Le développement des technologies modernes exige que l'on utilise des matériaux présentant des propriétés mécaniques élevées spécifiques à leur emploi mais dont les masses volumiques soient faibles. Les matériaux composites sont des matériaux qui répondent aux exigences précédentes. En raison de leur intérêt, les matériaux composites ont d'abord été utilisés dans nombreux secteurs d'activité (aérospatiale, automobile, construction, etc.). Dans les matériaux composites, une catégorie nous intéresse plus particulièrement de part ses possibilités de conception et de développement : les structures composites qui résultent d'une manière générale de l'assemblage d'un matériau de peau présentant une grande rigidité et d'un matériau d'âme de faible densité. Ces matériaux montrent un rapport performances mécaniques/densité très intéressant comparé à des matériaux plus classiques. Les propriétés finales de ce type de matériau sont directement dépendantes des propriétés constituantes et de la qualité de leur assemblage. Afin d'apporter des solutions aux industriels, de nombreux développements et études au cours de ces dernières années ont eu pour but l'optimisation du rapport performance mécanique/densité. Ce travail de thèse a été entrepris avec le même objectif, mais en ayant une stratégie d'optimisation se focalisant plus particulièrement sur le matériau d'âme. Notre démarche est de repenser dans son intégralité le matériau d'âme et de proposer un nouveau concept d'âme complexe qui repose sur l'empilement de matériaux de natures différentes suivant une séquence bien précise, Les résultats expérimentaux obtenus sont confrontés à une approche théorique basée sur une méthode d'éléments finis / The development of modern technologies requires that one use materials presenting high mechanical properties specific to their employment,but whose densities are low. The composite materials are materials which fulfil the preceding requirements. Because of their interest, the composite materials were initially used in aerospace, automotive, and construction industries. In composites, a class of particular interest ragarding the possibilities of design and development concern the sandwich structures resulting from a general assembly of a skin material with high stiffness and core materials of low density. The final properties of the materials are directly derived to the industry, many developments and studies in recent years have been aimed at optimizing the ratio mechanical performance over density. This thesis was undertaken with the same objective, but by having a strategy of optimization being focused more particulary on core materials. Our process is to reconsider in its entirety core materials and to propose a new concept of core complex which rests on the material stacking of different nature according to a quite precise sequence. The experimental results are correlated with those obtained by a theoretical approach based on a finite element method

Dans cette étude, une nouvelle approche numérique intitulée modèle de fuite multicouche a été développée permettant la simulation efficace par des éléments coques 2D multicouches de la nature tridimensionnelle de l’écoulement dans des préformes multicouches pourvues ou non d’un drainant et caractérisées par un fort gradient d’anisotropie le long de l’épaisseur. La convergence de l’approche développée a été démontrée via une comparaison avec un modèle 2D dans le plan xz. L’efficacité du modèle de fuite vis-à-vis du modèle 3D a été quantifiée. L’intérêt de la nouvelle approche numérique a été révélé via des problèmes à échelle industriel à savoir l’optimisation de la stratégie de dépôt de drainant dans un raidisseur en Hi-Tape, la simulation de remplissage d’une coque de bateau pendant le procédé VARTM et l’étude de l’écoulement dans un stratifié NCF. / In this study, a new numerical approach called « Multilayer Leakage Model » has been developed for the efficient numerical simulation of the 3D flow by 2D multilayered shell elements in anisotropic multilayer preform with or without a distribution medium. The convergence of the developed approach has been demonstrated by a comparison with a 2D model in the xz plan. The efficiency of the multilayer leakage model versus the 3D model has been quantified. The advantage of the new numerical approach has been verified through industrial part simulations such as the optimization of distribution medium position in a Hi-Tape stiffener, the flow simulation of a boat in VARTM process and the flow analysis of a NCF laminate.

Ce travail porte sur l'étude du comportement mécanique et de l'évolution structurale induite dans des films tricouches coextrudés gonflés à base de polyamide 6 (PA6) et de polyéthylène (PE) sollicités en tractions uniaxiale et biaxiale. L'analyse des transformations de phase et de l'orientation moléculaire a été réalisée par couplage entre la diffraction des rayons X et la spectroscopie infrarouge via la technique du «trichroïsme». La caractérisation des films non déformés a montré que le PE et le PA6, qu'ils soient seuls ou en structures multicouches, présentent des propriétés structurales et thermiques similaires et ne sont pas affectés par la présence de l'autre matériau. Mécaniquement, les multicouches sont caractérisés par un niveau de contrainte intermédiaire à ceux des polymères parents qui, en traction uniaxiale, peut être décrit à l'aide d'une simple loi des mélanges prenant en compte les comportements des polymères parents. Alors qu'en traction uniaxiale, l'allongement à la rupture des multicouches est limité à celui du PA6, la biétirabilité du PA6 est nettement améliorée en présence de PE. L'analyse structurale des films déformés a mis en évidence une transformation graduelle de la phase mésomorphe ß en forme a dans la couche de PA6. Cette transition, qui témoigne des mécanismes de plasticité mis en jeu, a lieu de façon similaire quelle que soit la composition du film en traction uniaxiale. En revanche, sous sollicitation biaxiale, il a été montré que cette transition est ralentie en présence de PE. Ceci montre que la déformation biaxiale dans les multicouches procède par des mécanismes de déformation différents de ceux impliqués dans les films monocouches. / This work deals with the mechanical behaviour and structural evolution of coextruded blown multilayer films composed of polyamide 6 (PA6) and polyethylene (PE) under uniaxial and biaxial stretching. Phase transformations and molecular orientation have been investigated by both X-ray scattering and infrared trichroism using three-dimensional infrared technique. Analysis of the undeformed multilayers has shown that the structural and thermal properties of each layer were similar to that of the pure component and were not affected by the other material. Concerning the mechanical behaviour, the stress level of the multilayer films lies between those of the pure component and in uniaxial drawimg, It can be descnbed by a simple additive law mixture. Whereas the strain at break is governed by PA6 under uniaxial drawing, the biaxial stretchabllity of the PA6 layer is improved with PE fraction. Regarding the structural evolution, a gradual disorder-order transition occurs with deformation in the PA6 layer. This transition is simllar whatever the film composition under uniaxial drawing. By contrast, under biaxial drawing, the ß~~a transformation is delayed with the addition of PE. This result points at that biaxial deformation in the multilayer films proceeds with different plastic processes from those implied in pure components. Additionally, a critical level of a content in the PA6 layer has been identified to produce the failure of the multilayer structure.

Ce travail a pour objectif le développement de films d’emballage alimentaire à haute teneur en matières premières bio-sourcées, et l’optimisation de leurs propriétés d’usage. L’ajout de G1, grade de base de la polyoléfine greffée amidon, détériore les propriétés optiques des films obtenus. L’adhésion interfaciale LDPE / G1 est insuffisante pour l’application visée, en raison de l’incompatibilité entre le LDPE et la partie PP de la polyoléfine greffée amidon. Des améliorations de cette adhésion sont observées, notamment par l’augmentation de la température d’extrusion de G1, de la filière, ou en modifiant la résine bio-sourcée. L’adhésion interfaciale PEgMA / G1 est également faible, pour les raisons citées précédemment. Le remplacement du PEgMA par du PPgMA permet d’obtenir une adhésion excellente sans détériorer l’adhésion entre le liant et l’EVOH. Enfin, l’étude du comportement à la rupture de films obtenus à partir des trois grades du polymère bio-sourcé est réalisée par la méthode du travail essentiel à la rupture. On observe une augmentation de 85 % de la tenacité entre le grade de base et le grade le plus modifié. Cette différence peut être attribuée à l’augmentation de la masse molaire induite par la modification de la résine. De plus, la corrélation de l’image digitale permet d’accéder aux déformations locales d’éprouvettes à double entaille, et permet par ailleurs de montrer la symétrie des déformations pour toutes les éprouvettes. En suivant la taille du ligament au cours du temps, il est montré que la propagation des fissures commence à 95 % de la force maximale, démontrant une plastification complète du ligament avant la propagation des fissures. / The aim of this work is the development of food packaging films with a high concentration of biobased raw materials, and the optimization of the usual properties. The addition of G1, basic grade of the starch grafted polyolefin, significantly deteriorates the optical properties together with the tear strength of the obtained films. The interfacial adhesion LDPE / G1 is insufficient for a use in the field of food packaging, because of an incompatibility between LDPE and the PP part of the starch grafted polyolefin. Some improvements of this adhesion are observed, in particular by increasing the extrusion temperature of G1, the temperature of the die, or by the modification of the bio-based resin. The interfacial adhesion PEgMA / G1 is also relatively low, for the same reasons as mentioned above. The replacement of PEgMA by PPgMA provides excellent adhesion at the interface without deteriorating the adhesion between the binder and EVOH. Finally, the study of the fracture behavior of the films made from three grades of the starch grafted polyolefin is produced by the method of essential work of fracture. An increase of 85 % of the toughness is observed, between the base grade and the highest modified grade. This difference can be attributed to the increase in molecular weight induced by the modification of bio-based resin. In addition, the digital image correlation provides access to local deformations of the double notched specimens. It also serves to show the symmetry of all the specimens. By following the ligament size over time, it is shown that the crack starts growing at 95% of the maximum force, showing a complete plasticization ligament before the crack growth.

L’objectif de cette thèse est le développement et l'extension de la méthode SPH pour l'analyse de structures de type coque, isotropes et composites multicouches soumises à des chargements dynamiques. Les différents verrouillages de la méthode SPH classique, tels que la non consistance, l'instabilité en traction, sont résolus par la méthode dite "Corrective Smoothed Particle Method", l'utilisation d'une Formulation Lagrangienne Totale et l'introduction de viscosité artificielle. Le modèle de coque basé sur la théorie de Reissner-Mindlin est adopté pour la modélisation des structures de coque épaisses en utilisant une seule couche de particules dans le plan moyen. La forme forte d’équations gouvernantes de coque sont discrétisées directement par la méthode SPH améliorée et résolues par un schéma explicite basé sur les différences finies centrées. Une extension de la méthode a été faite pour la modélisation d'impact de coques par des objets rigides à faible vitesse. La force de contact est calculée en utilisant la théorie de Hertz. Une dernière extension de la méthode concerne l'intégration du critère de rupture de Tsai-Wu pour la modélisation de la dégradation progressive pour les structures composites multicouches. / The objective of this thesis is the development and the extension of the SPH method for the analysis of isotropic and multilayered composite shell structures, undergoing dynamic loading. Major defects of the classical SPH method such as the lack of consistency, the tensile instability are solved by "Corrective Smoothed Particle Method", the use of the Total Lagrangian Formulation and artificial viscosity. Mindlin-Reissner Theory is employed for the modeling of thick shells, by using only one layer of particles in the mid-plane. The strong form of the governing equations for shell structures are discretized directly by the modified SPH method and solved using the central difference time integration scheme. An extension of the method has been introduced for the modeling of low-velocity impact of shells by rigid impactors. The contact force is calculated based on the Hertzian contact law. A last extension of the SPH method concerns the integration of Tsai-Wu failure criterion for the modeling of progressive degradation of multilayered structures.

L'objectif de cette thèse est d'évaluer le concept d'un dispositif intégré comprenant un bioréacteur à biofilm fluidisé bio-augmenté, couplé à une membrane de nanofiltration de type polyelectrolyte multicouche, destiné à éliminer les micropolluants en traitement tertiaire des eaux usées domestiques, traitées conventionnellement. Les résultats montrent que, pour des micropolluants ciblés, chacun des procédés est efficace comme traitement tertiaire. Les mécanismes biologiques et de rétention membranaires sont explicités. Cependant des challenges restent à relever en particulier pour l'étape de bio augmentation (survie et implantation de la souche apportée) pour une exploitation de cette étape. D'autre part, des investigations plus poussées sont nécessaires à l'élaboration d'une membrane fiable et robuste. Un tel procédé couplé MBBR-NF pourra alors être entièrement justifié dans le contexte d'une élimination performante de micropolluants ciblés. Il aura toute sa place dans le panel des technologies vertes pour la préservation de l'environnement. / This thesis aims at answering whether the concept of an integrated layout comprised of a coupled "bioaugmented moving bed biofilm reactors (bMBBRs) - polyelectrolyte multilayer (PEM)-based nanofiltration (NF) membrane" can be considered as a promising technology to eliminate target MPs from conventionally-treated municipal wastewater. Results presented herein indicate that each given component of the layout is efficient in the tertiary removal of MPs. Still, several challenges ahead of the process bioaugmentation (such as the survival and maintenance of inoculated strains) must be in-depth studied to find convenient operating solutions. On the other hand, further investigations are definitely needed to achieve a robust PEM-based membrane as a long-lasting technology. Even though a coupled bMBBR-NF system for enhanced MPs removal can be experimentally justified is, however, practically questionable. "The tale of bMBBR-NF" deserves much more scientific endeavors as plenty of environmental considerations are placed in, whereby achieving a future Green technology will not be far from our expectation.

Ce travail porte sur l'excitation et la détection d'ultrasons dans des multicouches métalliques en acoustique picoseconde afin d'engendrer des ondes de hautes fréquences (jusqu'au THz) pour pouvoir éventuellement les émettre dans un matériau. Nous avons développé des modèles permettant de calculer les réponses optiques et acoustiques de structures excitées par des impulsions lasers ultrabrèves. D'une part, nous avons étudié les effets d'interface à l'origine de l'anomalie élastique dans certains systèmes multicouches et nous avons montré que l'adoucissement observé dans les systèmes Mo/Ni est dû à des alliages interfaciaux épais de 1,3 nm. D'autre part, l'étude des multicouches périodiques a permis d'expliciter les processus d'excitation et de détection de modes résonnants dans des bandes de fréquences interdites. Enfin, nous avons réalisé une expérience de transmission à travers un substrat épais et montré qu'on pouvait transmettre des fréquences supérieures à 200 GHz.

Nous présentons dans ce travail un modèle numérique performant pour le calcul de la température, du flux thermique, des déplacements et des contraintes dans un multicouche épais. Ce modèle est basé sur une approche "couche discrète " et utilise des fonctions polynomiales de degré 2 dans l'épaisseur de chaque couche. La spécificité du modèle proposé est qu'il assure la continuité, tant pour tant pour la composante normale du flux thermique que pour le vecteur contrainte suivant la normale aux interfaces. Ce modèle autorise la présence de résistance de contact aux interfaces ; il permet de diminuer le nombre de paramètres du modèle tout en assurant une meilleure approximation. Pour valider ce modèle, nous avons été amené à expliciter les solutions analytiques exactes, pour certaines géométries. Nous avons également comparé ce modèle à des modèles couramment utilisés par les codes éléments finis spécifiques aux multicouches et nous avons montré qu'il apportait une amélioration certaine sur la précision des résultats, pour des problèmes de conduction thermique, d'élasticité et de thermoélasticité.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche européen (Transfeu), composé de 21 partenaires, dédié à l'estimation des effets du feu sur les personnes présentes dans un train et basée sur une méthodologie de sécurité incendie. L'objectif est de modéliser le comportement au feu d'un siège (matériaux multicouches) et d'un panneau vertical (composite) d'une voiture de train indépendamment de la source de feu et du design de la voiture. Le principe est basé sur l'étude de la réaction au feu de deux produits par une approche multi-échelle (de l'échelle de la matière à l'échelle réelle). A chaque échelle, les données expérimentales et numériques sont comparées et valident les processus de décomposition thermique et de combustion mis en jeu. Les données d'entrée sont estimées selon des essais normalisés ou à partir de la littérature et sont identiques pour toutes les échelles. Les phénomènes de décomposition thermique et de combustion sont simulés à partir d'un modèle de pyrolyse et d'un modèle de combustion à fraction de mélange. Cette comparaison, à complexité croissante, permet d'observer la capacité des modèles de FDS de reproduire des simulations réalistes. Les résultats permettent de souligner les limites des modèles et de les dépasser en proposant des solutions alternatives. / This thesis work comes within the framework of a collaborative European research program (Transfeu), dedicated to estimate the fire effects on people into a train coach, based on fire safety methodology. The objective is to model the fire behaviour of a multilayer seat materials and a composite wall panel in a coach independently of the fire source in order to estimate the safety level of a coach design scenario. The principle is based on a multi-scale approach of the reaction-to-fire of two products from the raw matter to the real scale. At each scale, experimental and numerical data are compared and then validated on the thermal decomposition and the combustion processes. The used input data are the same for all scales and estimated according to standard experimental tests or literature reviews. The thermal decomposition and the combustion phenomena are simulated from a pyrolysis and a mixture fraction combustion models. This comparison at increasing complexity allows observing the ability of the models to reproduce realistic simulations. The results allow to highlight the limits of the models and then to propose better solutions in order to overcome them.

L'une des meilleures alternatives actuelles pour prévenir et/ou réduire les déchets d'emballages est le recours aux polymères renouvelables et biodégradables. Ainsi, il existe un intérêt croissant d'améliorer les emballages existants tels que les emballages multicouches plastiques. Ces derniers contiennent différentes couches de polymères, chacune répondant à un besoin différent comme barrière aux gaz, propriétés mécaniques, qualité du scellage, etc. Pour assurer une barrière à l'oxygène, les polymères utilisés sont généralement des polymères très peu perméables tel que l'alcool éthylène vinylique (EVOH) et le nylon. Cela présente toutefois des inconvénients tels que le coût et la non recyclabilité de l'emballage. Rapportés comme étant les matériaux du 21ème siècle, les polymères nanocomposites (PNCs) sont des alternatifs prometteurs à ces matériaux d'emballages plastiques en raison de leurs caractéristiques écologiques favorables. C'est dans cette optique qu'on a développé dans ce travail des films d'emballages bicouches et quadricouches dégradables à haute barrière à l'oxygène à base de l'alcool polyvinylique (PVA), le chitosane (CS) et d'argile (montmorillonite, MMT). Ce dernier a été choisi comme charge en raison de sa disponibilité et de son prix abordable. En utilisant la technique de dépôt 'Layer-by Layer (LbL)', deux types de films avec du PVA comme couche principale sont développés; l'un avec la MMT et l'autre avec le CS. Les films bicouches et quadricouches étudiés diffèrent non seulement par le nombre de couches de l'unité répétitive (deux et quatre respectivement) mais aussi de la teneur en MMT et en CS dans chaque films. Les films obtenus sont caractérisés par diffraction des rayons X (DRX), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la diffraction des rayons X à grand angle (WAXD), etc. Cette dernière a révélé que les films obtenus par la méthode 'Spin coating-LbL' présentent une bonne orientation de la macromolécule et des nanoplaquettes de MMT avec des interactions électrostatiques intéressantes. Les études de l'angle de contact (CA) et de la perméabilité à l'oxygène (PO) ont montré que les films quadricouches sont plus hydrophobiques avec des valeurs de PO considérablement réduites. Par conséquent, ils sont des candidats prometteurs pour une application dans l'emballage alimentaire. / One of the best alternatives to reduce current packaging waste is the use of biodegradable polymers. Thus, with the urgent need for green materials, there is a growing interest for the improvement of the existing packaging, such as the multilayer packaging. This packaging has different layers of polymers, each one fulfilling a different need like gas barrier, mechanical properties, and saleability. To ensure the oxygen barrier, a higher barrier polymer, like ethylene vinyl alcohol (EVOH) and Nylon, is generally used. This, however, has some drawbacks, such as the cost and the non recyclability of the packaging. Reported as the materials of the 21st century, polymer nanocomposites (PNCs) are promising alternatives to these plastic packaging materials due to their favorable ecological characteristics. To this aim, we have focused in this work on the development of multilayer films using spin coating assisted layer-by layer assembly technique (LbL). To provide a deeper understanding of the effect of macromolecule and nanoclay platelets orientation on barrier properties, two polymers were chosen to study hydrogen bonding based films: polyvinyl alcohol (PVA) and chitosan (CS). MMT was chosen as a filler because of its availability and affordable price. Using the LbL deposition technique, two different structures, bilayers and quadlayers films were investigated, which differ in the layers number of the repetitive unit (two and four, respectively). Two types of films were developed: PVA/MMT and PVA/CS. For the bilayer structures, two layers were deposited, one composed of PVA and one of MMT for PVA-MMT films and one of PVA and one of CS for PVA-CS films. For the quadlayer structure, four alternated layers are prepared; two composed of PVA and two of MMT for PVA-MMT-PVA-MMT films, and two composed of PVA and two of CS for PVA-CS-PVA-CS films. All films were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), wide-angle X-ray diffraction (WAXD), etc. The WAXD characterization showed a parallel orientation of the macromolecule and of MMT clay nanoplatelets. The contact angle (CA) and oxygen permeability (PO) characterizations showed that all quadlayers films are hydrophobic and their permeabilities are reduced compared to neat PVA. Therefore, as results, quadlayers films appear to be good candidates for food packaging applications.