Afin de produire de l’électricité, une éolienne doit s’orienter de manière à être face au vent. Cette rotation est assurée par un système de giration placé entre le mât et la nacelle appelé « yaw ». C’est lors de la phase de yawing que peut apparaître le phénomène de « crissement » à cause du contact frottant entre les garnitures des freins et le disque, l’effort de freinage n’étant pas relâché afin de contrôler la giration de la nacelle. Dans un objectif de réduction voire de suppression du bruit, une démarche scientifique de compréhension du phénomène comprenant un volet structure et un volet matériau a été mise en place, aucune étude sur le sujet n’ayant jamais été réalisée dans le domaine éolien. La première étape de l’étude a consisté en une caractérisation du problème en conditions réelles sur éolienne. Les données collectées complétées par une étude bibliographique élargie ont permis de définir une stratégie d’étude : de manière globale, cette recherche est basée à la fois sur une approche expérimentale et sur une approche numérique. L’accent est mis sur l’influence du matériau de friction : plusieurs matériaux ont été investigués dont l’un correspond à une « amélioration » d’une formulation industrielle initialement relativement « bruyante ». Ces matériaux sont également décrits et caractérisés en termes de propriétés mécaniques et les surfaces frottées sont observées après essai. Au final, cette étude a permis de maitriser et d’identifier certains paramètres influents tels que le rôle des garnitures, amenant de nombreux éléments de compréhension des phénomènes mis en jeu afin d’appréhender des voies d’amélioration pour la réduction du bruit. / In order to produce electricity, a wind turbine needs to be face to the wind. The system allowing its orientation is placed between the tower and the nacelle and is called ‘yaw’. Due to the contact between friction pads and disc during the rotation phases, squeal noise can occur, the braking forces being used to control the nacelle rotation. In the aim of reducing and even suppressing the noise, a scientific approach has been set up to understand the phenomena involved, including the structure and the friction material aspects, no such study has ever been carried on in the wind turbine domain. The first step has consisted in characterizing the problem in real conditions on wind turbines. The collected data and an extended bibliographic study have been used to define a strategy: globally, the study is based both on experimental investigations and numerical simulations. The influence of the friction material has been highlighted: several materials have been investigated, one of them being a “improvement” of a commercial material initially “noisy”. Those friction materials are also described and characterized regarding their mechanical properties and the rubbing surfaces have been observed after tests. In the end, that study has enable to control and identify some influent parameters as the role of the friction pads, bringing a better understanding of the phenomena involved in that squealing noise problematic in order to develop new improvement solutions to reduce noise.

Les contacts frottants sont réputés particulièrement complexes à appréhender en raison des nombreux phénomènes physiques étroitement couplés (mécanique, dynamique, thermique, …), intervenant à différentes échelles (du 3ème corps d’interface à l’échelle du système). L’objectif de ce travail est de franchir un cap dans l’identification des conditions d’occurrence des instabilités de contact, qu’elles soient dynamiques ou thermiques, en introduisant une modélisation du contact frottant permettant de considérer les hétérogénéités de surface. Dans cette thèse, différentes échelles d’hétérogénéités sont prises en compte allant de la structure jusqu’à celle des plateaux de contact. L'ondulation de disque ainsi que l’hétérogénéité lié à la composition des matériaux de friction sont aussi prises en compte dans des études spécifiques. La stratégie optée exploite un modèle élément fini et un modèle semi-analytique « simplifié » permettant de réaliser des études transitoires et des analyses modales complexes d’un système pion-disque simplifié CRISMAT, développé au laboratoire pour les études de crissement. La méthode des maillages incompatibles a été utilisée pour l’aspect multi-échelles de l’étude. Ce travail a permis de proposer une hiérarchie de criticité des différentes hétérogénéités sur les aspects dynamiques notamment. En effet, l’échelle d’influence sur le comportement vibratoire est finalement liée aux différentes longueurs caractéristiques des hétérogénéités. Ceci étant fortement lié à la distribution de pression obtenue à l’interface de contact. Ce travail semble mettre en évidence une échelle critique en dessous de laquelle les hétérogénéités ont très peu d’influence. / Sliding contact is known to be specially complex to understand because of many phenomenon deeply coupled (mechanic, dynamic, thermal, …) occuring at different scales (from the system scale to the third body layer). The aim of this work is to take a new step into the identification of occurrence conditions on contact instabilities (dynamic or thermal) by introducing a sliding contact model permitting to consider surface heterogneneities. In this thesis, differents scales of heterogeneities are considered and goes from the system to the contact plateau scale. The disc ondulation and the heterogeneity due to friction material composition are taken into account in specific studies. The chosen strategy uses a finite element model and a simplified analytical model. These models permit to realise transiant and complex modal analysis of the simplified pin-on-disc system called CRISMAT and developed in the lab for researches linked to squeal noise. An incompatible mesh method is used for multi-scales aspects. This work suggests a hierarchy of differents heterogeneities scales based on dynamic behavior. Indeed, the impact scale on dynamic behavior is link to different characteristic length of heterogeneities. This is strongly linked to contact pressure on the contact layer and seems to show a critical scale under which heterogeneities have a slight impact.

Dans l'industrie automobile, le bruit reste un problème majeur. Le crissement de frein est un bruit moyenne-haute fréquence renforcée par les vibrations du système et par un couplage de modes instable entre les composants. On suppose également que les propriétés du contact entre la plaquette et le disque jouent un rôle. Le but de ce travail est de lier l'apparition du crissement avec les transformations du matériau de friction et de son profil. Trois formulations de matériaux simplifiées sont testées. Ces formulations sont comparées à une plaquette de frein commerciale. Une forte hétérogénéité des propriétés mécaniques et thermiques est constatée. Des essais de bruit sont exécutés sur des systèmes de freins pour comparer les formulations. On note une forte influence de la formulation, de la température et de l'historique de freinage sur les occurrences de crissement. Des essais sur banc ont été réalisés à différents états de frottement: vierge, avant et après une charge thermique élevée, etc. L'originalité de ce travail est d'étudier l'évolution du matériau de friction avec la séquence de freinage et en particulier ses propriétés mécaniques et ses hétérogénéités. Ces propriétés sont considérées à la surface et dans le volume via des tests d'indentation. Il est montré que l'évolution des propriétés est liée à des seuils de dégradation du matériau avec la température atteinte au cours de la séquence de test. L'hétérogénéité et la distribution des propriétés de contact et de volume, implémentés dans le modèle numérique d'un système de freinage simplifié pour analyser la stabilité dynamique, semblent avoir un rôle important dans la stabilité du système. / In the automotive industry, noise is a major problem. Brake squeal is a medium-high frequency noise reinforced by system vibrations and mode lock-in between components. It is assumed the contact properties the pad and the disc play an important role. The aim of this work is to link squeal occurrence with transformations of friction material and profile. Three simplified friction material formulations were tested. These formulations are compared with a commercial brake pad. Significant heterogeneity is observed regarding mechanical and thermal properties. Noise tests are performed on brake systems to compare formulations. A strong influence of formulation, temperature and braking history is observed on squeal occurrence. Following these acoustic tests, additional tests were stopped at different states of friction: at virgin state, before and after a high thermal load, in silent or noisy conditions. The originality of this work is to consider the evolution of the friction material with braking sequence and especially its mechanical properties and their heterogeneities. These properties are separated in two levels: at the surface and onto the volume via indentation tests. It is shown the evolution of the properties is linked to thresholds of material degradation with temperature reached during the test sequence. The heterogeneity and distribution of the volume and contact properties of the material, implemented in a finite element simplified braking system to analyse the dynamic stability, appears to have a significant role in the system stability.

L’acier 55Cr3 est mis en œuvre dans la fabrication des barres stabilisatrices cambrées (BSC) utilisées dans l’industrie automobile. Le procédé consiste en un cintrage à chaud suivi d’un traitement thermique de trempe/revenu. Les barres ainsi mises en forme subissent ensuite un grenaillage de précontrainte avant peinture et livraison au client final. L’objectif de ce travail est de fiabiliser cette fabrication en vue de garantir des performances optimales quelle que soit la provenance de l’acier. Deux lots d’acier de nuance 55Cr3 élaborés respectivement par la filière électrique et la filière fonte ont été caractérisés métallurgiquement et mécaniquement à chaque étape de la fabrication. Les résultats indiquent une légère différence de trempabilité, conduisant à des écarts inférieurs à 5% de la limite élastique à l’issue du revenu. Le nombre de cycles à rupture d’éprouvettes sollicitées en traction uniaxiale et en torsion est bien corrélé avec les limites élastiques, contrairement aux résultats obtenus sur BSC sur banc de fatigue représentatif des sollicitations de service. L’évaluation des contraintes résiduelles par diffraction des rayons X met en évidence une différence de réponse au grenaillage, qui a été reliée à la microstructure initiale, à réception de l’acier. Un modèle numérique de couplage métallo-thermo-mécanique permettant de simuler le formage des BSC et tenant compte des transformations de phase liées à la trempe a été développé. Ce modèle permet de mettre en évidence l’influence des paramètres matériaux, du process et géométriques et de calculer les contraintes résiduelles introduites par l’opération de trempe. Ceci contribue à l’amélioration de la fiabilité. / 55Cr3 steel grade is used for the manufacturing of stabilizer bars in the automotive industry. Steps in the process are hot bending followed by quench and tempering. After such forming, the bars are submitted to shotpeening before painting and final customer delivering. This work aims at improving the manufacturing reliability in order to get the best performance whatever the steel supply.In this purpose, the microstructure and mechanical properties resulting from each step of the manufacturing process have been characterized for two batches of bars made of 55Cr3 steel grade respectively elaborated by blast furnace route and by electric arc furnace route. A slight difference in quenchability has been found, which is responsible for a 5% variation in the yield strength. Samples fatigue tested under uniaxial tensile stress and torsional stress have reached an amount of cycles to failure that is in agreement with the respective yield strength. Different results have been obtained by fatigue testing complete manufactured bars under representative complex service stresses. The determination of residual stresses by X-ray diffraction shows that both steels respond differently to shotpeening, which results from differences in the as-received microstructure.A metallo-thermo-mechanics coupling model based on finite element method has been created which takes into account phase transformations during the quenching process. This model can simulate the forming process of stabilizer bar, in order to analyze the influence of material properties, processing parameters and sample geometry, to calculate the residual stresses induced by the quenching process, and improve process reliability.

L'utilisation des matériaux polymères dans les applications de l'ingénierie augmente de plus en plus da part le monde. L'utilisation du polyéthylène (PE) dans la construction de canalisations est l'un des exemples les plus courant. Ceci exige de nouvelles méthodes afin d'évaluer la capacité du matériau à supporter des chargements mécaniques. Dans la présente thèse, le comportement contrainte-déformation en grandes déformations du PE haute densité (PEHD) a été examinée dans différentes configurations de triaxialité. Un large domaine de conditions de chargements (traction, compression et cisaillement simple) a été exploré. L'investigation a été réalisée à partir d'échantillons découpés dans des canalisations en PEHD. Les essais de traction ont été faits à partir d'échantillons sabliers présentant plusieurs rayons de courbure afin de fixer différents états de contrainte dans la section médiane. Une attention particulière a été portée à l'évolution de la déformation volumique résultant de l'endommagement par cavitation. L'effet de la triaxialité sur la déformation à rupture a pu également être dégagé. La méthode des éléments finis (EF) a été utilisée pour simuler le comportement en grandes déformations du PEHD. De plus, le phénomène d'endommagement par croissance de vide a été étudié à partir de cellules unitaires soumises à différentes conditions de triaxialité. Afin d'évaluer le comportement à la rupture du PEHD, une méthode expérimentale basée sur l'hypothèse de la séparation de la charge a été élaborée. En outre, une analyse numérique par EF a été réalisée pour le calcul des paramètres de rupture. L'investigation a été réalisée dans les directions longitudinale et radiale. / The use of thermoplastic materials in engineering applications is growing more and more all over the world. The use of polyethylene (PE) in pressure vessels and pipelines is one of the most common examples. This issue demands new methodologies in order to assess the material capability to withstand loads. In the present thesis, the stress-strain response under large plastic deformation of high density PE (HDPE) was investigated in different triaxiality frameworks. A wide range of loading conditions (tension, compression and simple shear) was explored. Investigation was performed using specimens cut from HDPE pipes. The tensile tests were achieved on hourglass-shaped specimens with different curvature radii in order to set different stress states in the median cross-section. The tests were achieved by means of an optical measuring system. A particular attention was given on the evolution of volumetric strain resulting from cavitation damage. The effect of stress triaxilality on the fracture strain was also examined. The finite element (FE) method was used to simulate the large deformation bahaviour of HDPE material when subjected to tensile loading. Moreover, the damage phenomenon by void growth was studied using an axisymmetric representative volume element with different triaxiality conditions. In order to evaluate the fracture behaviour of HDPE pipe, an experimental method based on load separation assumption was developed. Furthermore, a numerical analysis using FE method has been conducted for calculating the fracture parameters. The investigation of fracture parameters and bahaviour of HDPE was performed in longitudinal and radial directions.

La conception de matériaux composites à particules, fibres ou structures sandwichs, faits de renforts auxétiques en vue de l'amélioration des propriétés amortissantes, est analysée dans cette thèse. Pour une telle analyse, le comportement auxétique décrivant un coefficient de Poisson négatif nécessite d'être compris tant d'un point de vue « effet structure » que « effet matériau ». Ce dernier point c'est-à-dire l'« effet matériau », faisant référence à la forme, aux orientations et différentes propriétés des phases constitutives du matériau, reste peu documenté dans la littérature scientifique. Ainsi partant d'un formalisme micromécanique basé sur l'équation cinématique intégrale de Dederichs et Zeller, nous explorons dans un premier temps et analytiquement le domaine de validité du matériau composite auxétique par le schéma mono-site de Mori-Tanaka. Ensuite des microstructures plus complexes, à l'instar de la microstructure du vide multi-enrobé et celle d'un cluster réentrant d'inclusions ellipsoïdales prenant en compte les interactions de ces dernières, sont étudiées et validées par des simulations Eléments Finis. Les résultats de ces analyses nous indiquent, par ailleurs dans le cas des matériaux isotropes que le comportement auxétique n'est atteint que si et seulement si une des phases du composite est initialement auxétique. Aussi, la nécessité d'introduire des liaisons ou inter-connections au niveau des inclusions ellipsoïdales est montrée comme étant la méthode conduisant à un effet auxétique au niveau de la microstructure du cluster réentrant. Outre cette analyse préliminaire sur le domaine de validité du comportement auxétique dans les composites, l'effet de l'introduction d'inclusions auxétiques dans une matrice viscoélastique en l'occurrence le PolyVinyle de Butyral (PVB) d'une part et l'utilisation de couches viscoélastiques et auxétiques dans les structures sandwichs d'autre part, ont été étudiés. Les réponses de ces matériaux en termes de propriétés amortissantes, telles que le module de stockage et le facteur de perte, sont alors déterminées et discutées par rapport aux composites à renforts non auxétiques (conventionnels) / The design of composite (particles/fibers or structures) materials, consisting of auxetic reinforcements, with enhanced damping properties is studied herein. For such analysis, the auxetic behavior describing a negative Poisson's ratio needs to be understood as "structure effect" point of view than "material effect". Indeed, the "material effect" which treats of the topological and morphological textures of the composite constituents remains poorly documented in the literature. Based on the kinematic integral equation of Dederichs and Zeller, the design space of auxetic composite materials is explored initially through an analytical one-site formulation of the Mori-Tanaka micromechanics scheme. Then, more complex microstructures are investigated from micromechanics formalism as well as Finite Element Method (FEM) simulations. One can cite the multilayered hollow-cored microstructure and the microstructure describing a cluster of re-entrant ellipsoidal inclusions in which the interaction among them (inclusions) is taken into account. The results provided by these investigations show us for instance in the case of isotropic materials that auxeticity is achieved if and only if one of the material?s constituents (inclusion or matrix) is initially auxetic. Also, it is noticed in the case of ellipsoidal inclusions describing the re-entrant cluster that auxetic behavior can be recovered by introducing joints between inclusions. Otherwise, favorable issues are only expected with auxetic components. In addition to this preliminary analysis concerning the validity domain of auxetic behavior in composites, the effect of inserting auxetic reinforcements within a viscoelastic matrix for instance PolyVinylButyral (PVB) on the one hand, and the use of auxetic and viscoelastic layers in sandwich structures on the other hand, are studied. The response of these materials in terms of damping properties, such as the storage modulus and the loss factor are then identified and discussed versus non-auxetic (conventional) composite reinforcements

La thèse de doctorat propose la description physiquement cohérente de la limite d'élasticité du matériau sur la base des résultats des expériences associées à des simulations FEM. L'approche théorique est basée sur l'hypothèse de de la limite d'élasticité du matériau de Burzynski. L'hypothèse de l'effort de matériau est dérivée de la définition de l'énergie de fin de course variable de changement de volume et de distorsion. En cas particuliers, les critères comprennent asymétrie de gamme élastique et, sous une forme élargie, il est applicable aux matériaux initialement anisotropes. La thèse a démontré la nécessité de fournir une vue intégrée sur des expériences et des simulations numériques afin d'obtenir la description de l'apparition de la plasticité. Pour atteindre cet objectif, une méthodologie spécifique a été développé- la procédure qui combine des techniques expérimentales avec les simulations numériques pris en charge par la description précise du comportement des matériaux. Comme une partie de l'approche de modélisation numérique, les analyses numériques été effectuées afin de corriger les inexactitudes des résultats expérimentaux présentés. En outre, la Burzynski condition isotrope a été mis en oeuvre dans la méthode des éléments finis via UMAT (user subroutine for ABAQUS). La versatilité du rendement description est illustrée par l'application de matériaux à structure amorphe et différents systèmes de cristaux cubiques: la structure FCC (face centered cubic) et BCC (body centered cubic). A titre d'exemples: - un matériau de type FCC structure - OFHC Cu, Oxygen Free High Conductivity Copper, un matériau de type BCC structure - E335, acier non allié de haute résistance et l'exemple des matériaux amorphes - polycarbonate (PC) et biopolymères (PLA/PBAT). Pour les matériaux les analyses précises ont été effectuées afin d'obtenir des propriétés microstructurales et mécaniques via large gamme de tests de résistance dans diverses conditions de chargement. Le nombre de données exemplaires trouvés dans la littérature des matériaux sensibles à la pression et/ou initialement anisotrope ont été analysés. Il a été prouvé que les critères proposés donnent approximation précise de l'état du début de la plasticité par rapport à d'autres conditions d'usage courant. Les critères résultant semblent être une méthode universelle et largement applicable d'obtenir la description de l'apparition de la plasticité / This thesis proposes physically consistent description of the elastic limit of the material on the basis of the results associated with FEM simulations experiments. The theoretical approach is based on the assumption that the limit of elasticity of material Burzynski. The hypothesis effort material is derived from the definition of the end energy of variable stroke volume change or distortion. In special cases, the criteria include asymmetry elastic range and in an expanded form, it is applicable to initially anisotropic materials. The thesis has demonstrated the need to provide an integrated view on experiments and numerical simulations to obtain the description of the onset of plasticity. To achieve this goal, a specific methodology was developed - the procedure which combines experimental techniques with numerical simulations supported by a precise description of the behavior of materials. As part of the approach to numerical modeling, numerical analyzes were performed to correct the inaccuracies of the experimental results presented. In addition, Burzy?ski isotropically been implemented in the finite element method via UMAT (user subroutine for ABAQUS). The versatility of description performance is illustrated by the application of materials with amorphous structure and cubic crystals of different systems: structure FCC (face centered cubic) and BCC (body centered cubic). Examples : - type material FCC structure - OFHC Cu, Oxygen Free High Conductivity Copper material BCC structure type - E335 , not alloyed high strength and example of the amorphous steel materials - polycarbonate (PC) and biopolymers ( PLA / PBAT ) . Materials for specific analyzes were performed to obtain microstructural and mechanical properties via wide range of stress tests in various loading conditions. The number of copies of data found in the literature of the pressure sensitive and / or anisotropic materials was initially analyzed. It has been proven that the proposed criteria provide accurate approximation of the state of early plasticity in relation to other terms in common use. The resulting criteria appear to be universal and widely applicable method of obtaining a description of the appearance of the plasticity

La fragmentation d’enveloppes métalliques en expansion dynamique intéresse tant l’industrie civile que celle de la défense. Pour les deux domaines d’application, il s’agit de pouvoir prédire la taille et la vitesse des fragments, résultant de la destruction des enveloppes, afin de mesurer les conséquences que ceux-ci peuvent avoir sur des structures de sécurité. Les modèles de prédiction existants étudient le développement d’un défaut au sein du matériau et arrivent à déterminer une taille caractéristique des fragments. Néanmoins, ces modèles nécessitent une hypothèse dont la validité est remise en cause lorsque la vitesse de déformation est importante. Dans ce travail, nous proposons un nouveau modèle analytique pour des cylindres (sollicitation en traction plane) permettant de s’affranchir de cette hypothèse et d’étudier l’influence du défaut initial en suivant son évolution. Le modèle développé est comparé avec succès à des résultats issus de simulations numériques par éléments finis. Nos travaux permettent notamment de préciser les cadres d’application et de validité des approches classiques. Comme résultats majeurs, la nouvelle approche permet d’analyser les évolutions des perturbations aux faibles déformations mais aussi d’estimer le temps d’apparition des premières décharges élastiques, synonymes de strictions localisées. / This work deals with the fragmentation of dynamically expanding metal shells and covers a problem of interest for both civil and military industries. For both fields of application, it is crucial to predict the size and the speed of fragments, resulting from the destruction of shells in order to measure the consequences that it could have on structures. Current models study the growth of a defect within the material and are able to determine a characteristic size of fragments. Nevertheless, these models require a hypothesis whose validity is questionable when the rate of deformation is important. In this work, we propose a new analytical model for cylinders (equivalent to the dynamic extension of a plate) to overcome this hypothesis and study the influence of the initial defect by following its time evolution. The model is compared successfully with results performed with a finite element method. Our work notably expands the framework of classical linear stability analyses. As a major outcome, the proposed approach is able to track the evolution of a perturbation even for small plastic strain, when the flow may be stable. In addition it is shown that the present approach can predict accurately the time where the elastic unloading is observed in finite element simulations.

La réparation de l’humain est un secteur d’activité qui nécessite les compétences en sciences médicales et sciences dites «dures». Dans de nombreux cas, tout ou partie d’un organe doit être remplacé par un substitut en matériau inerte. C’est par exemple le cas en implantologie où l’on s’intéresse au remplacement de dents. La pose d’un implant dentaire est un acte chirurgical qui consiste à introduire dans l’os de la mandibule un dispositif en matériau inerte destiné à recevoir la couronne dentaire. Ces prothèses sont plus ou moins tolérées par l’organisme vivant (environ 5% de rejet) et peuvent dans certains cas conduire à une ruine de l’os ou engendrer des infections connues sous le nom de péri-implantite. Pour améliorer la biocompatibilité de ces dispositifs médicaux, plusieurs pistes sont explorées. On peut s’intéresser à la géométrie de l’implant et son état de surface, au matériau de l’implant ou bien au système mécanique implant-os. C’est dans ce dernier cadre que nous avons situé notre travail de thèse. Le système os/dent est un système mécanique soumis à des sollicitations répétées de forte intensité. Les niveaux de contrainte et de déformation atteints lors de la mastication participent à la stabilité de l’ensemble et la viabilité de ces milieux vivants. Ces niveaux de contrainte et de déformation doivent être reproduits dans l’os dans le cas du système implant-os. On espère ainsi assurer la viabilité de l’os et éviter les divers processus de dégradation. Il convient donc de simuler et analyser la réponse d’un tel système à des sollicitations mécaniques. Ce travail nécessite la modélisation du comportement de l’os et de l’implant. Ce dernier est considéré comme un matériau métallique classique sollicité dans son domaine de déformation élastique. Pour ce qui est l’os, son observation fine révèle sa nature multi-échelle et nous avons choisi de modéliser son comportement par une particularisation du milieu micromorphique de Eringen. Plus précisément nous l’avons considéré comme un milieu élastique micropolaire. Pour résoudre les équations de champs du problème, il a été nécessaire de développer un outil numérique spécifiquement dédié. Cet outil est basé sur une combinaison astucieuse de la méthode des éléments de frontières et d’une méthode sans maillage (meshless), plus précisément une méthode de collocation par points. Dans un premier temps, afin de comprendre le principe de la méthode, nous avons développé l’outil numérique pour résoudre une équation de champ scalaire, ici équation de la conduction thermique transitoire. Nous avons pu constater l’efficacité de la méthode pour des systèmes en trois dimensions. Dans un second temps nous avons adapté notre méthode numérique pour résoudre des équations de champ vectoriel qui sont dans notre cas les équations pour les milieux élastiques micropolaires. L’outil numérique a été validé sur un nombre d’exemples possédant une solution analytique ou en comparaison aux résultats de la littérature sur d’autres types de problèmes. L’outil a ensuite été appliqué à l’analyse du système implant-os. Pour comprendre l’apport de la microstructure d’un milieu élastique micropolaire, en comparaison à un milieu élastique classique, nous avons fait différentes études du système implant-os sous sollicitations mécaniques diverses en considérant les deux types de modélisation pour l’os. Les paramètres macroscopiques pour un milieu élastique micropolaire sont les mêmes que pour un milieu élastique classique. Les différences obtenues ne proviendront que de l’apport de la microstructure. Les résultats obtenus montrent que la modélisation fine du comportement mécanique adoptée pour l’os est réaliste au regard des contraintes induites par la sollicitation et à la diminution notable des sauts de contraintes à l’interface os/métal comparé au cas de la modélisation de l’os comme un milieu élastique classique. Ces résultats ont d’ores et déjà permis de comprendre certaines observations cliniques. / The repair of the human is a sector of activity which requires skills in medical sciences and sciences known as "hard". In many cases, all or part of an organ must be replaced by a substitute made of inert material. This is for example the case in implantology where one is interested in the replacement of teeth. The installation of a dental implant is a surgical act which consists in introducing into the bone of the mandible a device made of inert material intended to receive the dental crown. These prostheses are more or less tolerated by the living organism (about 5% of rejection) and can in some cases lead to a bone ruin or cause infections known as peri-implantitis. To improve the biocompatibility of these medical devices, several tracks are explored. We can focus on the geometry of the implant and its surface condition, the material of the implant or the mechanical bone / implant system. It is in this last frame that we located our work of thesis. The bone / tooth system is a mechanical system subject to repeated intense stress. The levels of stress and deformation achieved during chewing contribute to the overall stability and viability of these living media. These stress and strain levels must be reproduced in the bone in the case of the bone / implant system. It is hoped to ensure the viability of the bone and to avoid the various processes of degradation. It is therefore necessary to simulate and analyze the response of such a system to mechanical stresses. This work requires modeling the behavior of the bone and the implant. The latter is considered as a conventional metallic material stressed in its field of elastic deformation. As for the bone, its fine observation reveals its multi-scale nature and we have chosen to model its behavior by a particularization of Eringen's micromorphic environment. More precisely we have considered it as a micropolar elastic medium. To solve the field equations of the problem, it was necessary to develop a dedicated digital tool. This tool is based on a clever combination of the boundary element method and a meshless method, more precisely a collocation method. At first, in order to understand the principle of the method, we developed the numerical tool to solve a scalar field equation, here equation of transient thermal conduction. We have seen the effectiveness of the method for three-dimensional systems. In a second time we adapted our numerical method to solve vector field equations which are in our case the equations for the micropolar elastic media. The digital tool has been validated on a number of examples having an analytical solution or in comparison with the results of the literature. The digital tool was then applied to the analysis of the bone / implant system. To understand the contribution of the microstructure of a micropolar elastic medium, compared to a conventional elastic medium, we made different studies of the implant / bone system under various mechanical stress considering both types of modeling for the bone. The macroscopic parameters for a micropolar elastic medium are the same as for a conventional elastic medium. The differences obtained will come only from the contribution of the microstructure. The results obtained show that the fine modeling of the mechanical behavior adopted for the bone is realistic with regard to the stresses induced by the stress and to the noticeable decrease of the stress jumps at the bone / metal interface compared to the case of the modeling of the equivalent classic elastic medium. These results have already made it possible to understand certain clinical observations.

Ο θερμομηχανικός χαρακτηρισμός του κράματος NiTi και η ενσωμάτωση του σε πολυμερική μήτρα με στόχο τη γέννηση εσωτερικών μηχανικών τάσεων όταν υπάρξει θερμική διέγερση, είναι επιγραμματικά ο σκοπός της παρούσας εργασίας. Το ‘ευφυές’ σύστημα που μελετάται στην εργασία αυτή αποτελείται από εποξειδική ρητίνη, ενισχυμένη με ίνες Kevlar 29 και ενσωματωμένα σύρματα Νικελίου-Τιτανίου. Στο πρώτο πειραματικό μέρος, περιλαμβάνεται η μελέτη και ο θερμομηχανικός χαρακτηρισμός του υλικού. Χρησιμοποιήθηκαν σύρματα NiTi διαμέτρου 0.3mm, αλλά και ράβδοι για τη διεξαγωγή κάποιων συγκεκριμένων πειραμάτων. Οι πειραματικές τεχνικές περιλαμβάνουν μηχανικά πειράματα εφελκυσμού σε σερβοϋδραυλικό πλαίσιο δοκιμών, ηλεκτρονιακή μικροσκοπία σάρωσης (SEM), οπτική μικροσκοπία, χρήση θερμοκάμερας υπερύθρου ακτινοβολίας, διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC), δυναμική μηχανική ανάλυση (DMA), μέτρηση ηλεκτρικών ιδιοτήτων καθώς και ένα πρωτοποριακό σύστημα χαρακτηρισμού υλικών (σύστημα THERMIS), που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο. Το δεύτερο τμήμα, περιλαμβάνει τη μελέτη του υβριδικού σύνθετου υλικού. Η παρασκευή του πραγματοποιείται σε αυτόκλειστο φούρνο (autoclave) και για την ενεργοποίηση του και την καταγραφή των παραμέτρων κατά τη λειτουργία του, χρησιμοποιείται το σύστημα THERMIS. Για να επιτευχθεί η σύγκριση μεταξύ της συμπεριφοράς του κράματος όταν αυτό ενεργοποιείται με και χωρίς την πολυμερική μήτρα να το περιβάλει, έχουν επιλεγεί δύο τύποι πειραμάτων: συνεχής ενεργοποίηση για μεγάλο χρονικό διάστημα (χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης - activation stress relaxation) και κυκλική ενεργοποίηση-απενεργοποίηση για μεγάλο αριθμό επαναλήψεων (λειτουργική κόπωση – transformation fatigue). Τα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης στα σύρματα, έδειξαν ότι η αρχική αναπτυσσόμενη τάση, μειώνεται εκθετικά, συναρτήσει των κύκλων ενεργοποίησης. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η κοπωτική συμπεριφορά του σύρματος, δεν εξαρτάται από τη διάρκεια του χρόνου θέρμανσης ανά κύκλο, αλλά από τον αριθμό των κρυσταλλογραφικών μετασχηματισμών μεταξύ οστενιτικής - μαρτενσιτικής φάσης και αντίστροφα. Ο ρυθμός υποβάθμισης της ικανότητας του κράματος να ασκεί μηχανική τάση, είναι πολύ έντονος κατά τη διάρκεια των πρώτων εκατοντάδων κύκλων και μειώνεται όσο το φαινόμενο εξελίσσεται. Στα σύνθετα υλικά, όπως και στην περίπτωση των συρμάτων SMA, η υποβάθμιση της λειτουργικής ικανότητας των υβριδικών συνθέτων, φαίνεται ότι δεν εξαρτάται από το χρόνο της θέρμανσης ανά κύκλο, αλλά μόνο από το πλήθος των κρυσταλλογραφικών εναλλαγών. Στα πειράματα χαλάρωσης τάσης, η αρχική τάση των συρμάτων ήταν γύρω στα 500MPa και σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, με την πάροδο του χρόνου και υπό την επίδραση της θερμοκρασίας, λαμβάνει χώρα εκθετική μείωση του μεγέθους της. Το επίπεδο της θερμοκρασίας λειτουργίας, επηρεάζει δραματικά την υποβάθμιση της μηχανικής αναπτυσσόμενης τάσης, της οποίας ο ρυθμός είναι ιδιαίτερα αυξημένος κατά τις πρώτες ώρες λειτουργιάς του υλικού. Ποιοτικά, το ίδιο φαινόμενο συμβαίνει και στην περίπτωση της χαλάρωσης τάσης ενεργοποίησης των υβριδικών συνθέτων, με τη διαφορά ότι η υποβάθμιση είναι σαφώς πιο έντονη. Προτείνεται τέλος, η μελέτη της υποβάθμισης της ικανότητας των ενεργοποιητών, με βάση στατιστικά εργαλεία και μεθόδους, κατά αναλογία με άλλα κοπωτικά φαινόμενα στη φύση (κυρίως στη μηχανική), εφόσον ουσιαστικά πρόκειται για ακολουθία δράσεων που τελικά οδηγούν στην απώλεια της ικανότητας των υλικών μας να ασκούν τάση. Συνηγορεί εξάλλου σε αυτό και η μορφή των πειραματικών καμπυλών, που παρουσιάζουν μεγάλη ομοιότητα με τις αντίστοιχες καμπύλες S/N, στη μηχανική κόπωση των υλικών. / The present work, aims to the thermo-mechanical characterization of the NiTi Shape Memory Alloy and the characterization of ‘smart’ hybrid composites with embedded SMAs, under thermal activation. The composite structure that is being investigated consists of an epoxy resin matrix, Kevlar 29 fibers and NiTi SMA wires. The first experimental section deals with the thermo mechanical characterization of the Shape Memory Alloy. 0.3 mm in diameter wires were used. The experimental techniques, include mechanical tests using a servo-hydraulic testing apparatus, scanning electron microscopy (SEM), optical microscopy, thermal IR camera imaging, differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA), electrical measurements and a novel thermo mechanical characterization system (Thermis), which was tailor made according to the needs of this project. The second experimental section deals with the characterization of the composite material, which was developed using a special purpose furnace (autoclave) and was tested on the Thermis system. In order to compare the functionality of the SMA either in free condition or embedded in a polymer matrix, two experiments were chosen: continuous activation for a long time (activation stress relaxation) and recurrent thermal activation (transformation fatigue). The transformation fatigue experiments showed that the initially developed mechanical stress, reduces exponentially, according to the number of the crystalline transformations. The functional fatigue life of the alloy, does not depend on the heating time per cycle, but is strongly correlated to the number of the recurrent transformation between martensite and austenite. The stress reduction rate is increased during the first cycles and reduces as the phenomenon develops. As it concerns the composite materials, like the SMA wire case, the reduction of the stress generation capability, is not affected by the heating time per cycle, and is only related to the number of the crystalline transformations. During the stress relaxation experiments, the initial developed stress of the wires was about 500 MPa and according to the experimental results, as time passes and under the influence of the thermal field, the stress reduces exponentially. The temperature level strongly affects the reduction phenomenon and the reduction rate is very high during the first hours of the experiment. The same behavior is observed not only at the SMA wires but also at the composites, as well, noting that reduction in the later case is much more intense. At the end, the study of the fatigue and relaxation phenomena, using a statistical approach, is suggested, like many other fatigue cases in nature (especially in mechanics). The fatigue curves presented here resemble to the S/N curves that can derived from the case of mechanical fatigue of other structural materials, like steel or CFR composites.