L'OBJET DE CETTE THESE EST D'APPORTER UNE CONTRIBUTION A L'ETUDE NUMERIQUE PAR LA MECANIQUE DE LA RUPTURE, DE LA PROPAGATION ET DE LA BIFURCATION DES FISSURES EXISTANT DANS DES STRUCTURES FORMEES D'UNE OU PLUSIEURS COUCHES DE MATERIAUX ET DE PROPOSER UNE METHODOLOGIE POUR SIMULER L'EVOLUTION DE FISSURE (EN MODE MIXTE) JUSQU'A LA RUINE DE LA STRUCTURE ETUDIEE. L'ETUDE COMPORTE QUATRE PARTIES. LA PREMIERE PARTIE EST UNE ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LA MECANIQUE DE LA RUPTURE. DANS LA DEUXIEME PARTIE, UNE ANALYSE COMPARATIVE ENTRE LES METHODES NUMERIQUES ACTUELLEMENT UTILISEES POUR DETERMINER LES PARAMETRES DE FISSURATION PERMET DE CARACTERISER CHAQUE METHODE, COMPTE TENU DE LEURS POSSIBILITES D'APPLICATION AUX CAS DE MATERIAUX HOMOGENES ET DE BI-MATERIAUX. LA TROISIEME PARTIE EST CONSACREE A DEUX NOUVELLES METHODES NUMERIQUES: LES METHODES DES INTEGRALES T ET A, QUI PERMETTENT DE SEPARER PLUS FACILEMENT LES DEUX MODES DE RUPTURE. LA VALIDATION NUMERIQUE DE LA METHODE DE L'INTEGRALE A MONTRE LE GRAND INTERET DE CETTE METHODE. LA DERNIERE PARTIE CONCERNE L'ETUDE DE LA PROPAGATION ET DE LA BIFURCATION DE FISSURES. LA SIMULATION NUMERIQUE DE L'EVOLUTION DE FISSURE EST EFFECTUEE SUR DES EXEMPLES DIFFERENTES. LES RESULTATS NUMERIQUES OBTENUS SONT CONFIRMES PAR DES RESULTATS EXPERIMENTAUX. L'ANALYSE DE L'INTERACTION DE DEUX FISSURES PERMET DE CERNER LA ZONE D'INFLUENCE SUR LA DIRECTION DE PROPAGATION DE CELLES-CI. LA NON-NECESSITE D'UN MAILLAGE SYMETRIQUE AUTOUR DE LA POINTE DE FISSURE LORS D'UNE TELLE ETUDE CONFIRME TOUT L'INTERET DE LA METHODE DE L'INTEGRALE A

CE MEMOIRE PRESENTE DES TRAVAUX CONCERNANT LA SIMULATION NUMERIQUE DE TRAJETS DE PROPAGATION DE FISSURES, DANS LE CADRE THEORIQUE DE LA MECANIQUE LINEAIRE BIDIMENSIONNELLE DE LA RUPTURE. UNE CARACTERISTIQUE ESSENTIELLE DES SIMULATIONS EST QUE L'ON PREND EN COMPTE NON SEULEMENT L'ANGLE DE BRANCHEMENT MAIS EGALEMENT LA COURBURE DU TRAJET PREDIT. DANS UNE PREMIERE PARTIE (CHAPITRES 1 A 3) EST EXPOSEE LA MISE AU POINT ET L'IMPLANTATION, DANS LE LOGICIEL SYSTUS DE LA SOCIETE FRAMASOFT+CSI, D'UNE METHODE DE PREDICTION NUMERIQUE DE TRAJETS DE FISSURATION S'APPUYANT SUR LES TRAVAUX D'AMESTOY ET LEBLOND. NOUS DECRIVONS EGALEMENT QUELQUES APPLICATIONS. LE CADRE D'HYPOTHESES ENVISAGE EST CELUI D'UN COMPORTEMENT PUREMENT ELASTIQUE ET DE LA PROPAGATION D'UNE SEULE POINTE, SOUS TROIS TYPES DE SOLLICITATIONS: EN FATIGUE, SOUS CHARGEMENT CONSTANT, SOUS CHARGEMENT VARIABLE. NOUS PROLONGEONS DANS UNE SECONDE PARTIE (CHAPITRES 4 A 6) LES TRAVAUX THEORIQUES D'AMESTOY ET LEBLOND EN ETENDANT LES RESULTATS OBTENUS AU CAS OU IL EXISTE DES DEFORMATIONS INELASTIQUES FIGEES (CONSTANTES DANS LE TEMPS) ET A CELUI OU PLUSIEURS POINTES SE PROPAGENT. DANS LE PREMIER CAS, NOUS MONTRONS QUE LA FORME DES 3 PREMIERS TERMES DU DEVELOPPEMENT DES FACTEURS D'INTENSITE DE CONTRAINTES EN PUISSANCES DE LA LONGUEUR DE L'EXTENSION EST INCHANGEE: LES RESULTATS D'AMESTOY ET LEBLOND SONT DONC APPLICABLES SANS MODIFICATIONS. A TITRE D'ILLUSTRATION, NOUS ETUDIONS NUMERIQUEMENT LA PROPAGATION D'UNE FISSURE DANS UNE PLAQUE AYANT SUBI UNE TREMPE INTERROMPUE ; CECI NOUS PERMET D'EXPLIQUER, OU TOUT AU MOINS DE REPRODUIRE, UN COMPORTEMENT EXPERIMENTAL SURPRENANT. DANS LE SECOND CAS, NOUS ETUDIONS L'INFLUENCE EXERCEE PAR LA PROPAGATION DE L'UNE DES POINTES SUR CELLE DE L'AUTRE (EN SUPPOSANT POUR SIMPLIFIER QU'IL N'EXISTE QUE DEUX POINTES). DANS CE BUT, NOUS DETERMINONS LA NOUVELLE FORME DES DEVELOPPEMENTS DES FACTEURS D'INTENSITE AUX DEUX POINTES. A L'AIDE DE CEUX-CI, NOUS OBTENONS LES PARAMETRES GEOMETRIQUES DEFINISSANT LES TRAJETS DE PROPAGATION, ET METTONS EN PARTICULIER EN EVIDENCE LA POSSIBILITE DE L'EXISTENCE DE BIFURCATIONS

La maîtrise des mécanismes de rupture dans les problèmes de fretting requiert une analyse pluridisciplinaire des différents phénomènes physiques couplés pour prendre en compte les effets globaux et locaux, les sollicitations multiaxiales non proportionnelles et les conditions de contact interfacial avec frottement. Un modèle tridimensionnel éléments finis étendus mufti-échelles dédié au contact avec frottement entre les faces de la fissure est proposé. Une formulation faible mixte à trois champs permet une définition intrinsèque de la fissure avec sa propre discrétisation indépendante du maillage de la structure. Un solveur stabilisé adapté de la méthode LATIN est implémenté. Les propriétés de stabilité et les performances du modèle sont illustrées dans plusieurs exemples bidimensionnels et tridimensionnels. Le modèle est validé par comparaison avec un code éléments finis industriel. Une stratégie mufti-modèles globale basée sur l'analyse expérimentale et la simulation numérique de la propagation des fissures est développée afin de prédire la durée de vie de composants en frelling fatigue. Des essais de fretting fatigue sont réalisés afin d'analyser l'amorçage et la propagation de fissures. Les sollicilatrons tribologiques au cours du cycle sont déterminées par la résolution du contact deux-corps. La prédiction du risque d'amorçage des fissures est conduite. Ces résultats sont utilisés comme données d'entrée pour la modélisation X-FEM des essais de frettlng bidimensionnels et tridimensionnels. La simulation de la propagation des fissures est réalisée à l'aide de critères de propagation multiaxiale non proportionnels et d'une loi de propagation expérimentale.

Les outils de simulations sont de plus en plus performants permettant une description très fine des phénomènes. De plus ces outils ne se limitent plus à la mécanique linéaire, mais sont développés pour décrire des comportements plus compliqués allant jusqu'à la ruine des structures. Un chargement dynamique ou statique peut ainsi engendrer un endommagement, une fissuration puis une rupture de la structure. La dynamique rapide permet de simuler des phénomènes tels que des chocs et impacts sur structure. Le domaine d'application est très varié. Il concerne par exemple l'étude de la durée de vie et les scénarios d'accidents de la cuve du réacteur nucléaire. Il est alors très intéressant pour les codes de dynamique de pouvoir prédire de tels phénomènes: l'évaluation de l'endommagement dans la structure et la simulation de propagation de fissure constituent un enjeu essentiel. Pour ce faire la méthode des éléments finis étendus a l'avantage de s'affranchir de remaillage et de projection de champs. Effectivement la fissure est décrite cinématiquement via une stratégie appropriée d'enrichissement sur des degrés de liberté supplémentaires. On met en évidence ensuite les difficultés liant la discrétisation spatiale de cette méthode avec la discrétisation temporelle d'un schéma de calcul explicite : l'écriture diagonale de la matrice de masse et le pas de temps de stabilité associé. On présente donc deux méthodes de diagonalisation de matrice de masse basées sur la conservation de l'énergie cinétique, et des études de pas de temps critiques pour divers éléments finis enrichis. On montre que le pas de temps n'est pas plus pénalisant que celui du problème éléments finis standard.

La mécanique linéaire de la rupture ne permet pas de représenter un des phénomènes physiques importants dans la propagation en fatigue : le concept de refermeture de fissure découvert par Elber. La propagation de fissure est un problème numérique complexe où remaillage et projection de champs sont quasi-inévitables. De nouvelles méthodes modélisant implicitement des discontinuités comme la méthode des éléments finis étendus sont apparues récemment. On propose de l'utiliser pour modéliser la refermeture de fissure. Il faut alors prendre en compte la plasticité et le contact le long de la fissure. Une nouvelle base d'enrichissement plastique couplée à une formulation Lagrangien augmenté adaptée aux éléments finis étendus le permet en intégrant la gestion de l'histoire. La comparaison des résultats de simulations numériques et d'essais expérimentaux, exploités par une technique de mesure de champs par corrélation d'image numérique, montre les potentialités de la méthode

La maîtrise des mécanismes de rupture dans les problèmes de fretting requiert une analyse pluridisciplinaire des différents phénomènes physiques couplés pour prendre en compte les effets globaux et locaux, les sollicitations multiaxiales non proportionnelles et les conditions de contact interfacial avec frottement. Un modèle tridimensionnel éléments finis étendus mufti-échelles dédié au contact avec frottement entre les faces de la fissure est proposé. Une formulation faible mixte à trois champs permet une définition intrinsèque de la fissure avec sa propre discrétisation indépendante du maillage de la structure. Un solveur stabilisé adapté de la méthode LATIN est implémenté. Les propriétés de stabilité et les performances du modèle sont illustrées dans plusieurs exemples bidimensionnels et tridimensionnels. Le modèle est validé par comparaison avec un code éléments finis industriel. Une stratégie mufti-modèles globale basée sur l'analyse expérimentale et la simulation numérique de la propagation des fissures est développée afin de prédire la durée de vie de composants en frelling fatigue. Des essais de fretting fatigue sont réalisés afin d'analyser l'amorçage et la propagation de fissures. Les sollicilatrons tribologiques au cours du cycle sont déterminées par la résolution du contact deux-corps. La prédiction du risque d'amorçage des fissures est conduite. Ces résultats sont utilisés comme données d'entrée pour la modélisation X-FEM des essais de frettlng bidimensionnels et tridimensionnels. La simulation de la propagation des fissures est réalisée à l'aide de critères de propagation multiaxiale non proportionnels et d'une loi de propagation expérimentale