Ce travail utilise le calcul numérique pour prendre en compte les déformations plastiques en mécanique de la rupture. On peut ainsi vérifier les résultats de Rice concernant l'étendue de la zone plastique, en tenant compte de l'écrouissage. On étudie ensuite des problèmes liés à la propagation des fissures sous chargement monotone d'une part, sous chargement cyclique d'autre part. Dans le troisième chapitre, on vérifie l'estimation théorique de la force due aux singularités en fond de fissures. Ceci permet de mettre en évidence également une réduction de l'ouverture par rapport au cas élastique, qui explique le phénomène de fermeture des bords libres des fissures en fatigue. Un dernier chapitre applique les résultats précédents à la fatigue.

Les mouvements de basse fréquence des protéines, tels qu'on peut les calculer via l'approximation des petits déplacements (approximation harmonique), ressemblent souvent beaucoup à des mouvements fonctionnels, tels qu'on peut les observer par cristallographie des rayons X. Ce résultat semble très robuste puisqu'il a été obtenu, tout d'abord, en partant d'une description des protéines à l'échelle atomique puis, plus récemment, de descriptions à "gros grains" (des modèles de type réseau élastique). S'appuyant sur ce constat, des applications variées ont été proposées, notamment pour faciliter la résolution de structures ou pour améliorer leur qualité (ajustement dans des enveloppes obtenues par cryomicroscopie électronique, remplacement moléculaire...). Ce mémoire est une revue des résultats obtenus, dans laquelle mes contributions sont plus particulièrement mises en avant. Parmi les développements les plus récents, sont évoquées des tentatives de faire le lien entre modèles à l'échelle atomique et modèles à gros grains, ou bien de complexifier ces derniers, en y incluant des termes anharmoniques.

The mechanical and acoustic anisotropy of media is a governing factor in the behaviour of multilayered systems including such media. The understanding of the mechanisms conditioning the dynamic behaviour of multilayered systems is of paramount importance. In particular, the intrinsic anisotropy of poroelastic media presents a potential for the optimal design of systems for multifunctional performances. Indeed, these multilayered systems are bound by stiffness, thermal and acoustic performance constraints in simultaneously. A plane wave method is presented to study the influence of material orientation in the dynamic behaviour of multilayered systems composed of anisotropic poroelastic media. The method is applied to a system composed of an anisotropic open-celled melamine foam core in between two metal sheets. This particular multilayered configuration allows to shed light on phenomena intrinsic to layers composed of anisotropic poroelastic materials, such as the frequency shift of the fundamental resonance of the panel, or the compression-shear coupling effects taking place in the poroelastic core layers. The latter phenomena is of particular importance, as it is evidenced on the unconventional polarisation of waves in anisotropic poroelastic media. Finally, the method is adapted to the optimisation of multilayered systems for acoustic performance. the design variables are consequently the core material orientations with respect to the global coordinate system. The solutions to the optimisation problem are analysed in terms of dynamic behaviour, thus allowing to correlate acoustic performance of the overall structure, and the response of each individual layer. / <p>QC 20161110</p>

L'Interaction Fluide-Structure (IFS) décrit une classe très générale de problème physique, ce qui explique la nécessité de développer une méthode numérique capable de simuler le problème FSI. Pour cette raison, un solveur IFS est développé qui peut traiter un écoulement de fluide incompressible en interaction avec des structures différente: élastique ou rigide. Dans cet aspect, le solveur peut couvrir une large gamme d'applications.La méthode proposée est développée dans le cadre d'une formulation monolithique dans un contexte Eulérien. Cette méthode consiste à considérer un seul maillage et résoudre un seul système d'équations avec des propriétés matérielles différentes. La fonction distance permet de définir la position et l'interface de tous les objets à l'intérieur du domaine et de fournir les propriétés physiques pour chaque sous-domaine. L'adaptation de maillage anisotrope basé sur la variation de la fonction distance est ensuite appliquée pour assurer une capture précise des discontinuités à l'interface fluide-solide.La formulation monolithique est assurée par l'ajout d'un tenseur supplémentaire dans les équations de Navier-Stokes. Ce tenseur provient de la présence de la structure dans le fluide. Le système est résolu en utilisant une méthode élément fini et stabilisé suivant la formulation variationnelle multiéchelle. Cette formulation consiste à décomposer les champs de vitesse et pression en grande et petite échelles. La particularité de l'approche proposée réside dans l'enrichissement du tenseur de l'extra contraint.La première application est la simulation IFS avec un corps rigide. Le corps rigide est décrit en imposant une valeur nul du tenseur des déformations, et le mouvement est obtenu par la résolution du mouvement de corps rigide. Nous évaluons le comportement et la précision de la formulation proposée dans la simulation des exemples 2D et 3D. Les résultats sont comparés avec la littérature et montrent que la méthode développée est stable et précise.La seconde application est la simulation IFS avec un corps élastique. Dans ce cas, une équation supplémentaire est ajoutée au système précédent qui permet de résoudre le champ de déplacement. Et la contrainte de rigidité est remplacée par la loi de comportement du corps élastique. La déformation et le mouvement du corps élastique sont réalisés en résolvant l'équation de convection de la Level-Set. Nous illustrons la flexibilité de la formulation proposée par des exemples 2D. / Numerical simulations of fluid-structure interaction (FSI) are of first interest in numerous industrial problems: aeronautics, heat treatments, aerodynamic, bioengineering... Because of the high complexity of such problems, analytical study is in general not sufficient to understand and solve them. FSI simulations are then nowadays the focus of numerous investigations, and various approaches are proposed to treat them. We propose in this thesis a novel monolithic approach to deal with the interaction between an incompressible fluid flow and rigid/ elastic material. This method consists in considering a single grid and solving one set of equations with different material properties. A distance function enables to define the position and the interface of any objects with complex shapes inside the volume and to provide heterogeneous physical properties for each subdomain. Different anisotropic mesh adaptation algorithms based on the variations of the distance function or on using error estimators are used to ensure an accurate capture of the discontinuities at the fluid-solid interface. The monolithic formulation is insured by adding an extra-stress tensor in the Navier-Stokes equations coming from the presence of the structure in the fluid. The system is then solved using a finite element Variational MultiScale (VMS) method, which consists of decomposition, for both the velocity and the pressure fields, into coarse/resolved scales and fine/unresolved scales. The distinctive feature of the proposed approach resides in the efficient enrichment of the extra constraint. In the first part of the thesis, we use the proposed approach to assess its accuracy and ability to deal with fluid-rigid interaction. The rigid body is prescribed under the constraint of imposing the nullity of the strain tensor, and its movement is achieved by solving the rigid body motion. Several test case, in 2D and 3D with simple and complex geometries are presented. Results are compared with existing ones in the literature showing good stability and accuracy on unstructured and adapted meshes. In the second, we present different routes and an extension of the approach to deal with elastic body. In this case, an additional equation is added to the previous system to solve the displacement field. And the rigidity constraint is replaced with a corresponding behaviour law of the material. The elastic deformation and motion are captured using a convected level-set method. We present several 2D numerical tests, which is considered as classical benchmarks in the literature, and discuss their results.

Ce manuscrit présente les résultats d'expériences illustrant différentes manifestations de la présence de polymères dans un écoulement. Pour chacune d'elles, nous étudions l'interaction entre la structure microscopique et l'écoulement.Lorsqu'une goutte se détache d'un capillaire, la colonne de liquide liant la goutte au capillaire doit se rompre. Pour les liquides simples, l'amincissement suit des lois universelles bien établies. La dynamique de détachement d'une goutte de fluide complexe est très différente. Pour les solutions de polymères, après une phase de décroissance rapide du diamètre de cette colonne, il se forme un long filament cylindrique entre la goutte et le capillaire. Afin de mieux comprendre comment les polymères présents en solution donnent naissance à ce filament, nous avons observé leurs conformations au cours du détachement. Ces observations confirment que l'étirement des polymères est à l'origine du ralentissement du processus de détachement. Cependant, lors de l'amincissement du filament, la distribution des longueurs reste inchangée. Ce résultat inattendu, nous a amené à mettre en place une nouvelle méthode pour estimer la viscosité élongationnelle.D'autres expériences sont présentées, l'une porte sur un effet de déplétion qui apparait lors de l'écoulement confiné d'une solution de polymères, alors que l'autre porte sur l'écoulement instable d'une solution concentrée de polymères dans une conduite rectiligne. / This work considers the interaction between a flow field and the microscopic degrees of a freedom of a polymer solution. Different flow configurations were considered.Droplet pinch off, which occurs when a drop of liquid detaches from a capillary, can be strongly modified in the presence of polymers giving rise to long and slender filaments that thin slowly in time. We here study experimentaly the dynamics of necking and the conformations of polymers during the thinning of the neck. Our results show that the slow down of the thinning dynamics is the result of polymer stretching. Moreover, during the filament thinning, the polymer length distribution remains the same. This result is unexpected and led us to introduce a new method to estimate the extensionnal viscosity which represents the polymer solution resistance to stretching.In a second flow configuration, we have observed that depletion of polymer molecules near a surface occurs when a bead approaches a plate in a polymer solution.

Le comportement mécanique de films minces métalliques déposés sur des substrats souples joue un rôle déterminant dans les performances de l'électronique flexible et des micro- systèmes électromécaniques (MEMS).Dans un premier temps, une nouvelle méthode est présentée pour caractériser le module d'élasticité de films minces submicroniques. Avec deux couches déposées de chaque côté et sur la moitié du substrat polymère, la corrélation d'image numérique (CIN) a été utilisée pour mesurer simultanément la déformation du film et du substrat in situ au cours d'un essai de traction. La différence entre les déformations mesurées sur la partie vierge et le composite permet d'extraire les propriétés élastiques de films minces de manière simple et avec grande précision. Comme attendu, la distribution des déformations est uniforme au travers de l'épaisseur du film ce qui indique une adhésion parfaite entre le film et le substrat. Dans le cas de films minces de tungstène, de chrome, de nickel et de cuivre, les valeurs de module obtenues sont proches de celles des mêmes matériaux à l'état massif.Dans un deuxième temps, une nouvelle méthode expérimentale utilisant une machine de déformation uniaxiale est présentée pour étudier l'effet Bauschinger dans des films minces métalliques déposés sur des substrats étirables. Grâce à un dispositif original, les films minces sont déposés sur des substrats prétendus et peuvent donc être déformés alternativement en tension et en compression dans un large domaine de déformations. La déformation élastique intra granulaire des films minces polycristallins et la déformation macroscopique du substrat sont mesurées in situ par diffraction des rayons X et CIN respectivement. A partir des courbes « déformation élastique – déformation macroscopique », la réponse mécanique de l'ensemble film / substrat est analysée au vu de l'histoire complète du chargement et de la microstructure (contraintes résiduelles, texture) des films minces. / The mechanical behavior of metallic thin films deposited on soft substrates plays a crucial role in the performance of flexible electronics and MicroElectroMechanical Systems (MEMS).At first, a novel method is presented to characterize the in-plane elastic modulus of sub micrometer thin films. With two coating layers bonded symmetrically to half polyimide substrates, Digital Image Correlation (DIC) has been employed to measure time-resolved full-field strain maps of film and substrate during in situ tensile testing. The strain differences between virgin and composite parts allowed to extract the elastic properties of the thin films in a simple way with high precision. As expected, the strain distribution is uniform through the film thickness which indicates a perfect adhesion between the film and the substrate. In the case of tungsten, chromium, nickel and copper films, the values obtained are close to the bulk one.In a second step, a new experimental method using uniaxial tensile testing is presented to study Bauschinger effect in thin metallic films deposited on stretchable substrates. Thanks to our new pre-tensile setup (specific grips), the thin films were deposited on pre-stretched substrates and thus could be deformed alternately in tension and compression within a large strain domain. The elastic intra-granular strain of polycrystalline thin films and true strain of substrates are measured in situ by X-Ray Diffraction (XRD) and DIC. From lattice strain-true strain curves, the mechanical response of copper and nickel /substrate sets is analyzed in view of the complete loading history and the presence of residual stresses and crystallographic texture in thin films.

De nombreux systèmes complexes soumis à un ajout continu d'énergie réagissent à cet ajout par une accumulation de tension au cours du temps, interrompue par de soudaines libérations d'énergie appelées avalanches. Récemment, il a été remarqué que plusieurs propriétés élémentaires de la dynamique d'avalanche sont issues de processus de relaxation ayant lieu à une échelle microscopique, processus qui sont négligés dans la plupart des modèles. Lors de ma thèse, j'ai étudié deux modèles classiques d'avalanches, modifiés par l'ajout d'une forme de relaxation la plus simple possible. Le premier système est une interface viscoélastique tirée à travers un milieu désordonné. En champ moyen, nous prouvons que l'interface a un comportement périodique caractérisé par une nouvelle échelle temporelle (émergente), avec des avalanches qui touchent l'ensemble du système. Le calcul semi-analytique de la force de friction agissant sur la surface donne des résultats compatibles avec les expériences de friction classique. En dimension finie (2D), les événements touchant l'ensemble du système (trouvés en champ moyen) deviennent localisés, et les simulations numériques donnent des résultats en bon accord avec plusieurs caractéristiques importantes des tremblements de terre, tant qualitativement que quantitativement. Le second système incluant également une forme très simple de relaxation est un modèle jouet d'avalanche : c'est la percolation dirigée. Dans notre étude d'une variante non-markovienne de la percolation dirigée, nous avons observé que la classe d'universalité était modifiée mais seulement partiellement. En particulier, un exposant change de valeur tandis que plusieurs relations d'échelle sont préservées. Cette idée d'une classe d'universalité étendue, obtenue par l'ajout d'une perturbation non-markovienne offre des perspectives prometteuses pour notre premier système. / Many complex systems respond to a continuous input of energy by an accumulation of stress over time, interrupted by sudden energy releases called avalanches. Recently, it has been pointed out that several basic features of avalanche dynamics are induced at the microscopic level by relaxation processes, which are neglected by most models. During my thesis, I studied two well-known models of avalanche dynamics, modified minimally by the inclusion of some forms of relaxation. The first system is that of a viscoelastic interface driven in a disordered medium. In mean-field, we prove that the interface has a periodic behaviour (with a new, emerging time scale), with avalanche events that span the whole system. We compute semi-analytically the friction force acting on this surface, and find that it is compatible with classical friction experiments. In finite dimensions (2D), the mean-field system-sized events become local, and numerical simulations give qualitative and quantitative results in good agreement with several important features of real earthquakes. The second system including a minimal form of relaxation consists in a toy model of avalanches: the Directed Percolation process. In our study of a non-Markovian variant of Directed Percolation, we observed that the universality class was modified but not completely. In particular, in the non-Markov case an exponent changes of value while several scaling relations still hold. This picture of an extended universality class obtained by the addition of a non-Markovian perturbation to the dynamics provides promising prospects for our first system.

Ces dernières années, les métamatériaux acoustiques sont largement étudiés pour leur intérêt dans la réalisation de divers types de contrôle des ondes à une échelle sub-longueur d’onde. En particulier, les métasurfaces acoustiques ont montré leur capacité à manipuler des ondes en limites de milieux de propagation via les processus de réflexion, de transmission et de réfraction. Contrairement au régime linéaire qui concerne l’immense majorité des travaux sur les métamatériaux acoustiques, les études sur les propriétés non linéaires des métamatériaux, de surcroit des métasurfaces, restent peu nombreuses, malgré la possibilité de générer des phénomènes acoustiques riches et variés. Les principaux freins au développement des métamatériaux non linéaires sont l'efficacité généralement faible de la réponse non linéaire et le manque de contrôle sur cette non-linéarité. Les travaux de recherche présentés ici ont donc pour objectif de concevoir des architectures de métasurfaces élastiques, permettant un contrôle des ondes acoustiques dans le régime non linéaire. En particulier l’effet de conversion d’une onde fondamentale vers son deuxième harmonique est étudié dans le processus de réflexion et de transmission unidirectionnelle. Cela nécessite le design de la non-linéarité élastique, qui est réalisé à base de modélisations discrètes de systèmes masses-ressorts et d'architectures composées d'éléments tournants. Les métasurfaces ainsi conçues, résonantes et à non-linéarité contrôlée, permettent de générer des effets non linéaires acoustiques inhabituels, potentiellement intéressants pour la manipulation d'ondes acoustiques. / In recent years, acoustic metamaterials have proven to be of great interest for their ability to achieve a variety of wave control at sub-wavelength scale. In particular, acoustic metasurfaces have shown their ability to manipulate waves from the boundaries of propagation media, via the reflection, transmission and refraction processes. Unlike the linear regime which has been extensively investigated in acoustic metamaterials, studies of the nonlinear acoustic properties of metamaterials, especially nonlinear acoustic metasurfaces, are quite scarce, despite the possibility to lead to a rich and diverse set of non-trivial acoustic phenomena. The key limitations in the development of nonlinear acoustic metamaterials are the typically weak efficiency of their nonlinear response together with the lack of control on this nonlinearity. This PhD research is thus dedicated to the design of nonlinear elastic metamaterial and metasurface architectures, enabling acoustic wave control in the nonlinear regime. Specifically, the conversion effect from a fundamental wave to its second harmonic is studied through the one-dimensional scattering process (reflection and transmission) by metasurfaces. This requires the elastic nonlinearity management, realized via the discrete modeling of lumped-element systems and architectures made of rotating units. Such designed metasurfaces, resonating and with harnessed nonlinearity, can create unusual nonlinear acoustic effects, potentially interesting for wave control. This research open the path to a more systematic study of nonlinear acoustic wave manipulation by metamaterials.

Dans le contexte industriel de la mise en forme des matériaux composites à renforts fibreux, l’outil de simulation est devenu partie intégrante de l’amélioration des procédés. Aujourd’hui, les simulations numériques de la mise en forme des renforts fibreux sont pour la plupart basées sur une approche macroscopique et des modèles de matériaux continus dont on suppose que le comportement est non linéaire élastique, donc réversible. Or on sait que sous chargement non-monotones (charges et décharges), les renforts fibreux montrent d’importantes irréversibilités, liées notamment aux glissements entre mèches et entre fibres. La première partie de ce travail consiste à caractériser l’importance des irréversibilités par des tests de charges/décharges à l’échelle macroscopique en différents modes de déformation (flexion, cisaillement, compression) réalisés sur des renforts tissés. La seconde partie consiste à chercher des modèles de comportement qui décrivent l’anélasticité en flexion et en cisaillement et à les implémenter dans un code éléments finis. Une validation de ces modèles obtenus est faite par comparaison simulation-expérimentation des essais d’identification de flexion et de cisaillement plan. Cette partie est réalisée sur le logiciel PlasFib développé par l’INSA de Lyon, un code éléments-finis explicite en grande transformation proposant une approche macroscopique semi-discrète des renforts fibreux. La troisième partie consiste à simuler différents cas de mises en forme inspirées de pièces industrielles pour mettre en évidence les zones du renfort qui subissent des chargements non monotones (en flexion et en cisaillement) lors d’une mise en forme. Cela vise également à étudier l’importance de l’utilisation des modèles irréversibles pour simuler ces mises en forme en comparant les résultats des simulations obtenus avec des modèles de comportement réversibles avec ceux obtenus pour des modèles irréversibles. / In the industrial context of shaping composite materials with fibrous reinforcements, the numerical simulation tool has become an integral part of process improvement. Today, numerical simulations of shaping fibrous reinforcements are mostly based on a macroscopic approach and continuous material models that have been assumed to be nonlinear elastic, thus reversible. However, under non-monotonous loading paths, the fibrous reinforcement shows significant irreversibility, particularly related to sliding between yarns and between fibers. First of all, we will try to characterize the importance of irreversibilities by cyclic tests (bending, in-plan shearing, compression) carried out on woven reinforcements. The second part consists in looking for behavior models that describe bending and in-plane shear irreversibilities to implement them in a finite element code. A validation of these behavior models is made by comparing simulation and experimental results of bending and in-plane shear identification tests. This part is realized on PlasFib, a software developed by INSA Lyon, based on finite element code in large deformation, proposing a macroscopic semi-discrete approach of fibrous reinforcements. The third part of the study will consist in simulating the shaping process of different industrial parts (or inspired by industrial parts). This will aim first at identifying loading cases apt to produce non-monotonous loading paths (in bending and in-plane shear) during the shaping process ; and second, at studying the importance of using irreversible models to simulate these shaping processes by comparing the results of simulations obtained with reversible behavior models with those obtained for irreversible behavior models.

Les matériaux composites à matrice organique sont largement utilisés dans l'industrie des transports et notamment dans le domaine aéronautique. Pour permettre un dimensionnement optimal des structures, il est nécessaire d'étudier le comportement des matériaux CMO sur une large gamme de vitesses et de températures.L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle de comportement et de rupture permettant de prédire la réponse des CMO sur une large gamme de vitesses de sollicitation et de températures. Les recherches se sont intéressées dans un premier temps à la caractérisation de la transition entre les régimes de comportement linéaire et non linéaire du matériau unidirectionnel T700GC/M21 (renforts de fibres de carbone, résine époxy), ainsi qu'à la dépendance de cette transition à la vitesse de sollicitation et à la température. Les travaux se sont ensuite focalisés sur l'étude expérimentale du régime de comportement non linéaire endommageable du T700GC/M21. Enfin, au terme de ces deux étapes, une version améliorée du modèle disponible à l'ONERA pour les composites stratifiés (OPFM) a été proposée, version intégrant un critère de transition linéaire/non linéaire de comportement, et une prise en compte de l'influence de la vitesse de sollicitation et de la température sur la réponse du matériau / Nowadays, organic matrix composite materials are widely used in the transportation industry, and particularly in the aeronautical industry. To provide an optimal dimensioning of the structures, it is necessary to study the mechanical behavior of OMC on a large range of strain rates and temperatures. The aim of this PhD thesis is to propose a behavior and a rupture model to predict the mechanical response of OMC for a large range of strain rates and temperatures. The research was initially focused on the characterization of the transition between the linear and nonlinear behavior of the material T700GC/M21, a carbon / epoxy unidirectional laminate as well as the strain rate and temperature dependencies of this transition. The work was then focused on the experimental study of the nonlinear damaged behavior of the T700GC/M21. Finally, completing these first two steps, an updated version of the behavior model available at ONERA (OPFM) was proposed which includes the transition between linear and nonlinear behavior and the influence of strain rate and temperature on the mechanical response of the material.