Les composites thermoplastiques sont de plus en plus privilégiées dans les structures aérospatiales au vue de leur tolérance aux dommages améliorée par rapport aux résines thermodurcissables. Néanmoins, ils restent sensibles à l’impact car il produit des endommagements complexes au sein du matériau, dont le délaminage est le plus critique. La propagation de ces endommagements en compression après impact (CAI) entraîne une réduction de la tenue résiduelle. D’abord, des essais ENF ont été menés afin de déterminer la ténacité interfaciale par le biais de la méthode de la complaisance et de la technique de thermographie infrarouge. Ensuite, l’essai « Short Beam Shear » est proposé afin d’investiguer le couplage entre la fissuration matricielle et le délaminage. L’effet de la vitesse de sollicitation a été également étudié. La valeur de ténacité mesurée semble indépendante à la vitesse de sollicitation car, lors des essais réalisés, la propagation est instable. Ensuite, le comportement d’une éprouvette académique été étudié à l’aide du « Discrete Ply Model » (DPM) permettant d’enchaîner la simulation d’impact et de CAI. Ce modèle est basé sur une approche semi-discrète modélisant le délaminage et la fissuration matricielle par des éléments cohésifs, permettant de prendre en compte le couplage entre ces deux endommagements. Une vaste campagne d'essais expérimentaux d’impact et de CAI a été mise en place sur quatre empilements différents impactés à trois niveaux d’énergie. Le modèle DPM a prouvé sa capacité à prédire correctement les endommagements d’impact et de CAI. Finalement, afin de se rapprocher des conditions de structures réelles, le comportement en compression après impact d’une plaque trouée a été investigué. / High-performance thermoplastic composite have been increasingly used in aerospace applications because of their advantageous mechanical properties. Nevertheless, impact damage leads to significant reduction in structure compressive strength although damage may remain unnoticed. Delamination is the most critical damage. Short Beam Shear (SBS) test has been proposed to reproduce impact damage chronology and characterize delamination toughness. Infrared thermography is used for local measuring of fracture toughness in this unclassical test showing unstable fracture growth. Mode II fracture toughness (GIIC) values are comprised between 0.9 and 1.7 N/mm and there was no influence of the loading rate in GIIC values. Discrete Ply Model (DPM) is therefore used to model impact and compression after impact tests on laminated composite structures. Tests have been conducted in order to validate DPM capacity to capture the effects of progressive damage and failure. Impact damage and specimen’s compressive strength is well predicted by DPM. CAI damage propagation is driven by the buckling of the structure. DPM is finally employed to study impact on an industrial sample with a large diameter hole. Impact damage correlates with tests but buckling is difficult to estimate, meaning that rupture of the specimen does not correlate to tests. Nevertheless, DPM shows a good ability to predict damage in thermoplastic composite.

Auf landwirtschaftlichen Betrieben werden zunehmend automatisierte Systeme eingesetzt. Das Problem der automatischen Gesundheitsüberwachung der Milchkühe ist dabei noch nicht vollständig gelöst. Da Mastitiden, Klauenerkrankungen und Fieber symptomatische Veränderungen der Temperatur hervorrufen, stellt die präzise Messung der Oberflächentemperatur mittels Infrarot-Thermographie einen vielversprechenden Ansatz zur Erkennung dieser dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten in drei Betrieben folgende Einflussfaktoren auf die Messung der Oberflächentemperatur identifiziert werden: Umgebungstemperatur, Alter, Laktationsstadium, Tageszeitpunkt der Messung. Hinsichtlich der Eutergesundheit konnte festgestellt werden, dass es keine korrelativen Zusammenhänge zwischen Oberflächentemperatur der Euterviertel und viertelspezifischer elektrischer Leitfähigkeit im Vorgemelk sowie zwischen Oberflächentemperatur und somatischer Zellzahl gibt. Es konnten signifikante Unterschiede zwischen Eutervierteln mit normaler Sekretion und unspezifischer Mastitis nachgewiesen werden. Tiere mit Eutererkrankungen können mit einer Sensitivität von 30 bis 60% bei Spezifität von 40 bis 70% detektiert werden. Bei den Klauenerkrankungen wurden signifikante Unterschiede zwischen Klauen ohne Befund und Klauen mit Rusterholzschem Sohlengeschwür sowie zwischen Klauen ohne Befund und Klauen mit Mortellaro festgestellt werden. Die Identifikation von klauenkranken Tiere kann mit einer Sensitivität von fast 50% bei einer Spezifität von 70% erfolgen. Zwischen der Rektaltemperatur und der Oberflächentemperatur an der Schenkelfläche konnte kein korrelativer Zusammenhang gefunden werden. Dennoch sind Tiere mit Fieber mit einer Sensitivität 40 bis 50% bei einer Spezifität von 50% identifizierbar. Durch die IR-Thermographie ist Erkennung von euter- und klauenkranken Tieren sowie von Tieren mit Fieber möglich. / More and more automatic systems are used on the farms. Until now there is no solution for automatic health monitoring of dairy cows. Mastitis, claw diseases and fever cause symptomatic changes in temperature. Therefore they should be detected by precise temperature measurement with the help of infrared -thermography. For this thesis measurements on three different farms were realized. As influencing factors on the measurement of surface temperature the ambient temperature, the age and stage of lactation of cows and the daytime of measurement were identified. There was no correlation between udder surface temperature and quarter specific electrical conductivity found. Furthermore there was no correlation between udder surface temperature and somatic cell count. But udder quarters with specific mastitis showed significantly different surface temperature then udder quarters with normal secretion. Cows with udder diseases could be detected by ir-thermography with sensitivity of 30 to 60% and specificity of 40 to 70%. Claws with sole ulcers showed significantly higher surface temperature than claws without any disease. Also claws with digital dermatitis or claws with several diseases also showed significantly higher surface temperatures than claws without disease. The identification of cows with claw diseases was possible with sensitivity of 50% and specificity of 70%. There was no correlation between rectal temperature and surface temperature on the lower leg found. But animals with fever could be identified by ir-thermography with sensitivity of 40 to 50% and specificity of 50%. By ir-thermography the detection of cows with udder or claw diseases as well the identification of cows with fever is possible.

Ce travail se propose de caractériser thermiquement des composites à microstructures complexes. Il s’agit de développer des méthodes d’estimation permettant d’identifier les propriétés thermiques des différentes phases en présence, ainsi que celles associées à leurs interfaces, à partir de mesures issues de la thermographie infrarouge. Cette estimation paramétrique nécessite la connaissance au préalable de la structure géométrique de l’échantillon. Le premier objectif concerne donc l’identification de la structure de l’échantillon testé par la discrimination des différentes phases et interfaces. Une fois la structure de l’échantillon connue, le second objectif est l’identification des paramètres thermiques des différents constituants ainsi que ceux de leurs interfaces. On se propose d’exploiter deux tests spécifiques utilisant le même dispositif expérimental. Deux méthodes mathématiques différentes ont été développées et utilisées pour exploiter les mesures de champ issues du premier test et permettre de retrouver la microstructure de l’échantillon. La première est fondée sur la décomposition en valeurs singulières des données de températures recueillies. Il est montré que cette méthode permet d’obtenir des représentations de la microstructure de très bonne qualité à partir de mesures même fortement bruitées. La seconde méthode permet de raffiner les résultats obtenus à l’aide de la méthode précédente. Elle repose sur la résolution d’un problème d’optimisation sous contraintes en exploitant la technique dite Level-Set pour identifier les frontières des différents constituants de l’échantillon. L’étape d’identification des propriétés thermiques des constituants et des interfaces exploite les mesures de champs issues du second test expérimental. La méthode développée, la SVD-FT combine des techniques de décompositions en valeurs singulières avec desfonctions tests particulières pour dériver des estimateurs linéaires des propriétés recherchées.Cette méthode permet de limiter les effets du bruit de mesure sur la qualité de l’estimation et de s’affranchir des opérations de filtrage des données. / This work reports on the thermal characterization of composites with a complex microstructure. It aims at developping mathematical methods to identify the thermal properties of the constituants and thoses associate at their interfaces. The first step consistsin discriminating the microstructure of the sample to be tested. Then, when the sample structure is known, the second step consists in estimating the thermal parameters of the different phases and those at their interfaces. One experimental device has been set up to realize those two steps. Two mathematical methods have been developped and used to discriminate the microstructure based on the images of the sample recorded bu an infrared camera. The first method is based on the singular value decomposition of the temperature data. It has been shown that this method gives a very good representation of the microstructure even with very noisy data. The second method allows to refine the results obtained by the first one. This method is based on the resolution of an optimization problem under constraints and use a Level-Set technic to identify the boundary of each phase. To estimate the thermal properties of each phase and its interface, the infrared images of the second experiment have been used. The SVD-FT method developed in this work combines the singular values decomposition technic with particular tests functions to derive linear estimat or for the thermal properties. As a result, a significant amplification of the signal/noise ratios is reached.

L'objectif ultime de ce travail de thèse consiste à établir un bilan énergétique à l'échelle du grain afin de caractériser et de vérifier la cohérence thermodynamique de modèles de comportement utilisés pour rendre compte du développement de la plasticité cristalline dans les matériaux métalliques. La première partie de ce travail a consisté à mettre en place un protocole d'élaboration du matériau permettant d'obtenir la microstructure souhaitée, compatible avec des moyens d'observations macroscopiques. Les échantillons d'aluminium à très gros grains (centimétriques) ainsi obtenus sont utilisés pour effectuer des essais cycliques durant lesquels les champs cinématiques et thermiques sont mesurés au moyen de techniques de Corrélation d'Images Numériques et de Thermographie Infra-rouge. Deux techniques de traitement d'image spécifiques ont été proposées. Elles permettent d'introduire des hypothèses sur les champs cinématiques et thermiques qui soient adaptées à la microstructure (ici continuité intra-granulaire du déplacement, de la température et du flux). Ces méthodes permettent d'accéder à des mesures complètement indépendantes d'un grain à l'autre tout en améliorant la robustesse des méthodes de mesure. Ces méthodes ont été validées numériquement en utilisant des images de synthèse sur lesquelles ont été appliqués des champs hétérogènes. Une campagne d'essais cycliques a enfin été menée sur les multi-cristaux d'aluminium élaborés. Les méthodes développées ont permis d'observer le développement de la plasticité intra-granulaire et le développement de la fissuration inter-granulaire. / The main objective of this PhD thesis is to establish an energy balance at the grain scale in order to assess the thermomechanical consistency of material models used to predict the development of crystal plasticity of metals.The first part of this work consists in setting a protocol allowing the material elaboration with the desired microstructure which is to be compatible with the use of classical macroscopic observation devices. The obtained coarse-grained aluminum samples (with centimeter grains) are used in cyclic tensile tests. During these tests, the kinematic and thermal fields are recorded with Digital Image Correlation and Infra-Red Thermography techniques.Two specific imaging techniques were developed. They allow introducing ad hoc hypotheses (i.e. consistent with microstructure) on the kinematic and the thermal fields. In this work, these hypotheses consist in intra-granular continuity conditions on the displacement, temperature and heat flux fields. These methods give independent measures on each grain while improving the robustness of the measurement methods. These methods were numerically validated using computer-generated images heterogeneously loaded.Cyclic tests were finally performed on the processed aluminum multi-crystals. The developed methods allowed the observation of the development of intra-granular plasticity and the development of inter-granular cracking.

L'utilisation de la température comme variable d'état dans les études de comportement des matériaux, bien que prometteuse, est rarement adoptée. Les difficultés métrologiques expérimentales qui apparaissent, en particulier dans le contexte de la fatigue à grand nombre de cycles, expliquent en partie ce délaissement. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie expérimentale suffisamment sensible pour détecter les variations d'énergie thermique dissipée lors de la déformation cyclique d'un matériau à des niveaux de contraintes inférieurs à la limite élastique macroscopique. Elle consiste à déterminer les différents termes de l'équation de la chaleur en partant du champ de température acquis à l'aide d'une caméra infrarouge. L'écart type du bruit global de la méthode est de 1 mK.s-1, exprimé en vitesse d'échauffement. Cette résolution est obtenue grâce à un certain nombre de précautions expérimentales, à la prise en compte de l'ensemble des échanges thermiques et à un traitement simple mettant à profit les caractéristiques de la caméra infrarouge matricielle. La procédure expérimentale développée est testée sur un acier à très bas carbone et un aluminium A5. Elle permet en particulier de suivre la dissipation thermique due à l'adaptation microplastique du matériau aux premiers cycles de sollicitations et de distinguer les seuils de passage d'un comportement élastique à viscoélastique puis microplastique. Les performances obtenues devraient permettre de lever une partie des verrous limitant le choix de la température comme variable d'observation du comportement des matériaux.

Cette étude est consacrée à l'analyse thermomécanique de la transformation martensitique prenant place dans les Alliages à Mémoire de Forme (AMF). Cette analyse est effectuée à différentes échelles et s'appuie sur des champs de mesures thermomécaniques, des simulations numériques 3D par éléments finis et des simulations utilisant la dynamique moléculaire. L'étude est restreinte au comportement pseudoélastique d'un monocristal de CuAlBe, soumis à des chargements de traction. Les observations par imagerie cinématique et énergétique couplées rendent possible la caractérisation précise et locale du front de changement de phase qui apparait lors d'une sollicitation mécanique d'une éprouvette d'AMF. L'analyse énergétique qui en est faite, permet d'interpréter la transformation de phase comme liée à un couplage thermomécanique fort, et de négliger la dissipation intrinsèque. Conformément à ces résultats, un modèle thermomécanique monovariant est proposé qui rend compte du phénomène d'hystérésis et des effets du temps observés expérimentalement. Le front de changement de phase est ensuite généré numériquement puis comparé à l'expérience et à la littérature. Dans un second temps, un modèle d'AMF idéal est proposé à l'échelle cristalline. La dynamique moléculaire permet de construire l'énergie libre associée à un ensemble d'atomes et de réaliser des expériences numériques. L'évolution du comportement avec la dimension de l'échantillon est étudiée numériquement puis discutée. Une tendance à la convexification du potentiel énergétique est observée, ainsi que l'apparition d'une microstructure complexe.

Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'industrie en raison de leur bonne tenue mécanique et de leur faible densité. La diversité des domaines d'application des matériaux composites donne lieu à une grande variété de modes de sollicitation et d'endommagement. De ce fait, l'évaluation de leurs propriétés et le contrôle de leur état présentent un grand intérêt industriel. Dans ce travail, une nouvelle méthode d'évaluation et de contrôle non destructif dite par sonothermographie est explorée. Cette méthode est basée sur l'analyse du champ thermique induit par des ondes ultrasonores de puissance dans les matériaux absorbants tels que les composites. Deux applications complémentaires sont étudiées, d'une part l'évaluation des propriétés thermiques du matériau et d'autre part le contrôle non destructif de structures par thermographie infrarouge. Dans ce cadre, le problème direct de la sonothermographie est résolu numériquement à partir d'un modèle par éléments finis. Ce modèle permet de simuler le champ thermique induit par la propagation d'ondes ultrasonores dans un matériau absorbant dont les propriétés sont connues. Les simulations réalisées permettent de montrer l'applicabilité de la sonothermographie à la détection de défauts. Une nouvelle approche de caractérisation thermique est également développée. Cette approche basée sur la formulation faible de l'équation de conduction de la chaleur permet une estimation robuste de la diffusivité thermique du matériau à partir du champ thermique induit par les ondes ultrasonores de puissance. Des résultats expérimentaux sont présentés pour le cas de plaques minces.

La microfluidique est une technologie récente dont le principal avantage est de pouvoir miniaturiser le phénomène étudié, quelque soit le domaine (énergétique, chimie, biologie...). Cependant les techniques de mesures (vitesses, températures...) au sein des systèmes microfluidiques sont souvent complexes à mettre en oeuvre. C'est pourquoi il est important de mettre en place un nouvel outil de mesure efficace et fournissant des informations à l'échelle de ces microsystèmes. La Thermographie InfraRouge (TIR) est un moyen puissant de mesurer des champs de températures, qui peuvent ensuite être utilisés pour estimer des propriétés thermo-physiques. Le premier objectif de ce travail de thèse est donc de développer un corps de méthodes expérimentales et numériques couplant la TIR et la microfluidique dans le but d'estimer des paramètres fluidiques et thermiques. Une procédure expérimentale originale ainsi que des méthodes inverses à un paramètre ont été développées. Toutes les méthodes développées ont été testées et validées sur des champs de températures simulés numériquement. Les mesures expérimentales ont permis de cartographier et d'estimer quantitativement des paramètres tels que la vitesse, la diffusivité thermique et des sources de chaleur. Le deuxième objectif est de tester les méthodes développées sur des applications microfluidiques concrètes. Ces tests ont aboutis à d'excellents résultats tels que la mesure d'enthalpie de réaction chimique en microréacteurs, ainsi que l'étude de la cristallisation de l'eau en microcanal.

Les critères de localisation et d'endommagement sont généralement basés sur un cadre dissipatif et ce travail s'intéresse aux couplages thermomécaniques accompagnant les micromécanismes de déformation. Il repose en partie sur des données expérimentales obtenues précédemment dans le laboratoire par Bodelot pour un polycristal d'acier A316L. Ce travail tire profit d'une combinaison de techniques différentes, en particulier de mesures in situ de champs cinématiques et thermiques ainsi que de l'Orientation Imaging Microscopy, de la profilométrie et d'une micrographie de surface. Différents outils ont été développés afin (1) d'identifier automatiquement les systèmes de glissement activés, (2) d'estimer l'émissivité de la surface permettant ainsi une détermination des champs thermiques avec une précision de 30 mK, (3) de projeter les champs bruts expérimentaux sur la microstructure et (4) de permettre la modélisation du polycristal et de ses conditions aux limites thermomécaniques réelles dans un cadre de plasticité cristalline dans le code EF Abaqus. Il a notamment été montré que les variations de température fournissent une estimation précise et aisée de la limite d'élasticité macroscopique ainsi que la détermination de la contrainte de cisaillement critique à l'échelle granulaire. En outre, les mesures cinématiques ont permis l'identification des systèmes de glissement activés. Des bilans énergétiques expérimentaux et numériques ont été réalisés et une grande influence de l'hétérogénéité polycristalline sur les mécanismes de stockage d'énergie a été soulignée. Les méthodes proposées contribueront à améliorer les critères d'endommagement basés sur un cadre dissipatif

Les exigences de qualité des produits ainsi que des normes environnementales et énergétiques de plus en plus drastiques nécessitent le développement de technologies de fonctionnalisation de surface en particulier celles qui s’appuient sur les procédés de revêtement par dépôt de couches minces. Le contrôle de la qualité de surface revêtue présente un enjeu industriel d’envergure. En effet, il n’existe pas à l’heure actuelle de technique d’inspection non destructive qui allie à la fois rapidité, fiabilité et flexibilité pour le contrôle de l’uniformité de revêtement. Pour répondre à cette problématique, ce travail de thèse porte sur le développement d’une technique d’inspection basée sur la thermographie active. Après étude expérimentale et numérique de la réponse thermique de surfaces bicouches, nous proposons une première méthodologie d’exploitation des mesures issues d’une excitation ponctuelle (laser) et surfacique (flash(s)). L’approche mise en place s’appuie sur l’implantation d’un algorithme des moindres carrés partiels (PLS NIPALS). Celui-ci a été testé sur plusieurs matériaux conducteurs et non conducteurs et dans différentes configurations expérimentales puis comparé à la méthode de contrôle conventionnelle par courants de Foucault (pour les matériaux conducteurs). La méthode développée permet d’extraire la signature thermique intrinsèque de l’hétérogénéité d’épaisseur du revêtement. Une deuxième approche a été explorée, elle s’appuie sur la mise en œuvre des nouveaux outils que nous offre le « Deep Learning ». Les premiers résultats obtenus semblent prometteurs. L’ensemble des résultats ouvre le champ vers une exploitation industrielle de la thermographie infrarouge pour le contrôle non destructif de revêtement. / Product quality requirements as well as increasingly drastic environmental and energy standards require the development of surface functionalization technologies, particularly those based on thin film coating processes. The quality control of coated surface presents an important industrial challenge. Indeed, actually there is any non-destructive inspection technique that combines speed, reliability and flexibility for coating uniformity inspection. To respond this challenge, this work focuses on the development of an inspection technique based on active thermography. After experimental and numerical studies of thermal responses of bilayer surfaces, we propose firstly a measurement methodology based on a point (laser) and surface excitation (flash (s)). The approach is based on the implementation of a partial least squares algorithm (PLS-NIPALS). It was tested on several conductive and non-conductive materials and in various experimental configurations and compared to the conventional eddy current control method (for conductive materials). The developed method makes it possible to extract the intrinsic thermal signature of the coating thickness heterogeneity. A second approach has been explored, based on the classification algorithm based on Deep Learning tool. The first results seem promising. The overall results open the opportunity to an industrial exploitation of infrared thermography for non-destructive coating testing.