Cette thèse a pour objet le développement d’un modèle de transport sédimentaire avec la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). Si les modèles couramment proposés dans la littérature reposent sur un solveur hydrodynamique couplé à des lois semi-empiriques qui modélisent le transport sédimentaire, une approche différente est proposée ici. Dans le modèle proposé dans ce travail, la dynamique du sédiment est également résolue. Celui-ci est assimilé à un milieu continu dont la loi de comportement rend compte de la nature granulaire.Pour ce faire, le modèle élastique-viscoplastique d’Ulrich (2013) a été implémenté dans un code SPH préexistant programmé en langage Cuda, et amélioré du point de vue physico-numérique. Le comportement mécanique du sédiment dépend donc d’une contrainte de rupture déterminée conformément au critère de Drucker-Prager. Dans les zones du matériau où la rupture n’a pas eu lieu, les contraintes de cisaillement sont calculées selon la loi de Hooke généralisée. Dans les zones où la contrainte de rupture a été dépassée, le matériau est assimilé à un fluide rhéofluidifiant. Numériquement, la transition entre les deux états est opérée à l’aide d’une fonction de raccord qui dépend notamment du l’amplitude du taux de déformation et des propriétés granulaires du sédiment.L’eau et le sédiment sont modélisées comme deux phases immiscibles, dans le cadre d’une formulation SPH multi-phase. Pour ce faire, le modèle de Hu et Adams (2006) a été adapté aux modèles de conditions limites semi-analytiques (Ferrand, 2013). Enfin, un schéma d’intégration implicite des forces visqueuses a été développé dans ce contexte, afin d’améliorer les performances du solveur lors de modélisation d’écoulement à bas Reynolds.Plusieurs cas tests sont proposés pour valider le modèle multiphasique, le schéma implicite et le modèle élastique-viscoplastique. De manière générale, les résultats sont en bon accord avec les données expérimentales et analytiques. Le modèle permet de représenter des écoulements multi-fluide avec une bonne précision, même en présence de grand rapport de densité entre les phases. Il en va de même pour les écoulements de fluide non-newtonien et les écoulements à bas Reynolds, pour lesquels le schéma implicite conduit à des résultats très satisfaisants. Enfin, le modèle élastique-viscoplastique a été appliqué à divers cas d’écoulements granulaires, dans le cas d’un matériau sec et saturé, ainsi qu’à des cas d’érosion et d’affouillement. Là encore, les résultats sont globalement en bon accord avec l’expérience / This thesis presents the development and application of a Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) model to bed-load transport. While state of the art simulation methods commonly rely on a fluid dynamics solver coupled to semi-empirical relationships to model the sediment transport, a completely different approach is investigated in this work. The sediment is treated as a continuum whose behaviour law takes account for its granular nature. citepos{ulrich2013smoothed} elastic-viscoplastic model is thus implemented in an in-house code based on the Cuda language, and improved on physical and numerical aspects. The sediment behaviour depends on a yield stress determined according to Drucker-Prager's criterion. In unyielded regions, the shear stresses are calculated in line with the linear elastic theory. In yielded regions, a shear thinning rheological law is used and the transitions between solid and liquid states are ensured by a blending function driven by the strain rate magnitude and sediment granular properties. Water and sediment are modelled as two immiscible phases in the frame of a multi-phase SPH model with semi-analytical wall boundary conditions cite{ferrand2013unified}. An implicit viscous forces integration scheme is also developed to improve the code performance as for low-Reynolds flows.The multi-phase model, as well as the implicit viscous forces integration scheme, were validated on analytical test cases and good agreement was obtained. The multi-phase formulation has also proven its capability to handle flows involving high density ratio, while the implicit viscous forces integration scheme was successfully applied to the simulation of a non-Newtonian flow. The elastic-viscoplastic model was tested on dry and submerged granular flow problems. The model was able to correctly capture the liquid and solid states of the granular material, as well as the failure and the regime transitions. It was also applied to bed-load transport problems for which a good agreement with the experiment was generally found

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation du rebond d'un bloc sur un terrain naturel dans la perspective d'améliorer les modèles de détermination de l'aléa de chute de blocs. L'impact d'un bloc rocheux sur un sol composé d'éboulis est modélisé par la Méthode des Elements Discrets. La comparaison entre les résultats de simulation et les résultats d'essais à échelle réduite d'impact sur un sol granulaire grossier met en évidence que le modèle numérique développé assure une prédiction pertinente du rebond pour un nombre réduit de paramètres de simulation à calibrer. L'analyse de l'impact à l'aide du modèle numérique montre que l'interaction entre l'impactant et le sol peut être décomposée en trois phases : le transfert énergétique initial du bloc vers le sol, la propagation d'une onde de compression du point d'impact vers l'intérieur du sol et la réflexion de l'onde de compression sur le substratum. L'étude des échanges énergétiques lors de ces trois phases conduit à la définition d'un diagramme d'existence du rebond délimitant les domaines d'arrêt et de rebond de l'impactant et à l'identification de trois régimes d'impact. Le traitement statistique des résultats de simulation par des méthodes statistiques basées sur l'inférence Bayésienne permet également de définir une loi d'impact stochastique. Cette loi est représentative de la variabilité des vitesses du bloc après impact en fonction des paramètres cinématiques incidents et de l'arrangement géométrique des particules du sol au voisinage du point d'impact. Enfin, suite à l'intégration de la loi stochastique d'impact dans le contexte de l'analyse trajectographique, une approche probabiliste globale permettant la caractérisation détaillée de l'aléa de chute de bloc ainsi que l'implantation et le dimensionnement d'ouvrages de protection est proposée.

Le comportement mécanique des matériaux granulaires, et en particulier des poudres métalliques ductiles, peut être appréhendé par l'intermédiaire de simulations discrètes dans lesquelles les grains sont modélisés. Cette méthode a l'avantage de permettre l'exploration de chemins de chargement inaccessibles à une approche expérimentale. La méthode développée dans cette thèse consiste à modéliser des assemblages de sphères maillées dans le logiciel d'éléments finis ABAQUS pour effectuer des simulations en appliquant divers chemins de chargement. La première partie de ce travail consiste à utiliser cette méthode pour enrichir la méthode des éléments discrets en l'étendant au domaine de la compression à haute densité relative. La méthode de simulations discrètes par éléments finis donne des informations précieuses sur les déformations non-linéaires des grains aux contacts. Ces informations permettent de proposer un modèle de contact qui gère les interactions complexes entre les diérents contacts à haute densité relative. Par la suite, ce modèle est introduit dans le code d'éléments discrets YADE, et les résultats des deux méthodes peuvent être comparés. Dans la seconde partie de cette thèse, un échantillon numérique est soumis à des sollicitations dans toutes les directions de l'espace des contraintes, pour obtenir les surfaces de charge macroscopiques. L'accent est mis sur l'évolution des surfaces de charge lors de chargements complexes, avec des changements de direction, afin d'obtenir des indications sur la mémoire du matériau. Enfin, l'observation de la microstructure de l'échantillon permet de comprendre les phénomènes micromécaniques qui sont à l'origine de l'évolution macroscopique des surfaces de charge.

Cette thèse s'intéresse au comportement mécanique de géocellules constitutives de merlons pare-blocs. Ces ouvrages sont des digues placées sur la trajectoire potentielle des blocs rocheux et visant leur arrêt. Les géocellules sont des structures métriques associant enveloppe préfabriquée et matériau granulaire. <br />Les cellules étudiées sont cubiques et constituées de grillage à maille hexagonale et de géotextile, et remplies de matériau granulaire grossier, de sable ou de mélange sable-pneus déchiquetés.<br />Le comportement de cellules individuelles a été étudié expérimentalement pour des chargements pseudo-statique et dynamique. Il apparaît que la réponse de la cellule à faible déformation, sous compression pseudo-statique, dépend principalement des caractéristiques du matériau de remplissage. Celles de l'enveloppe interviennent en grandes déformations. Sous impact, par une sphère de 250kg, la capacité d'une cellule à limiter les contraintes transmises à son support dépend des conditions aux limites de la cellule et, dans une moindre mesure, du matériau de remplissage. La configuration optimale est une cellule remplie du matériau granulaire grossier libre de se déformer latéralement.<br />Les modèles numériques de comportement mécanique des matériaux et des cellules, de type éléments discrets, ont été calés et validés grâce aux résultats de ces expérimentations.<br />Les résultats ont été extrapolés à l'échelle de l'ouvrage dans le but d'orienter les choix structurels en vue d'expérimentations sur ouvrage vraie grandeur.

Cette thèse aborde le comportement vitreux des systèmes athermiques à travers le cas des matériaux granulaires. Le dispositif expérimental consiste en un empilement horizontal bidimensionnel de 8000 cylindres métalliques, cisaillé cycliquement et de manière quasi-statique dans un cadre articulé, le mouvement des grains d'un cycle à l'autre étant enregistré. Par une étude détaillée des propriétés de diffusion des grains et une comparaison avec des études sur des systèmes thermiques modèles (colloïdes) et des simulations numériques, nous montrons d'abord que l'analogie entre matière granulaire au voisinage de la transition de jamming et systèmes vitreux trouve son origine à l'échelle de la particule. Nous nous intéressons ensuite au phénomène d'hétérogénéités dynamiques, responsable de la relaxation non exponentielle de ce type de système. Au-delà de la mesure de quantités importantes comme la taille ou le temps de vie typiques des hétérogénéités, que nous comparons à nouveau avec les systèmes vitreux thermiques, nous avons mesuré pour la première ois de manière directe sur des données expérimentales des fonctions de corrélation à 4 points. Le comportement e ces fonctions est confronté aux prédictions théoriques. Nous avons également étudié en détail la structure de l'empilement, du point de vue des défauts dans le nombre de voisins des particules. Ces défauts présentent ne structure et une dynamique hétérogènes. La recherche de corrélations possibles avec les hétérogénéités dynamiques a été menée. Enfin, nous proposons, parfois en nous appuyant sur des premiers essais expérimentaux, de futures pistes de recherche offertes par notre dispositif.

Une étude théorique, basée sur la méthode des mobilités de surface, et expérimentale de la transparence acoustique des doubles parois est présentée. L'étude de la diffusivité du champ acoustique pariétal d'excitation est aussi réalisée à l'aide d'un nouvel indice permettant d'expliquer la dispersion des mesures de transparence acoustique inter-laboratoires. L'ajout de matériaux granulaires est ensuite étudié, et un modèle basé sur une simplification du modèle de Biot est proposé. Il permet d'utiliser une méthode de résolution très performante en terme de temps de calcul. Des méthodes de mesure inverse sont alors utilisées afin de déterminer les caractéristiques de ces matériaux, et donnent des résultats probants. Enfin, l'amélioration de l'isolation acoustique par optimisation de la position de liens mécaniques est étudiée, et les solutions théoriques sont ensuite testées expérimentalement.

Une assemblée d'objets solides de taille typique d'une fraction de millimètre n'est pas sensible à l'agitation thermique. En effet, ces éléments sont trop massifs pour être mis en mouvement par le chaos moléculaire. Cependant, un tel empilement est susceptible de se réorganiser sous la seule influence des variations de température ambiante. Ces dernières induisent des changements de longueur certes relativement petits (coefficient de dilatation typique de l'orde de 10-5 K-1) mais, compte tenu de la rigidité de ces matériaux (module d'Young de l'ordre de 1011Pa), les déformations associées sont suffisantes pour créer des efforts capables de déplacer des grains de manière irréversible. Nous étudions expérimentalement la compaction d'une colonne de billes de verre soumise à des cycles de température. Imposer les variations de température par un fil tendu placé au centre de la colonne et alimenté par un courant sinusoïdal de fréquence assez haute permet de minimiser les effets de la dilatation du récipient. La dynamique du système est étudiée en fonction des caractéristiques du chauffage et des conditions mécaniques. Par ailleurs, d'un point de vue théorique, nous nous intéressons aux effets des variations de température sur un système discret modèle, des patins liés par des ressorts en contact frictionnel avec un plan incliné. Nous étudions l'influence de l'angle d'inclinaison et des caractéristiques des variations de température sur la reptation du système. Nous observons que proche d'une amplitude critique, entre mouvement et arrêt du système, ce dernier exhibe une dynamique intermittente.

Ce travail de recherche présente la modélisation du comportement mécanique des matériaux granulaires cohésifs par une approche multi-échelle en combinant la méthode des éléments finis (FEM) et la méthode des éléments discrets (DEM). A l'échelle microscopique, la DEM est utilisé pour modéliser un assemblage granulaire alors qu'à l'échelle macroscopique, la solution numérique est obtenue par la FEM. Afin de faire un pont entre l'échelle micro et macroscopique, un Volume Elementaire Représentative (VER) est considéré dans lequel la contrainte suite à une déformation imposée résulte d'un calcul numérique de type DEM. Par cette manière, la loi numérique constitutive est déterminé par la modélisation de la microstructure, et par conséquent prenant en compte les natures des matériaux granulaires. Après avoir achevé à construire la loi numérique, on propose d'étudier les propriétés de cette loi incrémentale en terme des enveloppes de réponse Gudehus, et des analyses en bande de cisaillement. Cet étude nous permet d'avoir une vision générale sur cette nouvelle loi. Dans cette contribution numérique multi-échelle, en implémentant la loi numérique DEM dans un code de calcul par éléments finis, un outil numérique est obtenu et utilisé à simuler des essais menés au laboratoire. Des résultats obtenus produisant la localisation de la déformation en bandes de cisaillement seront analysés et discutés.

La culture du blé est l’une des plus importantes au monde. Le grain de blé est un matériau composite naturel dont la majeure partie est constituée d’albumen amylacé formé d’un assemblage compact de granules d’amidons (glucides) enchâssés dans une matrice protéique (gluten). Pour obtenir des produits comme la farine, la structure de l'albumen doit être fragmentée en broyant les grains sous des fortes contraintes. La quantité et la qualité des produits obtenus dépendent du comportement de l’albumen à la fragmentation. En raison de sa nature composite, le comportement rhéologique du grain est tributaires des propriétés mécaniques des phases qui le composent (granules, gluten, pores), de leurs interactions, ainsi que de leur distribution spatiale. Les granules d’amidons sont de formes relativement sphériques et de tailles micrométriques, tandis que les protéines sont organisées en un réseau entourant les granules. L'interaction entre l'amidon et ce réseau protéique est influencée par certaines protéines, les puroindolines, dont la présence et le type d’allèle sont contrôlées génétiquement. Si les gènes codant pour les puroindolines sont présents sous forme sauvages, la dureté meunière, c’est à dire l’aptitude à la fragmentation du grain est faible. L’origine de ce comportement est liée à une adhérence limitée entre matrice protéique et amidon. L'absence totale de puroindolines chez le blé dur conduit au contraire à une dureté très élevée des grains et à une forte adhérence. L'objectif de cette thèse est d'étudier, à partir d’une approche multidisciplinaire, la biomécanique du fractionnement du grain de blé en mettant l'accent sur le rôle des granules d'amidon. Des échelles de taille différentes sont considérées : échelle micrométrique du granule et de la matrice protéique; agencement complexe de ces composants dans l'albumen et échelle millimétrique du grain. Ainsi, des expériences de broyage à l'échelle du grain ont été combinées avec des mesures nano-mécaniques par microscopie à force atomique (AFM) et des simulations numériques.Le comportement au broyage a été étudié en utilisant un micro-moulin instrumenté. Une comparaison a été effectuée entre des essais réalisés sur une variété de blé dur et sur la même variété dans laquelle ont été introduits les gènes codant pour les puroindolines. Un changement significatif du comportement mécanique des grains transformés, attribuable uniquement à la présence de puroindolines, a été observé - en termes d'énergie consommée, - de productivité en farine et - de taux d'amidon endommagé. Ces changements sont compatibles avec l'hypothèse d'une faible adhérence, entre granules d'amidon et matrice protéique, induite par la présence des puroindolines et montrent l'effet significatif de celles-ci sur le comportement à la fragmentation. Ces modifications de comportement mécanique peuvent être étudiées par des mesures AFM nano-mécaniques. Pour compléter des travaux antérieurs ayant permis la mesure des propriétés de l'amidon et du gluten, une méthode basée sur des mesures AFM en mode résonance de contact (CR-AFM) a été développée. Celle-ci permet de cartographier les propriétés directement à l'intérieur des granules d’amidon et prend en compte à travers un modèle théorique les variations importantes de topographie observées dans les sections de grains. Ces études CR-AFM de l'albumen ont ensuite porté sur les propriétés mécaniques des granules d'amidon d'origines botaniques différentes (céréales et légumineuses).Enfin, le rôle de la distribution bimodale en taille des granules d'amidon sur la fragmentation de l'albumen a été précisé à partir d’une étude numérique paramétrique détaillée. Les propriétés mécaniques élastiques et à la rupture ont été analysées en détail, ainsi que le rôle dominant de la ténacité des granules et de l'adhérence à l'interface sur l’endommagement de l’amidon. / The wheat grain is a natural composite material of worldwide importance. The major part of the grain is the starchy endosperm. To obtain food products, such as flour, the endosperm’s compact structure needs to be disintegrated, which is achieved by milling the grains under high forces. The quantity and quality of the milling products notably depend on the fragmentation behaviour of the endosperm.Due to the endosperm’s composite nature, this behaviour depends strongly on the mechanical properties of its components and their interaction. The main components of the endosperm are carbohydrates and proteins. The carbohydrates are deposited as starch in the form of granules of micro-meter size, whereas proteins form a network (gluten), which surrounds the starch granules. The interactions between starch and proteins is believed to be influenced by certain non-gluten proteins (puroindolines), whose presence and allelic state are genetically controlled. If puroindoline genes are present in the wild-type form, grain hardness is low, which have been related to low starch-protein adhesion. The complete absence of puroindolines in the durum wheat species leads to very high grain hardness and indicates a strong adhesion.The aim of this thesis was to investigate the biomechanics of wheat grain fractionation with a focus on the role of the starch granules therein, which was pursued with a multi-disciplinary approach. Different size scales were considered, from the micro meter-sized structures of starch and protein, the complexity of their arrangement in the endosperm, up to the millimeter-sized grains. In this work, grain-scale milling experiments were combined with nano-mechanical measurements by atomic force microscopy (AFM) and numerical simulations.The milling behaviour of a transgenic durum wheat line, which contained puroindoline genes, was determined by grain scale milling experiments and compared to the milling behavior of non-modified durum wheat. A significant change of milling behavior of the transformed durum wheat grains was observed in terms of milling energy, flour yield and starch damage, which was solely attributable to the presence of puroindolines. The observed changes were consistent with the hypothesis of a lower adhesion between starch granules and protein matrix due to the presence of puroindolines and confirmed the significant effect of puroindolines on the fragmentation behaviour, independent of the grain’s genetic background.The change of fragmentation behaviour is a result of modifications of the mechanical properties of the endosperm’s components and/ or their interaction. Such modifications can be investigated by AFM nano-mechanical measurements. Based on previous work illuminating the global nano-mechanical properties of starch and gluten, contact-resonance AFM (CR-AFM) was applied to obtain maps of the nano-mechanical properties inside the grains. Due to the high topography variations of grain section surfaces and the non-trivial correlation between surface slope and contact resonance-frequency, which hindered a straight-forward interpretation of CR-AFM measurements, a practical method based on existing analytical models of the cantilever vibration was developed to correct the measurements. CR-AFM studies of the endosperm were then focused specifically on the mechanical properties of starch granules and the link to starch structure, and applied to the study of starches from wheat in comparison to plants from different botanical origin (other cereals and legumes).Finally, the role of starch granules, their size distribution, and mechanical properties on endosperm fragmentation was analysed by parametric numerical studies. The influence of the bi-modal size distribution of granules on the mesoscale mechanical properties was shown, as well as the governing role of granule toughness and interface adhesion on the granule damage.

Ce travail de recherche présente la modélisation du comportement mécanique des matériaux granulaires cohésifs par une approche multi-échelle en combinant la méthode des éléments finis (FEM) et la méthode des éléments discrets (DEM). A l'échelle microscopique, la DEM est utilisé pour modéliser un assemblage granulaire alors qu'à l'échelle macroscopique, la solution numérique est obtenue par la FEM. Afin de faire un pont entre l'échelle micro et macroscopique, un Volume Elementaire Représentative (VER) est considéré dans lequel la contrainte suite à une déformation imposée résulte d'un calcul numérique de type DEM. Par cette manière, la loi numérique constitutive est déterminé par la modélisation de la microstructure, et par conséquent prenant en compte les natures des matériaux granulaires. Après avoir achevé à construire la loi numérique, on propose d'étudier les propriétés de cette loi incrémentale en terme des enveloppes de réponse Gudehus, et des analyses en bande de cisaillement. Cet étude nous permet d'avoir une vision générale sur cette nouvelle loi. Dans cette contribution numérique multi-échelle, en implémentant la loi numérique DEM dans un code de calcul par éléments finis, un outil numérique est obtenu et utilisé à simuler des essais menés au laboratoire. Des résultats obtenus produisant la localisation de la déformation en bandes de cisaillement seront analysés et discutés. / This thesis presents a multi-scale modeling approach of cohesive granuar materials in combining the Finite Element Method (FEM) and the Discrete Element Method (DEM). At microscopic level, a DEM is used to model dense grains packing. At the macroscopic level, the numerical solution is obtained by a FEM. In order to bridge the micro and macro scales, the concept of Representative Elementary Volume (REV) is applied, in which the average REV stress and the consistent tangent operators are obtained in each macroscopic integration point as the results of DEM's simulation. In this way, the numerical constitutive law is determined through the detailed modeling of the microstructure, therefore taking into account the nature of granular materials. After completing the building of numerical law, we aim to investigate the properties of this incremental law in terms of the response envelopes Gudehus and the shear band analysis. This study allows us to better understand this new constitutive law. On the side of multi-scale numerical contribution, the numerical law DEM is implemented in a finite elements code. The numerical tool obtained is used to simulate a series of biaxial test in plane strain condition and the hollow cylinder test in laboratory. Macroscopic strain localization is observed and discussed.