La maîtrise du comportement en cas de crash des structures en matériaux composites est une des difficultés qui accompagnent le développement industriel de ces structures. Le composite peut absorber de grandes quantités d'énergie si la structure s'écrase progressivement. Cette thèse vise à améliorer la compréhension des mécanismes de ruine mis en jeu dans ces fronts d’écrasements progressifs. Un montage expérimental innovant a été conçu. Il permet l'écrasement homogène, visualisé en direct, de plaques stratifiées. Une campagne expérimentale a permis d'obtenir une variété intéressante de mode de ruine. L'initiation, la stabilisation et les mécanismes d'absorption d'énergie dans les fronts d'écrasement sont analysés. Les relations entre chaque mode de ruine et l'influence des paramètres matériaux et expérimentaux sont expliquées. Une classification synthétique des modes de ruine est exposée. La modélisation numérique d'un front à l'échelle mésoscopique est proposée. Certains modes de ruine sont reproduits avec précision. Les mécanismes de ruine sont clairement identifiables et la contribution de chacun à l'absorption d'énergie est quantifiée.

L'optimisation des structures aéronautiques fabriquées en composite a mené EADS-IW à développer une technique d'assemblage par cloutage qui a pour objectif la fabrication à coût réduit de sous ensembles structuraux avec un fort niveau d'intégration. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier le comportement mécanique des assemblages cloutés et de proposer des modélisations associées. Dans le cadre d'une démarche multi-niveau, le comportement des liaisons clou/résine et clou stratifié a d'abord été étudié. Des campagnes expérimentales ont montré l'influence du diamètre du clou et de la profondeur d'enfoncement sur la tenue en arrachement ainsi que des similitudes entre le comportement du clou noyé dans de la résine et implanté dans le stratifié. Une modélisation capable d'estimer la tenue en arrachement d'un clou a été développée. Au niveau éprouvettes technologiques, des éprouvettes cloutées représentatives de structures aéronautiques de type « L » ou « T » ont été testés en sollicitations statiques montrant l'influence des paramètres de conception et les possibles avantages du cloutage. Finalement, des modélisations basées sur les études élémentaires ont permis de simuler le comportement de ces éprouvettes cloutées retrouvé en essai et notamment de prédire leur tenue sous sollicitations différentes validant ainsi la démarche multi-niveau.

La Surveillance de la Santé des Structures (SSS) s’effectue par la mesure de réponses pertinentes sous sollicitations extérieurs. L’identification a pour but de détecter, de localiser et de quantifier ces défauts. La thèse porte sur les deux premiers niveaux de SSS, la détection et la localisation de dommage. Le but est d'étudier les effets d’impacts symétriques par variations des paramètres modaux en faisant un nombre important d’expériences. Une validation par recalage de modèles éléments finis est effectuée sur différents matériaux composites dédiés à l’aéronautique. Pour tous les spécimens (poutres), il a été observé que, avec l'accumulation de l’endommagement (impact), il y a une diminution de la fréquence propre (flexion) accompagnée par une augmentation du taux d'amortissement. Un aspect nouveau de cette thèse concerne la fabrication et les essais mécaniques (statique et dynamique) d'un matériau innovant (sandwich avec âme en fibre de carbones enchevêtrés) possédant des taux d’amortissements élevés ainsi qu’une meilleure résistance à l’impact. La modélisation par éléments finis (Samcef) est utilisée pour calculer la réponse dynamique de ces poutres. Ces modèles recalés permettent de donner un indicateur de taux de dégradation et peuvent servir d’outils diagnostic (et d’alarme) pour la surveillance de l’intégrité des structures. Une partie innovante de cette thèse concerne la localisation de l’endommagement et sa validation sur les poutres composites stratifiées par optimisation topologique (Nastran), en utilisant les paramètres modaux obtenus expérimentalement. Ainsi on estime avec succès les zones d’endommagement pour des défauts isolés.

L'oreille interne est un organe fascinant du corps humain. Elle contient des organes sensoriels très précis et hypersensibles, ce qui lui permet de jouer un rôle majeur dans la perception de nos mouvements et de notre orientation spatiale. Dans un premier temps, ce travail de thèse a porté sur la modélisation du fonctionnement des senseurs d'orientation de l'oreille interne. Un démonstrateur type « Réalité Virtuelle » a été développé sous Matlab/Simulink afin de visualiser en temps réel l'état de chaque senseur. Une modélisation plus détaillée par éléments finis et tenant compte d'interactions fluide/structure a permis d'étudier la dynamique des fluides au sein de chaque capteur ainsi que le déplacement de membranes - éléments clés permettant de coupler le déplacement du fluide avec la stimulation de cellules sensorielles. Dans un second temps, ce travail de thèse s'est orienté vers le développement de modèles non-linéaires et tridimensionnels de perception de l'orientation spatiale. Ces modèles supposent que notre cerveau estime/calcul nos perceptions d'orientation, de vitesse, et d'accélération de façon « optimale ». Par conséquent, les modèles développés se sont appuyés sur deux techniques d'estimation non-linéaires basées sur le filtre de Kalman (« Extended Kalman filter » & « Unscented Kalman filter »). En réponse à différent profils de stimulation, ces modèles permettent de prédire diverses illusions sensorielles connues dans le monde de l'aéronautique. En tant qu'applications potentielles, ces modèles pourraient être utilisés d'une part lors d'investigation de crash d'appareil afin de détecter si le pilote a été sujet à un phénomène de désorientation spatiale, et d'autre part pour le développement d'algorithmes de contrôle des simulateurs de vols.

Différentes configurations d’éprouvettes de zones de reprises de plis proches des applications industrielles en matériau carbone-époxy préimprégné unidirectionnel ont été étudiées sous chargement statique et de fatigue (R = -1). Après évaluation de l’influence de différents paramètres par un modèle éléments finis 2D, des configurations ont été définies et ont permis d’évaluer les paramètres suivants : positions des reprises de plis dans le stratifié, orientation des reprises de plis, et stratifié de base. Différents états de matériau ainsi que deux grammages du matériau préimprégné ont été testés. L’influence des paramètres sur les modes et lieux d’endommagement et sur la contrainte à rupture sous chargement statique de compression et traction a été identifiée. Sous chargement de fatigue les modes et lieux des endommagements et l’influence des différents paramètres sur la durée de vie en fatigue et les courbes SN ont été étudiés. La fréquence et la distribution des délaminages qui s’amorcent sur les côtés des éprouvettes ainsi que leur propagation dans l’éprouvette ont été observées et un scénario d’endommagement proposé. Un modèle éléments finis global-local en 3D a été mis en place afin de prendre en compte les effets de bord sur les contraintes interlaminaires autour des reprises de plis. Un critère d’amorçage de délaminage au bord des éprouvettes a été proposé en corrélation avec les lieux de délaminage observés en essais.

Dans l'industrie aéronautique, les règles de conception et les critères de dimensionnement concernant la durabilité des structures composites impactées ne sont pas bien connus. Des outils numériques prédictifs et robustes doivent être développés pour réduire le temps de conception et les coûts de certification, mais aussi pour déterminer des liens entre le comportement matériau et le comportement global des structures. Dans ce cadre, il est visé dans cette étude de comparer des mesures de défauts d’impacts à celles de deux méthodes de prévisions numériques de dommages : l’une par modélisation d’une discontinuité géométrique modélisant un décollement de couches, l’autre sans modéliser l’ouverture mais par un modèle d’endommagement continu. Notre attention s’est portées sur deux types de matériaux unidirectionnel pré imprégnés en carbone/époxy : T700/M21S et T800/M21S ; pré imprégnés sensible à la vitesse de déformation en raison d'un pourcentage élevé de thermoplastique présent dans la résine M21. Des essais de caractérisation du comportement quasi statique et dynamique ont été effectués sur des stratifiés équilibrés de type [±θ]. Concernant les essais dynamiques au banc d’essai Hopkinson, une saturation de la fissuration des plis a été décrite et l'effet de la vitesse de déformation du T800/M21S a été établi jusqu'aux vitesses de déformation moyennes (1000 /s). Une loi cohésive a été développée pour modéliser le délaminage en dynamique rapide dans le code explicite non linéaire LS-DYNA®. Une loi d’endommagement des plis a été développée sur la base du modèle de Matzenmiller-Lubliner-Taylor. Ce modèle d’endommagement 3D permet par couplage de multi critères définissants des seuils d’endommagement, de modéliser la fissuration des couches des stratifiés et du délaminage de manière couplée. Les endommagements après impact relevés lors d’une campagne d’essais expérimental pour différentes vitesses d’impacts, sont comparés aux deux types de modèles numériques. Il apparaît que le modèle d’endommagement 3D développé prédit bien les zones endommagées, les tailles des délaminages et l’indentation résiduelle, alors que les modèles cohésifs sont plus diffusifs entraînant des délaminages plus isotropes.

La fatigue des matériaux et des structures est un phénomène dans lequel la surface joue un rôle important; notamment, l’état de surface représente l’un des principaux facteurs d’influence sur l’amorçage des microfissures. Par ailleurs, ces éléments de structure sont soumis à des agressions environnementales, et il convient de les protéger, en particulier contre la corrosion. Pour les éléments de structure aéronautiques en alliage d’aluminium, on a recours le plus souvent à un traitement d’oxydation anodique. Mais parallèlement, la tenue en fatigue de ces structures ainsi protégées s’en trouve diminuée. L’une des raisons à cela est liée à la dégradation de l’état de surface lors de l’anodisation. Dans ce travail, nous avons étudié l’influence de la rugosité et de traitement d’anodisation sur la tenue en fatigue pour des alliages d’aluminium 2214 et 7050. Nous mettons en évidence la nocivité de la phase d’anodisation-colmatage dans le cas du 2214 et la phase de décapage dans le cas du 7050. Pour prédire la durée de vie des pièces en alliage d’aluminium 7050 anodisés, nous avons développé un modèle analytique simple basé sur l’effet de concentration de contrainte au droit des cavités. Il utilise les mesures topographiques des surfaces. Ce modèle intègre des lois de propagation en régime de fissures courtes et longues, la prise en compte de la présence de multiples sites d’amorçage, les phénomènes de coalescence entre fissures voisines et la présence de la couche d’oxyde.

Identifier des traces de vie sur la Lune ou sur Mars requiert des forages. Les contraintes très fortes sur les systèmes spatiaux et les environnements à faible gravité nuisent aux performances des foreuses rotatives. Une solution innovante a été identifiée chez un insecte qui creuse dans le bois pour déposer ses oeufs. Des tests ont montré la faisabilité d’imiter cet insecte pour creuser sans force ou appui extérieur. Ce doctorat poursuit le développement du concept de forage bio-inspiré surtout pour forer dans le régolithe extraterrestre. Cette nouvelle technique est nommée « Dual Reciprocating Drilling » (DRD). Tout d’abord, des simulants de régolithe lunaire et martien ont été testés ainsi que leurs méthodes de préparation. DRD a été testé pour la première fois dans du régolithe. L’importance du dérapage (slippage en anglais) a été identifiée. Des mécanismes de pénétration du régolithe par le DRD ont été proposés. Une seconde expérience a permis de raffiner les mécanismes de pénétration du régolithe. L’importance des mouvements latéraux lors du forage a été identifiée. Finalement un code utilisant les éléments discrets a été implémenté sur des GPU (Graphical Processing Units) permettant la première simulation d’interaction tête de forage - régolithe avec plus d’un million de particules. Avant ces travaux, DRD était vu comme capable de développer sa propre force de progression. Dans le régolithe DRD a besoin d’une force externe pour progresser. Cependant DRD permet de réduire cette force (grâce aux mouvements latéraux). Une proposition d’architecture système reflétant cette nouvelle compréhension a été faite.

Ce travail s’intéresse à la compréhension du phénomène de résonance sol des hélicoptères à pales articulées et sur l’influence du vieillissement de certains éléments mécaniques sur ce phénomène. Un modèle dynamique simplifié d’un hélicoptère, composé de six degrés de liberté, non amorti, est considéré. Trois méthodes sont utilisées pour le traitement des équations dynamiques à coefficients périodiques : la Méthode de Floquet (FM), la Méthode des Echelles Multiples (MMS), ainsi qu’une procédure d’analyse de robustesse (μ-analyse). Elles mettent en évidence toutes les zones critiques et vérifient l’existence d’instabilités paramétriques. L’analyse de stabilité des rotors isotropes et anisotropes est réalisée. Les diagrammes de stabilité (obtenus avec FM) montrent la complexité de l’évolution de ces zones, ainsi que l’apparition de points de bifurcation à faible vitesse de rotation. L’étude de la réponse temporelle de l’hélicoptère est approfondie au travers d’un développement analytique grâce à la MMS. L’obtention des expressions analytiques rend cette méthode plus polyvalente et moins coûteuse en puissance de calcul par rapport à FM. Les analyses de robustesse montrent, en considérant des incertitudes dans les raideurs de trainée des quatre pales, que le pire cas correspond à une perturbation symétrique de toutes les pales. La validation des résultats théoriques pour plusieurs configurations de rotors est obtenue grâce à un nouveau dispositif expérimental.

La méthodologie actuelle de dimensionnement des structures spatiales est basée sur une approche déterministe. Cela signifie que, lors des analyses prédictives, les valeurs numériques des paramètres d’entrée sont fixes et des coefficients de sécurité sont pris en compte pour couvrir les incertitudes inhérentes à la conception et la fabrication des composants. La problématique de cette démarche est qu’elle tend à être trop conservative à cause de l’accumulation des marges de sécurité prises aux différentes étapes de la procédure de dimensionnement. C’est dans le but de limiter cette difficulté qu’une approche probabiliste est explorée. L’approche probabiliste, telle qu’elle est menée dans ce travail, consiste à considérer que les paramètres d’entrée du modèle mécanique sont des réalisations de variables aléatoires. Dans le thème général du traitement et de la propagation des incertitudes, on s’intéresse plus particulièrement à la fiabilité (calcul de la probabilité de défaillance) et à l’analyse de sensibilité. Pour cela, la méthodologie proposée s’appuie sur les surfaces de réponse polynamiale du second ordre. Le principe est de remplacer le modèle mécanique de référence (modèle éléments finis), coûteux en temps de calcul, par un modèle analytique simple et rapide à évaluer. Les outils abordés concernent la construction des surfaces de réponse (sélection des termes influents), l’estimation de l’erreur d’approximation (pénalisation, simulation) et la validation de l’estimation d’une probabilité de défaillance. Une méthode adaptative est également proposée pour augmenter la confiance que l’on a du résultat. Une application sur l’étude du comportement statique d’un satellite (TARANIS) est ensuite présentée. Le modèle, qui possède initialement un grand nombre de variables d’entrée et de réponses, est traité suivant une démarche qui consiste à rechercher progressivement les variables les plus influentes et les réponses les plus critiques. Dans un second temps, on s’intéresse au comportement dynamique en basses fréquences et au calcul des réponses en fréquence. Ces dernières étant fortement non-linéaires par rapport aux paramètres d’entrée, les surfaces de réponse sont construites sur des grandeurs intermédiaires. Plusieurs méthodes sont appliquées sur le modèle TARANIS et comparées à des calculs directs.