Inscrite dans le cadre du projet européen Coke Oven Operating Limits, cette thèse porte sur la modélisation thermomécanique d'un piédroit de cokerie. Le piédroit est une maçonnerie alvéolaire, chauffée par des gaz à haute température (supérieure à 1200°C). Pendant la cuisson du charbon dans les fours à coke, celui-ci se pyrolyse en coke provoquant une poussée sur les panneresses du piédroit. Ce projet a pour objectif de déterminer la pression maximale supportée par ces structures. Afin de répondre à cette problématique, un nouveau modèle thermomécanique de piédroit a été développé. Ce travail prend en compte à la fois le comportement non-linéaire de la maçonnerie, mais également les interactions avec l'environnement extérieur. La modélisation de la structure maçonnée est basée sur une approche macroscopique où les briques et le mortier sont remplacés par un matériau homogène équivalent, et ce pour différents états de joints. La non-linéarité du comportement est reproduite grâce à un critère d'ouverture qui permet de passer d'un état de joint à un autre. Les propriétés homogénéisées sont identifiées selon une approche énergétique couplée à un algorithme d'identification inverse. Plusieurs simulations numériques d’essais issus de la littérature ont permis de valider cette approche. Les paramètres régissant le comportement mécanique et thermique des matériaux sont déterminés expérimentalement ainsi que la tenue de l'interface brique/mortier. Les conditions aux limites du modèle sont établies à l'aide d'une instrumentation thermomécanique sur site industriel. Les simulations thermomécaniques du piédroit permettent de localiser des phénomènes de dégradation observés dans les faits. / This study lies within the framework of European project called Coke Oven Operating Limits. This thesis deals with the thermomechanical modelling of a coke oven heating wall. The heating wall is an alveolar masonry, heated thanks to gas at high temperature (superior to 1200°C). During coking time in coke ovens, there is a pyrolysis of coal to coke which implies a coke swelling pressure on chamber wall. The aim of this project is to determine the maximal lateral pressure allowed by these structures. In order to answer to this problem, a new thermomechanical model of heating wall was built. This work takes into account both non-linear masonry behaviour and interactions between the heating wall and its components. Structure modelling is based on a macroscopic approach where bricks and joints are replaced by a homogeneous equivalent medium for different joint states. The non-linearity behaviour is then reproduced thanks to a transition criterion which allows to go from one state to another one. Effective properties are determined with an energetic approach and an algorithm of inverse identification. Several numerical simulations were performed and compared with experimental tests extracted from literature to validate this approach. Material thermomechanical properties were identified experimentally, likewise masonry brick/mortar interface behaviour. Boundary conditions and loads were established from thermomechanical instrumentation of an in situ heating wall. Thermomechanical simulations of the heating wall allow to locate damages in good agreement with plants observations.

La plate-forme Saharienne paléozoïque, comprenant les bassins péri-Hoggar (Murzuq, Illizi, Mouydir, Ahnet, Reggane et Tim Mersoï) sont définies comme des bassins intracratoniques. Ils ont été dominés par des mouvements verticaux lents et à grande longueur d'onde, conduisant à une subsidence globale à faible vitesse (i.e. ca. 10 m/Ma à 50 m/Ma) et à l'accumulation d'une couverture sédimentaire étendue de type plate-forme (environnements de dépôts peu profonds), rythmée par des périodes pulsatiles d’augmentation et de diminution du taux de subsidence probablement déclenchées par des événements géodynamiques régionaux. Les mouvements verticaux de la plate-forme ont créé plusieurs arches également appelés dômes, paléo-topographies (e.g. les arches de la Tihemboka, d’Amguid El Biod, d’Arak-Foum Belrem et de l’Azzel Matti) et des bassins (en forme de synclinal) de différentes longueurs d'onde allant de plusieurs centaines à plus de milliers kilomètres. La persistance d’un ensemble assez uniforme de mouvements verticaux semble contrôler l’architecture des bassins, ce qui semble indiquer un contrôle à grande échelle (i.e. lithosphérique). Ce dernier contrôle spatialement et temporellement la dynamique sédimentaire de dépôt et d'érosion. Plusieurs périodes d'érosion majeures ont considérablement tronqué les sédiments préexistants sur de vastes zones, produisant des discordances régionales, restreintes et amalgamées sur les arches, qui séparent la couverture sédimentaire de la plateforme. À travers une approche intégrée multidisciplinaire originale allant d’une analyse géologique de bassin, associant le substrat et l’architecture de bassin à une modélisation thermomécanique numérique de la lithosphère, cette étude a permis de décrypter les facteurs de forçage des bassins intracratoniques de la plate-forme saharienne (bassins péri-Hoggar).L'architecture en Arches-Bassins est mise en évidence par l'identification de structures tectono-sédimentaires (onlap divergents, troncatures…). Cette architecture se caractérise par des variations d'épaisseur et des partitionnements de faciès, organisés par des failles normales planes sub-verticales formant des systèmes d'horst-graben souvent associés à des plis forcés dans la couverture. Connectés et nucléés aux grandes zones de méga-cisaillement, les systèmes d'horst-graben sont inversés (inversion positive) ou réactivés (plis forcés) au cours d'événements géodynamiques successifs (par exemple : extension cambro-ordovicienne, rebond glaciaire ordo-silurien, extension/ compression Siluro-Dévonien «Calédonienne», extension/compression du dévonien tardif et compression «hercynienne»).Formée sous une lithosphère précambrienne de type accrétionnaire héritées de plusieurs paléo-orogénèses (e.g. Eburnéenne, Panafricaine), une zonation des substrats sous l’architecture en Arches-Basins est observée : Les terranes Archéen à Paléoprotérozoïque se situent sous les hauts structuraux et les terranes méso-néo-protérozoïques sous les dépressions.Sur la base de ces observations géologiques et de l’hypothèse de densités différentielles conservées (impliquant un potentiel isostatique) entre les différents terranes accrétées héritées (i.e. les terranes archéennes et protérozoïques) dans la lithosphère, un modèle numérique thermo-mécanique 2D est proposé. Les facteurs de forçage du premier et du second ordre, respectivement caractérisés par de faible taux de subsidence et par leurs déviations cycliques pendant de longues durées (250 Ma), sont bien contraint par le modèle réconciliant aussi l’architecture tectono-stratigraphique singulière en Arches-Basins. Les différentes simulations ont montré l’importance des anomalies thermiques, de la tectonique (faible taux de déformation) et de l’apport externes en sédiments sur la dynamique de ces bassins intracratoniques. Le flux sédimentaire contrôle la vitesse et la durée de remplissage du bassin jusqu'à l'équilibre isostatique (…). / The Paleozoic Saharan platform including the peri-Hoggar Basins (i.e. Murzuq, Illizi, Mouydir, Ahnet, Reggane and Tim Mersoï basins) are defined as intracraonic basins. Their histories have been dominated by slow long-wavelength vertical motions leading to overall low subsidence rate (i.e ca. 10 m/Ma to 50 m/Ma) and accumulation of an extensive cover of platformal sediments (i.e. shallow deposits environments), rhythmed by pulsatile periods of increasing and decreasing rate probably triggered by regional geodynamic events. The vertical motions of the platform produced several arches also called domes, swells, highs, ridges (e.g. the Tihemboka, Amguid El Biod, Arak-Foum Belrem and Azzel Matti Arches) and basins (syncline-shaped) with different wavelengths going from several hundred to more than a thousand kilometres. The persistence of a rather uniform pattern of vertical motions seems to control the architecture of the basins indicating a large-scale control (i.e. lithospheric). This latter controls spatially and temporally the deposition and the erosion dynamics. Several major erosion events significantly truncated the pre-existing sediments over wide areas, producing regional unconformities, especially restricted and amalgamated on arches, which separate the platformal cover into divisions. Through an original multidisciplinary integrated approach going from a geological basin analysis, coupling the substrate and the basin architecture to a numerical thermo-mechanical modelling of the lithosphere, this study has led to decipher the forcing factors of the intracratonic basins of the Saharan platform.The Arches-Basins architecture is highlighted through the identification of tectono-sedimentary structures (growth strata, truncatures…). This architecture is featured by thickness variation and facies portioning, organized by sub-vertical planar normal faults (sometimes blind faults) forming horst-graben systems associated with forced folding in the cover. Connected and nucleated to major mega-shear zones, horst-graben systems are inverted (positive inversion) or reactivated (forced folds) during successive geodynamic events (e.g. Cambro-Ordovician extension, Ordo-Silurian glacial rebound, Siluro-Devonian “Caledonian” extension/compression, late Devonian extension/compression and “Hercynian” compression).Formed under a Precambrian lithosphere of accretionary type, inherited during several paleo-orogenies (e.g. Eburnean, Pan-African), a substrates zonation of the Arches-Basins framework is described, where the Archean to Paleoproterozoic terranes are forming the structural highs and the Meso-Neoproterozoic terranes the structural lows.Based on these geological observations and the hypothesis of conserved differential densities (implying an isostatic potential) between the inherited different accreted terranes in the lithosphere (i.e. archean and proterozoic terranes), a 2D thermo-mechanical numerical model is proposed. The first and second order forcing factors, respectively recorded in the subsidence rate pattern by the low long-lived and by their cyclic deviations, are well constrained reconciling the singular Arches-Basins tectono-stratigraphic architecture. The different simulations have shown the importance of thermal anomaly, tectonics (weak strain rate) and external sediment supply on the dynamic of these intracratonic basins. Where, sediment flux controls the speed and the duration of basin infill until achievement of the isostatic equilibrium. The thermal anomaly and the tectonics compel the tectono-stratigraphic complexification such as the arches framework (intra-arches, boundary secondary arches…) and the stratigraphy architecture (wedges, diachronic unconformities) (…).

Les propriétés thermomécaniques étonnantes des alliages à mémoire de forme (AMF) sont mises à profit dans de nombreux domaines. Ce matériau est capable de mettre en mouvement une structure suite à un changement de température. Or les façades de bâtiments contemporains, pour s’adapter à des conditions climatiques variables, doivent réguler le passage de la lumière et de l’énergie thermique, par exemple au moyen de systèmes motorisés. Le potentiel de fils AMF pour l’actionnement de protections solaires en façade est exploré ici. La modélisation du couplage mécanique induit par l’introduction de tels matériaux dans une structure a été peu étudiée : l’AMF agit sur la structure qui en retour modifie le comportement de l’AMF. La première étape de ce travail a consisté en une contribution à la modélisation du comportement thermomécanique de ce matériau reposant sur le choix d’une énergie libre, d’un potentiel de dissipation et de plusieurs variables internes. Deux modèles unidimensionnels ont été proposés : un premier modèle monocristallin reproduit de façon simplifiée le comportement du matériau, et un second modèle polycristallin propose une description plus fidèle. En parallèle un dispositif d’essai original à température contrôlée a été développé, il a permis une caractérisation fiable de fils Nickel-Titane et l’identification des paramètres des modèles. Dans un second temps ces modèles ont permis de résoudre des cas de couplage élémentaires (fil AMF + ressort, lame élastique + fil AMF noyé) pour des chargements thermomécaniques simples, et des solutions analytiques ont été établies. Les modèles ont été implémentés numériquement via un script matériau utilisateur (UMAT) pour le logiciel éléments finis ABAQUS et au moyen d’un algorithme d’optimisation sous contraintes. Ceci permet de simuler la réponse couplée de systèmes structuraux a priori quelconques intégrant des AMF, connectés à ou noyés dans, une structure. Dans un troisième temps, divers actionneurs ont été conçus, réalisés et testés dans le cadre de l’occultation solaire des façades. Le principe est d’utiliser un cycle de température permettant à l’AMF de déformer la structure, puis à l’énergie élastique de déformation de la structure d’assurer le retour à la forme originale. Le comportement réel de ces actionneurs a été comparé aux calculs analytiques et éléments finis. Des tests cycliques ont également été réalisés / The surprising thermomechanical properties of shape memory alloys (SMA) are harnessed in many engineering fields. This material is able to set a structure in motion upon a temperature change. Today, contemporary building facades must adapt to variable climate conditions as well as to evolving building use and occupancy. In particular, they must regulate light and thermal energy passing through the facade, with motorized systems, for example. We explore the potential of SMA wires for putting in motion solar shading devices in facades. The modelling of the mechanical coupling induced by the introduction of such materials in a structure has received little attention as of now. The SMA acts on the structure which in return modifies the SMA behavior. The first step of this work is a contribution to modelling the thermomechanical behavior of this material through the choice of a free energy, a dissipation potential and internal variables. We propose two one-dimensional models: a first monocrystalline model reproduces the material behavior in a simplified way, and a second polycrystalline model offers a more accurate description of it. An original temperature-controlled testing apparatus was developed in parallel. This led to a reliable characterization of Nickel-Titanium wires and the identification of the model parameters. In a second stage, these models allowed to solve elementary coupling cases (SMA wire + Spring, Elastic plate + Embedded SMA wire) for simple thermomechanical loadings and we established analytical solutions. The models were then numerically implemented via a user-material script (UMAT) for the finite elements software ABAQUS, by using a constrained optimization algorithm. This enables the simulation of the coupled response of, in principle, any structural system including SMA wires, connected or embedded in the structure. Finally, we designed, fabricated and tested different actuators in the context of sunlight control in facades. The working principle lies in using a temperature cycle which allows the SMA to deform the structure, and then allows the elastic strain energy in the structure to ensure the return to the original shape. The real behavior of these actuators have been compared to analytical and finite element calculations. We also performed cyclic tests

Une des voies d’amélioration des véhicules hybrides et électriques est l’utilisation de moteurs tournant plus vite, jusqu’à plus de 42.000tr/min. Le but est d’augmenter la densité de puissance et le rendement des groupes motopropulseurs. Pour utiliser ces moteurs de nouveaux réducteurs mécaniques doivent être développés. Cela doit se faire sans générer de surcoût important face aux solutions utilisées à basse vitesse et en assurant un niveau de performance énergétique élevé. Cette thèse se situe en amont de la phase de conception d’un réducteur haute vitesse lubrifié par barbotage. Elle a pour but d’identifier les problèmes d’échauffement et de pertes de puissance ainsi que de proposer des pistes d’amélioration énergétique. Ce travaille propose la modélisation thermomécanique de l’étage grande vitesse (GV) du réducteur, réalisée à l’aide de la méthode des réseaux thermiques. Ce modèle couple les pertes de puissance avec les températures. Une attention particulière est portée sur la modélisation des roulements de l’arbre GV. Un nouveau modèle thermomécanique de roulement est développé. Les pertes par barbotage deviennent importantes à grande vitesse. Une méthode permettant de fortement les réduire est caractérisée. / A way to improve both electric and hybrid vehicles is to use high speed motors, operating over than 42.000rpm. The goal is to increase the power density and the efficiency of powertrains. Using these new motors, new gearboxes should be developed. This must be done without generating significant additional cost regarding already mastered low speed solutions. High energy performance level also has to be maintained. This PhD comes before the design phase of a high-speed oil bath lubricated gearbox. It aims to identify the warm-up and power loss problems, and propose ways to improve efficiency. This work proposes a thermomechanical modelling of the gearbox’s first stage, using the thermal network method. This model links power losses with temperatures. Particular attention is paid to high speed bearing modelling. A new thermomechanical model of rolling element bearing is developed. As churning losses being significant at high speeds, a method to greatly reduce this power loss is characterized.