Les stators de turboalternateurs sont sujets à des défauts de type court-circuit entre tôles. Ces défauts induisent des points chauds pouvant impacter les performances de la machine, voir entraîner son endommagement irréversible. Dans ce travail, ces courts-circuits, ainsi que les tests utilisés pour en faire le diagnostic, ont été étudiés à l’aide d’une approche par éléments finis 3D en électromagnétisme. L’une des difficultés inhérentes à la modélisation numérique de courts-circuits entre tôles réside dans les facteurs d’échelle mis en jeu (stator, courts-circuits et vernis isolants entre tôles). Une modélisation par éléments finis brute de la géométrie réelle (empilement des tôles, représentation de l’isolant, …) impliquerait un nombre d’inconnues beaucoup trop élevé par rapport aux puissances de calcul disponibles classiquement. Ainsi, des méthodes d’homogénéisation, associées à une méthodologie de choix des zones à homogénéiser, ont été utilisées pour représenter les paquets de tôles. L’approche a été validée à partir de résultats issus d’une maquette d’étude expérimentale, notamment en considérant des défauts sous différentes conditions (position, taille, …). Les deux principaux tests de diagnostic utilisés dans l’industrie ont également été modélisés en présence de ces défauts : le test El Cid, à flux faible, et le test à 80% du flux nominal avec détection thermique. L’étude réalisée montre l’importance de certains paramètres, tels que l’étendue du défaut et les caractéristiques des matériaux, sur les signaux issus des tests. Ceci apparaît notamment au travers de la sensibilité des tests de diagnostic dans ces différentes conditions. / Turbogenerator stators are subject to faults such as interlaminar short circuits. These faults induce hot spots which may have an impact on the machine performances, leading in certain cases to irreversible damages. In this work, the short circuits, as well as the most commonly used diagnosis tests, have been studied using a 3D finite element method electromagnetic approach. One of the difficulties inherent in numerical modelling of interlaminar short circuits is to take account of the scale factor between the different parts that are involved in such problem (dimensions of the stator, short circuits and insulating varnish between laminations). A simple finite element modelling of the real geometry (lamination stack, insulation representation…) would imply a much too large number of unknowns regarding the calculation power which is classically available. Thus, in this work, to represent lamination stacks, homogenization techniques have been associated to a methodology to choose the homogenized and non-homogenized (including the fault) zones. The approach has been validated through results from an experimental prototype considering faults under different conditions (position, size…). Moreover, both main diagnosis tests, used in the industry to detect such faults, have also been modelled in the presence of a fault: the El Cid test, at low flux, and the test at 80% of the rated flux with thermal detection. The study which has been carried out shows the importance of certain parameters, such as the fault size and the material characteristics, on the diagnosis test results. This appears in particular through the diagnosis tests sensibility in these different conditions.

Cette étude est consacrée à la modélisation micromécanique de comportement inélastique des géomatériaux hétérogènes . Une sorte de roche d'argile dure (argilite) est considérée comme un exemple pour valider la modélisation micromécanique. Un bref aperçu des principales techniques d'homogénéisation pour la modélisation multi-échelles développées de matériaux non-linéaire hétérogènes est présenté dans le premier chapitre. Puis quelques résultats numérique des simulations directes FEM sont donnés dans le deuxième chapitre. Dans le chapitre suivant, l'une des approches les plus couramment utilisée de méthodes d'homogénéisation non-linéaire des matériaux hétérogènes non linéaires, approche incrémentale de Hill, est étudiée et appliquée pour simuler le comportement mécanique de l'argilite avec des divers compositions sur différents parcours de chargement. Compte tenu des certains limites théoriques de l'approche incrémentale, une nouvelle méthode d'homogénéisation nommé analyse des champs avec transformation non-uniforme (NTFA) proposé d'abord par Michel et Suquet est adoptée et développée pour s'adapter aux géomatériaux pression-dépendants dans Chapitre 4. Dans ce chapitre, la formulation et la mise en œuvre numérique de la NTFA pour des matériaux hétérogènes composés d'une matrice pression-dépendante de type Drucker-Prager et une inclusion élastique sont présentés. Ensuite, dans le chapitre six une application plus compliquée est réalisée pour simuler le comportement mécanique de l'argilite afin de valiter de la méthode proposée NTFA. / This study is devoted to the micromechanical modelling of inelastic behaviors of heterogeneous geomaterials. A kind of hard clay rock (argillite) is taken as an example to validate the micromechanical modelling. A short review of main homogenization techniques developed for multi-scale modeling of nonlinear heterogeneous materials is presented in the first chapter. Then some numerical results from direct FEM simulation are given in the second chapter. In the following chapter, one of the most commonly used approaches of nonlinear homogenization methods for nonlinear heterogeneous materials, Hill’s incremental approach, is studied and applied to simulate the mechanical behaviors of argillite with various compositions under different loading paths. Considering some theoretical limitations of the incremental approach, a new homogenization method named nonuniform transformation field analysis (NTFA) firstly proposed by Michel and Suquet is adopted and developed to adapt the pressure-dependent geomaterials in chapter 4. In this chapter the formulation and numerical implementation of the NTFA for a typical pressure-dependent heterogeneous materials composed of Drucker-Prager matrix and elastic inclusion are presented. Next, in chapter six a more complicated application is performed to simulate the mechanical behavior of argillite to verify the validity of the proposed NTFA method.

Le béton est le matériau de construction le plus utilisé au monde. C’est un matériau composite hétérogène constitué par un squelette granulaire, enrobé dans une pâte de ciment hydraté. Cette pâte présente une microstructure différente à proximité des granulats délimitant ainsi une zone appelée « Auréole de transition ». Malgré les nombreux efforts fournis par la communauté scientifique internationale pour explorer ce matériau complexe, il reste toujours des zones d’ombres pour maîtriser les propriétés intrinsèques des trois phases qui le composent mais aussi l’influence de chacune d’elles sur le comportement global du matériau. L’objectif de cette thèse est, d’abord, d’étudier l’effet de la zone de transition et de la nature des granulats sur le comportement global du béton et, enfin, de caractériser la matrice cimentaire. Le point de départ est l’utilisation du MEB (Microscope Electronique à Balayage) pour analyser la zone de transition, ce qui a permis de voir que cette zone est fortement influencée par la nature des granulats et que la qualité de l’adhérence matrice/granulats n’est pas toujours parfaite. Un béton numérique 3D est ensuite développé dans le code de calcul aux Eléments Finis Abaqus pour quantifier l’effet de la zone de transition et de l’interface matrice/granulats sur les propriétés mécaniques du béton. Les résultats des simulations ne montrent pas d’influence de la zone de transition autour des granulats sur le comportement global en compression du béton. En revanche, une influence significative de la nature du contact matrice/granulats est démontrée lorsqu’un glissement entre la matrice et les granulats est pris en compte. Dans le but de trouver les propriétés de la matrice cimentaire qui enrobe les granulats, l’essai de micro-indentation est couplé avec une simulation numérique. La corrélation finalement obtenue entre le modèle numérique et l’expérience a permis de conclure sur la faisabilité de la méthodologie adoptée. En dernier lieu, l’essai de micro-indentation est appliqué sur des échantillons de béton afin d’étudier l’effet de l’incendie sur les propriétés de la matrice cimentaire. / Concrete is a construction material the most widely used. This is a heterogeneous composite material consisting of a granular skeleton embedded in a hydrated cement paste. This paste has a different microstructure near aggregates thus defining an area called «Interfacial Transition Zone». Despite the many efforts by the international scientific community to explore this complex material, there are still shadow areas to control the intrinsic properties of the three phases that compose but also the influence of each on the overall behavior of material. The objective of this thesis is, first, to study the effect of the transition zone and the nature of the aggregates on the overall behavior of concrete, and finally to characterize the cement matrix. The starting point is the use of SEM (Scanning Electron Microscope) to analyze the transition zone, which enabled us to see that this area is strongly influenced by the nature of the aggregates and the quality of adhesion matrix / aggregates is not always perfect. A 3D numerical concrete is then developed in the computation code Finite Element Abaqus to quantify the effect of the transition zone of the matrix and / aggregate interface on the mechanical properties of the concrete. The simulation results showed no influence of the transition region around the aggregates on the overall behavior of the concrete in compression. However, a significant influence on the nature of the contact matrix / aggregates is demonstrated when a sliding between the matrix and the aggregate is taken into account. In order to find the properties of the cementitious matrix which coats the aggregate, the micro-indentation test is coupled to a numerical simulation. Finally obtained the correlation between the numerical model and the experiment was concluded on the feasibility of the methodology adopted. Finally, the micro-indentation test is applied on concrete samples in order to study the effect of the fire on the properties of the cementitious matrix.