Letteratura scientifica selezionata sul tema "Optimisation multi-Matériaux"

La thématique de recherche proposée se présente comme une étude préliminaire en vue de minimiser le cout des opérations de perçage de multi-matériaux CFRP/Al et CFRP/Ti. Cette minimisation passe par la compréhension des mécanismes d'usure des outils de coupe ainsi que par la compréhension des phénomènes engendrant les différents défauts pouvant amener à la non-conformité de la pièce. Dans ce sens, des essais de perçages ont été mis en place. Leur instrumentation nous permet d'accéder aux efforts et aux températures générées lors de la coupe.En parallèle de cela, les moyens d'analyse mis en place permettent l'accès à la qualité des trous. L'identification de mécanisme d'usures subis par l'outil est réalisée à l'aide de visualisations au microscope électronique à balayage. L'usure du foret est aussi quantifiée par l'utilisation d'un microscope numérique pouvant mesurer le profil de l'arête de coupe de l'outil.Les champs de température au voisinage de l'interface outil/copeau influent de façon importante sur la durée de vie de l'outil. Difficile d'accès par l'expérimentation, ces champs de température sont toutefois accessibles par la simulation numérique des sollicitations thermiques appliquées à la pièce. Le modèle développé dans ce projet permet, par méthode inverse, de déterminer la température appliqué sur la paroi du trou à partir des mesures expérimentales réalisé à 4mm de celle-ci. Celui-ci à permis de visualiser l'étendu des zones affectées thermiquement et de confirmer les tendances observées expérimentalement
The proposed research topic is a preliminary study to minimize costs of drilling operation in multi-materials stacks as CFRP/Al and CFRP/Ti. In order to minimize these costs, it is initially necessary to understand the cutting tools wear mechanisms and the phenomenon leading to the non-conformity of the drilled hole. In this way, drilling tests were carried out. The instrumentation of this tests allow to access to the cutting forces and to the temperature achieved during the cutting process.In association, analyses devices were used to monitored the holes quality. The cutting tools wear mechanisms were observed through scanning electron microscope. The access of the cutting edge profile, by the measures achieved on a numerical microscope, allows quantifying the tool wear.The temperature fields near the tool/chip interface influence significantly the tool life. They are difficult to reach by experimentation, but can be obtained using numerical simulation of the workpiece thermal solicitations. The model developed allow, by inverse method, to reach the hole wall temperature using the temperature reach at 4mm of it. The temperature field was obtained and the tendencies observed experimentally were confirmed by this model

De nos jours, l'industrie microélectronique utilise des fréquences de fonctionnement plus élevées dans les composants commercialisés. Ces fréquences entraînent des températures de fonctionnement plus élevées et limitent donc l'intégrité et la durée de vie des composants électroniques. Cependant, les besoins actuels nécessitent des dispositifs miniaturisés et de haute densité de puissance. De ce fait, la dissipation thermique dans les composants microélectroniques s’avère capitale. Ainsi, des drains thermiques sont utilisés pour évacuer la chaleur produite par le fonctionnement du composant. Les drains thermiques actuels sont composés de métaux, tels que le cuivre et l’aluminium, présentant des conductivités et des coefficients de dilatation thermiques élevés. Néanmoins, les coefficients de dilatation thermique des différents matériaux présents dans un circuit peuvent induire des contraintes thermo-mécaniques aux interfaces et engendrer une défaillance des composants après plusieurs cycles de fonctionnement. Dans ce contexte, nous proposons de remplacer ces drains métalliques par un système composite à matrice cuivre renforcée par du carbone, sur lequel est déposé un diffuseur thermique sous forme de diamant. Ces composites Cu/C présentent des propriétés thermo-mécaniques adaptatives pouvant palier aux contraintes induites durant l’utilisation des composants. Le transfert optimal des propriétés dans les MMC est souvent compromis par l'absence de liaison chimique interfaciale, en particulier dans les systèmes non réactifs telsque Cu/C. Cependant, pour un assemblage thermiquement efficace, l'interface devrait permettre un bon transfert de charges thermo-mécaniques entre les matériaux. L'objectif de cette étude est de combiner les propriétés exceptionnelles du diamant et les propriétés thermo-mécaniques adaptatives des MMC. Les composites à matrice de cuivre renforcés au carbone sont synthétisés à l'aide d'un processus dit semi-liquide pour obtenir des gradients de composition et des propriétés optimisées d'interface matrice - renfort. Par conséquent, des éléments d'alliage sont insérés dans le matériau pour former des interphases de carbure à l'interface Cu/C. Le film mince de diamant est obtenu par dépôt chimique en phase vapeur assisté par laser. Cette méthode de dépôt permet d’agir sur la qualité du film ainsi que sur l’adhésion avec le substrat composite. Finalement, une importance particulière est portée à l’influence des interfaces sur les propriétés thermiques tant au sein du matériau composite (interface matrice – renfort), qu’au sein de l’assemblage film diamant – MMC.Ces travaux ont été menés dans le cadre d’un accord franco-américain de cotutelle de thèse entre l’Institut de Chimie de la Matière Condensée de l’Université de Bordeaux, en France, et le département d’Ingénierie Electrique de l’Université du Nebraska-Lincoln, aux Etats-Unis. Ils ont été financés, en France, par la Direction Générale de l’Armement (DGA), et par l’équivalent Américain aux Etats-Unis
Today, the microelectronics industry uses higher functioning frequencies in commercialized components. These frequencies result in higher functioning temperatures and, therefore, limit a component’s integrity and lifetime. Until now, heat-sink materials were composed of metals which exhibit high thermal conductivities (TC). However, these metals often induce large coefficient of thermal expansion (CTE) mismatches between the heat sink and the nonmetallic components of the device. Such differences in CTEs cause thermomechanical stresses at the interfaces and result in component failure after several on/off cycles.To overcome this issue, we suggest replacing the metallic heat sink materials with a heat-spreader (diamond film) deposited on metal matrix composites (MMCs), specifically, carbon-reinforced copper matrices (Cu/C) which exhibit optimized thermomechanical properties. However, proper transfer of properties in MMCs is often compromised by the absence of effective interfaces, especially in nonreactive systems such as Cu/C. Therefore, the creation of a chemical bond is ever more relevant. The goal of this research was to combine the exceptional properties of diamond by means of a thin film and the adaptive thermomechanical properties of MMCs. Carbon-reinforced copper matrix composites were synthesized using an innovative solid-liquid coexistent phase process to achieve designed composition gradients and optimized matrix/reinforcement interface properties. In addition, the lack of chemical affinitybetween Cu and C results in poor thermal efficiency of the composites. Therefore, alloying elements were inserted into the material to form carbide interphases at the Cu/C interface. Their addition enabled the composite’s integrity to be optimized in order to obtain thermally efficient assemblies. The diamond, in the form of a thin layer, was obtained by laser-assisted chemical vapor deposition. This process allowed action on the film’s phase purity and adhesion to the substrate material. Of particular importance was the influence of the interfaces on thermal properties both within the composite material (matrix-reinforcement interface) and within the diamond film-MMC assembly. This work was carried out within the framework of a Franco-American agreement between the Institute of Condensed Matter Chemistry of the University of Bordeaux in France and the Department of Electrical Engineering at the University of Nebraska-Lincoln, in the United States. Funding, in France, was provided by the Direction Générale de l’Armement (DGA), and by the American equivalent in the United States

L'allégement des structures aéronautiques conduit à associer par stratification les composites aux métaux : on parle alors de multi-matériaux. L'assemblage mécanique des empilages nécessite au préalable des opérations de perçage qui s'effectuent majoritairement sur Unité de Perçage Automatique (UPA). L'objectif des travaux présentés dans ce mémoire est d'optimiser les opérationsde perçage effectuées sur UPA dans des multi-matériaux CFRP-7175-TA6V. Trois axes de recherche ont ainsi été étudiés. Le premier concerne l'optimisation de l'outil. L'utilisation d'une méthode de conception adaptée a conduit vers plusieurs pistes d'améliorations de la géométrie d'un foret. Le deuxième axe traite de la modélisation du perçage vibratoire. Cette méthode consiste à ajouter un mouvement de vibration axiale, au mouvement de coupe. Le dernier axe développe la technique du perçage auto-adaptatif. Une nouvelle méthode est proposée pour identifier les différents matériaux constituants l'empilage.

La conception de nouveaux matériaux toujours plus performants est un enjeu de taille de la science des matériaux moderne. On trouve plusieurs exemples de ces matériaux innovants, tels les matériaux composites, les mousses, ou encore, les matériaux micro-architecturés (matériaux qui présentent certaines propriétés de périodicité à une échelle petite par rapport aux dimensions de la structure). Un critère fréquent que l'on retrouve chez ces matériaux est leur rapport entre masse et rigidité. L'optimisation topologique est particulièrement adaptée à la conception de ce genre de matériaux car le critère que l'on cherche à améliorer est directement intégré à la formulation du problème de minimisation. Nous proposons donc, dans un premier temps, des méthodes de conception de matériaux micro-architecturés par optimisation topologique pour différents critères. Dans un second temps l'utilité de ces matériaux est illustrée via des simulations multi-échelle dans la théorie du premier gradient et l'hypothèse de séparabilité des échelles pour l'homogénéisation. Une méthode d'optimisation couplée des échelles macro/micro est proposée où l'objectif est d'optimiser simultanément ces deux échelles malgré leur interdépendance. Le développement d'un démonstrateur numérique à permis d'illustrer ces différentes méthodes ainsi que de tester différents critères d'optimisation, différents modèles mécaniques, etc. Afin de réduire les coûts de calculs qui peuvent croître rapidement notamment pour les problèmes multi-échelle en raison de l'augmentation du nombre de variables de design, une approche "base de donnée" est proposée. Une large gamme de matériaux micro-architecturés est stockée (puis enrichie) pour différents critères (masse, rigidité, comportement originaux). Cette base est ensuite consultée au cours de l'optimisation couplée
The design on innovative micro-architectured materials is a key issue of modern material science. One can find many examples of this kind of materials such as composites materials, foams, and even micro-architectured materials (materials which come along with some periodicity properties at the small scale). A common criterion for these materials is their ratio between weight and stiffness. Topology optimization is well suited for the design of this kind of material since the criterion that is subject to improvement is directly integrated in the formulation of the minimization problem. In this context, we propose some methods for the design of micro-architectured materials using topology optimization and for several criteria. We afterwards illustrate the benefits of these materials thought multi-scale simulations based on the theory of the first gradient and the scale separability assumption in the homogenization framework.A coupled macro/micro optimization method is presented for the concurrent optimization of the these two interdependent scales. The development of a numerical demonstrator has allowed to illustrated those various methods and to test several optimization criteria, mechanical models etcetera. In order to reduce the computational costs that might become exorbitant especially for multi-scale problems since the number of design variables increases significantly, a database approach is proposed. A broad range of micro-architectured materials is stored (and enhanced) for several criteria (weight, stiffness, original behaviour). This database is then consulted throughout the coupled optimization

L'étude présentée dans ce mémoire traite du perçage orbital de l'alliage de titane Ti6Al4V et du composite à fibres de carbone CFRP sur des structures épaisses. Ce cas d'étude est extrait d'une problématique industrielle, provenant de la société Airbus qui souhaite intégrer à la structure primaire du mât de réacteur des pièces en CFRP afin de diminuer sa masse. Mais l'association de ces deux matériaux aux propriétés antagonistes pose de nombreux problèmes en matière de perçage. C'est la raison pour laquelle de nouvelles alternatives au perçage classique ont été recherchées. Parmi ces alternatives possibles, le perçage orbital avec micro-lubrification a montré des perspectives intéressantes. C'est pourquoi il a été choisi dans cette application industrielle. Mais ce procédé reste encore assez peu étudié et il existe donc peu de retours d'expériences et beaucoup de développements à réaliser. Le procédé de perçage orbital est très différent du perçage axial conventionnel. L'alésage est réalisé avec un outil de diamètre inférieur au trou, qui décrit une trajectoire hélicoïdale dans le matériau. L'ensemble des travaux présentés se focalisent sur la caractérisation en vue de l'optimisation du procédé de perçage orbital. Pour réaliser ceci, plusieurs aspects ont été abordés. Tout d'abord, une modélisation géométrique et cinématique de l'opération a été développée. La prise en compte de la géométrie exacte de l'outil et des conditions de coupe a permis de définir la géométrie du copeau à chaque instant. Cette connaissance est très importante pour la compréhension du mécanisme d'enlèvement de matière réalisé, elle permet d'estimer le chargement de l'outil et les conditions dans lesquelles s'effectue l'usinage. À partir de cette première modélisation géométrique, une modélisation des efforts de coupe a été mise en place. Pour cela, un modèle d'effort de type mécanistique a été utilisé. Son application a été adaptée au perçage orbital, afin de représenter au mieux l'opération. Les efforts ainsi modélisés ont été comparés à ceux observés expérimentalement afin de valider la modélisation proposée. Cela a permis d'envisager l'utilisation de cette modélisation pour une meilleure compréhension du processus d'enlèvement de matière présent. L'influence des entrées du modèle, à savoir les conditions de coupe et la géométrie de l'outil a été étudiée. L'autre apport de ces travaux réside dans la caractérisation du perçage orbital d'empilages CFRP/Ti6Al4V. En effet, de nombreux essais ont été mis en place pour caractériser le procédé de perçage orbital. Des procédures expérimentales ont donc été mises en place. Tout d'abord, le moyen d'essai instrumenté a dû être caractérisé afin qu'il corresponde au mieux aux moyens utilisés par l'industriel et surtout qu'il permette de réaliser des essais fiables et répétitifs. Les plans d'expériences mis en place par la suite ont permis de définir l'influence des paramètres de coupe sur les efforts et sur les diamètres réalisés. Dans cette phase de caractérisation, les défauts présents en perçage ont également été étudiés. Ainsi, des tendances ont pu être observées. Les résultats obtenus dans ces travaux dans ces travaux ont permis enfin d'envisager les voies d'optimisation du procédé, à travers le pilotage des avances, la stratégie de perçage, mais aussi la géométrie de l'outil. Des pistes ont été proposées et doivent faire l'objet d'études complémentaires. la modélisation mise en place et l'identification des phénomènes intervenant pendant l'opération ont d'ailleurs permis de poser les bases d'une surveillance du process. Celle-ci peut s'envisager de façon passive, pour contrôler le bon déroulement de l'opération, mais également de façon active pour agir en temps réel sur le pilotage du procédé, en fonction des phénomènes identifiés, afin de garantir la qualité souhaitée
The study presented in this thesis deals with the orbital drilling of Ti6Al4V titanium alloy and CFRP carbon fiber composite. This case study is taken from an industrial problem, from the Airbus company wishing to incorporate parts CFRP to reduce its mass. But the combination of these two materials with antagonistic properties poses many problems for drilling. This is why new alternatives to conventional drilling have been sought. Among these alternatives, orbital drilling with micro-lubrication showed interesting prospects. That is why it was chosen in this industrial application. But this process is still relatively unexplored and there is little feedback and many developments to achieve. Orbital drilling process is very different from the conventional axial bore. The bore is machined with a smaller diameter tool than the hole, which describes a helical path in the material. All work presented focus on the characterization for the optimization of the orbital drilling process. To achieve this, several aspects were discussed. First, a geometric modeling and kinematics of operation has been developed. The inclusion of the exact geometry of the tool and cutting conditions helped to define the geometry of the chip at every moment. This knowledge is important for understanding the achieved material removal mechanism, it allows to estimate the loading of the tool and the conditions in which machining is performed. From this first geometric modeling, modeling of cutting forces was established. For this, a model of mechanistic type of effort was used. Its application was adapted to orbital drilling in order to best represent the operation. The thus modeled efforts were compared to those observed experimentally in order to validate the proposed model. This allowed to consider the use of this model for a better understanding of this material removal process. The influence of model inputs, namely the cutting conditions and tool geometry was studied. Another contribution of this work is the characterization of the orbital drilling of CFRP stacks / Ti6Al4V. Indeed, many tests were developed to characterize the orbital drilling process. Experimental procedures have therefore been put in place. First of all, the instrumented test means had to be characterized so that it better corresponds to the means used by the manufacturer and above all it allows to carry out reliable and repeatable testing. The experimental design implemented subsequently helped to define the influence of cutting parameters on the efforts and realized diameters. In this phase of characterization, the bore in errors have also been studied. Thus, the trends have been observed. The results obtained in this work in the meeting helped to consider the process optimization of routes, through the control of advances, the drilling strategy, but also the geometry of the tool. Tracks have been proposed and are subject to further study. modeling implementation and the identification of phenomena occurring during the operation have also laid the foundation for process monitoring. This can be considered passively, to monitor the smooth running of the operation, but also actively to act in real time to the control of the process, based on identified phenomena, to ensure the desired quality

Les générateurs d'impulsions magnétiques sont de plus en plus exploités dans les applications de formage et soudage multi-matériaux. Ils permettent de réaliser une formabilité précise des pièces métalliques. Cette thèse a pour objectif de calculer, par des méthodes analytiques, le champ et la pression magnétiques ainsi que la force de Lorentz générés durant le magnétoformage d'un tube. Premièrement, nous proposons d'analyser le fonctionnement du générateur en utilisant une bobine massive et un concentrateur de champ magnétique. Ensuite, nous introduisons les modèles 3D de ces éléments, en utilisant les méthodes FEM et BEM, dans le but de déterminer les variations de la distribution du courant et de la température. Dans cette recherche, nous étudions expérimentalement, l'impact du concentrateur sur l'impulsion du courant, ensuite, nous mesurons par une caméra thermique la distribution de la température dans la bobine massive. Nous poursuivons avec le calcul de la répartition du champ magnétique autour de la bobine par une méthode analytique basée sur le calcul de l'inductance mutuelle entre deux bobines circulaires et coaxiales. Enfin, nous terminons par une étude analytique et numérique de la compression d'un tube métallique par impulsions magnétiques. La méthode analytique est basée sur le calcul de l'inductance propre et l'inductance mutuelle de la bobine et le tube en 3D afin de déterminer la force de Lorentz et la pression magnétique appliquée sur le tube
Magnetic pulse generators are being used more and more in multi-material forming and welding applications and produce a precise forming of metal parts. This PhD. thesis aims to calculate, using analytical methods, the magnetic field, the magnetic pressure, and the Lorentz force generated during electromagnetic forming of a metal tube. First, we propose to analyze the generator operation using a massive coil in interaction with a magnetic field shaper. Then, we develop the 3D models of these components using FEM and BEM methods in order to determine the evolution of the current and the temperature distributions. In this research work, we experimentally study the impact of the field shaper on the current pulse and then using a thermal camera we measure the temperature distribution in the massive coil. Afterwards, we calculate analytically the distribution of the magnetic field created around the coil based on the mutual inductance of two circular and coaxial coils. Finally, we develop an analytical and numerical study of a tube crimping by magnetic pulses. The used analytical method is based on the calculation of the self-inductance and the mutual inductance of the coil and the tube in 3D order to determine the Lorentz force and the magnetic pressure applied on the tube

Les méthodes d'optimisation de forme s’industrialisent progressivement, elles permettent la conception automatisée de structures aux propriétés optimales. Elles constituent aussi un outil d'exploration majeur pour la conception de nouveaux matériaux.Dans une première partie nous utilisons ces méthodes afin de générer des matériaux architecturés aux propriétés thermoélastiques effectives cibles et extrêmes. En plus de proposer différentes solutions, nous répertorions les différents mécanismes œuvrant au contrôle des ces propriétés. Dans ce contexte nous proposons aussi de prendre en compte l'influence des interfaces comportant un gradient de propriétés sur les architectures obtenues.Nous étudions ensuite les procédés de fabrication pouvant être utilisés afin de réaliser ces matériaux. Les méthodes de fabrication additive, considérées comme le vecteur d'une prochaine révolution industrielle, constituent une piste que nous considérerons tout particulièrement. Nous proposons plusieurs solutions pour prendre en compte les limitations et les effets collatéraux de ces procédés de fabrication au sein de processus d'optimisation de forme. Nous traitons le problème de la prise en compte des propriétés induites par la méthode de fabrication Fiber Deposition Molding (FDM), à savoir des propriétés anisotropes orientées. Nous proposons ensuite une approche pour traiter le problème des dépôts en porte-à-faux à l'aide d'un critère mécanique.Enfin, nous abordons la prise en compte des non-linéarités géométriques au sein de calculs d'optimisation de forme et discutons de leurs apports ainsi que de leurs limitations. Nous présentons plusieurs applications pour la conception automatisée d'actuateurs non linéaires
Shape optimization methods are promising methods and are gradually becoming industrialized. They provide the ability to automatically design structures with optimal behavior. They are outstanding tools for exploration and design of new materials.We use these methods to generate architectured multi-phased materials with prescribed thermoelastic properties. We first propose several solutions and we classify them by the mechanisms they rely on in order to control the effective properties. We also propose to evaluate the influence of an interface with a gradient of properties on the obtained architectures.Eventually we focus on the plausible manufacturing solution to produce our architectured materials. In this context, additive manufacturing methods (often considered as the support of an incoming industrial revolution) is our main option. We introduce several strategies to circumvent some limitations and side effects of these manufacturing methods during optimization process. We particularly focus on Fiber Deposition Molding, which induce an important mechanical anisotropy in processed parts. Then we consider the problem of overhangings features in design and propose a way to handle them prior to additive manufacturing using a mechanical criteria.Finally we take into account geometrical non linearities in optimization process. We highlight the pros and cons of this new modeling by presenting several applications of non linear actuators design

Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux afin de proposer une alternative dans le cadre de la dépollution nucléaire. Dans une première partie bibliographique, les principaux matériaux inorganiques utilisés pour ce procédé sont décrits en précisant leurs capacités de sorption. Les matériaux lamellaires apparaissent comme possédant un fort potentiel pour cette application. Deux solides ont retenu notre attention : les nanostructures à base de vanadates et de manganates.Des synthèses solvothermales sous flux micro-ondes de ces composés sont ensuite développées, afin d’obtenir une structuration sous forme de nanotubes de vanadates et de nanofleurs de manganates. Une optimisation des vanadates a ainsi été menée en évaluant l’impact de différents facteurs (par exemple, temps de maturation, temps de chauffage, nature et quantité de templates) sur les propriétés structurales et texturales des produits synthétisés. L’enroulement des feuillets est fortement influencé à la fois par la quantité d’amine et sa structure chimique. En effet, seules les amines à longue chaîne conduisent à l’obtention de nanotubes de façon homogène. Une analyse structurale a également été menée pour les deux types de composés en couplant les données expérimentales et celles obtenues par simulation.Les performances de sorption et la sélectivité des matériaux dans différents milieux (eau ultra-pure, eau de rivière) ont été évaluées vis-à-vis du césium et du strontium, seuls ou en mélange. Les résultats montrent clairement une sélectivité très forte des vanadates vis-à-vis du Cs+ et des manganates pour le Sr2+, même en milieu compétitif.La calorimétrie et la simulation moléculaire ont finalement été couplées pour mieux décrire les processus de sélectivité
This work focuses on the synthesis and characterization of new nanostructured materials that can be potentially proposed as alternatives in the field of nuclear decontamination. The first part is devoted to the state of the art on the use of inorganic materials for decontamination purposes, with the emphasis placed on their sorption capacity and selectivity. The layer materials are considered as offering potential for such applications. In consequence, the main efforts in this work have been focused on manganate and vanadate nanostructures.Solvothermal synthesis of these materials was developed on the basis of micro-wave oven procedures to control the materials structuring, thus leading to vanadate nanotubes and manganate nanoflowers. The optimization of vanadates was carried out by taking into account the effect of various factors (e.g., duration of maturation and heating stages, nature and mass of the template) on both the structural and textural properties of the resulting substrates. It was demonstrated that the scrolling of the layers was strongly influenced by the amount of amine and its chemical structure. Indeed, only the amine templates possessing long chains allowed homogeneous nanotubes to be achieved. More information about the structuring process was inferred when coupling experimental and simulation approaches.The sorption performance of the resulting solid materials in terms of sorption capacity and selectivity was assessed in model and simulated systems obtained by using either ultrapure or river water with an adequate composition as solvent to prepare aqueous solutions of strontium or/and cesium. The results of sorption experiments clearly indicated strong selectivity of the vanadate structures toward Cs+ and that of the manganate ones toward Sr2+, even under conditions of competition among various ionic species.Direct calorimetry measurements of heat effects accompanying sorption were correlated with the results of molecular simulation studies to shed more light on the origin of the improved sorption selectivity

Les propriétés effectives mécaniques et physiques des matériaux hétérogènes dépendent d'une part de leurs constituants, mais peuvent également être fortement modifiées par leur répartition géométrique à l'échelle de la microstructure. L'optimisation topologique a pour but de définir la répartition optimale de matière dans une structure en vue de maximiser un ou plusieurs objectifs tels que les propriétés mécaniques sous des contraintes telles que la masse de matière. Récemment, les développements rapides de l'impression 3D ou d'autres techniques de fabrication additive ont rendu possible la fabrication de matériaux avec des microstructures "à la demande", ouvrant de nouvelles perspectives inédites pour la conception de matériaux. Dans ce contexte, les objectifs de cette thèse sont de développer des outils de modélisation et de simulation numériques pour concevoir des matériaux et des structures hétérogènes ayant des propriétés optimisées basés sur l'optimisation topologique. Plus précisément, nous nous intéressons aux points suivants. Premièrement, nous proposons des contributions à l'optimisation topologique à une seule échelle. Nous présentons tout d'abord une nouvelle méthode d'optimisation topologique avec évolution pour la conception de structures continues par description lisse de bords. Nous introduisons également deux techniques d'homogénéisation topologique pour la conception de microstructures possédant des propriétés effectives extrêmes et des « méta propriétés » (coefficient de Poisson négatif).Dans une seconde partie, des techniques multi échelle basées sur l'optimisation topologique sont développées. Nous proposons d'une part une approche concourante de structures hétérogènes dont les microstructures peuvent posséder plus de deux matériaux. Nous développons ensuite une approche d'optimisation topologique dans un cadre d'homogénéisation pour des échelles faiblement séparées, induisant des effets de gradient. Enfin dans une troisième partie, nous développons l'optimisation topologique pour maximiser la résistance à la fracture de structures ou de matériaux hétérogènes. La méthode de champs de phase pour la fracture est combinée à la méthode BESO pour concevoir des microstructures permettant d'augmenter fortement la résistance à la rupture. La technique prend en compte l'initiation, la propagation et la rupture complète de la structure
Mechanical and physical properties of complex heterogeneous materials are determined on one hand by the composition of their constituents, but can on the other hand be drastically modified by their microstructural geometrical shape. Topology optimization aims at defining the optimal structural or material geometry with regards to specific objectives under mechanical constraints like equilibrium and boundary conditions. Recently, the development of 3D printing techniques and other additive manufacturing processes have made possible to manufacture directly the designed materials from a numerical file, opening routes for totally new designs. The main objectives of this thesis are to develop modeling and numerical tools to design new materials using topology optimization. More specifically, the following aspects are investigated. First, topology optimization in mono-scale structures is developed. We primarily present a new evolutionary topology optimization method for design of continuum structures with smoothed boundary representation and high robustness. In addition, we propose two topology optimization frameworks in design of material microstructures for extreme effective elastic modulus or negative Poisson's ratio. Next, multiscale topology optimization of heterogeneous materials is investigated. We firstly present a concurrent topological design framework of 2D and 3D macroscopic structures and the underlying three or more phases material microstructures. Then, multiscale topology optimization procedures are conducted not only for heterogeneous materials but also for mesoscopic structures in the context of non-separated scales. A filter-based nonlocal homogenization framework is adopted to take into account strain gradient. Finally, we investigate the use of topology optimization in the context of fracture resistance of heterogeneous structures and materials. We propose a first attempt for the extension of the phase field method to viscoelastic materials. In addition, Phase field methods for fracture able to take into account initiation, propagation and interactions of complex both matrix and interfacial micro cracks networks are adopted to optimally design the microstructures to improve the fracture resistance

Dans le bâtiment, de nouvelles réglementations thermiques sont mises en place afin de répondre à des problématiques d'économie d'énergie, et font apparaître de nouveaux types de matériaux. Cela ne doit pas se faire au détriment des propriétés acoustiques. Les matériaux à base de particules et fibres végétales, tels que le béton de chanvre et les laines chanvre/lin, sont caractérisés par des propriétés multifonctionnelles de haut niveau et constituent des solutions parfaitement adaptées à ce contexte. L'objectif de ce travail de thèse est d'explorer les propriétés acoustiques de ces matériaux, et plus particulièrement de mettre en évidence la contribution de leurs différentes échelles de porosité à la dissipation acoustique. A cette fin, les propriétés physiques et acoustiques de laines végétales, de chènevottes et de bétons de chanvre ont été caractérisées, et analysées en s'appuyant sur la théorie des matériaux poreux à simple et multiple échelle, développée dans la littérature. La campagne expérimentale a permis de souligner les performances acoustiques élevées de ces matériaux, pouvant être contrôlées par des leviers d'action relatifs au choix de leurs constituants et de leur mise en oeuvre. Il est de plus montré qu'étant donné le gradient de perméabilité existant entre les micropores (pores intrafibres, intraparticules et intraliants) et les mésopores (pores interfibres et interparticules), seuls les mésopores participent à la dissipation acoustique. Dans ce cadre, des modèles semi-phénoménologiques sont utilisés afin de prédire les propriétés acoustiques à partir des paramètres de base des constituants. Cette modélisation est finalement exploitée à travers une optimisation des propriétés acoustiques des matériaux à partir de leur formulation, leur structure multicouche et leur géométrie de surface. Des méthodes de caractérisation des matériaux par mesures acoustiques sont également proposées afin de réaliser un contrôle de qualité des granulats de chanvre.