Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet APSTRAM (Allègement et Performance des STRuctures Acier Marine) de l’IRT Jules Verne, s’intéresse à l’endommagement en fatigue à grand nombre de cycles d’un acier ferritique à haute limite d’élasticité HC360LA. La première partie de ce travail est dédiée à la réalisation d’essais de fatigue à contrainte imposée avec différents rapports de charge et différentes conditions initiales (fixées à partir d’un éventuel pré-écrouissage). Ces essais montrent que le pré-écrouissage, obtenu par traction uniaxiale, permet d’augmenter significativement la résistance à la fatigue. Aussi, un effort expérimental est fait pour estimer à partir des mesures de force, d’élongation et de température comment l’énergie de déformation est soit dissipée en chaleur, soit stockée dans le matériau par écrouissage. Les résultats ainsi obtenus montrent qu’il existe à l’échelle macroscopique une corrélation entre l’énergie dissipée et le nombre de cycles à rupture indépendamment des conditions initiales et des conditions de chargement. Cela souligne donc l’importance de la plasticité dans le processus d’endommagement en fatigue de l’acier HC360LA. Un modèle polycristallin de comportement et d’endommagement en fatigue est ensuite proposé. Il repose sur la formulation d’une loi de comportement à l’échelle cristalline qui utilise les ingrédients de la mécanique de l’endommagement pour décrire la dégradation progressive des propriétés mécaniques. La loi de comportement est établie de sorte à considérer le couplage de l’endommagement avec la plasticité, le caractère anisotrope de l’endommagement et l’influence de l’anisotropie des propriétés élastiques. Elle est ensuite implémentée dans un modèle d’homogénéisation afin de prendre en compte le caractère polycristallin de l’acier HC360LA. Le modèle proposé est finalement utilisé pour étudier le comportement en fatigue à l’échelle microscopique. Il permet d’abord de montrer que l’endommagement de fatigue est un processus extrêmement localisé qui ne concerne que quelques cristaux d’orientation particulière. De ce fait, si une diminution de la rigidité est localement observée, les propriétés élastiques macroscopiques sont peu influencées par l’endommagement. Aussi, le modèle permet de souligner que la contribution de l’endommagement à la dissipation de chaleur est négligeable devant celle de la plasticité. La corrélation entre le nombre de cycles à rupture et l’énergie dissipée n’existe donc que parce que l’endommagement de fatigue est le résultat de l’accumulation de déformation plastique. / The present work, which is integrated in the IRT Jules Verne APSTRAM project, focuses on the high cycle fatigue behavior of a ferritic high-strength low-alloy steel (HC360LA). First, different stress-controlled cyclic tests are carried out to study the influence of loading conditions and pre-straining on the fatigue behavior. According to the experimental results, a uniaxial tension pre-straining allows for a significant increase of the fatigue strength. Using the experimental dataset (force, elongation and temperature), an important effort is made to estimate the fraction of strain energy that is either dissipated into heat or stored within the material during cyclic tests. The strong correlation between the number of cycles to failure and heat dissipated energy emphasizes the importance of plasticity in the process driving to fatigue failure. Second, a polycrystalline model is proposed to describe the fatigue behavior of metallic materials in the high cycle fatigue regime. To consider the anisotropy of plastic properties, the constitutive model is developed at the grain scale within a crystal plasticity framework. It uses continuum damage mechanics to describe the progressive degradation of mechanical properties within an anisotropic context. The constitutive model is then integrated within a self-consistent formulation to consider the polycrystalline nature of metallic materials. Finally, the proposed model allows for investigating the fatigue behavior of the HC360LA steel at a microscopic scale. Damage is found to be highly localized in some specific grains. As a result, while fatigue damage results in a progressive decrease of elastic stiffness at the crystal scale, the elastic properties are not significantly affected at the macroscopic scale. Also, the contribution of damage to heat dissipation is negligible. The correlation between energy dissipation and fatigue failure is therefore a consequence of the strong coupling between plasticity and damage.

Cette thèse présente les résultats de travaux visant à étudier les interactions entre les conditions hydrodynamiques et le comportement bactérien en bioréacteur. En s'intéressant plus particulièrement aux phénomènes agissant aux petites échelles, nous avons cherché à identifier, caractériser et quantifier les couplages hydro-bio à l'échelle de la cellule. Ici, la souche Lactococcus lactis a été choisie comme modèle microbiologique, alors qu’un réacteur de type Couette a été préféré afin d’engendrer des contraintes hydrodynamiques connues et définies. Il a été démontré que dans des conditions spécifiques d’écoulement (Modulated Wavy Vortex Flow), les bactéries lactiques s’agrègent au sein d’une matrice riche en polysaccharides. Le lien entre ce phénotype atypique et les contraintes locales liées à l’écoulement a été étudié { l’aide de simulation numérique directe de l’écoulement combiné { un suivi de particule. Cette approche permet d’établir les profils temporels des contraintes subies et de comparer la nature des forces disruptives subies au mécanisme d’agrégation séparation des cellules bactériennes au sein de leur matrice. Ce travail de recherche donne ainsi d’autres exemples d’interactions cellule – environement en bioréacteurs, mettant en exergue des effets mécaniques / The aim of this work is to reach a better understanding of environmental effects on bacterial behaviour in bioreactors. Particular attention has been paid to hydrodynamically-induced stresses at the cell scale, with a view to characterizing and quantifying these local interactions. As a “model experiment”, Lactococcus lactis NCDO2118 has been cultivated in a CouetteBioreactor, a device generating a known and defined flow field. Under specific flow regime (Modulated Wavy Vortex Flow), the cells end up being entrapped in a polysaccharidic matrix. The phenotype of the cells has been demonstrated to be strongly affected by the flow conditions. The stress signal encountered by the cells has been characterized, through umerical simulation (Direct Numerical Simulation) and lagrangian particle tracking, and linked to the phenotypic expression. These studies provide further examples of bacterial response to local hydrodynamic conditions

Cette thèse a pour objet d’aborder l’information en tant que lien essentiel entre les sciences de la nature et les sciences humaines. Il y est principalement fait état de principes de la science physique, alliés à un ensemble d’approches scientifiques issues, notamment, des théories de la complexité, du chaos, de l’information, de l’auto-organisation, des émergences et des écosystèmes. Les lois de la thermodynamique jouent un rôle central dans ce contexte, où l’organisation et la néguentropie sont directement inscrites dans le champ de la production d’informations. Il y est en particulier fait référence à la Loi de maximisation d’entropie (ou, autrement dit, de dissipation d’énergie), dont l’incidence sur le fonctionnement et le comportement des structures dissipatives que sont les humains est soulignée via un large éventail d’exemples pris dans la vie courante, incidences fondées à la base sur le rôle omniprésent de l’information. L’approche systémique, à laquelle il est fait appel dans un certain nombre de considérations, conduit ici à souligner en profondeur les incidences interactives de l’environnement (l’écosystème) - et des principes de la sélection naturelle qui le déterminent - avec le comportement humain et les phénomènes d’information qui définissent celui-ci. Les applications de l’approche globale de cette thèse s’expriment dans une grande variété de domaines, dont également ceux de la survie, du bien-être, de la conversation et de la robotique. / This thesis aims at considering the information as essential link between the sciences of the nature and the human sciences. It is mainly refered to principles of the natural science, allied in a set of scientific stemming approaches, in particular, theories of the complexity, of chaos, of information, auto-organization, emergences and ecosystems. The laws of the thermodynamics play a central role in this context, where the organization and the negentropy make directly part of the field of information production. There is in particular refered to Law of maximization of entropy Production (or, in other words, of energy dissipation), among which the incidence on the functioning and the behavior of the human being as a dissipative structure is underlined via a wide range of examples taken in the common life, incidence basically established on the omnipresent role of the information. The systemics approach, to which it is brought up in a number of considerations, leads here to underline the interactive incidences of the environment (the ecosystem) - linked to the principles of the natural selection which determines its evolution - with the human behavior linked to the information phenomena which define it. The applications of the global approach of this thesis appear in a broad variety of domains, of which also those of the survival, the well-being, the conversation and robotics.

La prédiction de trajectoire de bloc et la conception de structures de protection sont deux des questions principales de l'ingénierie des chutes de pierres. La prédiction de la trajectoire d'un bloc dépend en grande partie des rebonds de ce bloc tandis que la conception de structures de protection, comme des remblais, est étroitement liée à la force d'impact sur le bloc.En se basant sur ce contexte, la thèse traite aussi bien de l'interaction entre un bloc et un milieu granulaire que des rebonds d'un bloc sur un milieu granulaire, en utilisant une modélisation numérique par la méthode des éléments discrets. L'objectif de la thèse est d'identifier et de mesurer les mécanismes qui contrôlent le rebond du bloc et le transfert de charge à l'intérieur du milieu impacté. Le contenu principal comprend trois parties: la modélisation DEM du processus d'impact, le rebond du bloc et le comportement micromécanique du milieu impacté.La loi de contact classique est utilisée pour modéliser le processus d'impact. Elle est mise en œuvre avec une résistance aux roulements pour considérer les effets de forme des particules et est calibrée par des tests triaxiaux quasi-statiques. Le bloc est modélisé par une sphère avec une vitesse d'incident tandis que le milieu est modélisé par un assemblage de particules sphériques poly-dispersées. La modélisation numérique de l'impact est validé en termes de force d'impact, de durée d'impact et de profondeur de pénétration par des expériences de la littérature.Le rebond du bloc et le processus de propagation d'énergie à l'intérieur du milieu impacté sont examinés ensemble. La résistance du milieu pendant l'impact est représentée par l'énergie de tension élastique. La résistance du milieu n'est pas constante car l'augmentation d'énergie de tension élastique est suivie par l'augmentation d'énergie cinétique, la dissipation d'énergie et par la diminution du nombre de coordination. L'occurrence du rebond du bloc obtenue avec des simulations 3D montre que trois régimes d'impact existent, ce qui est en accord avec les résultats de citet{Bourrier_2008}. De plus, la comparaison entre les diagrammes d'occurrence de rebond 2D et 3D montre que les positions et les formes des diagrammes d'occurrence de rebond changent en raison de résistances et de dissipations d'énergie différentes. En se basant sur les deux aspects de l'étude, la relation entre le rebond du bloc et la propagation d'énergie à l'intérieur du milieu est discutée.Le comportement micromécanique du système impacté est examiné en se focalisant sur les mécanismes des chaînes de force. Le réseau de chaînes de force dans le milieu impacté est caractérisé à partir des tensions entre les particules. L'objectif est d'identifier le rôle des chaînes de force dans la force d'impact sur le bloc et dans la microstructure du milieu. En étudiant la force d'impact sur le bloc avec des impacts sur des échantillons de grains de tailles différentes montre que l'échantillon composé de grands grains a une plus grande force d'impact, des chaînes de force plus longues comparées à l'épaisseur du milieu ainsi qu'un grand pourcentage de chaînes de force avec une longue durée de vie. De plus, l'étude de la distribution spatiale et temporelle des chaînes de force montre que la résistance du milieu pendant l'impact est portée par les particules des chaînes situées entre le bloc et la base du milieu impacté et que la propagation des chaînes de force dans la direction latérale joue un rôle secondaire. Enfin, l'étude des mécanismes du flambage des chaînes de force indique que, provoqués par les mouvements entre les particules de la chaîne, l'augmentation de nombre de flambages est liée à la diminution de la force d'impact sur le bloc ainsi qu'à l'augmentation de l'énergie cinétique et de la dissipation d'énergie à l'intérieur du milieu. / The prediction of boulder trajectory and the design of protection structures are particularly two main interests of rockfall engineering. The prediction of boulder trajectory largely depends on the bouncing of the boulder, and the design of protection structures, such as embankments, are closely related to the impact force on the boulder.Based on this background, the thesis deals with the interaction between a boulder and a granular medium as well as the bouncing of a boulder on a granular medium, through numerical modelling based on discrete element method. The objective of the thesis is to identify and quantify the mechanisms that governs the bouncing of boulder and the load transfer inside the impacted medium. The main contents include three parts: DEM modelling of the impact process, global bouncing of the boulder and micromechanical behaviour of the impacted medium.The classical contact law implemented with rolling resistance to consider particle shape effects calibrated based on quasi-static triaxial tests is used to model the dynamic impact process. The boulder is modelled as a single sphere with an incident velocity, the medium is modelled as an assembly composed of poly-disperse spherical particles. The numerical impact modelling is validated in terms of impact force, impact duration, penetration depth by experiments from literature.Bouncing of the boulder is investigated together with the energy propagation process inside the impacted medium. The strength of the medium during impact is represented by elastic strain energy, while the strength of the medium is not persistent since the increase of elastic strain energy is followed by the increase of kinetic energy and energy dissipation, as well as the decrease of the coordination number. Boulder's bouncing occurrence obtained based on 3D simulations shows that three impact regimes exist, which is consistent with the results of citet{Bourrier_2008}. In addition, comparison between 2D and 3D bouncing occurrence diagrams shows that the positions and shapes of bouncing occurrence diagrams shift due to the different strength and energy dissipation properties. Based on the two aspects of investigations, the relation between the bouncing of the boulder and the energy propagation inside the medium is discussed.The micromechanical behaviour of the impacted system is investigated by focusing on force chain mechanisms. The force chain network in the impacted medium is characterized based on particle stress information. The aim is to find the role of force chains in the strength and the microstructure of the medium. Investigations of the impact force on the boulder by impacting samples composed of different grain sizes shows that sample composed of big grains resulting in a larger impact force, longer force chains compared with the medium thickness, and large percentage of long age force chains. In addition, the spatial and temporal distribution of force chains are investigated and the results show that the strength of the medium under impact is built by chain particles located between the boulder and the bottom boundary, and the force chain propagation in the lateral direction of the medium plays a secondary role. Moreover, the investigation of force chain buckling mechanisms indicates that, triggered by the relative movements between the chain particles, the increase of buckling number is related to the decrease of impact force on the boulder as well as the increase of kinetic energy and energy dissipation inside the medium.