Les composites thermoplastiques préimprégnés suscitent un intérêt croissant pour l'industrie automobile grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques et leur procédé de fabrication rapide. Dans ce contexte, la modélisation et la simulation numérique des procédées de mise en forme de pièces composites à géométries complexes sont nécessaires pour prédire et optimiser les pratiques de fabrication. Cette thèse est consacrée à la modélisation et à la simulation du comportement de consolidation des composites thermoplastiques préimprégnés lors du processus de mise en forme. Un nouvel élément solide-coque prismatique à sept nœuds est proposé: six situés aux sommets et le septième situé au centre. Le champ de cisaillement transverse est supposé afin de réprimer le verrouillage de cisaillement transversal. La méthode de déformation renforcée supposée par addition d'un DOF de déplacement supplémentaire depuis le nœud central et un schéma d'intégration réduit sont combinées offrant un champ de déformation linéaire le long de la direction d'épaisseur pour contourner le verrouillage. De plus, une procédure de stabilisation de sablier est employée afin de corriger le défaut de rang de l'élément pour le pincement. Cet élément utilise un modèle de relaxation viscoélastique pour modéliser le comportement tridimensionnel de composites thermoplastiques préimprégnés avec effet de consolidation. Un modèle de contact intime est également utilisé pour prédire l'évolution de la consolidation et la microstructure du vide présente au sein du préimprégné. A l’aide d’une loi hyperélastique, plusieurs simulations ont été conduites en combinant le nouvel élément fini et les modèles de consolidation. La comparaison des résultats de simulation avec les essais expérimentaux montre l'efficacité de l’élément solide-coque face aux problèmes de déformations dans le plan et en flexion, mais également pour l'analyse du comportement de consolidation. De plus, le degré de contact intime fournit le degré de consolidation par conditions de procédé appliqué, ce qui est essentiel pour l'apparition de défauts dans la pièce finale de composite. / As the pre-impregnated thermoplastic composites have recently attached increasing interest in the automotive industry for their excellent mechanical properties and their rapid cycle manufacturing process, modelling and numerical simulations of forming processes for composites parts with complex geometry is necessary to predict and optimize manufacturing practices. This thesis is devoted to modelling and simulation of the consolidation behavior during thermoplastic prepreg composites forming process. A new seven-node prismatic solid-shell element is proposed: six located at the apexes and the seventh sited at the center. A shear stain field is assumed to subdue transverse shear locking, the enhanced assumed strain method by addition of an extra displacement DOF from the central node and a reduced integration scheme are combined offering a linear varying strain field along the thickness direction to circumvent thickness locking, and an hourglass stabilization procedure is employed in order to correct the element’s rank deficiency for pinching. This element permits the modelling of three-dimensional constitutive behavior of thermoplastic prepreg with the consolidation effect, which is modelled by a viscoelastic relaxation model. An intimate contact model is employed to predict the evolution of the consolidation which permits the microstructure prediction of void presented through the prepreg. Within a hyperelastic framework, several simulation tests are launched by combining the new developed finite element and the consolidation models. The comparison with conventional shell element and experimental results shows the efficiency of the proposed solid-shell element not only dealing with the in-plan deformation and bending deformation problems, but also in analyzation of the consolidation behavior, and the degree of intimate contact provides the level of consolidation by applied process conditions, which is essential for the appearance of defects in final composite part.

Nous analysons les propriétés dynamiques de milieux architecturés périodiques et de réseaux fibreux aléatoires en petites et grandes déformations, à partie de méthodes d’homogénéisation afin de calculer leurs propriétés statiques et dynamiques. Des modèles effectifs de type micropolaire et du second gradient sont élaborés afin de prendre en compte l’impact de la microstructure sur le comportement effectif. L’influence des degrés de liberté en rotation additionnels et des gradients d’ordre supérieur du déplacement sur les relations de dispersion sont analysés pour des comportements élastique et viscoélastique du matériau constitutif. Les milieux continus généralisés ainsi construits conduisent à des effets dispersifs, en accord avec les observations. Dans la seconde partie du travail, nous analysons l’influence des grandes déformations sur la propagation des ondes élastiques dans des milieux architecturés périodiques. Des méthodes théoriques assortis de schémas numériques sont développés afin de prédire l’influence des déformations finies générées au sein des structures sur l’évolution de leur diagramme de bande. Un schéma incrémental d’évolution de la fréquence et de la vitesse de phase du milieu continu homogénéisé est établi, à partir d’une méthode de perturbation établie pour des structures 1D, 2D et 3D, en considérant plus particulièrement des structures auxétiques. Ce schéma montre un effet important de l’état de déformation appliquée et de la densité effective sur l’évolution de la fréquence et de la vitesse de phase des ondes. Une méthode de perturbation spécifique aux structures périodiques nonlinéaires est développée afin de généraliser le théorème de Bloch pour couvrir les non linéarités tant géométriques que matérielles. Des modèles hyperélastiques du premier et du second gradient de différentes structures sont identifiés par des tests virtuels reposant sur une méthode d’homogénéisation dédiée, qui permettent de formuler des équations d’onde spécifiques – équations de Burgers et de Boussinesq – dont les propriétés dispersives sont analysées / Micropolar and second gradient effective continua are constructed as two different strategies to account for microstructural effects. The influence of additional degrees of freedom or higher order displacement gradients on the dispersion relations is analyzed in both situations of elastic and viscoelastic behaviors of the material. Generalized effective continua lead to dispersive waves, as observed in experiments. In the second part of the thesis, we analyze the influence of large deformations on the propagation of acoustic waves in repetitive network materials. Both theoretical and numerical methods are developed in order to assess the influence of finite strains developing within the networks on the evolution of their band diagrams. An incremental scheme for the update of frequency and phase velocity of the computed homogenized medium is developed based on a perturbation method for 1D, 2D and 3D structures, considering with a special emphasis auxetic networks. This scheme shows an important effect of the applied finite deformation on the frequency and phase velocity of the propagating waves. A perturbation method for nonlinear periodic structures is developed to extend Bloch’s theorem to cover both geometrical and material nonlinearities. Hyperelastic first and second order gradient constitutive models of different network materials are identified based on dedicated homogenization methods, from which specific wave equations are formulated - Burgers and Boussinesq equations - the dispersion properties of which are analyzed

Dans la conception et la fabrication des structures, l'assemblage des composants est une étape cruciale en termes de durabilité et de fiabilité. Les techniques l'assemblage dites mécaniques telles que le boulonnage, le rivetage et le soudage entre autres, ont longtemps été celles traditionnelles. Toutefois, les avancées dans l'étude et l'analyse de la fissuration au sein des matériaux ont permis de mettre en évidence certains de leurs inconvénients en tant que cause de rupture de ces structures à travers les concentrations de contraintes localisées et/ou l'altération mécanique ou thermique des propriétés locales des pièces assemblées. Ainsi, des techniques alternatives tel que le collage structural ont été développées permettant de s'affranchir ou plutôt de réduire ces effets indésirables lors de l'assemblage, pour le peu que le processus soit bien maîtrisé. Parmi les avantages les plus connus, le collage permet d'une part une meilleure transmission et répartition des efforts à l'interface réduisant ainsi l'endommagement en fatigue et augmentant la durée de vie de l'assemblage, et d'autre part, de conserver l'intégrité des pièces à assembler. D'autres avantages proviennent également de la conception des adhésifs structuraux qui, après l'application de traitements physico-chimiques permettent d'ajouter des propriétés thermiques, acoustiques et d'étanchéité.Malgré ces avantages, le collage souffre d'une réputation de non fiabilité due aux manques d'outils de prédiction du comportement des joints collés. En effet, les paramètres qui influent sur le comportement de l'interface sont nombreux et sont souvent sources de variabilité sur la résistance du joint de colle. L'étude de cette ténacité des joints d'adhésif s'effectue grâce à des essais de fissuration selon différents modes de rupture qui cherchent à mesurer l'énergie de fissuration de l'assemblage. La connaissance de cette énergie permet d'être prédictif dans la plupart des cas sur la propagation des fissures pour le peu que nous soyons en mesure de décrire et de prédire le comportement de l'interface.D'un point de vue numérique, de nombreuses techniques et formulations de loi de comportement ont été proposées dans un souci de reproduire le comportement de l'interface au sein des assemblages. Parmi ces dernières, celle des lois de zone cohésive semble être une voie des plus prometteuses en terme de modélisation et de simulation des interfaces par son caractère local et discret. Parmi les avantages qu'elles procurent demeurent la prise en compte intrinsèque de l'endommagement et des phénoménologies du comportement du joint collé. En outre, de nombreuses études ont été entreprises pour identifier ces lois de zone cohésive en comparant des observations issues d'essais de fissuration et des sorties de modèle où elles sont utilisées. Cette identification se fait au moyen d'algorithmes itératifs de minimisation d'une fonction coût qui mesure la métrique entre observations et sorties de modèles. Toutefois, peu d'importance est attachée d'une part, aux sensibilités des techniques de mesure employées par rapport aux paramètres de loi de zone cohésive, et d'autre part, sur les incertitudes associées aux paramètres de loi de zone cohésive identifiés. À notre connaissance, aucun travail sur ces deux derniers aspects n'a été mené et constitue ainsi le principal propos de ce mémoire de thèse. [...] / In the design and manufacture of structures, assembly of components is a crucial step in terms of durability and reliability. Mechanical assembly techniques such as bolting, riveting and welding, among others, have long been traditional. However, advances in the study and analysis of cracks within materials have made it possible to highlight some of their disadvantages as a cause of rupture of these structures through localized stress concentrations and / Mechanical or thermal alteration of the local properties of the assembled parts. Thus, alternative techniques such as structural bonding have been developed which make it possible to eliminate or rather reduce these undesirable effects during assembly, for the little that the process is well controlled. Among the best known advantages, bonding allows, on the one hand, a better transmission and distribution of forces at the interface, thus reducing fatigue damage and increasing the service life of the assembly and, on the other hand, maintain the integrity of the parts to be assembled. Other advantages also arise from the design of structural adhesives which, after the application of physicochemical treatments, make it possible to add thermal, acoustic and sealing properties.Despite these advantages, bonding suffers from a reputation for unreliability due to the lack of tools for predicting the behavior of bonded joints. Indeed, the parameters which influence the interface behavior are numerous and are often sources of variability on the strength of the bonded joint. The study of this toughness of the adhesive joints is carried out by means of crack tests according to different modes of fracture which seek to measure the assembly crack energy. The knowledge of this energy makes it possible to be predictive in most cases on cracks propagation for the little that we are able to describe and predict the interface behavior.From a numerical point of view, numerous techniques and formulations of interface law have been proposed in order to reproduce the interface behavior within the assemblies. Among the latter, that of the cohesive zone laws seems to be one of the most promising ways in terms of modeling and simulation of the interfaces by its local and discrete character. Among the advantages that they provide are the intrinsic consideration of damage and behavior phenomenologies of bonded joint. In addition, numerous studies have been undertaken to identify these cohesive zone laws by comparing observations from crack tests and model outputs where they are used. This identification is done by means of iterative minimization algorithms of a cost function which measures the metric between observations and models outputs. However, little importance is attached, on the one hand, to the sensitivities of the measurement techniques used in relation to the cohesive zone law parameters and, on the other hand, to the uncertainties associated with the identified cohesive zone law parameters. To our knowledge, no work on these two aspects has been conducted and is thus the main purpose of this thesis. [...]

La relation entre les propriétés viscoélastiques complexes de liquides polymères et leur structure microscopique et la dynamique est une question clé dans la science des matériaux et de la biophysique. Les théories modernes de la dynamique des polymères et la rhéologie décrivent les aspects universels du comportement viscoélastique sur la base de l'idée que les enchevêtrements moléculaires confinent filaments individuels à une dimension, la dynamique diffusifs (reptation) dans le tube-comme les régions dans l'espace. Alors que le modèle de tube est validé par son succès, ses éléments constitutifs (les statistiques et la dynamique de l'axe du tube ou des chemins primitifs et de l'confinement "cage" de chaînes voisines) ne sont pas directement observables. (1) Nous présentons un vaste ensemble de résultats de simulation pour la relaxation des contraintes à l'équilibre et l'étape-tendues perles printemps polymères fondus (En collaboration avec: C. Svaneborg et GS Grest). Les données nous permettent d'explorer la dynamique de la chaîne et le module de la relaxation de cisaillement dans le régime plateau pour les chaînes avec Z~40 enchevêtrements et dans le régime de relaxation terminale pour Z~10. Nous avons effectué des tests sans paramètres de plusieurs modèles différents de tubes à l'aide de (Rouse) la mobilité connue des chaînes unentangled et la longueur d'enchevêtrement de fusion déterminé par l'analyse du chemin primitif de l'état microscopique topologique de nos systèmes. (2) Nous présentons une compréhension complète pour la détente des empêtré polymère linéaire fond que les liens de la dynamique et la théorie de Rouse tube par une interprétation dynamique qui s’appellel’analyse du chemin primitive. La chaîne primitive, qui est la moyenne d'ensemble des conformations de la chaîne, se rétrécit strictement d’après la dynamique Rouse jusqu'à ce qu'il renconte les obstacles formés par d'autres chaînes primitives. Le temps d'arrêt de la diminution peut être déterminée par l'argument que la zone balayée par la chaîne primitive sur une longueur de propagation de tension qui est égale à la taille du maille de filet du travail formé par les chaînes de primitives. Le processus physique avant l'heure d'arrêt est assez présenté par l'analyse du chemin primitif. Après le temps d'arrêt, les longueurs primitives seront rétrécites par la reptation et la fluctuation de la longueur de contour .Cette procedure peut être décrite comme la modèle du tube, par exemple, Likhtman-McLeish (LM) la théorie. (3) Nous constatons que la théorie sous-estime la relaxation LM module de cisaillement dû à un double comptage de l'effet de courte longueur d'onde (p> Z) dans les modes partie de relaxation de Rouse et en fonction de la trompe de mémoire μ (t). LM extrapolé μ (t) à la limite du continuum, ce qui entraîne une décroissance sur des échelles de temps inférieur au temps de l'intrication, où le mouvement de la chaîne primitive devrait être négligeable. Pour corriger cela, nous avons retiré de la partie de fluctuation contour longueur de μ (t) la contribution des modes avec un temps de relaxation plus court que le temps d'enchevêtrement. Nous trouvons un excellent accord entre nos données de simulation et la théorie LM modifiée en utilisant l'approximation reptation double pour la libération de contrainte, ce qui démonte que l'analyse du chemin primitif de la structure microscopique apporte du modèle de tube avec une puissance prédictive des processus dynamiques. L'utilisation de systèmes plus complexes pour le traitement de la libération de contrainte devrait conduire à un accord encore mieux. / The relation between the complex viscoelastic properties of polymer liquids and their microscopic structure and dynamics is a key issue in materials science and biophysics. Modern theories of polymer dynamics and rheology describe the universal aspects of the viscoelastic behavior based on the idea that molecular entanglements confine individual filaments to a one-dimensional, diffusive dynamics (reptation) in tube-like regions in space. While the tube model is validated through its success, its constituting elements (the statistics and dynamics of the tube axis or primitive paths and of the confining "cage" of neighboring chains) are not directly observable. (1) We present an extensive set of simulation results for the stress relaxation in equilibrium and step-strained bead-spring polymer melts (In cooperation with: C. Svaneborg and G. S. Grest). The data allow us to explore the chain dynamics and the shear relaxation modulus into the plateau regime for chains with Z~40 entanglements and into the terminal relaxation regime for Z~10. We have performed parameter-free tests of several different tube models by using the known (Rouse) mobility of unentangled chains and the melt entanglement length determined via the primitive path analysis of the microscopic topological state of our systems. (2) We present a full understanding for relaxation of entangled linear polymer melts that links the Rouse dynamics and tube theory via a dynamic interpretation of the so called primitive path analysis. The primitive chain, which is the ensemble average of the chain conformations, shrinks strictly following the Rouse dynamic until it encounters the obstacles formed by other primitive chains. The stop time of the shrinking can be determined by the argument that the area swept by the primitive chain over a tension propagation length is equal to the mesh size of the net work formed by the primitive chains. The physical process before the stop time is fairly presented by primitive path analysis. After the stop time, the primitive length shrinks via reptation and contour length fluctuation, which is well described by the tube theory, e.g. Likhtman-McLeish (LM) theory. (3) We find that the LM theory underestimates the shear relaxation modulus due to a double-counting of the effect of short-wavelength (p>Z) modes in Rouse relaxation part and in tube memory function μ(t). LM extrapolated μ(t) to the continuum limit, resulting a decay on time scales smaller than the entanglement time, where the motion of the primitive chain should be negligible. To correct this, we have removed from the contour length fluctuation part of μ(t) the contribution of modes with a relaxation time shorter than entanglement time. We find excellent agreement between our simulation data and the modified LM theory using the double reptation approximation for constraint release, which demonstrates that the primitive path analysis of the microscopic structure endows the tube model with predictive power for dynamical processes. The use of more elaborate schemes for treating constraint release should lead to even better agreement.

La présence d'eau sur la route affecte l'adhérence des pneumatiques. Un film d'eau s'interpose entre le pneumatique et la rugosité du sol routier entraînant d'abord une perte de l'adhérence par adhésion provenant du contact direct gomme-sol. Ensuite, la réduction de la déformation de la gomme induit une diminution de l'adhérence par indentation. C'est ce second aspect qui sera étudié. Le film d'eau génère une portance par un phénomène de lubrification qui diminue la déformation du pneumatique et ainsi son adhérence. Cette étude est basée sur une théorie prédisant la diminution de l'amplitude de la rugosité en fonction des propriétés des surfaces et des conditions de contact. L'équation de Reynolds est résolue par des techniques de calcul efficaces. La viscoélasticité est implémentée dans les calculs de contact sec et lubrifié. L'objectif de cette étude est de proposer un modèle de prédiction de la diminution de l'adhérence d'un pneumatique sur sol mouillé. La meilleure compréhension du contact permettra d'améliorer le choix du matériau composant les bandes de roulements des pneumatiques. / Water presence on road affects tyre friction. A water film interposed between tyre and road asperities results first in a loss of adhesion friction coming from the direct contact between rubber and road. Then, the rubber deformation reduction leads to a diminution of the hysteretic friction. This study focuses on this last topic. The water film generates a hydrodynamic force by a lubrication phenomenon which decreases rubber deformation and friction. This study is based on a theory which predicts roughness amplitude reduction as a function of surface properties and contact conditions. Reynolds equation is solved using efficient computing methods. Viscoelasticity is implemented in dry and lubricated calculations. The aim of this research is to suggest a predictive model of the tyre friction decrease on wet roads. A better understanding of the contact will enable to improve the tyre tread material design.

En raison de la tendance grandissante du downsizing, des hautes performances, des réductions de la consommation et des émissions des véhicules modernes, la turbocompression des moteurs thermiques s’avère de plus en plus innovante et technologique. Leader dans ce domaine, Honeywell Turbo Technologies s’intéresse à deux axes de recherche majeurs des systèmes lubrifiés. Un délai temporel est couramment observé entre l’appui sur la pédale d’accélérateur et l’augmentation de la pression de l’air ambiant du côté de la roue compresseur. Il s’agit du décalage turbo ou turbo lag. Celui-ci a pour origine principale l’existence d’un couple de frottement parasite au sein de la butée. En ce qu’il pénalise les performances du turbo et limite le confort de conduite, la réduction du turbo lag constitue un enjeu majeur de l’industrie des turbocompresseurs automobiles. En tant que phénomène présent à chaque instant du fonctionnement du véhicule, les pulsations moteurs constituent également un axe de recherche primordial. Celles-ci proviennent des ouvertures et fermetures successives des soupapes des cylindres et résultent en d’importantes variations de la charge axiale appliquée à la butée du turbocompresseur. Or le dimensionnement actuel de la butée se basant sur l’étude stationnaire des cas critiques de la vie réelle du moteur, l’influence de ces pulsations sur le comportement de la butée doit être déterminée. Ce manuscrit présente une modélisation thermohydrodynamique du contact de la butée appliquée au cas des turbocompresseurs. Une équation de Reynolds modifiée est établie et intègre le modèle Modifié de Phan-Thien et Tanner. Elle relie les caractéristiques rhéologiques des huiles de moteurs actuelles au comportement macro-moléculaire des additifs à longues chaînes de polymères qu’elles contiennent. La nécessité de considérer les effets inertiels du fluide ainsi que la recirculation inter-patin est démontrée. L’influence de l’élasticité du lubrifiant sur la dissipation d’énergie au sein du contact est analysée numériquement. Il est montré qu’un compromis sur l’élasticité du lubrifiant peut mener à une réduction du turbo lag. De plus, un banc d’essai est développé en régime transitoire afin de mettre en évidence l’influence des pulsations moteurs sur les performances de la butée. Les résultats obtenus expérimentalement corroborent les effets dynamiques observés par les prédictions numériques. / With increasing focus on downsizing, high performances, low fuel consumption and emission reduction of modern vehicles, turbochargers of combustion engines have become more and more innovative and technological. Leader in this field, Honeywell Turbo Technologies is interested in two major lines of research regarding lubricated contacts. A delay in response time is frequently observed between the gas pedal push and the pressure rise of ambient air at the compressor wheel. It is called turbo lag. This phenomenon is mainly induced by a parasitic frictional torque existing in the thrust bearing contact. Penalizing turbochargers performances and drivability, the reduction of turbo lag constitutes a major concern for the automotive turbocharger industry. As an event constantly occurring on working engines, exhaust gas pulsations represent an essential line of research. Due to successive openings and closings of engine valves, these pulsations result in significant axial load variations applied to the turbocharger thrust bearing. Current sizing of thrust bearing design resting on steady state studies of critical on-engine cases, the influence of exhaust gas pulsations on the thrust bearing behavior needs to be determined. This thesis presents a thermohydrodynamic model of the thrust bearing contact applied to turbochargers. A Modified Reynolds equation is established and uses the Modified Phan-Thien and Tanner model. It connects rheological characteristics of current engine oils to the behavior of long polymeric chain additives they contain. The necessity for fluid inertia and oil recirculation to be considered is demonstrated. The influence of oil elasticity on energy dissipation within the contact is numerically analyzed. A compromise on the extent of oil elasticity can lead to a turbo lag reduction. In addition, a thrust bearing rig is developed to highlight the influence of exhaust gas pulsations on thrust bearing performances. Experimental results support dynamic effects predicted by simulations.

Les matériaux composites sont largement employés dans le domaine aérospatial grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques, leur résistance aux chocs et à la fatigue, tout en restant plus légers que les matériaux conventionnels. Au cours des dernières années, l'industrie automobile a montré un intérêt croissant pour les procédés de fabrication et de transformation de matériaux composites à matrice thermoplastiques. Cela favorisé par le développement et l'optimisation des procèdes de mise en forme tels que le thermostampage, en vue de la réduction de temps de cycle. La modélisation et la simulation de ce procédé sont des étapes importantes pour la prédiction des propriétés mécaniques et de la faisabilité technique des pièces à géométrie complexe. Elles permettent d'optimiser les paramètres de fabrication et du procédé lui-même. À cette fin, ce travail propose une approche pour la simulation de la mise en forme des matériaux composites préimprégnés thermoplastiques. Un modèle viscohyperélastique avec une dépendance à la température a été proposé dans l'objectif de décrire le comportement du composite thermoplastique à l'état fondu. Et permets de faire des simulations de mise en forme à différentes températures. Au cours cette simulation, des calculs thermiques et mécaniques sont effectués de manière séquentielle afin d'actualiser les propriétés mécaniques avec l'évolution du champ température. L'identification des propriétés thermiques sont obtenues par homogénéisation à partir des analyses au niveau mésoscopique du matériau. La comparaison de la simulation avec le thermoformage expérimental d'une pièce représentative de l'industrie automobile analyse la pertinence de l'approche proposée. / Pre-impregnated thermoplastic composites are widely used in the aerospace industry for their excellent mechanical properties, impact resistance and fatigue strength all at lower density than other common materials. In recent years, the automotive industry has shown increasing interest in the manufacturing processes of thermoplastic-matrix composites materials, especially in thermoforming techniques for their rapid cycle times and the possible use of pre-existing equipment. An important step in the prediction of the mechanical properties and technical feasibility of parts with complex geometry is the use of modelling and numerical simulations of these forming processes which can also be capitalized to optimize manufacturing practices.This work offers an approach to the simulation of thermoplastic prepreg composites forming. The proposed model is based on convolution integrals defined under the principles of irreversible thermodynamics and within a hyperelastic framework. The simulation of thermoplastic prepreg forming is achieved by alternate thermal and mechanical analyses. The thermal properties are obtained from a mesoscopic analysis and a homogenization procedure. The comparison of the simulation with an experimental thermoforming of a part representative of automotive applications shows the efficiency of the approach.

Abstract : The structural build-up of fresh cement-based materials has a great impact on their structural performance after casting. Accordingly, the mixture design should be tailored to adapt the kinetics of build-up given the application on hand. The rate of structural build-up of cement-based suspensions at rest is a complex phenomenon affected by both physical and chemical structuration processes. The structuration kinetics are strongly dependent on the mixture’s composition, testing parameters, as well as the shear history. Accurate measurements of build-up rely on the efficiency of the applied pre-shear regime to achieve an initial well-dispersed state as well as the applied stress during the liquid-solid transition. Studying the physical and chemical mechanisms of build-up of cement suspensions at rest can enhance the fundamental understanding of this phenomenon. This can, therefore, allow a better control of the rheological and time-dependent properties of cement-based materials. The research focused on the use of dynamic rheology in investigating the kinetics of structural build-up of fresh cement pastes. The research program was conducted in three different phases. The first phase was devoted to evaluating the dispersing efficiency of various disruptive shear techniques. The investigated shearing profiles included rotational, oscillatory, and combination of both. The initial and final states of suspension’s structure, before and after disruption, were determined by applying a small-amplitude oscillatory shear (SAOS). The difference between the viscoelastic values before and after disruption was used to express the degree of dispersion. An efficient technique to disperse concentrated cement suspensions was developed. The second phase aimed to establish a rheometric approach to dissociate and monitor the individual physical and chemical mechanisms of build-up of cement paste. In this regard, the non-destructive dynamic rheometry was used to investigate the evolutions of both storage modulus and phase angle of inert calcium carbonate and cement suspensions. Two independent build-up indices were proposed. The structural build-up of various cement suspensions made with different cement contents, silica fume replacement percentages, and high-range water reducer dosages was evaluated using the proposed indices. These indices were then compared to the well-known thixotropic index (Athix.). Furthermore, the proposed indices were correlated to the decay in lateral pressure determined for various cement pastes cast in a pressure column. The proposed pre-shearing protocol and build-up indices (phases 1 and 2) were then used to investigate the effect of mixture’s parameters on the kinetics of structural build-up in phase 3. The investigated mixture’s parameters included cement content and fineness, alkali sulfate content, and temperature of cement suspension. Zeta potential, calorimetric, spectrometric measurements were performed to explore the corresponding microstructural changes in cement suspensions, such as inter-particle cohesion, rate of Brownian flocculation, and nucleation rate. A model linking the build-up indices and the microstructural characteristics was developed to predict the build-up behaviour of cement-based suspensions The obtained results showed that oscillatory shear may have a greater effect on dispersing concentrated cement suspension than the rotational shear. Furthermore, the increase in induced shear strain was found to enhance the breakdown of suspension’s structure until a critical point, after which thickening effects dominate. An effective dispersing method is then proposed. This consists of applying a rotational shear around the transitional value between the linear and non-linear variations of the apparent viscosity with shear rate, followed by an oscillatory shear at the crossover shear strain and high angular frequency of 100 rad/s. Investigating the evolutions of viscoelastic properties of inert calcite-based and cement suspensions and allowed establishing two independent build-up indices. The first one (the percolation time) can represent the rest time needed to form the elastic network. On the other hand, the second one (rigidification rate) can describe the increase in stress-bearing capacity of formed network due to cement hydration. In addition, results showed that combining the percolation time and the rigidification rate can provide deeper insight into the structuration process of cement suspensions. Furthermore, these indices were found to be well-correlated to the decay in the lateral pressure of cement suspensions. The variations of proposed build-up indices with mixture’s parameters showed that the percolation time is most likely controlled by the frequency of Brownian collisions, distance between dispersed particles, and intensity of cohesion between cement particles. On the other hand, a higher rigidification rate can be secured by increasing the number of contact points per unit volume of paste, nucleation rate of cement hydrates, and intensity of inter-particle cohesion. / Résumé : La structuration des matériaux cimentaires a un grand impact sur leur performance mécanique après le coulage. Par conséquent, la formulation des mélanges devrait être conçue afin d’adapter la cinétique de structuration conformément à l’application considérée. La structuration des suspensions à base des matériaux cimentaires est un phénomène complexe affecté par les deux processus physiques et chimiques. La cinétique de structuration est fortement liée à la formulation des mélanges, des paramètres d’essai et de l’historique du cisaillement. Une meilleure évaluation de ce phénomène est fonction du pré-cisaillement appliqué, afin d’obtenir un état complètement dispersé ainsi que la contrainte appliquée lors de la transition de l’état solide-liquide de la suspension. L'étude des mécanismes physiques et chimiques de la structuration des suspensions à base de ciment peut améliorer la compréhension fondamentale de ce phénomène. Ceci permettra un meilleur contrôle des propriétés rhéologiques en fonction du temps des matériaux cimentaires. Cette recherche porte sur l'utilisation de la rhéologie dynamique pour étudier la cinétique de structuration des pâtes de ciment à l’état frais. Le programme de recherche a été mené en trois phases différentes et complémentaires. La première phase a été consacrée à l'évaluation de l'efficacité de diverses techniques de cisaillement. Les profils de cisaillement étudiés inclus la rotation et l’oscillation et la combinaison des deux modes de cisaillement. Les états initiaux et finaux de la structure de suspension avant et après la dispersion ont été déterminées en appliquant un cisaillement oscillatoire de faible amplitude (SAOS). La différence entre les valeurs viscoélastiques avant et après la dispersion a été utilisé pour exprimer le degré de dispersion. Une technique efficace pour disperser les suspensions concentrées de ciment a été développée. La deuxième phase visait à établir une approche rhéologique afin de dissocier les mécanismes physiques et chimiques individuels de la structuration de pâte de ciment. En effet, la rhéomètrie dynamique non destructif a été utilisé pour étudier à la fois l’évolution du module élastique et de l'angle de phase des suspensions inertes à base de carbonates de calcium et des suspensions de ciment. Deux indices de structurations indépendantes ont été proposés. La structuration de différentes suspensions à base de ciment réalisées avec différentes teneurs en ciment, pourcentages de remplacement de fumée de silice, et dosages de superplastifiant a été évaluée en utilisant les indices proposés. Ces indices ont ensuite été comparés à l'indice de thixotropie bien connu (Athix.). En outre, les indices proposés ont été corrélés à la pression latérale déterminée pour différentes pâtes de ciment coulées dans une colonne sous pression de hauteur 1 m. Le protocole de pré-cisaillement et les indices de structuration proposés (Phases 1 et 2) ont ensuite été utilisés pour étudier l'effet des paramètres de formulation sur la cinétique de structuration dans la Phase 3. Les paramètres étudiés inclus ; la teneur et la finesse du ciment, la teneur en sulfate alcalin, et la température de la suspension de ciment. Le potentiel zêta, les mesures calorimétriques et spectrométriques ont été également réalisées afin d’étudier les changements microstructuraux correspondants dans les suspensions de ciment, tels que la cohésion entre les particules, le taux de floculation Brownien, et le taux de nucléation. Un modèle reliant les indices de structuration et les caractéristiques microstructurales a été développé afin de prédire le comportement de structuration des suspensions des matériaux cimentaires. Les résultats obtenus montrent que le cisaillement oscillatoire est plus efficace sur la dispersion de suspension de ciment concentré que le cisaillement rotationnel. Outre l'augmentation de la contrainte, le cisaillement induit permet d’améliorer la dispersion de la structure de suspension jusqu'à un point critique. Au-delà de cette valeur critique les effets épaississants dominent. Une méthode efficace de dispersion est ensuite proposée. Cette méthode consiste à appliquer un cisaillement rotationnel autour de la valeur de transition entre les variations linéaires et non linéaires de la viscosité apparente avec le taux de cisaillement, suivie d'un cisaillement oscillatoire à la contrainte de cisaillement croisée et la fréquence angulaire élevée de 100 rad/s. Analyser l’évolution des propriétés viscoélastiques des suspensions inertes de carbonates de calcium et de ciment ont permis de développer deux indices pour quantifier la structuration des suspensions de ciment. Le premier indice (le temps de percolation) représente le temps de repos nécessaire pour former le réseau élastique. Le deuxième indice (taux de rigidification) décrit la rigidification de la structure, i.e. sa capacité à supporter des contraintes. D’autre part, les résultats montrent que la combinaison du temps de percolation et du taux de rigidification permet de mieux comprendre le processus de structuration des suspensions de ciment. De ce fait, ces indices se sont avérés être bien corrélés avec la pression latérale de coffrage des suspensions à base de ciment. Les variations des indices de structuration proposés avec les paramètres de mélange ont montré que le temps de percolation est très probablement contrôlé par la fréquence des collisions Browniennes, la distance entre les particules dispersées, et l'intensité de la cohésion entre les particules de ciment. D'autre part, un taux plus élevé de rigidification peut être assuré en augmentant le nombre de points de contact par unité de volume de la pâte, le taux de nucléation d’hydrates de ciment et l'intensité de la cohésion inter-particulaire.

La modélisation numérique de la propagation des ondes sismiques fait partie des études principales sur le calcul du mouvement sismique basées sur de différents schèmes numériques. La prise en compte du comportement nonlinéaire du sol est consideré désormais très important afin de pouvoir calculer la réponse du milieu cohéremment aux observations sous les sollications sismiques très fortes. En plus, le paramètre de pression interstitielle, qui pourrait emmener le sol aux phénomènes de liquéfaction, devient très important pour les sols saturés. Dans cette étude, dans un premier temps, la propagation des ondes sismiques est modelisée sur une composante (1C) dans les milieux linéaires et nonlinéaires en utilisant la méthode numérique des éléments spéctraux. Les rhéologies viscoélastique et nonlinéaire sont implementées par le méthode de technique des variables de mémoire et le modèle élastoplastique d’Iwan, respectivement. Ensuite, le modèle 1D - trois composantes (3C) est développé et une comparaison préalable sur l’effet de la considération des approches 1C et 3C est faite. L’effet de pression interstitielle est implementé dans le code 1D-3C et le site américain Wildlife Refuge Liquefaction Array (WRLA), qui a été frappé par le séisme de Superstition Hills en 1987 est étudié. Le changement de la réponse du sol sous les différents hypothèses de rhéologie du sol et de mouvement d’entrée est étudié. Le mouvement calculé est noté d’être amplifié pour les basses fréquences et atténué pour les hautes fréquences en raison de l’excès de pression interstitielle dans les sols liquéfiables. Par ailleurs, le sol devient plus nonlinéaire sous le chargement triaxial dans l’approche 3C et plus dilatant dû à la nonlinéarite élevée. En dépit de la similitude entre les accélérations et les vitesses en surface des approches 1C et 3C, une importante différence dans le déplacement en surface entre les deux approches est notée. Les analyses sont répétées pour deux sites japonais Kushiro Port et Onahama Port, qui ont été influencés par le séisme de Kushiro-Oki en 1993 et le séisme de la côte Pacifique de Tohoku en 2011, respectivement. Il a été montré que les changements apportés par la nonlinéarite ne sont pas identiques dans toute la gamme de fréquence concernée et l’influence du comportement des sols non-cohésives sur la propagation des ondes sismiques dépend fortement des propriétés du modèle et des conditions de chargement. Dernièrement, le code SEM est avancé en 2D en considerant les mêmes modèles implementés en 1D-3C pour la nonlinéarite du sol et les effets de pression interstitielle. Le code SEM 2D est mis en application dans un modèle de bassin sédimentaire dont la géometrie est assymmétrique et le profile du sol est composé des couches possédant différentes propriétés nonlinéaires. Le modèle est étudié par les analyses totale et effective pour les propagation des ondes P-SV et SH. La differentiation du mouvement calculé en surface est très importante sous les chargements avec les signaux d’entrée synthétique et réel. L’analyse effective résulte en plus de déformations dans les couches superficielles par rapport à l’analyse totale.De plus, la durée de propagation des ondes augmente à l’intérieur du bassin et les reflections aux frontières de bassin-rocher entraînent plus de nonlinéarite dans les coins du bassin. Cette thèse révèle la possibilité de la modélisation du comportement nonlinéaire du sol en prenant en compte l’effet de pression interstitielle dans les études de la propagation des ondes sismiques en couplant les modèles différents avec la méthode des éléments spéctreaux. Ces analyses contribuent à l’identification et la compréhension des phénomènes majeures qui se déroulent dans les couches superficielles en respectant les conditions locales et les mouvements d’entrées, ce quirend ce travail très important pour les études spécifiques de sites / Numerical modeling of seismic wave propagation has been a major topic on ground motion studies using a number of different numerical integration schemes. The consideration of soil nonlinearity holds an important place in order to achieve simulations consistent with real observations for strong seismic shaking. Additionally, in the presence of strong ground motion in saturated soils, pore pressure becomes an important parameter to take into account for related phenomena such as flow liquefaction and cyclic mobility. In this study, first, one component (1C) - seismic wave propagation is modeled in linear and nonlinear media in 1D based on the spectral element numerical method. Viscoelastic and nonlinear soil rheologies are implemented by use of the memory variables technique and Iwan’s elastoplastic model, respectively. Then, the same study is extended to a 1D - three component (3C) model and a preliminary comparison on the effect of using 1C and 3C approaches is made. Then, the influence of excess pore pressure development is included in the 1D-3C model and the developped numerical model is applied to realistic case on the site of Wildlife Refuge Liquefaction Array (USA) which is affected by the 1987 Superstition Hills event. The ground motion modification for different assumptions of the soil rheology in the media and different input motions is studied. The calculated motion is found to be amplified on low frequency and damped in high frequency range due to excess pore pressure development. Furthermore, the soil is found to be more nonlinear under triaxial loading in 3C approach and more dilative due to higher nonlinearity. Despite the similitude in surface acceleration and velocity results, significant differences in surface displacement results of 1C and 3C approaches are remarked. Similar analyses are performed on two Japanese sites Kushiro Port and Onahama Port, which are influenced by the 1993 Kushiro-Oki and the 2011 off the Pacific coast of Tohoku earthquakes, respectively. It has been shown that the nonlinearity-related changes are not homogeneous all over the concerned frequency band and the influence of cohesionless soil behavior on wave propagation is highly dependent on model properties and loadingconditions. Lastly, the 2D SEM code is developped by taking into account soil nonlinearity and pore pressure effects similary to 1D-3C SEM code. The developped 2D SEM code is applied to a 2D sedimentary basin site where the basin geometry is asymmetrical and soil profile consists of layers with different nonlinearity properties. Total and effective stress analyses are performed on the 2D basin for P-SV and SH zave propagation models. The calculated surface motion is shown to differ significantly under synthetic and realistic input motion loading conditions and the resultant deformation in superficial layers is found to be very high in effective stress analysis compared to total stress analysis. Also, wave propagation takes longer time inside basin media and the reflections on bedrock-basin boundaries lead the soil in basin edges to higher nonlinearity. This study shows the possibility of modeling nonlinear soil behavior including pore pressure effects in seismic wave propagation studies by coupling different models with spectral element method. These analyses help identifying and understanding dominant phenomena occurring in superficial layers, depending on local conditions and input motions. This is of great importance for site-specific studies

L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence de l'état de dispersion de la silice sur les propriétés viscoélastiques et mécaniques des élastomères chargés silice pour l'application pneumatique. En effet, il est montré qu'une grande partie de la résistance au roulement dépend de la dissipation d'énergie de l'élastomère chargé. De plus, les propriétés mécaniques pourraient intervenir dans les propriétés ultimes telles la propagation de fissure en fatigue et l'usure : l'étude de ces différentes propriétés est donc primordiale. La première partie s'attèle donc à l'identification des leviers pouvant moduler la dispersion de la silice dans les élastomères. La dispersion pouvant être vue comme la compétition entre les forces de cohésion des charges et les forces appliquées au système pour les rompre, ces paramètres ont été étudiés de manière systématique. Enfin, l'influence des interactions silice-matrice est abordée (modification de l'état de surface de la silice, nature de l'élastomère) : le nombre d'interactions silice-élastomère par chaîne de polymère pourrait intervenir dans les mécanismes de dispersion. Dans la seconde partie, l'influence de ces différents états de dispersion sur les propriétés viscoélastiques et mécaniques est discutée. L'amélioration de la dispersion à iso-formulation permet de diminuer le module élastique linéaire dans le domaine linéaire et entraîne une augmentation des modules aux grandes déformations en traction. Concernant l'étude des propriétés ultimes, notre dispositif expérimental n'a pas permis de mettre en évidence, sur les formulations testées, d'influence de la dispersion sur la dynamique de propagation de fissure en fatigue. En revanche, l'amélioration de la dispersion entraîne une amélioration de la résistance à l'usure et ce malgré une diminution de la dureté / Filled elastomers are used in tread tires. It has been demonstrated that most of rolling resistance of tires is due to filled elastomer energy dissipation. In that way, understanding viscoelastic properties of these materials is a key point. Then, filled elastomer behavior at high deformations may be involved in ultimate properties of tire application such as fatigue crack propagation and wear. The aim of this work is to study the impact of silica dispersion on viscoelastic and mechanical properties of filled elastomers. First, levers impacting silica dispersion are evaluated. Dispersion of fillers can be considered as a competition between fillers cohesion forces and applied forces to the system to break them, these parameters have been studied methodically. Finally, the impact of silica-matrix interactions is studied, changing silica surface treatments or elastomer natures. The quantity of interactions possible per polymer chain between the silica and the elastomer may play a role in silica dispersion. Secondly, the impact of silica dispersion on viscoelastic and mechanical properties is discussed. It is shown than increasing silica dispersion leads to a decrease of linear elastic modulus and an increase of reinforcement in tensile at high deformations. Finally, regarding ultimate properties, our experimental device on the selected formulations has not shown any impact of silica dispersion on fatigue crack propagation. Nevertheless, we observe a better wear resistance with increasing dispersion, despite the lower materials hardness