La modélisation de la fissuration du béton armé à l'aide de la méthode des éléments finis nécessite de prendre en compte, outre l'endommagement du béton, trois phénomènes : la spécificité de la liaison acier-béton, l’autocontrainte due au retrait, et l'effet d'échelle probabiliste dû à l'hétérogénéité du béton. Cette recherche s'appuie sur une campagne expérimentale pour obtenir le comportement de la liaison et les caractéristiques des fissures sur des éléments de structures. La technique de corrélation d'images numériques a été utilisée pour observer l'espacement et l'ouverture des fissures.La liaison acier-béton est considérée dans la modélisation à l'aide d'éléments d'interface élasto-plastiques basés sur les résultats expérimentaux des tests de pull-out. Les effets du retrait sont pris en compte via un cadre poro-mécanique. Enfin, l'effet d'échelle probabiliste est intégré dans la modélisation via une méthode de champs aléatoires, puis de maillon faible. La modélisation est appliquée à l'élément de structure en béton armé étudié en laboratoire ce qui permet de quantifier l'importance relative de la liaison acier-béton, des contraintes induites par le retrait empêché, et de l'hétérogénéité du matériau. / The modelling of cracking of reinforced concrete using the finite element method requires taking into account, in addition to the concrete damage, three phenomena: the specificity of the steel-concrete bond, the self-stress due to shrinkage, and the probabilistic scale effect due to the heterogeneity of concrete. This research is based on an experimental campaign to obtain the behaviour of the bond and the characteristics of the cracks on structural elements. The technique of digital image correlation was used to observe the spacing and opening of the cracks.The steel-concrete bond is considered in modelling using elastoplastic interface elements based on the experimental results of the pull-out tests. The effects of shrinkage are taken into account via a poro-mechanical framework. Finally, the probabilistic scale effect is integrated into the modelling via a random field method and then a weakest link one. Modelling is applied to the reinforced concrete structural element studied in the laboratory, which makes it possible to quantify the relative importance on cracking of the steel-concrete bond, the stresses induced by shrinkage, and the tensile strength heterogeneity of the material.

Les contraintes environnementales ont amené les constructeurs et équipementiers automobiles à développer de nouveaux types de transmission aux contraintes d'encombrement axial importantes. Pour la première fois, ce travail se concentre sur la caractérisation et l'identification du comportement sous sollicitations thermiques et mécaniques de la garniture d'embrayage, un matériau composite complexe. Les sollicitations de traction ont été réalisées à différentes températures et fréquences sur des échantillons prélevés dans le disque ou le disque complet. Nous avons ainsi identifié les caractéristiques élastiques et viscoélastiques en fonction de la température ainsi que les mécanismes d'endommagement. La dilatation thermique de la garniture a été observée sur les disques complets. Ainsi, grâce à l'utilisation de la stéréo-corrélation couplée avec des méthodes d'identification inverse nous avons pu décrire le couplage entre l'hétérogénéité du matériau et l'effet de la structure annulaire. Enfin au travers de cycles thermiques lents et homogènes, l'étude présente l'évolution du coefficient d'expansion thermique et de la tenue mécanique du matériau. / The clutch facing is an annular shaped continuous fiber composite which transmits the rotary motion from the engine to the wheels. In use it is submitted to thermal and mechanical loadings which can cause changes in the dimensions. New clutch technologies call for a better control of these changes. For the first time, this thesis was dedicated to the understanding of the dimensional stability of the clutch facing. Tensile tests were carried out under different temperature and for different frequencies on small cut specimens or on the entire annular disc. We were then able to identify the elastic and viscoelastic properties as well as the damage mechanisms until failure. The thermal expansion was measured on the entire disc as well. Thanks to digital image stereo correlation and reverse identification methods we were able to describe the coupling between the material's heterogeneities and its annular shape. Finally, this thesis presents the evolution of the material properties after homogeneous thermal cycling.

Evolution of concrete is continuously taking place to meet the ever-growing demands of the construction industry. Self compacting concrete (SCC) has emerged as a result of this demand to overcome the scarcity of labour. SCC is widely replacing normal vibrated concrete (NVC) these days owing to its advantages such as homogeneity of the mix, filling ability even in heavily congested reinforcement, smooth finish, reduction in construction time etc. The ingredients used for SCC is the same as that of the NVC. But the proportioning of ingredients to achieve self compactability alters the microstructure of SCC which in turn affects the mechanical and fracture properties. Moreover, the mineral admixtures such as fly ash and silica fume when used for improving the workability of SCC help in the development of the microstructural skeleton. In this study, three SCC mixes SCC1- made with only cement, SCC2 - with fly ash in addition to cement and SCC3 - with fly ash and silica fume in addition to cement for achieving normal, medium and high strength SCC respectively are cast. The microstructural changes in SCC with and without mineral admixtures over a period of time are studied using different techniques such as scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectrometer (EDS) and X-ray diffraction (XRD). The modification of mechanical properties at microstructural level brings difference in the behavior at macro level. Hence in this study, the mechanical properties at microstructural are obtained by using microindentation test and are scaled up to the macro level to predict the influence of micromechanical properties on macro response. The fracture properties of SCC is considered to be the interest of this study and is carried out with the help of advanced techniques such as acoustic emission (AE) and digital image correlation (DIC). From the various studies carried out, it is inferred that the mixes with mineral admixtures behave in a more brittle manner when compared to mix having no mineral admixture. It is also observed that class ‘F’ fly ash hydrates at a slow pace and the strength gain is observed after 28 days and even beyond 90 days. Hence, it is concluded that it is appropriate to consider the strength at 90 days instead of 28 days for a SCC mix with class ‘F’ fly ash. Silica fume on the other hand is observed to result in a more rapid gain in strength and this can partially offset the delay in strength gain due to fly ash.

La compréhension du comportement musculaire est un champ d’investigation primordial dans divers domaines tels que le sport, le crash automobile et la médecine. Peu de techniques in vivo permettent aujourd’hui de caractériser les propriétés mécaniques du muscle. Aussi, l’objectif de ce travail est de développer une méthode d’identification in vivo à partir demesures de champs de déplacement. La méthode d’identification est composée de 3 étapes interdépendantes. La première consiste à réaliser une IRM de la cuisse pour segmenter manuellement différents tissus musculaires (quadriceps, ischios, gracilis et sartorius) et le tissu adipeux. Un comportement Néo-Hookéen est choisi pour modéliser le comportement hyperélastique (C10, D). Dans un second temps, un dispositif expérimental de compression est développé pour mesurer le champ de déplacement in vivo à partir des techniques d’imagerie échographique et de Corrélation d’Images Numériques. Finalement, une méthode inverse est mise en œuvre pour identifier les paramètres C10 et D de chaque tissu. Par le biais d’un exemple numérique, l’erreur sur les paramètres identifiés est évaluée. Les cartographies des champs de déplacement expérimentaux confirment les observations qualitatives obtenues sur les images échographiques et sont validées par les champs de déformation obtenus par approximation diffuse. Une faible erreur d’identification (C10<3%, D<7%) est obtenue à partir de l’exemple numérique, et les paramètres mécaniques identifiés sont en accord avec la littérature. Ces résultats valident la démarche inverse mise en œuvre qui permettra, à terme, de suivre l’évolution des pathologies et de mener des simulations prédictives. / The understanding of the mechanical behavior of the muscle tissue is an important field of investigation with different applications in medicine, car crash and sport. Currently, few in vivo imaging techniques are able to characterize the mechanical properties of muscle. Thus, this study aims at developing an in vivo identification method based on displacement fieldmeasurements. The identification approach is composed of 3 dependent steps. The first step consists in performing a 2D MRI acquisition of the thigh in order to segment manually the muscle (quadriceps, ischio, gracilis and sartorius) and fat tissues. A Neo-Hookean model is chosen to characterize the hyperelastic behavior (C10, D). Secondly, an experimental compressiondevice is developed to measure the in vivo displacement field using ultrasound and Digital Image Correlation (DIC) techniques. Finally, an inverse method is implemented to identify the C10 and D parameters of each soft tissue. A numerical example is used to quantify the identification error on each parameter. Displacement field measurements confirm the ultrasound observations. They are also validated by the cartographies of the strain fields, which are obtained by the diffuse approximation method. Using the numerical example, the identification leads to low errors on the C10 (< 3%) and D (< 7%) parameters. Identified values of the mechanical parameters are in good agreement with the literature. All results validate the implemented identification method. In the long term, this protocol will allow to follow the evolution of pathologies and to conduct predictive simulations.

Les rails de Chemins de fer sont soumis à de la fatigue de roulement due au passage répété des roues de train, ce qui induit différents types de fissures, telles que les Squats. Ces fissures sont soumises à un chargement de mode mixte non-proportionnel I + II + III, dans des proportions variables le long du front, avec des phases de compression, ce qui rend la prédiction de leur trajet et de leur vitesse délicate.La cinétique de fissuration en mode I a été déterminée dans de l’acier à rail R260, pour des rapports R positifs et négatifs, ainsi que la cinétique de mode mixte II & III corrigée des effets de frottement. Les Facteurs d’Intensité des Contraintes (FICs) effectifs ont été obtenus à partir des sauts de déplacements dans le plan et hors plan mesurés en surface, le long de la fissure. De ces lois cinétiques, il ressort que ni le mode I seul, ni les modes de cisaillement seuls ne peuvent expliquer la fissuration des rails. C’est donc la combinaison des trois modes, suivant des trajets de chargement complexes, qui en est responsable.Des essais de fissuration par fatigue en mode mixte non-proportionnel I + II ont ensuite été réalisés, suivant des trajets de chargement représentatifs de ceux subis par les squats. La stéréo corrélation d’images a été utilisée pour obtenir les champs de déplacements en pointe de fissure. Les méthodes classiques de mesure des FICs à partir de champs de déplacements n’étant pas adaptées, du fait des efforts de contact et frottement entre les lèvres de fissure, de nouvelles méthodes ont été développées. Les trajets et vitesses de fissuration ont été étudiés au regard de ces FICs effectifs. Il apparait que la prédiction du trajet à partir du critère de la contrainte tangentielle maximale n’est pas très fiable, mais peut être améliorée par la prise en compte de la plasticité en pointe de fissure ainsi que des efforts de contact/frottement entre les lèvres de fissure. Les vitesses de propagation obtenues se corrélèrent bien avec une combinaison des trois FICs effectifs dans une loi de type « Paris ».De ces essais, il ressort que du fait de la rugosité de la fissure, l’enchevêtrement d’aspérités et le frottement réduisent considérablement les FICs effectifs. Et cela même en l’absence de compression normale, ce qui ne peut être modélisé par une simple loi de Coulomb. De plus, l’usure des lèvres de fissure a aussi une forte influence sur les FICs effectifs. Le challenge pour les applications structurelles est donc non seulement de choisir le critère de bifurcation et la loi cinétique les plus appropriés, mais également de prendre en compte la rugosité et l’usure des lèvres de fissure, afin d’estimer correctement les FICs effectifs à utiliser dans ces modèles.Pour les applications industrielles, une approche d’ingénieur, simplifiée, a été proposée afin de prendre en compte le frottement induit par la rugosité dans l’estimation des trajets de chargements effectifs à partir des trajets nominaux. Cette approche a été validée sur des essais de mode mixte séquentiel I + II & III. / Rails are submitted to Rolling Contact Fatigue due to repeated passages of train wheels, which induces several types of cracks, such as Squat-type cracks. Those cracks undergo non-proportional mixed-mode I + II + III loading, including compression phases, in variable proportions along the crack front, making the prediction of their paths and growth rates a challenge.Mode I crack growth kinetics, for positive and negative R ratios, were first determined in R260 steel, as well as friction-corrected crack growth kinetics for fully-reversed combined mode II and III. The effective Stress Intensity Factors (SIFs) were deduced from the measured in-plane and out-of-plane crack face sliding displacements. From those kinetic laws, it was deduced that neither pure mode I, nor pure shear mode loadings can explain the crack growth rates observed in rails. A combination of those three loading modes, according to complex loading paths had thus to be prospected.Non-proportional mixed-mode I + II fatigue crack growth tests were then performed, following representative loading paths. Stereo digital image correlation was used to measure the near-tip displacement field. Post-treatment methods generally used to deduce the effective SIFs from these fields were inappropriate because of contact and friction stresses along the crack face. New methods were thus developed. The crack paths and growth rates were analyzed, using the effective SIFs. Crack path prediction by the maximum tangential stress criterion was found not to be very reliable, but substantially improved when crack tip plasticity and the presence of contact and friction stresses along the crack faces were taken into account. The measured crack growth rates correlated well with a combination of the three effective SIFs in a Paris-type law.From these experiments, it appears that due to crack face roughness, asperities interlocking and friction substantially reduce the effective SIFs, even without any normal compression, which cannot be captured by a simple Coulomb’s law. Besides, crack faces wear also has a large influence on the effective SIFs. The challenge for structural applications is thus not only to choose the most appropriate bifurcation criterion and crack growth law, but also to take crack face roughness and wear into account, in order to estimate the correct effective SIFS to use in these models.For industrial applications, a simple engineering approach was proposed to integrate roughness-induced friction in the estimation of the effective loading path from the nominal one. This approach was validated on sequential mixed-mode I + II & III experiments.

This thesis is focused on behavior of control arm opening with bushing pressed in. The tested component is a part of control arm of a car. The parts were tested in tensile and compressive strength. Real experiments were measured by optical system Aramis during the testing to determine deformations of the part. These tests are also modeled by a finite element method using an Abaqus software. In GOM Correlate software is created full-field comparison of deformation results from Aramis and FEA. Based on this comparison computational model is calibrated. Sensitivity analysis is performed at the end of the thesis.

Introduction: Une procédure fréquente pour la prévention de l’arthrose de la cheville est une ostéotomie corrective du tibia distal (SMOT). Le Distal Tibia Nail (DTN ; Mizuho®), a été développé pour la réduction des fractures du tibia distal. L’objectif de ce projet était d’analyser la faisabilité du DTN pour des procédures SMOT effectuées avec une ouverture médiale (MWO). Méthodes : Au total 16 Sawbones® ont été instrumentés par un DTN ou une plaque (MDTP, Synthes®), suivi par la simulation d’une MWO. Quatre phases d’expérimentation étaient définies : Phase-0, Sawbones sans implant ni MWO ; Phase-1, échantillons avec un implant et MWO. Phase-2, les échantillons de la Phase-1 avec le cortex latéral fracturé ; Phase-3, simulation d’une fracture de type A3. La raideur et le mouvement inter-fragmentaire (IFM) étaient analysés. Des tomographies des échantillons ont été prises à Phases 0 et 1. Résultats : Jusqu’à 80% de différence était présente enter les Sawbones® de Phase-0 ; dans les Phases 1 et 2, des différences importantes se sont montrées entre des implants mais équivalent à <2 mm d’IFM. Le DTN a démontré une résistance très élevée aux charges appliquées en comparaison avec le MDTP pour la fixation des fractures A3. Des facteurs expérimentaux tels que la raideur initiale des Sawbones®, l’axe de chargement, et le positionnement de l’échantillon dans la machine d’essai, peuvent tous avoir une influence importante sur la raideur mesurée. Conclusion : Le DTN peut être considéré comme option pour la fixation des SMOT effectués avec un MWO. Des études futures doivent faire attention aux conditions limites ayant un effet sur des critères d’évaluation et des conclusions tirées / Introduction: Supra-malleolar corrective osteotomies (SMOT) are a common surgical procedure for the prevention of early onset of ankle arthritis. The Distal Tibia Nail (DTN; Mizuho®), was previously developed for the reduction of distal tibia fractures. The aim of this project was to identify error sources in biomechanical testing, and to test the feasibility of the DTN for SMOT performed using the medial wedge opening (MWO) technique. Methods: A total of 16 Sawbones® were each implanted with either a DTN or medial distal tibia plate (MDTP; Synthes®), and a MWO simulated. Four testing phases were defined: Phase-0, testing of Sawbones® without implant/osteotomy; Phase-1, samples with MWO and implant; Phase-2, Phase-1 samples with lateral cortex fractured; Phase-3, samples with an A3 type fracture. Stiffness construct and interfragmentary movement (IFM) were analysed. CT scans were taken of the samples at Phases 0 and 1. Results: Up to 80% difference was noticed between Sawbones® samples in Phase-0; in Phases 1 and 2 significant differences were found between stiffness constructs of the implant groups but this amounted to <2 mm IFM. The DTN was significantly more resistant to compression and torsion when supporting an A3 fractures (Phase-3). Elements such as original Sawbones® stiffness construct, implant position, potting material, loading axis, and sample positioning can have a high influence on measured stiffness and bias the results. Conclusion: The DTN is a viable option for the fixation of SMOT performed with a MWO technique. Future studies should pay careful attention to boundary conditions affecting outcomes measures and drawn conclusions

Ce travail présente une caractérisation expérimentale de la localisation de la déformation et la rupture sur un matériau synthétique analogue de la roche dans différentes conditions de chargement axisymétrique. L’évolution de la localisation de la déformation a été caractérisée par la technique de corrélation d’images bidimensionnelle. Deux gammes d’essais en compression et en extension ont été réalisées à différentes pressions de confinement Pc. Profitant de la technique DIC et de la caractérisation détaillée des propriétés constitutives de GRAM1 par Mas et Chemenda (2014; 2015), nous montrons que l'initiation de la localisation des bandes de déformation est précédée par la déformation élastique uniforme puis la déformation élasto-plastique. La localisation de la déformation est initiée dans le régime de dilatance (la dilatance β est positive) et d’adoucissement (le module d’écrouissage h est négatif). Au cours de l'évolution du chargement, la déformation à l'intérieur de la bande de localisation de la déformation devient compactive (β <0) et est accompagnée par un durcissement du matériau (h> 0). Ceci provoque dans un premier temps l’élargissement de la bande puis l’apparition de nouvelles bandes qui se forment successivement. La formation de ces nouvelles bandes provoque un ralentissement de la déformation dans les bandes préexistantes, ce qui densifie progressivement le réseau. Dans les essais en extension axisymétrique, les fractures se forment perpendiculaires à la contrainte principale mineure σ3 sous un état de contrainte extensif à faible Pc puis compressif quand Pc augmente. Nos résultats présentent une transition continue de la fracture extensive à la fracture cisaillante avec une augmentation de la contrainte compressive. Ceci est en accord avec les résultats obtenus pour les essais en extension réalisées sur des roches naturelles (Ramsey et Chester, 2004 ; Bobich 2005) / This work presents an experimental characterization of the strain localization and the rupture on a granular rock analogue material under different conditions of axisymmetric loading. The evolution of the strain localization was characterized by the two-dimensional image correlation technique. Two series of triaxial compression and extension tests were carried out at different confining pressure Pc. Taking advantage of the DIC technique and detailed characterization of GRAM1’s constitutive properties by Mas and Chemenda (2014, 2015), we show that the initiation of deformation localization bands is preceded by the uniform elastic and then elasto-plastic deformation. The strain localization is initiated in the dilatant regime (positive dilatancy factor β) and strain-softening (negative hardening modulus h). During the band evolution, the deformation within it becomes compactive (β<0) and is accompanied by the material hardening (h>0), which causes the band to widen and new bands to form successively. The formation of new bands causes a slowing down the deformation within the prior bands, which makes the progressively densified band network to continuously evolve. In axisymmetric extension tests, the fractures are formed perpendicular to the minor principal stress σ3 in an extensive stress state at low Pc then compressive when Pc increases. Our results show a continuous transition from the extensive fracture to shear fracture with an increase of compressive stress. This is suitable of the results obtained for extension tests performed on natural rocks (Ramsey and Chester, 2004; Bobich, 2005)

As an intrinsic requirement for digital image correlation (DIC)to be applicable, the images must exhibit a speckle pattern of sufficient unique features. Researchers have incorporated X-ray phase contrast imaging (PCI) and DIC (XDIC) and conducted studies on materials with natural internal features as speckles. This study is the first attempt to explore the applicability and standards of XDIC to be applied on materials that are transparent under X-ray PCI, mainly polymers, by deliberately embedding particles into the sample. The goal is to generate a high-quality speckle while maintaining the least influence on the material’s properties. Iron oxide (FeO), tungsten carbide (WC), and platinum (Pt) are embedded into Sylgard® epoxy at various weight ratios, and the Sylgard® samples are loaded with a Kolsky compression bar paired with high-speed X-ray PCI. The speckle quality of the PCI images is assessed using a mean intensity gradient based approach, as well as intensity distribution analysis. DIC is applied to the images to measure the displacement field in the loading direction, and the results are analyzed. The engineering stress-strain relationship is generated from the Kolsky bar apparatus, and the results are compared to find the influence of the added particles.<div><br></div><div>The results indicate thatthe addition of particles does not significantly alter the base polymer’s properties, and the theoretical deviation error can be as low as less than 0.01 pixels. Disregarding the limited applicability to embed into polymer samples, platinum produces the best speckle. WC particle is the superior choice of material to embed for its good speckle quality, ease of embedding, and good availability. Lower weight ratios are shown to be preferential. This study also emphasizes the importance of sample design when applying XDIC to materials with embedded particles. It is preferential for best accuracy to design the region of interest to be away from the surfaces of the samples and be located near the back of the sample with respect to the impact surface.<br></div>

Les problèmes de complétion de données interviennent dans divers domaines de la physique, tels que la mécanique, l'acoustique ou la thermique. La mesure directe des conditions aux limites se heurte souvent à l'impossibilité de placer l'instrumentation adéquate. La détermination de ces données n'est alors possible que grâce à des informations complémentaires. Des mesures surabondantes sur une partie accessible de la frontière mènent à la résolution d'un problème inverse de type Cauchy. Cependant, dans certains cas, des mesures directes sur la frontière sont irréalisables, des mesures de champs plus facilement accessibles permettent de pallier ce problème. Cette thèse présente des méthodes de régularisation évanescente qui permettent de trouver, parmi toutes les solutions de l'équation d'équilibre, la solution du problème de complétion de données qui s'approche au mieux des données de type Cauchy ou de champs partiels. Ces processus itératifs ne dépendent pas d'un coefficient de régularisation et sont robustes vis à vis du bruit sur les données, qui sont recalculées et de ce fait débruitées. Nous nous intéressons, dans un premier temps, à la résolution de problèmes de Cauchy associés à l'équation d'Helmholtz. Une étude numérique complète est menée, en utilisant la méthode des solutions fondamentales en tant que méthode numérique pour discrétiser l'espace des solutions de l'équation d'Helmholtz. Des reconstructions précises attestent de l'efficacité et de la robustesse de la méthode. Nous présentons, dans un second temps, la généralisation de la méthode de régularisation évanescente aux problèmes de complétion de données à partir de mesures de champs partielles. Des simulations numériques, pour l'opérateur de Lamé, dans le cadre des éléments finis et des solutions fondamentales, montrent la capacité de la méthode à compléter et débruiter des données partielles de champs de déplacements et à identifier les conditions aux limites en tout point de la frontière. Nous retrouvons des reconstructions précises et un débruitage efficace des données lorsque l'algorithme est appliqué à des mesures réelles issues de corrélation d'images numériques. Un éventuel changement de comportement du matériau est détecté grâce à l'analyse des résidus de déplacements. / Data completion problems occur in many engineering fields, such as mechanical, acoustical and thermal sciences. Direct measurement of boundary conditions is often confronting with the impossibility of placing the appropriate instrumentation. The determination of these data is then possible only through additional informations. Overprescribed measurements on an accessible part of the boundary lead to the resolution of an inverse Cauchy problem. However, in some cases, direct measurements on the boundary are inaccessible, to overcome this problem field measurements are more easily accessible. This thesis presents fading regularization methods that allow to find, among all the solutions of the equilibrium equation, the solution of the data completion problem which fits at best Cauchy or partial fields data. These iterative processesdo not depend on a regularization coefficient and are robust with respect to the noise on the data, which are recomputed and therefore denoised. We are interested initially in solving Cauchy problems associated with the Helmholtz equation. A complete numerical study is made, usingthe method of fundamental solutions as a numerical method for discretizing the space of the Helmholtz equation solutions. Accurate reconstructions attest to the efficiency and the robustness of the method. We present, in a second time, the generalization of the fading regularization method to the data completion problems from partial full-field measurements. Numerical simulations, for the Lamé operator, using the finite element method or the method of fundamental solutions, show the ability of the iterative process to complete and denoise partial displacements fields data and to identify the boundary conditions at any point. We find precise reconstructions and efficient denoising of the data when the algorithm is applied to real measurements from digital image correlation. A possible change in the material behavior is detected thanks to the analysis of the displacements residuals.