The construction of mesoscopic (micrometer scale) constitutive laws in materialsscience is studied for a long time. However, the constant progress in high performance computing changes the perspectives. Indeed, constitutive laws now aim at explicitly take into account the microstructure and its underlying physics at the atomic scale, for which simulation techniques prove to be very accurate but definitely expensive. The multiscale approach is therefore perfectly adapted to such a challenge and the dialogue between scales necessary. In this thesis, the mechanical behavior of the energetic material TATB in temperature and pressure is investigated using molecular dynamics simulations in order to understand the microscopic deformation mechanisms responsible for plastic activity. The local computation of mechanical variables was developed in atomistic simulations, allowing the dialogue with continuum mechanical methods. Additionally, prescribed deformation paths were coupled with molecular dynamics, allowing to reveal the plasticity mechanism of TATB single crystal. Nucleation of complex dislocation structures with intrinsic dilatancy, twinning transition pathway and a twinning-buckling pseudo phase transition are three distinct behaviors triggered for different loading directions. Then, mesoscopic simulations inferred by atomic scale observations aim at reproducing the twinning-buckling pseudo-phase transition under tri-axial compression using a Lagrangian code. The comparison between both simulation techniques is made possible thanks to the mechanical tools that have been implemented in themolecular dynamics code. Finally, polycrystalline TATB is simulated with non linear elasticity and we demonstrate the necessity to consider an equation of state compatible with this pseudo phase transition, which has a strong influence on the polycristal behavior. / La conception de lois de comportement en science des matériaux n’est pas nouvelle. Cependant, le progrès constant en calcul haute performance change la donne. En effet, ces lois visent désormais à tenir compte de la microstructure et de la physique sous-jacente, à l’échelle atomique, pour laquelle les techniques de simulation sont précises mais très coûteuses. L’approche multiéchelles semble parfaitement adaptée à ces problématiques et le dialogue entre échelles nécessaire. Dans cette thèse, le comportement mécanique du matériau énergétique TATB en température et en pression est étudié via des simulations de dynamique moléculaire afin de caractériser les mécanismes microscopiques responsable de son comportement irréversible. Le calcul local de variables mécaniques a été développé dans des simulations atomistiques, permettant le dialogue avec les méthodes continues. De plus, une méthode d’application de chemins de déformation a été couplée avec la dynamique moléculaire, menant à la caractérisation de la réponse mécanique très anisotrope du monocristal de TATB. Nucléation de dislocations au cœur complexe, chemin de transition pour le maclage et pseudo-transition de phase de type maclage-flambage sont trois comportements distincts associés à trois types de sollicitation dans différentes directions. Des simulations à l’échelle mésoscopique, alimentées par les données calculées à l’échelle microscopique, sont ensuite effectuées et visent à reproduire la pseudo-transition de phase sous compression triaxiale dans un code Lagrangien. La comparaison des résultats aux deux échelles est rendue possible par les outils de mécanique des milieux continus implémentés dans le code de dynamique moléculaire. Finalement, un polycristal de TATB est simulé en élasticité non linéaire et nous montrons l’importance de considérer une équation d’état compatible avec cette pseudo-transition de phase, qui semble avoir une forte influence sur le comportement du polycristal.

Cette thèse est une contribution à la modélisation imbriquée de systèmes complexes. Elle propose une méthodologie globale pour quantifier les incertitudes et leurs origines dans une chaîne de calcul formée par plusieurs modèles pouvant être reliés les uns aux autres de façon complexe. Ce travail est organisé selon trois axes. D'abord, la structure dedépendance des paramètres du modèle, induite par la modélisation imbriquée, est modélisée de façon rigoureuse grâce à la théorie des copules. Puis, deux méthodes d'analyse de sensibilité adaptées aux modèles à paramètres d'entrée corrélés sont présentées : l'une est basée sur l'analyse de la distribution de la réponse du modèle, l'autre sur la décomposition de la covariance. Enfin, un cadre de travail inspiré de la théorie des graphes est proposé pour la description de l'imbrication des modèles. La méthodologie proposée est appliquée à des exemples industriels d'envergure : un modèle multiéchelles de calcul des propriétés mécaniques du béton par une méthode d'homogénéisation et un modèle multiphysique de calcul de dommage sur la culasse d'un moteur diesel. Les résultats obtenus fournissent des indications importantes pour une amélioration significative de la performance d'une structure.

Cette thèse est une contribution à la modélisation imbriquée de systèmes complexes. Elle propose une méthodologie globale pour quantifier les incertitudes et leurs origines dans une chaîne de calcul formée par plusieurs modèles pouvant être reliés les uns aux autres de façon complexe. Ce travail est organisé selon trois axes. D’abord, la structure dedépendance des paramètres du modèle, induite par la modélisation imbriquée, est modélisée de façon rigoureuse grâce à la théorie des copules. Puis, deux méthodes d’analyse de sensibilité adaptées aux modèles à paramètres d’entrée corrélés sont présentées : l’une est basée sur l’analyse de la distribution de la réponse du modèle, l’autre sur la décomposition de la covariance. Enfin, un cadre de travail inspiré de la théorie des graphes est proposé pour la description de l’imbrication des modèles. La méthodologie proposée est appliquée à des exemples industriels d’envergure : un modèle multiéchelles de calcul des propriétés mécaniques du béton par une méthode d’homogénéisation et un modèle multiphysique de calcul de dommage sur la culasse d’un moteur diesel. Les résultats obtenus fournissent des indications importantes pour une amélioration significative de la performance d’une structure. / This thesis is a contribution to the nested modelling of complex systems. A global methodology to quantify uncertainties and their origins in a workflow composed of several models that can be intricately linked is proposed. This work is organized along three axes. First, the dependence structure of the model parameters induced by the nested modelling is rigorously described thanks to the copula theory. Then, two sensitivity analysis methods for models with correlated inputs are presented : one is based on the analysis of the model response distribution and the other one is based on the decomposition of the covariance. Finally, a framework inspired by the graph theory is proposed for the description of the imbrication of the models. The proposed methodology is applied to different industrial applications : a multiscale modelling of the mechanical properties of concrete by homogenization method and a multiphysics approach of the damage on the cylinder head of a diesel engine. The obtained results provide the practitioner with essential informations for a significant improvement of the performance of the structure.

Les perspectives d'évolution des techniques chirurgicales sont de plus en plus demandeuses de modèles permettant de prédire déplacements et contraintes au sein des tissus. De tels modèles permettent par exemple de mieux focaliser un traitement sur une zone de tissu affectée par une pathologie. L'un des principaux obstacles posés par la plupart des modèles existants adaptés à la description du comportement mécanique des tissus vivants concerne la difficulté de mesure de leurs paramètres. Il en résulte une difficulté à les déterminer, ainsi qu'à comprendre leur influence. L'adoption d'une modélisation multiéchelles permet d'apporter une réponse satisfaisante à ce problème. En effet, elle autorise la prise en compte et lacombinaison de phénomènes simples qui ont lieu à différentes échelles, et fait ainsi intervenir des paramètres physiques et mesurables. Dans l'étude proposée, nous nous focalisons sur le comportement mécanique des parois des veines en pont, qui peuvent parvenir à rupture lors d'un choc appliqué à la tête. Nous proposons pour commencer des observations par microscopie optique, microtomographie X et microscopie confocale biphotonique visant à caractériser la structure de la paroi vasculaire à différentes échelles. Un essai mécanique est combiné à l'une des observations. Nous proposons ensuite une nouvelle modélisation multiéchelles du comportement mécanique de cette paroi vasculaire. Cette modélisation combine des modèles simples à trois échelles et reproduit ainsi le comportement mécanique global de la paroi vasculaire. Pour finir, le modèle est intégré à une modélisation par éléments finis afin de permettre l'étude de géométries complexes. / Modeling the mechanical behavior of living tissues gets nowadays more and more importance. Indeed, mechanical models can be integrated within assisted surgery devices to help for example the surgeon to better focus on an area affected by pathology.One of the main drawbacks of existing numerical models for the mechanical behavior of living tissues concerns the difficulty to measure their parameters, which makes their determination difficult. Adopting a multiscale modeling approach seems to be an answer to this issue. It allows taking into account the global complexity of the behavior by considering simple phenomena that occur at each scale. By this way, the parameters of the model deal with physical characteristics and remain measurable.In the present study, we focus on the mechanical behavior of bridging vein walls. These veins can break when the head is submitted to a shock loading. We start by some experimental observations using optical microscopy, X-ray microtomography and multiphoton confocal microscopy. These observations allow getting a detailed knowledge about the vein wall constitution. Additionally a mechanical tensile test is combined with one of these observations. Then we propose a new multiscale approach for the description of the mechanical behavior of vessel walls. It combines simple models associated with three scales and describes in this way the overall mechanical behavior of the vein wall. The evolution of the material structure at different scales is taken into account and contributes to the global hyperelastic mechanical behavior of the tissue. Finally, our model is implemented in a finite element code in order to study complex geometries.

De nos jours, l’enjeu de la mécanobiologie ne cesse de grandir. On s’intéresse à la description des problèmes biophysiques d’un point de vue mécanique avec des approches multiéchelles. Dans ce travail, nous proposons d’étudier deux exemples mettant en évidence le rôle important de la mécanique sur des processus purement biologiques. 1) La croissance tumorale dans son stade avasculaire : nous proposons un modèle continu où le tissu tumoral est considéré capable de croître et de se déformer tout en obéissant aux lois de conservation. Nous proposons ensuite pour étudier l’effet des propriétés mécaniques du microenvironnement -où réside la tumeur- sur le développement tumoral d’intégrer certaines conditions aux interfaces tumeur/microenvironnement. 2) La reconstruction des propriétés élastiques de la cuticule d’arthropode : nous proposons un modèle multiéchelles de son comportement mécanique fondé sur la structure hiérarchique établie dans la littérature. Pour remédier à la sous-estimation du modèle des propriétés élastiques de la cuticule, nous proposons d’inclure les interfaces à certaines échelles qui pourraient améliorer la transmission des efforts aux constituants multiéchelles du composite (cuticule) et donc améliorer les propriétés élastiques macroscopiques de ce dernier. / Nowadays, the challenge of mechanobiology keeps growing. We are interested in the description of biophysical problems from a mechanical point of view with multiscale approaches.In the present study, we propose to study two examples highlighting the substantial role of mechanics on purely biological processes. 1) Tumor growth in the avascular stage: we propose a continuous model where tumor tissue is considered able to grow and to deform while obeying to conservation laws. Then, we propose to study the effect of the mechanical properties of the microenvironment- where lives the tumor- on the tumor development by integration of certain interfaces conditions tumor/microenvironment. 2) Reconstruction of the elastic properties of the arthropod cuticle: we propose a multiscale model of its mechanical behavior based on the hierarchical structure established in the literature. To remedy the under-estimation of the cuticle elastic properties of the model, we propose to include the interfaces to some scales that could improve the transmission of forces to the multiscale components of the composite (cuticle) and thus improve their macroscopic elastic properties.

Les perspectives d'évolution des techniques chirurgicales sont de plus en plus demandeuses de modèles permettant de prédire déplacements et contraintes au sein des tissus. De tels modèles permettent par exemple de mieux focaliser un traitement sur une zone de tissu affectée par une pathologie. L'un des principaux obstacles posés par la plupart des modèles existants adaptés à la description du comportement mécanique des tissus vivants concerne la difficulté de mesure de leurs paramètres. Il en résulte une difficulté à les déterminer, ainsi qu'à comprendre leur influence. L'adoption d'une modélisation multiéchelles permet d'apporter une réponse satisfaisante à ce problème. En effet, elle autorise la prise en compte et lacombinaison de phénomènes simples qui ont lieu à différentes échelles, et fait ainsi intervenir des paramètres physiques et mesurables. Dans l'étude proposée, nous nous focalisons sur le comportement mécanique des parois des veines en pont, qui peuvent parvenir à rupture lors d'un choc appliqué à la tête. Nous proposons pour commencer des observations par microscopie optique, microtomographie X et microscopie confocale biphotonique visant à caractériser la structure de la paroi vasculaire à différentes échelles. Un essai mécanique est combiné à l'une des observations. Nous proposons ensuite une nouvelle modélisation multiéchelles du comportement mécanique de cette paroi vasculaire. Cette modélisation combine des modèles simples à trois échelles et reproduit ainsi le comportement mécanique global de la paroi vasculaire. Pour finir, le modèle est intégré à une modélisation par éléments finis afin de permettre l'étude de géométries complexes.

Les séismes constituent une source d’aléas importante pour l’étude de la vulnérabilité d’unbâtiment. Le comportement parasismique des bâtiments à ossatures en bois est particulièrementintéressant. Deux familles de structure à ossature en bois peuvent être distinguées : les ossaturesutilisant les produits industriels que sont les panneaux en bois reconstitué servant à contreventerla structure et les connecteurs métalliques, et les ossatures traditionnelles avec remplissage reposantsur des techniques de construction anciennes et dépendantes du contexte local. L’efficacitédu comportement parasismique des bâtiments à ossature en bois traditionnels avec remplissagereste encore peu reconnue en raison du manque de résultats issus des travaux de recherche.Les travaux présentés dans cette thèse visent ainsi à améliorer les connaissances sur le comportementparasismique de cette typologie constructive. Partant de l’hypothèse selon laquellece comportement est gouverné par la réponse des assemblages par connecteurs métalliques, uneapproche multi-échelles, couplant études expérimentales et études numériques est développée.Elle détaille l’analyse à l’échelle 1 de la connexion, en passant par l’échelle 2 des cellules élémentaires,constitutives des murs, par l’échelle 3 des murs de contreventement pour se finaliserà l’échelle 4 du bâtiment dans son ensemble.Sur le plan expérimental, cette approche permet d’une part, de réaliser des études paramétriqueset ainsi d’appréhender l’influence de la réponse de chaque élément (bois, clous, feuillard,remplissage, contreventement, ouvertures) sur le comportement local (échelles 1 et 2) et global(échelles 3 et 4) de la structure. D’autre part, elle permet de fournir une base de données pourla validation des modélisations numériques aux différentes échelles.Sur le plan de la modélisation numérique, cette approche multi-échelles est fondée sur la priseen compte du comportement non-linéaire hystérétique des assemblages à l’échelle supérieure, parl’intermédiaire d’un macro-élément, développé dans la cadre de la méthode des éléments finis.Ainsi, grâce à une modélisation simplifiée (assemblage des macro-éléments), le calcul est rapide,aussi bien à l’échelle du mur qu’à celle du bâtiment, et intègre les phénomènes non-linéaire locaux.Le modèle peut ainsi prédire de manière relativement précise le comportement dynamique de lastructure complète à l’échelle 4, testée sur table vibrante.L’étude présentée dans ce manuscrit fait partie des travaux précurseurs relatifs à l’analysede la vulnérabilité sismique des ossatures bois avec remplissage. Cette étude débouche sur denombreuses perspectives pour l’analyse de cette typologie constructive. Elle confirme que les bâtimentsà ossatures en bois avec remplissage ont un comportement parasismique très performant. / The seismic vulnerabilty is an important issue in the design of a building. The seismicresistant behavior of timber-framed structures is particularly relevant. Two types of timberframedstructures can be distinguished : the timber-framed structures using industrial products,such as wood-products panels used to brace the structure or metal fasteners, and traditionaltimber-framed structures included infill made of natuarl materials (earth or stones masonry).The seismic resistant behavior efficiency of traditional structures remains poorly recognizedbecause of the lack of research results on this kind of construction.Therefore, the thesis aims at improving the seismic behavior knowledge of timber-framedmasonry. Based on the assumption that their behavior is driven by the response of the metalfasteners connections, a multi-scale approach is proposed. It couples experimental and numericalstudies. At the scale 1 of the connection, at the scale 2 of the elementary constitutive cell ofwalls, at the scale 3 of structural elements such as shear walls and finally at the scale 4 of theentire building.In regards to the experimental work, this method allows, on the one hand, to perform parametricstudies and to analyze the influence of each element (wood member, nails, steel strip,infill, bracing, openings) on the local behavior (scales 1 and 2) and on the global behavior(scales 3 and 4) of the structure. On the other hand, it allows to provide a database to validatethe numerical modeling at each scale.In regards to the numerical work, this multi-scale approach allows to take into account thehysteretic behavior of joints in the development of a macro-element at the scale 2. Thus, thanksto a simplified finite element modeling (macro-element assembly), the computational cost islimited and it allows to take into account the local phenomena. The model is able to predictrelatively accurately the dynamic behavior at the scale 4 of the building, tested on a shakingtable.The study, presented herein, is one of the pioneer work that deals with the analysis of theseismic vulnerability of timber-framed structures with infill panels. This study provides outlookfor the analysis of this type of buildings. It confirms that the timbered masonry structures havea relevant seismic resistant behavior.