Les installations des industries hautes températures (i.e. sidérurgie, incinération...) sont soumises à des conditions d'exploitation sévères. Ces structures présentent généralement des parois multicouches associant une grande variété de matériaux tels que maçonneries réfractaires, bétons spécifiques, isolants et blindage acier. Il en résulte un ensemble de sollicitations thermiques, chimiques et mécaniques extrêmes qui ne sont ni homogènes ni isotropes. La simulation de ces structures nécessite une représentation du comportement des matériaux et de l'impact de leur agencement qui ne nuise pas à la convergence du calcul. Pour cela, il est proposé d'avoir recours aux méthodes d'homogénéisation linéaire. L'étude du cas particulier des maçonneries réfractaires aboutit à une méthodologie de développement de comportement homogène équivalent intégrant l'effet adoucissant induit par la présence de joints (avec ou sans mortier) dans la structure. Les résultats obtenus par cette méthode sont en accord avec les observations et mesures disponibles : essais de laboratoire et observations / instrumentations sur site. La prise en compte des effets de l'environnement chimique requiert un couplage entre thermochimie et thermomécanique à l'échelle macroscopique de la mécanique des matériaux adaptée à l'objectif d'intégration dans un calcul de structure. Le cadre de travail proposé s'inscrit dans celui, plus large, de la thermodynamique des processus irréversibles et souligne la prédominance des phénomènes de transport de masse et de chaleur dans le vieillissement des céramiques aux hautes températures. Les résultats obtenus, notamment dans le domaine des réacteurs membranaires (MIEC) et de la sidérurgie (poche à acier), permettent de conclure quant à la pertinence de l'approche proposée. A terme, la réunion de ces deux axes de recherche doit permettre de répondre au problème de l'anticipation de la durée de vie des structures céramiques pour les applications hautes températures.

Les travaux de cette thèse ont permis de contribuer à la compréhension et au développement de la physique et de la chimie des matériaux. Dans cette étude, des nouveaux nanocomposites polymères de hautes performances structurales, thermiques et mécaniques ont été fabriqués en utilisant le graphène, l'oxyde de graphène et les nanotubes de carbone modifiés comme nanocharges de renforcement ou des agents de nucléation. L'étude a porté, d'une part, sur des échantillons nanocomposites à matrices polypropylène (PP), polyéthylène haut densité (PEHD) et polyfluorure de vinylidène (PVDF) fabriqués par un procédé d'extrusion et d'autre part, sur des films nanocomposites à matrice PVDF fabriqués par un procédé de mélange en solution suivi par l'approche coulée-évaporation. Les nanofeuillets de graphène (NFG) et ceux d'oxyde de graphène (NFOG) ont été obtenus via l'exfoliation du graphite naturel en utilisant une méthode chimique. Des techniques de caractérisation expérimentales ont confirmé que les NFG et NFOG ont été bien formés en large quantité avec une haute qualité structurale, une épaisseur entre 0,95-1nm et des dimensions latérales entre 0,1 et 1μm. Les nanotubes de carbone (NTC) ont été fonctionnalisés par un surfactant polymérique, la polyvinylpyrrolidone (PVP), via le mécanisme d'adsorption physique, afin d'augmenter leur dispersion dans des solvants organiques et des matrices polymères. Les propriétés structurales (morphologie et propriétés rhéologiques), thermiques (stabilité thermique, comportement de cristallisation et de fusion), mécaniques (traction, flexion) des matrices sélectionnées (PP, HDPE et PVDF) ont été largement améliorées par l'addition de faibles fractions massiques des NFG (< 3%). Les améliorations obtenues au niveau des propriétés sélectionnées des nanocomposites peuvent étre élargir le champ d'application des polymères thermoplastiques. Des approches efficaces ont été développées afin de produire des films nanocomposites à matrice PVDF chargés par les nanofeuillets d'oxyde de graphène (NFOG) et les nanotubes de carbone modifiés (NTC/PVP). Ces films ont été fabriqués dans le cadre de contrôler la structure cristalline du PVDF et ce en terme de phase β (responsable de la piézoélectricité). Ainsi que des améliorations très significatives des propriétés mécaniques et thermiques ont été réalisées par l'addition de faibles fractions massiques de NFOG et NTC (< 2 %).

La dégradation géométrique de la voie ballastée sous circulation commerciale nécessite des opérations de maintenance fréquentes et onéreuses. La caractérisation du comportement des procédés de maintenance comme le bourrage, la stabilisation dynamique, est nécessaire pour proposer des améliorations en terme de méthode, paramétrage pour augmenter la pérennité des travaux. La simulation numérique d'une portion de voie soumise à un bourrage ou une stabilisation dynamique permet de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans le ballast. Toutefois, la complexité numérique de ce problème concernant l'étude de systèmes à très grand nombre de grains et en temps de sollicitation long, demande donc une attention particulière pour une résolution à moindre coût. L'objectif de cette thèse est de développer un outil de calcul numérique performant qui permet de réaliser des calculs dédiés à ce grand problème granulaire moins consommateur en temps. La méthodologie utilisée ici se base sur l'approche Non Smooth Contact Dynamics (NSCD) avec une discrétisation par Éléments Discrets (DEM). Dans ce cadre, une méthode de décomposition de domaine (DDM) alliée à une parallélisation adaptée en environnement à mémoire partagée utilisant OpenMP sont appliquées pour améliorer l'efficacité de la simulation numérique.

Pour étudier les déformations permanentes des enrobés bitumineux, la division SMIT du LCPC a mis au point un essai triaxial thermorégulé à pression de confinement constante. Un important travail de mise au point de l'essai et de vérification des mesures a été réalisé. Une première campagne expérimentale, portant sur des essais de fluage à contrainte imposée, a permis d'étudier l'influence des paramètres pression de confinement, déviateur de contraintes et température sur le comportement des enrobés bitumineux sous chargement statique. Ces essais ont, de plus, permis de valider le principe d'équivalence temps température en grandes déformations, avec confinement. Un modèle élasto-visco-plastique, permettant de prendre en compte l'application d'une pression de confinement, a été développé pour simuler les essais de fluage. Son principe est basé sur les observations expérimentales. Les applications visées sont l'étude de structures bitumineuses telles que les plates-formes industrielles ou aires de stationnement. Une deuxième campagne d'essais de compression cyclique sinusoïdale a ensuite été menée. Lors de ces essais, on mesure : les déformations cycliques, de l'ordre de 10-4m/m, qui nous permettent d'obtenir des informations sur l'évolution de la rigidité du matériau (module complexe et coefficient de Poisson) et les déformations permanentes, de l'ordre de 10-2m/m, qui donnent des informations sur la résistance à l'orniérage. L'influence des paramètres pression de confinement, température et fréquence a été étudiée. Des différences importantes de comportement ont été mises en évidence entre les essais statiques et cycliques, liées à la variation cyclique des contraintes.

Mes activités de recherche se sont centrées sur les procédés de transformation des polymères, essentiellement le procédé d'injection-moulage mais aussi le soufflage et maintenant la peinture. J'ai participé à plusieurs projets de recherche appliquée pluridisciplinaire donc à finalité industrielle. Dans ces projets ma contribution porte sur la modélisation du procédé, que ce soit par l'utilisation de code de calculs ou le développement de modèles numériques à l'aide de logiciels libres. L'originalité de mon travail réside dans la pluridisciplinarité des projets qui mêlent des aspects théoriques et numériques aux aspects expérimentaux; la science des polymères à la thermique, à la mécanique et à la rhéologie. Les modélisations s'appuient sur des mesures expérimentales qui sont, dans les procédés de transformation, particulièrement délicats à isoler et à interpréter. Ces dispositifs expérimentaux représentent une part considérable de l'effort de recherche dans ces projets. Durant ces travaux, j'ai tenté de répondre à des problématiques distinctes : Dans les procédés de plasturgie, la viscoélasticité est finalement assez absente. Lorsqu'elle se manifeste, c'est sous la forme de défauts (instabilités, recirculations) qu'il faut éviter. C'est pourquoi, la plupart des écoulements impliqués dans les procédés sont de type lubrification~: une dimension au moins est petite devant les autres; ce qui atténue de façon effective les effets viscoélastiques. Une illustration frappante en est donnée par les recirculations viscoélastiques créées par la courbure du chenal d'une vis : lorsque le rapport d'aspect de la section augmente, elles s'atténuent et se décalent vers les parois latérales, précisément là où dans la section, aucune dimension n'est petite devant l'autre. Seul le procédé d'extrusion soufflage s'appuie totalement sur les propriétés viscoélastiques du polymère en écoulement, au travers des phénomènes de gonflement et de fluage. Cet écoulement est particulièrement discriminant et doit permettre à terme de déterminer les paramètres matériels d'une loi viscoélastique intégrale en comparant les prédictions des simulation numériques (par le code FEM Polyflow ou la méthode des tubes de courant) aux mesures expérimentales du gonflement et de fluage, devenues réalisables désormais avec notre technique de visualisation par illumination laser. En ce qui concerne le phénomène de plastification dans les monovis d'injection, ce thème de recherche est celui qui a nécessité le plus d'efforts et c'est celui qui est le plus ardu. La difficulté première, celle des observations, est en passe d'être surmontée avec le fourreau à fenêtres qui permet une visualisation inégalée des phénomènes de plastification. Nous allons pouvoir reprendre et vérifier toutes les hypothèses usuelles de la plastification : accélération du lit solide, fonte contiguë ou dispersée, position et épaisseur des films fluides. En ce qui concerne la modélisation numérique du convoyage solide du polymère dans le chenal de la vis. Une autre problématique, très importante dans le domaine industriel de l'automobile ou de la cosmétique, concerne les défauts de surfaces des pièces plastiques injectées. De nombreux facteurs peuvent contribuer à l'apparition de tels défauts. Nous avons étudié les effets thermiques en montrant que même des revêtements métalliques extrêmement fins pouvaient avoir une influence thermique. Qu'en est-il de l'aspect dynamique de l'écoulement et du contact (tension de surface) polymère-métal ? Ce sujet est d'importance pour l'injection moulage classique mais aussi la micro-plasturgie. La simulation numérique de la projection de peinture représente une direction nouvelle de recherche, active en Europe, mais inédite en France, et pour laquelle nous sommes bien placés à l'insa-lyon avec la création récente d'une cabine de peinture pilote. Cela reste toujours de la mécanique des fluides et des polymères mais avec des outils différents (code volumes finis, OpenFOAM, StarCCM). Encore une fois, une analyse des phénomènes prépondérants, notamment dans l'aérodynamique et le champ électrostatique, associée à des mesures expérimentales, devraient aboutir à un modèle simplifié des trajectoires des gouttes et donc de la projection de peinture.

Ce travail de recherche porte sur le comportement des milieux poreux (triphasiques), plus particulièrement les sols non saturés sous sollicitations hydro-mécaniques. Un modèle constitutif élastoplastique couplé est développé. Ce modèle original est formulé selon les principes suivants: une loi constitutive est développée pour décrire le comportement de chaque phase (squelette solide, liquide, et gaz). Ensuite, des relations de couplage sont ajoutées entre chacune des phases. Pour le comportement du squelette solide, une loi élastoplastique non associée est adoptée, avec deux surfaces de charges, en cisaillement et en compression. La partie hydrique est décrite par une formulation qui permet de prendre en compte l'effet d'hystérésis. Ce modèle a été enrichi par une relation de couplage hydromécanique qui permet d'exprimer la pression d'entrée d'air en fonction de la porosité. Ensuite, le couplage complet se fait avec la contrainte effective de Bishop en utilisant une nouvelle définition du paramètre de succion χ grâce à laquelle, les différents phénomènes présents dans la réponse des milieux poreux sous différentes sollicitations peuvent être reproduits. Ce modèle est validé par une confrontation à des données expérimentales issues de la littérature sur différents types de sol (sable, limon,...). Le modèle est implanté dans le code aux éléments finis Cast3M. L'analyse de problèmes particuliers, tels que la mise en œuvre d'un cas test d'un sol d'assise soumis à un cycle pluvial, ainsi que l'étude de la stabilité d'une pente, permettent de montrer la capacité du modèle à reproduire le comportement des milieux poreux non saturés.

Detta examensarbete har utförts åt Ålö, som är en tillverkare av frontlastare och redskap till dessa. Ett av deras redskap, vars syfte är snöröjning, är utrustat med hydrauliskt justerbara sidoklaffar som kan fällas bakåt och nyttjas som plogblad. De fyller dock inte denna uppgift tillfredsställande då snö tenderar falla tillbaka bakom dem. Det bildas även en triangulär spalt mellan klaffarna och underlaget vid plogning, detta lämnar kvar en sträng av snö, utöver det som faller ner bakom klaffarna. Målet i detta projekt var att utveckla en plogklaff som löser tidigare nämnda problem genom att ersätta den högra sidoklaffen till skopan. Utvecklingen har initierats med en studie av rapporter, existerande plogar, kontakt med brukare och fastställande av de begränsningar som råder. Detta har sedan utgjort grunden för en rad koncept, av vilka de mest lovande sammanfogades till en prototyp. Kraftberäkningar utifrån det lastfall som uppstår vid plogning har sedan använts för att bl.a. dimensionera skruvförband och skapa randvillkoren för en finita element-analys. Finita element-analysen har sedan nyttjats för att göra en uppskattning av antalet cykler med momentan maximal belastning plogklaffen klarar innan utmattningsbrott sker. Kraftberäkningarna visade att hydraulcylinderns tryckbegränsare öppnar redan innan maximal belastning uppnås. Finita element-analys och kraftberäkningar till skruvförband förutsätter likväl att maximal belastning kan erhållas momentant i syfte att ge konservativa resultat. Under denna förutsättning skiljer belastningen i skruvförbanden endast ca 7-10 % mellan finita element-analys och handberäkningar. Samtliga beräkningar är inom spannen för skruvförbandens hållfasthet. Utmattningsberäkningarna visade att antalet cykler plogklaffen klarar vid maximal belastning uppgår till ca 346 000. Detta avser områden av intresse och inkluderar således ej delar vilka redan utvärderats i originalklaffen. Svetsförband, som i regel är dimensionerande i situationer som dessa, har ej sett någon utmattningsmässig utvärdering utan kommer istället behandlas vid tester av prototypen. Prototypen uppfyller de utsatta målen och tillverkningsunderlag i form av 3D-CAD modeller och 2D-ritningar (inklusive svetsritningar) har levererats. En fysisk prototyp är även beställd och kommer tillverkas av Vännäs Verkstads AB, planerat leveransdatum är 2017-06-08. Den kommer utvärderas under vintern 2017/2018. / This thesis work has been carried out for Ålö, a manufacturer of front loaders and implements for these. One of their implements, whose purpose is snow clearing, is equipped with hydraulically adjustable flaps that can be folded backwards and used as plows. However, they do not fill this task satisfactorily as snow tends to fall down behind them. A triangular gap between the flaps and the ground is also formed during plowing. This leaves a string of snow behind, aside from the snowmass already falling down behind the flaps. The goal for this project was to develop a plow that solves the aforementioned problems by replacing the right side flap on the bucket. The development was initiated with a study of reports, existing plows, contact with users and determining existing constraints. This has since provided the basis for a series of concepts, of which the most promising ones were joined to a prototype. Force calculations based on the load scenario that occurs during plowing have been used to find appropriate fasteners and create boundary conditions for a finite element analysis. The finite element analysis has then been used to estimate the number of cycles with maximum load the plow can be subjected to before it succumbs to fatigue failure. Force calculations showed that the pressure limiter for the hydraulic cylinder opens even before maximum load is reached. Despite this, finite element analysis and force calculations for fasteners were still based on the condition that maximum load is achieved momentarily to produce convervative results. Under this condition, the load on fasteners differs only ca 7-10 % between finite element analysis and calculations made by hand. All calculations are within the span for the fasteners proof strength. Fatigue calculations showed that the number of cycles the plow can handle with maximum load amounts to approximately 346 000. This refers to areas of interest and thus does not include parts already evaluated in the original flap. Welds, which usually dictate minimum strength in situations like these, have not seen any fatigue evaluations, but will instead be addressed while testing the prototype. The prototype meets the set goals and production documentation in the form of 3D-CAD models and 2D drawings (including weldment drawings) have been delivered. A physical prototype is also ordered and will be manufactured by Vännäs Verkstads AB, scheduled delivery date is 2017-06-08. It will be evaluated during the winter of 2017/2018.

This thesis proposes an algorithm that determine the geometry of 3D-printed, custom-designed spring element bands made of thermoplastic elastomer (TPE) for use in a wearable orthotic device to aid in the physical therapy of a human hand exhibiting spasticity after stroke. Each finger of the hand is modeled as a mechanical system consisting of a triple-rod pendulum with nonlinear stiffness at each joint and forces applied at the attachment point of each flexor muscle. The system is assumed quasi-static, which leads to a torque balance between the flexor tendons in the hand, joint stiffness and the design force applied to the fingertip by the 3D-printed spring element. To better understand material properties of the spring element’s material, several tests are performed on TPE specimens printed with different infill geometries, including tensile tests and cyclic loading tests. The data and stress-strain curves for each geometry type are presented, which yield a nonlinear relationship between stress and strain as well as apparent hysteresis. Polynomial curves are used to fit the data, which allows for the band geometry to be designed. A hypothetical hand is presented along with how input measurements might be taken for the algorithm. The inputs are entered into the algorithm, and the geometry of the bands for each finger are generated. Results are discussed, and future work is noted, providing a means for the design of a customized orthotic device.

Abstract An experimental method was developed that demonstrated the size effects in forming thin sheet metals, and a finite element model was developed to predict the effects demonstrated by the experiment. A universal testing machine (UTM) was used to form aluminum and copper of varying thicknesses (less than 1mm) into a hemispherical dome. A stereolithography additive manufacturing technology was used to fabricate the punch and die from a UV curing resin. There was agreement between the experimental and numerical models. The results showed that geometric size effects were significant for both materials, and these effects increased as the thickness of the sheets decreased. The demonstration presents an inexpensive method of testing small-scale size effects in forming processes, which can be altered easily to produce different shapes and clearances.

We will create a class of generalized ellipses and explore their ability to define a distance on a space and generate continuous, periodic functions. Connections between these continuous, periodic functions and the generalizations of trigonometric functions known in the literature shall be established along with connections between these generalized ellipses and some spectrahedral projections onto the plane, more specifically the well-known multifocal ellipses. The superellipse, or Lam\'{e} curve, will be a special case of the generalized ellipse. Applications of these generalized ellipses shall be explored with regards to some one-dimensional systems of classical mechanics. We will adopt the Ramberg-Osgood relation for stress and strain ubiquitous in engineering mechanics and define a general internal bending moment for which this expression, and several others, are special cases. We will then apply this general bending moment to some one-dimensional Euler beam-columns along with the continuous, periodic functions we developed with regard to the generalized ellipse. This will allow us to construct new solutions for critical buckling loads of Euler columns and deflections of beam-columns under very general engineering material requirements without some of the usual assumptions associated with the Ramberg-Osgood relation.