Cette thèse porte sur l'étude de milieux granulaires constitués de particules molles. Elle s'appuie d'une part sur la méthode de corrélation d'images numériques (DIC) et d'autre part sur des simulations associant la méthode des éléments finis (FEM) et la méthode de Dynamique des Contacts (CD) permettant de tenir compte de la déformabilité élevée des particules et des interactions entre particules. Pour une large gamme de matériaux complexes (élastique, plastique et mousse solide), l'étude préliminaire de particules uniques comprimées radicalement valide la technique de DIC pour les mesures des champs de déformation, et pour la détermination de l'énergie de déformation pour des matériaux élastiques. Des grandeurs macroscopiques et micro-structurales tels que la compacité, la coordinence, l'énergie élastique, la densité de la probabilité de force de contact ainsi que de la densité d'énergie sont mesurées, et comparées entre les résultats numériques et expérimentaux en particulier dans le régime où les déformations des particules sont d'amplitudes finies. L'accord quantitatif entre ces approches permet de valider à la fois la méthode expérimentale pour l'étude de milieux granulaires à particules déformables, et d'autre part l'approche numérique. Forts de ces résultats, nous avons mené une étude numérique de la compression uniaxiale d'un assemblage de cylindres Néo-Hookéens. L'effet du frottement sur les paramètres macroscopiques et mico-structuraux est déterminé, y compris lorsque la compacité du système est proche de 100% / This thesis deals with the study of granular media composed of soft particles. It relies on the one hand on the method of Digital Image Correlation(DIC) and on the other hand, on simulations coupling the Finite Element Method and the Contact Dynamics method, taking into account the high deformability of particles and interactions between particles. For a wide range of complex materials (elastic, plastic and solid foam), the preliminary study of radially compressed single particles validates the DIC technique for strain field measurements, and for the determination of the strain energy for elastic materials. Macroscopic and micro-structural quantities such as packing fraction, coordination, elastic energy, probability density of the contact force as well as strain energy density, are measured and compared between the numerical and experimental results in particular in the regime where the deformations of the particles are large. The quantitative agreement between these approaches makes it possible to validate both the experimental method for the study of granular media with deformable particles, and the numerical approach. Based on these results, we conducted a numerical study of the uniaxial compression of a Neo-Hookean cylinder assembly. The effect of friction on the macroscopic and mico-structural parameters is determined, even when the packing fraction of the system is close to 100%.

La simulation numérique des systèmes multicorps en présence d'interactions complexes, dont le contact frottant, pose de nombreux défis, tant en terme de modélisation que de temps de calcul. Dans ce manuscrit de thèse, nous étudions deux familles de décomposition de domaine adaptées au formalisme de la dynamique non régulière des contacts (NSCD). Cette méthode d'intégration implicite en temps de l'évolution d'une collection de corps en interaction a pour caractéristique de prendre en compte le caractère discret et non régulier d'un tel milieu. Les techniques de décomposition de domaine classiques ne peuvent de ce fait être directement transposées. Deux méthodes de décomposition de domaine, proches des formalismes des méthodes de Schwarz et de complément de Schur sont présentées. Ces méthodes se révèlent être de puissants outils pour la parallélisation en mémoire distribuée des simulations granulaires 2D et 3D sur un centre de calcul haute performance. Le comportement de structure des milieux granulaires denses est de plus exploité afin de propager rapidement l'information sur l'ensemble des sous domaines via un schéma semi-implicite d'intégration en temps.

La dégradation géométrique de la voie ferrée sur les Lignes à Grande Vitesse (LGV) est un phénomène qui entraîne des coûts de maintenance importants pour assurer une qualité de circulation et de sécurité. Cette dégradation géométrique est imputable, en partie au tassement de la couche de ballast qui constitue l'une des parties de la voie ferrée. Le tassement du ballast est un phénomène difficile à estimer et à prédire car sa nature granulaire et ses caractéristiques particulières entraînent des variabilités de ses propriétés mécaniques. Ce travail de thèse est consacré à l'étude du comportement mécanique du ballast, pour le développement d'un modèle prédictif du tassement sur voie ferrée à partir de la caractérisation mécanique initiale du matériau (grâce à l'utilisation du pénétromètre léger Panda) et des sollicitations auxquelles la voie est soumise. Grâce à l'étude paramétrique développée sur un banc d'essais à échelle réelle, nous avons constitué et validé un modèle de prédiction qui est basé sur une loi de relaxation logarithmique. La modélisation numérique par éléments discrets en utilisant la méthode de la Dynamique des Contacts permet d'étudier les propriétés mécaniques du matériau ballast à l'échelle des grains. L'analyse des déformations transitoires montre une dépendance claire de la déformation moyenne par rapport à la contrainte appliquée et au rapport d'aspect en raison de l'action du frottement aux frontières. Les fluctuations de ces déformations, sont très importantes et semblent évoluer avec la déformation moyenne. Finalement, la pertinence de la caractérisation du ballast à partir de l'essai Panda a été vérifiée à partir d'une étude paramétrique sur les mécanismes d'enfoncement grâce à l'utilisation de cette approche numérique discrète.

On s'intéresse à la modélisation des matériaux granulaires composé d'agrégats non convexes et cohésifs en vue d'application à la rhéologie des poudres d'UO2 . L'influence du degré de non-convexité des particules est analysé en termes de grandeurs macroscopiques (frottement interne et cohésion de Coulomb) et de paramètres micro-mécaniques tels que l'anisotropie de la texture et la transmission des efforts. Il apparaît en particulier que la compacité évolue d'une manière complexe avec la non-convexité et que la résistance au cisaillement augmente mais sature sous l'effet d'imbrication entre agrégats. Des modèles simples sont introduits pour décrire ces comportements en termes de paramètres micro-mécaniques. De même, des études systématiques par cisaillement, compaction uniaxiale et compression simple montrent que la cohésion interne augmente avec la non-convexité mais est fortement contrôlée par les conditions aux limites et l'apparition de bandes de cisaillement ou de concentrations de contraintes.