L'optimisation des rotors d'hélicoptère, tant en termes de forme, de structure interne, ou de performance aérodynamique conduit à explorer de nouveaux types de design pour les pales. L'emploi massif de matériaux composites, le recours à des formes courbes et non plus simplement droites ou encore l'ajustement du vrillage aérodynamique font partie des pistes explorées. Ces nouveaux concepts de pales font apparaitre des comportements élastiques complexes où la torsion, la flexion et l'allongement axial viennent se coupler entre eux. L'étude de ces couplages est réalisée dans le repère tournant afin de pouvoir y intégrer tous les effets inhérents à la rotation des pales. Un élément fini de poutre droite non-linéaire et haute précision est formulé dans ce mémoire afin de répondre aux besoins de modélisation tant pour la prédiction des déformations quasi-statiques sous charge aérodynamique et centrifuge que pour la réalisation d'études dynamiques et de stabilité sur les pales. Le modèle a pour but d'être implémenté dans un code de calcul global de simulation d'hélicoptère et se doit donc de proposer un compromis acceptable entre la précision, la robustesse et le temps de calcul. La validation du modèle proposé s'appuie sur des études analytiques, numériques et expérimentales. La grande précision de l'élément fini proposé est démontrée sur des pales de dernière génération. Il est maintenant attendu que le couplage de ce modèle élastique avec les modèles aérodynamiques les plus avancés permette d'améliorer sensiblement la précision des outils de simulation, en particulier lors de l'étude de phénomènes instables dont la maitrise est indispensable au vol de l'hélicoptère. / Structural, shape and performances optimization in helicopter rotor leads to design composite blades initially curved and twisted. This design yields a highly coupled behavior between torsion, longitudinal and bending motions of blades. Besides, dynamic studies of blades have to be performed in the rotational frame, so that all rotatory effects could be siezed by the modeling. A highly accurate non-linear straight beam finite element is proposed to predict the static deformation under aerodynamic and centrifugal loads and achieve dynamic and stability analysis. This elastic model is to be implemented in a comprehensive rotorcraft analysis code, which means accuracy, reliability and calculation time compromise. Model validation is based on analytical, numerical and experimental investigations. The developed model reveals to be very accurate for new blade design including important twist angle and initially curved shape. It is expected to improve prediction quality for full helicopter simulation tools, undergoing strong coupling with advanced aerodynamic model

Les stratifiés composites sont de plus en plus utilisés dans les pièces de structures des aéronefs ce qui fait émerger de nouvelles problématiques comme celle des Impacts de Faible Energie (IFE). En effet, bien qu’ils possèdent des propriétés rapportées à leur masse très intéressantes ces matériaux peuvent être vulnérables aux petits chocs. Or, compte tenu des nombreux paramètres influents lors d’un tel impact (énergie, vitesse, stratification...), les essais actuellement majoritairement privilégiés à l’échelle industrielle sont long et coûteux. Ainsi, l’apport de la simulation numérique pourrait être d’une grande aide pour les constructeurs. La pratique du « virtual testing », en particulier, permettrait d’aller dans cette direction ce qui aurait pour effet de rationaliser les campagnes d’essais et les coûts financier qui en découlent. Cependant, elle peine à être mise en place ici car le temps CPU nécessaire pour la simulation fine des ndommagements induits par les IFE est trop important avec les méthodes actuelles. Partant de ce constat, ce travail a consisté à tirer avantageusement partie de la localisation spatiale et temporelle des délaminages, fissurations matricielles et ruptures de fibres qui peuvent apparaître pendant l’impact pour diminuer le coût de calcul. Ainsi une méthode multiéchelle en espace et en temps a été mise en place. Elle consiste à découper la structure impactée en deux zones. L’une est située autour du point d’impact, elle contient l’ensemble des non-régularités du problème (contact, loi adoucissante, modèle de zone cohésive). Elle est traitée avec le code de dynamique explicite Europlexus. L’autre correspond à la partie complémentaire. Le problème mécanique y est beaucoup plus régulier et il est traité avec le code de dynamique implicite Zset/Zébulon. Un couplage peu intrusif basé sur la méthode GC est donc réalisé entre ces deux codes. Il permet d’utiliser une modélisation adaptée dans chacune des deux régions ce qui permet en particulier d’utiliser des pas de temps différents. Un rapport supérieur à 1000 peut ainsi être obtenu entre celui du code explicite fixé par la condition de stabilité et celui utilisé dans la partie complémentaire. Un gain de temps CPU significatif confirmé par la simulation d’un impact réalisé sur un panneau composite raidi est ainsi obtenu. Il est également montré que la répartition implicite/explicite peut évoluer au cours du calcul. Pour cela un mécanisme de bascule a été mis en place. Il permet ainsi de faire transiter la résolution d’une partie de la structure initialement traitée dans le code Zebulon dans Europlexus. Un gain de temps supplémentaire est alors obtenu grâce à cette méthode sur le même cas d’application. / The composite laminates are increasingly used in aircraft structural parts which lead to new issues such as the Low Energy Impacts (LEI). Indeed, although they have well mechanical properties relative to their mass, small shocks may be very harmfull for laminates. Controlling such situations is essential for manufacturers that why lot of testing campaigns are currently performed. Yet, they are time consuming and expensive considering the many influential parameters (energy, speed, layup...). Numerical simulations of this phenomenon by practicing the so called “virtual testing” process could be really helpfull to rationalize testing campaigns in order to save money. Yet, this practice remain currently hard to do at the industrial scale due to the excessive CPU time required for fine simulation of damages induced by the LEI. Based on this observation, this work has consisted in taking advantage of the spatial and temporal location of delamination, matrix cracking and fiber breakage that can occur during impact in order to reduce the computational cost. Thus, a space and time multiscale method has been put in place. The impacted structure is split into two areas. One is located around the impacted point, it contains all the non-regularities of the problem (contact, softening law, cohesive zone model). This domain is treated with the explicit dynamics code Europlexus. The other one corresponds to the complementary part. The mechanical problem is much more regular and it is treated with the implicit dynamics code Zset / Zebulon. A low intrusive coupling based on the GC method is carried out between these two codes. It allows to use an adapted model in both regions different time step are in particular used. A time step ratio upper to 1000 can be reach between the one of the explicit code set by the stability condition and the one used in the complementary part. As a results, significant CPU time is saved. This is confirmed by the simulation of a stiffened composite panel impacted. It is also shown that the implicit / explicit allocation can change over the calculation. To do that, a switch mechanism has been established. It thus makes it possible to transit the resolution of a portion of the structure initially solved in the code Zebulon to Europlexus. As a results, further gain is obtained.

En zones de montagne, l'aléa de chutes de pierre concerne à la fois les personnes, les infrastructures et les voies de communication. Différentes mesures de protection peuvent être envisagées pour réduire les conséquences de tels aléas. Certaines de ces mesures sont basées, totalement ou en partie, sur l'utilisation de la forêt comme structure de protection. Des structures de protections faites d'arbres abattus et laissés sur place peuvent également être utilisées pour améliorer ou maintenir la fonction de protection de la forêt suite à des travaux d'entretien forestiers, notamment. L'objectif principal de ce travail est d'étudier la capacité de protection de ces systèmes pare-blocs composés d'arbres en travers ainsi que de fournir des éléments d'aide à leur dimensionnement. Un modèle numérique basé sur la Méthode des Eléments Discrets (MED) a été développé pour étudier l'impact d'un projectile sur une tige de bois vert. Ce modèle permet de prendre en compte à la fois l'interaction bloc-structure à l’échelle locale du contact et la réponse dynamique de la structure « arbre en travers ». Des études expérimentales en laboratoire à petite échelle ont été menées pour calibrer et valider le modèle numérique. Le modèle développé a enfin été utilisé pour analyser l'efficacité des systèmes pare-blocs composés d'arbres en travers. La diminution de l'énergie du bloc suite à l'impact, la réponse de la structure, et son endommagement ont été analysés pour différentes conditions d'impact. Ces résultats ont permis d'établir des recommandations pour la conception de ces dispositifs de protection. / In mountain areas, natural hazards such as snow avalanches, landslides or rockfall threaten people and infrastructures. For this reason, civil engineering has proposed solutions to reduce the risk associated with such hazards. Despite the developments in this field, the protective capacity of forest is largely recognized. For rockfall hazard in particular, forests protection function is relevant as rock impacts onto trees lead to a significant rock energy loss. After forests maintenance tasks or windstorms the protection capacity of forests decreases. For this, felled trees are often left on the ground, in oblique position to compensate the decrease in the forest protection capacity due the forests stands density reduction. The main goal of this PhD research is to study the rockfall protection structures made of felled trees. Moreover, these investigations aim to provide recommendations for the design of such devices. A numerical model based on the Discrete Element Method (DEM) has been developed to study the dynamic response of fresh wood structures to impact. Laboratory experiments have been carried out to calibrate and validate the numerical developments. The DEM model implemented has been finally used to simulate real scenarii of rock impacts on simplified felled tree structures. These simulations have allowed identifying the most favorable configurations leading to a maximal loss of the rock kinetic energy during the impact onto a felled tree structure. Some improvements on the design of these structures are proposed to improve their capacity to dissipate the rock energy.

Cette contribution, en s’appuyant sur un travail expérimental et de modélisation numérique à l’aide de la méthode des éléments distincts, vise l’étude de structures en maçonnerie et de structures en pisé. Pour la partie maçonnerie, notre étude traite tout d’abord de modèles réduits testés sur table inclinable, puis dans un second temps nous avons testé des murs en briques à une échelle représentative. Dans la deuxième partie, nous avons mené des essais sur des murs en pisé sous un chargement en cisaillement, avec ou sans précontrainte axiale de confinement qui correspond à une descente de charge. Une modélisation numérique par la méthode des éléments discrets a été réalisée pour ces différents cas d’étude. La comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques, nous a permis, d’évaluer les pertinences et limites de la modélisation via la méthode des éléments discrets (DEM). / This contribution, based on experimental work and numerical modeling using the distinct elements method, aims to study masonry structures and rammed earth structures. For the masonry part, our study first deals with reduced models tested on tilting table, then in a second time we tested brick walls on a representative scale. In the second part, we conducted tests on rammed earth walls under a shear loading, with or without axial prestressing of the containment which corresponds to a descent of load. Numerical modeling using the discrete element method has been carried out for these different case studies. The comparison between the experimental and numerical results, allowed us to evaluate the relevance and limits of modeling via the discrete element method (DEM).

Ce travail s’inscrit dans le cadre d’un partenariat international Airbus Safran Launchers ", " Ecole Centrale de Lyon " et " Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tunis ". Les composés élastomériques sont largement utilisés dans l’industrie pour leurs déformabilité et leurs capacités d’amortissement. Soumis aux combinaisons complexes de fabrication et de charges de service, les élastomères montrent la capacité de subir des conditions de chargement sévères et le cas de pré-déformation statique superposée par une excitation dynamique de petite amplitude est couramment utilisé pour des applications industrielles, par exemple des pneus, des amortisseurs, applications aérospatiales ... Pour concevoir efficacement ces composés industriels, il est primordial de prédire la réponse des produits à travers des processus de modélisation simples qui ont multiplié les méthodes d’analyse: expérimentale, théorique et numérique. Dans ce contexte, le présent travail se concentre sur la conception et l’analyse des propriétés dynamiques d’un dispositif élastomère autour d’une configuration préformée. À cette fin, trois mélanges de caoutchouc ont été expérimentés: Caoutchouc naturel (NR), Bromobutyl (BIIR) et un mélange des deux (NR / BIIR). Une discussion est faite avec préoccupation pour la mise en place expérimentale ainsi que les procédures utilisées pour des essais expérimentaux efficaces. Avec ces conclusions, nous avons fait un jugement sur les capacités de prévision, dans les domaines temporels et fréquentiels, de certains modèles hyper-visco-élastique à base d’intégrale unique sous l’hypothèse de séparabilité des effets temps-déformation. Les modèles considérés sont largement utilisés pour les applications d’ingénierie. Ce travail est suivi d’une application sur un composant industriel. Dans le cadre de cette thèse, le code de calcul d’éléments finis ABAQUS 6.14 a été utilisé pour étudier les propriétés dynamiques de cette structure. Une méthodologie d’analyse a été présentée pour identifier soigneusement l’ensemble des paramètres dans le but de satisfaire certaines exigences industrielles, principalement des capacités de masse, de rigidité et d’amortissement. / This work is conducted as international collaboration with " Airbus Safran Launchers ", " Ecole Centrale de Lyon " and " National Engineering School of Tunis ". Elastomeric compounds are widely used in industry for their high deformability and damping capabilities. Subjected to complex combinations of manufacturing and service loadings, elastomers show the fact to undergo severe loading conditions and the load case of large static predeformation superimposed by small amplitude dynamic excitation is commonly encountred for industrial applications e.g tires, shock-absorbing bushes, construction industry, aerospace applications... To design such industrial compounds efficiently, it is of major importance to predict the response of the products through simple modeling processes which have multiplied analysis methods: experimental, theoretical and numerical. Within this context, the present work focuses on design and analysis of dynamic properties of an elastomeric device at a predeformed configuration. To this end, three rubber mixtures have been experimentally investigated: Natural Rubber (NR), Bromobutyl (BIIR) and a mixture of both (NR/BIIR). A discussion is made with concern to experimental set-up as well as the used procedures for an efficient specimens testings. Within these findings, we made judgement on the predictive capabilities, in time and frequency domains, of some single integral based hyper-visco-elastic models under time-strain seperability assumption. The considered models are widely used for engineering applications and focus have been made on the Simo model implemented in finite element commercial software Abaqus. This work is followed by an application on an industrial component. In the framework of this thesis, the finite element calculation code ABAQUS 6.14 was used to investigate the dynamic properties of such structure. An analysis methodology have been presented to carefully identify the set of parameters with the objective of satisfaction of some industrial requirements mainly mass, stiffness and damping capabilities.

L'objectif de ce travail est de mettre au point des méthodes pour détecter, localiser, quantifier et suivre l'évolution de l'endommagement dans les câbles courts, tels que les suspentes des ponts suspendus, à partir de leurs réponses vibratoires. Afin de modéliser ces câbles, un modèle linéaire 1D de poutre d'Euler Bernoulli avec tension est utilisé. Ce modèle permet de modéliser une large gamme de structures, allant de la corde vibrante à la poutre sans tension. Pour le câble, l'endommagement est introduit dans l'équation vibratoire par des modifications locales de la masse linéique et de la rigidité en flexion et par un changement global de la tension. De plus, pour introduire une "fissure" dans l'équation vibratoire d'une poutre, la modification de la rigidité peut être remplacée par un ressort de rotation au niveau de la fissure. Pour ces deux modèles d'introduction d'endommagements, une estimation analytique au premier ordre des variations des paramètres modaux en fonction des modifications est établie. Grâce aux estimations analytiques obtenues pour la variation relative des fréquences en fonctions des modifications physiques, nous développons des techniques de localisation pour deux cas d'étude : deux essais seuls correspondants à deux états (sain et endommagé) et une série d'essais (plusieurs essais de l'état sain à l'état endommagé). Pour ce second cas, une autre méthode de détection et de localisation utilisant cette fois la SVD est proposée. Les méthodes proposées sont testées sur des données numériques et sur des données expérimentales existant dans la littérature ou effectuées pendant la thèse / The objective of this work is to develop methods to detect, localize, quantify and follow the evolution of the damage in short cables, such as suspenders of the suspension bridges, using their vibratory responses. To simulate these cables, a 1D Euler Bernoulli beam linear model with tension is used. This model allows to study a wide range of structures from the vibrating string to the beam without tension. For cables, damage is introduced into the vibratory equation by local changes of the linear density and the bending stiffness and a global change in the tension. To introduce a crack in the vibrating beam equation, the change in the rigidity may be replaced by a pinned joint at the location ofthe crack. For both these models, a first order analytical estimation of the variation of modal parameters due to theses changes is established. Using these analytical estimations of the relative frequency variations in functions of the physical changes, we develop methods of localization for two cases : only two tests corresponding to two states (healthy and damaged) and a series of tests (several tests on the healthy state and several tests on the damaged state). For the second case, we propose another method of detection and localization which uses the SVD tool . These methods are tested on numerical data and experimental data from literature or from tests performed during the phD.

Les travaux de la présente thèse portent sur le recalage de modèles dynamiques d’aubes de turbinecomposites à matrice céramique. Ils s’inscrivent dans le cadre de la quantification d’incertitudes pour la validation de modèles et ont pour objectif de fournir des outils d’aide à la décision pour les ingénieurs desbureaux d’études. En effet, la dispersion importante observée lors des campagnes expérimentales invalidel’utilisation des méthodes de recalage déterministe. Après un état de l’art sur la relation entre les incertitudeset la physique, l’approche de Vérification & Validation a été introduite comme approche permettantd’assurer la crédibilité des modèles numériques. Puis, deux méthodes de recalages stochastiques, permettantde déterminer la distribution statistique des paramètres, ont été comparées sur un cas académique. La priseen compte des incertitudes n’élude pas les potentielles compensations entre paramètres. Par conséquent, desindicateurs ont été développés afin de détecter la présence de ces phénomènes perturbateurs. Ensuite, lathéorie info-gap a été employée en tant que moyen de modéliser ces méconnaissances. Une méthode derecalage stochastique robuste a ainsi été proposée, assurant un compromis entre la fidélité du modèle auxessais et la robustesse aux méconnaissances. Ces outils ont par la suite été appliqués sur un modèle éléments / This work is focused on the stochastic updating of ceramic matrix composite turbine blade model. They arepart of the uncertainty quantification framework for model validation. The aim is to enhance the existing toolused by the industrial decision makers. Indeed, consequent dispersion was measured during the experimentalcampaigns preventing the use of deterministic approaches. The first part of this thesis is dedicated to therelationship between mechanical science and uncertainty. Thus, Verification and Validation was introduced asthe processes by which credibility in numerical models is established. Then two stochastic updatingtechniques, able to handle statistic distribution, were compared through an academic example. Nevertheless,taking into account uncertainties doesn’t remove potential compensating effects between parameters.Therefore, criteria were developed in order to detect these disturbing phenomena. Info-gap theory wasemployed as a mean to model these lack of knowledge. Paired with the stochastic updating method, a robuststochasticapproach has been proposed. Results demonstrate a trade-off relationship between the model’sfidelity and robustness. The developed tools were applied on a ceramic matrix composite turbine blade finiteelement model.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au comportement vibratoire d’un véhicule soumis à une excitation moteur dans deux plages de régimes différentes : basses fréquences (0 – 50 Hz) et moyennes fréquences (200 – 800 Hz). Le but était de fournir des méthodologies numériques permettant de prendre en compte les phénomènes de couplage vibratoires existant entre les différents sous-systèmes constitutifs d’une caisse automobile.En basses fréquences, nous avons adopté une approche globale où chaque sous-système a été caractérisé séparément. Tout d’abord, le comportement de la caisse a été caractérisé expérimentalement et numériquement par une méthode jusqu’alors réservée au domaine aéronautique dite d’appropriation modale. Les résultats numériques ont alors été confrontés aux résultats expérimentaux. Par ailleurs, le comportement non-linéaire en amplitude et en fréquence des pièces de filtration moteur (SMO) a été déterminé sur banc de mesure. Un fort comportement non-linéaire a pu être constaté et ces caractérisations ont été exploitées en construisant des nappes raideur-fréquence-amplitude. Dans un second temps, des méthodes numériques permettant de réaliser l’assemblage non - linéaire de la caisse et du groupe moto – propulseur (GMP) via les pièces de filtration non linéaires ont été mises en place. Pour ce faire, nous avons développé une méthode dite de Balance Harmonique (HBM) qui permet de prédire la dynamique non-linéaire de systèmes complexes. Afin d’appliquer cette méthode à une structure industrielle, nous avons utilisé une méthode de condensation sur les degrés de liberté non-linéaires, technique bien adaptée aux cas de structures linéaires reliées localement par des éléments de liaison non-linéaires. Cette méthode a tout d’abord été validée sur un périmètre restreint comprenant un GMP relié à un bâti rigide par ses pièces de filtration. A cette occasion, des phénomènes non-linéaires importants ont été constatés expérimentalement. Un modèle numérique de GMP a été construit et l’utilisation de la méthode HBM a permis de retrouver ces constats. Enfin, après avoir réalisé l’assemblage non-linéaire des trois sous-systèmes GMP - SMO - Caisse, la structure a été excitée de plusieurs manières différentes : appropriation numérique non-linéaire et excitation réelle d’un GMP. En moyennes fréquences, nous avons présenté dans ce mémoire une étude importante pour le groupe Renault concernant la caractérisation des pièces de filtration en moyennes fréquences. Au cours de la thèse, une méthodologie numérique basée sur la méthode FBS permettant de déconfiner (ou découpler) une suspension moteur initialement reliée à un banc de mesure a été proposée. La faisabilité numérique du déconfinement a ainsi été démontrée. Cette méthode permet donc, en dépit de phénomènes de couplage avec le banc de mesure, d’obtenir le comportement vibratoire intrinsèque de la pièce. / In this thesis we studied the vibratory behaviour of a whole vehicle under engine excitation at low frequencies (0 – 50 Hz) and medium frequencies (200 – 800 Hz). The aim of the thesis was to provide numerical methodologies to take into account coupling effects between all the sub-systems constituting a whole car. In low frequencies, we used a global approach where each subsystem was characterized separately before coupling. First the car body was characterised both experimentally and numerically using a modal appropriation method that is commonly used in the aeronautic field. Numerical shapes of the modes were correlated to experimental shapes. In addition, the amplitude and frequency non linear behaviour of the engine mounts was measured on a test bench. A strong non linear behaviour was observed and stiffness – frequency – amplitude layers were constructed based on those data.Secondly, numerical methods were developed in order to calculate the coupled non linear response between the engine, the engine mounts and the car body. We used a harmonic balance method that allows calculating the non linear dynamics of complex mechanical systems. In order to apply this method to large industrial finite element models, a condensation method on non linear degrees of freedom was developed. This technique is well adapted to problems of linear structures linked together with localnon linear joints. This method was validated on the isolated engine linked to a bench by the engine mounts. Strong non linear phenomena on the rigid body modes of the engine were observed experimentally.A numerical model of the engine was developed and the HBM method allowed reproducing these non linear phenomena. Eventually, the non linear model of the whole vehicle was coupled and excited by different efforts. First we calculated the response of the assembly using the appropriation method. Then, the structure was excited by a real four – cylinder engine excitation.In medium frequencies, we presented an important study for the group Renault concerning the stiffness measurement of the engine mounts. A numerical methodology based on the FRF Based Substructuring(FBS) method was developed. This method was applied to uncouple an engine mount initially coupled to a test bench. The numerical feasibility of the method was proved and allowed to get the own vibratory behaviour of the engine mount despite coupling phenomena with the test bench.