L'utilisation des moyens de calcul de type éléments finis couplés aux progrès techniques en matière de mesures de champs expérimentaux, tant microstructuraux que mécaniques, ouvrent la voie à une richesse de dialogue expérience/calcul qui ne se limite plus à la seule réponse macroscopique obtenue sur un volume élémentaire représentatif. <br />L'objectif de ce travail concerne l'exposé de la méthodologie adoptée et des outils développés pour l'identification de paramètres pertinents de lois de comportement de matériaux hétérogènes à partir de la définition de leur microstructure et des mécanismes responsables, au sein du volume élémentaire représentatif, de leur comportement élasto-plastique voire de leur endommagement. Nous nous intéresserons tout particulièrement à préciser la notion d'hétérogénéités, qui est fortement dépendante de la base de mesure choisie, que se soit pour l'expérimentation ou pour les simulations numériques. Nous aborderons d'autre part, les questions relatives à la pertinence de mesures de surface pour décrire le comportement d'un volume de matière puis nous nous focaliserons sur l'intérêt d'utiliser des mesures cinématiques, obtenues en cours d'essais mécaniques in situ comme conditions aux limites des simulations numériques. <br />Nous discuterons de la mise en place de cette méthodologie à partir de résultats obtenus à partir d'alliages métalliques et de matériaux virtuels.

Les thèmes de recherche développés dans le mémoire d'HdR se rapportent à l'étude de l'endommagement des géomatériaux. Ils associent toujours des expériences et des modélisations pour répondre à des exigences industrielles. La première partie de l'exposé portera sur l'étude du comportement des bétons de fibres à ultra haute performance (BFUHP). Ce travail de recherche, réalisé à plusieurs échelles, a mis en évidence l'impact d'une hétérogénéité locale sur le comportement global d'une structure en béton. La deuxième partie a pour objet l'étude du comportement des barrières argileuses des centres de stockage de déchets industriels spéciaux. Ce travail de recherche a permis, entre autre, de définir pour l'argile un critère de flexion sans fissuration qui tient compte des conditions de mise en œuvre. Pour ces deux travaux de recherche, la démarche scientifique retenue, a conduit au développement d'expériences spécifiques souvent uniques et non-conventionnelles pour les matériaux étudiés (bitraction sur le béton et flexion sur l'argile). De plus, ce travail a utilisé des modélisations non usuelles dans lesquelles ont été intégrées les particularités relatives aux problèmes posés (couplages modèles d'inclusion et éléments finis, modélisations discrètes et matériaux cohérents). Dans les deux cas l'objectif était de maîtriser la mise en œuvre et le comportement jusqu'à la ruine des matériaux afin d'optimiser leurs performances mécaniques.

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.

La modélisation multi-échelle des matériaux hétérogènes est un challenge en mécanique numérique. Dans le contexte non linéaire, les propriétés effectives des matériaux hétérogènes ne peuvent pas être obtenues par les techniques utilisées pour les milieux linéaires car le principe de superposition n'est plus valable. Ainsi, dans le contexte des éléments finis, une alternative au maillage de l'ensemble de la structure avec la prise en compte de toutes les hétérogénéités, est l'utilisation de la méthode d'éléments finis multi-échelles (EF2). Les techniques de ce type offrent de nombreux avantages, tels que la prise en compte : des grandes déformations au niveau micro et macro sont souvent résolus par les procédures classiques de Newton-Raphson, qui sont généralement adaptées à la résolution des problèmes non linéaires mais qui présentent des difficultés en présence d'instabilités. Dans cette thèse, la combinaison de la méthode des éléments finis multi-échelles (EF2) et la méthode asymptotique numérique (MAN), surnommée MAN multi-échelle, permet de mettre en œuvre une technique numérique efficace pour traiter les problèmes d'instabilités dans le cadre des matériaux hétérogènes. Ces instabilités peuvent survenir à la fois au niveau micro et au niveau macro. Différentes classes de comportement des matériaux ont été implantées dans notre procédure. Pour améliorer le conditionnement du problème multi-échelle à résoudre, une technique d'homogénéisation du second ordre a été également adaptée dans le cadre de la technique MAN multi-échelle. Par ailleurs, afin de réduire le temps de calcul, quelques techniques ont été proposées dans ce travail / The multiscale modelling of the heterogeneous materials is a challenge in computational mechanics. In the nonlinear case, the effective properties of heterogeneous materials cannot be obtained by the techniques used for linear media because the superposition principle is no longer valid. Hence, in the context of the finite element method, an alternative to mesh the whole structure, including all heterogeneities, is the use of the multiscale finite element method (FE2). These techniques have many advantages, such as taking into account : large deformations at the micro and macro scales, the nonlinear constitutive behaviors of the material, and microstructure evolution. The nonlinear problems in micro and macro scales are often solved by the classical Newton-Raphson procedures, which are generally suitable for solving nonlinear problems but have difficulties in the presence of instabilities. In this thesis, the combination of the multiscale finite element method (FE2) and the asymptotic numerical method (ANM), called Multiscale-ANM, allows one to obtain a numerical effective technique for dealing with the instability problems in the context of heterogeneous materials. These instabilities can occur at both micro and macro levels. Different classes of material constitutive relation have been implemented within our procedure. To improve the multiscale problem conditioning, a second order homogenization technique was also adapted in the framework of Multiscale-ANM technique. Furthermore, to reduce the computational time, some techniques been proposed in this work

Ce travail a porté principalement sur le développement et l'étude de méthodes numériques de type éléments finis multi-échelles pour un problème d'advection diffusion multi-échelles dominé par l'advection. Deux types d'approches sont envisagées: prendre en compte l'advection dans la construction de l'espace d'approximation, ou appliquer une méthode de stabilisation. On commence par l'étude d'un problème d'advection diffusion, dominé par l'advection, dans un milieu hétérogène. On poursuit sur des problèmes d'advection-diffusion, sous le régime où l'advection domine, posés dans un domaine perforé. On se focalise ici sur la condition aux bords de type Crouzeix Raviart pour la construction des éléments finis multi-échelles. On considère deux situations différentes selon la condition prescrite au bord des perforations: la condition de Dirichlet homogène ou la condition de Neumann homogène. Cette étude repose sur une hypothèse de coercivité.Pour finir, on se place dans un cadre général où l'opérateur d'advection-diffusion est non coercif, possiblement dominé par l'advection. On propose une approche éléments finis basée sur une mesure invariante associée à l'opérateur adjoint. Cette approche est bien posée inconditionnellement en la taille du maillage. On la compare numériquement à une méthode standard de stabilisation / This work essentially deals with the development and the study of multiscale finite element methods for multiscale advection-diffusion problems in the advection-dominated regime. Two types of approaches are investigated: Take into account the advection in the construction of the approximation space, or apply a stabilization method. We begin with advection-dominated advection-diffusion problems in heterogeneous media. We carry on with advection-dominated advection-diffusion problems posed in perforated domains.Here, we focus on the Crouzeix-Raviart type boundary condition for the construction of the multiscale finite elements. We consider two different situations depending on the condition prescribed on the boundary of the perforations: the homogeneous Dirichlet condition or the homogeneous Neumann condition. This study relies on a coercivity assumption.Lastly, we consider a general framework where the advection-diffusion operator is not coercive, possibly in the advection-dominated regime. We propose a Finite Element approach based on the use of an invariant measure associated to the adjoint operator. This approach is unconditionally well-posed in the mesh size. We compare it numerically to a standard stabilization method

Dans cette thèse nous introduisons une approche nouvelle pour la reconstruction d’un front d’ondes en Optique Adaptative (OA), à partir des données de gradients à basse résolution en provenance de l’analyseur de front d’ondes, et en utilisant une approche non-linéaire issue du Formalisme Multiéchelles Mi-crocanonique (FMM). Le FMM est issu de concepts établis en physique statistique, il est naturellement approprié à l’étude des propriétés multiéchelles des signaux naturels complexes, principalement grâce à l’estimation numérique précise des exposants critiques localisés géométriquement, appelés exposants de singularité. Ces exposants quantifient le degré de prédictabilité localement en chaque point du domaine du signal, et ils renseignent sur la dynamique du système associé. Nous montrons qu’une analyse multirésolution opérée sur les exposants de singularité d’une phase turbulente haute résolution (obtenus par modèle ou à partir des données) permet de propager, le long des échelles, les gradients en basse résolution issus de l’analyseur du front d’ondes jusqu’à une résolution plus élevée. Nous comparons nos résultats à ceux obtenus par les approches linéaires, ce qui nous permet de proposer une approche novatrice à la reconstruction de fronts d’onde en Optique Adaptative. / In this thesis, we introduce a new approach to wavefront phase reconstruction in Adaptive Optics (AO) from the low-resolution gradient measurements provided by a wavefront sensor, using a non-linear approach derived from the Microcanonical Multiscale Formalism (MMF). MMF comes from established concepts in statistical physics, it is naturally suited to the study of multiscale properties of complex natural signals, mainly due to the precise numerical estimate of geometrically localized critical exponents, called the singularity exponents. These exponents quantify the degree of predictability, locally, at each point of the signal domain, and they provide information on the dynamics of the associated system. We show that multiresolution analysis carried out on the singularity exponents of a high-resolution turbulent phase (obtained by model or from data) allows a propagation along the scales of the gradients in low-resolution (obtained from the wavefront sensor), to a higher resolution. We compare our results with those obtained by linear approaches, which allows us to offer an innovative approach to wavefront phase reconstruction in Adaptive Optics.

L’étude des écoulements souterrains et l’ingénierie réservoir partagent le même intérêt pour la simulation d’écoulement multiphasique dans des sols aux propriétés intrinsèquement hétérogènes. Elles rencontrent également les mêmes défis pour construire un modèle à l’échelle réservoir en partant de données micrométriques tout en contrôlant la perte d’informations. Ce procédé d’upscaling est utile pour rendre les simulations faisables et répétables dans un cadre stochastique. Deux processus de mise à l’échelle sont définis: l’un depuis l’échelle micrométrique jusqu’à l’échelle de Darcy, et, un autre depuis l’échelle de Darcy vers l’échelle du réservoir. Dans cette thèse, un nouvel algorithme traitant du second upscaling Finite Volume Mixed Hybrid Multiscale Method (FV-MHMM) est étudié. L’extension au diphasique est faite au moyen d’un couplage séquentiel faible entre saturation et pression grâce à une méthode de type IMPES. / The groundwater specialists and the reservoir engineers share the same interest in simulating multiphase flow in soil with heterogeneous intrinsic properties. They also both face the challenge of going from a well-modeled micrometer scale to the reservoir scale with a controlled loss of information. This upscaling process is indeed worthy to make simulation over an entire reservoir manageable and stochastically repeatable. Two upscaling steps can be defined: one from the micrometer scale to the Darcy scale, and another from the Darcy scale to the reservoir scale. In this thesis, a new second upscaling multiscale algorithm Finite Volume Mixed Hybrid Multiscale Methods (Fv-MHMM) is investigated. Extension to a two-phase flow system is done by weakly and sequentially coupling saturation and pressure via IMPES-like method.

Les schémas de subdivisions ont été initialement introduits pour construire par itération, des courbes ou des surfaces à partir de points de contrôle. Ils sont apparus comme étant un ingrédient de base dans la définition d'analyses multirésolutions, avec comme application<br />l'approximation et la compression des images. Dans la construction de courbes ou dans la compression d'images, la convergence du schéma de subdivision vers une fonction continue, la régularité de cette fonction, la stabilité et l'ordre du schéma sont des propriétés cruciales. Les schémas linéaires présentant une importante limitation (ils créent des oscillations au voisinage de forts gradients ou de discontinuité qui se traduit par des zones de flous près des contours dans la compression d'images), on s'est alors intéressé à des schémas non-linéaires.<br />S'inscrivant dans la lignée des théories concernant les schémas non- linéaires, on a développé dans ce travail des théorèmes de convergence, de régularité, de stabilité et d'ordre pour une classe de<br />schémas non-linéaires s'écrivant sous la forme d'une somme d'un schéma linéaire et d'une perturbation non-linéaire. <br />Nous avons ensuite appliqué ces résultats à l'étude de propriétés de schémas non-linéaires existants, ou que nous avons contruits pour répondre au problème d'oscillations ou aux problèmes de régularité.<br />Une première application concerne la compression d'images. On s'est proposé d'étudier la stabilité de l'analyse multirésolution bidimensionnelle associée à cette classe de schémas non-linéaires,<br />puis d'appliquer les théorèmes établis et d'observer numériquement, les bénifices obtenus par rapport à des analyses multirésolutions linéaires.<br />Enfin, une deuxième application concerne la construction d'opérateurs aux différences finies ayant une erreur homogène sur des grilles non-uniformes, à partir un opérateur donné et d'un schéma de subdivision.

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.