La thèse de doctorat propose la description physiquement cohérente de la limite d'élasticité du matériau sur la base des résultats des expériences associées à des simulations FEM. L'approche théorique est basée sur l'hypothèse de de la limite d'élasticité du matériau de Burzynski. L'hypothèse de l'effort de matériau est dérivée de la définition de l'énergie de fin de course variable de changement de volume et de distorsion. En cas particuliers, les critères comprennent asymétrie de gamme élastique et, sous une forme élargie, il est applicable aux matériaux initialement anisotropes. La thèse a démontré la nécessité de fournir une vue intégrée sur des expériences et des simulations numériques afin d'obtenir la description de l'apparition de la plasticité. Pour atteindre cet objectif, une méthodologie spécifique a été développé- la procédure qui combine des techniques expérimentales avec les simulations numériques pris en charge par la description précise du comportement des matériaux. Comme une partie de l'approche de modélisation numérique, les analyses numériques été effectuées afin de corriger les inexactitudes des résultats expérimentaux présentés. En outre, la Burzynski condition isotrope a été mis en oeuvre dans la méthode des éléments finis via UMAT (user subroutine for ABAQUS). La versatilité du rendement description est illustrée par l'application de matériaux à structure amorphe et différents systèmes de cristaux cubiques: la structure FCC (face centered cubic) et BCC (body centered cubic). A titre d'exemples: - un matériau de type FCC structure - OFHC Cu, Oxygen Free High Conductivity Copper, un matériau de type BCC structure - E335, acier non allié de haute résistance et l'exemple des matériaux amorphes - polycarbonate (PC) et biopolymères (PLA/PBAT). Pour les matériaux les analyses précises ont été effectuées afin d'obtenir des propriétés microstructurales et mécaniques via large gamme de tests de résistance dans diverses conditions de chargement. Le nombre de données exemplaires trouvés dans la littérature des matériaux sensibles à la pression et/ou initialement anisotrope ont été analysés. Il a été prouvé que les critères proposés donnent approximation précise de l'état du début de la plasticité par rapport à d'autres conditions d'usage courant. Les critères résultant semblent être une méthode universelle et largement applicable d'obtenir la description de l'apparition de la plasticité / This thesis proposes physically consistent description of the elastic limit of the material on the basis of the results associated with FEM simulations experiments. The theoretical approach is based on the assumption that the limit of elasticity of material Burzynski. The hypothesis effort material is derived from the definition of the end energy of variable stroke volume change or distortion. In special cases, the criteria include asymmetry elastic range and in an expanded form, it is applicable to initially anisotropic materials. The thesis has demonstrated the need to provide an integrated view on experiments and numerical simulations to obtain the description of the onset of plasticity. To achieve this goal, a specific methodology was developed - the procedure which combines experimental techniques with numerical simulations supported by a precise description of the behavior of materials. As part of the approach to numerical modeling, numerical analyzes were performed to correct the inaccuracies of the experimental results presented. In addition, Burzy?ski isotropically been implemented in the finite element method via UMAT (user subroutine for ABAQUS). The versatility of description performance is illustrated by the application of materials with amorphous structure and cubic crystals of different systems: structure FCC (face centered cubic) and BCC (body centered cubic). Examples : - type material FCC structure - OFHC Cu, Oxygen Free High Conductivity Copper material BCC structure type - E335 , not alloyed high strength and example of the amorphous steel materials - polycarbonate (PC) and biopolymers ( PLA / PBAT ) . Materials for specific analyzes were performed to obtain microstructural and mechanical properties via wide range of stress tests in various loading conditions. The number of copies of data found in the literature of the pressure sensitive and / or anisotropic materials was initially analyzed. It has been proven that the proposed criteria provide accurate approximation of the state of early plasticity in relation to other terms in common use. The resulting criteria appear to be universal and widely applicable method of obtaining a description of the appearance of the plasticity

Ce travail de thèse contribue à étudier le comportement élasto-plastique au rayage du verre métallique massif Zr55Cu30Al10Ni5 par la méthode des éléments finis (MEF) et expérimentaux. Le critère de plasticité de type Drucker-Prager est utilisé, une méthode de remaillage est proposée afin d'éviter le problème de convergence qui vient de la grand contrainte cisaillement. Pour cela, le comportement au rayage est étudié par le changement de l'angle d'attaque, du coefficient de frottement local entre le matériau et l'indenteur. Ces influences sont valorisés par l'évolution des forces rayures, par la morphologie de l'échantillon, et ils montrent le mécanisme de changement des modes de rayage : du labourage à l'usinage avec la formation des copeaux. Les essais sont réalisés à l'aide de l'équipement du LARMAUR : Un nano-triboindenteur de type Hysitron Ti-950. La comparaison des résultats simulés et expérimentaux nous permettre d'évaluer la loi comportement utilisé et d'estimer la valeur de coefficient de frottement entre le matériau et l'indenteur. / This thesis contributes to modeling of the elasto-plastic behavior in scratch test of a Zr55Cu30Al10Ni5 Bulk Metallic Glasses (BMG) by the finite element method and by experimental testing. The Drucker-Prager criterion is used and dedicated re-meshing method is proposed in order to solve the numerical problems classically encountered when modeling such a test and this with a controlled element population. The influence of friction coefficient as well as the angle of attack are investigated to understand the occurrence of two deformation mechanisms : plowing and cutting. The test is realized by using the LARMAUR's equipment : nano triboindenter Hysitron Ti-950. The result of experimental and simulation are confronted the finite element simulations.

Une technique numérique basée sur le couplage d’une approximation par éléments finis et d’une méthode intégrale a été développée pour le calcul du signal induit dans les antennes I.R.M. Ce signal est issu du mouvement de précession libre de l’aimantation transversale du corps à explorer pendant la relaxation. Dans notre modélisation, l’aimantation transversale représente le champ magnétique source. Celui-ci induit dans l’antenne un courant d’une durée très brève (quelques millisecondes) ; il représente le signal contenant toutes les informations de l’échantillon. Notre modélisation des antennes d’I.R.M de type circuit imprimé a été validée par comparaison avec des mesures expérimentales ainsi qu’avec une méthode analytique. Nous l’avons développée en tenant compte de leurs géométries et de leurs caractéristiques électromagnétiques afin d’avoir un meilleur rapport Signal/Bruit. Nous avons pris en considération des principaux facteurs tels que la distance entre l’antenne et l’échantillon à explorer ainsi que les caractéristiques électromagnétiques de l’antenne. / A numerical technique, based on the combination of a finite element method and a boundary integral method, has been developed to compute the induced signal in MRI antennas. This signal rises from a free movement of precession of the transverse magnetization of the sample to explore. In our modeling, the transverse magnetization represents the magnetic source field. Its flux embraces the antenna to give rise to a sinusoidal current which is very quickly attenuated in time (a few ms); it represents the signal containing all the information of the sample. We here want to find the geometrical and electromagnetic characteristics of the antennas which permit to have a signal to noise ratio as great as possible. In our computation, we have taken into account leading factors such as the distance between the probe and the organ to be explored and also the geometrical and electromagnetic characteristics of the probe. Our modeling of printed circuits MRI antenna has been validated by comparing with experimental measurements and also with an anlytical method. We have developped it by taking into account their geometries and their electromagnetical characteristics in order to have a better signal/noise ratio. We have considered principal factors such as the distance between the antenna and the organ to explore and also the electromagnetic characteristics of the antenna.

Cette thèse vise à développer une méthode d'homogénéisation numérique multi-échelle pour la prédiction des propriétés élastoviscoplastiques d'un béton à haute performance (BHP), où les hétérogénéités microstructurales sont analysées par nanoindentation. La procédure d'homogénéisation a été effectuée en deux niveaux en fonction de la microstructure du BHP : le niveau correspondant à la matrice composée de produits d'hydratation, de clinker et de cendre volante, et le niveau correspondant au mortier qui contient la porosité et les agrégats. Le comportement élasto-viscoplastique des phases microstructurales individuelles de la matrice est identifié à partir des données de nanoindentation. Une méthode inverse est réalisée en utilisant la simulation par éléments finis des tests de nanoindentaion combinée à une procédure d'optimisation numérique. Les résultats micromécaniques sont ensuite utilisés comme paramètres d'entrée pour l'homogénéisation élastoviscoplastique numérique à l'échelle microscopique. Le niveau correspondant au mortier est analysé par homogénéisation numérique en utilisant la simulation par éléments finis pour prédire les propriétés globales du béton. Les résultats sont comparés aux résultats expérimentaux et analytiques macroscopiques issus de la littérature montrant un bon accord. La procéduredéveloppée dans ce travail donne des résultats prometteurs pour la prédiction des propriétés élasto-viscoplastiques du BHP et peut être étendue à d'autres lois de comportement, y compris l’endommagement. La dernière partie de la thèse est consacrée à l'étude expérimentale de deux bétons préparés avec deux adjuvants différents. / This thesis aims at developing a numerical multiscale homogenization method for prediction of elasto-viscoplastic properties of a high performance concrete (HPC) where the microstructural heterogeneities are analyzed with the nanoindentation. The homogenization procedure was separated into two-levels according to the microstructure of the HPC: the matrix level composedof hydration products, clinker and fly-ash and the mortar level which accounts for large air porosity and aggregates. The elastoviscoplastic behavior of individual microstructural phases of the matrix are identified from nanoindentation data. An inverse method is applied by using the finite element simulation of the nanoindentaion tests combined with a numerical optimizationprocedure. The micromechanical results are then used as input parameters for numerical elasto-viscoplastic homogenization at microscale. The mortar level is analyzed with numerical homogenization by using the finite element simulation to predict the overall elasto-viscoplastic high performance concrete properties. The results are compared with macroscopic experimental and analytical results from the literature showing a good agreement. The procedure developed in this work gives promising results for the prediction of HPC properties and can be extended to other constitutive laws including damage. The last part of the thesis is dedicated to the experimental study of two concretes prepared with two different adjuvants.

Ces dernières années, l'étude de la rupture localisée des structures massives sous chargement thermomécanique est devenue un enjeu important en Génie Civil du fait de l'augmentation du nombre de constructions endommagées ou totalement effondrées après un feu. Deux questions centrales ont émergé : la modélisation mathématique des phénomènes mis en jeu lors d'un feu d'une part et la simulation numérique de ces problèmes d'autre part. Concernant la modélisation mathématique, la principale difficulté est la mise en place de modèles thermomécaniques capables de modéliser le couplage existant entre les effets thermiques et mécaniques , en particulier dans une zone de rupture localisée. Comment le chargement mécanique affecte la distribution de température dans le matériau et inversement, comment le chargement thermique influence la réponse mécanique ? Sont des questions qui doivent être abordées. Ces questions sont d'autant plus difficiles à aborder que l'on considère une zone de rupture où la mécanique des milieux continus classiques ne peut pas être appliquée du fait de la présence de discontinuités du champ de déplacement et, comme cela est démontré dans ce travail, du flux thermique. Pour ce qui concerne la simulation numérique, la complexité du problème multi-physique posé en termes de système d'équations aux dérivées partielles impose le développement de méthodes de résolution approchées adaptées, efficaces et robustes, la solution analytique n'étant en général pas disponible. Cette thèse contribue sur les deux aspects précédents. En particulier, des modèles thermomécaniques pour le béton et l'acier (les deux principaux matériaux utilisés en Génie Civil) capables de contrôler simultanément les phases d'écrouissage accompagnées de plasticité et/ou d'endommagement diffus ainsi que la phase adoucissante due au développement de macro-fissures sont proposés. Le problème thermomécanique est ensuite résolu par une méthode dite «adiabatic operator split» qui consiste à séparer le problème multiphysique en une partie mécanique et une partie thermique. Chaque partie est résolue séparément en utilisant une fois de plus une méthode «d'operator split» dans le cadre des méthodes à discontinuités fortes. Dans ces dernières, une discontinuité du champ de déplacement ou du flux thermique est introduite et gérée au niveau élémentaire du code de calcul Éléments Finis. Une procédure de condensation statique élémentaire permet de prendre en compte ces discontinuités sans modification de l'architecture globale du code de calcul Éléments Finis fournissant les champs de déplacement et de température. Dans cette thèse est également abordée la question de l'évaluation de la réponse jusqu'à rupture de structures en béton armé de type poteaux/poutres soumises à un feu. L'originalité de la formulation proposée est de tenir compte de la dégradation des propriétés mécaniques du matériau due au chargement thermique pour la détermination de la résistance limite et résiduelle des structures mais également de prendre en compte deux types de rupture caractéristiques des structures poteaux/poutres à savoir les ruptures en flexion et les ruptures en cisaillement. Les travaux présentés dans cette thèse pourront être étendus pour décrire la rupture de structures en béton armé dans des cas bi ou tridimensionnels en tenant compte en particulier du comportement de l'interface acier/béton et/ou d'autres types de rupture comme la rupture par fatigue ou le flambage. Une extension possible est également la prise en compte des effets dynamiques mis en jeu lorsque la structure est sollicitée mécaniquement par un tremblement de terre ou un impact en plus de la sollicitation thermique. / During the last decades, the localized failure of massive structures under thermo-mechanical loads becomes the main interest in civil engineering due to a number of construction damaged and collapsed due to fire accident. Two central questions were carried out concerning the theoretical aspect and the solution aspect of the problem. In the theoretical aspect, the central problem is to introduce a thermo-mechanical model capable of modeling the interaction between these two physical effects, especially in localized failure. Particularly, we have to find the answer to the question: how mechanical loading affect the temperature of the material and inversely, how thermal loading result in the mechanical response of the structure. This question becomes more difficult when considering the localized failure zone, where the classical continuum mechanics theory can not be applied due to the discontinuity in the displacement field and, as will be proved in this thesis, in the heat flow. In terms of solution aspect, as this multi-physical problem is mathematical represented by a differential system, it can not be solved by an ‘exact’ analytical solution and therefore, numerical approximation solution should be carried out. This thesis contributes in both two aspects. Particularly, thermomechanical models for both steel and concrete (the two most important materials in civil engineering), which capable of controling the hardening behavior due to plasticity and/or damage and also the softening behavior due to the localized failure, are carried out and discussed. Then, the thermomechanical problems are solved by ‘adiabatic’ operator split procedure, which ‘separates’ the multi-physical process into the ‘mechanical’ part and the ‘thermal’ part. Each part is solved individually by another operator split procedure in the frame-work of embbed-discontinuity finite element method. In which, the ‘local’ discontinuities of the displacement field and the heat flow is solved in the element level, for each element where localized failure is detected. Then, these discontinuities are brought into the ‘static condensation’ form of the overall equilibrium equation, which is used to solved the displacement field and the temperature field of the structure at the global level. The thesis also contributes to determine the ultimate response of a reinforced concrete frame submitted to fire loading. In which, we take into account not only the degradation of material properties due to temperature but also the thermal effect in identifying the total response of the structure. Moreover, in the proposed method, the shear failure is also considered along with the bending failure in forming the overal failure of the reinforced structure. The thesis can also be extended and completed to solve the behavior of reinforced concrete in 2D or 3D case considering the behavior bond interface or to take into account other type of failures in material such as fatigue or buckling. The proposed models can also be improved to determine the dynamic response of the structure when subjected to earthquake and/or impact.

Une capsule est une goutte liquide entourée d'une fine membrane élastique. La modélisation du comportement mécanique d'une capsule est un problème complexe de couplage entre la mécanique des fluides interne et externe et celle de la paroi de la capsule, qui peut subir des grandes déformations. On a développé une nouvelle méthode numérique pour modéliser le comportement d'une capsule dans un écoulement de Stokes infini. Le problème fluide est résolu à l'aide de la méthode des intégrales de frontière, tandis que la problème solide l'est par des éléments finis de membrane. La stratégie de couplage développée est non-classique, en particulier parce que les déplacements (plutôt que les efforts) sont imposés aux éléments finis de membrane. Cette nouvelle méthode est conditionnellement stable, précise et demeure stable en présence de compression dans le plan de la membrane, ce qui est une situation qui pose problème avec d'autres méthodes. On applique cette méthode à l'étude de capsules de forme initiale ellipsoïdale, dans un écoulement de cisaillement simple infini. Ces capsules ont des applications biomédicales intéressantes, et constituent un premier modèle mécanique de globule rouge. On met en évidence deux régimes distincts, selon l'intensité du cisaillement dans le fluide : le tumbling (quasi-solide) et le swinging (quasi-fluide). On montre également que les propriétés de la paroi (loi de comportement, module de dilatation surfacique) ont une influence cruciale sur le comportement de la capsule. La nouvelle méthode numérique est prometteuse et peut être étendue pour prendre en compte un rigidité de flexion de la paroi.

La modélisation physique de la phonation a pour but d'expliquer et reproduire les phénomènes intervenant lors des oscillations des plis vocaux, à l'origine des signaux acoustiques constituant les sons voisés de la parole. Cette thèse propose tout d'abord une étude expérimentale et la modélisation de l'influence de différentes conditions mécaniques, géométriques et acoustiques sur les propriétés des oscillations de répliques déformables de plis vocaux. Un intérêt particulier est ensuite porté sur la modélisation de l'écoulement glottique. L'inversion des modèles unidimensionnels est utilisée pour estimer des quantités généralement considérées comme les paramètres d'entrée/contrôle. Un modèle laminaire 2D basé sur la méthode des éléments finis est mis en oeuvre pour décrire plus finement l'écoulement glottique. Les prédictions des modèles d'écoulement sont confrontées à des mesures in-vitro réalisées sur des répliques rigides de plis vocaux pour différentes conditions.

Ces travaux portent sur le développement d'un capteur capacitif de pluie à électrodes protégées fonctionnant en mode différentiel. Dans un premier temps, les propriétés électriques des différents matériaux constitutifs du capteur sont déterminées expérimentalement. A partir de considérations théoriques, nous avons établi des expressions semi-empiriques traduisant la dépendance en fréquence [10^2 à 10^5Hz] et en température [−40 à +80°C] des permittivités diélectriques, nécessaires aux calculs des capacités. Le capteur est ensuite dimensionné par simulation numérique (méthode des éléments finis) puis fabriqué selon différents procédés de dépôt pour les électrodes. Deux motifs d'électrodes sont étudiés : électrodes linéaires et électrodes interdigitées. La sensibilité à l'eau est évaluée par simulation numérique (film puis gouttes d'eau de volume variable) avant validation expérimentale. L'influence de la température sur les performances du capteur est finalement abordée : les effets de la dilatation thermique des matériaux et de la variation des permittivités diélectriques sont successivement traités. A l'issue de cette étude, l'efficacité du mode différentiel contre l'influence de la température est évaluée.

Le découpage mécanique des métaux est un procédé très utilisé dans l'industrie. Il permet notamment de réaliser des composants de formes plus ou moins complexes dédiés à l'industrie électronique. Cependant, il nécessite le réglage et le contrôle de nombreux paramètres. Or, le contexte industriel actuel rend les méthodes fondées sur le savoir-faire des opérateurs inadaptées. L'objet principal de cette thèse est donc de proposer un outil d'aide à la mise au point d'un découpage par le biais de la simulation numérique. La modélisation repose sur une analyse mécanique complète du comportement matériel de la tôle. La sensibilité du matériau à la vitesse de déformation et à la température est prise en compte par l'intermédiaire d'un modèle thermo-élasto-viscoplastique dans un cadre adiabatique. Les mécanismes d'endommagement et de rupture sont également pris en compte dans la modélisation. Un logiciel de simulation spécifiquement dédié au découpage a été développé. Il est basé sur la méthode des éléments finis et repose sur une modélisation bi-dimensionnelle du procédé. En parallèle aux développements numériques, un dispositif expérimental a été conçu et réalisé au cours de ces travaux, afin de valider les modèles mécaniques retenus. Les applications présentées dans ce mémoire illustrent l'apport de la simulation numérique pour les entreprises spécialisées.

Le procédé " Resin Transfer Molding " consiste à injecter un polymère thermodurcissable à travers des fibres de renfort, qui polymérise ensuite pour former une pièce composite. L'objectif est de modéliser numériquement l'écoulement à différentes échelles, celle des mèches composants le tissu (mésoscopique) et celle des fibres composants les mèches (microscopique). Cette thèse se décompose en deux parties. La première concerne le calcul de perméabilité d'un volume élémentaire représentatif par prise de moyenne des champs de vitesse et de pression, dans le cadre de la méthode d'immersion de domaines. A l'échelle microscopique, le calcul de perméabilité a été validé en utilisant des lois analytiques. A l'échelle mésoscopique, un couplage entre les équations de Stokes et de Darcy, pour les écoulements entre les mèches et à l'intérieur des mèches a été effectué. La seconde partie aborde l'étape d'imprégnation du renfort à l'échelle microscopique, ce qui inclut la modélisation de l'avancée du front de matière entre les fibres avec prise en compte de la tension de surface. Nous avons implémenté des méthodes pour prendre en compte les phénomènes capillaires. Une méthode d'imposition de l'angle de contact statique de l'interface avec une surface solide, et la condition aux limites de Navier permettant d'imposer un glissement à la ligne triple, ont été implémentées et validées. Tous les développements ont été effectués dans une méthode éléments finis mixtes linéaires en vitesse pression, stabilisée par une fonction bulle (MINI-élément), et en utilisant la méthode d'immersion de domaines.