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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.