L’utilisation des matériaux composites dans l’industrie aéronautique s’étant largement étendue, le dimensionnement de ces structures et de leur protection vis-à-vis de la foudre est devenu un enjeu majeur. Il est important de pouvoir développer des outils prédictifs permettant d’obtenir une conception de structure répondant aux critères de certification avec des temps et coûts de conception maitrisés. L’interaction de la foudre avec une structure composite est un phénomène multiphysique complexe, avec une difficulté ajoutée par la présence d’une protection métallique en surface et d’une couche de peinture. Dans ce contexte, cette étude a visé à développer la compréhension par rapport aux forces générées par la foudre et d’en évaluer ses conséquences quant à l’endommagement du composite. Dans cet objectif, le phénomène a d’abord été décomposé pour en étudier ses différentes parties et définir l’impact des interactions. Dans un premier temps,l’arc libre a été comparé au pied d’arc en interaction avec différents substrats permettant de définir un modèle de vaporisation de la protection foudre. Dans un second temps, la surpression générée par l’explosion de la protection en surface lors de la vaporisation a été évaluée pour définir des profils de pression spatio-temporels.Dans un troisième temps, une caractérisation mécanique de la peinture a été développée afin de quantifier son effet de confinement sur l’explosion de surface. A chaque étape, une théorie a été développée et analysée via des modèles numériques et des essais. Enfin, ces trois différentes briques ont été rassemblées dans un modèle mécanique simulant l’impact foudre sur une structure composite afin d’en prédire l’endommagement. De plus,une loi utilisateur a été développée pour appliquer ce chargement complexe ainsi qu’une loi d’endommagement. Ces modèles sont comparés aux résultats d’essai foudre en laboratoire afin d’en déterminer les limites de validité et leur capacité à prédire l'endommagement.

Le projet dans lequel s’inscrit ce travail de thèse porte sur la détermination de la durabilité des structures métalliques de grandes dimensions lorsqu’elles sont soumises à des surcharges accidentelles (collision, explosion, impact d’oiseau, etc). À cette fin a été développée une méthodologie numérique unifiée tri-dimensionnelle capable de reproduire qualitativement et quantitativement les étapes successives de dégradation menant à la rupture ultime des structures constituées de métaux et alliages ductiles (aciers, alliages d’aluminium et de titane, etc.). Ces étapes comprennent généralement (i) l’endommagement induit par la croissance de microcavités, (ii) la localisation de la déformation /endommagement dans une bande étroite, et (iii) la formation et la propagation de macro-fissures. Dans la première étape (i), le matériau est supposé obéir au modèle de plasticité microporeuse de Gurson en utilisant la méthode standard des éléments finis (FEM), tandis que dans la troisième étape (iii) les conséquences cinématiques de l’ouverture de la fissure sont décrites par la méthode des éléments finis étendus (XFEM). L’étape intermédiaire (ii) de localisation, qui est probablement la plus complexe à reproduire d’un point de vue physique et numérique, est décrite via un modèle de zone cohésive (CZM) couplé à la XFEM. Le CZM décrit ladégradation progressive des propriétés mécaniques du matériau de la bande de localisation induite par une augmentation de la coalescence des microcavités et conduisant finalement à l’ouverture de la fissure. Un intérêt particulier est porté aux critères de transition entre endommagement diffus et localisation et à la détermination de l’orientation du plan de localisation. La localisation est traitée ici comme un phénomène résultant soit d’une instabilité plastique soit de la coalescence des microcavités. En conséquence, deux critères sont considérés : le premier est basé sur l’analyse de bifurcation, tandis que le second repose sur une porosité critique et rend compte de la compétition entre Mode I et Mode II fonction du taux de triaxialité local. Ainsi, la bifurcation ‘flat-to-slant’ du plan de rupture (l’effet ‘cup and cone’ lors de la traction d’une éprouvette axisymétrique) est correctement reproduite numériquement. En outre, des critères opérationnels d’amorçage et de propagation de la bande de localisation en trois dimensions sont proposés. Un autre aspect important de la méthodologie est le nouveau schéma utilisé pour l’intégration numérique des équations d’équilibre, à savoir l’intégration par moyennage sur les volumes (VAI). La méthodologie est implémentée en tant que routine utilisateur (UEL) dans le code de calcul commercial par éléments finis ABAQUS et ses performances sont évaluées par des simulations numériques tridimensionnelles de divers cas de chargement. Une étude paramétrique de l’effet des constantes du modèle est réalisée, montrant que la méthodepeut reproduire une grande variété de réponses dans le régime adoucissant. La méthodologie proposée se révèle être indépendante du maillage et capable de reproduire correctement les surfaces de rupture. Elle donne également des résultats prometteurs concernant les réponses globales des structures étudiées par rapport aux données expérimentales.

Afin de réduire l’impact écologique de leurs produits, les secteurs du transport cherchent entre autres à en minimiser la masse. Dans ce contexte, le collage structural apparaît alors comme un concurrent direct des assemblages traditionnels. Cependant, le manque de confiance des industriels dans les propriétés réelles de l’assemblage une fois fabriqué nécessite de repenser la totalité de la chaîne de fabrication. Pour cela, le projet S3PACsignifiant « Système de Supervision et de Simulation de la Production d’Assemblage par Collage » propose le développement d’une chaîne de fabrication entièrement contrôlée et supervisée. Cela inclut notamment la mise en place d’un jumeau numérique prenant en compte les paramètres de fabrication effectifs de la pièce. La réalisation de simulations numériques simplifiées permet dès lors la prédiction du comportement à rupture. Il est donc nécessaire de développer des modèles de comportement prédictifs et rapides de ces assemblages collés.L’objectif de cette étude est de développer les modèles de comportement en incluant la prise en compte d’une variation d’épaisseur de la couche adhésive. L’étude est réalisée avec un système adhésif thermoplastique méthacrylate structural dont le comportement mécanique et thermomécanique est caractérisé expérimentalement. Dans un premier temps,il est étudié sous sa forme massique ce qui permet de mettre en évidence un comportement complexe de type visco-élasto-plastique. Dans un second temps, son comportement est analysé au sein d’un assemblage pour des sollicitations à champ homogène avec deux épaisseurs de couche adhésive. Par la suite, une étude analytique de l’essai DCB est réalisée afin de de réaliser une évaluation de la validité de l’identification inverse pour la détermination d’une loi de traction séparation. Une étude expérimentale de la fissuration en mode I est réalisée pour des conditions de confinement variables. Elle permet de mettre en évidence une amélioration de la tenue mécanique avec l’épaisseur, ainsi que le développement d’une zone plastique pour les couches adhésives les plus épaisses. Enfin,une approche numérique par éléments finis est mise en place afin de mettre en évidence les effets d’épaisseur dans la répartition des contraintes et des déformations au sein de la couche adhésive. Une démarche d’identification d’une modélisation par des éléments cohésifs couplés à des éléments massiques est proposée et discutée.

La problématique abordée dans ces travaux de thèse est l’influence de l’interaction entre les fixations et le composite sur la tenue des assemblages boulonnés composites. Le passage des efforts d’assemblages dans le composite par les boulons engendre des dégradations locales conduisant à des modes de rupture variés du composite en fonction des principaux paramètres de conception. L’objectif de cette thèse est d’identifier la complexité de modélisation nécessaire pour traduire l’effet de ces paramètres de conception sur l’apparition des différents modes de rupture des matériaux composites et leur conséquence sur le dimensionnement des assemblages boulonnés. Cette thèse repose sur l’étude d’une importante base de données expérimentale de résultats d’essais sur assemblages en simple et double cisaillement fournie Dassault Aviation à laquelle s’ajoute des essais multi-instrumentés menés au laboratoire. Cette étude permet d’une part d’identifier les paramètres les plus influents sur les modes de rupture des assemblages boulonnés composite et d’autre part d’identifier les dégradations entrainant les modes de ruptures observées. Ces résultats expérimentaux servent également de base de comparaison pour la validation des modèles éléments finis développés. Ces modèles sont mis au point dans un souci de complexité croissante. Cette complexité se décompose en un aspect géométrique, c’est-à-dire l’étude de la modélisation des différentes pièces en jeu, et en un aspect matériel avec l’étude du comportement matériau de ces pièces. L’analyse des modèles éléments finis linéaires basés sur des cinématiques de membrane et des plaques révèle la limite de l’utilisation de critères de rupture au premier pli pour les assemblages boulonnés. Ces modélisations sont alors enrichies avec une loi de comportement endommageable du composite d’une part. Cela permet de mettre en place des scénarios d’endommagement du matériau et de réaliser des corrélations essais/calculs. D’autre part, un modèle volumique est développé pour évaluer l’apport de cette modélisation avec notamment une meilleure représentation des interactions entre les substrats.

Lors de la certification des moteurs d’avion, certains composants sont testés vis-à-vis de phénomènes balistiques. La soufflante doit ainsi résister à l’ingestion d’oiseaux et à la perte d’aubes sans compromettre les performances globales du réacteur. Les aubes de soufflante, et particulièrement leur bord d’attaque, subissent des déformations élevées à grande vitesse, des chargements non proportionnels et un auto-échauffement induit parla dissipation plastique. Compte tenu de leurs bonnes propriétés mécaniques spécifiques,les alliages de titane Ti-6Al-4V sont considérés comme des candidats prometteurs pour le bord d’attaque d’aubes de soufflante multi-composants. Dans ce travail, une campagne expérimentale a été menée sur un alliage de Ti-6Al-4V laminé comprenant des essais de traction, compression et cisaillement à plusieurs températures et vitesses de déformation(lentes et rapides), sous des trajets de chargements monotones et alternés. A partir des résultats obtenus, un modèle constitutif a été développé rendant compte des effets combinés de l’orthotropie, de l’asymétrie traction-compression, des écrouissages cinématique et isotrope non linéaires, de la vitesse et de l’adoucissement thermique. Les constantes ont été identifiées au moyen du logiciel Zset. Le modèle a ensuite été implémenté entant que procédure matériau utilisateur (Fortran) dans le code de calculs commercial par élément finis LS-DYNA. Les performances du modèle numérique ont alors été évaluées en menant des simulations numériques sur un élément de volume soumis à différents trajets de chargement ainsi que sur des éprouvettes utilisées pour la campagne expérimentale.

Bien que le PMMA possède des bonnes propriétés mécanique et optique, sa fragilité devient un des problèmes à prendre en compte quand on l’utilise. Une méthode consistant à mélanger des nanoparticules de caoutchouc au PMMA a été montrée comme améliorant la résistance àla rupture et aux impacts du matériau composite obtenu. Ce mélange est nommé RT-PPMA(pour rubber toughened PMMA). Lors de cette étude, une classe de RT-PMMA commercial,appelée PMMA Resist est considérée. De manière plus spécifique, la réponse de trois nuances de RT-PMMA différant par leur concentration en particules de caoutchouc est étudiée.La caractérisation thermomécanique consistant en des tests de traction, compression et du cisaillement -compression a été menée sur les trois nuances de RT-PMMA à différentes vitesses de déformation et températures. Les vitesses de déformation s’étalaient entre 10-5s-1et 1200s-1, et les températures étaient comprises entre -50°C et 70°C. Comme attendu,la réponse des nuances de RT-PMMA montre la forte dépendance à la vitesse de déformation,la température et la concentration en particule de caoutchouc. En outre, la sensibilité au blanchiment sous contrainte (stress-whitening) induit par micro-craquelure (crazing) vs.décohésion particule/matrice dépend également des trois paramètres cités précédemment. De plus, une structure complexe de bande de cisaillement est observée sur les nuances de RTPMMA lors de la compression dynamique et du chargement en cisaillement-compression.La capacité d’arrêt de fissures de la classe de RT-PMMA à l’étude a été menée en réalisant des essais d'impact de type Kalthoff and Winkler (KW)-. La vitesse de projectile est comprise entre 50 m/s et 100 m/s. Des plaques avec deux entailles qui servent comme pré-fissures ont été utilisés lors des essais de choc. L’interaction du projectile avec l’échantillon a été enregistré avec une caméra ultra rapide de 105 à 106 images par seconde. L'examen postmortem de la microstructure a été observé en utilisant la microscopie électronique à balayage(SEM). La résistance aux chocs de RT-PMMA dépend fortement de la concentration de particules de caoutchouc. En particulier, une concentration plus élevée de particules en caoutchouc aide à ralentir la fissure et ainsi augmenter la capacité d’arrêt de fissures du matériau structural. Les particules de caoutchouc gênent la propagation de fissures et le blanchiment sous contrainte apparaît le long du chemin de propagation de fissures.Une première tentative de modélisation constitutive pour les trois nuances de RT-PMMA a été réalisée en se basant sur le travail fait par Arruda et Boyce (1995). Les modèles dépendant de la vitesse et de la température ont été calibres en considérant les résultats expérimentaux et la dépendance de quelques paramètres a la concentration de particules en caoutchouc et au trajet de chargement est mise en évidence. Les modèles doivent encore être unifies.

Les contraintes imposées par la roadmap technologique nanométrique imposent aux fabricants de microélectronique une réduction de la variabilité de fabrication mais également de durcissement vis-à-vis des erreurs logiques induits par l’environnement radiatif naturel afin d’assurer un haut niveau de fiabilité. Certains travaux ont mis en évidence l'influence de la variabilité de fabrication et SET sur les circuits basés sur les technologies FinFET. Cependant jusqu’à lors, aucune approche pour les atténuer n’ont pu être présenté pour les technologies FinFET. Pour ces raisons, du point de vue de la conception, des efforts considérables doivent être déployés pour comprendre et réduire les impacts générés par ces deux problématiques de fiabilité. Dans ce contexte, les contributions principales de cette thèse sont: 1) étudier le comportement des cellules logiques FinFET en fonction des variations de fabrication et des effets de rayonnement; 2) évaluer quatre approches des durcissement au niveau du circuit afin de limiter les effets de variabilité (work-function fluctuation, WFF) de fabrication et des soft errors (SE); 3) fournir une comparaison entre toutes les techniques appliquées dans ce travail; 4) proposer le meilleur compromis entre performance, consommation, surface, et sensibilité aux corruptions de données et erreurs transitoires. Transistor reordering, decoupling cells, Schmitt Trigger, et sleep transistor sont quatre techniques prometteuses d’optimisation au niveau de circuit, explorées dans ce travail. Le potentiel de chacune d'elles pour rendre les cellules logiques plus robustes vis-à-vis variabilité de fabrication et de SE a été évalué. Cette thèse propose également une estimation des tendances comportementales en fonction du niveau de variabilité, des dimensionnements des transistors et des caractéristiques énergétique de particule ionisante comme transfert d'énergie linéaire. Lors de cette thèse, la variabilité de fabrication a été évaluée par des simulations Monte Carlo (MC) avec une WFF modélisé par une fonction Gaussienne utilisant le SPICE. La susceptibilité SE a été estimée à partir de d’outil de génération MC de radiations, MUSCA SEP3. Cet outil est basé sur des calculs MC afin de rendre compte des caractéristiques de l’environnement radiatif du design et des paramètres électriques des composants analysés. Les approches proposées par cette thèse améliorent l'état-de-l'art actuel en fournissant des options d’optimisation au niveau du circuit pour réduire les effets de variabilité de fabrication et la susceptibilité aux SE. La Transistor reordering peut augmenter la robustesse des cellules logiques pour une variabilité allant jusqu’à 8%, cependant cette approche n’est pas idéale pour la mitigation des SE. L’utilisation de decoupling cells permet de meilleurs résultats pour le contrôle de la variabilité de consommation avec des niveaux de variation supérieurs à 4%, et atténuant jusqu'à 10% la variabilité du délai pour la variabilité de fabrication de 3% de la WFF. D’un point de vue SE, cette technique permet une diminution de 10% de la sensibilité des cellules logiques étudiées. L’utilisation de structure Schmitt Triggers en sortie de cellule logique permet une amélioration allant jusqu’à 5% de la sensibilité à la variabilité de fabrication. Enfin, l’utilisation de sleep transistors améliore la variabilité de fabrication d'environ 12% pour 5% de WFF. La variabilité du délai dépend de la manière dont les transistors sont disposés au circuit. Cette méthode permet une immunité totale de la cellule logique y compris en régime near-threshold. En résumé, la meilleure approche de mitigation de la variabilité de fabrication semble être l’utilisation de structure Schmitt Triggers alors que l’utilisation de sleep transistors est le plus adapté pour l’optimisation de SE. Ainsi, selon les applications et contraintes, la méthode de durcissement par sleep transistors semble proposer le meilleur compromis.

Ces travaux s’attachent à décrire et quantifier les mécanismes de ruptures des compositestissés 3D sous chargement de traction quasi-statique et à mettre en place une méthode de simulationnumérique adaptée et robuste, pouvant à terme être appliquée en bureau d’études.Dans cette optique, une étude expérimentale a été menée afin de quantifier la propagation defissures dans ces matériaux. Celle-ci a permis de mettre en place un scenario de rupture, entirant parti de la multi-instrumentation des essais. L’étude a également été effectuée sur deséprouvettes de géométries et de tailles variées et a mis en évidence d’importantes variations dutaux de restitution d’énergie avec les conditions d’essai. Un formalisme d’analyse et de modélisationintroduisant des longueurs internes a ensuite été présenté et adapté aux mécanismes derupture des composites tissés 3D. Ce formalisme est étayé par la recherche des mécanismes àl’aide de l’analyse des faciès de rupture. Les longueurs introduites ont ainsi été mises en relationavec les paramètres du tissage. Une méthode d’identification des paramètres a été proposée etles conséquences de ce comportement sur le dimensionnement de pièces composites discutées.Enfin, le transfert de ces résultats a été effectué vers des simulations numériques robustes. Desméthodes de régularisation des modèles d’endommagement continu ont été présentées et évaluéesà l’aune de leur capacité à assurer, d’une part, la robustesse des résultats et, d’autre part,la bonne retranscription des effets d’échelle expérimentaux. La prise en compte de ces considérationsnumériques et physiques nous a amené à proposé un modèle d’endommagement Non-Local.Une méthode d’identification des paramètres et de la longueur interne à partir des données expérimentalesa été proposée.

Dans l’optique de la conception et du développement d’un siège aéronautique et afin derespecter la règlementation sécuritaire en vigueur, la structure du siège développé doitpermettre une dissipation rapide de l’énergie perçue en cas de crash aérien (Fig. 1), ceci dansle but de protéger les passagers. La majorité des systèmes intégrés à la structure des sièges etpermettant cette absorption d’énergie (Fig. 2) est constituée de composants métalliques qui sedéforment plastiquement pour dissiper l’énergie due au crash. Actuellement, l’industrie et larecherche se tournent vers les matériaux composites pour substituer de tels systèmes.Cependant le comportement de ces matériaux lors de sollicitations mécaniques sévères estfortement différent des matériaux métalliques, notamment dû au fait que les mécanismesd’endommagement sont très distincts.Le but de cette étude portant sur des structures tubulaires composites est d’évaluer leurcapacité à dissiper l’énergie. A cette fin, différentes stratifications ont été testées encompression (Fig. 3 et 4) dans le but de déterminer leur comportement, comparer leurspropriétés et calculer leurs valeurs de SEA (absorption d'énergie spécifique, en kJ.kg-1)servant à évaluer leur aptitude à dissiper l’énergie engendrée en cas de crash. Ces dernièressont issues des courbes effort-déplacement obtenues lors des essais d’écrasement (Fig. 5). Lesdifférents essais de compression ont été instrumentés et suivis au moyen de caméras rapides etdes images post-essais ont été réalisées par tomographie pour comprendre les mécanismesd’endommagement mis en jeu (Fig. 4 et 6). Ces essais ont été réalisés à vitesse de chargementquasi-statique puis dynamique et selon diverses conditions limites. Les différents résultats decomportement en compression sont également utilisés dans le but de construire et enrichir unmodèle de calcul par éléments finis (Fig. 7 et 8) permettant de simuler la réponse de structurescomposites de différentes natures soumises au crash en intégrant la géométrie et lacomposition de la structure (Fig. 8).L’objectif de ce travail de recherche est ainsi d’évaluer l’énergie pouvant être dissipée par desstructures tubulaires composites, de comparer les absorptions induites par des structurescomposites de compositions différentes, et/ou bi-matériaux, et enfin de fournir un modèleéléments finis représentant le comportement de structures composites en compression jusqu’àl’endommagement et la ruine de la structure.Il a ainsi été établi qu’en chargement statique, un stratifié unidirectionnel orienté à 0° etstabilisé par des plis de tissus répond fortement aux attentes en terme de dissipation d’énergie,mais pas en sollicitation dynamique. Dans ce cas, une stratification à 90° semble plusadéquate. D’autre part, un confinement forcé vers l’intérieur est avantageux dans la plupartdes cas, réduisant le pic d’effort initial sans diminuer drastiquement la valeur de SEA.

L’évaluation des performances des procédures de Contrôle Non Destructifs (CND) en aéronautique est une étape clé dans l’établissement du dossier de certification de l’avion. Une telle démonstration de performances est faite à travers l’établissement de probabilités de détection (Probability Of Detection – POD), qui intègrent l’ensemble des facteurs influents et sources d’incertitudes inhérents à la mise en œuvre de la procédure. Ces études, basées sur des estimations statistiques faites sur un ensemble représentatif d’échantillons, reposent sur la réalisation d’un grand nombre d’essais expérimentaux (un minimum de 60 échantillons contenant des défauts de différentes tailles, qui doivent être inspectés par au moins 3 opérateurs [1]), afin de recueillir un échantillon suffisant pour une estimation statistique pertinente. Le coût financier associé est élevé, parfois prohibitif, et correspond majoritairement à la mise en œuvre des maquettes servant aux essais. Des travaux récents [2-5] ont fait émerger une approche de détermination de courbes POD utilisant la simulation des CND, notamment avec le logiciel CIVA. L’approche, dite de propagation d’incertitudes, consiste à : - Définir une configuration nominale d’inspection, - Identifier l’ensemble des paramètres influents susceptibles de varier dans l’application de la procédure, - Caractériser les incertitudes liées à ces paramètres par des lois de probabilités, - Réaliser un grand nombre de simulations par tirage aléatoire des valeurs prises par les paramètres variables selon les lois de probabilités définies. Le résultat de cet ensemble de simulations constitue enfin la base de données utilisée pour l’estimation des POD. Cette approche réduit de façon très importante les coûts d’obtention des POD mais est encore aujourd’hui sujette à discussions sur sa robustesse vis-à-vis des données d’entrée (les lois de probabilité des paramètres incertains) et sur la prise en compte des facteurs humains. L’objectif de cette thèse est de valider cette approche sur des cas d’application AIRBUS et d’en améliorer la robustesse afin de la rendre couramment utilisable au niveau industriel, notamment en la faisant accepter par les autorités de vol (FAA et EASA). Pour ce faire le thésard devra mener des campagnes de validations des codes de simulation des CND, mettre en œuvre la méthodologie décrite plus haut sur les cas d’application AIRBUS, puis proposer et mettre en œuvre des stratégies d’amélioration de la robustesse de la méthode vis-à-vis des données d’entrée et des facteurs liés à l’humain.