) rend le MGF fragile et incapable d’accommoder les contraintes résiduelles d’élaboration. L’insertiond’une faible proportion de nickel (plus ductile et moins réactif vis-à-vis de l’oxygène que le titane) dans les composites apermis d’obtenir des MGFs sains, dont le comportement balistique a pu être évalué
The objective is to improve ballistic performance of armors. A perfect armor combines ductility to resistto the impact and high hardness to stop projectile’s fragments. However, such an association of properties is inconsistent witha single material. The solution is to perform a functionally graded material (FGM) with a ductile metal at the back side of thesample and a hard ceramic on the top side. Non-conventional technologies like Spark Plasma Sintering allow joining orsintering all types of materials with different and additional properties. Furthermore, with this technique, high heating ratescan be achieved, limiting grain growth and resulting in a fine microstructure. The goal is to study joining conditions or cosinteringof such materials (in this case, Al2O3 and Ti), as well as the resulting microstructure on the ballistic efficiency.The first part of the study focused on the characterization of alumina and titanium. Five powders of alumina werestudied from a sintering point of view. Three of which were selected because of their interesting microstructures, close indensities and grain sizes. These ceramics have been characterized mechanically (hardness, toughness and strength) andballistically. One of them is adopted to realize FGM. Titanium, sintered with the same conditions, unfortunately, doesn’t haveexpected properties (absence of ductility).The second part of the work showed that the preparation of FGM without cracks from Al2O3 and Ti only ischallenging, with an interlayer with one or more layers. The strong affinity of Ti with oxygen (formation of oxides orinsertion) with C (forming carbides) and its reactivity with alumina (forming intermetallics) make the FGM brittle and enablethe release of residual stresses during the process. By adding a low amount of nickel (more ductile and less reactive withoxygen and titanium) in composites, FGMs almost without cracks were obtained. The latter were evaluated ballistically

Cette thèse exploite certaines possibilités offertes par la fabrication additive pour concevoir et optimiser des traitements pour l'atténuation acoustique à base de matériaux poreux sous un nouvel angle. La fabrication additive permet de contrôler chaque pore d'un matériau individuellement. Le processus de conception de traitement poreux est chamboulé : pour répondre à un problème, au lieu de chercher parmi un catalogue de matériaux existants, il est possible de concevoir directement le matériau adéquat en ajustant sa microstructure. Cette recherche s'inscrit dans une démarche de réduction du bruit des réacteurs d'avion mais s'étend au-delà du domaine aéronautique, aussi bien au niveau théorique qu'à celui de ses possibles applications. Une méthode de prédiction de comportement acoustique de matériaux poreux produits par fabrication additive prenant en compte l'impact des défauts de fabrication est d'abord introduite. Les matériaux poreux à gradient de propriétés contrôlé sont ensuite étudiés. Une méthode d'optimisation des paramètres microstructuraux ou de fabrication est développée. La capacité des matériaux poreux à gradient de propriété à atténuer des fréquences hors de portée des matériaux sans gradient est ainsi prouvée et le gradient optimal pour l'atténuation large bande est défini. L'impact de la taille des parois des pores ainsi que l'impact de possibilité du son de se propager transversalement dans un matériau poreux est étudié. Enfin, un traitement métaporeux permettant l'absorption large bande et sub-longueur d'onde est développé. Les résultats de cette recherche peuvent être mis en application pour créer des traitements poreux à forte capacité d'atténuation du bruit. Cette recherche fait appel à des modèles analytiques et numériques basés sur l'hypothèse selon laquelle le matériau poreux peut être considéré acoustiquement comme un fluide équivalent, à l'analyse physique des comportements et à des validations expérimentales au travers de tests en tube d'impédance de spécimens produits par fabrication additive
This thesis exploits some of the new possibilities offered by additive manufacturing to design and optimize treatments for sound attenuation consisting in porous materials. Additive manufacturing allows to control individually each pore of a material. The porous treatment design process is turned upside down: instead of searching through a catalogue of existing materials to solve a problem, it is possible to directly design the right material by adjusting its microstructure. This research is part of a plan to reduce aircraft engine noise but extends beyond the aeronautical field, both theoretically and in terms of possible applications. A predicting method of the acoustic behaviour of porous materials produced by additive manufacturing and taking into account the impact of manufacturing defects is first introduced. Porous materials with controlled graded properties are then studied. A method for optimizing microstructural or manufacturing parameters is developed. The ability of graded porous materials to attenuate frequencies too low to be attenuated by non-graded materials is then proven and the optimal gradient for broadband attenuation is defined. The impact of the wall thickness of the pores along with the impact of transverse propagation inside porous materials is studied. Finally, a metaporous treatment allowing broadband and sub-wavelength absorption is developed. The results of this research can be applied to create porous treatments with a high noise attenuation. The analytical and numerical models used in this research are based on the hypothesis of porous materials acoustically behaving as equivalent fluids. The results are physically analyzed and experimentally validated through impedance tube testing of specimens produced by additive manufacturing

L'objectif de cette thèse est de proposer une démarche de modélisation à partir de niveau microstructure pour obtenir un modèle d'endommagement à gradient. Elle se fonde, d'une part, sur la méthode d'homogénéisation pour construire un milieu effectif à partir de la microstructure donnée, et d'autre part, sur la formulation variationnelle, à l'échelle macroscopique, d'une loi d'évolution d'endommagement à partir du milieu homogénéisé. Nous construisons dans un premier temps une approche basée sur le développement asymptotique et de la méthode variationnelle pour homogénéiser un milieu élastique périodique. Afin de modéliser le phénomène de localisation d'endommagement , cette approche a été étendue à un milieu hétérogène quasi périodique. Par un exemple du milieu micro fissuré quasi périodique, nous obtenons une énergie élastique qui dépend non seulement du gradient de l'endommagement mais aussi du gradient de déformation. Dans la deuxième partie, nous construisons un modèle d'endommagement à gradient à partir de l'énergie élastique homogénéisé en se basant sur la principe de minimisation d'énergie. En ajoutant des hypothèse pour simplifier le modèle, nous pouvons construit explicitement des états localisés d'endommagement et de déformation. Enfin, un schéma de résolution numérique, basé sur un algorithme de minimisation alternée, a été proposé pour le cas d'un barre en traction. A partir des résultats numériques, les avantages et les inconvénients du modèle sont discutés
The aim of this work is to propose a general framework to obtain a gradient damage model from the micro-structural level. It is based, firstly, on the homogenization method to derive an effective medium from the microstructure, and secondly, on the variational formulation of a damage evolution law from the homogenized medium. We propose, as a first step, an approach based on asymptotic expansion and the variational method for homogenizing a periodic elastic medium. To model the localization of damage, this approach has been extended to a quasi-periodic heterogeneous medium. From an example of quasi periodically micro-cracked solid, we obtain an elastic energy that not only depends on the gradient of the damage but also the strain gradients. Based on the principle of energy minimization, we propose the construction of a gradient damage model from the elastic energy homogenized in the second part. By adding some hypothesis to simplify the model, we can construct localized damage and strain solutions in closed form. Finally, a numerical resolution scheme, which is based on an alternate minimization algorithm, is proposed for the one-dimensional traction bar test. From the numerical results, the advantages and disadvantages of the model are discussed

Cette thèse vise à montrer la faisabilité et l’efficience du contrôle actif des vibrations des structures faites à partir de matériaux piézoélectriques à gradient de propriétés (FGPM). Une structure formée d’un seul bloc, fabriquée à partir d’un FGPM, intégrant directement les propriétés piézoélectriques permet de remplacer les structures classiques dites intelligentes (une structure hôte équipée de pastilles piézoélectriques) et de supprimer les inconvénients dont souffrent ces structures (concentrations de contraintes aux interfaces, décollement des pastilles, …). La recherche se concentre sur la modélisation des FGPM, en particulier sur les lois de comportement graduelle de ce matériau et le développement d’éléments finis de structures élancées FGPM. Deux éléments sont développés, un élément de poutre basé sur la cinématique de Timoshenko et un élément de plaque basé sur une cinématique adaptative. Ces deux éléments intègrent une approximation par couches numériques pour le potentiel électrique.Ils sont utilisés pour simuler le contrôle actif des vibrations d’une poutre ou d’une plaque FGPM.Dans le cas poutre, le système est régulé par un régulateur linéaire quadratique, alors que dans le cas plaque, un régulateur flou décentralisé a été développé et utilisé. Les deux systèmes sont observés grâce à un observateur de Luenberger. Des études statiques permettent de comprendre le comportement du FGPM en fonction de sa gradation. De plus, les simulations de contrôle actif présentées montrent la faisabilité du contrôle par les deux systèmes et la capacité du régulateur flou à s’adapter facilement aux changements brutaux de perturbations extérieures
The aim of this thesis is to show the feasibility and the efficiency of active vibration control by structures made of functionally graded piezoelectric materials (FGPM). One bloc structure, made of FGPM, with piezoelectric properties embedded, is used to replace classical intelligent structures (a host structure equipped with piezoelectric patches) and to remove their disadvantages (stresses concentrations near interface, delamination of patches, …).This study focuses on the FGPM’s modelization, in particular on the graded behavior laws and on the development of finite elements of FGPM beams and plates. Two finite element are implemented, a beam element based on Timoshenko’s kinematics and a plate element based on an adaptive kinematics. Both elements have a numerical layers approximation for the electrical potential. These two elements are used for active vibration control simulations. In the beam case, the system is governed by a linear quadratic regulator. Otherwise, for the plate a fuzzy decentralized regulator is developed and used. Both systems beam and plate are observed thanks to a Luerberger’s observer. Static studies show the behavior of FGPM depending on the material gradation. In addition, active vibration simulations show the feasibility of control with both systems and the ability of fuzzy regulator to accommodate to sudden changes on external perturbations

Dans le domaine des biomatériaux, les alliages de titane sont parmi les matériaux les plus attractifs pour les implants ostéointégrés grâce à leur forte résistance à la biocorrosion, une meilleure biocompatibilité et de bonnes propriétés mécaniques spécifiques. Parmi ces propriétés, le faible module élastique des alliages de titane a fortement attiré l'attention par rapport à la transmission des contraintes fonctionnelles de l'implant à l'os environnant. L'objectif de ce travail de thèse consiste à obtenir des alliages de titane aux propriétés mécaniques modulables, possibles grâce au contrôle des traitements thermomécaniques. Ceci permet d'obtenir dans un premier temps un gradient d'élasticité au sein des alliages, ainsi qu'un gradient de tailles de grains dans un second temps. L'obtention de ces gradients est rendue possible grâce à la transformation martensitique réversible β ↔ α’’ ainsi qu'à la dissolution de phase ? par traitements thermiques flash. Il est également possible de contrôler les échelles microstructurales pour obtenir des matériaux nanostructurés, homogènes et stables thermiquement, permettant de mettre en évidence un comportement superplastique à basse température. Ces derniers résultats sont susceptibles de présenter une très bonne alternative aux procédés de SPD utilisés couramment. Une caractérisation complète de ces nouveaux matériaux est réalisée en combinant analyses MEB, MET et DRX. Les valeurs de modules élastiques sont obtenues par essais de traction et localement, par mesures de microindentation instrumentée
In the field of biomaterials, titanium alloys are among the most attractive materials for osseointegrated implants due to their high biocorrosion resistance, increased general biocompatibility and specific mechanical properties. Among these properties, low elastic modulus of titanium alloys has attracted much attention regarding the transmission of functional loads from the implant to the surrounding bone. The aim of this work consists in developing functionally graded materials, with careful attention to the thermomechanical treatments. In one hand, this allows us to obtain a gradient of elasticity in bulk materials and in the other hand, a gradient of grain sizes. This is possible thanks to the reversible martensitic transformation β ↔ α’’ and also to the α phase dissolution during flash treatments. The microstructural scale is also controlled in order to develop homogeneous materials at the nanoscale, thermally stables, and exhibiting superplasticity at low temperatures. These results are thought to be good strategy to avoid the use of SPD processes. A complete characterization of these new materials is performed with the combination of SEM, TEM and XRD analyses to appreciate the modifications of the microstructures and grain sizes. Values of elastic modulus are obtained by tensile tests, and locally determined with the use of instrumented microindentation measurements

Dans ce manuscrit, nous présentons une méthode d’optimisation de forme qui se base sur des paramètres géométriques comme des longueurs, des angles, etc. Nous nous appuyons sur des techniques d’optimisation basées sur un gradient. La sensibilité de la fonction objectif par rapport à la position des noeuds du maillage nous est fournie par un solveur adjoint que l’on considère comme une boîte noire. Afin d’optimiser par rapport aux paramètres CAO, nous nous concentrons sur l’évaluation de la sensibilité de la position des noeuds par rapport à ces paramètres. Ainsi, nous proposons deux approches par différences finies. La première méthode s’appuie sur une projection harmonique afin de comparer dans un même espace le maillage initial et celui obtenu suite à la variation d’un paramètre CAO. Les développements présentés dans ce manuscrit permettent d’étendre l’application aux formes ayant plusieurs frontières comme les collecteurs d’échappement. Nous avons développé une méthode d’interpolation adaptée à cette comparaison. L’ensemble du processus a été automatisé et nous en montrons l’entière efficacité sur des applications industrielles en aérodynamique interne. La deuxième méthode se base directement sur les géométries CAO pour évaluer cette sensibilité. Nous utilisons la définition intrinsèque des patches dans l’espace paramétrique (u;v) pour effectuer cette comparaison. Grâce à l’utilisation des coordonnées exactes en tout point de la surface fournies par la CAO, nous évitons d’avoir recours à une interpolation afin d’avoir la meilleure précision de calcul possible. Cependant, contrairement à la première méthode, elle requiert d’identifier les correspondances entre les patches d’une forme à l’autre. Une application sur un cas académique a été faite en aérodynamique externe. La pertinence de la première méthode a été démontrée sur des cas représentatifs et multiobjectifs, ce qui permettrait de faciliter son déploiement et son utilisation dans un cadre industriel. Quant à la deuxième méthode, nous avons montré son fort potentiel. Cependant, des développements supplémentaires seraient nécessaires pour une application plus poussée. Du fait qu’elles sont indépendantes des solveurs mécaniques et du nombre de paramètres, ces méthodes réduisent considérablement les temps de développement des produits, notamment en permettant l’optimisation multiphysique en grande dimension
In this manuscript, we present a shape optimization method based on CAD parameters such as lengths, angles, etc. We rely on gradient-based optimization techniques. The sensitivity of the objective function, with respect to the mesh nodes position, is provided by an adjoint solver considered here as a black box. To optimize with respect to CAD parameters, we focus on computing the sensitivity of the nodes positions with respect to these parameters. Thus, we propose two approaches based on finite differences. The first method uses a harmonic projection to compare in the same space the initial mesh and the one obtained after a change of the set of CAD parameters. The developments presented in this manuscript open up new doors like the application to shapes with multiple borders such as exhaust manifolds. We also developed an interpolation method suitable for this comparison. The entire process is automated, and we demonstrate the entire effectiveness on internal aerodynamics industrial applications. The second method is directly based on the CAD geometries to assess this sensitivity. To perform this comparison, we use the intrinsic definition of the patches in the parametric space (u;v). Through the use of the exact coordinates at any point on the surface provided by the CAD, we avoid using an interpolation to get the best calculation accuracy possible. However, unlike the first method, it requires to identify the correspondence between patches from one shape to another. An application on an external aerodynamics academic case was made. The relevance of the first method is demonstrated on a representative multi-objective case, which facilitate its deployment use in an industrial environment. Regarding the second method, we showed its great potential. However, further developments are needed to handle more advanced cases. Because they are independent of the mechanical solver and the number of parameters, these methods significantly reduce product development time, particularly by allowing large and multiphysics optimization

Ce travail de thèse s’intéresse à l’amélioration de la compacité des antennes destinées en priorité aux systèmes embarqués tout en respectant les exigences de performance et de compétitivité. L’approche explorée consiste à utiliser des matériaux artificiels fonctionnant en transmission et conçus en structurant la matière diélectrique à une échelle plus petite que la longueur d’onde (sub-longueur d’onde). Cette structuration permet en pratique d’opérer une variation de l’indice de réfraction effectif afin de réaliser des éléments diffractifs aptes à remplir une fonction hyperfréquence. Cependant, la particularité de ce type d’élément structuré est de mêler plusieurs échelles physiques engendrant une complexité dans leur étude. La plus grande dimension d’un composant structuré peut atteindre plusieurs dizaines de longueur d’onde, par exemple 20λ, alors que la taille minimale des structures sub-longueur d’onde peut être inférieure à une fraction de la longueur d’onde, tel que λ/20. Cet aspect multi-échelle allonge les temps de simulation des dispositifs antennaires intégrant ces éléments structurés, empêchant ainsi toute possibilité d’optimisation multi-paramètres dans des temps raisonnables. Afin de pouvoir exploiter pleinement le potentiel de ces matériaux structurés, un modèle numérique de calcul a été développé sur la base des chemins optiques. Ce modèle restitue des résultats sur le maximum de gain des antennes lentilles diffractives structurées avec une précision de 0,5 dB. Le temps de calcul du modèle est de l’ordre de la minute comparée à plus de 6 heures pour une simulation complète avec le logiciel de calcul électromagnétique CST. La rapidité et la précision de ce modèle ont été mises à profit pour optimiser la conception d’une lentille diffractive structurée. Pour illustrer la pertinence de cette approche structurée, ses performances ont été comparées à celles des antennes lentilles de Fresnel et à profil hyperbolique. Cette comparaison s’est faite dans des conditions d’encombrement identiques avec un rapport longueur sur diamètre L/D de 0,5. Le gain de la lentille structurée se révèle être plus élevé de 1,6 dB par rapport à celui de la lentille de Fresnel et de 2,7 dB par rapport à celui de la lentille hyperbolique
This work focuses on the improvement of the antennas compactness used primarily for embedded systems while respecting the performance and competitiveness requirements. The approach explored consists in using artificial materials operating in transmission and designed by structuring the dielectric material on a scale smaller than the wavelength (sub-wavelength). This structuring makes it possible in practice to achieve a variation in the effective refractive index in order to produce diffractive elements capable of performing a microwave function. However, the particularity of this type of structured element is to mix several physical scales generating complexity in their study. The largest dimension of a structured component can reach several tens of wavelength, for example 20λ, while the minimum size of the sub-wavelength structures may be less than a fraction of the wavelength, as than λ / 20. This multi-scale aspect increases the simulation times of antenna devices integrating these structured elements, thus preventing any possibility of multi-parameter optimization in reasonable times. In order to exploit fully the potential of these structured materials, a numerical model of computation has been developed on the basis of optical paths. This model gives results on the maximum gain of structured diffractive lens antennas with an accuracy of 0.5 dB. The computation time of the model is of the order of the minute compared to more than 6 hours for a complete simulation with the electromagnetic calculation software CST Microwave Studio. The speed and precision of this model have been used to optimize the design of a structured diffractive lens. To illustrate the relevance of this structured approach, its performances were compared with those of Fresnel lens antenna and hyperbolic lens antenna. This comparison was carried out under identical footprint conditions with a length to diameter ratio L / D of 0.5. The gain of the structured lens was found to be 1.6 dB higher than the Fresnel lens and 2.7 dB higher than the hyperbolic lens

Depuis 1984, les matériaux à gradients de fonction (FGM) permettent de former une barrière thermique et réduire les fortes discontinuités des propriétés entre deux matériaux de nature différente. Ces multi-matériaux, qui consistent en une variation intentionnelle de la composition chimique entrainant par conséquent une modification des propriétés microstructurales, chimiques, mécaniques et thermiques, permettent de lisser la distribution des contraintes thermiques. L’élaboration in situ de ces alliages sur mesure est rendu possible grâce à l’utilisation de procédés de fabrication additive tel que le procédé par dépôt de poudres DED-CLAD®. Ces procédés connaissent un essor considérable depuis les années 1980 et sont idéaux dans la fabrication de FGM. Dans le cadre de cette thèse CIFRE, des développements techniques ont été effectués pour adapter le procédé DED-CLAD® et permettre la réalisation de FGM. Grâce à plusieurs collaborations industrielles, une étude complète a été réalisée sur les alliages titane-molybdène et titane-niobium. Ces alliages permettent dans le premier cas de réaliser des pièces résistantes à de fortes sollicitations thermiques (secteur spatial), et dans le second cas d’associer les propriétés mécaniques et la biocompatibilité (secteur biomédical). L’originalité de cette thèse repose sur l’étude d’un gradient complet, c’est-à-dire que l’ajout en élément d’alliage varie de 0% à 100%. En effet, les études reportées dans la littérature ne font pas mentions des alliages titane-matériaux réfractaire pour des taux élevés en élément réfractaire. Les analyses microstructurale (DRX, structure cristallographique par EBSD, microstructure), chimique (EDS) et mécanique (microdureté, tests de traction et essais d’indentation instrumentée) ont mis en évidence une évolution des propriétés le long du gradients de composition. La caractérisation mécanique des échantillons par indentation instrumentée s’est par ailleurs révélée particulièrement pertinente dans les cas de ces multi-matériaux
Since 1984, the Functionally Graded Material (FGM) allow to create a thermal barrier and to reduce the strong discontinuities of properties between two materials of different composition. These multimaterials,whose consist of an intentional variation in the chemical composition and, consequently, modify the microstructural, chemical, mechanical and thermal properties, lead to a smooth distribution of the thermal stress. The in-situ development of these custom-made alloys is made possible by the use of additive manufacturing processes such as the DED-CLAD® powder deposition process. These processes have grown substantially since the 1980s and are optimal for the manufacture of FGM. During this industrial thesis, technical developments have been carried out to adapt the DED-CLAD® process and to allow the manufacturing of FGM. Thanks to two industrial collaborations, a full study was carried out on titanium-molybdenum and titanium-niobium alloys. These alloys make it possible, in the first case, to produce parts resistant to strong thermal stress (space sector), and in the second case to combine mechanical properties and biocompatibility (biomedical sector). The originality of this thesis rests on the study of a complete gradient, that is the addition in alloy element varied from 0% to 100%. In fact, studies reported in the literature do not mention titanium-refractory material for high levels of refractory element. Microstructural (XRD, crystallographic analysis by EBSD technique), chemical (EDS) and mechanical (microhardness, tensile test and instrumented indentation) analyses revealed an evolution of the properties along the chemical gradient. The mechanical characterization of the sample by instrumented indentation has also proved particularly relevant in the case of these multi-materials

L'objectif de ces travaux de thèse est de proposer une démarche de caractérisation et de simulation de matériaux métalliques à gradients de microstructure. Ces résultats doivent permettre de modéliser l'impact du procédé de forgeage sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles d'essieux ferroviaires, produits dans le cadre du projet Innovaxle par la société Valdunes. Des essais de caractérisation réalisés sur un essieu forgé mettent en évidence un gradient de taille de grain entre le cœur et la surface de la pièce. Ce gradient est reproduit à une échelle plus fine sur des éprouvettes recristallisées en fer ARMCO, dont la caractérisation révèle un comportement élasto-plastique fortement hétérogène. Ce comportement est caractérisé à l'aide de la méthode F.E.M.U. (Finite Element Model Updating), qui appuie une hypothèse de modélisation basée sur l'application de la loi Hall-Petch à l'échelle mésoscopique. Cette modélisation sert de base à des simulations en fatigue décrivant la réponse à des sollicitations non-uniformes d'agrégats polycristallins à gradient de microstructure. L'intérêt de microstructures conçues en prévision de chargements spécifiques est mise en avant par ces simulations. Les calculs éléments finis présentés dans ces travaux sont réalisés avec le logiciel Code Aster, et le logiciel libre YADICS est utilisé pour la corrélation d'images numériques
The main objective of this thesis is to design a consistent methodology for the characterization and simulation of functionally graded metals. This approach should allow the assessment of the high cycle fatigue response of forged railway axles produced by Valdunes, in the context of the Innovaxle project. The tests conducted on the forged material reveal a very heterogeneous microstructure, whose grain size varies in the width of the axle. A procedure based on recrystallisation is designed to reproduce this grain size gradient on a smaller scale, on a reference material (ARMCO iron). The characterization of the obtained graded microstructure shows heterogeneities in the local elasto-plastic response of the specimen. This behaviour is tentatively described by a heterogeneously distributed elasto-plastic law over the microstructure, the local yield strength being obtained from the local grain size through a Hall-Petch formulation. This model is used to simulate the response of graded microstructures under heterogeneous loadings in the high cycle fatigue regime. The interests of functionally graded materials are outlined by these simulations. The finite element simulations run in this work make use of the Code Aster software, and the digital image correlation program YADICS is used for image registration purposes

Cette thèse est un travail prospectif sur la caractérisation multi-échelle de matériaux à gradient de propriétés générés par des traitements de surface de type mécanique (grenaillage à air comprimé ou par ultrasons) ou thermochimique (nitruration, implantation ionique, cémentation basse température). Les apports de plusieurs techniques de caractérisation (microscopie électronique à balayage, spectrométrie, indentation instrumentée, microscopie interférométrique), à différentes échelles, et l'existence possible d'une signature des traitements de surface étudiés sur le matériau ont été examinés. Une analyse multi-échelle des échantillons grenaillés par ultrasons a permis d'établir un lien entre les paramètres procédé et la rugosité du matériau. Une approche originale statistique a été proposée pour déterminer la dureté d'un matériau modifié par un traitement de surface donné sans altérer la surface par une rectification. Elle a permis d'établir un lien entre la rugosité des échantillons grenaillés par ultrasons et leur dureté. Une recherche bibliographique détaillée a été réalisée sur la simulation de l'essai d'indentation instrumentée par éléments finis en étudiant une centaine d'articles afin d'évaluer l'influence des hypothèses des modèles sur leurs résultats. A l'aide d'un modèle éléments finis, la sensibilité des courbes d'indentation à une variation des paramètres matériau a été examinée. Cela a permis de mettre en place une réflexion sur l'identification des propriétés d'un matériau à gradient à l'aide de l'essai d'indentation.

Depuis 1984, les matériaux à gradients de fonction (FGM) permettent de former une barrière thermique et réduire les fortes discontinuités des propriétés entre deux matériaux de nature différente. Ces multi-matériaux, qui consistent en une variation intentionnelle de la composition chimique entrainant par conséquent une modification des propriétés microstructurales, chimiques, mécaniques et thermiques, permettent de lisser la distribution des contraintes thermiques. L’élaboration in situ de ces alliages sur mesure est rendu possible grâce à l’utilisation de procédés de fabrication additive tel que le procédé par dépôt de poudres DED-CLAD®. Ces procédés connaissent un essor considérable depuis les années 1980 et sont idéaux dans la fabrication de FGM. Dans le cadre de cette thèse CIFRE, des développements techniques ont été effectués pour adapter le procédé DED-CLAD® et permettre la réalisation de FGM. Grâce à plusieurs collaborations industrielles, une étude complète a été réalisée sur les alliages titane-molybdène et titane-niobium. Ces alliages permettent dans le premier cas de réaliser des pièces résistantes à de fortes sollicitations thermiques (secteur spatial), et dans le second cas d’associer les propriétés mécaniques et la biocompatibilité (secteur biomédical). L’originalité de cette thèse repose sur l’étude d’un gradient complet, c’est-à-dire que l’ajout en élément d’alliage varie de 0% à 100%. En effet, les études reportées dans la littérature ne font pas mentions des alliages titane-matériaux réfractaire pour des taux élevés en élément réfractaire. Les analyses microstructurale (DRX, structure cristallographique par EBSD, microstructure), chimique (EDS) et mécanique (microdureté, tests de traction et essais d’indentation instrumentée) ont mis en évidence une évolution des propriétés le long du gradients de composition. La caractérisation mécanique des échantillons par indentation instrumentée s’est par ailleurs révélée particulièrement pertinente dans les cas de ces multi-matériaux
Since 1984, the Functionally Graded Material (FGM) allow to create a thermal barrier and to reduce the strong discontinuities of properties between two materials of different composition. These multimaterials,whose consist of an intentional variation in the chemical composition and, consequently, modify the microstructural, chemical, mechanical and thermal properties, lead to a smooth distribution of the thermal stress. The in-situ development of these custom-made alloys is made possible by the use of additive manufacturing processes such as the DED-CLAD® powder deposition process. These processes have grown substantially since the 1980s and are optimal for the manufacture of FGM. During this industrial thesis, technical developments have been carried out to adapt the DED-CLAD® process and to allow the manufacturing of FGM. Thanks to two industrial collaborations, a full study was carried out on titanium-molybdenum and titanium-niobium alloys. These alloys make it possible, in the first case, to produce parts resistant to strong thermal stress (space sector), and in the second case to combine mechanical properties and biocompatibility (biomedical sector). The originality of this thesis rests on the study of a complete gradient, that is the addition in alloy element varied from 0% to 100%. In fact, studies reported in the literature do not mention titanium-refractory material for high levels of refractory element. Microstructural (XRD, crystallographic analysis by EBSD technique), chemical (EDS) and mechanical (microhardness, tensile test and instrumented indentation) analyses revealed an evolution of the properties along the chemical gradient. The mechanical characterization of the sample by instrumented indentation has also proved particularly relevant in the case of these multi-materials

Nous proposons une nouvelle procédure de mesure permettant de tracer la courbe de résistivité en fonction de l'écartement électrode de courant-électrode de potentiel relié à la profondeur d'investigation et au gradient de teneur en eau. Les mesures de résistivité au droit des armatures sont réalisées et une procédure d'inversion permettant de remonter au gradient de résistivité est mise en place. Deux types de mesures ont été effectués expérimentalement, sur des dalles en béton armé et non armée. Deux types de gradient sont étudiés : le séchage et l'humidification. La présence de l'armature diminue significativement la résistivité à cause d'un effet de court-circuit. Les mesures montrent l'intérêt de la procédure pour l'étude du gradient de teneur en eau. Pour la partie numérique la simulation a montré que la mesure de résistivité permet effectivement de déterminer le gradient de résistivité et de définir les paramètres électrochimiques de l'acier via le modèle de Butler-Volmer
We propose a new measurement procedure that allows drawing a resistivity curve as a function of the spacing between current electrode and potential electrode which is linked to the investigation depth and the water content gradient. The resistivity measurements above the rebars are performed and an inversion procedure to assess the resistivity gradient is carried out. For the experimental part two kinds of measurement are performed on concrete slabs (reinforced and unreinforced). Two gradient types are studied: drying and wetting. The presence of the reinforcement significantly decreases the measurement of the resistivity. The measurements show the interest of the proposed procedure for the study of the water content gradient. Two measurement results were considered in numerical analyses. The simulation shows that it is possible to assess the resistivity gradient and the electrochemical parameters of the rebar via the Butler-Volmer model

L'irradiation peut modifier les propriétés mécaniques des aciers inoxydables austénitiques. Une diminution de la ténacité à la rupture des aciers en fonction de la dose est observée. La rupture ductile due à la croissance et la coalescence des cavités est toujours un mécanisme dominant dans les aciers irradiés jusqu'à 10 dpa. Des cavités peuvent être crées de manière différente : nucléées à partir des inclusions ou des précipités d'irradiation, ou créées directement par irradiation. Cette thèse a pour objectif d'étudier la rupture ductile des aciers irradiés due à la croissance et la coalescence des cavités intragranulaires. Basée sur la plasticité cristalline, des simulations en éléments finis sont effectuées sur les cellules unitaires pour étudier l'effet de l'orientation cristallographique et de la triaxialité de contraintes sur la croissance et la coalescence des cavités. L'effet de l'écrouissage post-irradiation sur la croissance et la coalescence des cavités est étudié avec un modèle de la plasticité cristalline prenant compte des défauts d'irradiation. En outre, un modèle élastomère-visco-plastique en grandes transformations est proposé pour décrire la croissance des cavités dans le monocristal. Le modèle est appliqué à la simulation de l'endommagement ductile dans le monocristal et le polycristal. Des cavités peuvent avoir des tailles différentes et la taille peut avoir une influence sur la ténacité à la rupture des aciers. Afin d'étudier cet effet, un modèle micromorphe de plasticité cristalline est proposé et appliqué à la simulation de la croissance et la coalescence des cavités intragranulaires de différentes tailles ainsi qu'aux phénomènes de localisation dans les monocristaux
Irradiation causes drastic modifications of mechanical properties of austenitic stainless steels and a decrease in the fracture toughness with irradiation has been observed. Ductile fracture due to void growth and coalescence remains one dominant fracture mechanism for doses in the range of 0-10 dupa. Voids may have different origins : nucleated at inclusions or irradiation-induced precipitates during mechanical loading, or produced directly by irradiation. The present work is to investigate ductile fracture of irradiated steels due to growth and coalescence of intragranulaire voids. Based on continuum crystal plasticity theory, FE simulations are performed on unit cells for studying effects of lattice orientation and stress triaxiality on void growth and coalescence. The influence of post-irradiation hardening/softening on void growth ans coalescence is evaluated with a physically based crystal plasticity model. Besides, an elastoviscoplastic model at finite strains is proposed to describe void growth up to coalescence in single crystals, and is assessed based unit cell simulations. The model is then applied to simulate ductile damage in single crystals ans polycrystals. As voids in irradiated steels may have different origins, they may have different sizes, which potentially have an influence on ductile fracture process and fracture toughness of irradiated steels. In order to assess the size effect, a micromorphic crystal plasticity model is proposed and applied to simulate growth and coalescence of intragranular voids of different sizes

Cette thèse est consacrée à l'étude de méthodes numériques pour la simulation des écoulements polyphasiques en milieu poreux, en vue de leur application à des problèmes d'ingénierie pétrolière ou environnementale. Nous présentons une formulation générique du modèle d'écoulements à nombre quelconque de composants présents dans un nombre quelconque de phases. Dans notre approche l'approximation des flux diffusifs (issus, par exemple, de la loi de Darcy) s'appuie sur de nouveaux schémas, appelés schémas gradient, qui ont plusieurs avantages sur les schémas industriels standard : ces derniers, qui sont des schémas volumes finis multi-points centrés aux mailles, ne sont généralement pas symétriques et convergent difficilement sur des cas à forts rapports d'anisotropie. Nous montrons en revanche que les schémas gradient conduisent naturellement à des approximations symétriques et convergentes. Parmi cette classe de schémas, nous étudions plus particulièrement le schéma "VAG" qui fait intervenir des inconnues au centre des mailles et aux sommets du maillage. Ce schéma conduit à la définition de flux entre le centre d'une maille et ses sommets, qui sont utilisés pour généraliser la méthode "VAG" au contexte polyphasique. Des tests numériques montrent alors que ce schéma est robuste, et conduit à un très bon compromis précision/coût, ce qui en fait un candidat idoine pour les applications industrielles. Nous présentons notamment un cas test, basé sur des observations de terrains, d'injection et de dissolution de CO2 dans la région proche d'un puits foré dans un aquifère salin. Nous montrons alors que le schéma numérique permet de simuler l'assèchement et la précipitation de minéral observée en pratique. Un chapitre de la thèse est enfin consacré à l'étude pratique et théorique d'une méthode numérique générique pour contrôler l'effet d'axe lors de l'utilisation de schémas industriels

Dans le domaine de la fatigue à grand nombre de cycles, les fissures s'initient le plus souvent à la surface des pièces. Par conséquent, en plus des propriétés mécaniques globales, les caractéristiques de la surface et de la sous-couche, telles que la rugosité et les contraintes résiduelles affectent la durée de vie en fatigue. La rugosité a essentiellement une influence sur la phase d'amorçage des fissures. En effet, la présence d'irrégularités de surface entraine des concentrations de contraintes qui peuvent produire de fortes déformations locales et éventuellement entrainer la formation de défauts de type fissures. Par ailleurs, la présence de contraintes résiduelles affecte à la fois la phase d'amorçage et de propagation des fissures. Elles affectent la plasticité proche de la surface et influencent donc l'amorçage des fissures. De plus, en se superposant au chargement mécanique macroscopique, elles modifient localement le niveau de sollicitation et peuvent donc affecter la propagation des fissures.Le grenaillage ultrasonore (SMAT) est un traitement mécanique de surface qui consiste à bombarder un échantillon avec des billes mises en mouvement par un dispositif atteignant des fréquences de vibration de 20 kHz. Les impacts répétés entrainent une déformation plastique de la surface menant au développement de contraintes résiduelles de compression ainsi qu'un gradient de microstructure caractérisé par des zones très déformées en sous couche et des tailles de grains submicroniques en surface. Un tel traitement a été réalisé sur des aciers inoxydables austénitiques afin d'étudier l'amorçage et la propagation de fissures de fatigue dans le champ complexe de microstructure et de contraintes résiduelles induit par le SMAT.Des essais en fatigue uniaxiale à grand nombre de cycles ont été conduits à deux rapports de charge différents (en traction-compression à RTC=-1 et en traction-traction à RTT=0,1). Ils ont permis de mettre en évidence un effet variable du SMAT en fonction de la condition de chargement cyclique. En effet, pour RTC une amélioration de la limite de fatigue a été mesurée alors que pour RTT c'est un abattement de la limite de fatigue qui a été constaté. Dans le but d'expliquer cette différence, une étude approfondie des éprouvettes rompues et non-rompues de l'état initial et SMAT, a été menée. Il s'est avéré que dans les conditions de chargement étudiées, les redistributions des contraintes résiduelles peuvent être considérées comme le facteur principal permettant d'expliquer les performances variables en fatigue ainsi que les amorçages observé aux différents sites d'initiation. En considérant les contraintes résiduelles de surface stabilisées après chargement en fatigue, l'utilisation d'un critère de Crossland a permis d'expliquer à la fois l'effet du rapport de charge et du SMAT sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles des aciers inoxydables.Une modélisation des gradients de propriétés mécaniques et de contraintes résiduelles caractéristiques du SMAT par la méthode des éléments finis a été proposée (via ABAQUS) dans le but de comprendre et de prédire les relaxations de contraintes résiduelles. Les résultats des simulations ont été confrontés aux données obtenues expérimentalement et un très bon accord a été obtenu. La capacité du modèle à rendre compte du comportement en fatigue à faible et à grand nombre de cycles a été évaluée, et une cohérence très correcte a été obtenue entre les résultats numériques et expérimentaux.Des éprouvettes pourvues d'un défaut artificiel surfacique ont ensuite été préparées afin d'évaluer la sensibilité à la présence d'accidents géométriques, mais aussi pour suivre la propagation des fissures de fatigue par la méthode des répliques. Il a été démontré que les éprouvettes SMAT ne présentent pas une sensibilité exacerbée à la présence de défauts par rapport à l'état initial pour RTT, alors qu'à RTC une sensibilité légèrement accrue a été mesurée. [...]
In the high cycle fatigue, cracks initiate most of the time at the surface of workpieces. Therefore, in addition to the overall mechanical properties, surface and sub-surface characteristics such as roughness and residual stresses affect the fatigue life. Roughness essentially influences the cracks initiation phase. Indeed, the presence of surface irregularities induces stress concentrations producing high local strains potentially leading to the formation of crack-like defects. Besides, the presence of residual stresses affects both the crack initiation and propagation phase. They affect the plasticity close to the surface and influence the crack initiation. Moreover, superposed with the macroscopic loading, they locally modify the stress field and therefore may affect the crack propagation behavior as well.The ultrasonic shot peening (SMAT) is a surface mechanical treatment which consists in impacting a sample with shots put in motion by a vibrating device operating at frequencies up to 20 kHz. The repeated impacts lead to a surface plastic strain allowing the formation of compressive residual stresses as well as a microstructure gradient characterized by highly deformed zones in the sub-surface and submicronic grain size just below the surface. Such treatment was carried out to austenitic stainless steels in order to study the fatigue crack initiation and propagation in the complex microstructure and residual stress field induced by the SMAT.Uniaxial high cycle fatigue tests have been conducted for two different load ratios (under tension-compression at RTC=-1 and under tension-tension at RTT=0.1). They allowed to highlight the variable effectiveness of the SMAT with regard of the cyclic loading conditions. Indeed, at RTC, an increase of the fatigue limit was measured whereas for RTT a reduction of the fatigue limit was observed. In order to explain this difference, an in-depth study of the initial state and SMAT treated broken and run-out samples was carried out. It turns out that under the studied loading conditions the modifications of residual stress state can be considered as the primary factor governing the varying fatigue performances and the observed triggering at different initiation sites. Considering the stabilized surface residual stress after fatigue loading, the use of a Crossland criterion allowed to explain both the effects of load ratio and SMAT on the high cycle fatigue behavior of the stainless steel.A modelling method of the mechanical properties and residual stresses gradients was then developed using the finite elements method (via ABAQUS) in order to understand and predict the residual stresses redistributions. The results of the simulations were compared to the experimental measurements, and a good agreement was observed. The capacity of the model to simulate both the strain- and stress-controlled fatigue behavior was evaluated and a good consistency between the numerical and experimental results were obtained.Specimens with an artificial surface defect were then prepared in order to evaluate the surface anomalies sensitivity, and also to study the fatigue crack propagation behavior using the surface replication method. It was shown that the SMAT samples do not exhibit an increased sensitivity to the presence of defects compared to the initial state when loaded at RTT, whereas for RTC a slightly increased sensitivity was identified. Studying the crack propagation at the surface of the specimens highlighted different behaviors for different load ratios. Also, despite the presence of a defect, the crack initiation phase remained important. Finally, crack fronts were marked by different methods which permitted plotting the fatigue crack growth curves. It was then shown that at RTC, fatigue crack growth behavior in the SMAT layer is drastically different from the initial material, whereas at RTT no difference was revealed

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

Les traitements thermochimiques de carbonitruration sont utilisés dans l’industrie automobile pour conférer à des pièces (pignons…) des résistances à la fatigue et à l’usure élevées. Ils consistent à générer des gradients de carbone et d’azote en surface des pièces par diffusion dans le domaine austénitique à haute température et à les refroidir rapidement pour obtenir les gradients de microstructures, de propriétés mécaniques et de contraintes résiduelles de compression en surface désirés pour les propriétés en service. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre les effets de gradients de teneur en carbone et d’azote sur la genèse des contraintes internes au cours du refroidissement en relation avec les cinétiques de transformations de phases ainsi que les distributions de contraintes résiduelles en fin de traitement par une démarche expérimentale et de modélisation. Du point de vue expérimental, la première étape est l’élaboration d’échantillons de laboratoire à gradients de teneur en carbone et d’azote contrôlés représentatifs des pièces. Puis, les cinétiques de transformations de phases et les évolutions des contraintes internes ont été analysées par diffraction des rayons X haute énergie (synchrotron) au travers des gradients de composition chimique en mettant en œuvre une nouvelle méthodologie. A notre connaissance, c’est la première fois que les contraintes internes ont été mesurées in situ dans des échantillons à gradients. Des résultats nouveaux et inattendus ont été obtenus en présence d’azote : il a été montré que la chronologie des transformations de phases entre le cœur et la surface enrichie en azote de l’échantillon est complètement inversée par comparaison avec le cas plus classique de la cémentation (enrichissement en carbone seul) ce qui conduit à un profil inversé de contraintes résiduelles avec des contraintes de traction en surface et des contraintes de compression à cœur. Ce comportement a été relié à l’accélération des transformations de phases diffusives dans la couche nitrurée qui diminue sa trempabilité. Un modèle couplé thermique-transformation de phase-mécanique a aussi été développé pour prévoir les évolutions de températures, les cinétiques de transformations de phases, les évolutions de contraintes internes ainsi que les distributions de microstructures finales, duretés, contraintes résiduelles dans des échantillons à gradients. Le modèle de calcul des transformations de phases développé dans une thèse antérieure a été implémenté dans le code de calcul par éléments finis Zebulon. La loi de comportement du matériau est thermo-élasto-viscoplastique et tient compte des déformations de transformations de phases (changement de volume et plasticité de transformation). Tous les paramètres matériau (thermomécaniques et thermo-physiques) sont fonction de la température, des phases en présence et de la teneur en carbone et en azote. Ils ont été déterminés par des caractérisations expérimentales d’éprouvettes enrichies de manière homogène en carbone et en azote et en se basant sur des données « maison ». Les simulations numériques ont confirmé et permis de comprendre de manière détaillée les évolutions complexes des microstructures et des contraintes internes liées aux gradients combinés de carbone et d’azote. Les comparaisons calcul-expérience montrent que la simulation permet de prévoir les principales tendances révélées par les observations expérimentales. Les écarts sur les niveaux de contraintes sont principalement attribués à la sous-estimation par le calcul des taux d’austénite résiduelle due au fait que le modèle métallurgique actuel ne tient pas compte de la stabilisation de l’austénite au cours du refroidissement
Carbonitriding thermochemical treatments are used in automotive industry for improving fatigue and wear resistance of mechanical parts. These treatments aim to generate gradients of carbon and nitrogen in the surface aera of the piece by diffusion in the austenitic field, and with the following quenching the desired gradients of microstructures, mechanical properties, and compressive residual stresses on the surface are obtained. The objective of the PhD thesis is to better understand the effects of carbon and nitrogen gradients on the development of internal stresses during cooling in relationship with the phase transformations as well as on the residual stresses distributions after cooling. The approach consists first of the elaboration of laboratory samples with controlled carbon and nitrogen gradients representative of the parts. Then, the kinetics of phase transformations and the internal stresses evolutions have been analysed experimentally by in situ High Energy (synchrotron) X-ray Diffraction throughout the chemical composition gradients thanks to a specific new methodology. To our knowledge, it is the first time internal stresses can be measured in situ during cooling in gradient specimens. Unexpected results have been obtained in nitrogen enriched samples; it has been shown that the chronology of phase transformations between core and surface is inversed as compared to the more classical case of carburizing leading to completely inversed residual stress profiles with tensile stresses in the nitrogen enriched layer and compression in the core. It has been related to the acceleration of transformation kinetics in the nitrided layer that decreases its hardenability. A coupled thermal-metallurgical-mechanical model has been developed too to predict temperature evolutions, phase transformations kinetics, internal stresses evolutions as well as final microstructure, hardness and residual stress distributions in the gradient samples. The metallurgical model developed in a previous study has been implemented in the finite element code Zebulon. The thermomechanical behaviour law of the material is thermoelastoviscoplastic including transformation strains (volumic variations and transformation plasticity strains). All material parameters (thermomechanical and thermophysical parameters) are considered as temperature, phase and carbon and nitrogen dependent; they have been determined from experimental characterizations on carbon and nitrogen homogeneously enriched specimen and in house data. The simulations allowed to confirm and understand more in details the complex microstructure and internal stresses evolutions due to combined nitrogen and carbon gradients. The comparison between calculated and experimental results shows that the simulation gives the main tendencies of the experimental observations. The main discrepancies on the level of residual stresses are attributed to the underestimation of the retained austenite fractions as the present model does not take into account its stabilization during cooling

La plupart des problèmes d'ingénierie des deux derniers siècles ont été résolus grâce à des modèles structuraux pour poutres, plaques et coques. Les théories classiques, tels que Euler-Bernoulli, Navier et de Saint-Venant pour les poutres, et Kirchhoff-Love et Mindlin-Reissner pour plaques et coques, ont permis de réduire le problème générique 3-D, dans le problème unidimensionnel pour les poutres et deux dimensionnelle pour les coques et les plaques. Théories raffinés d'ordre supérieur ont été proposées au cours du temps, comme les modèles classiques ne consentez pas à d'obtenir une complète domaine des contraintes et des déformations. La Carrera Unified Formulation (UF) a été proposé au cours de la dernière décennie, et permet de développer un grand nombre de théories structurelles avec un nombre variable d'inconnues principales au moyen d'une notation compacte et se référant à des nuclei fondamentales. Cette formulation unifiée permet de dériver carrément des modèles structurels d'ordre supérieur, pour les poutres, plaques et coques. Dans ce cadre, cette thèse vise à étendre la formulation pour l'analyse des structures fonctionnellement gradués (FGM), en introduisant aussi le problème thermo-mécanique, dans le cas des poutres fonctionnellement gradués. Suite à la formulation unifiée, les variables génériques déplacements sont écrits en termes de fonctions de base, qui multiplie les inconnues. Dans la deuxième partie de la thèse, de nouvelles fonctions de bases pour la modélisation des coques, qui représentent une approximation trigonométrique des variables déplacements, sont pris en compte
Most of the engineering problems of the last two centuries have been solved thanks to structural models for both beams, and for plates and shells. Classical theories, such as Euler-Bernoulli, Navier and De Saint-Venant for beams, and Kirchhoff-Love and Mindlin- Reissner for plates and shells, permitted to reduce the generic 3-D problem, in onedimensional one for beams and two-dimensional for shells and plates. Refined higher order theories have been proposed in the course of time, as the classical models do not consent to obtain a complete stress/strain field. Carrera Unified Formulation (UF) has been proposed during the last decade, and allows to develop a large number of structural theories with a variable number of main unknowns by means of a compact notation and referring to few fundamental nuclei. This Unified Formulation allows to derive straightforwardly higher-order structural models, for beams, plates and shells. In this framework, this thesis aims to extend the formulation for the analysis of Functionally Graded structures, introducing also the thermo-mechanical problem, in the case of functionally graded beams. Following the Unified Formulation, the generic displacements variables are written in terms of a base functions, which multiplies the unknowns. In the second part of the thesis, new bases functions for shells modelling, accounting for trigonometric approximation of the displacements variables, are considered

Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (CMUT) représentent aujourd’hui une réelle alternative aux technologies piézoélectriques dans le domaine de l’imagerie échographique médicale. Au cours des années, les procédés de fabrication des transducteurs se sont enrichis en vue d’améliorer leurs performances. A contrario le choix du substrat, généralement en silicium, a été peu étudié. Il est cependant reconnu que le support contribue à la signature acoustique du dispositif ultrasonore. L’objectif de ces travaux de thèse a été d’intégrer une couche de silicium poreux afin d’absorber une partie des ondes élastiques qui se propagent dans le substrat et interfèrent avec le signal acoustique émis. Nous montrons alors qu’il été possible de réaliser une couche de silicium poreux en face arrière de composants, sur plaquettes 6 pouces, sans dégrader leurs performances. Finalement, par l’intermédiaire de caractérisations acoustiques et des signatures impulsionnelles des transducteurs, nous révélons le potentiel prometteur de ce matériaux pour la réalisation de milieu arrière atténuant dédié à la transduction ultrasonore
Capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUT) have emerged as a potential alternative to traditional piezoelectric transducers for ultrasound imaging. Along the years, CMUT processes have been evolved to enhance the device performances. In the meantime, no particular attention was paid on the silicon substrate, even if it is well-known that it could contribute to the transducer efficiency. The aim of this PhD thesis was to use porous silicon as a backing material for ultrasonic transducers to absorb a piece of the acoustic wave propagating in the substrate and which induce crosstalks in the acoustic signal. We show that porous silicon layer can be obtained on the rear side of already processed wafers without any damage on the performances of capacitive micromachined ultrasonic transducers. Finally, by means of acoustic characterizations and the transducer electroacoustic responses, we reveal the potential interest of porous silicon as backing material for ultrasonic transducers