Protection from the potentially damaging effects of shock loading is a common design requirement for diverse mechanical structures ranging from shock accelerometers to spacecraft. High-damping viscoelastic materials are employed in the design of geometrically complex impact absorbent components. Since shock transients have a broadband frequency spectrum, it is imperative to properly model frequency dependence of material parameters. The Anelastic Displacement Fields (ADF) method is employed to develop new axisymmetric and plane stress finite elements that are capable of modeling frequency dependent material behavior of linear viscoelastic materials. The new finite elements are used to model and analyze behavior of viscoelastic structures subjected to shock loads. The development of such ADF-based finite element models offers an attractive analytical tool to aid in the design of shock absorbent mechanical filters. This work will also show that it is possible to determine material properties’ frequency dependence by iteratively fitting ADF model predictions to experimental results. A series of experiments designed to validate the axisymmetric and plane stress finite element models are performed. These experiments involve the propagation of longitudinal waves through elastic and viscoelastic rods, and behavior of elastomeric mechanical filters subjected to shock. Comparison of model predictions to theory and experiments confirm that ADF-based finite element models are capable of capturing phenomena such as geometric dispersion and viscoelastic attenuation of longitudinal waves in rods as well as modeling the behavior of mechanical filters subjected to shock. / Ph. D.

Ce travail de thèse décrit l’application de méthodes d’analyse innovantes à la caractérisation des propriétésmécaniques et électriques de matériaux composites.Le Chapitre premier dresse un état de l’art des fondamentaux théoriques et pré requis nécessaires à lacompréhension du manuscrit. Un regard critique permet de dégager une stratégie pour l’analyse, basée d’une partsur des méthodes holographiques numériques et d’autre part sur des techniques de mesure diélectrique.Le Chapitre second est dédié au choix de la méthode d’holographie numérique. En particulier, la configurationimage montre quelques particularités qui sont analysées en détail : le rôle du diaphragme d'ouverture du systèmed'imagerie. Nous concluons que la méthode d’holographie de Fresnel présente des avantages d’achromatismepour les applications avec plusieurs longueurs d’onde.Le 3ème Chapitre présente deux applications de l’holographie numérique au contrôle de structures compositesincorporées avec des pastilles piézoélectriques dédiées à l’émission acoustique. Nous avons démontré en premiertemps, la possibilité d’analyser par holographie numérique de Fresnel en temps moyenné le comportementvibratoire des poutres composites excitées harmoniquement. Dans un second temps, on a montré que les pastillesutilisées influencent le comportement mécanique des matériaux en régime statique.Le Chapitre 4 présente l’analyse expérimentale et numérique des structures composites soumises à un essai decisaillement en flexion trois points rapprochés. Nous présentons les résultats obtenus pour des applications à deséchantillons lin/époxy et lin/carbone/époxy.Le 5ème Chapitre aborde l’analyse des propriétés diélectriques des composites renforcés par fibres de lin. Deuxtechniques expérimentales sont mises en oeuvre : la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et l’impédancemètre de type Novocontrol. Nous concluons que les fibres de lin seules dans le composite sont moinshydrophiles que celles incorporées avec des fibres de carbone, ce qui explique la meilleure adhérencefibres/matrice dans le premier cas. / This PhD thesis describes the application of innovative analytical methods for the characterization of mechanicaland electrical properties of composite materials.The first chapter provides a state of the art of theoretical fundamentals and prerequisites needed to understandthe manuscript. A critical survey leads to a strategy for the analysis, based partly on digital holographic methodsand dielectric techniques.The second chapter is devoted to the choice of method of digital holography. In particular, this configurationshows some features that are analyzed in detail: the role of the aperture stop of the imaging system. We concludethat the Fresnel holography method has the advantage of achromatism for applications with multiplewavelengths.The third chapter presents two applications of digital holography control of composite structures with embeddedpiezoelectric patches dedicated to acoustic emission. We first demonstrate the possibility of analyzing thevibration behavior of composite beams using time averaged digital holography. Then, it was shown that thepellets used influence the mechanical behavior of materials under static conditions.Chapter 4 presents the experimental and numerical analysis of composite structures subjected to a shear test inclose three-point bending. We present the results obtained for samples with linen / flax and epoxy / carbon /epoxy.The last chapter deals with the analysis of the dielectric properties of composites reinforced with flax fibersstudied in the preceding chapter. We conclude that the flax fibers incorporated in the composite are lesshydrophilic than those incorporated with carbon fibers, which explains the improved adhesion fiber / matrix inthe first case.