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Measuring displacement and strain fields at low observable scales in complex microstructures still remains a challenge in experimental mechanics often because of the combination of low definition images with poor texture at this scale. The problem is particularly acute in the case of cellular materials, when imaged by conventional micro-tomographs, for which complex highly non-linear local phenomena can occur. As the validation of numerical models and the identification of mechanical properties of materials must rely on accurate measurements of displacement and strain fields, the design and implementation of robust and faithful image correlation algorithms must be conducted. With cellular materials, the use of digital volume correlation (DVC) faces a paradox: in the absence of markings of exploitable texture on/or in the struts or cell walls, the available speckle will be formed by the material architecture itself. This leads to the inability of classical DVC codes to measure kinematics at the cellular and a fortiori sub-cellular scales, precisely because the interpolation basis of the displacement field cannot account for the complexity of the underlying kinematics, especially when bending or buckling of beams or walls occurs. The objective of the thesis is to develop a DVC technique for the measurement of displacement fields in cellular materials at the scale of their architecture. The proposed solution consists in assisting DVC by a weak elastic regularization using an automatic image-based mechanical model. The proposed method introduces a separation of scales above which DVC is dominant and below which it is assisted by image-based modeling. First, a numerical investigation and comparison of different techniques for building automatically a geometric and mechanical model from tomographic images is conducted. Two particular methods are considered: the finite element method (FEM) and the finite-cell method (FCM). The FCM is a fictitious domain method that consists in immersing the complex geometry in a high order structured grid and does not require meshing. In this context, various discretization parameters appear delicate to choose. In this work, these parameters are adjusted to obtain (a) the best possible accuracy (bounded by pixelation errors) while (b) ensuring minimal complexity. Concerning the ability of the mechanical image-based models to regularize DIC, several virtual experimentations are performed in two-dimensions in order to finely analyze the influence of the introduced regularization lengths for different input mechanical behaviors (elastic, elasto-plastic and geometrically non-linear) and in comparison with ground truth. We show that the method can estimate complex local displacement and strain fields with speckle-free low definition images, even in non-linear regimes such as local buckling. Finally a three-dimensional generalization is performed through the development of a DVC framework. It takes as an input the reconstructed volumes at the different deformation states of the material and constructs automatically the cellular micro-architeture geometry. It considers either an immersed structured B-spline grid of arbitrary order or a finite-element mesh. An experimental evidence is performed by measuring the complex kinematics of a polyurethane foam under compression during an in situ test.; La mesure de champs de déplacement et de déformation aux petites échelles dans des microstructures complexes représente encore un défi majeur dans le monde de la mécanique expérimentale. Ceci est en partie dû aux acquisitions d'images et à la pauvreté de la texture à ces échelles. C'est notamment le cas pour les matériaux cellulaires lorsqu'ils sont imagés avec des micro-tomographes conventionnels et qu'ils peuvent être sujets à des mécanismes de déformation complexes. Comme la validation de modèles numériques et l'identification des propriétés mécaniques de matériaux se base sur des mesures précises de déplacements et de déformations, la conception et l'implémentation d'algorithmes robustes et fiables de corrélation d'images semble nécessaire. Lorsque l'on s'intéresse à l'utilisation de la corrélation d'images volumiques (DVC) pour les matériaux cellulaires, on est confronté à un paradoxe: l'absence de texture à l'échelle du constituant conduit à considérer l'architecture comme marqueur pour la corrélation. Ceci conduit à l'échec des techniques ordinaires de DVC à mesurer des cinématiques aux échelles subcellulaires en lien avec des comportements mécaniques locaux complexes tels que la flexion ou le flambement de travées. L'objectif de cette thèse est la conception d'une technique de DVC pour la mesure de champs de déplacement dans des matériaux cellulaires à l'échelle de leurs architectures. Cette technique assiste la corrélation d'images par une régularisation élastique faible en utilisant un modèle mécanique généré automatiquement et basé sur les images. La méthode suggérée introduit une séparation d'échelles au dessus desquelles la DVC est dominante et en dessous desquelles elle est assistée par le modèle mécanique basé sur l'image. Une première étude numérique consistant à comparer différentes techniques de construction de modèles mécaniques basés sur les images est conduite. L'accent est mis sur deux méthodes de calcul particulières: la méthode des éléments finis (FEM) et la méthode des cellules finies (FCM) qui consiste à immerger la géométrie complexe dans une grille régulière de haut ordre sans utiliser de mailleurs. Si la FCM évite une première phase délicate de discrétisation, plusieurs paramètres restent néanmoins délicats à fixer. Dans ce travail, ces paramètres sont ajustés afin d'obtenir (a) la meilleure précision (bornée par les erreurs de pixellisation) tout en (b) assurant une complexité minimale. Pour l'aspect mesure par corrélation d'images régularisée, plusieurs expérimentations virtuelles à partir de différentes simulations numériques (en élasticité, en plasticité et en non-linéarité géométrique) sont d'abord réalisées afin d'analyser l'influence des paramètres de régularisation introduits. Les erreurs de mesures peuvent dans ce cas être quantifiées à l'aide des solutions de référence éléments finis. La capacité de la méthode à mesurer des cinématiques complexes en absence de texture est démontrée pour des régimes non-linéaires tels que le flambement. Finalement, le travail proposé est généralisé à la corrélation volumique des différents états de déformation du matériau et à la construction automatique de la micro-architecture cellulaire en utilisant soit une grille B-spline d'ordre arbitraire (FCM) soit un maillage éléments finis (FEM). Une mise en évidence expérimentale de l'efficacité et de la justesse de l'approche proposée est effectuée à travers de la mesure de cinématiques complexes dans une mousse polyuréthane sollicitée en compression lors d'un essai in situ.

Measuring displacement and strain fields at low observable scales in complex microstructures still remains a challenge in experimental mechanics often because of the combination of low definition images with poor texture at this scale. The problem is particularly acute in the case of cellular materials, when imaged by conventional micro-tomographs, for which complex highly non-linear local phenomena can occur. As the validation of numerical models and the identification of mechanical properties of materials must rely on accurate measurements of displacement and strain fields, the design and implementation of robust and faithful image correlation algorithms must be conducted. With cellular materials, the use of digital volume correlation (DVC) faces a paradox: in the absence of markings of exploitable texture on/or in the struts or cell walls, the available speckle will be formed by the material architecture itself. This leads to the inability of classical DVC codes to measure kinematics at the cellular and a fortiori sub-cellular scales, precisely because the interpolation basis of the displacement field cannot account for the complexity of the underlying kinematics, especially when bending or buckling of beams or walls occurs. The objective of the thesis is to develop a DVC technique for the measurement of displacement fields in cellular materials at the scale of their architecture. The proposed solution consists in assisting DVC by a weak elastic regularization using an automatic image-based mechanical model. The proposed method introduces a separation of scales above which DVC is dominant and below which it is assisted by image-based modeling. First, a numerical investigation and comparison of different techniques for building automatically a geometric and mechanical model from tomographic images is conducted. Two particular methods are considered: the finite element method (FEM) and the finite-cell method (FCM). The FCM is a fictitious domain method that consists in immersing the complex geometry in a high order structured grid and does not require meshing. In this context, various discretization parameters appear delicate to choose. In this work, these parameters are adjusted to obtain (a) the best possible accuracy (bounded by pixelation errors) while (b) ensuring minimal complexity. Concerning the ability of the mechanical image-based models to regularize DIC, several virtual experimentations are performed in two-dimensions in order to finely analyze the influence of the introduced regularization lengths for different input mechanical behaviors (elastic, elasto-plastic and geometrically non-linear) and in comparison with ground truth. We show that the method can estimate complex local displacement and strain fields with speckle-free low definition images, even in non-linear regimes such as local buckling. Finally a three-dimensional generalization is performed through the development of a DVC framework. It takes as an input the reconstructed volumes at the different deformation states of the material and constructs automatically the cellular micro-architeture geometry. It considers either an immersed structured B-spline grid of arbitrary order or a finite-element mesh. An experimental evidence is performed by measuring the complex kinematics of a polyurethane foam under compression during an in situ test.; La mesure de champs de déplacement et de déformation aux petites échelles dans des microstructures complexes représente encore un défi majeur dans le monde de la mécanique expérimentale. Ceci est en partie dû aux acquisitions d'images et à la pauvreté de la texture à ces échelles. C'est notamment le cas pour les matériaux cellulaires lorsqu'ils sont imagés avec des micro-tomographes conventionnels et qu'ils peuvent être sujets à des mécanismes de déformation complexes. Comme la validation de modèles numériques et l'identification des propriétés mécaniques de matériaux se base sur des mesures précises de déplacements et de déformations, la conception et l'implémentation d'algorithmes robustes et fiables de corrélation d'images semble nécessaire. Lorsque l'on s'intéresse à l'utilisation de la corrélation d'images volumiques (DVC) pour les matériaux cellulaires, on est confronté à un paradoxe: l'absence de texture à l'échelle du constituant conduit à considérer l'architecture comme marqueur pour la corrélation. Ceci conduit à l'échec des techniques ordinaires de DVC à mesurer des cinématiques aux échelles subcellulaires en lien avec des comportements mécaniques locaux complexes tels que la flexion ou le flambement de travées. L'objectif de cette thèse est la conception d'une technique de DVC pour la mesure de champs de déplacement dans des matériaux cellulaires à l'échelle de leurs architectures. Cette technique assiste la corrélation d'images par une régularisation élastique faible en utilisant un modèle mécanique généré automatiquement et basé sur les images. La méthode suggérée introduit une séparation d'échelles au dessus desquelles la DVC est dominante et en dessous desquelles elle est assistée par le modèle mécanique basé sur l'image. Une première étude numérique consistant à comparer différentes techniques de construction de modèles mécaniques basés sur les images est conduite. L'accent est mis sur deux méthodes de calcul particulières: la méthode des éléments finis (FEM) et la méthode des cellules finies (FCM) qui consiste à immerger la géométrie complexe dans une grille régulière de haut ordre sans utiliser de mailleurs. Si la FCM évite une première phase délicate de discrétisation, plusieurs paramètres restent néanmoins délicats à fixer. Dans ce travail, ces paramètres sont ajustés afin d'obtenir (a) la meilleure précision (bornée par les erreurs de pixellisation) tout en (b) assurant une complexité minimale. Pour l'aspect mesure par corrélation d'images régularisée, plusieurs expérimentations virtuelles à partir de différentes simulations numériques (en élasticité, en plasticité et en non-linéarité géométrique) sont d'abord réalisées afin d'analyser l'influence des paramètres de régularisation introduits. Les erreurs de mesures peuvent dans ce cas être quantifiées à l'aide des solutions de référence éléments finis. La capacité de la méthode à mesurer des cinématiques complexes en absence de texture est démontrée pour des régimes non-linéaires tels que le flambement. Finalement, le travail proposé est généralisé à la corrélation volumique des différents états de déformation du matériau et à la construction automatique de la micro-architecture cellulaire en utilisant soit une grille B-spline d'ordre arbitraire (FCM) soit un maillage éléments finis (FEM). Une mise en évidence expérimentale de l'efficacité et de la justesse de l'approche proposée est effectuée à travers de la mesure de cinématiques complexes dans une mousse polyuréthane sollicitée en compression lors d'un essai in situ.

This work deals with the thermomecanical behavior of 3D needle-punched Carbon/Carbon composites (3D-C/C). These high performance materials are widely used for aerospatial applications. Specifically, the investigated material is a multilayer needled-punched carbon prefom densified by a pyrocarbon matrix, that is used for rocket nozzle throat. 3D-C/C display remarkable properties, such as low density, and excellent thermomechanical behavior up to very high temperature. In exchange for this improved properties, 3D-C/C exhibit an intricate multi-scale architecture and a high dependence between its macroscopic mechanical behavior at high temperature, its process parameters and its microstructure.The objective of this study is to link the micro and meso-structural specificities of such materials to their mechanical properties and response at high temperature. The aim is to better understand how damage appear under mechanical loading, from ambient to high temperature. Our approach is twofold. First, to study the damage onset, in-situ tensile tests under X-ray micro-Computed Tomography (µCT) and scanning electron microscope (SEM) have been carried out on dedicated specimens from 25°C up to 1000°C. The tensile strength of the 3D-C/C was found sensitively enhanced with increasing test temperature due to the closure of initial interfacial debonding by thermal expansion. In-situ observations also showed that further damage mainly occurs at the interfaces between plies and needles, and further highlight the significant link between the material architecture and damage. Digital Volume Correlation analyses allowed us to localize the progressive damage development as a function of the load level and the architecture. Then, based on this analysis, a multi-scale finite element (FE) model was developed to simulate the thermo-mechanical behavior of a 3D C/C with a specific attention to the interfacial phenomena. Interfacial behavior was simulated using cohesive zones models combining interfacial damage and friction. At the meso-scale, representative cells were directly obtained from µCT images. The proposed description allowed us to directly compare the damage predicted with the FE simulations to the experimental observations. Simulations, with or without, damage are presented and compared to experimental test results, in order to conclude on the pertinence of including interface damage to adequately represent the mechanical behavior of these 3D-C/C composites., Ce travail porte sur l’étude du comportement thermomécanique des composites Carbone/Carbone 3D (3D C/C), largement utilisés pour des applications aérospatiales et aéronautiques. Le matériau d’étude, employé dans les cols de tuyères de propulsion, est constitué de nappes de fibres carbone stratifiées et aiguilletées dans la direction hors-plan avant d’être densifiées par une matrice en pyrocarbone. Les 3D-C/C sont connus pour leur faible densité et leurs excellentes propriétés mécaniques spécifiques jusqu’à très haute température. La contrepartie de cette performance est leur structure multi-échelle et la nature complexe des relations entre les propriétés macroscopiques et les paramètres d’élaboration.L’objectif est d’apporter une meilleure compréhension du comportement thermomécanique des C/C, tout en tenant compte de la répartition spatiale de ses constituants ainsi que des mécanismes d’endommagement locaux. La démarcheproposée s’articule autour de deux axes.Dans un premier temps, le suivi expérimental du développement d’endommagements au sein du C/C est réalisé à partir d’essais in-situ sous micro-Computed Tomographie (µCT) et microscopie électronique à balayage (MEB) sur des éprouvettes spécifiques de l’ambiante jusqu’à 1000°C. L’application systématique de la corrélation d’images volumiques pour l’analyse de ces essais nous permet de relier le développement progressif des endommagements en fonction du niveau de chargement et de l’architecture textile. D’après les observations in-situ, les principaux endommagements apparaissent aux interfaces à l’échelle mésoscopique, entre plis et aiguilletages.En se basant sur ces analyses, ce travail propose une modélisation éléments-finis (EF) multi-échelle pour simuler le comportement thermomécanique du C/C 3D. Nous nous attardons notamment l’intégration du comportement aux interfaces, simulé à l’aide de zones cohésives combinant endommagement et frottement. À l’échelle mésoscopique, les cellules représentatives sont directement construites à partir des tomographies. La description proposée nous permet de comparer directement les sites endommagés prédits par les simulations EF aux observations expérimentales. Des simulations, prenant en compte ou non le frottement et l’endommagement aux interfaces sont réalisées. Des confrontations essais/calculs sont ensuite proposées, en comparant notamment les sites d’amorçages observés expérimentalement et numériquement. Elles nous permettent de discuter de la pertinence d’intégrer le comportement aux interfaces afin de représenter adéquatement le comportement thermomécanique des composites 3D-C/C.

SiC/SiC ceramic matrix composites are expected to replace super-alloys in aircraft engine hot area. Their 3D-woven structure is designed to match part geometry and loading. The meso-structure includes complex zones, for instance in bend or in junction. A good understanding of the thermo-mechanical behaviour of those zones is needed to model, to design and to certify aeronautical parts.An in-situ thermo-mechanical experiment is set up, instrumented with x-ray tomography and infrared camera. It provides the behaviour of critical zones submitted to multi-axial loadings and, namely, the first occurrences of damage. To efficiently exploit the (huge) amount of data provided by full-field measurement, a procedure is set up to identify material properties. Tomographies are reconstructedthanks to an algorithm which in-paints incomplete sinograms. They are namely used to build an image-based mesh of the sample. After pin-hole model calibration of the camera, the thermal field is re-projected into the mesh. The two measured fields (volume and surface temperature) are then put in a common referential relating to the part. Eventually, the kinematic measurement is made by integrated digital volume correlation coupling those two fields.This procedure closely links material meso-structure to macroscopical behaviour., Dans les zones chaudes de moteur d’avion, les composites à matrice céramique SiC/SiC doivent remplacer les uperalliages. L’armure 3D des SiC/SiC est conçue pour optimiser leur tenue mécanique en service. Elle dépend de la géométrie des pièces et de leurs chargements thermomécaniques. La mésostructure comporte alors des zones complexes, par exemple au niveau de coudes ou de jonctions. Une bonne compréhension du comportement thermomécanique dans ces zones est nécessaire pour modéliser, dimensionner et certifier les pièces aéronautiques.Un essai thermomécanique in situ, suivi par tomographie X et par thermographie infrarouge, a été conçu afin de donner accès au comportement, et notamment aux premiers phénomènes d’endommagement, de zones critiques soumises à des chargements multiaxiaux. Pour exploiter au mieux la grande quantité de données obtenues, une procédure spécifique d’identification des paramètres matériaux a été développée. Les tomographies sont reconstruites grâce à un algorithme restaurant les sinogrammes incomplets. Elles sont notamment utilisées pour construire un maillage basé image de l’éprouvette. Après l’étalonnage du modèle projectif de la caméra infrarouge, le champ thermique est reprojeté surce maillage. Les champs mesurés (volume et température de surface) sont alors exprimés dans une base commune relative à la pièce. La mesure cinématique est enfin effectuée par corrélation d’images volumiques intégrée en couplant ces deux champs.Cette démarche permet de lier intimement la mésostructure du matériau à son comportement macroscopique.

Strengthening and retrofitting techniques are often required for guaranteeing the integrity of Reinforced Concrete (RC) structures to prevent seismic risk. In such a framework, Externally Bonded (EB) FRP strengthening systems have proven their effectiveness in enhancing the flexural performances of structural members both in terms of bearing capacity and ductility. In order to improve the bond in the vicinity of RC joints, embedded anchors represent an attractive solution in terms of both performances and ease of installation. Nevertheless, their mechanical behaviour is often associated with localised deformation mechanisms that can strongly affect the overall structural response. A novel experimental apparatus has therefore been designed in order to carry out in-situ bending tests on small-scale strengthened beams in conjunction with 3D tomography and study the interaction between concrete and anchors. The main goal is to track the evolution of material degradation over the entire loading history by means of Digital Volume Correlation (DVC) and to reconstruct the kinematics of the strengthened region. From a numerical point of view, an enriched finite element model inspired by the Strong Discontinuity Approach (SDA) has been developed with the aim of improving the interface representation. By means of a kinematic enrichment, this strategy allows, on the one hand, to account for complex mechanical behaviours such as pull-out deformation modes and debonding mechanisms, on the other hand, to limit the computational effort. The calibration of the interfacial behaviour is then realised by means of the in-situ experimental results which allow to validate the model in the case of non-linear problems.; Des opérations de renforcement ou réparation sont souvent nécessaires pour garantir l’intégrité des structures en Béton Armé (BA) vis-à-vis du risque sismique. Dans ce cadre, le Polymère Renforcé de Fibres (PRF) stratifié au contact a démontré son efficacité pour améliorer le comportement en flexion des éléments de structures tant en termes de résistance que de ductilité. Afin d’en améliorer la liaison en proximité des jonctions, les ancrages noyés dans le béton représentent une solution avantageuse en termes de performances et de facilité de mise en place. Néanmoins, leur comportement mécanique est fréquemment associé à des mécanismes locaux de déformation qui peuvent affecter la réponse globale de la structure. Un nouveau montage expérimental a été donc conçu pour réaliser des essais de flexion in-situ sur des poutres renforcées de petite échelle avec l’utilisation de la tomographie 3D et étudier l’interaction entre le béton et les ancrages. L’objectif principal est de suivre grâce à la Corrélation d’Images Volumiques (CIV) l’évolution de la dégradation du matériau pendant le chargement et de reconstruire la cinématique de la zone renforcée. D’un point de vue numérique, un modèle éléments finis enrichis inspiré par la Méthode des Discontinuités Fortes (SDA) a été développé dans le but d’améliorer la représentation de l’interface. De cette façon, des comportements mécaniques complexes comme les phénomènes d’arrachement peuvent être facilement reproduits, en limitant en même temps le coût de calcul. La calibration du comportement d’interface est faite enfin grâce aux résultats des essais in-situ qui permettent de valider le modèle dans le cas de problèmes non-linéaires.

Strengthening and retrofitting techniques are often required for guaranteeing the integrity of Reinforced Concrete (RC) structures to prevent seismic risk. In such a framework, Externally Bonded (EB) FRP strengthening systems have proven their effectiveness in enhancing the flexural performances of structural members both in terms of bearing capacity and ductility. In order to improve the bond in the vicinity of RC joints, embedded anchors represent an attractive solution in terms of both performances and ease of installation. Nevertheless, their mechanical behaviour is often associated with localised deformation mechanisms that can strongly affect the overall structural response. A novel experimental apparatus has therefore been designed in order to carry out in-situ bending tests on small-scale strengthened beams in conjunction with 3D tomography and study the interaction between concrete and anchors. The main goal is to track the evolution of material degradation over the entire loading history by means of Digital Volume Correlation (DVC) and to reconstruct the kinematics of the strengthened region. From a numerical point of view, an enriched finite element model inspired by the Strong Discontinuity Approach (SDA) has been developed with the aim of improving the interface representation. By means of a kinematic enrichment, this strategy allows, on the one hand, to account for complex mechanical behaviours such as pull-out deformation modes and debonding mechanisms, on the other hand, to limit the computational effort. The calibration of the interfacial behaviour is then realised by means of the in-situ experimental results which allow to validate the model in the case of non-linear problems.; Des opérations de renforcement ou réparation sont souvent nécessaires pour garantir l’intégrité des structures en Béton Armé (BA) vis-à-vis du risque sismique. Dans ce cadre, le Polymère Renforcé de Fibres (PRF) stratifié au contact a démontré son efficacité pour améliorer le comportement en flexion des éléments de structures tant en termes de résistance que de ductilité. Afin d’en améliorer la liaison en proximité des jonctions, les ancrages noyés dans le béton représentent une solution avantageuse en termes de performances et de facilité de mise en place. Néanmoins, leur comportement mécanique est fréquemment associé à des mécanismes locaux de déformation qui peuvent affecter la réponse globale de la structure. Un nouveau montage expérimental a été donc conçu pour réaliser des essais de flexion in-situ sur des poutres renforcées de petite échelle avec l’utilisation de la tomographie 3D et étudier l’interaction entre le béton et les ancrages. L’objectif principal est de suivre grâce à la Corrélation d’Images Volumiques (CIV) l’évolution de la dégradation du matériau pendant le chargement et de reconstruire la cinématique de la zone renforcée. D’un point de vue numérique, un modèle éléments finis enrichis inspiré par la Méthode des Discontinuités Fortes (SDA) a été développé dans le but d’améliorer la représentation de l’interface. De cette façon, des comportements mécaniques complexes comme les phénomènes d’arrachement peuvent être facilement reproduits, en limitant en même temps le coût de calcul. La calibration du comportement d’interface est faite enfin grâce aux résultats des essais in-situ qui permettent de valider le modèle dans le cas de problèmes non-linéaires.

This study focuses on the microstructural and mechanical characterization of foamed gypsum, the core material of lightweight gypsum boards, with a high (75%) multi-scale porosity. The objective of this work is to determine the influence of the microstructure of foamed gypsum on the hardness measured in spherical indentation and to analyze the damage mechanisms for different microstructures. Spherical indentation tests were conducted on samples showing variations in microstructural features of foamed gypsum. The results of these tests show that density has a first-order influence on hardness and that the dispersion of hardness measurements in spherical indentation can be related to heterogeneity in macroporosity. In situ indentation tests were also carried out, with X-ray tomography and digital volume correlation (DVC) analysis, in order to accurately study the damage mechanisms. Two different modes of damage were determined according to the densities considered (variable macropore fraction). The results of these tests were used to feed an analytical model, based on an energy criterion that links the indentation force to the damaged area under the indenter. This provides the prediction of the indentation force-displacement curve specific to a microstructure with a scan of the initial microstructure as the only input data. Numerical modelling was also carried out using the finite element method with consideration of the actual microstructure, at two scales. The densified areas were properly predicted by different behaviour models based on plasticity criteria., La présente étude porte sur la caractérisation microstructurale et mécanique du gypse moussé, matériau de cœur des plaques de plâtre allégées, présentant une forte porosité (75%) multi-échelle. L'objectif de ce travail est de déterminer l'influence de la microstructure du gypse moussé sur la dureté mesurée en indentation sphérique et d'analyser les mécanismes d'endommagement pour différentes microstructures. Des essais d’indentation sphérique ont été conduits sur des échantillons présentant des variations des différentes caractéristiques microstructurales du gypse moussé. Ces essais montrent que la masse a une influence du premier ordre sur la dureté et que la dispersion des mesures de dureté en indentation sphérique peut être reliée à l’hétérogénéité de la macroporosité. Des essais d'indentation in situ ont également été effectués, avec un suivi en tomographie aux rayons X et une analyse par corrélation d’images volumiques, afin d’étudier avec précision les mécanismes d'endommagement. Deux modes d'endommagement différents ont été déterminés selon les densités considérées (fraction de macropores variable). Les résultats de ces essais ont été utilisés pour alimenter un modèle analytique, basé sur un critère énergétique qui relie la force d'indentation à la zone endommagée sous l’indenteur. Cela permet de prédire la courbe force-déplacement d'indentation propre à une microstructure avec comme seule donnée d'entrée un scan de la microstructure initiale. Une modélisation numérique a également été effectuée grâce à la méthode des éléments finis avec la prise en compte de la microstructure réelle, à deux échelles. L’utilisation de différents modèles de comportement, basés sur des critères de plasticité, a permis de prévoir les régions impactées par la densification.

The mechanical deformation of sedimentary rocks can give rise to the formation of compaction bands which can significantly affect the performance of geosystems. The objective of this thesis is to identify the formation of compaction bands in porous carbonate rocks in laboratory experiments and to propose a constitutive model based on second-gradient plasticity theory to account for the effect of local heterogeneity.Axisymmetric compression tests are combined with X-Ray Computed Tomography observations. Samples are imaged before and after several loading steps and at different confining pressure levels. Digital Volume Correlation technique is applied on consecutive images to build 3D deformation maps at a millimetric gauge length, which permit to identify strain localization zones. A simple method based on kinematic considerations is proposed to classify these zones. Compaction bands have been identified at high confining pressures, pure shear bands are obtained for low confinements whereas compactive shear bands are observed in the transitional regime. In contrast, a diffuse compaction occurs in hydrostatic loading conditions. 3D porosity maps are constructed at some intermediate meso-scale and superimposed on deformation maps. The heterogeneity of porosity is found to control the pattern of compaction bands, as they lay inside high-porosity zones and avoid denser zones. Grain crushing is identified as the main micromechanism of the deformation. Very fine particles fill the pores and induce a porosity reduction. Large pores are observed to remain intact in denser zones, as they are protected by a surrounding rigid lattice of cemented grains. When shear strain is identified in deformation bands, porosity heterogeneity is found to control the volumetric behavior. Along a compactive/pure shear band, some cracks are observed in denser zones, whereas grain crushing and pore filling are observed in the more porous zones. These mechanisms are responsible for a complex co-existence of local contractancy and dilatancy along shear bands.Standard constitutive elastic-plastic laws of homogeneous media are insufficient to model correctly compaction banding, as a zero-thickness band is obtained for rate-independent materials in a Cauchy continuum. To regularize this problem, higher-order continua (micromorphic media) can be considered, where internal lengths in relation with the microstructure are introduced in the constitutive relations. A particular issue of these models is to calibrate the higher-order parameters. In the framework of second-gradient plasticity theory, the yield surface depends on a hardening parameter, related to the plastic strain and its second gradient. The plastic porosity reduction is taken here as the hardening parameter. A calibration procedure of the additional higher-order parameters based on macroscopic mechanical data and the data provided by the X-Ray images is proposed. Once the model is calibrated, a linear stability analysis in axisymmetric triaxial loading is applied to predict the formation of compaction bands. The calibrated model is subsequently implemented in a finite element code, textit{Numerical Geolab}, to perform numerical simulations of the experiments. Numerical results are finally compared to the experimental observations; La déformation des roches sédimentaires peut donner lieu à la formation de bandes de compaction, qui peuvent affecter considérablement le rendement des géosystèmes. L'objectif de cette thèse est d'identifier la formation des bandes de compaction dans les roches carbonatées poreuses à travers des essais de compression triaxiale et de proposer un modèle de comportement basé sur la théorie de plasticité du second-gradient pour prendre en compte l'effet des hétérogénéités locales.Les essais de compression axisymétrique sont combinés avec des observations tomographiques aux rayons X. Les échantillons sont scannés avant et après différents paliers de chargement et sous différents niveaux de pression de confinement. La construction de cartes de déformation 3D en utilisant la technique de corrélation d'images permet d'identifier les zones de localisation de déformation. Une méthode simple basée sur des considérations cinématiques est proposée pour identifier le type de bande de localisation obtenue. Des bandes de compaction sont identifiées sous forts confinements, des bandes de cisaillement pur sont obtenues à des faibles confinements, tandis que des bandes de cisaillement compactant sont observées dans le régime de transition. En revanche, une compaction diffuse a lieu sous chargement isotrope. D'autre part, des cartes de porosité 3D à une certaine méso-échelle intermédiaire sont construites et superposées sur les cartes de déformation. Il est observé que l'hétérogénéité de la porosité contrôle la structure des bandes de compaction qui s'étendent à l'intérieur des zones les plus poreuses et contournent les zones les plus denses. Il est également observé que l'écrasement des grains est le mécanisme dominant à l'échelle microscopique qui accompagne le mode de déformation. Des particules très fines remplissent ainsi les pores et induisent une réduction de la porosité. Dans les zones assez denses, les grands pores protégés par une structure quasi-rigide de grains cimentés restent intacts. Quand la composante de cisaillement est présente dans la bande de localisation, l'hétérogénéité de la porosité contrôle le comportement volumique. Le long d'une bande de cisaillement pur/compactant, des fissures apparaissent dans les zones denses, tandis que des phénomènes d'écrasement de grains et de remplissage des pores sont observés dans les endroits les plus poreux. Ces mécanismes sont responsables d'une coexistence complexe de compaction et de dilatation locales.Les modèles de comportement élasto-plastiques standards pour les milieux homogènes ne permettent pas de modéliser précisément la formation des bandes de compaction, car ils prévoient des bandes de localisation de déformation d'épaisseur nulle. Pour régulariser ce problème, des milieux continus d'ordres supérieurs (micromorphes) peuvent être considérés, où des longueurs internes en relation avec la microstructure sont introduites dans les lois de comportement. Une problématique particulière de ces modèles est la détermination des paramètres d'ordres supérieurs. Dans le cadre de la théorie de plasticité du second-gradient, la surface de charge dépend d'une variable interne d'écrouissage et de son second gradient. L'effondrement plastique de la porosité est considéré ici comme la variable interne. Une procédure de calage des paramètres d'ordres supérieurs supplémentaires basée sur les données mécaniques macroscopiques et les données fournies par les images obtenues par microtomographie aux rayons X est proposée. Une analyse de stabilité linéaire en conditions axisymétriques triaxiales est appliquée pour prévoir la formation des bandes de compaction. Le modèle de comportement est ensuite implémenté dans un logiciel aux éléments finis, Numerical Geolab, afin de réaliser une simulation numérique des essais. Les résultats numériques sont finalement comparés aux observations expérimentales

The mechanical deformation of sedimentary rocks can give rise to the formation of compaction bands which can significantly affect the performance of geosystems. The objective of this thesis is to identify the formation of compaction bands in porous carbonate rocks in laboratory experiments and to propose a constitutive model based on second-gradient plasticity theory to account for the effect of local heterogeneity.Axisymmetric compression tests are combined with X-Ray Computed Tomography observations. Samples are imaged before and after several loading steps and at different confining pressure levels. Digital Volume Correlation technique is applied on consecutive images to build 3D deformation maps at a millimetric gauge length, which permit to identify strain localization zones. A simple method based on kinematic considerations is proposed to classify these zones. Compaction bands have been identified at high confining pressures, pure shear bands are obtained for low confinements whereas compactive shear bands are observed in the transitional regime. In contrast, a diffuse compaction occurs in hydrostatic loading conditions. 3D porosity maps are constructed at some intermediate meso-scale and superimposed on deformation maps. The heterogeneity of porosity is found to control the pattern of compaction bands, as they lay inside high-porosity zones and avoid denser zones. Grain crushing is identified as the main micromechanism of the deformation. Very fine particles fill the pores and induce a porosity reduction. Large pores are observed to remain intact in denser zones, as they are protected by a surrounding rigid lattice of cemented grains. When shear strain is identified in deformation bands, porosity heterogeneity is found to control the volumetric behavior. Along a compactive/pure shear band, some cracks are observed in denser zones, whereas grain crushing and pore filling are observed in the more porous zones. These mechanisms are responsible for a complex co-existence of local contractancy and dilatancy along shear bands.Standard constitutive elastic-plastic laws of homogeneous media are insufficient to model correctly compaction banding, as a zero-thickness band is obtained for rate-independent materials in a Cauchy continuum. To regularize this problem, higher-order continua (micromorphic media) can be considered, where internal lengths in relation with the microstructure are introduced in the constitutive relations. A particular issue of these models is to calibrate the higher-order parameters. In the framework of second-gradient plasticity theory, the yield surface depends on a hardening parameter, related to the plastic strain and its second gradient. The plastic porosity reduction is taken here as the hardening parameter. A calibration procedure of the additional higher-order parameters based on macroscopic mechanical data and the data provided by the X-Ray images is proposed. Once the model is calibrated, a linear stability analysis in axisymmetric triaxial loading is applied to predict the formation of compaction bands. The calibrated model is subsequently implemented in a finite element code, textit{Numerical Geolab}, to perform numerical simulations of the experiments. Numerical results are finally compared to the experimental observations; La déformation des roches sédimentaires peut donner lieu à la formation de bandes de compaction, qui peuvent affecter considérablement le rendement des géosystèmes. L'objectif de cette thèse est d'identifier la formation des bandes de compaction dans les roches carbonatées poreuses à travers des essais de compression triaxiale et de proposer un modèle de comportement basé sur la théorie de plasticité du second-gradient pour prendre en compte l'effet des hétérogénéités locales.Les essais de compression axisymétrique sont combinés avec des observations tomographiques aux rayons X. Les échantillons sont scannés avant et après différents paliers de chargement et sous différents niveaux de pression de confinement. La construction de cartes de déformation 3D en utilisant la technique de corrélation d'images permet d'identifier les zones de localisation de déformation. Une méthode simple basée sur des considérations cinématiques est proposée pour identifier le type de bande de localisation obtenue. Des bandes de compaction sont identifiées sous forts confinements, des bandes de cisaillement pur sont obtenues à des faibles confinements, tandis que des bandes de cisaillement compactant sont observées dans le régime de transition. En revanche, une compaction diffuse a lieu sous chargement isotrope. D'autre part, des cartes de porosité 3D à une certaine méso-échelle intermédiaire sont construites et superposées sur les cartes de déformation. Il est observé que l'hétérogénéité de la porosité contrôle la structure des bandes de compaction qui s'étendent à l'intérieur des zones les plus poreuses et contournent les zones les plus denses. Il est également observé que l'écrasement des grains est le mécanisme dominant à l'échelle microscopique qui accompagne le mode de déformation. Des particules très fines remplissent ainsi les pores et induisent une réduction de la porosité. Dans les zones assez denses, les grands pores protégés par une structure quasi-rigide de grains cimentés restent intacts. Quand la composante de cisaillement est présente dans la bande de localisation, l'hétérogénéité de la porosité contrôle le comportement volumique. Le long d'une bande de cisaillement pur/compactant, des fissures apparaissent dans les zones denses, tandis que des phénomènes d'écrasement de grains et de remplissage des pores sont observés dans les endroits les plus poreux. Ces mécanismes sont responsables d'une coexistence complexe de compaction et de dilatation locales.Les modèles de comportement élasto-plastiques standards pour les milieux homogènes ne permettent pas de modéliser précisément la formation des bandes de compaction, car ils prévoient des bandes de localisation de déformation d'épaisseur nulle. Pour régulariser ce problème, des milieux continus d'ordres supérieurs (micromorphes) peuvent être considérés, où des longueurs internes en relation avec la microstructure sont introduites dans les lois de comportement. Une problématique particulière de ces modèles est la détermination des paramètres d'ordres supérieurs. Dans le cadre de la théorie de plasticité du second-gradient, la surface de charge dépend d'une variable interne d'écrouissage et de son second gradient. L'effondrement plastique de la porosité est considéré ici comme la variable interne. Une procédure de calage des paramètres d'ordres supérieurs supplémentaires basée sur les données mécaniques macroscopiques et les données fournies par les images obtenues par microtomographie aux rayons X est proposée. Une analyse de stabilité linéaire en conditions axisymétriques triaxiales est appliquée pour prévoir la formation des bandes de compaction. Le modèle de comportement est ensuite implémenté dans un logiciel aux éléments finis, Numerical Geolab, afin de réaliser une simulation numérique des essais. Les résultats numériques sont finalement comparés aux observations expérimentales

The development of identification methods of material constitutive equation parameters has become fundamental to completely know the mechanical behavior. Indeed, optical methods, such as Digital Image Correlation, allows to get kinematics quantities of the constitutive equation as vectors fields. But, stresses are usually not available experimentally and one has to identify constitutive equation parameters to compute them. Several methods have been developed and answer to that problematic but most of them suppose the materials as homogeneous. This memoir is about the application of some of these methods, such as the equilibrium gap method (EGM) and the finite element model updating method (FEMU), in the case of heterogeneous materials with complex structures where mechanical properties vary spatially in the volume. The objective is to identify these local mechanical properties which rule the measured kinematics of such materials considering the isotropic linear elasticity. Firstly, both methods are detailed, implemented and compared on 2D simulated cases. The FEMU method is preferred because it is more robust in the presence of noisy data. Based on an iterative process, a parallelisation of the algorithm is achieved in order to reduce the cost of the method. In-plane experiments on polyurethane samples where heterogeneities are controlled have validated the method. Finally, two 3D applications on a polyurethane foam material and a wood-based fibrous composite have demonstrated the interest of this approach to identify local mechanical properties. The highlighting of a relationship between identified local properties and microstructural properties of these materials is made.; Le développement de méthodes d’identification de paramètres de lois de comportement de matériaux est devenu primordial pour avoir accès à la connaissance complète du comportement. En effet, les méthodes de mesure optiques, comme la Corrélation d’Images Numériques, permettent d’obtenir les quantités cinématiques de la relation de comportement sous forme de champs de vecteurs. En revanche, les contraintes ne sont généralement pas mesurables et il est nécessaire d’identifier les paramètres de la loi de comportement du matériau considéré pour y avoir accès. Plusieurs méthodes ont vu le jour et permettent de répondre à cette problématique mais la plupart d’entre elles supposent une homogénéité du matériau. Ce mémoire traite de l’application de certaines de ces méthodes, notamment la méthode de l’écart à l’équilibre (MEQ) et la méthode de recalage de modèle éléments finis (MREF), dans des matériaux hétérogènes à microstructure complexe où les propriétés mécaniques évoluent spatialement dans le volume. L’objectif est d’identifier ces propriétés mécaniques locales qui régissent la cinématique mesurée de tels matériaux dans le cadre de l’élasticité linéaire isotrope. Dans un premier temps, les deux méthodes citées sont décrites, implémentées et comparées sur des cas simulés en 2D. La MREF est préférée à la MEQ car plus robuste vis-à-vis des incertitudes de mesure. Basée sur un formalisme itératif, une parallélisation de l’algorithme a été opérée pour diminuer le coût en temps de la méthode. Des expérimentations dans le plan sur des éprouvettes en polyuréthane où les hétérogénéités sont maîtrisées ont permis de valider la méthode. Enfin, deux applications en 3D sur un matériau en mousse polyuréthane et un composite à base de fibres de bois démontrent l’intérêt d’une telle méthode pour l’identification de propriétés mécaniques locales. La mise en évidence d’une relation entre les propriétés locales identifiées et les propriétés locales de la microstructure de ces matériaux est effectuée.

The development of identification methods of material constitutive equation parameters has become fundamental to completely know the mechanical behavior. Indeed, optical methods, such as Digital Image Correlation, allows to get kinematics quantities of the constitutive equation as vectors fields. But, stresses are usually not available experimentally and one has to identify constitutive equation parameters to compute them. Several methods have been developed and answer to that problematic but most of them suppose the materials as homogeneous. This memoir is about the application of some of these methods, such as the equilibrium gap method (EGM) and the finite element model updating method (FEMU), in the case of heterogeneous materials with complex structures where mechanical properties vary spatially in the volume. The objective is to identify these local mechanical properties which rule the measured kinematics of such materials considering the isotropic linear elasticity. Firstly, both methods are detailed, implemented and compared on 2D simulated cases. The FEMU method is preferred because it is more robust in the presence of noisy data. Based on an iterative process, a parallelisation of the algorithm is achieved in order to reduce the cost of the method. In-plane experiments on polyurethane samples where heterogeneities are controlled have validated the method. Finally, two 3D applications on a polyurethane foam material and a wood-based fibrous composite have demonstrated the interest of this approach to identify local mechanical properties. The highlighting of a relationship between identified local properties and microstructural properties of these materials is made.; Le développement de méthodes d’identification de paramètres de lois de comportement de matériaux est devenu primordial pour avoir accès à la connaissance complète du comportement. En effet, les méthodes de mesure optiques, comme la Corrélation d’Images Numériques, permettent d’obtenir les quantités cinématiques de la relation de comportement sous forme de champs de vecteurs. En revanche, les contraintes ne sont généralement pas mesurables et il est nécessaire d’identifier les paramètres de la loi de comportement du matériau considéré pour y avoir accès. Plusieurs méthodes ont vu le jour et permettent de répondre à cette problématique mais la plupart d’entre elles supposent une homogénéité du matériau. Ce mémoire traite de l’application de certaines de ces méthodes, notamment la méthode de l’écart à l’équilibre (MEQ) et la méthode de recalage de modèle éléments finis (MREF), dans des matériaux hétérogènes à microstructure complexe où les propriétés mécaniques évoluent spatialement dans le volume. L’objectif est d’identifier ces propriétés mécaniques locales qui régissent la cinématique mesurée de tels matériaux dans le cadre de l’élasticité linéaire isotrope. Dans un premier temps, les deux méthodes citées sont décrites, implémentées et comparées sur des cas simulés en 2D. La MREF est préférée à la MEQ car plus robuste vis-à-vis des incertitudes de mesure. Basée sur un formalisme itératif, une parallélisation de l’algorithme a été opérée pour diminuer le coût en temps de la méthode. Des expérimentations dans le plan sur des éprouvettes en polyuréthane où les hétérogénéités sont maîtrisées ont permis de valider la méthode. Enfin, deux applications en 3D sur un matériau en mousse polyuréthane et un composite à base de fibres de bois démontrent l’intérêt d’une telle méthode pour l’identification de propriétés mécaniques locales. La mise en évidence d’une relation entre les propriétés locales identifiées et les propriétés locales de la microstructure de ces matériaux est effectuée.

SiC/SiC composites display excellent thermomechanical properties at high temperatures. They appear as promising candidates to replace metallic alloys in hot parts of aircraft engines to reduce their environmental impact. Thus, to understand and to predict the onset of damage in such materials is critical. An integrated multi-scale approach is developed to construct numerical models that integrate the specificities of the material at the di↵erent relevant scales. This work is twofold : an experimental characterization of the damage, and finite element modeling at the microscopic and mesoscopic scales. In situ tensile tests are carried out under microscopes and X-ray micro-tomography (μCT). Images are analyzed to visualize and quantify the damage mechanisms at scales consistent with the numerical models. Based on these observations, damage calculations are performed at the microscopic scale to simulate the transverse yarns cracking. Virtual tests are then used to identify damage laws at the upper scale and to simulate the first cracks in 3D woven composites at the mesoscopic scale. Through these simulations, we highlight the links between the organization of the material at di↵erent scales and the initiation of the damages. Comparisons between experiments and calculations are finally performed. In particular, the predicted damage events are compared to those obtained experimentally on the same specimen during in situ μCT tensile tests., Les composites SiC/SiC pr´esentent d’excellentes propri´et´es thermom´ecaniques `a hautes temp´eratures. Ils apparaissent donc comme des candidats cr´edibles pour remplacer les alliages m´etalliques dans les zones chaudes de moteurs a´eronautiques civils afin d’en r´eduire l’impact environnemental. Comprendre et pr´evoir l’apparition des premiers endommagements constitue donc un enjeu industriel majeur. La d´emarche multi-´echelle propos´ee permet d’int´egrer dans des mod`eles num´eriques les sp´ecificit´es du mat´eriau. Elle s’articule autour d’une phase exp´erimentale de caract´erisation des endommagements et d’une phase de mod´elisation par ´el´ements finis aux ´echelles microscopique et m´esoscopique. Des essais in situ sous microscopes et sous micro-tomographie X (μCT) sont e↵ectu´es pour visualiser et quantifier les m´ecanismes d’endommagement `a des ´echelles compatibles avec les mod`eles num´eriques. Sur la base des observations exp´erimentales, des calculs d’endommagement sont r´ealis´es `a l’´echelle microscopique afin de simuler la fissuration transverse des torons. Des essais virtuels permettent alors d’identifier des lois d’endommagement `a l’´echelle sup´erieure et de mod´eliser l’apparition des premi`eres fissures dans des textures tiss´ees 3D `a l’´echelle m´esoscopique. Cela permet de mettre en ´evidence les liens entre l’organisation du mat´eriau aux di↵´erentes ´echelles et l’initiation des premiers endommagements. Des confrontations essais/calculs sont finalement propos´ees, en comparant notamment les sites d’amor¸cage des endommagements observ´es exp´erimentalement lors des essais in situ sous μCT avec ceux pr´edits par les simulations.

The quantitative analysis of 3D volumes obtained from tomography allows models to be identified and validated. It consists of a sequence of three successive inverse problems: (i) volume reconstruction (ii) kinematic measurement from Digital Volume Correlation (DVC) and (iii) identification. The required very long acquisition times prevent fast phenomena from being captured.A measurement method, called Projection-based DVC (P-DVC), shortens the previous sequence and identifies the kinematics directly from the projections. The number of radiographs needed for tracking the time evolution of the test is thereby reduced from 500 to 1000 down to 2.This thesis extends this projection-based approach to further reduce the required data, letting faster phenomena be captured and pushing the limits of time resolution. Two main axes were developed:- On the one hand, the use of different spatial and temporal regularizations of the 4D fields (space/time) generalizes the P-DVC approach (with a known reference volume) to the exploitation of a single radiograph per loading step. Thus, the test can be carried out with no interruptions, in a few minutes instead of several days.- On the other hand, the measured motion can be used to correct the reconstructed volume itself. This observation leads to the proposition of a novel procedure for the joint determination of the volume and its kinematics (without prior knowledge) opening up new perspectives for material and medical imaging where sometimes motion cannot be interrupted.end{itemize}The development of these two axes opens up new ways of performing tests, faster and driven to the identification of key quantities of interest. These methods are compatible with the recent ``hardware" developments of fast tomography, both at synchrotron beamlines or laboratory and save several orders of magnitude in acquisition time and radiation dose.; L'analyse quantitative de volumes 3D obtenus par tomographie permet l’identification et la validation de modèles. La séquence d’analyse consiste en trois problèmes inverses successifs : (i) reconstruction des volumes (ii) mesure cinématique par corrélation d'images volumiques (DVC) et (iii) identification. Les très longs temps d’acquisition nécessaires interdisent de capter des phénomènes rapides. Une méthode de mesures, Projection-based Digital Volume Correlation (P-DVC), raccourcit la séquence précédente en identifiant les quantités clés sur les projections. Cette technique réduit jusqu'à 2 le nombre de radiographies utilisées pour le suivi de l’essai au lieu de 500 à 1000. Cette thèse étend cette approche en réduisant la quantité d’informations acquises, rendant ainsi accessibles des phénomènes de plus en plus rapides et repoussant les limites de la résolution temporelle. Deux axes ont ainsi été développés : - d’une part, l'utilisation de différentes régularisations, spatiales et temporelles des champs 4D (espace/temps) mesurés généralise la méthode P-DVC (avec volume de référence) à l'exploitation d’une seule radiographie par étape de chargement. L’essai peut désormais être réalisé de façon continue, en quelques minutes au lieu de plusieurs jours; - d’autre part, la mesure du mouvement peut être utilisée pour corriger le volume reconstruit lui-même. Cette observation conduit à proposer une nouvelle procédure de co-détermination du volume et de sa cinématique (sans prérequis), ce qui ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour l’imagerie des matériaux et médicale où parfois le mouvement ne peut pas être interrompu. Le développement de ces deux axes permet d’envisager de nouvelles façons de réaliser les essais, plus rapides et plus centrés sur l’identification de quantités clés. Ces méthodes sont compatibles avec les récents développements « instrumentaux » de la tomographie rapide en synchrotron ou laboratoire, et permettent de réduire de plusieurs ordres de grandeurs les temps d’acquisition et les doses de rayonnement.

The quantitative analysis of 3D volumes obtained from tomography allows models to be identified and validated. It consists of a sequence of three successive inverse problems: (i) volume reconstruction (ii) kinematic measurement from Digital Volume Correlation (DVC) and (iii) identification. The required very long acquisition times prevent fast phenomena from being captured.A measurement method, called Projection-based DVC (P-DVC), shortens the previous sequence and identifies the kinematics directly from the projections. The number of radiographs needed for tracking the time evolution of the test is thereby reduced from 500 to 1000 down to 2.This thesis extends this projection-based approach to further reduce the required data, letting faster phenomena be captured and pushing the limits of time resolution. Two main axes were developed:- On the one hand, the use of different spatial and temporal regularizations of the 4D fields (space/time) generalizes the P-DVC approach (with a known reference volume) to the exploitation of a single radiograph per loading step. Thus, the test can be carried out with no interruptions, in a few minutes instead of several days.- On the other hand, the measured motion can be used to correct the reconstructed volume itself. This observation leads to the proposition of a novel procedure for the joint determination of the volume and its kinematics (without prior knowledge) opening up new perspectives for material and medical imaging where sometimes motion cannot be interrupted.end{itemize}The development of these two axes opens up new ways of performing tests, faster and driven to the identification of key quantities of interest. These methods are compatible with the recent ``hardware" developments of fast tomography, both at synchrotron beamlines or laboratory and save several orders of magnitude in acquisition time and radiation dose.; L'analyse quantitative de volumes 3D obtenus par tomographie permet l’identification et la validation de modèles. La séquence d’analyse consiste en trois problèmes inverses successifs : (i) reconstruction des volumes (ii) mesure cinématique par corrélation d'images volumiques (DVC) et (iii) identification. Les très longs temps d’acquisition nécessaires interdisent de capter des phénomènes rapides. Une méthode de mesures, Projection-based Digital Volume Correlation (P-DVC), raccourcit la séquence précédente en identifiant les quantités clés sur les projections. Cette technique réduit jusqu'à 2 le nombre de radiographies utilisées pour le suivi de l’essai au lieu de 500 à 1000. Cette thèse étend cette approche en réduisant la quantité d’informations acquises, rendant ainsi accessibles des phénomènes de plus en plus rapides et repoussant les limites de la résolution temporelle. Deux axes ont ainsi été développés : - d’une part, l'utilisation de différentes régularisations, spatiales et temporelles des champs 4D (espace/temps) mesurés généralise la méthode P-DVC (avec volume de référence) à l'exploitation d’une seule radiographie par étape de chargement. L’essai peut désormais être réalisé de façon continue, en quelques minutes au lieu de plusieurs jours; - d’autre part, la mesure du mouvement peut être utilisée pour corriger le volume reconstruit lui-même. Cette observation conduit à proposer une nouvelle procédure de co-détermination du volume et de sa cinématique (sans prérequis), ce qui ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour l’imagerie des matériaux et médicale où parfois le mouvement ne peut pas être interrompu. Le développement de ces deux axes permet d’envisager de nouvelles façons de réaliser les essais, plus rapides et plus centrés sur l’identification de quantités clés. Ces méthodes sont compatibles avec les récents développements « instrumentaux » de la tomographie rapide en synchrotron ou laboratoire, et permettent de réduire de plusieurs ordres de grandeurs les temps d’acquisition et les doses de rayonnement.

International audience; La variabilité des propriétés du bois ainsi que son hygroscopicité pourraient être un frein à son utilisation dans la construction, même si il peut être considéré comme un matériau de choix dans le contexte environnemental et économique actuel. Il est donc primordial de mieux comprendre les origines physiques du comportement du bois pour être capable d'améliorer la prédiction de ses propriétés, et pouvoir ainsi le rendre plus compétitif par rapport aux autres matériaux de construction. Le comportement hygromécanique du bois, caractérisé par des variations dimensionnelles en présence de variations d'hygrométrie, est particulièrement difficile à prédire, du fait de sa microstructure multi-échelle et de ses interactions complexes avec l'eau. Ce travail vise à comprendre et enrichir les relations entre la microstructure du bois et son comportement hygromécanique, en étudiant l'influence de l'hétérogénéité de au sein du cerne, constitué de bois initial et de bois final dont la structure et les propriétés présentent de nombreuses différences. Les mécanismes de déformation du bois initial, du bois final et du cerne sont étudiés à différentes échelles par corrélation d'images volumiques à partir d'images de microtomographie aux rayons X. Une discussion sur les interactions entre le bois initial et le bois final est réalisée à travers ces résultats et complétée au moyen d'une modélisation par éléments finis.

In the last few decades significant efforts have been made in modeling ductile failure processes resulting in substantial progress. However, the full understanding of ductile failure mechanisms under specific stress states still remains an open question. This is partly due to missing experimental data and validation of models for such loading conditions.In this work, data acquisitions are mainly obtained by using laminography, which makes the imaging of regions of interest in flat samples possible. The use of large (and thin) specimens allows various stress states and engineering-relevant boundary conditions to be generated, which could not be assessed in three dimensions and in-situ at micrometer scales before. Digital Volume Correlation (DVC) is used for measuring displacement fields in the bulk of samples by registering 3D laminography images. Two material classes that are representative of two generic modes of ductile failure have been examined, namely, Al-alloys (failure by instability) and cast iron (failure by void growth and coalescence). The observation of microstructure and strain-damage interactions at micrometer resolution for various specimen geometries and associated levels of stress triaxiality are studied for Al-alloys. Additionally, a combined computational-experimental (DVC-FE) framework is introduced to validate numerical simulations at the microscopic scale for nodular graphite cast iron. Finite Element (FE) simulations, which account for the studied material microstructure, are driven by Dirichlet boundary conditions extracted from DVC measurements.Last, the DVC-FE framework is upgraded to an integrated identification procedure to probe elasto-plastic constitutive law of the cast iron ferritic matrix not only in terms of kinematic fields induced by the random microstructure but also by overall load levels.; Au cours des dernières décennies, des efforts importants ont été menés dans la modélisation des processus de rupture ductile entraînant des progrès substantiels. Cependant, la compréhension complète des mécanismes de rupture ductile dans des états de contraintes spécifiques demeure une question ouverte. Ceci est dû au manque de bases des données expérimentales et à la non validation des modèles pour ces conditions de chargement. Dans ce travail, les acquisitions de données sont principalement obtenues en utilisant la laminographie, ce qui rend possible l'imagerie de régions d'intérêt d'échantillons plats. L'utilisation d'éprouvettes larges (et minces) permet de générer différents états de contraintes et des conditions aux limites pertinentes pour l'ingénierie, qui ne pouvaient pas être évaluées jusqu'à présent en trois dimensions et en essais in-situ à des échelles micrométriques. La corrélation d'images volumiques (DVC) est utilisée pour mesurer les champs de déplacement à l'intérieur des échantillons en acquérant des images de laminographie 3D. Deux classes de matériaux représentatives de deux modes génériques de rupture ductile ont été examinées, à savoir les alliages d'aluminium (rupture par instabilité) et la fonte à graphite sphéroïdal (rupture par croissance de vide et coalescence).L'observation de la microstructure et les interactions déformations-endommagement pour différentes géométries d'échantillons et pour différents niveaux de triaxialité des contraintes associés ont été étudiées pour des alliages d'aluminium à une résolution micrométrique. De plus, un cadre combiné numérique-expérimental (DVC-FE) est introduit pour valider les simulations numériques à l'échelle microscopique pour la fonte à graphite sphéroïdal. Les simulations par éléments finis (FE), qui représentent la microstructure des matériaux étudiés, sont conduites avec des conditions aux limites de Dirichlet extraites des mesures DVC. Enfin, le cadre DVC-FE a été amélioré et utilisé comme une procédure d'identification intégrée pour l'étude du comportement élasto-plastique de la matrice ferritique de la fonte, non seulement en termes de champs cinématiques induits par la microstructure aléatoire, mais aussi avec les niveaux de charge globaux.

The combination of X-Ray Tomography as a 3D nondestructive imaging technic and the digital volume correlation (DVC) which uses two images to measure displacement fields, paved the way to the quantitative exploitation of in situ mechanical testing.This thesis has contributed to broaden the scope of these technics by developing two axes :- On one hand the mechanical regularization which overcomes the lack of microstructural contrast by adding an a priori knowledge of the material’s mechanical behavior. Initially designed for and linear elastic behavior, this strategy has been extended to tests where plastic strain occurs in two directions while preserving the isochoric characteristic of the deformation. This technic has been tested on images of Aluminum plates obtained by laminography to show that localized plastic strain occurs way before plastic damage (i.e. germination and growth of plastic cavities).- On the other hand, from a reconstructed volume, a DVC technic has been developed which measure the kinematic of a sampled on the radios. This strategy allows to reduce greatly the number of necessary projections à each loading step, and therefore to improve greatly the temporal resolution by minimizing acquisition time. This technic has been used on an example of fatigue crack propagation of a cast iron.- At last, the combine use of these two strategies pave the way to appealing perspectives of fast mechanical test with 4D kinematics measurements, where the temporal resolution can be improve by more than two order of magnitude without any loss in the quality of the measure. One can realized that experimental data are redundant, so the validation (or not) of the hypotheses used is obtained at the end of the procedure.These two axes show the gain of using pre-knowledge, either on mechanical behavior, either on the microstructure o the sample, in the resolution of inverse problem for kinematics measurements.; La combinaison de la tomographie à rayons X comme technique d’imagerie 3D non destructive, et de la corrélation d’images numériques (DVC) qui permet de mesurer les champs de déplacements à partir de paires de telles images, a ouvert la voie à l’exploitation quantitative d’expérimentations mécaniques in situ. Cette thèse contribue à élargir le champ d’application de ces techniques en développant deux axes :- d’une part la régularisation mécanique qui permet de pallier le manque de contraste microstructurale en compensant ce déficit par une connaissance a priori sur le comportement mécanique du matériau. Initialement destinée à rendre compte d’un comportement élastique linéaire, nous avons étendu cette stratégie à des essais montrant une propension à la localisation de la déformation plastique dans deux directions tout en préservant le caractère isochore de la transformation. Cette technique a été testée sur des images de laminographie de tôle d’un alliage d’Aluminium pour montrer que la déformation plastique localisée précède très sensiblement l’endommagement plastique (au sens de l’apparition et la croissance de cavités plastiques).- d’autre part, à partir d’un volume de référence reconstruit, nous avons développé une technique de corrélation d’images volumiques qui apprécie la cinématique de l’objet étudié directement sur les projections (radiographies). Cette stratégie permet de diminuer très fortement le nombre de projections nécessaires à chaque instant du chargement, et donc d’augmenter très fortement la résolution temporelle de la technique en minimisant le temps d’acquisition. Cette technique a été utilisée sur un exemple de propagation de fissure de fatigue dans une fonte à graphite sphéroïdal.- enfin l’utilisation conjointe de ces deux stratégies ouvre des perspectives séduisantes d’essais rapides avec suivi cinématique 4D où la résolution temporelle peut être augmentée de plus de deux ordres de grandeur sans compromission sur la qualité de la mesure. Enfin, il est à noter que les données expérimentales restent redondantes, si bien que la validation (ou non) des hypothèses utilisées est naturellement obtenu à l’issue du traitement. Ces deux axes soulignent le bénéfice engendré par l’infusion d’une pré-connaissance, que ce soit sur le comportement mécanique ou sur la microstructure de l’éprouvette, dans la résolution du problème inverse des mesures cinématiques.

The combination of X-Ray Tomography as a 3D nondestructive imaging technic and the digital volume correlation (DVC) which uses two images to measure displacement fields, paved the way to the quantitative exploitation of in situ mechanical testing.This thesis has contributed to broaden the scope of these technics by developing two axes :- On one hand the mechanical regularization which overcomes the lack of microstructural contrast by adding an a priori knowledge of the material’s mechanical behavior. Initially designed for and linear elastic behavior, this strategy has been extended to tests where plastic strain occurs in two directions while preserving the isochoric characteristic of the deformation. This technic has been tested on images of Aluminum plates obtained by laminography to show that localized plastic strain occurs way before plastic damage (i.e. germination and growth of plastic cavities).- On the other hand, from a reconstructed volume, a DVC technic has been developed which measure the kinematic of a sampled on the radios. This strategy allows to reduce greatly the number of necessary projections à each loading step, and therefore to improve greatly the temporal resolution by minimizing acquisition time. This technic has been used on an example of fatigue crack propagation of a cast iron.- At last, the combine use of these two strategies pave the way to appealing perspectives of fast mechanical test with 4D kinematics measurements, where the temporal resolution can be improve by more than two order of magnitude without any loss in the quality of the measure. One can realized that experimental data are redundant, so the validation (or not) of the hypotheses used is obtained at the end of the procedure.These two axes show the gain of using pre-knowledge, either on mechanical behavior, either on the microstructure o the sample, in the resolution of inverse problem for kinematics measurements., La combinaison de la tomographie à rayons X comme technique d’imagerie 3D non destructive, et de la corrélation d’images numériques (DVC) qui permet de mesurer les champs de déplacements à partir de paires de telles images, a ouvert la voie à l’exploitation quantitative d’expérimentations mécaniques in situ. Cette thèse contribue à élargir le champ d’application de ces techniques en développant deux axes :- d’une part la régularisation mécanique qui permet de pallier le manque de contraste microstructurale en compensant ce déficit par une connaissance a priori sur le comportement mécanique du matériau. Initialement destinée à rendre compte d’un comportement élastique linéaire, nous avons étendu cette stratégie à des essais montrant une propension à la localisation de la déformation plastique dans deux directions tout en préservant le caractère isochore de la transformation. Cette technique a été testée sur des images de laminographie de tôle d’un alliage d’Aluminium pour montrer que la déformation plastique localisée précède très sensiblement l’endommagement plastique (au sens de l’apparition et la croissance de cavités plastiques).- d’autre part, à partir d’un volume de référence reconstruit, nous avons développé une technique de corrélation d’images volumiques qui apprécie la cinématique de l’objet étudié directement sur les projections (radiographies). Cette stratégie permet de diminuer très fortement le nombre de projections nécessaires à chaque instant du chargement, et donc d’augmenter très fortement la résolution temporelle de la technique en minimisant le temps d’acquisition. Cette technique a été utilisée sur un exemple de propagation de fissure de fatigue dans une fonte à graphite sphéroïdal.- enfin l’utilisation conjointe de ces deux stratégies ouvre des perspectives séduisantes d’essais rapides avec suivi cinématique 4D où la résolution temporelle peut être augmentée de plus de deux ordres de grandeur sans compromission sur la qualité de la mesure. Enfin, il est à noter que les données expérimentales restent redondantes, si bien que la validation (ou non) des hypothèses utilisées est naturellement obtenu à l’issue du traitement. Ces deux axes soulignent le bénéfice engendré par l’infusion d’une pré-connaissance, que ce soit sur le comportement mécanique ou sur la microstructure de l’éprouvette, dans la résolution du problème inverse des mesures cinématiques.

National audience; Lorsque l'Humidité Relative (HR) varie, le bois se déforme de manière anisotrope à l'échelle macroscopique. Afin d'optimiser l'utilisation du bois dans ses applications et d'améliorer les modèles de prédiction de son comportement hygromécanique, il est nécessaire d'identifier les éléments microstructuraux à chaque échelle qui ont une influence notable.