Dans cette thèse, nous étudions quelques problèmes de lubrification par des fluides non-Newtoniens isothermes et non-isothermes, dans un domaine mince $\Omega^{\varepsilon}$ d'épaisseur de l'ordre de ${\varepsilon}$, avec la condition de frottement de Tresca sur le bord inférieur de $\Omega^{\varepsilon}$. Dans le premier chapitre, nous considérons un fluide non-Newtonien isotherme dont la viscosité suit la loi de puissance. Nous montrons l'existence et l'unicité de la solution $(u^{\varepsilon}, p^{\varepsilon})$ en utilisant des résultats abstraits des opérateurs pseudo-monotones. Ensuite, nous étudions le comportement asymptotique des solutions lorsque $\varepsilon \rightarrow 0$. Nous obtenons ainsi un problème limite, et nous montrons l'unicité des ses solutions. Dans le deuxième chapitre, nous étudions le problème dans le cas non-isotherme. Le système obtenu est complexe, fortement non linéaire, couplant l'équation de la conservation de la quantité du mouvement avec l'équation de la chaleur. La difficulté ici est la preuve du théorème donnant l'existence des solutions, ainsi que les estimations a priori sur la température. Dans le troisième chapitre, nous étudions une variante des équations de Navier-Stokes, où le paramètre $\varepsilon $ est présent aussi dans l'équation de la conservation de la quantité du mouvement sous forme d'un nombre de Reynolds $\varepsilon^{\gamma}$ et dans la condition de frottement de Tresca. Nous montrons l'existence et l'unicité de la solution sous des conditions sur $\varepsilon$ et $\gamma$. Par des techniques semblables à celles utilisées dans les chapitres précédents, nous obtenons le résultat de convergence de la solution $(u^{\varepsilon},p^{\varepsilon})$ vers la solution du problème limite et nous montrons l'unicité de sa solution. Dans le dernier chapitre, nous étudions un autre modèle de fluide non-Newtonien, le fluide visco-plastique de Bingham. Nous supposons en plus de la condition de Tresca sur le bord inférieur, une condition de Fourier sur le bord supérieur. Nous suivons le même schéma d'étude que précédement, les difficultés sont techniques et concernent les estimations a priori, surtout la majoration des termes aux bords.

Nous présentons une série de résultats expérimentaux visant à modéliser le comportement mécanique d'une zone de faille. Nous avons utilisé un appareil de cisaillement simple annulaire permettant d'appliquer des cisaillements plurimétriques à des échantillons épais de gouge granulaire (sable de quartz). Nos résultats mettent en évidence un nouveau processus spectaculaire d'adoucissement en glissement: le coefficient de frottement effectif de la gouge décroît de 70% sur des distances caractéristiques décimétriques. La diminution progressive du frottement avec le glissement est bien représentée par une loi puissance sans échelle caractéristique de longueur. On constate que ce nouveau processus d'adoucissement permet de rendre compte quantitativement des distances d'adoucissement apparentes et des énergies de fracture mises en jeu durant les grands séismes. Nous proposons de l'inclure dans une extension des lois de frottement classiques de type RSF (``rate- and state-dependent friction''). Outre ces résultats macroscopiques, nous avons aussi pu mesurer, par corrélations d'images, les déformations microscopiques à l'intérieur des échantillons. Dès le début du glissement, la déformation se localise dans une bande de cisaillement broyée d'épaisseur constante. Cette bande est séparée du reste du matériau par une fine zone de transition indurée. On remarque que le processus d'adoucissement macroscopique est systématiquement associé à un effet de relaxation lente des incréments de déformation hors de la bande de cisaillement. Nous interprétons ces deux processus concomitants comme résultant d'un découplage progressif entre la bande de cisaillement et le reste de l'échantillon. L'épaisseur mécanique effective de la gouge est donc significativement plus grande que l'épaisseur de la bande de cisaillement. Nous proposons d'extrapoler nos résultats aux zones de faille naturelles, dont la structure présente souvent de fortes analogies avec celle de nos échantillons cisaillés.

Dans ce travail de thèse, une approche hybride (analytique-numérique) a été développée dans le cas de l'usinage des alliages métalliques. La modélisation thermomécanique de l'écoulement du matériau dans la zone de cisaillement primaire, la longueur de contact outil-copeau ainsi que les dimensions des zones de contact collant et glissant ont été obtenues via une approche analytique. L'approche numérique a été introduite pour résoudre le problème thermique non linéaire dans le copeau à l'aide de la méthode des éléments finis. Les zones de contact collant et glissant à l'interface ont été prises en compte en considérant un champ de vitesses conforme aux observations expérimentales. Il a été montré dans cette étude que la coexistence d'un contact collant-glissant influence considérablement l'état de contraintes et la distribution de la température à l'interface outil-copeau. La nature hybride de l'approche proposée permet d'analyser, avec un faible temps de calcul, l'effet des différents paramètres d'usinage (conditions de coupe, paramètres matériaux, géométrie d'outils, etc.) sur le comportement tribologique dans le contact. Enfin, l'approche hybride développée dans le cadre de cette thèse a permis de mettre en place une loi de frottement physique évolutive mettant en relation le frottement apparent mesuré expérimentalement, le frottement local et le comportement thermomécanique du matériau usiné.

Ce travail est dédié à l´étude et la simulation numérique de la rupture dynamique des séismes en deux et trois dimensions d´espace par une méthode d´éléments finis discontinus. Après avoir transformé le système de l´élastodynamique en un système hyperbolique symétrique du premier ordre, nous proposons un schéma numérique basé sur des flux centrés et un schéma explicite en temps de type saute-mouton. A travers l´étude d´une énergie discrète du système, nous spécifions les conditions aux limites sur la faille afin de prendre en compte de manière faible la rupture en mode cisaillant que nous traitons. Nous montrons, qu´en l´absence de tractions tangentielles sur la faille, cette énergie est parfaitement conservée. Nous illustrons la capacité de notre méthode à travers divers cas tests sur des configurations complexes grâce à une implémentation parallèle.

Réduire l'énergie générée par le frottement et dissipée dans les systèmes mécaniques réels est un des challenges actuels en tribologie. Ce point représente une importance toute particulière dans le domaine des transports terrestres. En réponse à cette nécessité, les constructeurs automobiles se concentrent sur la réduction de la consommation d'énergie en sélectionnant des lubrifiants et des matériaux appropriés d'une part et les systèmes mécaniques performants d'autre part. Grâce à leurs propriétés physiques et tribologiques en termes de réduction de la friction et de l'usure, les couches minces de DLC (Diamond-like Carbon) sont considérées comme l'une des solutions. Le comportement tribologique de couches minces de ta-C (carbone amorphe très dur dépourvu d'hydrogène) et de a-C:H (carbone amorphe hydrogéné) est ici exploré. D'autre part, des "lubrifiants verts" et des additifs participant aussi à la réduction du frottement et de l'usure sont testés. Ces essais sont effectués dans différentes conditions en utilisant une nouvelle méthodologie expérimentale. Le tribomètre dynamique oscillant développé au LTDS possède la capacité de quantifier avec une très grande précision et sans recourir à une quelconque mesure de force, des niveaux de frottement faibles (dans la gamme 10 - 5 à 10 - 2), et permet en plus d'identifier différentes contributions du frottement. Dans un premier temps, une loi de frottement linéaire a été utilisée afin d'évaluer deux contributions de frottement. La première, μ0 est le coefficient transitoire de frottement quand la vitesse s'annule au changement de direction (du type frottement de Coulomb). La seconde, μ1, est une contribution dépendante de la vitesse de glissement. Ensuite, une étude numérique a été réalisée en appliquant une loi de frottement quadratique afin de mieux comprendre l'aspect dynamique des réponses libres. Cela nous a permis d'étudier numériquement la décroissance d'amplitude des oscillations déterminée grâce à la méthode de moindres carrés. Nous nous intéressons aussi à l'étude des formes de l'enveloppe de ces oscillations en relation avec le modèle de frottement. Les résultats numériques et expérimentaux pour les lois de frottement linéaire et quadratique sont ensuite comparés. En complément, nous avons mesuré la force tangentielle correspondant aux tribosystèmes testés. Finalement, nous avons étudié numériquement un système dynamique masse-ressort à un degré de liberté, modélisé par la loi de frottement LuGre. Cette loi est décrite par le phénomène d'hystérésis et l'effet de décalage de temps qui ont été détectés expérimentalement. Les résultats expérimentaux obtenus avec le tribomètre oscillant montrent qu'ils sont qualitativement comparables à ceux obtenus en configuration classique cylindre-plan, travaillant à vitesse de glissement constante. Dans tous les cas, les résultats montrent la supériorité du tribosystème ta-C/ta-C dans la réduction du frottement μ0. De plus, les résultats numériques et expérimentaux sont cohérents. Cette étude montre qu'une loi de frottement quadratique est capable de décrire correctement toutes les formes d'enveloppes obtenues expérimentalement : droite, convexe, concave et une combinaison des formes convexe et concave.

Les phénomènes de contact entre les corps, déformables ou non, sont omniprésents dans la vie courante. Leurs modélisations requièrent des outils mathématiques faisant appel à des systèmes d'équations aux dérivées partielles incluant des conditions aux limites non triviales pour décrire le contact. Si les aspects physiques de la mécanique du contact sont connus depuis longtemps, la théorie mathématique qui lui est dédiée reste relativement récente laissant ainsi place à de nombreux problèmes à investiguer. Ce travail porte sur la modélisation, l'analyse et la simulation numérique de tels problèmes. Il se situe à mi-chemin entre la mécanique du contact et les aspects mathématiques inhérents au type de problème qui en découle. L'objectif est ici d'étudier certaines catégories de problèmes faisant intervenir des conditions originales de contact (avec et sans frottement) à la fois d'un point de vue mathématique et numérique, afin d'apporter une contribution à la théorie mathématique, puis de mettre en avant quelques méthodes numériques adaptées à leur résolution dans un cadre spécifique. / Contact phenomena between bodies, whether they are deformable or not, abound in everyday life. Their modellings require mathematical tools using systems of partial differential equations and involving complex boundary conditions, in order to describe the contact. While the physical aspects of such phenomena have been known for a long time, the mathematical theory remains relatively recent which leaves room for numerous problems. This work focuses on the modelling, the analysis and the numerical simulations of such problems. It is located halfway between contact mechanics and the mathematical aspects inherent to the mechanical questions involved. Our aim is to study several groups of problems that include original contact conditions (with or without friction), both from a mathematical and numerical point of view, in order to contribute to the theory, and also to highlight several numerical methods used to solve specific contact problems.

Réduire l’énergie générée par le frottement et dissipée dans les systèmes mécaniques réels est un des challenges actuels en tribologie. Ce point représente une importance toute particulière dans le domaine des transports terrestres. En réponse à cette nécessité, les constructeurs automobiles se concentrent sur la réduction de la consommation d'énergie en sélectionnant des lubrifiants et des matériaux appropriés d'une part et les systèmes mécaniques performants d'autre part. Grâce à leurs propriétés physiques et tribologiques en termes de réduction de la friction et de l'usure, les couches minces de DLC (Diamond-like Carbon) sont considérées comme l'une des solutions. Le comportement tribologique de couches minces de ta-C (carbone amorphe très dur dépourvu d’hydrogène) et de a-C:H (carbone amorphe hydrogéné) est ici exploré. D’autre part, des “lubrifiants verts“ et des additifs participant aussi à la réduction du frottement et de l'usure sont testés. Ces essais sont effectués dans différentes conditions en utilisant une nouvelle méthodologie expérimentale. Le tribomètre dynamique oscillant développé au LTDS possède la capacité de quantifier avec une très grande précision et sans recourir à une quelconque mesure de force, des niveaux de frottement faibles (dans la gamme 10 – 5 à 10 – 2), et permet en plus d’identifier différentes contributions du frottement. Dans un premier temps, une loi de frottement linéaire a été utilisée afin d’évaluer deux contributions de frottement. La première, μ0 est le coefficient transitoire de frottement quand la vitesse s’annule au changement de direction (du type frottement de Coulomb). La seconde, μ1, est une contribution dépendante de la vitesse de glissement. Ensuite, une étude numérique a été réalisée en appliquant une loi de frottement quadratique afin de mieux comprendre l'aspect dynamique des réponses libres. Cela nous a permis d'étudier numériquement la décroissance d’amplitude des oscillations déterminée grâce à la méthode de moindres carrés. Nous nous intéressons aussi à l‘étude des formes de l'enveloppe de ces oscillations en relation avec le modèle de frottement. Les résultats numériques et expérimentaux pour les lois de frottement linéaire et quadratique sont ensuite comparés. En complément, nous avons mesuré la force tangentielle correspondant aux tribosystèmes testés. Finalement, nous avons étudié numériquement un système dynamique masse-ressort à un degré de liberté, modélisé par la loi de frottement LuGre. Cette loi est décrite par le phénomène d’hystérésis et l’effet de décalage de temps qui ont été détectés expérimentalement. Les résultats expérimentaux obtenus avec le tribomètre oscillant montrent qu'ils sont qualitativement comparables à ceux obtenus en configuration classique cylindre-plan, travaillant à vitesse de glissement constante. Dans tous les cas, les résultats montrent la supériorité du tribosystème ta-C/ta-C dans la réduction du frottement μ0. De plus, les résultats numériques et expérimentaux sont cohérents. Cette étude montre qu’une loi de frottement quadratique est capable de décrire correctement toutes les formes d’enveloppes obtenues expérimentalement : droite, convexe, concave et une combinaison des formes convexe et concave. / Controlling friction is a one of the most significant challenges in the field of tribology. Its major purpose is directed towards the reduction of energy in real mechanical systems, especially in the area of transportation. In response to this necessity, the automobile industries are emphasizing on minimizing the consumption of energy by selecting the appropriate lubricants and materials on one hand and mechanical system with high performance on the other hand. DLC (Diamond-like carbon) coated surfaces are considered one of the solutions thanks to their physical and tribological properties in reducing friction and wear. In this study, we have been interested in investigating the friction behavior of both amorphous hydrogenated (a-C:H) and hydrogen-free tetrahedral amorphous carbon (ta-C) DLC coatings. Furthermore, some “green lubricants” and additives are tested which play a role in reducing friction and wear. These latter tests are performed at different operating conditions using a new experimental methodology, known as the dynamic oscillating tribometer. This original tribometer, developed at the Laboratory of Tribology and System Dynamics (LTDS), is able to measure the oscillatory motion corresponding to various tribosystems having low friction. This technique has the ability to quantify with remarkable precision and without any force transducer, low friction values (in the range of 10 – 5 to 10 – 2 ) and also to evaluate different friction contributions from the displacement and velocity-time responses of a mass-springdamper oscillating system. First, a linear friction law has been used for the systems tested in order to calculate two contributions of friction. The first one, μ0 is the transient friction coefficient at zero speed and the second one (Coulomb-type fiction), μ is a velocitydependent friction coefficient. Then, a numerical study is carried out in order to better understand the dynamic aspect of the oscillatory vibratory free responses. A quadratic friction law is used to model on the mechanical system of the apparatus. This allows us to study numerically the behavior of the decreasing amplitudes of the damping responses which are determined using the Averaging method. Furthermore, we are interested in studying the various forms of these oscillations’ envelop in relation with the polynomial expansion of the friction model. Also, numerical and experimental results are compared using both the linear and quadratic friction models. In addition, a particular attention is given to the measured tangential forces corresponding to our tribosystems. Finally, we study numerically a damped mass-spring single degree-of-freedom mechanical system, induced by LuGre friction law described by both hysteresis and lag effect which have been detected experimentally. Results show that friction tests performed with the oscillating tribometer can be qualitatively compared to those obtained with a conventional tribometer. Moreover, ta-C/ta-C surfaces reveal the lowest friction μ0 when tested by both oscillating and reciprocating tribometers. Also, both numerical and experimental results are found to be of good agreement. This study shows that a quadratic friction law is able to describe correctly the envelopes observed in our experimental tests: straight, convex, concave and a combination of both convex and concave.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de l’étude de l’Interaction mécanique Pastille-Gaine (IPG) se produisant dans les crayons combustibles des réacteurs à eau pressurisée. Ce mémoire porte sur le développement de méthodes de raffinement de maillage permettant de simuler plus précisément le phénomène d’IPG tout en conservant des temps de calcul et un espace mémoire acceptables pour des études industrielles. Une stratégie de raffinement automatique basée sur la combinaison de la méthode multi-grilles Local Defect Correction (LDC) et l’estimateur d’erreur a posteriori de type Zienkiewicz et Zhu est proposée. Cette stratégie s’appuie sur l’erreur fournie par l’estimateur pour détecter les zones à raffiner constituant alors les sous-grilles locales de la méthode LDC. Plusieurs critères d’arrêt sont étudiés afin de permettre de stopper le raffinement quand la solution est suffisamment précise ou lorsque le raffinement n’apporte plus d’amélioration à la solution globale.Les résultats numériques obtenus sur des cas tests 2D élastiques avec discontinuité de chargement permettent d’apprécier l’efficacité de la stratégie proposée.Le raffinement automatique de maillage dans le cas de problèmes de contact unilatéral est ensuite abordé. La stratégie proposée dans ce travail s’étend aisément au raffinement multi-corps à condition d’appliquer l’estimateur d’erreur sur chacun des corps séparément. Un post-traitement est cependant souvent nécessaire pour garantir la conformité des zones de raffinement vis-à-vis des frontières de contact. Une variété de tests numériques de contact entre solides élastiques confirme l’efficacité et la généricité de la stratégie proposée. / This Ph.D. work takes place within the framework of studies on Pellet-Cladding mechanical Interaction (PCI) which occurs in the fuel rods of pressurized water reactor. This manuscript focuses on automatic mesh refinement to simulate more accurately this phenomena while maintaining acceptable computational time and memory space for industrial calculations. An automatic mesh refinement strategy based on the combination of the Local Defect Correction multigrid method (LDC) with the Zienkiewicz and Zhu a posteriori error estimator is proposed. The estimated error is used to detect the zones to be refined, where the local subgrids of the LDC method are generated. Several stopping criteria are studied to end the refinement process when the solution is accurate enough or when the refinement does not improve the global solution accuracy anymore.Numerical results for elastic 2D test cases with pressure discontinuity shows the efficiency of the proposed strategy.The automatic mesh refinement in case of unilateral contact problems is then considered. The strategy previously introduced can be easily adapted to the multibody refinement by estimating solution error on each body separately. Post-processing is often necessary to ensure the conformity of the refined areas regarding the contact boundaries. A variety of numerical experiments with elastic contact (with or without friction, with or without an initial gap) confirms the efficiency and adaptability of the proposed strategy.