Ces travaux de thèse portent sur la caractérisation des milieux poreux fortement déformables afin de modéliser le transfert réalisé au cours du séchage. La théorie de consolidation de Biot traduit le couplage hydromécanique se produisant durant la déshydratation d’un milieu poreux déformable. Le modèle de Cáceres s’appuie sur cette théorie et sur la loi classique de Darcy. Il est adapté aux grandes déformations du squelette solide et utilise un tenseur de contraintes de décomposition Terzaghi. Une simulation de la déshydratation par l’intermédiaire de ce modèle nécessite au préalable le renseignement de celui-ci en termes de caractéristiques thermophysiques. Deux dispositifs expérimentaux ont été mis en place : l’un mesurant la relaxation de charge, l’autre réalisant la pressurisation dynamique (DP). La 1ère expérience nous a permis de caractériser la perméabilité, le coefficient de Poisson et le module d’Young en fonction de la teneur en eau du gel. La 2ème expérience a révélé l’importance de la prise en considération de la compressibilité de la phase solide dans la modélisation du séchage du gel d’agar ainsi que, la nécessité de corriger la valeur du module de compressibilité de l’eau contenant du gaz dissout. Suite à cette étape expérimentale, nous avons concentré nos efforts sur la modélisation liée à notre étude. Tout d’abord, la DP étant conforme à l’hypothèse de faibles déformations, un modèle numérique basé sur les équations de Biot a été réalisé afin de valider les paramètres mesurés et de corriger la valeur estimée de la perméabilité. Un second modèle traduit le couplage thermo-hydro-mécanique lors du séchage convectif d’un milieu poreux fortement déformable comme les gels d’agar et d’alumine. Ce dernier s’appuie sur la théorie de Biot et d’une part s’adapte aux fortes déformations et d’autre part utilise l’approche eulérienne. Ce modèle constitue donc un compromis entre les modèles de Biot et de Cáceres et s’appuie sur l’étude thermodynamique de Coussy ce qui est une avancée dans la modélisation des gels déformables. / This thesis focuses on the characterization of strongly deformable porous media in order to model the transfer taking place during drying. The theory of consolidation of Biot reflects the hydro-mechanical coupling occurring during dehydration of a deformable porous medium. Cáceres developed a model based on this theory and on the classical Darcy’s law. It is suitable for large deformations of the solid skeleton and the stress tensor is decomposed according to the so-called Terzaghi’s principle. A simulation using this model requires the information in thermo-physical terms of characteristics. Two experimental setups were developed : one measuring the relaxation charge, the other called dynamic pressurization (DP). The first experiment allowed us to characterize the permeability, Poisson’s ratio and Young’s modulus as functions of water content of the gel. The second experiment showed the importance of taking into account the compressibility of the solid phase in the modeling of the drying of agar gel as well as the effect of the existence of bubbles on the bulk modulus of the water. The establishment of two models followed this experimental study. First, the DP is consistent with the hypothesis of small deformations, a numerical model based on Biot’s equations was carried out to validate the parameters measured and to correct the estimated value of the permeability. A second model reflects the thermo-hydro-mechanical coupling in the convective drying of highly deformable porous media such as agar gel and alumina. The latter is based on the Biot’s theory and on the thermodynamics study of Coussy. It uses the Euler’s method while staying adapted to large deformations.

No / The causal and physically realizable Biot hysteretic model proves to be the simplest linear model able to describe the nearly rate-independent behaviour of engineering materials. In this paper, the performance of the Biot hysteretic model is analysed and compared with those of the ideal and causal hysteretic models. The Laguerre polynomial approximation (LPA) method, recently proposed for the time-domain analysis of linear viscoelastic systems, is then summarized and applied to the prediction of the dynamic response of linear hysteretic systems to deterministic and random excitations. The parameters of the LPA model generally need to be computed through numerical integrals; however, when this model is used to approximate the Biot hysteretic model, closed-form expressions can be found. Effective step-by-step procedures are also provided in the paper, which prove to be accurate also for high levels of damping. Finally, the method is applied to the dynamic analysis of a highway embankment excited by deterministic and random ground motions. The results show that in some cases the inaccuracy associated with the use of an equivalent viscous damping model is too large.

Les mousses de polyuréthane (PU) hautement poreuses sont largement utilisées dans différentes industries pour dissiper l’énergie des ondes sonores et vibratoires. La propagation des ondes acoustiques dans ces matériaux poroélastiques est décrite à partir d’un ensemble de paramètres physiques connus sous le nom de paramètres de Biot (pour les matériaux isotropes, ils sont composés de 5 paramètres non acoustiques et de 4 paramètres mécaniques). Il est bien connu que les propriétés macroscopiques dépendent intrinsèquement des propriétés de la microstructure de la mousse. Ainsi, une compréhension claire des corrélations entre la structure interne des mousses de PU et leurs paramètres de Biot ainsi que la contribution de chaque paramètre, soit microscopique ou macroscopique, sur l’indicateur vibroacoustique désiré est d’un intérêt majeur au stade précoce de la conception et de l’optimisation de ces matériaux poroélastiques. Le développement d’un modèle micromacro qui corrèle les propriétés de la microstructure aux paramètres macroscopiques de Biot est donc nécessaire. Récemment, un modèle qui corrèle les propriétés de la microstructure des mousses PU hautement poreuses à leurs propriétés non acoustiques a été présenté par Doutres et coll. [24, 25]. Dans cette étude, les propriétés de la microstructure (dimensions de la cellule et taux de réticulation) sont d’abord caractérisées par un microscope électronique à balayage (SEM). Ensuite, l’effet du taux de réticulation (mesurant le pourcentage de fenêtres ouvertes), de la taille des cellules et de la densité relative sur les propriétés mécaniques de la mousse de polyuréthane a été élucidé à l’aide d’un modèle numérique. Se basant sur ce modèle, un modelé analytique existant, qui corrèle les propriétés de la microstructure de mousses PU entièrement réticulées à ses propriétés mécaniques, a été revu et corrigé pour tenir compte de l’effet important du taux de réticulation. En combinant le modèle de Doutres avec le modèle mécanique développé dans cette thèse, un modèle micro-macro complet est ainsi obtenu. Utilisant ce modèle, l’impact de la variabilité de la microstructure et la contribution de chacun des paramètres microstructuraux à la réponse vibroacoustique ont été étudiés utilisant une méthode d’analyse de sensibilité globale (FAST). La méthode FAST a été utilisée pour identifier l’impact de la microstructure sur, premièrement, les paramètres de Biot-Allard et, deuxièmement, sur les indicateurs vibroacoustiques (absorption et perte par transmission) des mousses de polyuréthane poroélastiques. Une fois les modèles micro-macro et la contribution des propriétés de la microstructure connus, la performance vibroacoustique de la mousse a été optimisée. Ainsi nous avons testé numériquement la performance acoustique de mousses homogènes et de mousses graduellement structurées (variation de propriétés suivant l’épaisseur de la mousse). Cette étude ouvre ainsi de nouvelles portes pour concevoir des mousses PU innovantes avec une microstructure modifiée et des performances vibroacoustique améliorées. / Abstract : Highly porous polyurethane (PU) foams are widely used in different industries to dissipate the energy of sound and vibration waves. Propagation of acoustic waves in such poroelastic materials is explained based on a set of physical parameters known as the Biot's parameters (for isotropic materials these are comprised of 5 non-acoustical parameters and 4 mechanical parameters). These macroscopic properties are inherently dependent on the microstructure properties of the foam. Hence, a clear understanding of correlations between the internal structure of PU foams and their Biot's parameters and the contribution of each parameter, either microscopic or macroscopic, to classical vibro-acoustic indicators is of utmost interest at the early stage of design and optimization of such poroelastic materials. In consequence, a micro macro model that correlates microstructure properties to macroscopic Biot's parameters is needed. Recently, a model that correlates the microstructure properties of highly porous PU foams to their non-acoustical properties was presented by~\citet{Doutres2011,Doutres2013}. In this study, micro-structure properties (strut length, strut thickness, and open pore content) are first characterized using a Scanning Electron Microscope (SEM). Then, a numerical study is performed to elucidate the effect of open pore content (known as reticulation rate), cell size, and relative density on the mechanical properties of polyurethane foam. Based on this study, an existing analytical model~\cite{Gong2005} that correlates fully reticulated unit cell microstructure properties of PU foams to its mechanical properties is corrected and updated to account for these important parameters. Combined with Doutres’ model, the proposed extension lead to a full micro-macro model for predicting the acoustic performance of PU foams from its microstructure. Using this model, the contribution of the unit cell parameters and effect of their variability on classical vibro-acoustic indicators (absorption and transmission loss) is investigated using a global sensitivity analysis method (FAST). The FAST method is used to identify the impact of microstructure role on, first, the Biot-Allard parameters and, second, on vibro-acoustical indicators of poroelastic polyurethane foams. Based on this sensitivity analysis study, the developed micro-macro model, is used to design both optimum homogeneous foam and functionally graded foams (properties optimally varnish along the thickness of the foam) targeting specific in absorption and/or transmission loss problems. This study opens thus a new door to design innovative PU foams with modified micro-structure and improved vibro-acoustical performance.