Ces travaux de thèse portent sur l’étude expérimentale et numérique des réponses vibratoires non linéaires des structures mécaniques. Les études expérimentales menées au CEA/CESTA montrent que la réponse des structures assemblées à des sollicitations vibratoires est souvent très fortement dépendante du niveau d’excitation. Ces résultats expérimentaux ne peuvent pas être reproduits en simulation avec la méthode de simulation vibratoire linéaire classique. L’objectif de ces travaux est de proposer et de mettre en place des méthodes expérimentales et numériques pour étudier ces réponses non-linéaires. Cet objectif passe par l’étude de maquettes d’essai sujettes aux mêmes phénomènes vibratoires non-linéaire que les objets d’étude industriels du CEA/CESTA. Au niveau expérimental, les développements se basent sur les installations et logiciels industriels. Au niveau simulation, les méthodes de simulation vibratoire non-linéaires et les techniques numériques avancées développées depuis de nombreuses années dans le monde académique sont utilisées dans le contexte industriel du CEA/CESTA. Le premier objet d’étude est une poutre métallique bi-encastrée. Cette structure présente une réponse vibratoire non-linéaire d’origine géométrique. La structure est modélisée avec des conditions aux limites non-idéales et sa réponse vibratoire est simulée par trois méthodes (développement multi- échelles, méthode de balance harmonique et méthode de tir). Ces résultats de simulation sont comparés entre eux et avec l’expérience. La maquette d’étude au cœur de ces travaux de thèse est un assemblage présentant des interfaces frottantes : la maquette ✭✭Harmonie ✮✮. De nombreux essais vibratoires sont réalisés sur cette maquette afin d’identifier ses modes de résonance et ceux de ses composants, d’étudier l’évolution de la réponse vibratoire de l’assemblage due au frottement et enfin de mesurer le mouvement vibratoire local dans la zone de frottement. Un modèle numérique de cette structure est ensuite réalisé. Ce modèle est réduit par une méthode de sous-structuration puis des relations non-linéaires de frottement sont introduites au niveau des liaisons frottantes. La réponse vibratoire non-linéaire du modèle obtenu est simulée grâce à la méthode de balance harmonique couplée à des algorithmes de condensation et de continuation. Des comparaisons essai-calcul sont présentées pour les réponses globales et pour les mouvements locaux des liaisons. / This PhD work deals with the experimental and numerical study of mechanical structures’ nonlinear vibration response. Experimental studies led at the CEA/CESTA show that jointed structures vibration responses are often strongly dependent on the excitation level. These experimental results cannot be simulated using the classical linear vibration simulation method. This work aims at proposing and implementing experimental and numerical methods to study nonlinear responses. This objective involves the study of test structures subject to the same non-linear vibratory phenomena as CEA/CESTA industrial structures. Experimentally, developments are based on industrial facilities and softwares. Numerically, nonlinear vibration simulation methods and advanced numerical techniques that have been developed for many years in academia are applied in the CEA/CESTA industrial context. The first test structure is a clamped-clamped steel beam. This structure has a geometric nonlinear behavior. The structure is modeled with non-ideal boundary conditions and its frequency response is simulated using three different simulation methods (method of multiple scales, the harmonic balance method and a shooting method). These simulation results are compared one with each other and with experimental results. The test structure at the heart of this work is an assembly with friction joints named “Harmony”. Many vibration tests are carried out to identify its resonance modes and those of its components, to study the evolution of the vibration response due to friction and finally to measure the local vibrational movement in the friction zone. A numerical model is then developed. This model is reduced using a substructuring method and then in the friction zone, linear joints are replaced by nonlinear friction models. The nonlinear vibration response of this reduced model is simulated using the harmonic balance method coupled with condensation and continuation algorithms. Test-simulation comparisons are presented both for global responses and for local joints movements.

Au cours de cette thèse expérimentale et numérique nous avons étudié le comportement d’un empilement de grains dans deux situations différentes. Dans une première partie, une piste en sable est soumise au passage répété de véhicules, sous certaines conditions un motif régulier de rides apparaît spontanément : c’est l’instabilité de tôle ondulée. Ce phénomène, très répandu sur les routes en terre ou en gravier, est bien sûr très gênant pour les automobilistes mais est aussi très dangereux à cause des pertes d’adhérence qu’il provoque. Nous avons alors reproduit ce phénomène à l’échelle du laboratoire et également dans des simulations numériques de dynamique moléculaire de sphères molles. Grâce à ces outils expérimentaux et numériques nous avons pu mettre en évidence certaines propriétés de l’instabilité. Nous avons notamment mesuré la relation de dispersion des rides et mis en évidence que ce phénomène suit une instabilité de type fourche super-critique. En mesurant les contraintes agissant sur le véhicule nous avons alors pu construire une analyse de stabilité linéaire prédisant quantitativement le seuil de l’instabilité ainsi que la longueur d’onde du motif. Enfin, nous avons étudié des cas plus complexes où différents véhicules circulaient simultanément sur la piste. Nous avons également considéré des cas où la piste était humide et donc cohésive. Dans une seconde partie, nous avons étudié le comportement d’un silo rempli de grains soumis à des variations de température. On observe alors un lent fluage de la colonne que nous avons caractérisé. Deux régimes de fluage sont observés selon l’amplitude des cycles de température et nous avons obtenu une expression de la température critique séparant les deux régimes en fonction des paramètres microscopiques des grains (élasticité et rugosité de surface). Nous avons également étudié le mouvement individuel de chaque grain afin d’interpréter la dynamique macroscopique de l’empilement. / In this experimental and numerical thesis we have studied the behavior of a granular assembly in two different situations. In the first part, a sand track is subjected to repeated passages of vehicles, under certain conditions a regular pattern of ripples appears spontaneously: this is known as the washboard road instability. This phenomenon, very common on dirt roads, is of course annoying for drivers but is also very dangerous because of the lack of adhesion it causes. We reproduced this instability with a laboratory scale set-up and also thanks to soft spheres molecular dynamics simulations. With these experimental and numerical tools we have highlighted some properties of instability. In particular, we have measured the dispersion relation of the pattern and shown that this phenomenon follows pitchfork instability. By measuring the stress acting on the vehicle we were then able to build a linear stability analysis that predicts quantitatively the threshold of the instability and the wavelength of the pattern. Finally, we have studied more complex cases where several vehicles were simultaneously on the track. We have also considered the case where the track was wet and therefore cohesive. In a second part, we have studied the behavior of a silo filled with grains subjected to temperature variations. A slow creep motion of the grains in the column is observed. Two flow regimes are observed according to the amplitude of temperature cycles. We obtained an expression of the critical temperature between the two regimes as a function of the microscopic parameters of the grains (elasticity and surface roughness). We have also studied the motion of each individual grain in order to interpret the macroscopic dynamics of the pile.