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This work deals with the study of the delayed effects of moisture content on wood cracking. It is based on two main axes, water diffusion and bending creep of and unnotched and notched beams. The study of diffusion is based on an innovative experimental approach, and analytical solutions of Fick’s diffusion law. It is carried out on three tropical hardwoods, Pterocarpus soyauxii Taub (Padouk), Aucoumea klaineana Pierre (Okoumé) and Milicia excelsa (Iroko) and two softwoods, Abies alba Mill (White Fir) and Pseudotsuga menziesii (Douglas Fir) subjected to relative humidity (RH) steps at a constant temperature of 20°C. The delayed behaviour was studied on Okoumé, Padouk and White Fir only, by means of 3-point bending tests carried out at 20°C and controlled RH on defect-free wood beams oriented in fibre direction, of dimensions 160x6x12 mm (LxRxT). Deflection and transverse expansion were measured with variable linear displacement transducers. In the case of notched beams, optical monitoring of cracking parameters was performed using a USB microscope. The analysis of tests was carried out by applying the straight beam theory and assuming the response of the material to be homogeneous and linear with respect to stress, resulting in expressions of compliance. For the unnotched beams, two series of tests were carried out: 14 days at 10% load, 65% RH with increments of 45 and 75% RH; 5 days at 35% load, 75% RH with increments of 45% RH. The known characteristics of the mechanosorptive effect were confirmed: deflection increase at first wetting and at drying, decrease at subsequent wettings. The analysis of the mechanosorptive trajectories suggested the existence of a creep limit and confirmed the existence of the stationary or pseudo creep/recovery response. For notched beams, creep tests were also carried out in two stages: at 80% load, then adjusting the load to have an initial strain rate of 0.30%, during 6-7 days at 45 and 75% RH. It is found that mechanosorption triggers crack propagation and that the coupling between cracking and creep accelerates strain to failure. The analysis of energy release rate in mode I of the 3 tested species is also presented and compared to the literature data.; Ce travail concerne l’étude des effets différés et de la teneur en eau sur la fissuration des bois tropicaux et tempérés. Il s’articule sur deux grands axes, diffusion de l’eau et fluage des poutres entaillées ou non. L’étude la diffusion est basée sur une approche expérimentale innovante, et analytique de la loi de diffusion de Fick. Elle est réalisée sur trois feuillus tropicaux, Pterocarpus soyauxii Taub (Padouk), Aucoumea klaineana Pierre (Okoumé) et Milicia excelsa (Iroko) et deux résineux, Abies alba Mill (Sapin blanc) et Pseudotsuga menziesii (Douglas) soumis à des paliers d’humidité relative (HR) à température constante de 20°C. Le comportement différé en flexion 3 points a été étudié sur l’Okoumé, le Padouk et le Sapin blanc uniquement, à 20°C et HR contrôlée sur des poutres et orientées dans la direction des fibres, de dimension 160x6x12 mm (LxRxT). La flèche et l’expansion transversale étaient mesurées avec des transducteurs à déplacement linéaire variable. Dans le cas des poutres entaillées, un suivi optique des paramètres de fissuration était réalisé avec un microscope. L’analyse de ces essais s’est faite en se basant sur la théorie des poutres rectilignes et en supposant la réponse du matériau homogène et linéaire par rapport à la contrainte, aboutissant à des expressions de la complaisance. Pour les poutres non entaillées, deux séries de tests ont été réalisées : 14 jours à 10% de charge, 65% HR avec paliers de 45 et 75% HR; et 5 jours à 35% de charge, 75% HR avec palier de 45% HR. On retrouve les caractéristiques connues de l’effet mécanosorptif : augmentation de la flèche à la première humidification et au séchage, diminution aux humidifications ultérieures. L’analyse des trajectoires mécanosorptives a suggéré l’existence d’une limite de fluage et confirmé celle de la réponse stationnaire ou pseudo fluage/recouvrance. Pour les poutres entaillées, les essais de fluage ont été réalisés aussi en deux temps : à 80% de charge, puis en ajustant la charge pour avoir un taux de déformation initiale de 0,30%, durant 6-7 jours à 45% et 75% HR. On trouve que la mécanosorption accentue la propagation des fissures et que le couplage entre fissuration et fluage accélère la déformation jusqu’à la rupture. L’analyse du taux de restitution d’énergie en mode I des 3 essences testées est également présentée et comparé aux rares résultats de la littérature.

This thesis is devoted to the study of the rheology of phosphate glasses out of thermodynamic equilibrium. A method of dynamic measurement of rheological properties has been exploited, the RFDA (Resonance Frequency and Damping Analysis), in order to analyse the behavior of these properties in the region and above glass transition in time and temperature. These analyses allow to identify the different mechanisms involved, their kinetics and their characteristics and how their evolutions impact the macroscopic behavior of glass. The study of the viscoelastic behavior of inorganic glasses is based on the generalized Maxwell model. We have also investigated the application of the TNM model for the fitting and prediction of the relaxation behavior of glasses by RFDA. We have highlighted how a mathematical model is able to determine the changes in the experimental mechanical properties and to predict their evolutions for a wide variety of experimental conditions. We have demonstrated that the parameters, found from the changes of the elastic modulus following a complex thermal profile by RFDA, fit notably the experimental results of DSC and Dilatometry and are able to predict them., Ce travail de thèse est dédié à l'étude de la rhéologie des verres de phosphates hors équilibre thermodynamique. Une méthode de mesure dynamique de propriétés rhéologiques a été exploitée, la RFDA (Resonance Frequency and Damping Analysis), afin d'analyser le comportement des propriétés du verre dans le domaine de la transition vitreuse et au-delà en temps et en température. Ces analyses permettent d’identifier les différents mécanismes mis en jeu, leurs cinétiques et leurs caractéristiques et comment leurs évolutions impactent le comportement macroscopique du verre. L'étude du comportement viscoélastique des verres inorganiques s’appuie sur le modèle de Maxwell généralisé. Nous nous sommes également intéressés à l'application du modèle de TNM pour l'ajustement et la prédiction du comportement de relaxation des verres via la RFDA. Nous avons mis en lumière comment un modèle mathématique est capable de déterminer l'évolution des propriétés mécaniques expérimentales et de prédire leurs évolutions pour une grande variété de conditions expérimentales. Nous avons démontré que les paramètres, trouvés à partir des changements du module élastique, suivant un profil thermique complexe par le RFDA, s'ajustent notamment aux résultats expérimentaux de la DSC et de la dilatométrie et sont capables de les prédire.

The goal of this work is to control the damping of the first modes of the fan blade during the design phase.A numerical method for the viscoelastic homogenization of 3D woven composite materials is developed. Two homogenizations are made, at the yarn's scale and at the woven one. The complex modulus of the resin, the elastic properties of the yarns and the geometry of the microstructure allow a characterization of the damping in frequency and temperature. The matrix formulation of the homogenization, for a finite element implementation, allowed the use of model reduction techniques in parametric studies on the viscoelastic properties of the composite's constituents.A comparison of the numerical predictions with the modal damping obtained by modified Oberst test, for low frequencies and a range of temperature between -40°C and 120°C, provided coherent results in terms of absolute values and trends. These tests also show areas of stress gradient which are small compared to the weaving pattern size motivating the introduction of a verification methodology of the scale separation hypothesis at different wavelengths. The definition of the elastic and dissipated energy fractions by decomposition of the constitutive law into singular values allows an analysis of the main contributions to the damping at both 3D woven and fan blade scale.The insertion of a hybridized 3D woven composite with elastomer tows within the fan blade is proposed in order to increase the modal damping of the first flexion. A spatial study of the areas dissipating the most energy is performed to optimize the placement of the hybrid weaving pattern., L'objectif de cette thèse est la maitrise de l'amortissement des premiers modes d'aube de soufflante dès la phase de conception.Une chaine numérique pour l'homogénéisation viscoélastique des matériaux composites tissés 3D est mise en place. Deux homogénéisations sont réalisées à l'échelle du toron et de l'armure tissée 3D. Le module complexe de la résine, les propriétés élastiques des fibres et la géométrie de la microstructure, permettent une prédiction de l'amortissement en fréquence et en température. La formulation matricielle de l'homogénéisation, adaptée à l'implémentation éléments finis, permet le recours à des techniques de réduction de modèle lors d'études paramétriques sur les propriétés viscoélastiques des constituants.Une confrontation des prédictions numériques avec l'amortissement modal obtenu par essai Oberst modifié, pour de basses fréquences et des températures comprises entre -40°C et 120°C, fournit des résultats cohérents en valeurs et en tendance. Ces essais montrent des zones de gradient en contrainte qui sont petites par rapport à la taille de la mésostructure, motivant l'introduction d'une méthodologie de vérification de l'hypothèse de séparation des échelles à différentes longueurs d'onde. La définition de fractions d'énergie élastique et dissipée par décomposition de la loi de comportement en valeurs singulières permet une analyse des contributions importantes à l'amortissement à l'échelle du tissé 3D et à celle de l'aube.L'insertion d'une mésostructure hybridée avec des joncs élastomères au sein de l'aube de soufflante est proposée afin d'augmenter l'amortissement modal de la première flexion. Une étude spatiale des zones dissipant le plus d'énergie est effectuée pour optimiser le placement de l'armure hybride.

Origamis are three-dimensional structures obtained by folding a thin sheet following a pre-imprinted pattern of creases. The infinite number of imaginable pattern make the potential for innovation only limited by our understanding of their mechanical properties. This thesis aims to explain how, for a plastic sheet, these properties originate from the competition between the material elasticity and the kinetics conditions imposed on the system. To better understand this equilibrium, the thesis begins by focusing the study on the mechanical response of a single crease, the fundamental components of origamis. In the first chapter, its elastic deformations are captured by a theoretical model supported by simple load-deformation tests and simulations with finite element methods. Then, in the second chapter, the plastic and viscoelastic behavior are analyzed through both an extension of the elastic model and relaxation experiments under controlled strain. Finally, the third part of the thesis is structured around the mechanical study of two patterns of creases. The first one, named “Curved accordion”, showcases the unique shapes obtained by the complex relations between elasticity and geometry. The second pattern generates bistable cylindrical bellows in origami that we use as bases to create an elastic system with binary memory.; Les origamis sont des structures tridimensionnelles obtenues en pliant une feuille mince suivant un motif prédéfini de pliures. Le nombre infini de motifs imaginables rend le potentiel d'innovation uniquement limité par notre compréhension de leurs propriétés mécaniques. Cette thèse vise à expliquer comment, pour une feuille plastique, ces propriétés proviennent de la compétition entre l'élasticité du matériau et les conditions cinétiques imposées au système. Pour mieux comprendre cet équilibre, cette thèse commence par présenter le comportement mécanique complet d'un pli unique, le constituant fondamental des origamis. Dans un premier chapitre, ses déformations élastiques sont décrites selon un modèle théorique validé par un simple test de force-déformation et une simulation en méthode des éléments finis. Puis, dans un second chapitre, ses comportements plastique et viscoélastique sont analysés par une extension du modèle élastique et des expériences de relaxation sous contraintes. Enfin, la dernière partie de cette thèse s'articule autour de l'étude mécanique de deux motifs de pliures. Le premier, un motif nommé « accordéon courbé », met en avant la variété de formes produites par les origamis grâce aux relations entre élasticité et géométrie. Le second motif quant à lui est utilisé pour créer des soufflets cylindriques en origamis bistables. Un montage spécifique basé sur ces soufflets permet de concevoir un système mécanique de mémoire binaire.

Origamis are three-dimensional structures obtained by folding a thin sheet following a pre-imprinted pattern of creases. The infinite number of imaginable pattern make the potential for innovation only limited by our understanding of their mechanical properties. This thesis aims to explain how, for a plastic sheet, these properties originate from the competition between the material elasticity and the kinetics conditions imposed on the system. To better understand this equilibrium, the thesis begins by focusing the study on the mechanical response of a single crease, the fundamental components of origamis. In the first chapter, its elastic deformations are captured by a theoretical model supported by simple load-deformation tests and simulations with finite element methods. Then, in the second chapter, the plastic and viscoelastic behavior are analyzed through both an extension of the elastic model and relaxation experiments under controlled strain. Finally, the third part of the thesis is structured around the mechanical study of two patterns of creases. The first one, named “Curved accordion”, showcases the unique shapes obtained by the complex relations between elasticity and geometry. The second pattern generates bistable cylindrical bellows in origami that we use as bases to create an elastic system with binary memory.; Les origamis sont des structures tridimensionnelles obtenues en pliant une feuille mince suivant un motif prédéfini de pliures. Le nombre infini de motifs imaginables rend le potentiel d'innovation uniquement limité par notre compréhension de leurs propriétés mécaniques. Cette thèse vise à expliquer comment, pour une feuille plastique, ces propriétés proviennent de la compétition entre l'élasticité du matériau et les conditions cinétiques imposées au système. Pour mieux comprendre cet équilibre, cette thèse commence par présenter le comportement mécanique complet d'un pli unique, le constituant fondamental des origamis. Dans un premier chapitre, ses déformations élastiques sont décrites selon un modèle théorique validé par un simple test de force-déformation et une simulation en méthode des éléments finis. Puis, dans un second chapitre, ses comportements plastique et viscoélastique sont analysés par une extension du modèle élastique et des expériences de relaxation sous contraintes. Enfin, la dernière partie de cette thèse s'articule autour de l'étude mécanique de deux motifs de pliures. Le premier, un motif nommé « accordéon courbé », met en avant la variété de formes produites par les origamis grâce aux relations entre élasticité et géométrie. Le second motif quant à lui est utilisé pour créer des soufflets cylindriques en origamis bistables. Un montage spécifique basé sur ces soufflets permet de concevoir un système mécanique de mémoire binaire.

This thesis is an experimental work on gravity induced flows through an orifice.The first part of this manuscript deals with flows of Newtonian fluids. A recent study showed that for flows of low-viscosity fluids through an orifice the size of which is close to the capillary length, the effect of wetting is significant. Wetting conditions impact both flow rate and jet shape. During this thesis, an original method has been developed using a photosensitive resin as surface coating to vary the wetting conditions of the outer surface of the tank bottom plate continuously. Thanks to this method, it was shown that most likely the parameter monitoring the output flow rate is the static contact angle that the outgoing fluid forms on the material of this surface. It was established the conditions for the existence of a jet deformation and showed that this disturbance originates from the coupling between wetting and generation of turbulence within the orifice related to the phenomenon of vena contracta.The second part of this manuscript deals with flows of viscoelastic fluids. Drainage experiments carried out with these solutions reveal that they exhibit oscillating flow rate showing a very rich dynamic. Contrary to Newtonian fluids, in this case flows are controlled by the behaviour of the complex fluid inside the tank, and not at the outlet orifice. Two methods of visualization, flow- induced birefringence and PIV, were developed to explore the flow dynamics of wormlike micelle solutions inside the tank. These experiments show shear localisation within the wormlike micelle solutions. It is also observed that this shear zone moves inside the tank throughout the drainage process. The velocity field within the tank was measured as well, it demonstrates the complexity of the dynamics of these solutions, showing recirculation around the shear zone.; Cette thèse est une étude expérimentale des écoulements forcés de fluides sous leur propre poids à travers un orifice. La première partie traite des écoulements de fluides newtoniens. Une étude récente a montré que pour un écoulement de fluide peu visqueux à travers un orifice de taille comparable à la longueur capillaire, l'effet du mouillage était important. Il impacte le débit et la forme du jet. Nous avons développé une méthode originale utilisant d'une résine photosensible comme revêtement de surface afin de varier de façon continue les conditions de mouillage de la surface extérieure de la plaque de fond du réservoir. Ainsi, nous avons montré que le paramètre contrôlant du débit est très probablement l'angle de contact statique formé par le fluide sur le matériau constituant cette surface. Nous avons établi les conditions d'existence de la déformation du jet et montré que cette perturbation est induite par un couplage entre le mouillage et la génération de turbulence à l'intérieur de l'orifice, liée au phénomène de vena contracta. La seconde partie de cette thèse porte sur les écoulements de fluides viscoélastiques. Les expériences menées révèlent que ces solutions présentent un débit oscillant dévoilant ainsi une dynamique très riche. Contrairement aux fluides newtoniens, l'écoulement est piloté par le comportement du fluide complexe à l'intérieur de la cuve, et non au niveau de l'orifice. Deux méthodes de visualisation : par biréfringence sous écoulement et par PIV, ont été mises au point pour explorer la dynamique des écoulements de solutions de micelles géantes à l'intérieur de la cuve. Ces expériences ont permis de montrer que le cisaillement du fluide dans la cuve était très localisé et que la zone de cisaillement se déplace tout au long de la vidange. Nous avons également pu mesurer le champ de vitesse au sein de la cuve. Ces mesures ont pu démontrer la complexité de la dynamique du fluide, qui présente notamment des recirculations autour de la zone de cisaillement.

This thesis is an experimental work on gravity induced flows through an orifice.The first part of this manuscript deals with flows of Newtonian fluids. A recent study showed that for flows of low-viscosity fluids through an orifice the size of which is close to the capillary length, the effect of wetting is significant. Wetting conditions impact both flow rate and jet shape. During this thesis, an original method has been developed using a photosensitive resin as surface coating to vary the wetting conditions of the outer surface of the tank bottom plate continuously. Thanks to this method, it was shown that most likely the parameter monitoring the output flow rate is the static contact angle that the outgoing fluid forms on the material of this surface. It was established the conditions for the existence of a jet deformation and showed that this disturbance originates from the coupling between wetting and generation of turbulence within the orifice related to the phenomenon of vena contracta.The second part of this manuscript deals with flows of viscoelastic fluids. Drainage experiments carried out with these solutions reveal that they exhibit oscillating flow rate showing a very rich dynamic. Contrary to Newtonian fluids, in this case flows are controlled by the behaviour of the complex fluid inside the tank, and not at the outlet orifice. Two methods of visualization, flow- induced birefringence and PIV, were developed to explore the flow dynamics of wormlike micelle solutions inside the tank. These experiments show shear localisation within the wormlike micelle solutions. It is also observed that this shear zone moves inside the tank throughout the drainage process. The velocity field within the tank was measured as well, it demonstrates the complexity of the dynamics of these solutions, showing recirculation around the shear zone.; Cette thèse est une étude expérimentale des écoulements forcés de fluides sous leur propre poids à travers un orifice. La première partie traite des écoulements de fluides newtoniens. Une étude récente a montré que pour un écoulement de fluide peu visqueux à travers un orifice de taille comparable à la longueur capillaire, l'effet du mouillage était important. Il impacte le débit et la forme du jet. Nous avons développé une méthode originale utilisant d'une résine photosensible comme revêtement de surface afin de varier de façon continue les conditions de mouillage de la surface extérieure de la plaque de fond du réservoir. Ainsi, nous avons montré que le paramètre contrôlant du débit est très probablement l'angle de contact statique formé par le fluide sur le matériau constituant cette surface. Nous avons établi les conditions d'existence de la déformation du jet et montré que cette perturbation est induite par un couplage entre le mouillage et la génération de turbulence à l'intérieur de l'orifice, liée au phénomène de vena contracta. La seconde partie de cette thèse porte sur les écoulements de fluides viscoélastiques. Les expériences menées révèlent que ces solutions présentent un débit oscillant dévoilant ainsi une dynamique très riche. Contrairement aux fluides newtoniens, l'écoulement est piloté par le comportement du fluide complexe à l'intérieur de la cuve, et non au niveau de l'orifice. Deux méthodes de visualisation : par biréfringence sous écoulement et par PIV, ont été mises au point pour explorer la dynamique des écoulements de solutions de micelles géantes à l'intérieur de la cuve. Ces expériences ont permis de montrer que le cisaillement du fluide dans la cuve était très localisé et que la zone de cisaillement se déplace tout au long de la vidange. Nous avons également pu mesurer le champ de vitesse au sein de la cuve. Ces mesures ont pu démontrer la complexité de la dynamique du fluide, qui présente notamment des recirculations autour de la zone de cisaillement.

This work describes the development of a viscoelastic nonlinear constitutive law for solid composite propellants. An experimental basis showing the nonlinear behavior expressed by solid propellants is constructed. Then, microscopic sources of this macroscopic behavior are investigated using new samples specifically designed. Results show that friction and cavitation are responsible for the major parts of the nonlinearities. Homogenization is used to determine mathematical relations between these two mechanisms and the mechanical properties of the material. The relations are then integrated in a viscoelastic, isotropic, tridimensional model. Parameters are identified using the experimental basis. The model shows a good ability to reproduce and predict the propellant behavior nonlinearities expressed under cyclic loads. After completion of the development, the model is used into a design method and finite element calculation are performed on real objects. Results validate the new method and show that improving the behavior prediction also improves the design method and generates profits.; Ces travaux de thèse portent sur le développement d’une loi de comportement viscoélastique non-linéaire pour les propergols solides composites. Une base expérimentale mettant en évidence le comportement à modéliser est construite à l’aide du propergol d’étude. Puis, les origines microscopiques de ce comportement macroscopique sont investiguées, au moyen d’éprouvettes spécialement conçues à cet effet. Les résultats de l’étude montrent que le frottement et la cavitation sont deux mécanismes prépondérants. Les relations mathématiques entre ces micromecanismes et les propriétés mécaniques du matériau sont déterminées par homogénéisation, puis introduites dans un cadre viscoélastique isotrope tridimensionnel. Les paramètres du modèle ainsi obtenu sont identifiés sur la base expérimentale, suite à quoi la loi est capable de restituer la majeure partie des non-linéarités du comportement exprimées sous sollicitations cycliques. Après intégration dans un code de calcul par éléments finis, la loi est finalement validée sur des cas d’application réels. Les résultats montrent qu’une meilleure restitution du comportement du propergol au cours de son cycle de vie permet d’améliorer le dimensionnement des chargements de manière significative.

Dynamics of complex structures with dissipative materials is an high stake for mechanical design and optimization. Polymeric materials are commonly used in this way. These materials are effective in various industry, but mastering their use comes up against technological limitations. One of these limitation is the characterization of mechanical properties as a function of frequency and this thesis deals with it. Two contributions are provided in this experimental research work. The first one concerns the time–temperature superposition principle. This principle makes it possible to extend the mechanical properties measured over a restricted frequency range from data obtained at different temperatures. This widespread method is unfortunately not valid for many polymeric materials. It is the reason why innovative structural adhesives are studied in order to characterize the limits of the principle of time-temperature equivalence. The approach is carried out using data from a dynamic mechanical analysis (DMA) conducted on a commercial test bench. The second contribution are part of the first one and represents the main objective of this thesis. An innovative DMA bench is developed for the characterization of polymers over wide frequency ranges without requirements of the principle of time-temperature equivalence. The bench performances are precisely assessed through a characterization campaign conducted on polymer adhesives.; La prédiction des ambiances dynamiques des structures complexes intégrant des matériaux dissipatifs est un enjeu important pour le dimensionnement et l’optimisation des structures. Les matériaux communément utilisés dans ce but sont les polymères. Ils sont particulièrement efficaces dans diverses applications, mais la maîtrise de leur usage se heurte à certains verrous technologiques. L’un de ces verrous est la caractérisation des propriétés mécaniques en fonction de la fréquence et la thèse porte sur ce point. Deux contributions principales sont apportées dans ce travail de recherche expérimentale. La première concerne le principe d’équivalence temps-température. Ce principe permet d’étendre les propriétés mécaniques mesurées sur une plage fréquentielle restreinte à partir de données obtenues à différentes températures. Bien que répandue, cette méthode n’est malheureusement pas valide pour beaucoup de matériaux polymères. C’est pour cette raison que des adhésifs structuraux innovants sont étudiés plus en détails afin de caractériser les limites du principe de l’équivalence temps-température. La démarche est réalisée à partir de données issue d’une campagne d’Analyse Mécanique Dynamique (AMD ou DMA) conduite sur un banc d’essai du commerce. La seconde contribution s’inscrit dans la continuité de la première et représente l’objectif principal de cette thèse. Un dispositif DMA innovant est développé pour la caractérisation des polymères sur de larges plages fréquentielles sans recourir au principe d’équivalence temps-température. Les performances du banc conçu sont évaluées avec précision au travers d’une campagne de caractérisation conduite sur des adhésifs polymères.

The study presented in the manuscript is positioned in a large context of development of new materials, with a reduced environmental impact. From the possibilities currently under scrutiny (especially in Europe), flax fiber reinforced composites are the most promising. Thanks to their low density and high mechanical properties, as well as their low energy costs, fuel the idea of their usage in structural composites, by replacing glass fibers. These biocomposites are already implemented in numerous applications. However, several scientifical and technical unknowns, especially their long-term behavior, are hindering their use in domains of high load conditions.The thesis proposes to study the time dependent behavior of unidirectional reinforced composites, on the fiber direction. Even though it is largely accepted that the material behavior is viscoelastic and viscoplastic, few studies are dedicated to its analysis.Thus, multi cycled creep/recovery tests with variable creep stress and durations have allowed to determine the behavior’s dependence on stress and time. These tests have also allowed to determine the existence of a stress limit for plastic deformation appearance. They have been associated with the viscoplastic behavior.The results have, afterwards, allowed to propose a behavior law, composed of Schapery’s model for non-linear viscoelasticity and Zapas-Crissman’s model for viscoplasticity. The law parameters have been identified with the help of the creep/recovery tests. The model is capable of predicting the material response in deformation for creep recovery tests as well as load/unload tests. Simulations have also shown the model’s capability to reproduce traction tests with different loading speeds and to reproduce the nonlinear behavior specific to these composite materials., L’étude présenté dans ce manuscrit s’inscrit dans le contexte global du développement de nouveaux matériaux, ayant une empreinte environnementale réduite. Parmi les possibilités actuellement explorées (notamment en Europe), les composites à renfort de fibres de lin sont une solution prometteuse. En effet, la faible densité et les propriétés mécaniques élevées des fibres de lin, ainsi que leur faible coût énergétique, permettent d’envisager leur utilisation dans des composites structuraux, en remplacement des fibres de verres. Ces composites bio-sourcés font déjà l’objet de plusieurs applications. Cependant, plusieurs verrous scientifiques et techniques, notamment leur comportement à long terme, limitent leur utilisation dans des conditions sévères de chargement.La thèse propose d’étudier le comportement en fluage des matériaux composites à renfort de lin unidirectionnel, dans la direction des fibres. En effet, même si le comportement viscoélastique et viscoplastique de ces composites est bien avéré, peu d’études ont été consacrés à ce type de chargement.Ainsi, des essais cyclés de fluage/recouvrance à durée et à contrainte variable ont permis de déterminer la dépendance en temps et contrainte du comportement.Ces essais ont également permis de montrer l’existence d’un seuil en contrainte pour l’apparition de déformation non-recouvrable assimilée à des déformations viscoplastiques.Les résultats ont permis ensuite de proposer une loi de comportement, composée d’un modèle viscoélastique non-linéaire de Schapery et d’un modèle viscoplastique de Zapas-Crissman. Les paramètres de la loi ont été identifiés à partir des essais de fluage/recouvrance. Ce modèle permet de rendre compte de manière satisfaisante de la déformation du composite lors d’essais de fluage/recouvrance et lors d’essais de traction cyclés. Par ailleurs, ce modèle a également permis de simuler des essais de traction monotone à différentes vitesses de chargement et de reproduire le comportement non-linéaire caractéristique de ces matériaux.

Dynamics of complex structures with dissipative materials is an high stake for mechanical design and optimization. Polymeric materials are commonly used in this way. These materials are effective in various industry, but mastering their use comes up against technological limitations. One of these limitation is the characterization of mechanical properties as a function of frequency and this thesis deals with it. Two contributions are provided in this experimental research work. The first one concerns the time–temperature superposition principle. This principle makes it possible to extend the mechanical properties measured over a restricted frequency range from data obtained at different temperatures. This widespread method is unfortunately not valid for many polymeric materials. It is the reason why innovative structural adhesives are studied in order to characterize the limits of the principle of time-temperature equivalence. The approach is carried out using data from a dynamic mechanical analysis (DMA) conducted on a commercial test bench. The second contribution are part of the first one and represents the main objective of this thesis. An innovative DMA bench is developed for the characterization of polymers over wide frequency ranges without requirements of the principle of time-temperature equivalence. The bench performances are precisely assessed through a characterization campaign conducted on polymer adhesives., La prédiction des ambiances dynamiques des structures complexes intégrant des matériaux dissipatifs est un enjeu important pour le dimensionnement et l’optimisation des structures. Les matériaux communément utilisés dans ce but sont les polymères. Ils sont particulièrement efficaces dans diverses applications, mais la maîtrise de leur usage se heurte à certains verrous technologiques. L’un de ces verrous est la caractérisation des propriétés mécaniques en fonction de la fréquence et la thèse porte sur ce point. Deux contributions principales sont apportées dans ce travail de recherche expérimentale. La première concerne le principe d’équivalence temps-température. Ce principe permet d’étendre les propriétés mécaniques mesurées sur une plage fréquentielle restreinte à partir de données obtenues à différentes températures. Bien que répandue, cette méthode n’est malheureusement pas valide pour beaucoup de matériaux polymères. C’est pour cette raison que des adhésifs structuraux innovants sont étudiés plus en détails afin de caractériser les limites du principe de l’équivalence temps-température. La démarche est réalisée à partir de données issue d’une campagne d’Analyse Mécanique Dynamique (AMD ou DMA) conduite sur un banc d’essai du commerce. La seconde contribution s’inscrit dans la continuité de la première et représente l’objectif principal de cette thèse. Un dispositif DMA innovant est développé pour la caractérisation des polymères sur de larges plages fréquentielles sans recourir au principe d’équivalence temps-température. Les performances du banc conçu sont évaluées avec précision au travers d’une campagne de caractérisation conduite sur des adhésifs polymères.

Direct-writing electrospinning is a recent technique able to deposit fibers with a stable polymer jet on a moving collector similarly to additive manufacturing. The aim of this work was to develop the solvent-based direct-writing electrospinning technique and produce bioactive structures for tissue engineering applications. A first fundamental study have been carried out on the stability mechanism of the polymer jet under electric field. This study showed that stable jet without whipping behavior could be obtained by increasing polymer concentration or molecular weight and thus viscoelasticity. Those results give rise to a new strategy to optimize solution formulation and enlarge the number of materials used for direct-writing electrospinning. Mechanism of filaments stacking have also been studied in order to find solutions to produce higher organized structure without stacking defects. Preliminary tests showed that injection of humidified air, ionized air or the use of two polarities could reduce the number of stacking defects. Protection and release of protein from electrospun filaments is still a current challenge for tissue engineering. Then, different polymer formulation with a model protein, bovine serum albumin (BSA), was tested to find a way to preserve the protein. Secondary structure of bovine serum albumin (BSA) was investigated by circular dichroism to check protein activity. Released BSA in water from poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA) filament had a similar structure to its native one which means that electrospinning had a relatively low effect on BSA structure or that BSA show good structure reversibility. The kinetic release of BSA from PLGA filaments also showed that the presence of poly (ethylene glycol) (PEG) allow a higher amount of BSA to be released. The bioactive potential of filaments containing growth factors was tested for a hepatic and periodontal regeneration. The hepatic regenerative potential of PLGA filaments containing hepatocyte growth factors (HGF) could not been tested but a reproducible effect was noticed on hepatocyte cells HepG2 according to the amount of HGF in the filaments. Concerning the periodontal regeneration, periodontal ligament cells (PDLC) was cultured on different organized structures: a composite one made of poly (caprolactone) (PCL) and hydroxyapatite nanoparticles and the other one is made of core-shell PEG-PCL filaments containing cementum protein 1 (CEMP1). The two structures allowed the PDLC to produce a mineralized matrix which was not the case for the two other structures without nanoparticles and CEMP1. Thus, those bioactive structures showed promising regenerative potential for hard tissues like bone or cement.; Le dépôt localisé en électrofilage champ proche et voie solvant - ou appelé ici « électro-impression » - est une technique récente permettant de diriger le dépôt de filament en combinant un jet de polymère stable et un collecteur amovible comme une technique de fabrication additive. Ce travail de thèse a eu pour objectif de développer la technique d’électro-impression afin de produire des structures bioactives pour l’ingénierie tissulaire. Le développement de la technique a été initié par une étude fondamentale pour comprendre les mécanismes de stabilité du jet de polymère sous champ électrique. Il a alors été mis en évidence qu’en augmentant la viscoélasticité des solutions par augmentation de la concentration ou de la masse molaire du polymère, des jets stables sans lasso pouvaient être obtenus. Ces résultats permettent désormais de considérer un nombre de matériaux plus important pour l’électro-impression. Les mécanismes d’empilement de filament localisé ont ensuite été étudiés pour in-fine limiter l’apparition de défauts lorsque la structure accumule un nombre de couches important. Les essais préliminaires sur l’utilisation d’un air humide, d’un air ionisé ou des deux polarités du champ électrique ont montré des résultats prometteurs pour contrôler l’empilement de filaments. La protection et la libération de protéines à partir de filaments électrofilés est un défis toujours d’actualité pour l’ingénierie tissulaire. Ainsi, différentes formulations de polymères ont été testées afin de trouver un moyen de préserver au mieux la protéine. Une étude structurale d’une protéine modèle, l’albumine de sérum bovin (BSA), a été réalisée par dichroïsme circulaire afin de vérifier l’effet de la mise en forme sur l’activité de la protéine. Les résultats ont montré que la BSA est libérée à partir de filaments de poly acide (lactique-co-glycolique) (PLGA) selon une structure très proche de sa structure native ce qui laisse supposer que l’électrofilage n’a que peu perturbé les propriétés de la protéine. La cinétique de libération de la protéine à partir de filaments de PLGA a aussi montré que la protéine était libérée en plus grande quantité en présence de poly (éthylène glycol) (PEG). La bioactivité de structures fibreuses contenant des agents de croissance a ensuite été étudiée pour des applications de régénération hépatique et parodontale. Dans le premier cas, le potentiel de régénération hépatique de filaments de PLGA avec le facteur « hepatocyte growth factor » (HGF) n’a pas été testé mais les filaments ont induits des comportements reproductibles et intéressants sur des cellules hépatiques HepG2 en fonction de la teneur en HGF dans les filaments. Concernant la régénération parodontale, deux structures fibreuses organisées ont été testées : une structure composite de poly (caprolactone) (PCL) contenant des nanoparticules d’hydroxyapatite et une structure de filaments cœur-coquilles (PEG-PCL) contenant le facteur de croissance « cementum protein 1 » (CEMP1). Ces deux structures ont permis aux cellules du ligament parodontal de produire une matrice minéralisée ce qui n’a pas été observé sur les deux autres structures sans nanoparticules et sans CEMP1. Ces structures sont donc prometteuses pour la régénération de tissus durs du parodonte comme l’os ou le cément

Direct-writing electrospinning is a recent technique able to deposit fibers with a stable polymer jet on a moving collector similarly to additive manufacturing. The aim of this work was to develop the solvent-based direct-writing electrospinning technique and produce bioactive structures for tissue engineering applications. A first fundamental study have been carried out on the stability mechanism of the polymer jet under electric field. This study showed that stable jet without whipping behavior could be obtained by increasing polymer concentration or molecular weight and thus viscoelasticity. Those results give rise to a new strategy to optimize solution formulation and enlarge the number of materials used for direct-writing electrospinning. Mechanism of filaments stacking have also been studied in order to find solutions to produce higher organized structure without stacking defects. Preliminary tests showed that injection of humidified air, ionized air or the use of two polarities could reduce the number of stacking defects. Protection and release of protein from electrospun filaments is still a current challenge for tissue engineering. Then, different polymer formulation with a model protein, bovine serum albumin (BSA), was tested to find a way to preserve the protein. Secondary structure of bovine serum albumin (BSA) was investigated by circular dichroism to check protein activity. Released BSA in water from poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA) filament had a similar structure to its native one which means that electrospinning had a relatively low effect on BSA structure or that BSA show good structure reversibility. The kinetic release of BSA from PLGA filaments also showed that the presence of poly (ethylene glycol) (PEG) allow a higher amount of BSA to be released. The bioactive potential of filaments containing growth factors was tested for a hepatic and periodontal regeneration. The hepatic regenerative potential of PLGA filaments containing hepatocyte growth factors (HGF) could not been tested but a reproducible effect was noticed on hepatocyte cells HepG2 according to the amount of HGF in the filaments. Concerning the periodontal regeneration, periodontal ligament cells (PDLC) was cultured on different organized structures: a composite one made of poly (caprolactone) (PCL) and hydroxyapatite nanoparticles and the other one is made of core-shell PEG-PCL filaments containing cementum protein 1 (CEMP1). The two structures allowed the PDLC to produce a mineralized matrix which was not the case for the two other structures without nanoparticles and CEMP1. Thus, those bioactive structures showed promising regenerative potential for hard tissues like bone or cement.; Le dépôt localisé en électrofilage champ proche et voie solvant - ou appelé ici « électro-impression » - est une technique récente permettant de diriger le dépôt de filament en combinant un jet de polymère stable et un collecteur amovible comme une technique de fabrication additive. Ce travail de thèse a eu pour objectif de développer la technique d’électro-impression afin de produire des structures bioactives pour l’ingénierie tissulaire. Le développement de la technique a été initié par une étude fondamentale pour comprendre les mécanismes de stabilité du jet de polymère sous champ électrique. Il a alors été mis en évidence qu’en augmentant la viscoélasticité des solutions par augmentation de la concentration ou de la masse molaire du polymère, des jets stables sans lasso pouvaient être obtenus. Ces résultats permettent désormais de considérer un nombre de matériaux plus important pour l’électro-impression. Les mécanismes d’empilement de filament localisé ont ensuite été étudiés pour in-fine limiter l’apparition de défauts lorsque la structure accumule un nombre de couches important. Les essais préliminaires sur l’utilisation d’un air humide, d’un air ionisé ou des deux polarités du champ électrique ont montré des résultats prometteurs pour contrôler l’empilement de filaments. La protection et la libération de protéines à partir de filaments électrofilés est un défis toujours d’actualité pour l’ingénierie tissulaire. Ainsi, différentes formulations de polymères ont été testées afin de trouver un moyen de préserver au mieux la protéine. Une étude structurale d’une protéine modèle, l’albumine de sérum bovin (BSA), a été réalisée par dichroïsme circulaire afin de vérifier l’effet de la mise en forme sur l’activité de la protéine. Les résultats ont montré que la BSA est libérée à partir de filaments de poly acide (lactique-co-glycolique) (PLGA) selon une structure très proche de sa structure native ce qui laisse supposer que l’électrofilage n’a que peu perturbé les propriétés de la protéine. La cinétique de libération de la protéine à partir de filaments de PLGA a aussi montré que la protéine était libérée en plus grande quantité en présence de poly (éthylène glycol) (PEG). La bioactivité de structures fibreuses contenant des agents de croissance a ensuite été étudiée pour des applications de régénération hépatique et parodontale. Dans le premier cas, le potentiel de régénération hépatique de filaments de PLGA avec le facteur « hepatocyte growth factor » (HGF) n’a pas été testé mais les filaments ont induits des comportements reproductibles et intéressants sur des cellules hépatiques HepG2 en fonction de la teneur en HGF dans les filaments. Concernant la régénération parodontale, deux structures fibreuses organisées ont été testées : une structure composite de poly (caprolactone) (PCL) contenant des nanoparticules d’hydroxyapatite et une structure de filaments cœur-coquilles (PEG-PCL) contenant le facteur de croissance « cementum protein 1 » (CEMP1). Ces deux structures ont permis aux cellules du ligament parodontal de produire une matrice minéralisée ce qui n’a pas été observé sur les deux autres structures sans nanoparticules et sans CEMP1. Ces structures sont donc prometteuses pour la régénération de tissus durs du parodonte comme l’os ou le cément

This study presents a micromechanical modeling by the new NTFA-TSO model of the viscoelastic behavior of a heterogeneous material: a three-phase particulate composite material with two inclusion phases dispersed in a contiguous matrix. The phases have a nonlinear viscoelastic behavior with aging and swelling. First, the model-reduction approach is introduced. The local fields of internal variables are decomposed on a reduced basis of modes and the dissipation potentials of the phases are replaced by its tangent second-order expansion. The reduced evolution equations of the model can be entirely expressed in terms of quantities which are precomputed once for all. Second, the accuracy of the NTFA-TSO model is assessed by comparison with full-field simulations., Cette étude présente une modélisation micromécanique par le nouveau modèle NTFA-TSO du comportement viscoélastique d'un matériau hétérogène : un matériau composite triphasé composé de deux phases inclusionnaires dispersées dans une phase matrice. Les phases ont un comportement viscoélastique non linéaire vieillissant avec gonflement. L'approche par réduction de modèle est présentée dans un premier temps. Les champs locaux de variables internes sont décomposés sur une base réduite de modes et les potentiels de dissipation des phases sont remplacés par leur développement tangent au second ordre. Les équations d'évolution réduites du modèle peuvent être entièrement exprimées à l'aide de quantités pré-calculées une fois pour toutes. Dans un deuxième temps, la précision du modèle NTFA-TSO développé est évaluée par comparaison à des simulations en champs complets.

International audience; The work deals with the free vibration problem of sandwich structures with a viscoelastic core. Zener model with fractionalderivatives with four parameters is used to describe the viscoelastic behaviour. The fractional law is implemented in anumerical tool based on the Ritz method and a variable kinematics approach which is particularly adapted for sandwichplate modelling, the Sublaminate Generalized Unified Formulation (SGUF). The non-linear eigenvalue problem thatarises from the frequency dependence of the viscoelastic properties is solved using an iterative algorithm. The approachis validated on several examples consisting of viscoelastic sandwich beam and plate structures, including multi-coreconfigurations. The influence of the kinematic models on the structural response has been assessed; Ces travaux portent sur l’analyse numérique des vibrations libres des structures sandwichs avec un coeur viscoélastique.Le comportement viscoélastique est décrit par un modèle Zener à dérivées fractionnaires à quatre paramètres. La loi fractionnaire est implantée dans un outil numérique basé sur la méthode de Ritz et une approche à cinématique variable particulièrement adaptée à la modélisation de plaques sandwichs, la Sublaminate Generalized Unified Formulation (SGUF). Le problème aux valeurs propres non-linéaire issu de la dépendance aux fréquences des propriétés viscoélastiques est résoluen utilisant un algorithme itératif. L’approche est validée avec des exemples de poutre et plaque sandwichs viscoélastiques classiques ainsi qu’à coeurs multiples. L’influence des modèles cinématiques sur la réponse des structures est proposée

International audience; The work deals with the free vibration problem of sandwich structures with a viscoelastic core. Zener model with fractionalderivatives with four parameters is used to describe the viscoelastic behaviour. The fractional law is implemented in anumerical tool based on the Ritz method and a variable kinematics approach which is particularly adapted for sandwichplate modelling, the Sublaminate Generalized Unified Formulation (SGUF). The non-linear eigenvalue problem thatarises from the frequency dependence of the viscoelastic properties is solved using an iterative algorithm. The approachis validated on several examples consisting of viscoelastic sandwich beam and plate structures, including multi-coreconfigurations. The influence of the kinematic models on the structural response has been assessed; Ces travaux portent sur l’analyse numérique des vibrations libres des structures sandwichs avec un coeur viscoélastique.Le comportement viscoélastique est décrit par un modèle Zener à dérivées fractionnaires à quatre paramètres. La loi fractionnaire est implantée dans un outil numérique basé sur la méthode de Ritz et une approche à cinématique variable particulièrement adaptée à la modélisation de plaques sandwichs, la Sublaminate Generalized Unified Formulation (SGUF). Le problème aux valeurs propres non-linéaire issu de la dépendance aux fréquences des propriétés viscoélastiques est résoluen utilisant un algorithme itératif. L’approche est validée avec des exemples de poutre et plaque sandwichs viscoélastiques classiques ainsi qu’à coeurs multiples. L’influence des modèles cinématiques sur la réponse des structures est proposée

Giant micelle solutions are used in several industrial domains to increase the viscosity of solution. Their viscoelastic characteristic is beneficial for hydraulic fracturing of oil rocks because these solutions are able to transport sand and to keep it in suspension. This thesis examines the rheological properties of a commercial solution, designed for hydraulic fracturing. This solution is particularly difficult to characterize because its flows seem to be always unstable. We have developed a methodology to characterize it in the laminar regime and we have shown that this regime exists at room temperature only for very low shear rate values. Usually, the rheological behavior of this type of solution, in the linear regime, is predicted by the Maxwell model. We prove that the rheological behavior of the studied solution doesn’t match this model. We have designed a viscoelastic model that is compatible with experimental data.The origin of flow instabilities of these solutions is elastic. This phenomenon is widely studied in the literature. The rheological behavior in the nonlinear regime has characteristics specific to these solutions. In particular, the appearance of a stress plateau in the flow curve, preceded by a linear increase of stress with shear. The beginning of this plateau match the onset of instabilities at a critical shear rate. The feature of this solution is the low value of the stress plateau as well as the critical shear rate value. They are consistent with the value of rheological parameters obtained in laminar flow regimes. The effect of some physico-chemical parameters on rheology is also explored.; Les solutions de micelles géantes sont utilisées dans plusieurs domaines industriels pour augmenter la viscosité d'une solution. Elles présentent un caractère viscoélastique bénéfique pour la fracturation hydraulique des roches pétrolifères car elles permettent de transporter le sable et de le maintenir en suspension. Cette thèse étudie les propriétés rhéologiques d’une solution commerciale destinée à la fracturation hydraulique. Cette solution est particulièrement délicate à caractériser car ses écoulements semblent être toujours instables. Nous avons mis au point une méthodologie permettant de la caractériser en régime laminaire, et avons montré que ce régime n’existe à température ambiante que pour des très faibles valeurs de taux de cisaillement. Habituellement, le comportement rhéologique dans le régime linéaire de ce type de solution est prédit par le modèle de Maxwell. Nous mettons en évidence que le comportement rhéologique de la solution étudiée ne correspond pas à ce modèle. Nous avons établi un modèle viscoélastique compatible avec les données expérimentales.Les instabilités d’écoulement de ces solutions sont d’origine élastique. Ce phénomène est largement étudié dans la littérature. Le comportement rhéologique dans le domaine non linéaire possède des caractéristiques propres à ces solutions. Notamment l’apparition d’un plateau de contrainte dans la courbe d’écoulement, précédé par une augmentation linéaire de la contrainte avec le cisaillement. Le début de ce plateau coïncide avec le déclenchement des instabilités, on parle de taux de cisaillement critique. La particularité de cette solution est la valeur faible de la contrainte plateau ainsi que du taux de cisaillement critique. Les valeurs observées sont cohérentes avec la valeur des paramètres rhéologiques obtenus dans les régimes d’écoulement laminaire. L’effet de certains paramètres physico-chimiques sur la rhéologie est également exploré.

In EU, sludge production is increasing every year and is becoming a real challenge for the waste water treatment plants (WWTP). To reduce volumes and facilitate the reuse of organic matter, thermal drying is one of the most commonly used operations in large WWTP. Optimisation of the paddle dryer energy consumption can be obtained by an accurate control of the operating parameters, among which the residence time which is directly connected to the flow velocity in the dryer. Controlling the residence time implies the knowledge of the rheological parameters of sludge for total solid contents (TS) higher than 20 wt.% and their temperature dependency during drying. However, rheological measurements are difficult to perform at high TS as uncontrolled effects such as fractures and evaporation appear. Consequently, the obtained rheological measurements are not fully representative of a controlled state of the sludge.In this work, we show how to correct fractures impact with a well-controlled procedure allowing the exact determination of the surface really sheared in the range of strain 0-200 %, and so, of intrinsic rheological parameters. Moreover, we show how to control the evaporation of water at high temperatures, up to 80 °C, during at least 2 h of rheological measurements. These procedures are suitable for sludge having a pasty/plastic consistency and are compatible with any commercial rotational rheometer. Furthermore, above the plasticity limit TSP=43 wt.%, the studied sludge looks like a divided material that we characterize using a powder rheometer. The use of a powder rheometer, based on the Jenike principle and conventionally used in granular media, has been validated for the highest concentrations, in particular by means of a comparison with a conventional rheometer. Then, based on these procedures, the impact of concentration on the nature of sludge rheological behaviour has been investigated. We show the existence of 4 different regimes in the 2 48 wt.% TS range. Under 6 wt.% TS, the sludge is defined as a diluted suspension and the rheological behaviour is governed by viscous forces (physico-chemical and/or hydrodynamic interactions). When the TS content is higher than 14 but lower than 43 wt.%, the sludge looks like a pasty/plastic material and the behaviour is governed by frictional forces which manifested by the appearance of dilatancy. In the intermediate range of TS, that is 6-14 wt.%, the rheological behaviour is governed by a competition between viscous and frictional forces. Above 43 wt.%, the divided granular-like sludge behaves like a cohesive powder. We demonstrate that the relation between solid-like parameters (such as the yield stress) and the TS content can be modelled using a model combining a power and an Eilers laws. The power law dominates in the viscous regime, the Eilers law in the frictional regime and neither is dominant in the transitional regime. All of these results allowed us to propose a rheophysical scheme that links the rheological behaviour of the sludge to its consistency.; La production des boues résiduaires au niveau de l’Union Européenne ne cesse d’augmenter et devient un défi sociétal majeur. Pour réduire les volumes et faciliter la réutilisation de la matière organique, le séchage thermique est l’une des opérations les plus couramment mises en œuvre dans les stations d’épuration de grande capacité. Cependant le procédé reste énergivore : maîtriser la facture énergétique implique de contrôler les paramètres opératoires, parmi lesquels le temps de séjour, et donc la vitesse d’écoulement dans le sécheur. Contrôler le temps de séjour implique donc de connaître l’évolution des propriétés rhéologiques des boues au cours du séchage. Or, la littérature scientifique s’est avérée très peu documentée sur la caractérisation rhéologique des boues fortement concentrées, principalement en raison de difficultés techniques rencontrées pour effectuer les mesures telles que les fractures et l’évaporation lorsque les boues sont chauffées. Pour tenir compte de ces phénomènes perturbateurs, nous avons développé deux procédures expérimentales compatibles avec tous les rhéomètres rotatifs conventionnels. La première procédure dont le principe est basé sur la détermination de la surface réellement cisaillée, permet de corriger l’impact des fractures sur une gamme de déformations allant de 0 à 200 %. La deuxième procédure a pour objectif de limiter efficacement l’évaporation de l’eau jusqu’à 80 °C pendant au moins 2 h d’expérience. De plus, au-dessus de la limite de plasticité SiP =43 %, la boue étudiée devient un matériau granulaire-divisé. L’utilisation d’un rhéomètre à poudres, basée sur le principe de Jenike et classiquement utilisé dans les milieux granulaires, a ainsi été validée pour les plus fortes concentrations, notamment par la comparaison avec un rhéomètre classique. Ensuite, l’impact de la concentration sur la nature du comportement rhéologique a été évalué. Nous montrons qu’il existe 4 différents régimes dans la gamme de siccité allant de 2 à 48 %. Pour des siccités inférieures à 6 %, la boue est définie comme une suspension très diluée et son comportement rhéologique est dominé par les forces visqueuses (interactions physico-chimique et/ou hydrodynamique). Lorsque la siccité est dans la gamme 14-43 %, la boue ressemble à un matériau pâteux/plastique dont le comportement est régi par des forces frictionnelles qui se manifestent par l’apparition de la dilatance. Dans la gamme intermédiaire de siccité, 6-14 %, le comportement rhéologique de la boue est gouverné par une compétition entre les forces visqueuses et les forces de frictionnelles. Au delà de 43 %, la boue déshydratée de consistance granulaire se comporte comme une poudre cohésive. Nous démontrons que la relation entre les paramètres de type solide (comme la contrainte seuil) et la siccité peut être modélisée par un modèle composé d’une loi de puissance et d’une loi d’Eilers. La première composante domine dans le régime visqueux, la deuxième dans le régime frictionnel et aucune des deux composantes n’est dominante dans le régime intermédiaire. L'ensemble de ces résultats nous permet de construire un diagramme rhéophysique qui relie le comportement rhéologique de la boue à sa consistance.

In EU, sludge production is increasing every year and is becoming a real challenge for the waste water treatment plants (WWTP). To reduce volumes and facilitate the reuse of organic matter, thermal drying is one of the most commonly used operations in large WWTP. Optimisation of the paddle dryer energy consumption can be obtained by an accurate control of the operating parameters, among which the residence time which is directly connected to the flow velocity in the dryer. Controlling the residence time implies the knowledge of the rheological parameters of sludge for total solid contents (TS) higher than 20 wt.% and their temperature dependency during drying. However, rheological measurements are difficult to perform at high TS as uncontrolled effects such as fractures and evaporation appear. Consequently, the obtained rheological measurements are not fully representative of a controlled state of the sludge.In this work, we show how to correct fractures impact with a well-controlled procedure allowing the exact determination of the surface really sheared in the range of strain 0-200 %, and so, of intrinsic rheological parameters. Moreover, we show how to control the evaporation of water at high temperatures, up to 80 °C, during at least 2 h of rheological measurements. These procedures are suitable for sludge having a pasty/plastic consistency and are compatible with any commercial rotational rheometer. Furthermore, above the plasticity limit TSP=43 wt.%, the studied sludge looks like a divided material that we characterize using a powder rheometer. The use of a powder rheometer, based on the Jenike principle and conventionally used in granular media, has been validated for the highest concentrations, in particular by means of a comparison with a conventional rheometer. Then, based on these procedures, the impact of concentration on the nature of sludge rheological behaviour has been investigated. We show the existence of 4 different regimes in the 2 48 wt.% TS range. Under 6 wt.% TS, the sludge is defined as a diluted suspension and the rheological behaviour is governed by viscous forces (physico-chemical and/or hydrodynamic interactions). When the TS content is higher than 14 but lower than 43 wt.%, the sludge looks like a pasty/plastic material and the behaviour is governed by frictional forces which manifested by the appearance of dilatancy. In the intermediate range of TS, that is 6-14 wt.%, the rheological behaviour is governed by a competition between viscous and frictional forces. Above 43 wt.%, the divided granular-like sludge behaves like a cohesive powder. We demonstrate that the relation between solid-like parameters (such as the yield stress) and the TS content can be modelled using a model combining a power and an Eilers laws. The power law dominates in the viscous regime, the Eilers law in the frictional regime and neither is dominant in the transitional regime. All of these results allowed us to propose a rheophysical scheme that links the rheological behaviour of the sludge to its consistency.; La production des boues résiduaires au niveau de l’Union Européenne ne cesse d’augmenter et devient un défi sociétal majeur. Pour réduire les volumes et faciliter la réutilisation de la matière organique, le séchage thermique est l’une des opérations les plus couramment mises en œuvre dans les stations d’épuration de grande capacité. Cependant le procédé reste énergivore : maîtriser la facture énergétique implique de contrôler les paramètres opératoires, parmi lesquels le temps de séjour, et donc la vitesse d’écoulement dans le sécheur. Contrôler le temps de séjour implique donc de connaître l’évolution des propriétés rhéologiques des boues au cours du séchage. Or, la littérature scientifique s’est avérée très peu documentée sur la caractérisation rhéologique des boues fortement concentrées, principalement en raison de difficultés techniques rencontrées pour effectuer les mesures telles que les fractures et l’évaporation lorsque les boues sont chauffées. Pour tenir compte de ces phénomènes perturbateurs, nous avons développé deux procédures expérimentales compatibles avec tous les rhéomètres rotatifs conventionnels. La première procédure dont le principe est basé sur la détermination de la surface réellement cisaillée, permet de corriger l’impact des fractures sur une gamme de déformations allant de 0 à 200 %. La deuxième procédure a pour objectif de limiter efficacement l’évaporation de l’eau jusqu’à 80 °C pendant au moins 2 h d’expérience. De plus, au-dessus de la limite de plasticité SiP =43 %, la boue étudiée devient un matériau granulaire-divisé. L’utilisation d’un rhéomètre à poudres, basée sur le principe de Jenike et classiquement utilisé dans les milieux granulaires, a ainsi été validée pour les plus fortes concentrations, notamment par la comparaison avec un rhéomètre classique. Ensuite, l’impact de la concentration sur la nature du comportement rhéologique a été évalué. Nous montrons qu’il existe 4 différents régimes dans la gamme de siccité allant de 2 à 48 %. Pour des siccités inférieures à 6 %, la boue est définie comme une suspension très diluée et son comportement rhéologique est dominé par les forces visqueuses (interactions physico-chimique et/ou hydrodynamique). Lorsque la siccité est dans la gamme 14-43 %, la boue ressemble à un matériau pâteux/plastique dont le comportement est régi par des forces frictionnelles qui se manifestent par l’apparition de la dilatance. Dans la gamme intermédiaire de siccité, 6-14 %, le comportement rhéologique de la boue est gouverné par une compétition entre les forces visqueuses et les forces de frictionnelles. Au delà de 43 %, la boue déshydratée de consistance granulaire se comporte comme une poudre cohésive. Nous démontrons que la relation entre les paramètres de type solide (comme la contrainte seuil) et la siccité peut être modélisée par un modèle composé d’une loi de puissance et d’une loi d’Eilers. La première composante domine dans le régime visqueux, la deuxième dans le régime frictionnel et aucune des deux composantes n’est dominante dans le régime intermédiaire. L'ensemble de ces résultats nous permet de construire un diagramme rhéophysique qui relie le comportement rhéologique de la boue à sa consistance.

This study presents and compares two micromechanical modelings of a heterogeneous material: a three-phase particulate composite material with two inclusion phases dispersed in a contiguous matrix. The phases have a linear viscoelastic behavior with swelling. First of all, the first approach is introduced: analytical model named MTI. Then the model-reduction approach is developed: NTFA model. Third, a theoretical comparison between these two approaches is presented while their accuracies are assessed by comparison with full-field simulations. The theoretical comparison realized in this paper underlines a huge analogy between the two approaches, but also some key differences. The predictions of both models are in excellent agreement with full-field simulations for various loading conditions., Cette étude présente et compare deux modélisations micromécaniques d'un matériau hétérogène : un matériau composite triphasé composé de deux phases inclusionnaires dispersées dans une phase matrice. Les phases ont un comportement viscoélastique linéaire avec gonflement. Dans un premier temps, la première approche est présentée : modèle analytique nommé MTI. Puis, la seconde approche par réduction de modèle est exposée : modèle NTFA. Dans un troisième temps, les deux approches sont comparées théoriquement et les précisions des deux approches sont évaluées par comparaison à des simulations en champs complets sur différents essais. La comparaison théorique souligne une grande analogie entre les deux approches mais également des différences clés. Les prédictions des deux modèles sont excellentes par rapport aux calculs en champs complets et ce pour différentes conditions de chargements.

Widely used in recent years, the glass material makes it possible to erect light, aesthetic and resistant structures, in particular with glass lamination method, which consists in assembling two or more sheets of glass by one or more intermediate viscoelastic polymers layer. These viscoelastic interface layers are the source of interactions between the shear, the local bending and the global bending mechanisms that govern the overall behavior of laminated glass. For an optimal dimensioning and an accurate determination of the different fields, we propose a "highlycontrasted" plates model encapsulating these different mechanisms and their coupling. As long as a scale separation between the plate thickness and the caracteristic size of kinematics field variations exists, the asymptotic expansion method can be applied for the study of laminates. The effective plate behaviour is derived from the 3D constitutive law of the materials combined with an asymptotic expansion formulation and an appropriate scaling the tiffness contrast between stiff glass layers and soft viscoelastic polymer layers. The method provides a synthetic and consistent formulation, integrating the dual efforts of the macroscopic descriptors, in-plane and out-of-plane balance equations and the constitutive laws of the laminate. First the model is developped for a 2 stiff layers laminated glass plates, then different static and dynamic loading cases are applied. It is then extended to plates with 3 stiff layers and then generalized to plates with N stiff layers. Experimental campaigns are set up in order to validate the models. Finally, a case study of laminated glass floor design is proposed., Le verre feuilleté est constitué de deux ou plusieurs feuilles de verre assemblées par une ou plusieurs couches de polymères viscoélastiques intermédiaires qui sont à l’origine des interactions entre les mécanismes de cisaillement, de flexion locale et de flexion globale qui régissent le comportement d’ensemble du verre feuilleté. Dans ces travaux, nous proposons un modèle de plaques dites "fortement contrastées" intégrant ces différents mécanismes et leur couplage. Dès lors qu’il existe une séparation d’échelle entre l’épaisseur de la plaque et la taille caractéristique des variations des champs cinématiques, la méthode des développements asymptotiques est applicable pour l’étude des stratifiées. Le comportement effectif de la plaque est dérivé de la loi de comportement 3D des matériaux, associée à une formulation de développements asymptotiques et à une mise à l’échelle appropriée du contraste de rigidité entre les couches raides de verre et des couches souples de polymère viscoélastique. Le procédé fournit une formulation explicite et cohérente, intégrant les efforts duaux des descripteurs macroscopiques (équations constitutives), les équations d’équilibres hors-plan et dans le plan et les différentes lois de comportements du stratifié. Le modèle est d’abord construit dans le cas d’une plaque de verre feuilleté à 2 couches raides puis différents cas de chargements statiques et dynamiques sont appliqués. Il est ensuite étendu aux plaques à 3 couches raides puis généralisé aux plaques à N couches raides. Des campagnes expérimentales sont mises en place pour valider les modèles obtenus. Enfin un cas d’étude de dimensionnement de plancher en verre feuilleté est proposé.

Giant micelle solutions are used in several industrial domains to increase the viscosity of solution. Their viscoelastic characteristic is beneficial for hydraulic fracturing of oil rocks because these solutions are able to transport sand and to keep it in suspension. This thesis examines the rheological properties of a commercial solution, designed for hydraulic fracturing. This solution is particularly difficult to characterize because its flows seem to be always unstable. We have developed a methodology to characterize it in the laminar regime and we have shown that this regime exists at room temperature only for very low shear rate values. Usually, the rheological behavior of this type of solution, in the linear regime, is predicted by the Maxwell model. We prove that the rheological behavior of the studied solution doesn’t match this model. We have designed a viscoelastic model that is compatible with experimental data.The origin of flow instabilities of these solutions is elastic. This phenomenon is widely studied in the literature. The rheological behavior in the nonlinear regime has characteristics specific to these solutions. In particular, the appearance of a stress plateau in the flow curve, preceded by a linear increase of stress with shear. The beginning of this plateau match the onset of instabilities at a critical shear rate. The feature of this solution is the low value of the stress plateau as well as the critical shear rate value. They are consistent with the value of rheological parameters obtained in laminar flow regimes. The effect of some physico-chemical parameters on rheology is also explored., Les solutions de micelles géantes sont utilisées dans plusieurs domaines industriels pour augmenter la viscosité d'une solution. Elles présentent un caractère viscoélastique bénéfique pour la fracturation hydraulique des roches pétrolifères car elles permettent de transporter le sable et de le maintenir en suspension. Cette thèse étudie les propriétés rhéologiques d’une solution commerciale destinée à la fracturation hydraulique. Cette solution est particulièrement délicate à caractériser car ses écoulements semblent être toujours instables. Nous avons mis au point une méthodologie permettant de la caractériser en régime laminaire, et avons montré que ce régime n’existe à température ambiante que pour des très faibles valeurs de taux de cisaillement. Habituellement, le comportement rhéologique dans le régime linéaire de ce type de solution est prédit par le modèle de Maxwell. Nous mettons en évidence que le comportement rhéologique de la solution étudiée ne correspond pas à ce modèle. Nous avons établi un modèle viscoélastique compatible avec les données expérimentales.Les instabilités d’écoulement de ces solutions sont d’origine élastique. Ce phénomène est largement étudié dans la littérature. Le comportement rhéologique dans le domaine non linéaire possède des caractéristiques propres à ces solutions. Notamment l’apparition d’un plateau de contrainte dans la courbe d’écoulement, précédé par une augmentation linéaire de la contrainte avec le cisaillement. Le début de ce plateau coïncide avec le déclenchement des instabilités, on parle de taux de cisaillement critique. La particularité de cette solution est la valeur faible de la contrainte plateau ainsi que du taux de cisaillement critique. Les valeurs observées sont cohérentes avec la valeur des paramètres rhéologiques obtenus dans les régimes d’écoulement laminaire. L’effet de certains paramètres physico-chimiques sur la rhéologie est également exploré.

Widely used in recent years, the glass material makes it possible to erect light, aesthetic and resistant structures, in particular with glass lamination method, which consists in assembling two or more sheets of glass by one or more intermediate viscoelastic polymers layer. These viscoelastic interface layers are the source of interactions between the shear, the local bending and the global bending mechanisms that govern the overall behavior of laminated glass. For an optimal dimensioning and an accurate determination of the different fields, we propose a "highlycontrasted" plates model encapsulating these different mechanisms and their coupling. As long as a scale separation between the plate thickness and the caracteristic size of kinematics field variations exists, the asymptotic expansion method can be applied for the study of laminates. The effective plate behaviour is derived from the 3D constitutive law of the materials combined with an asymptotic expansion formulation and an appropriate scaling the tiffness contrast between stiff glass layers and soft viscoelastic polymer layers. The method provides a synthetic and consistent formulation, integrating the dual efforts of the macroscopic descriptors, in-plane and out-of-plane balance equations and the constitutive laws of the laminate. First the model is developped for a 2 stiff layers laminated glass plates, then different static and dynamic loading cases are applied. It is then extended to plates with 3 stiff layers and then generalized to plates with N stiff layers. Experimental campaigns are set up in order to validate the models. Finally, a case study of laminated glass floor design is proposed., Le verre feuilleté est constitué de deux ou plusieurs feuilles de verre assemblées par une ou plusieurs couches de polymères viscoélastiques intermédiaires qui sont à l’origine des interactions entre les mécanismes de cisaillement, de flexion locale et de flexion globale qui régissent le comportement d’ensemble du verre feuilleté. Dans ces travaux, nous proposons un modèle de plaques dites "fortement contrastées" intégrant ces différents mécanismes et leur couplage. Dès lors qu’il existe une séparation d’échelle entre l’épaisseur de la plaque et la taille caractéristique des variations des champs cinématiques, la méthode des développements asymptotiques est applicable pour l’étude des stratifiées. Le comportement effectif de la plaque est dérivé de la loi de comportement 3D des matériaux, associée à une formulation de développements asymptotiques et à une mise à l’échelle appropriée du contraste de rigidité entre les couches raides de verre et des couches souples de polymère viscoélastique. Le procédé fournit une formulation explicite et cohérente, intégrant les efforts duaux des descripteurs macroscopiques (équations constitutives), les équations d’équilibres hors-plan et dans le plan et les différentes lois de comportements du stratifié. Le modèle est d’abord construit dans le cas d’une plaque de verre feuilleté à 2 couches raides puis différents cas de chargements statiques et dynamiques sont appliqués. Il est ensuite étendu aux plaques à 3 couches raides puis généralisé aux plaques à N couches raides. Des campagnes expérimentales sont mises en place pour valider les modèles obtenus. Enfin un cas d’étude de dimensionnement de plancher en verre feuilleté est proposé.

The work carried out during this thesis deals with the study of the dynamic mechanical behavior of passive damping solutions used for the reduction of vibration levels and the stabilization of embedded optronic systems within Thales LAS France company. These solutions integrate elastomer materials with high dissipative power, whose behavior must be perfectly controlled for a good mechanical dimensioning of vibration isolation, despite their dependence on temperature and frequency. The general objective is to improve the knowledge of these material behavior, the characterization techniques, and the method taking into account this behavior in the numerical simulations in order to improve the practices used in the engineering department that design the structures hosting these systems.In this context, the work presented first focuses on the characterization, the modeling and the identification of the viscoelastic behavior of elastomers used in Thales LAS France damping devices. A Generalized Maxwell Model (GMM) is used to describe this behavior, and is introduced into a finite element model of the damper to obtain a satisfactory physical representation of its dynamic mechanical behavior. The problem is rewritten as an original state space representation that is associated with a model reduction strategy to reduce computation times. Various simulations are moreover performed to illustrate the potential of the proposed approach, such as complex modal analysis, frequency response and temporal response. Since temperature has a major influence on the mechanical behavior of elastomers, a specific thermomechanical material model is proposed by identifying the temperature evolution of GMM parameters, and a robustness analysis on the dissipation ability of the damper in the presence of a lack-of-knowledge on this variable is carried out based on the Info-Gap theory.Experimental test results showed the appearance of a softening of the structure under heavy load, suggesting the presence of non-linearities. Another aspect of this thesis deals with the characterization, the modeling and the identification of non-linear phenomena that can impact the dynamic behavior of the damper. Two sources have been highlighted: a material non-linearity related to the dependence of the mechanical characteristics of the elastomers to the rate of deformation (Payne effect), and a contact non-linearity related to the presence of mechanical stops. These behaviors were implemented in a reduced representation of the damper to explain the nonlinear phenomena observed experimentally during the damping device qualification campaigns.Finally, the last part of this thesis deals with the design of a network of tuned mass absorbers (MTMD) in order to reduce the vibratory level of a structural part supporting optical systems. After a formulation of the finite element problem, a procedure for optimizing the parameters of the MTMD is implemented and a robustness analysis of the optimal solution in the presence of uncertainties on the specific eigenfrequency to be controlled is performed. This study is carried out for different sets of parameters and a robust design optimization method is proposed by combining the optimization procedure and the Info-Gap theory. Finally, a model of the studied system is realized as well as a simplified version of its associated MTMD in order to test the tuning rules resulting from numerical studies thanks to a series of experimental tests.; Les travaux effectués durant cette thèse portent sur l’étude du comportement mécanique dynamique de solutions amortissantes passives utilisées pour la réduction des niveaux vibratoires et la stabilisation des systèmes optroniques embarqués au sein de l’entreprise Thales LAS France. Ces solutions intègrent des matériaux élastomères au fort pouvoir dissipatif dont le comportement doit être parfaitement maîtrisé pour un bon dimensionnement de l’isolation vibratoire, et ce malgré leur dépendance à la température et à la fréquence. L’objectif général est d’améliorer la connaissance du comportement de ces matériaux, leur caractérisation, leur prise en compte dans les simulations numériques afin d’améliorer les pratiques employées dans les bureaux d’études qui conçoivent les structures accueillant ces systèmes.Dans ce cadre, les travaux présentés portent tout d’abord sur la caractérisation, la modélisation et l’identification du comportement viscoélastique des élastomères employés dans des amortisseurs de Thales LAS France. Un modèle de type Maxwell généralisé (GMM) est utilisé pour décrire ce comportement, et est introduit dans un modèle éléments finis de l’amortisseur afin d’obtenir une représentation physique satisfaisante de son comportement mécanique dynamique. Le problème est réécrit sous la forme d’une représentation d’état originale qui est associée à une stratégie de réduction de modèle pour réduire les temps de calcul. Différentes simulations sont alors réalisées pour illustrer le potentiel de l’approche proposée, analyse modale complexe, réponse fréquentielle et réponse temporelle. La température ayant une influence primordiale sur le comportement mécanique des élastomères, un modèle matériau thermomécanique spécifique est proposé en identifiant l’évolution en température de paramètres du GMM, et une analyse de robustesse portant sur la capacité de dissipation de l’amortisseur témoin en présence de méconnaissances sur cette variable est réalisée en se basant sur la théorie Info-Gap.L’analyse d’une campagne d’essais a permis de constater l’apparition d’un assouplissement de la structure sous de fortes sollicitations, laissant augurer la présence de non-linéarités. Un autre aspect abordé durant cette thèse porte ainsi sur la caractérisation, la modélisation et l’identification des phénomènes non-linéaires pouvant impacter le comportement dynamique de l’amortisseur. Deux sources ont été mises en évidence : une non-linéarité matérielle liée à la dépendance des caractéristiques mécaniques des élastomères au taux de déformation (effet Payne), et une non-linéarité de type contact liée à la présence de butées. Ces comportements ont été implémentés dans une représentation réduite de l’amortisseur afin d’expliquer les phénomènes non-linéaires observés expérimentalement au cours des campagnes de qualification du produit.Enfin, la dernière partie de ces travaux de thèse porte sur la conception d’un réseau d’absorbeurs à masses accordées (MTMD) afin de réduire le niveau vibratoire d’une pièce structurale supportant les systèmes optiques. Après une formulation du problème éléments finis, une procédure d’optimisation des paramètres du MTMD est mise en œuvre et une analyse de robustesse de la solution optimale en présence d’incertitudes sur la fréquence propre à contrôler est effectuée. Cette étude est menée pour différents jeux de paramètres et une méthode d’optimisation robuste est proposée en combinant la procédure d’optimisation et la théorie Info-Gap. Pour finir, une maquette du système étudié est réalisée ainsi qu’une version simplifiée de son MTMD associé afin de mettre à l’épreuve les règles d’accordage issues des études numériques grâce à une série d’essais vibratoires.

The work carried out during this thesis deals with the study of the dynamic mechanical behavior of passive damping solutions used for the reduction of vibration levels and the stabilization of embedded optronic systems within Thales LAS France company. These solutions integrate elastomer materials with high dissipative power, whose behavior must be perfectly controlled for a good mechanical dimensioning of vibration isolation, despite their dependence on temperature and frequency. The general objective is to improve the knowledge of these material behavior, the characterization techniques, and the method taking into account this behavior in the numerical simulations in order to improve the practices used in the engineering department that design the structures hosting these systems.In this context, the work presented first focuses on the characterization, the modeling and the identification of the viscoelastic behavior of elastomers used in Thales LAS France damping devices. A Generalized Maxwell Model (GMM) is used to describe this behavior, and is introduced into a finite element model of the damper to obtain a satisfactory physical representation of its dynamic mechanical behavior. The problem is rewritten as an original state space representation that is associated with a model reduction strategy to reduce computation times. Various simulations are moreover performed to illustrate the potential of the proposed approach, such as complex modal analysis, frequency response and temporal response. Since temperature has a major influence on the mechanical behavior of elastomers, a specific thermomechanical material model is proposed by identifying the temperature evolution of GMM parameters, and a robustness analysis on the dissipation ability of the damper in the presence of a lack-of-knowledge on this variable is carried out based on the Info-Gap theory.Experimental test results showed the appearance of a softening of the structure under heavy load, suggesting the presence of non-linearities. Another aspect of this thesis deals with the characterization, the modeling and the identification of non-linear phenomena that can impact the dynamic behavior of the damper. Two sources have been highlighted: a material non-linearity related to the dependence of the mechanical characteristics of the elastomers to the rate of deformation (Payne effect), and a contact non-linearity related to the presence of mechanical stops. These behaviors were implemented in a reduced representation of the damper to explain the nonlinear phenomena observed experimentally during the damping device qualification campaigns.Finally, the last part of this thesis deals with the design of a network of tuned mass absorbers (MTMD) in order to reduce the vibratory level of a structural part supporting optical systems. After a formulation of the finite element problem, a procedure for optimizing the parameters of the MTMD is implemented and a robustness analysis of the optimal solution in the presence of uncertainties on the specific eigenfrequency to be controlled is performed. This study is carried out for different sets of parameters and a robust design optimization method is proposed by combining the optimization procedure and the Info-Gap theory. Finally, a model of the studied system is realized as well as a simplified version of its associated MTMD in order to test the tuning rules resulting from numerical studies thanks to a series of experimental tests.; Les travaux effectués durant cette thèse portent sur l’étude du comportement mécanique dynamique de solutions amortissantes passives utilisées pour la réduction des niveaux vibratoires et la stabilisation des systèmes optroniques embarqués au sein de l’entreprise Thales LAS France. Ces solutions intègrent des matériaux élastomères au fort pouvoir dissipatif dont le comportement doit être parfaitement maîtrisé pour un bon dimensionnement de l’isolation vibratoire, et ce malgré leur dépendance à la température et à la fréquence. L’objectif général est d’améliorer la connaissance du comportement de ces matériaux, leur caractérisation, leur prise en compte dans les simulations numériques afin d’améliorer les pratiques employées dans les bureaux d’études qui conçoivent les structures accueillant ces systèmes.Dans ce cadre, les travaux présentés portent tout d’abord sur la caractérisation, la modélisation et l’identification du comportement viscoélastique des élastomères employés dans des amortisseurs de Thales LAS France. Un modèle de type Maxwell généralisé (GMM) est utilisé pour décrire ce comportement, et est introduit dans un modèle éléments finis de l’amortisseur afin d’obtenir une représentation physique satisfaisante de son comportement mécanique dynamique. Le problème est réécrit sous la forme d’une représentation d’état originale qui est associée à une stratégie de réduction de modèle pour réduire les temps de calcul. Différentes simulations sont alors réalisées pour illustrer le potentiel de l’approche proposée, analyse modale complexe, réponse fréquentielle et réponse temporelle. La température ayant une influence primordiale sur le comportement mécanique des élastomères, un modèle matériau thermomécanique spécifique est proposé en identifiant l’évolution en température de paramètres du GMM, et une analyse de robustesse portant sur la capacité de dissipation de l’amortisseur témoin en présence de méconnaissances sur cette variable est réalisée en se basant sur la théorie Info-Gap.L’analyse d’une campagne d’essais a permis de constater l’apparition d’un assouplissement de la structure sous de fortes sollicitations, laissant augurer la présence de non-linéarités. Un autre aspect abordé durant cette thèse porte ainsi sur la caractérisation, la modélisation et l’identification des phénomènes non-linéaires pouvant impacter le comportement dynamique de l’amortisseur. Deux sources ont été mises en évidence : une non-linéarité matérielle liée à la dépendance des caractéristiques mécaniques des élastomères au taux de déformation (effet Payne), et une non-linéarité de type contact liée à la présence de butées. Ces comportements ont été implémentés dans une représentation réduite de l’amortisseur afin d’expliquer les phénomènes non-linéaires observés expérimentalement au cours des campagnes de qualification du produit.Enfin, la dernière partie de ces travaux de thèse porte sur la conception d’un réseau d’absorbeurs à masses accordées (MTMD) afin de réduire le niveau vibratoire d’une pièce structurale supportant les systèmes optiques. Après une formulation du problème éléments finis, une procédure d’optimisation des paramètres du MTMD est mise en œuvre et une analyse de robustesse de la solution optimale en présence d’incertitudes sur la fréquence propre à contrôler est effectuée. Cette étude est menée pour différents jeux de paramètres et une méthode d’optimisation robuste est proposée en combinant la procédure d’optimisation et la théorie Info-Gap. Pour finir, une maquette du système étudié est réalisée ainsi qu’une version simplifiée de son MTMD associé afin de mettre à l’épreuve les règles d’accordage issues des études numériques grâce à une série d’essais vibratoires.

Noises and vibrations control is a common objective in the industrial field. Whether it is a question of comfort or safety, the fields of application are numerous and varied: transport, building, civil and military engineering… In this thesis, a vibroacoustics interior problem with fluid-structure coupling is studied. A cavity filled of fluid whose walls are made of a sandwich viscoelastic structure is considered. The numerical difficulties associated with this model relate to the non-linearity of the viscoelastic material and the properties of the matrix operators used (conditioning, non-symmetry). The calculation of the vibrations of the coupled dissipative system requires an initial value, chosen as the solution to the conservative problem. Since this solution is difficult to determine, two eigenvalue algorithms based on the Asymptotic Numerical Method (ANM) are proposed to solve the problem of free vibrations of the conservative system. Combining high order perturbation and continuation techniques, ANM transforms the initial non-linear problem into a set of linear problems that are easier to solve. The solutions obtained are then used as the initial point to determine the free vibrations of the dissipative problem. A high order Newton solver, based on homotopy and perturbation techniques, is developed to solve this problem. Finally, the forced harmonic response of the damped system is computed. For all the configurations tested, the results obtained show improved numerical performance compared to the methods conventionally used (Arpack solver, Newton algorithm…).; La maîtrise du bruit et des vibrations est un objectif fréquemment rencontré dans le domaine industriel. Qu’il s’agisse de questions de confort ou de sécurité, les domaines d’applications sont nombreux et variés : transport, BTP, ingénierie civile et militaire… Dans cette thèse, un problème de vibroacoustique interne avec couplage fluide-structure est étudié. Il s’agit d’une cavité remplie de fluide dont les parois sont constituées d’une structure sandwich viscoélastique. Les difficultés numériques associées à ce modèle portent sur la non linéarité du matériau et sur les propriétés des opérateurs matriciels manipulés (conditionnement, non symétrie). Le calcul des vibrations du système dissipatif couplé nécessite une valeur initiale, choisie comme la solution du problème conservatif. Cette solution n’étant pas aisée à déterminer, deux solveurs aux valeurs propres basés sur la Méthode Asymptotique Numérique (MAN) sont proposés pour résoudre le problème des vibrations libres du système conservatif. Associant des techniques de perturbation d'ordre élevé et de continuation, la MAN permet de transformer le problème non linéaire de départ en une suite de problèmes linéaires, plus simples à résoudre. Les solutions obtenues sont ensuite utilisées comme point initial pour déterminer la réponse libre du système dissipatif. Un solveur de Newton d’ordre élevé, basé sur les techniques d’homotopie et de perturbation est développé pour résoudre ce problème. Enfin, le régime forcé est étudié. Pour toutes les configurations envisagées, les résultats obtenus mettent en évidence des performances numériques améliorées par rapport aux méthodes classiquement utilisées (Arpack, Newton…).

Noises and vibrations control is a common objective in the industrial field. Whether it is a question of comfort or safety, the fields of application are numerous and varied: transport, building, civil and military engineering… In this thesis, a vibroacoustics interior problem with fluid-structure coupling is studied. A cavity filled of fluid whose walls are made of a sandwich viscoelastic structure is considered. The numerical difficulties associated with this model relate to the non-linearity of the viscoelastic material and the properties of the matrix operators used (conditioning, non-symmetry). The calculation of the vibrations of the coupled dissipative system requires an initial value, chosen as the solution to the conservative problem. Since this solution is difficult to determine, two eigenvalue algorithms based on the Asymptotic Numerical Method (ANM) are proposed to solve the problem of free vibrations of the conservative system. Combining high order perturbation and continuation techniques, ANM transforms the initial non-linear problem into a set of linear problems that are easier to solve. The solutions obtained are then used as the initial point to determine the free vibrations of the dissipative problem. A high order Newton solver, based on homotopy and perturbation techniques, is developed to solve this problem. Finally, the forced harmonic response of the damped system is computed. For all the configurations tested, the results obtained show improved numerical performance compared to the methods conventionally used (Arpack solver, Newton algorithm…)., La maîtrise du bruit et des vibrations est un objectif fréquemment rencontré dans le domaine industriel. Qu’il s’agisse de questions de confort ou de sécurité, les domaines d’applications sont nombreux et variés : transport, BTP, ingénierie civile et militaire… Dans cette thèse, un problème de vibroacoustique interne avec couplage fluide-structure est étudié. Il s’agit d’une cavité remplie de fluide dont les parois sont constituées d’une structure sandwich viscoélastique. Les difficultés numériques associées à ce modèle portent sur la non linéarité du matériau et sur les propriétés des opérateurs matriciels manipulés (conditionnement, non symétrie). Le calcul des vibrations du système dissipatif couplé nécessite une valeur initiale, choisie comme la solution du problème conservatif. Cette solution n’étant pas aisée à déterminer, deux solveurs aux valeurs propres basés sur la Méthode Asymptotique Numérique (MAN) sont proposés pour résoudre le problème des vibrations libres du système conservatif. Associant des techniques de perturbation d'ordre élevé et de continuation, la MAN permet de transformer le problème non linéaire de départ en une suite de problèmes linéaires, plus simples à résoudre. Les solutions obtenues sont ensuite utilisées comme point initial pour déterminer la réponse libre du système dissipatif. Un solveur de Newton d’ordre élevé, basé sur les techniques d’homotopie et de perturbation est développé pour résoudre ce problème. Enfin, le régime forcé est étudié. Pour toutes les configurations envisagées, les résultats obtenus mettent en évidence des performances numériques améliorées par rapport aux méthodes classiquement utilisées (Arpack, Newton…).

This manuscript presents a study on the mechanical properties’ characterization of time dependent phenomena using instrumented nanoindentation at different temperatures.This research subject treats the development of methods dealing with the adaptation of classical indentation methodologies to high temperature characterizations. Bringing a better understanding of time and temperature dependent phenomena at a local scale is the first aim of the methods developed. The second objective is to compare materials behaviors measured at micro and macro-scale.The proposed methods are based on indentation relaxation tests. Their development and applications to polymers and metals characterization are studied analytically and experimentally. The analytical study shows that the indentation relaxation test is equivalent to the uniaxial one. This study also highlights the great influence of loading kinetics on the measured relaxation behavior.The proposed experimental study in temperature permits the extraction of the strain rate sensitivity and the activation energy of the viscous phenomena. However, thermal drift limits the characterization duration – i.e. the maximum experimental time remains limited to a couple of minutes. Another experimental study configuration, at room temperature, opens the way to longer test durations. It is based on the equivalence of contact area and stiffness for a homogeneous material. With this configuration, we successfully hold the contact area constant for 10 hours without any evidences of drift.Eventually, the high temperature nanoindentation application to in situ microstructural changes characterization of an aluminum alloy is studied. Measurements and limitations are carefully discussed for a better understanding of the studied phenomenon. The results show that the recrystallization kinetics can be successfully described with reduced test duration and samples’ set.; Ce mémoire présente une étude sur la caractérisation des propriétés mécaniques dépendantes du temps par nanoindentation instrumentée à différentes températures.Ce sujet de recherche porte sur l’adaptation des méthodes d’indentation classiques aux problématiques de la caractérisation à hautes températures. Les méthodes développées dans ces travaux ont pour premier objectif d’apporter une meilleure compréhension des phénomènes dépendants du temps et de la température par une approche locale. Le second objectif est d’apporter des éléments de comparaison entre le comportement à l’échelle microscopique et macroscopique.Les méthodes proposées sont principalement fondées sur l’essai de relaxation en indentation. Ses développements et applications aux matériaux polymères et métalliques sont étudiés de manière analytique puis expérimentale. L’étude analytique nous montre que ce type d’essais en indentation peut être directement comparé à un essai uniaxial. Elle montre également que la cinétique de chargement a une grande influence sur la qualité des résultats obtenus en relaxation.L’étude expérimentale proposée, en température, permet d’extraire la sensibilité à la vitesse de déformation ainsi que l’énergie d’activation des phénomènes visqueux. Cependant, la dérive thermique limite la durée des essais – la durée maximum du segment de relaxation reste inférieure à quelques minutes. Une autre étude réalisée à température ambiante ouvre la voie à des durées de caractérisation plus longues. Celle-ci se fonde sur l’équivalence entre aire et raideur de contact pour un matériau homogène. Un maintien de l’aire de contact constante pendant 10 heures est effectué sans signes de dérive.Finalement, l’application de la nanoindentation à hautes températures à la caractérisation in situ des changements microstructuraux pour un alliage d’aluminium est étudiée. Les résultats de l’étude montrent qu’il est possible d’obtenir la cinétique de recristallisation avec un seul échantillon et en un temps limité.

This manuscript presents a study on the mechanical properties’ characterization of time dependent phenomena using instrumented nanoindentation at different temperatures.This research subject treats the development of methods dealing with the adaptation of classical indentation methodologies to high temperature characterizations. Bringing a better understanding of time and temperature dependent phenomena at a local scale is the first aim of the methods developed. The second objective is to compare materials behaviors measured at micro and macro-scale.The proposed methods are based on indentation relaxation tests. Their development and applications to polymers and metals characterization are studied analytically and experimentally. The analytical study shows that the indentation relaxation test is equivalent to the uniaxial one. This study also highlights the great influence of loading kinetics on the measured relaxation behavior.The proposed experimental study in temperature permits the extraction of the strain rate sensitivity and the activation energy of the viscous phenomena. However, thermal drift limits the characterization duration – i.e. the maximum experimental time remains limited to a couple of minutes. Another experimental study configuration, at room temperature, opens the way to longer test durations. It is based on the equivalence of contact area and stiffness for a homogeneous material. With this configuration, we successfully hold the contact area constant for 10 hours without any evidences of drift.Eventually, the high temperature nanoindentation application to in situ microstructural changes characterization of an aluminum alloy is studied. Measurements and limitations are carefully discussed for a better understanding of the studied phenomenon. The results show that the recrystallization kinetics can be successfully described with reduced test duration and samples’ set.; Ce mémoire présente une étude sur la caractérisation des propriétés mécaniques dépendantes du temps par nanoindentation instrumentée à différentes températures.Ce sujet de recherche porte sur l’adaptation des méthodes d’indentation classiques aux problématiques de la caractérisation à hautes températures. Les méthodes développées dans ces travaux ont pour premier objectif d’apporter une meilleure compréhension des phénomènes dépendants du temps et de la température par une approche locale. Le second objectif est d’apporter des éléments de comparaison entre le comportement à l’échelle microscopique et macroscopique.Les méthodes proposées sont principalement fondées sur l’essai de relaxation en indentation. Ses développements et applications aux matériaux polymères et métalliques sont étudiés de manière analytique puis expérimentale. L’étude analytique nous montre que ce type d’essais en indentation peut être directement comparé à un essai uniaxial. Elle montre également que la cinétique de chargement a une grande influence sur la qualité des résultats obtenus en relaxation.L’étude expérimentale proposée, en température, permet d’extraire la sensibilité à la vitesse de déformation ainsi que l’énergie d’activation des phénomènes visqueux. Cependant, la dérive thermique limite la durée des essais – la durée maximum du segment de relaxation reste inférieure à quelques minutes. Une autre étude réalisée à température ambiante ouvre la voie à des durées de caractérisation plus longues. Celle-ci se fonde sur l’équivalence entre aire et raideur de contact pour un matériau homogène. Un maintien de l’aire de contact constante pendant 10 heures est effectué sans signes de dérive.Finalement, l’application de la nanoindentation à hautes températures à la caractérisation in situ des changements microstructuraux pour un alliage d’aluminium est étudiée. Les résultats de l’étude montrent qu’il est possible d’obtenir la cinétique de recristallisation avec un seul échantillon et en un temps limité.

Gradient damage models, also known as phase-field models, are now widely used to model brittle and ductile fracture, from the onset of damage to the propagation of a crack in various materials. Yet, they have been mainly studied in the framework of small deformation, and very few studies aims at proving their relevance in a finite deformation framework. This would be more helpful for the tyre industry that deals with very large deformation problems, and has to gain insight into the prediction of the initiation of damage in its structures.The first part of this work places emphasis on finding analytical solutions to unidimensional problems of damaging viscous materials in small and large deformation.In all the cases, the evolution of damage is studied, both in the homogeneous and localised cases. Having such solutions gives a suitable basis to implement these models and validate the numerical results.A numerical part naturally follows the first one, that details the specificities of the numerical implementation of these non local models in large deformation. In order to solve the displacement and damage problems, the strategy of alternate minimisation (or staggered algorithm) is used. When solved on the reference configuration, the damage problem is the same as in small deformation, and consists in a bound constraint minimisation. The displacement problem is non linear, and a mixed finite element method is used to solve a displacement-pressure problem. A quasi-incompressible Mooney-Rivlin law is used to model the behaviour of the hyperelastic material. Various tests in 2D and 3D are performed to show that gradient damage models are perfectly able to initiate damage in sound, quasi-incompressible structures, in large deformation.In the simulations depicted above, it should be noted that the damage laws combined to the hyperelastic potential results in an initiation of damage that takes place in zones of high deformation, or in other words, in zones of high deviatoric stress. However, in some polymer materials, that are known to be quasi-incompressible, it has been shown that the initiation of damage can take place in zones of high hydrostatic pressure. This is why an important aspect of the work consists in establishing a damage law such that the material be incompressible when there is no damage, and the pressure play a role in the damage criterion. Such a model is exposed in the third part.Finally, the last part focuses on the cavitation phenomenon, that can be understood as the sudden growth of a cavity. We first study it as a purely hyperelastic bifurcation, in order to get the analytical value of the critical elongation for which cavitation occurs, in the case of a compressible isotropic neo-hookean material submitted to a radial displacement. We show that there is a competition between the cavitation phenomenon and the damage, and that depending on the ratio of the critical elongation for damage and the critical elongation for cavitation, different rupture patterns can appear.; Les modèles d'endommagement à gradient, aussi dénommés modèles à champs de phases, sont désormais largement utilisés pour modéliser la rupture fragile et ductile, depuis l'initiation de l'endommagement jusqu'à la propagation d'une fissure. Cependant, la majorité des études disponibles dans la littérature ne concerne que le cadre des petites déformations, et très peu d'études poussées ont été menées afin d'étudier leur pertinence dans un contexte de grandes déformations. Ce serait pourtant d'un intérêt primordial, notamment pour l'industrie pneumatique, qui deviendrait alors capable de prédire plus précisément l'initiation de l'endommagement dans ses structures.Dans la première partie de ce travail, nous établissons des solutions analytiques d'évolution de l'endommagement (homogène et localisée) pour des matériaux visqueux, en petites et en grandes déformations. En petites déformations, les modèles rhéologiques de Maxwell et Poynting-Thomson sont étudiés, et en grandes déformations, les modèles de Maxwell et Zener sont choisis. Une étude sur l'évolution de l'endommagement dans un cas purement hyperélastique est aussi menée.A cette première partie analytique succède une partie numérique, qui détaille l'implémentation des modèles d'endommagement à gradient dans des codes éléments finis en grandes déformations. De même qu'en petites déformations, une stratégie de minimisation alternée est adoptée pour résoudre successivement les problèmes d'endommagement et de déplacement. Le matériau suit une loi de Mooney-Rivlin quasi-incompressible, et une méthode mixte en déplacement-pression est utilisée. Des tests en 2D et 3D sont effectués, qui mettent en évidence la capacité des modèles à initier de l'endommagement en grandes déformations.Les modèles d'endommagement utilisés pour la seconde partie ne sont cependant capables d'initier de l'endommagement que dans les zones où la déformation est importante, c'est-à-dire dans les zones de forte contrainte déviatorique. Il a toutefois été montré que certains matériaux polymères, quasi-incompressibles, s'endommagent dans les zones de forte pression hydrostatique. Par conséquent, la recherche et l'étude d'un modèle d'endommagement capable d'initier de l'endommagement dans les zones de forte pression, pour des matériaux quasi-incompressibles lorsqu'ils sont sains, fait l'objet d'une troisième partie.Enfin, la croissance brusque de cavités dans un matériau hyperélastique, appelée phénomène de cavitation, est étudiée, ainsi que son interaction avec l'endommagement. Dans un premier temps, nous considérons la cavitation comme une simple bifurcation hyperélastique d'un matériau néo-hookéen compressible isotrope, et déterminons l'expression analytique de l'élongation critique pour laquelle la cavitation fait son apparition. Dans un second temps, nous montrons qu'il y a une compétition entre la cavitation et l'endommagement, et qu'en fonction de la valeur du ratio des élongations critiques respectives pour chaque phénomène, deux types de rupture apparaissent.

Gradient damage models, also known as phase-field models, are now widely used to model brittle and ductile fracture, from the onset of damage to the propagation of a crack in various materials. Yet, they have been mainly studied in the framework of small deformation, and very few studies aims at proving their relevance in a finite deformation framework. This would be more helpful for the tyre industry that deals with very large deformation problems, and has to gain insight into the prediction of the initiation of damage in its structures.The first part of this work places emphasis on finding analytical solutions to unidimensional problems of damaging viscous materials in small and large deformation.In all the cases, the evolution of damage is studied, both in the homogeneous and localised cases. Having such solutions gives a suitable basis to implement these models and validate the numerical results.A numerical part naturally follows the first one, that details the specificities of the numerical implementation of these non local models in large deformation. In order to solve the displacement and damage problems, the strategy of alternate minimisation (or staggered algorithm) is used. When solved on the reference configuration, the damage problem is the same as in small deformation, and consists in a bound constraint minimisation. The displacement problem is non linear, and a mixed finite element method is used to solve a displacement-pressure problem. A quasi-incompressible Mooney-Rivlin law is used to model the behaviour of the hyperelastic material. Various tests in 2D and 3D are performed to show that gradient damage models are perfectly able to initiate damage in sound, quasi-incompressible structures, in large deformation.In the simulations depicted above, it should be noted that the damage laws combined to the hyperelastic potential results in an initiation of damage that takes place in zones of high deformation, or in other words, in zones of high deviatoric stress. However, in some polymer materials, that are known to be quasi-incompressible, it has been shown that the initiation of damage can take place in zones of high hydrostatic pressure. This is why an important aspect of the work consists in establishing a damage law such that the material be incompressible when there is no damage, and the pressure play a role in the damage criterion. Such a model is exposed in the third part.Finally, the last part focuses on the cavitation phenomenon, that can be understood as the sudden growth of a cavity. We first study it as a purely hyperelastic bifurcation, in order to get the analytical value of the critical elongation for which cavitation occurs, in the case of a compressible isotropic neo-hookean material submitted to a radial displacement. We show that there is a competition between the cavitation phenomenon and the damage, and that depending on the ratio of the critical elongation for damage and the critical elongation for cavitation, different rupture patterns can appear.; Les modèles d'endommagement à gradient, aussi dénommés modèles à champs de phases, sont désormais largement utilisés pour modéliser la rupture fragile et ductile, depuis l'initiation de l'endommagement jusqu'à la propagation d'une fissure. Cependant, la majorité des études disponibles dans la littérature ne concerne que le cadre des petites déformations, et très peu d'études poussées ont été menées afin d'étudier leur pertinence dans un contexte de grandes déformations. Ce serait pourtant d'un intérêt primordial, notamment pour l'industrie pneumatique, qui deviendrait alors capable de prédire plus précisément l'initiation de l'endommagement dans ses structures.Dans la première partie de ce travail, nous établissons des solutions analytiques d'évolution de l'endommagement (homogène et localisée) pour des matériaux visqueux, en petites et en grandes déformations. En petites déformations, les modèles rhéologiques de Maxwell et Poynting-Thomson sont étudiés, et en grandes déformations, les modèles de Maxwell et Zener sont choisis. Une étude sur l'évolution de l'endommagement dans un cas purement hyperélastique est aussi menée.A cette première partie analytique succède une partie numérique, qui détaille l'implémentation des modèles d'endommagement à gradient dans des codes éléments finis en grandes déformations. De même qu'en petites déformations, une stratégie de minimisation alternée est adoptée pour résoudre successivement les problèmes d'endommagement et de déplacement. Le matériau suit une loi de Mooney-Rivlin quasi-incompressible, et une méthode mixte en déplacement-pression est utilisée. Des tests en 2D et 3D sont effectués, qui mettent en évidence la capacité des modèles à initier de l'endommagement en grandes déformations.Les modèles d'endommagement utilisés pour la seconde partie ne sont cependant capables d'initier de l'endommagement que dans les zones où la déformation est importante, c'est-à-dire dans les zones de forte contrainte déviatorique. Il a toutefois été montré que certains matériaux polymères, quasi-incompressibles, s'endommagent dans les zones de forte pression hydrostatique. Par conséquent, la recherche et l'étude d'un modèle d'endommagement capable d'initier de l'endommagement dans les zones de forte pression, pour des matériaux quasi-incompressibles lorsqu'ils sont sains, fait l'objet d'une troisième partie.Enfin, la croissance brusque de cavités dans un matériau hyperélastique, appelée phénomène de cavitation, est étudiée, ainsi que son interaction avec l'endommagement. Dans un premier temps, nous considérons la cavitation comme une simple bifurcation hyperélastique d'un matériau néo-hookéen compressible isotrope, et déterminons l'expression analytique de l'élongation critique pour laquelle la cavitation fait son apparition. Dans un second temps, nous montrons qu'il y a une compétition entre la cavitation et l'endommagement, et qu'en fonction de la valeur du ratio des élongations critiques respectives pour chaque phénomène, deux types de rupture apparaissent.

In this work, the feasibility of a valorisation in road engineering of non-hazardous waste incineration bottom ash aggregates (NHWI) is investigated. This study is first based on an experimental determination of the elastic properties of the bottom ash particles. These properties serve as input data for hierarchical multi-scale modelling developed to study the mechanical behaviour of aggregates treated with binders (cement and bitumen). The original experimental campaign on the bottom ash particles allowed them to be mapped to the Scanning Electron Microscope (SEM). For the particles, a mean reduced modulus of elasticity in between 15 and 68 GPa was found by means of indentation tests and applying the "Olivier and Phan method. The chemical analysis of the aggregates was obtained using qualitative point chemical analyzes (OHS). Based on a 0/25 particle size distribution of NHWI, which was the subject of an experimental study [BEC 07] , we have implemented two 30 models < road materials treated with binders in Representative Elementary Volumes (REV). These models are based on a hierarchical multi-scale modelling strategy. Two types of binder are studied: cement CEM I 42.5 R and bitumen of [NGU 08]. For both types of binder, the treated aggregates we divided into two REV, at respectively the sub-mesoscale (0/6 mm) and the mesoscale (6/25 mm). An application to the valorisation of NHWI bottom ashes in road engineering is studied in both cases. With a 3% cement treatment, a numerical simulation campaign "Virtual Laboratory" was conducted. At the sub-mesoscale, the input parameters for the Concrete Damaged Plasticity Model used at the mesoscale are determined. At the mesoscale, the mechanical characteristics of the road materials usually determined through experiments have been found. The developed simulation strategy has been validated by comparing our numerical results and son experimental results of [BEC 07]. With a 5% bitumen treatment, stress relaxation tests carried out at the two scales enable one to obtain the thermo-rheological properties of the Bitumen Bound Gravel. These properties are the Prony series at a reference temperature of 0°C and the Williams-Landei- Ferry (WLF) law constants. Prony series are obtained by means of standardized elastic moduli. The obtained WLF law constants are Cl = 20 °C-1 and C2 = 130 °C. The numeric simulations have been validated by comparing the responses of heterogeneous and corresponding homogeneous materials.; Dans ce travail, il est question d'étudier la faisabilité d'une valorisation en techniques routières de granulats de Mâchefers d'Incinération des Dèchets Non Dangereux (MIDND). Cette étude se base en premier lieu sur une analyse expérimentale ayant permis d'obtenir leurs propriétés élastiques. Ces propriétés servent de données d'entrée à une modélisation multi-échelle hiérarchique développée pour étudier le comportement mécanique de graves base de MIDND traitées aux liants (ciment et bitume). La campagne expérimentale originale sur des particules de mâchefers a permis de les cartographier au Microscope Electronique à Balayage (MEB Pour ces particules, des modules d'élasticité moyens réduits variant de 15 à 68 GPa ont été trouvés par le biais de tests d'indentation en appliquant méthode de «Olivier and Pharr ». Les analyses chimiques ponctuelles qualitatives (EDS) effectuées ont permis d'obtenir la composition chimique des granulats de mâchefers. Partant d'une granulométrie de particules de MIDND 0/25 qui a fait l'objet d'une étude expérimentale [BEC 07], nous avons mis en place des modèles numériques 3D de grave routière traitée aux liants dans des Volumes Elémentaires Représentatifs (VER). Ces modèles sont basés sur une stratégie de modélisation dite « multi-échelles » hiérarchique. Deux types de liant sont étudiés : le ciment CEM 1 42,5 R et le bitume de [NGU 08). Pour les deux types de liant, les agrégats traités ont été décomposés en deux VER : sub-mesoscopique (0/6) et mesoscopique (6/25). Une application à valorisation des MIDND en techniques routières est faite dans les deux cas. Avec un traitement à 3% de ciment, une campagne de simulations numériques "Laboratoire virtuel" a été menée. A l'échelle sub-mesoscopique, des simulations multiaxiales menées sur le VER, ont conduit à l'obtention des paramètres permettant d'alimenter un modèle d'endommagement plastique utilisé à l'échelle mesoscopique pour différents degrés d'hydratation. A l'échelle mesoscopique, les caractéristiques mécaniques de la grave routière traitée au ciment, habituellement déterminées par le biais d'expérimentations, ont été retrouvées. La modélisation développée a ensuite été validée e comparant nos résultats numériques et quelques résultats expérimentaux de [BEC 07]. Avec un traitement à 5% de bitume, des tests de relaxation de contraintes ont été effectués aux deux échelles ct ont permis d'obtenir les propriétés thermo-rhéologiques de la grave de mâchefers traités au bitume : les modules de relaxation sont exprimés sous la forme de séries de Prony à une température de référence de 0 °C ; par ailleurs, les constantes de la loi Williams-Landel-Ferry (WLF) pour décrire le comportement thermo- rhéologiquement simple sont identifiées. Les séries de Prony sont obtenues par l'intermédiaire des modules élastiques normalisés. Les constantes de 1 WLF obtenues sont C 1 = 20 °C-1 ct C2 = 130 °C. La validation des paramètres identifiés a été faite en comparant les réponses du matériau hétérogène de grave-bitume et celles d'un matériau homogène à qui nous avons donné les propriétés identifiées tirées du matériau hétérogène.

For fluid-saturated rocks, comparing ultrasonic measurements (1 MHz) in the laboratory and seismic (100 Hz) or logging (10 kHz) measurements in the field is not straightforward due to dispersion of the bodywave velocities. The frequency-dependent mechanisms involved are wave-induced fluid flows that occur at different scales. The dispersion and the attenuation of the elastic moduli of four fluid-saturated carbonate rocks have been studied experimentally. The selected limestones were a Lavoux, an intact and thermally cracked Indiana, a Urgonian limestone from Provence (Rustrel), and a presalt coquina from offshore Congo. Measurements were done over a large frequency range, by the combination of forced oscillations (10-3 to 102 Hz) and ultrasonic measurements (1 MHz) in a triaxial cell, at various effective pressures. The forced oscillations were either hydrostatic to deduce the bulk modulus, or axial to deduce Young’s modulus and Poisson’s ratio. The measurements were done in dry-, glycerinand water-saturated conditions to investigate the effect of viscosity. For all our samples, the global drainage and the squirt-flow mechanisms were characterized experimentally, in terms of amplitude of dispersion, amount of viscoelastic attenuation, and cut-off frequencies. Biot- Gassmann’s theory was found to be valid at seismic frequencies (10-100 Hz) for all the samples except the thermally cracked Indiana. Squirt-flow transitions were observed for all the samples, except the Lavoux. The cut-off frequencies were all in the range of logging frequencies (10 kHz), for watersaturated conditions. A simple model, combining poroelasticity and the noninteraction approximation effective medium, was developed to predict the dispersion of the moduli over the whole frequency range, and was generally in agreement with the experimental results.; Pour les roches saturées, la comparaison entre les mesures ultrasoniques (1 MHz) au laboratoire et les mesures sismiques (100 Hz) ou de diagraphie (10 kHz) sur le terrain n’est pas directe à cause de la dispersion des vitesses des ondes. Les mécanismes impliqués dans la dépendance en fréquence sont les écoulements de fluides à différentes échelles provoqués par le passage de l’onde. La dispersion et l’atténuation des modules élastiques de roches carbonatées ont été étudiées expérimentalement. Les calcaires étudiés sont : un Lavoux, un Indiana intact et craqué thermiquement, un calcaire Urgonien de Provence (Rustrel), et un coquina pré-sel du Congo. Les mesures ont été faites sur une large gamme de fréquence, en combinant les techniques d’oscillations forcées (10-3 to 102 Hz) et ultrasoniques (1 MHz) dans une presse triaxiale, pour différentes pressions effectives. Le forçage peut être hydrostatique pour mesurer un module d’incompressibilité, ou axial pour mesurer le module de Young et le coefficient de Poisson. Pour étudier l’effet de la viscosité, les mesures ont été faites en condition sèche, puis saturée en glycérine et en eau. Le drainage global et le mécanisme d’écoulement crack-pore ont été caractérisés, en termes d’amplitude de dispersion, d’atténuation viscoélastique, et de fréquence de coupure. Pour nos échantillons, la théorie de Biot-Gassmann s’est montrée valide pour les fréquences sismiques (10-100 Hz) sauf pour l’Indiana craqué thermiquement. La dispersion liée à des écoulements crackspores a été observée pour tous les échantillons sauf le Lavoux. Les fréquences de coupures de ceux-ci sont toutes dans la gamme des fréquences des diagraphies (10 kHz) pour des conditions de saturation en eau. Un modèle simple, combinant poroélasticité et milieux effectifs, a été développé pour prédire la dispersion des modules sur toute la gamme de fréquence, et s’est montré généralement en accord avec les résultats expérimentaux.

Ce cours est l'aboutissement de la suite de cours de mécanique des milieux continus (tenseurs, cinématique, équations générales, élasticité), du même auteur. Il est une introduction à la modélisation des comportements inélastiques des matériaux monoconstituants. Comme dans les cours précédents, il n'est fait aucune hypothèse ni sur l'amplitude des déformations, ni sur le champ des températures, ni sur l'isotropie. Les seules hypothèses sont la vision continue de la matière et le cadre de la physique classique. La construction de modèles thermodynamiquement admissibles y est développée de manière rigoureuse. Quelques modèles simples y sont détaillés (viscoélasticité, plasticité, endommagement). avec quelques illustrations numériques.Le but ultime de ce cours est de donner une méthodologie de construction de nouvelles lois de comportement thermodynamiquement admissibles et physiquement sensées.

Repetitive dynamic loads caused by passing trains can damage a railway track, especially at high speeds. The complex multilayer structure of the modern track consists of: stainless steel rails, elastomeric rail pads, concrete sleepers, track ballast and sub-ballast layers. Investigation of the mechanical behaviour of the railway track structure (as the whole and by parts) can have a great importance for the improvement of safety and efficiency of railway transportation.In the present study rail pad and bituminous mixture (BM) sub-ballast layers of a standard ballasted railway track were considered for investigation. These parts of the track were chosen for their similarities in the mechanical behaviour (nonlinearity and energy dissipation) and function (reduction of the dynamic part of load, an influence on the load distribution).The first chapter reviews the main aspects of the mechanical behaviour of elastomeric materials and covers the common theoretical approaches, appropriate for the modelling of this behaviour. The Convolution Integral approach (CI-model) was chosen to represent the mechanical behaviour of a rail pad material as a natural extension of theory of linear viscoelasticity, based on extension of the well-established Boltzmann Superposition Principle.The second chapter is devoted to study of elastomeric material of a rail pad and to numerical modelling of a whole elastomeric rail pad structure subjected to common track loads. Special attention was given to possibility of the model to describe the nonlinearity of the mechanical behaviour and capability of energy dissipation.Sufficient conformity between experimental and numerical results was established on loading part of a Force vs Displacement curve (an error of 1 % was obtained for the stiffness value) for the quasi-static loading, while prediction of the residual compression displacement remains poor, especially in the first loading cycle (2.2% of the macroscopic strain against 0.4% in experiment). The observed discrepancy led to poor prediction of the dissipated energy (an error of 37.5 % was found). Comparison between results of the numerical simulation and in situ experimental measurements has shown that the FE model is capable to describe dynamic behaviour of a rail pad structure to within the error of prediction of the residual compression displacement.Possible ways to simplify the numerical model, discussed in the second chapter, generally lead to high overestimation (2D plain strain and 3D grooveless models) or underestimation (2D plain stress model) of the rail pad mechanical behaviour.The third chapter of the thesis is connected to the study of a BM material, used on a railway track as a sub-ballast layer. Influence of size and volume fraction of monodisperse spherical inclusions, randomly packed into a cubic matrix, on the mechanical behaviour of obtained composite structure were investigated using “Virtual Material” approach. This approach allows numerical study of a theoretical case without losing connection with a real experiment (by means of direct geometrical correspondence). Parameters of 7 specimens were chosen in accordance with Doehlert experimental design.Analysis of “response surfaces” has shown that both F_max and E_% have a strong dependence on the value of V_fr and almost no dependence on the value of D.Stress/strain concentrations were analyzed using FE method on example of V0225-D08 specimen. This allows to find and to visualize load-bearing chains going through the matrix. Von Mises stress in load-bearing chains is almost 8 times higher than the average in the matrix.More complex models (real and numerical) in terms of problem discretization (more than one inclusions’ fraction, different inclusions’ shapes, etc.) can be developed and studied in the similar way. Moreover, the recent progress in additive manufacturing technologies shows potential to create complex heterogeneous specimens with an increased precision., Les voies ferrées sont endommagées par les chargements dynamiques répétés issus du passage des trains, en particulier pour les trains à grandes vitesses. Structures multicouches complexes, ces voies sont constituées : de rails en acier, de semelles en élastomère, des traverses de béton, d’une couche de ballast et d’une sous-couche. L’étude du comportement mécanique d’une voie ferrée (de chaque composant à la structure entière) est donc étroitement liée à l’amélioration de la sécurité ferroviaire, ainsi qu’à l’efficacité de ce mode de transports.Ce travail de thèse se focalise sur l’étude des semelles sous rail et de la sous-couche en grave bitumineuse. Ces deux composants ont été choisis pour leurs similarités en termes de comportement mécanique non linéaire et capacité de dissipation d’énergie. Ce manuscrit est divisé en trois chapitres.Dans le cadre de ce premier chapitre le modèle d’intégrale par convolution (modèle-CI) est choisi pour modéliser le comportement mécanique du matériau élastomère de la semelle. Le modèle-CI est une extension naturelle de la théorie de la viscoélasticité linéaire, car basé sur l'extension du principe de superposition Boltzmann ; la séparation des contraintes proposée par ce modèle, a été observée expérimentalement par de nombreux auteurs.Le deuxième chapitre concerne l’étude du comportement mécanique du matériau élastomérique qui compose les semelles sous-rail et de modélisation pour prédire le comportement non-linéaire et la capacité d'absorption d'énergie d'une structure semelle.Le modèle de comportement (modèle-CI) permet de représenter de façon très fiable la partie chargement de la semelle (erreur de 1 % pour la rigidité). Pour la partie déchargement, la représentation est un peu moins bonne : la déformation résiduelle "numérique" est de 2,2 % alors qu'expérimentalement elle n'est que de 0,4 %, ce qui conduit à une erreur de prédiction sur l'énergie dissipée de 37.5 %. La comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux in-situ montrent que le modèle utilisé permet de décrire assez correctement la réponse de la semelle au passage d'un train dans les limites d’erreur de prédiction de la déformation résiduelle.Ce modèle-CI doit être utilisé sur le modèle géométrique 3D complet de la semelle, les approches simplifiées (2D, semelle sans rainure) conduisent à des prédictions fortement erronées.Le troisième chapitre se focalise sur l’étude du matériau de type asphalte utilisé pour la couche sous-ballast des voies ferrées. Des cubes de “Matériaux Virtuels” ont été réalisés en disposant aléatoirement des inclusions sphériques monodisperses rigides dans un volume de matrice au comportement hyper-élastique. L’influence du diamètre et de la fraction volumique de ces inclusions sur le comportement mécanique d’une structure a été étudiée numériquement et expérimentalement en utilisant un plan d’expérience de type Doehlert. Cette approche de « Matériaux Virtuels » a permis d’avoir une correspondance exacte entre les géométries des spécimens numériques et expérimentaux sur les 7 échantillons testés.L’analyse des surfaces de réponses a montré que les deux paramètres observés F_max et E_% sont fortement corrélés aux valeurs de V_fr. L’influence du diamètre des inclusions, par contre, est très faible.Enfin, les simulations par éléments finis ont permis d’étudier la répartition interne des contraintes et déformations. Les résultats ont été présentés pour l’échantillon V0225-D08 : la chaine d’effort a été visualisée à l’intérieur de la matrice et présente des contraintes de Von Mises jusqu’à 8 fois celles obtenues dans la matrice.Dans l’étude proposée, le diamètre et la forme des inclusions ont été fixés. Il serait intéressant de faire varier ces paramètres en utilisant la même méthodologie. Par ailleurs, les récentes avancées en termes de fabrication additive permettent d’imaginer la construction d’échantillons hétérogènes complexes.

Polymer flooding is one of the most developed chemical enhanced oil recoverymethod that has been used successfully since decades. In this chemical EOR method, thepolymer is adding to a waterflood to decrease its mobility. The resulting increase in viscosityas well as a decrease in aqueous phase permeability improve macroscopic oil sweepefficiency. At the pore scale, viscoelasticity is known to be also a key parameter that controlsthe microscopic sweep efficiency. However this sweep efficiency depends on several factorslike the permeability, temperature, salinity, wettability, capillary number, heterogeneity, etc.Therefore several studies are still necessary to have a better understanding of the behaviourof the polymer inside porous media and to optimize the process.• What is the best moment to inject polymer?• What is the role of wettability in final recovery?• How do viscoelastic effects influence recovery?• What is the role of adsorption of the polymer in the recovery process?In our interest to optimize and to understand polymer flooding process we have analysed thedependence of the sweep efficiency with the moment of the polymer injection duringwaterflooding and wettability (Water wet and intermediate wet). The polymer solution isinjected in the core at different maturity times (0PV, Breakthrough, 1PV, 2PV, 3PV, 4PV and6PV).The main results can be summarized in three points .The results show oil recoveryfinal for water wet corefloods is lower than intermediate wet corefloods. On the other hand, theproduction of oil with the injection of polymer is higher than the injection of water due to afavorable mobility ratio. Finally, the final recovery rates are lower when the polymer injectionis late. These results suggest that the history of sweeping can lead to different distributions ofphases (oil/brine) at the end of the waterflood. The sweep efficiency is related to the ability ofthe polymer to disperse throughout the accessible portal space. We have analysed this aspectfrom the point of view of the diphasic dispersion by showing that the dispersivity of the phasesis different at each time of the water injection. The complementary diphasic dispersionexperiments showed a direct link between dispersivity and the final oil recovery., Une des méthodes de récupération assistée du pétrole les plus utiliséesest l'injection de polymères. L'efficacité de cette méthode est attribuée principalement à laréduction de la mobilité de la phase aqueuse et à la viscoélasticité des polymères. Cetteefficacité dépend de plusieurs paramètres comme la perméabilité, la température, la salinité,l'hétérogénéité, la mouillabilité, le nombre capillaire, etc. De nombreuses connaissances ontété accumulées s’agissant du rôle des polymères dans la récupération du pétrole. Néanmoins,il subsiste encore des questions importantes:• Quel est le meilleur moment pour l’injection de polymère?• Quel rôle joue la mouillabilité dans la récupération ultime de pétrole?• Comment les effets viscoélastiques influencent-ils la récupération?• Quel est le rôle l’adsorption du polymère dans le processus de récupération?Cette thèse, expérimentale, a pour but de fournir des données concernant ledéplacement diphasique (en conditions de mouillabilité intermédiaire et de mouillabilité francheà l’eau) et d’investiguer l’impact réel de la rhéologie sur l’efficacité de déplacement de l’huile.Des injections de polymères sont réalisées à différents stades de précocité (c’est àdire, à différents moments après l’injection d’eau). Les résultats montrent un impact significatifde la précocité du balayage de polymère sur les taux de récupération finale et apparait commeun facteur déterminant à prendre en compte. D’autre part, on observe une récupération plusfaible pour une mouillabilité franche à l’eau que pour une mouillabilité intermédiaire etl’adsorption et la viscoélasticité de la solution de polymère ne sont pas déterminants dans letaux de récupération (dans nos conditions) alors que nos résultats indiquent un changementde mouillabilité durant l’injection de polymère.Des expériences complémentaires de dispersion diphasique ont ensuite mis enévidence un lien direct entre la dispersivité et le taux de récupération final.

In terms of energy saving, drag reduction hasan undeniable interest. In some cases drag reduction with additives can reach 80% compared to pure solvent. This phenomenon has applications in many fields suchas transportation of hydrocarbons and cooling and heating systems. Three systems which have the capacity to selforganizein aqueous or organic media have been studied in order to check their possible ability to reduce hydrodynamic friction.We worked on a polysoap (80C12) based on polystyrene skeleton to which tertiary amines bearing alkyls chains of 12 carbons. This compound formsmicelles in water whose cylindrical shape has been demonstrated by light scattering and Cryo-TEM. The studies of the mass transfer on a rotating disk electrode and the rheological results have showed for the 80C12solutions several characteristics attributed to the dragreducing additives.Rheological studies on the systems lecithin/decane and ionomers/toluene, highlight the viscoelastic properties of the anisotropic associations of these compounds., En termes d’économie d’énergie, la réduction de trainée revêt un intérêt indéniable. Dans certains cas, ce phénomène obtenu grâce à l’ajout dans le milieu de faibles quantités d’additifs peut atteindre une réduction du frottement à la paroi, en régime turbulent, allant jusqu’à 80% comparé au fluide seul. On le retrouve dans divers domaines d’applications telles quele transport des hydrocarbures et dans les circuits d’eau de chauffage et de refroidissement.Trois systèmes qui ont la capacité de s’autoorganiser en milieux aqueux ou organique ont été étudiés dans le but de vérifier leur possible aptitude à réduire le frottement hydrodynamique.On s’est intéressé à un polysavon (80C12) composé d’un squelette polystyrène auquel sont liées des amines tertiaires portant des chaines alkyles de 12 carbones. Ce composé forme des micelles dans l’eau dont la forme cylindrique a été mise en évidence par diffusion de la lumière et Cryo-MET. L’étude du transfert de masse sur une électrode à disque tournant et les résultats rhéologiques ont mis en évidence le caractère viscoélastique qui est responsable duphénomène de réduction de frottement hydrodynamique recherché.Des études rhéologiques réalisés sur les systèmes lécithine/décane et ionomère/toluène ont permis de mettre en évidence le caractère viscoélastique des associations anisotropes de ces composés.

International audience; L’effet de massification automobile qui accompagne les besoins croissants de mobilité terrestre et l’offre de nouvelles infrastructures routières qui soutient de nouvelles demandes rendent les modèles de mobilité actuels de plus en plus difficilement acceptables. En effet, les personnes souffrent de l’inconfort des villes engorgées (nuisances), de l’insécurité lors de transports du fait de défaillances techniques ou humaines, de la très grande difficulté d’optimiser ses itinéraires en fonction des horaires ou circonstances exceptionnelles (accident par exemple). Par ailleurs, la mobilité se heurte toujours aux contraintes liées aux rigidités des infrastructures composées de nœuds, et de contraintes permanentes qui étouffent nos villes.Pour répondre à ces enjeux, la transition vers la mobilité autonome est en marche et l’écosystème véhicules – infrastructures doit évoluer pour désengorger nos villes. Ces nouveaux systèmes de transport sous-tendent une révolution technologique dans le domaine des transports et devront répondre à des préoccupations socio-économiques capitales en étant tout à la fois adaptables, résilients, et évolutifs, coopératifs et acceptables des points de vue économiques, juridiques et sociaux.

Numerical modeling of seismic wave propagation has been a major topic on ground motion studies using a number of different numerical integration schemes. The consideration of soil nonlinearity holds an important place in order to achieve simulations consistent with real observations for strong seismic shaking. Additionally, in the presence of strong ground motion in saturated soils, pore pressure becomes an important parameter to take into account for related phenomena such as flow liquefaction and cyclic mobility. In this study, first, one component (1C) - seismic wave propagation is modeled in linear and nonlinear media in 1D based on the spectral element numerical method. Viscoelastic and nonlinear soil rheologies are implemented by use of the memory variables technique and Iwan’s elastoplastic model, respectively. Then, the same study is extended to a 1D - three component (3C) model and a preliminary comparison on the effect of using 1C and 3C approaches is made. Then, the influence of excess pore pressure development is included in the 1D-3C model and the developped numerical model is applied to realistic case on the site of Wildlife Refuge Liquefaction Array (USA) which is affected by the 1987 Superstition Hills event. The ground motion modification for different assumptions of the soil rheology in the media and different input motions is studied. The calculated motion is found to be amplified on low frequency and damped in high frequency range due to excess pore pressure development. Furthermore, the soil is found to be more nonlinear under triaxial loading in 3C approach and more dilative due to higher nonlinearity. Despite the similitude in surface acceleration and velocity results, significant differences in surface displacement results of 1C and 3C approaches are remarked. Similar analyses are performed on two Japanese sites Kushiro Port and Onahama Port, which are influenced by the 1993 Kushiro-Oki and the 2011 off the Pacific coast of Tohoku earthquakes, respectively. It has been shown that the nonlinearity-related changes are not homogeneous all over the concerned frequency band and the influence of cohesionless soil behavior on wave propagation is highly dependent on model properties and loadingconditions. Lastly, the 2D SEM code is developped by taking into account soil nonlinearity and pore pressure effects similary to 1D-3C SEM code. The developped 2D SEM code is applied to a 2D sedimentary basin site where the basin geometry is asymmetrical and soil profile consists of layers with different nonlinearity properties. Total and effective stress analyses are performed on the 2D basin for P-SV and SH zave propagation models. The calculated surface motion is shown to differ significantly under synthetic and realistic input motion loading conditions and the resultant deformation in superficial layers is found to be very high in effective stress analysis compared to total stress analysis. Also, wave propagation takes longer time inside basin media and the reflections on bedrock-basin boundaries lead the soil in basin edges to higher nonlinearity. This study shows the possibility of modeling nonlinear soil behavior including pore pressure effects in seismic wave propagation studies by coupling different models with spectral element method. These analyses help identifying and understanding dominant phenomena occurring in superficial layers, depending on local conditions and input motions. This is of great importance for site-specific studies, La modélisation numérique de la propagation des ondes sismiques fait partie des études principales sur le calcul du mouvement sismique basées sur de différents schèmes numériques. La prise en compte du comportement nonlinéaire du sol est consideré désormais très important afin de pouvoir calculer la réponse du milieu cohéremment aux observations sous les sollications sismiques très fortes. En plus, le paramètre de pression interstitielle, qui pourrait emmener le sol aux phénomènes de liquéfaction, devient très important pour les sols saturés. Dans cette étude, dans un premier temps, la propagation des ondes sismiques est modelisée sur une composante (1C) dans les milieux linéaires et nonlinéaires en utilisant la méthode numérique des éléments spéctraux. Les rhéologies viscoélastique et nonlinéaire sont implementées par le méthode de technique des variables de mémoire et le modèle élastoplastique d’Iwan, respectivement. Ensuite, le modèle 1D - trois composantes (3C) est développé et une comparaison préalable sur l’effet de la considération des approches 1C et 3C est faite. L’effet de pression interstitielle est implementé dans le code 1D-3C et le site américain Wildlife Refuge Liquefaction Array (WRLA), qui a été frappé par le séisme de Superstition Hills en 1987 est étudié. Le changement de la réponse du sol sous les différents hypothèses de rhéologie du sol et de mouvement d’entrée est étudié. Le mouvement calculé est noté d’être amplifié pour les basses fréquences et atténué pour les hautes fréquences en raison de l’excès de pression interstitielle dans les sols liquéfiables. Par ailleurs, le sol devient plus nonlinéaire sous le chargement triaxial dans l’approche 3C et plus dilatant dû à la nonlinéarite élevée. En dépit de la similitude entre les accélérations et les vitesses en surface des approches 1C et 3C, une importante différence dans le déplacement en surface entre les deux approches est notée. Les analyses sont répétées pour deux sites japonais Kushiro Port et Onahama Port, qui ont été influencés par le séisme de Kushiro-Oki en 1993 et le séisme de la côte Pacifique de Tohoku en 2011, respectivement. Il a été montré que les changements apportés par la nonlinéarite ne sont pas identiques dans toute la gamme de fréquence concernée et l’influence du comportement des sols non-cohésives sur la propagation des ondes sismiques dépend fortement des propriétés du modèle et des conditions de chargement. Dernièrement, le code SEM est avancé en 2D en considerant les mêmes modèles implementés en 1D-3C pour la nonlinéarite du sol et les effets de pression interstitielle. Le code SEM 2D est mis en application dans un modèle de bassin sédimentaire dont la géometrie est assymmétrique et le profile du sol est composé des couches possédant différentes propriétés nonlinéaires. Le modèle est étudié par les analyses totale et effective pour les propagation des ondes P-SV et SH. La differentiation du mouvement calculé en surface est très importante sous les chargements avec les signaux d’entrée synthétique et réel. L’analyse effective résulte en plus de déformations dans les couches superficielles par rapport à l’analyse totale.De plus, la durée de propagation des ondes augmente à l’intérieur du bassin et les reflections aux frontières de bassin-rocher entraînent plus de nonlinéarite dans les coins du bassin. Cette thèse révèle la possibilité de la modélisation du comportement nonlinéaire du sol en prenant en compte l’effet de pression interstitielle dans les études de la propagation des ondes sismiques en couplant les modèles différents avec la méthode des éléments spéctreaux. Ces analyses contribuent à l’identification et la compréhension des phénomènes majeures qui se déroulent dans les couches superficielles en respectant les conditions locales et les mouvements d’entrées, ce quirend ce travail très important pour les études spécifiques de sites

The thesis has been realized within the framework of a partnership between the Cerema (Center for Studies and Expertise on Risks, Environment, Mobility, and Urban and Country Planning) and the ENTPE (National School for Public State Works). This work deals with the study and the simulation of the behavior of bituminous mixtures, in the domains of small and large amplitudes of solicitations. These domains correspond to the viscoelastic and viscoplastic behavior.First a bibliographical review on mechanical properties of the bituminous mixtures under small and large amplitudes of solicitations and a review of the several models describing the viscoelastic and viscoplastic behavior of bituminous mixtures is presented. This thesis is then composed of 5 main chapters.The two first deals with the development of the DBN model and mainly with the introduction of its new version EPPI (Elastic Perfectly Plastic and Isotropic). This formulation aims at describing the viscoelastic and viscoplastic behaviors together in a unique formalism, but simple enough to be implemented in a finite elements calculation program. This version of the DBN model is then implemented in a homogeneous computation code so as to be able to simulate classical experimental test.The two following chapter are devoted to the experimental campaign made during this research work. First a global description of the experimental procedures and test conditions is presented. Two kinds of tests are performed: complex modulus tests so as to characterize the viscoelastic behavior and simple traction tests for viscoplastic behavior. Finally results and observations issued from this campaign are detailed and some conclusions can be drawn.Finally the last chapter deals with the simulations performed thanks to the DBNEPPI model. These results aim at verifying the validity of the model introduced. Then a study about the transient effects during complex modulus tests on bituminous mixtures is detailed.; Cette thèse a été réalisée dans le cadre d’une convention entre le Cerema (Centre d’Etude et d’Expertise sur les Risques, l’Environnement, la Mobilité et l’Aménagement) et l’ENTPE (Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat). Ce travail concerne l’étude et la modélisation du comportement des enrobés bitumineux, dans les domaines des petites et grandes déformations, soit respectivement les comportements viscoélastique et viscoplastique.Après une étude bibliographique portant sur les propriétés mécaniques des enrobés bitumineux en petites et grandes déformations et la présentation des modèles de comportement viscoélastique linéaire et viscoplastique, ce mémoire s’organise en cinq chapitres. Les deux premières parties concernent le développement du modèle DBN, et la description de la version introduite dans cette thèse : la version EPPI (Elastique Parfaitement Plastique Isotrope). Cette formulation tridimensionnelle vise à décrire les comportements viscoélastique et viscoplastique des enrobés bitumineux avec un formalisme unique, suffisamment simple pour être implémenter dans un code de calcul aux éléments finis. Le modèle est ensuite développé et implémenté dans un code de calcul homogène, permettant ainsi de réaliser des simulations d’essais expérimentaux classiques.Les deux chapitres suivants traitent de la campagne expérimentale réalisée dans cette thèse. Il s’agit d’abord de décrire l’ensemble des procédures et conditions d’essais. Deux types d’essais sont réalisés : module complexe pour la caractérisation du comportement viscoélastique et traction simple pour la caractérisation du comportement viscoplastique. Ensuite, l’ensemble des résultats expérimentaux et observations issus de cette campagne sont présentés et permettent de dessiner quelques conclusions.Enfin, le dernier chapitre traite des simulations réalisées à partir du modèle DBNEPPI. Ces résultats permettent dans un premier temps de tester la validité du modèle (essais de module complexe, essais cycliques de traction-compression). Enfin une étude des effets transitoires lors des essais de module complexe est présentée.

The thesis has been realized within the framework of a partnership between the Cerema (Center for Studies and Expertise on Risks, Environment, Mobility, and Urban and Country Planning) and the ENTPE (National School for Public State Works). This work deals with the study and the simulation of the behavior of bituminous mixtures, in the domains of small and large amplitudes of solicitations. These domains correspond to the viscoelastic and viscoplastic behavior.First a bibliographical review on mechanical properties of the bituminous mixtures under small and large amplitudes of solicitations and a review of the several models describing the viscoelastic and viscoplastic behavior of bituminous mixtures is presented. This thesis is then composed of 5 main chapters.The two first deals with the development of the DBN model and mainly with the introduction of its new version EPPI (Elastic Perfectly Plastic and Isotropic). This formulation aims at describing the viscoelastic and viscoplastic behaviors together in a unique formalism, but simple enough to be implemented in a finite elements calculation program. This version of the DBN model is then implemented in a homogeneous computation code so as to be able to simulate classical experimental test.The two following chapter are devoted to the experimental campaign made during this research work. First a global description of the experimental procedures and test conditions is presented. Two kinds of tests are performed: complex modulus tests so as to characterize the viscoelastic behavior and simple traction tests for viscoplastic behavior. Finally results and observations issued from this campaign are detailed and some conclusions can be drawn.Finally the last chapter deals with the simulations performed thanks to the DBNEPPI model. These results aim at verifying the validity of the model introduced. Then a study about the transient effects during complex modulus tests on bituminous mixtures is detailed.; Cette thèse a été réalisée dans le cadre d’une convention entre le Cerema (Centre d’Etude et d’Expertise sur les Risques, l’Environnement, la Mobilité et l’Aménagement) et l’ENTPE (Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat). Ce travail concerne l’étude et la modélisation du comportement des enrobés bitumineux, dans les domaines des petites et grandes déformations, soit respectivement les comportements viscoélastique et viscoplastique.Après une étude bibliographique portant sur les propriétés mécaniques des enrobés bitumineux en petites et grandes déformations et la présentation des modèles de comportement viscoélastique linéaire et viscoplastique, ce mémoire s’organise en cinq chapitres. Les deux premières parties concernent le développement du modèle DBN, et la description de la version introduite dans cette thèse : la version EPPI (Elastique Parfaitement Plastique Isotrope). Cette formulation tridimensionnelle vise à décrire les comportements viscoélastique et viscoplastique des enrobés bitumineux avec un formalisme unique, suffisamment simple pour être implémenter dans un code de calcul aux éléments finis. Le modèle est ensuite développé et implémenté dans un code de calcul homogène, permettant ainsi de réaliser des simulations d’essais expérimentaux classiques.Les deux chapitres suivants traitent de la campagne expérimentale réalisée dans cette thèse. Il s’agit d’abord de décrire l’ensemble des procédures et conditions d’essais. Deux types d’essais sont réalisés : module complexe pour la caractérisation du comportement viscoélastique et traction simple pour la caractérisation du comportement viscoplastique. Ensuite, l’ensemble des résultats expérimentaux et observations issus de cette campagne sont présentés et permettent de dessiner quelques conclusions.Enfin, le dernier chapitre traite des simulations réalisées à partir du modèle DBNEPPI. Ces résultats permettent dans un premier temps de tester la validité du modèle (essais de module complexe, essais cycliques de traction-compression). Enfin une étude des effets transitoires lors des essais de module complexe est présentée.

The developments based on ultrasonic transducers are nowadays numerous in the industrial non-destructive testing (NDT). Used punctually and periodically, the ultrasonic NDT is used for health diagnostics of materials. Ultrasonic characterization in real time allows a physical properties monitoring during the manufacturing of composite materials. In this context, studies are conducted in LOMC in view to optimize the manufacturing process of composite materials using RTM (Resin Transfer Molding) in order to improve the product quality. This work consists to develop ultrasonic methods for the monitoring of viscoelastic properties during the production phase of composites. The viscoelastic properties are studied using theoretical models, numerical simulations and experimental measurements. Calibration studies were carried out to study the influencing factors on the monitoring of ultrasonic properties during the RTM process. The monitoring of viscoelastic parameters of epoxy resins is performed in a first time at low temperature during an isothermal polymerization and a post-curing. Then, an approach based on the transmission mode characterization was developed to study high-temperature behavior. Based on analytical approaches, the electroacoustic response was simulated by Debye series method (DSM). The use of phased array transducers was investigated for the location and sizing of defects during the movement of the carbon fiber in a liquid resin between the molds., Les transducteurs ultrasonores font l'objet de nombreux développements en contrôle non-destructif (CND) industriel. Utilisé ponctuellement et périodiquement, le CND ultrasonore permet d'établir des diagnostics sur la santé des matériaux. La caractérisation ultrasonore en temps réel constitue un outil de surveillance de l'évolution des propriétés physiques lors de la fabrication des matériaux composites. Dans ce contexte, des études sont menées au LOMC pour optimiser le procédé de fabrication des matériaux composites par RTM (Resin Transfer Molding) afin d’améliorer la qualité du produit. Ce travail de thèse consiste à développer des méthodes ultrasonores pour le suivi des propriétés viscoélastiques d’un composite pendant la phase de production. Les propriétés viscoélastiques sont étudiées à l’aide de modèles théoriques, de simulations numériques et de résultats expérimentaux. Des études de calibration ont été menées afin d’étudier les facteurs d’influence sur le suivi de propriétés ultrasonores lors de la mise en oeuvre d’un procédé RTM. Le suivi des paramètres viscoélastiques de résines époxy est effectué dans un premier temps à basse température au cours d'une polymérisation isotherme et d’une post-cuisson. Ensuite, une approche basée sur la méthode de caractérisation en émission/transmission a été développée afin d’étudier le comportement à haute température. La modélisation de la réponse électroacoustique par série de Debye (DSM) a été effectuée en se basant sur des approches analytiques. L’utilisation des transducteurs multiéléments permet la localisation et le dimensionnement de défauts lors du déplacement de fibres de carbone dans une résine liquide, entre des moules.

This thesis deals with the development of solid–shell finite elements for vibration modeling of multilayer structures. Indeed, most of multilayer models in the literature show some limitations in certain geometric and material configurations. Considering these restrictions and in order to develop a more efficient calculation tool, we proposed an approach based on the solid–shell concept. This consists of three-dimensional finite elements enhanced through the Assumed Strain Method. First of all, we have formulated the problem of vibrations of sandwich structures with viscoelastic core. The frequency dependence has been taken into account by using a complex constitutive law. To solve the discretized problem, the Asymptotic Numerical Method, coupled with the homotopy technique and the DIAMANT toolbox approach, was adopted due to the excellent results it provides compared to other methods. Benchmark tests have validated the models and highlighted their advantages over existing elements having the same kinematics. In order to increase damping properties, we directed our attention towards an active vibration control. For this purpose, two piezoelectric finite elements have been developed. These finite elements SHB8PSE and SHB20E are extensions, of the elements SHB8PS and SHB20, respectively. The electromechanical coupling consisted in adding an electrical degree of freedom to each node of these elements. A variety of test problems both in static and vibration analysis conducted on multilayer structures ranging from simple beams to structures involving geometric nonlinearities allowed validating the proposed solid–shell elements. Finally, combining the achievements made in chapters 2 and 3, we proposed a modeling approach for multilayer structures composed of elastic, viscoelastic and piezoelectric layers. Active control is introduced using the piezoelectric properties in order to improve the reduction in vibration amplitudes. Thus, a filter has been mounted between the sensors and actuators. This filter allows amplifying or attenuating the generated electric potential in order to reduce the vibration amplitudes. To solve the resulting problem, we extended the resolution method used in chapter 2. To validate the proposed models, active–passive control tests have been conducted on multilayer plate structures. Finally, some control laws, associated with filters, have shown how this procedure can allow reducing or even avoiding amplification of vibrations; Cette thèse s’intéresse au développement d’éléments finis solide–coques dédiés à la modélisation de structures multicouches sollicitées en vibrations. En effet, la plupart des modèles multicouches dans la littérature présentent des limitations dans certaines configurations géométriques et matérielles. Face à ce constat et dans un souci de proposer un outil moins coûteux en temps de calcul, nous avons proposé une approche basée sur le concept solide–coques. Il s’agit d’éléments finis tridimensionnels dont le comportement a été amélioré par l’Assumed Strain Method. Dans un premier temps, nous avons formulé le problème de vibrations de structures sandwichs à cœur viscoélastique. La dépendance en fréquence a ainsi été prise en compte en utilisant une loi constitutive complexe. Pour résoudre le problème discrétisé, la Méthode Asymptotique Numérique, couplée à l’homotopie, et utilisant l’approche DIAMANT, a été adoptée pour les excellents résultats qu’elle offre par rapport aux autres méthodes. Des tests ont permis de valider les modèles proposés et de montrer l’avantage par rapport aux éléments ayant la même cinématique. Poursuivant nos travaux, et dans un souci d’augmenter l’amortissement, nous nous sommes orientés vers un contrôle actif des vibrations. Pour ce faire, deux éléments finis piézoélectriques ont été formulés. Il s’agit des éléments SHB8PSE et SHB20E qui sont des extensions des éléments finis SHB8PS et SHB20, respectivement. Le couplage électromécanique a consisté en l’ajout d’un degré de liberté à chacun des nœuds des dits éléments. Quelques exemples en statique et en vibrations menés sur des structures multicouches allant de simples poutres aux structures présentant des non-linéarités géométriques ont permis de valider les éléments solide–coques proposés. Pour finir, une synthèse des acquis des chapitres 2 et 3 a permis de proposer une modélisation de structures multicouches comprenant des couches élastiques, viscoélastiques et piézoélectriques. À l’amortissement passif provenant du pouvoir amortissant des matériaux viscoélastiques, on ajoute un contrôle actif qui découle du courant électrique généré au cours de la déformation des couches piézoélectriques. Ainsi, un filtre a été installé entre les capteurs et actionneurs. Ce filtre permet d’amplifier ou d’atténuer le potentiel électrique généré dans le but de réduire les amplitudes de vibrations. Pour résoudre le problème résultant nous avons étendu le solveur utilisé au chapitre 2. Pour valider les modèles proposés, des tests de contrôle actif–passif ont été menés sur des structures plaques multicouches. Enfin, quelques lois de contrôle découlant de filtres ont permis de montrer comment cette procédure permet de réduire ou même d’éviter l’amplification des vibrations

This thesis deals with the development of solid–shell finite elements for vibration modeling of multilayer structures. Indeed, most of multilayer models in the literature show some limitations in certain geometric and material configurations. Considering these restrictions and in order to develop a more efficient calculation tool, we proposed an approach based on the solid–shell concept. This consists of three-dimensional finite elements enhanced through the Assumed Strain Method. First of all, we have formulated the problem of vibrations of sandwich structures with viscoelastic core. The frequency dependence has been taken into account by using a complex constitutive law. To solve the discretized problem, the Asymptotic Numerical Method, coupled with the homotopy technique and the DIAMANT toolbox approach, was adopted due to the excellent results it provides compared to other methods. Benchmark tests have validated the models and highlighted their advantages over existing elements having the same kinematics. In order to increase damping properties, we directed our attention towards an active vibration control. For this purpose, two piezoelectric finite elements have been developed. These finite elements SHB8PSE and SHB20E are extensions, of the elements SHB8PS and SHB20, respectively. The electromechanical coupling consisted in adding an electrical degree of freedom to each node of these elements. A variety of test problems both in static and vibration analysis conducted on multilayer structures ranging from simple beams to structures involving geometric nonlinearities allowed validating the proposed solid–shell elements. Finally, combining the achievements made in chapters 2 and 3, we proposed a modeling approach for multilayer structures composed of elastic, viscoelastic and piezoelectric layers. Active control is introduced using the piezoelectric properties in order to improve the reduction in vibration amplitudes. Thus, a filter has been mounted between the sensors and actuators. This filter allows amplifying or attenuating the generated electric potential in order to reduce the vibration amplitudes. To solve the resulting problem, we extended the resolution method used in chapter 2. To validate the proposed models, active–passive control tests have been conducted on multilayer plate structures. Finally, some control laws, associated with filters, have shown how this procedure can allow reducing or even avoiding amplification of vibrations; Cette thèse s’intéresse au développement d’éléments finis solide–coques dédiés à la modélisation de structures multicouches sollicitées en vibrations. En effet, la plupart des modèles multicouches dans la littérature présentent des limitations dans certaines configurations géométriques et matérielles. Face à ce constat et dans un souci de proposer un outil moins coûteux en temps de calcul, nous avons proposé une approche basée sur le concept solide–coques. Il s’agit d’éléments finis tridimensionnels dont le comportement a été amélioré par l’Assumed Strain Method. Dans un premier temps, nous avons formulé le problème de vibrations de structures sandwichs à cœur viscoélastique. La dépendance en fréquence a ainsi été prise en compte en utilisant une loi constitutive complexe. Pour résoudre le problème discrétisé, la Méthode Asymptotique Numérique, couplée à l’homotopie, et utilisant l’approche DIAMANT, a été adoptée pour les excellents résultats qu’elle offre par rapport aux autres méthodes. Des tests ont permis de valider les modèles proposés et de montrer l’avantage par rapport aux éléments ayant la même cinématique. Poursuivant nos travaux, et dans un souci d’augmenter l’amortissement, nous nous sommes orientés vers un contrôle actif des vibrations. Pour ce faire, deux éléments finis piézoélectriques ont été formulés. Il s’agit des éléments SHB8PSE et SHB20E qui sont des extensions des éléments finis SHB8PS et SHB20, respectivement. Le couplage électromécanique a consisté en l’ajout d’un degré de liberté à chacun des nœuds des dits éléments. Quelques exemples en statique et en vibrations menés sur des structures multicouches allant de simples poutres aux structures présentant des non-linéarités géométriques ont permis de valider les éléments solide–coques proposés. Pour finir, une synthèse des acquis des chapitres 2 et 3 a permis de proposer une modélisation de structures multicouches comprenant des couches élastiques, viscoélastiques et piézoélectriques. À l’amortissement passif provenant du pouvoir amortissant des matériaux viscoélastiques, on ajoute un contrôle actif qui découle du courant électrique généré au cours de la déformation des couches piézoélectriques. Ainsi, un filtre a été installé entre les capteurs et actionneurs. Ce filtre permet d’amplifier ou d’atténuer le potentiel électrique généré dans le but de réduire les amplitudes de vibrations. Pour résoudre le problème résultant nous avons étendu le solveur utilisé au chapitre 2. Pour valider les modèles proposés, des tests de contrôle actif–passif ont été menés sur des structures plaques multicouches. Enfin, quelques lois de contrôle découlant de filtres ont permis de montrer comment cette procédure permet de réduire ou même d’éviter l’amplification des vibrations

This work concerns 3D modeling of hydro-mechanical behavior of wood in general and the silver fir (Abies alba Mill.) in particular with taking account of the couplings between the effects: orthotropie, hydric, elastic, viscoelastic and mechano-sorptive including hydro-lock effect that is a temporary locking of the mechanical strain during a period of drying under stress. This memory is divided into three parts divided into seven chapters. The first part examines the background and the problem of hydro-mechanical behavior of wood. The aspects go from the structure, hygroscopic phenomenon and the effect of swelling/shrinkage, to various aspects of the hydro-mechanical behavior of wood under constant or variable moisture as orthotropie, viscoelasticity and mechano-sorptive effects that is the interaction complex between mechanical loading and moisture variations. The bases for modeling are presented in the second chapter, such as incremental formulation on finite time step to model the 3D orthotropic viscoelastic behavior and interesting mechano-sorptive models of literature. From this literature review, we propose a way to model in this work mechano-sorptive effect as the sum of three elementary effects: irrecoverable mechanosorptive, mechano-sorptive creep and hydro-lock effect. The first and the second effects are modeled by existing models while modeling hygroverrou effect is an original subject in this work. The second part, divided into two chapters, is dedicated to building the 3D model of behavior. The first chapter presents the mathematical developments for the development of an analytical model. This model is based on the assumption partition of the total strain by a sum of six elementary strains: hydric, instant elastic, viscoelastic pure, hydro-lock, irrecoverable mechano-sorptive and mechano-sorptive creep. Variations of these elementary strains are established separately. In particular, the evolution law of the hydro-lock strain constructed on the basis of experimental observations is different in phase of drying and moistening. An auxiliary stress introduced in accordance with thermodynamic principles, solves the problem of recovering the hydro-lock strain in the moistening phase in case with zero or little stress. In parallel, a new rheological model is proposed to model the viscoelastic behavior at variable humidity. This model, equivalent to a generalized Maxwell model and / or a generalized Kelvin-Voigt model, is able to describe the creep as well as relaxation. The second chapter of this part is devoted to the transformation of the analytical model in an incremental form on finite time step. The contribution of each elementary part is established by exact resolutionfrom differential equations or Boltzmann’s integrals. The sum of elementary forms thus obtained leads to the complete model behavior law which is similar to that of an equivalent thermo-elastic behavior. Because of the integration process, the time step calculation is finished but not necessarily small. This property is very important because it significantly reduces the computation time while maintaining very good accuracy. The last part is divided into three chapters. It presents numerical implementation of hydro- mechanical model using the finite element code Cast3m, followed by validation and applications to various classes of problems. The numerical algorithm is organized into independent modules. Elementary procedures are built to perform specific functions; they are called in a specific order by the main program. Model validation is made by comparison between simulated results and experimental data available in tension and bending. The last chapter of the thesis presents applications of solid wood reconstituted silver fir. They show the ability of the model to predict the states of stress and strain in timber structures under mechanical loading and variable humidity., Le présent travail porte sur la modélisation 3D du comportement hydromécanique du bois en général et du sapin blanc en particulier, avec la prise en compte des couplages entre les effets orthotrope, hydrique, élastique, viscoélastique et mécanosorptifs, y compris l’effet hygroverrou qui est un phénomène de blocage temporaire de la déformation en phase de séchage sous contrainte. Ce mémoire est scindé en trois grandes parties découpées en sept chapitres. La première partie examine le contexte et la problématique du comportement hydromécanique du bois. Les aspects traités vont de la structure, du phénomène hygroscopique et de l’effet de retrait/gonflement, aux divers aspects du comportement hydromécanique du bois sous humidité constante ou variable comme l’orthotropie, la viscoélasticité et les effets mécanosorptifs qui traduisent l’interaction complexe entre le chargement mécanique et les variations d’humidité. Les bases pour la modélisation sont présentées dans le deuxième chapitre, telles que la formulation incrémentale à pas de temps fini pour modéliser le comportement viscoélastique orthotrope 3D et les modèles mécanosorptifs intéressants de la littérature. A partir de cette étude bibliographique, on propose une voie pour modéliser dans ce travail l’effet mécanosorptif comme la somme de trois effets élémentaires : effet mécanosorptif irréversible, fluage mécanosorptif et effet hygroverrou. Les deux premiers effets sont modélisés par des modèles existants tandis que la modélisation de l’effet hygroverrou est l’objet d’une démarche originale dans ce travail. La deuxième partie, décomposée en deux chapitres, est consacrée à la construction du modèle de comportement 3D. Le premier chapitre présente les développements mathématiques pour l’élaboration d’un modèle analytique. Ce modèle est basé sur l’hypothèse de partition de la déformation totale en une somme de six déformations élémentaires : hydrique, élastique instantanée, viscoélastique pure, hygroverrou, mécanosorptive irréversible et de fluage mécanosorptif. Les variations de ces déformations élémentaires sont établies de manière séparée. En particulier, la loi d’évolution de la déformation hygroverrou construite sur la base d’observations expérimentales, est différente en phase de séchage et d’humidification. Une contrainte auxiliaire, introduite en respectant les principes thermodynamiques, permet de résoudre le problème de la récupération de la déformation hygroverrou en phase d’humidification en cas de contrainte nulle ou insuffisante. En parallèle, un nouveau modèlerhéologique est également proposé pour modéliser le comportement viscoélastique à humidité variable. Ce modèle, équivalent à un modèle de Maxwell généralisé et/ou à un modèle de Kelvin-Voigt généralisé, est capable de décrire le fluage aussi bien que la relaxation. Le deuxième chapitre de cette partie est consacré à la transformation du modèle analytique en une forme incrémentale à pas de temps fini. La contribution de chaque partie élémentaire est établie par résolution exacte à partir d’équations différentielles ou d’intégrales de Boltzmann. La somme des formes élémentaires ainsi obtenues conduit à la loi de comportement du modèle complet qui est similaire à celle d’un comportement thermo-élastique équivalent. Du fait de la procédure d’intégration, le pas de temps de calcul est fini mais pas nécessairement petit. Cette propriété est très importante car elle permet de réduire considérablement le temps de calcul tout en préservant une très bonne précision. La dernière partie est divisée en trois chapitres. Elle présente la mise en œuvre numérique du modèle hydromécanique à l’aide du code d’éléments finis Cast3m, suivie de la validation et d’applications à diverses classes de problèmes. L’algorithme numérique est organisé en modules indépendants. Des procédures élémentaires sont construites pour réaliser des fonctions spécifiques ; elles sont appelées selon un ordre précis par un programme principal. (...)

This paper presents an investigation into 3D viscoelastic behaviour of bituminous mixture. Complex modulus tests were performed at ENTPE laboratory on cylindrical samples, for three different modes of sinusoidal loading: only tension, only compression and tension–compression. Stress-controlled mode was used for cyclic tension tests and cyclic compression tests whereas cyclic tension–compression tests were conducted in strain-controlled mode. For all loading conditions, the strain amplitude of sinusoidal cyclic loadings is less than 60 µm/m. Complex modulus E * and complex Poisson’s ratio ν * were measured at five temperatures ranging from 1 to 30 °C and at six frequencies ranging from 0.03 to 10 Hz. The results indicated that complex moduli are the same for the three modes of loading for average and low temperatures. Rather small differences were obtained between complex modulus values obtained from the three types of loading for higher temperatures. These differences could be explained by nonlinearity (modulus value depending on strain level) and accumulated strain existing for only tension and only compression type tests. No noticeable differences in complex Poisson’s ratio could be obtained from the three modes of loading.

In the context of passive damping, various mechanical systems from the space, aeronautic or auto-mobile industry use elastomer components (shock absorbers, silent blocks, flexible joints...).These materials have frequency, temperature and amplitude dependentcharacteristics. The associated numerical models may become computationally too expensive during an optimization process.The aim of this work is to propose an efficient reduced model of rubber devices that account for the viscoelastic damping and the non-linear pre-stress in the dampers.The first part of this thesis is about how to include the viscoelasticdamping in the reduced model. It starts by using a viscoelastic constitutive relation, based on experimental identification, within the frame of the finite element method to obtain a numerical model of the rubber dampers. A first efficient reduced model is then derived from this FE model by using an original extension of sub-structuring methods in the case of viscoelastic damping.In the second part, the influence of non-linear static pre-stress overthe dynamic behavior and the dissipation in the dampers is studied. An hyper-visco-elastic constitutive relation, linearized in the neighbourhood of a pre-stressed state, is developed. The sub-structuring methods presented in the first part are then upgraded to account for the damping and the geometrical non-linearities in the dampers. Finally, these 2-node reduced models give access to greatly reduced computation times (50 to 100 times faster) and are easy to use for the engineer., Dans le cadre de l’amortissement passif de structure, les élastomères sont employés dans les industries du transport sous la forme de liaisons amortissantes. Ces matériaux ont un comportement dépendant de la fréquence, de la température et de l’amplitude d’excitation. Les modèles numériques associés peuvent être coûteux en temps de calcul, notamment en phase d’optimisation. Le but de cette thèse est de proposer un modèle réduit efficace de ces liaisons amortissantes, qui prenne en compte la dissipation viscoélastique et les précharges non-linéaires dans les liaisons. La première partie de ce mémoire se concentre sur la représentation de la dissipation par le modèle réduit. Une loi de comportement viscoélastique, basée sur un modèle rhéologique identifié expérimentalement, est utilisée avec la méthode des éléments finis pour obtenir un modèle numérique des liaisons amortissantes. Un premier modèle réduit prédictif, prenant en compte la dissipation en est dérivé en utilisant une extension originale des méthodes de sous-structuration. La deuxième partie traite de l’influence des précharges statiques non-linéaires sur le comportement dynamique et la dissipation dans les liaisons. Pour cela, une loi de comportement hyper-visco-élastique linéarisée autour d’un état précontraint statique non-linéaire est développée. Les méthodes de sous-structuration introduites dans la première partie sont alors enrichies afin de tenir compte de la dissipation et les non-linéarités géométriques dans les liaisons. Finalement, ces modèles réduits à 2 nœuds permettent des gains en temps de calcul d’un facteur 50 à 100 et sont facilement utilisables par l’ingénieur en phase de conception.

Car door and window seals have been proven to be of utmost importance to reduce aerodynamic noise, both through direct transmission and through their role as boundary conditions of the other transmitting elements (car doors and windows). As consequence, their design has become of great relevance when it comes to passenger comfort optimization. However, the traditional method for their conception, based on a trial and error approach through wind-tunnel testing, has been found to be insufficient and costly. A different approach is contemplated in this dissertation, through the development of a model capable of predicting sound transmission through seals and into the vehicle cavity, for its subsequent application into an optimization procedure. Several difficulties arise from the modeling of car door and window seals. Indeed, the door closure imposed on the door seal before any acoustic excitation, as well as the hyperelasticity of the rubber lead to a non-linear deformation behavior. This behavior changes the seal properties (e.g. stiffness) which have to be modeled under acoustic excitation. Additionally, the interaction of the transmitted sound with the vehicle cavity must be taken into account. However, the small, precise geometry of the seal would call for an approach such as FE method, whereas the big dimensions of a vehicle cavity demand a much coarser approach so that the problem doesn’t become unmanageable in size. The solution that is proposed in this dissertation, implies the creation of an hybrid model capable of modeling the seal and the vehicle cavity separately, with the most adequate approach to each case, and coupling them afterward into a single model. As consequence, the hyperelastic and viscoelastic behaviors of the seals, prior to and during the acoustic excitation, are modeled through FE software ABAQUS, whereas an energy method called Méthode Energétique Simplifiée is used for the propagation ´ of the sound from the seal to the rest of the cavity. This method, improved to better suit the requirements of the discussed application, and coupled to the results of the FE model, allows a fast and local computation of the sound pressure level at any point inside the cavity. Finally, some experimental tests are put in place for the validation of the models. The different setups and results are detailed in this dissertation., Les joints de porte et de vitrage des voitures jouent un rôle très important dans la réduction du bruit d’origine aérodynamique, à la fois par transmission directe et de par son rôle en tant que condition limite ees autres éléments transmetteurs (portes et fenêtres). Par conséquent, sa conception est fondamentale pour l’optimisation du confort de passager. Néanmoins, la méthode traditionnelle pour sa conception, basée sur une approche par tâtonnement de tests en soufflerie, est très coûteuse et insuffisante. Une approche différente est envisagée dans ce manuscrit, par la création d’un modèle capable de prédire la transmission du bruit jusqu’`a la cavité du véhicule, qui puisse être appliqué ultérieurement dans une routine d’optimisation. La modélisation des joints de vitrage et des fenêtres fait face à plusieurs difficultés. La fermeture de la porte subie par le joint de porte avant d’être soumis à l’excitation acoustique, ainsi que le comportement hyperélastique du caoutchouc, mènent à des déformations non-linéaires. Ce comportement change les propriétés (telles que la rigidité) du joint comprimé lors qu’il est soumis à l’excitation acoustique. De plus, l’interaction du son transmis par les joints avec la cavité du véhicule doit être prise en compte. Néanmoins, la taille réduite et la géométrie complexe du joint appellent à une approche telle que la méthode EF, tandis que la grande taille de la cavité véhicule nécessite d’une approche plus grossière, pour ne pas aboutir sur un modèle trop lourd. La solution proposée dans ce manuscrit implique la création d’un modèle hybride capable de modéliser le joint et la cavité séparément, avec l’approche la plus adaptée `a chaque cas, et de les coupler dans un seul modèle. Les comportements hyperélastique et viscoélastique des joints, avant et durant l’excitation acoustique, sont modélisés à l’aide du code commercial ABAQUS, tandis qu’une méthode énergétique appelée Méthode Energétique Simplifiée est utilisée pour la propagation ´ du son depuis les joints jusqu’au reste de la cavité. Cette méthode, adaptée aux besoins de l’application souhaitée, et couplée aux résultats du modèle EF, permet l’obtention rapide et locale du niveau de pression acoustique en n’importe quel point de la cavité. Finalement, des campagnes expérimentales sont mises en œuvre pour la validation des modèles. Les mises en place et les résultats sont détaillés dans ce manuscrit.

With increasing focus on downsizing, high performances, low fuel consumption and emission reduction of modern vehicles, turbochargers of combustion engines have become more and more innovative and technological. Leader in this field, Honeywell Turbo Technologies is interested in two major lines of research regarding lubricated contacts. A delay in response time is frequently observed between the gas pedal push and the pressure rise of ambient air at the compressor wheel. It is called turbo lag. This phenomenon is mainly induced by a parasitic frictional torque existing in the thrust bearing contact. Penalizing turbochargers performances and drivability, the reduction of turbo lag constitutes a major concern for the automotive turbocharger industry. As an event constantly occurring on working engines, exhaust gas pulsations represent an essential line of research. Due to successive openings and closings of engine valves, these pulsations result in significant axial load variations applied to the turbocharger thrust bearing. Current sizing of thrust bearing design resting on steady state studies of critical on-engine cases, the influence of exhaust gas pulsations on the thrust bearing behavior needs to be determined. This thesis presents a thermohydrodynamic model of the thrust bearing contact applied to turbochargers. A Modified Reynolds equation is established and uses the Modified Phan-Thien and Tanner model. It connects rheological characteristics of current engine oils to the behavior of long polymeric chain additives they contain. The necessity for fluid inertia and oil recirculation to be considered is demonstrated. The influence of oil elasticity on energy dissipation within the contact is numerically analyzed. A compromise on the extent of oil elasticity can lead to a turbo lag reduction. In addition, a thrust bearing rig is developed to highlight the influence of exhaust gas pulsations on thrust bearing performances. Experimental results support dynamic effects predicted by simulations., En raison de la tendance grandissante du downsizing, des hautes performances, des réductions de la consommation et des émissions des véhicules modernes, la turbocompression des moteurs thermiques s’avère de plus en plus innovante et technologique. Leader dans ce domaine, Honeywell Turbo Technologies s’intéresse à deux axes de recherche majeurs des systèmes lubrifiés. Un délai temporel est couramment observé entre l’appui sur la pédale d’accélérateur et l’augmentation de la pression de l’air ambiant du côté de la roue compresseur. Il s’agit du décalage turbo ou turbo lag. Celui-ci a pour origine principale l’existence d’un couple de frottement parasite au sein de la butée. En ce qu’il pénalise les performances du turbo et limite le confort de conduite, la réduction du turbo lag constitue un enjeu majeur de l’industrie des turbocompresseurs automobiles. En tant que phénomène présent à chaque instant du fonctionnement du véhicule, les pulsations moteurs constituent également un axe de recherche primordial. Celles-ci proviennent des ouvertures et fermetures successives des soupapes des cylindres et résultent en d’importantes variations de la charge axiale appliquée à la butée du turbocompresseur. Or le dimensionnement actuel de la butée se basant sur l’étude stationnaire des cas critiques de la vie réelle du moteur, l’influence de ces pulsations sur le comportement de la butée doit être déterminée. Ce manuscrit présente une modélisation thermohydrodynamique du contact de la butée appliquée au cas des turbocompresseurs. Une équation de Reynolds modifiée est établie et intègre le modèle Modifié de Phan-Thien et Tanner. Elle relie les caractéristiques rhéologiques des huiles de moteurs actuelles au comportement macro-moléculaire des additifs à longues chaînes de polymères qu’elles contiennent. La nécessité de considérer les effets inertiels du fluide ainsi que la recirculation inter-patin est démontrée. L’influence de l’élasticité du lubrifiant sur la dissipation d’énergie au sein du contact est analysée numériquement. Il est montré qu’un compromis sur l’élasticité du lubrifiant peut mener à une réduction du turbo lag. De plus, un banc d’essai est développé en régime transitoire afin de mettre en évidence l’influence des pulsations moteurs sur les performances de la butée. Les résultats obtenus expérimentalement corroborent les effets dynamiques observés par les prédictions numériques.