Le crissement de frein résulte d’une instabilité vibratoire du système de freinage induite par le frottement des garnitures sur le disque. Ce phénomène se traduit par des bruits hautes fréquences, de 1kHz à 20kHz, et pouvant atteindre des niveaux de 110dB. L’objectif de cette thèse est d’enrichir la filière de simulation actuelle afin de mieux prédire ce phénomène. La taille grandissante des modèles de calcul est aujourd’hui un frein à l’utilisation de méthodes, plus complexes que la classique analyse de stabilité et coûteuses en temps de calcul. De plus, ces modèles ne rendent pas compte du comportement viscoélastique de certains composants. Dans un premier temps, l’analyse expérimentale du crissement nous permet d’identifier les points clés de la modélisation du phénomène. Ensuite, une stratégie de réduction de la taille des modèles, via la réduction de l’interface de contact et la génération de super-élément est mise au point. Puis, une méthode d’implémentation du comportement viscoélastique dans les calculs de stabilité est proposée. Enfin, une analyse de sensibilité est menée afin d’identifier les paramètres fortement influents sur l’estimation des instabilités. / Brake squeal is due to a vibrational instability of the brake system induced by the friction between the pads and the disc. It results in a high frequency noise of 1kHz to 20kHz, up to 110 dB. The objective of this thesis is to enrich the current numerical process to better predict the squeal noise. The growing size of the numerical models is now an obstacle to the use of methods, more complex than the conventional stability analysis, but time consuming. Moreover, these models do not take into account the viscoelastic behavior of some component. First, the experimental analysis of squeal allows us to identify the key points of the modeling of brake squeal. Then, a strategy in order to minimize the size of the model, thanks to the reduction of the contact interface and super-element generation is developed. Then, a method for integrating viscoelastic behaviour in stability analysis is proposed. Finally, a sensitivity analysis is performed to identify highly influential parameters on the estimation of instabilities.

L’arthrose du genou est une maladie rhumatismale dégénérative touchant tous les tissus de l’articulation. Elle est classée parmi les dix affections les plus invalidantes dans le monde et l’absence de traitement curatif efficace en fait un véritable problème de santé publique. Dans le cas d’arthrose post-traumatique, les lésions méniscales sont fréquentes et entravent leurs fonctions de répartition des efforts, d’absorption des chocs et de stabilité. Les objectifs de ce travail de thèse sont (1) d’analyser les changements de propriétés mécaniques des ménisques à un stade précoce de développement de l’arthrose et de les corréler avec les modifications morphologiques, biochimiques et microstructurales, et (2) d’évaluer l’effet d’une thérapie de viscosupplémentation commerciale. Le modèle d’arthrose post-traumatique choisi dans cette étude est la rupture du ligament croisé antérieur chez le lapin. Les ménisques de lapins sains, arthrosiques non traités et arthrosiques traités ont été caractérisés six semaines après l’opération par un score macroscopique, puis par indentation – relaxation grâce au développement d’une méthode de test adaptée, ainsi que par microspectroscopie Raman, microscopie confocale biphotonique et histologie. Cette étude a révélé la formation de lésions à la surface des ménisques arthrosiques et une diminution de leurs propriétés viscoélastiques, s’expliquant par une désorganisation de leurs fibres de collagène et une diminution de leur quantité de glycosaminoglycanes. Bien que le traitement améliore significativement l’état de surface des ménisques et joue un rôle dans la régulation des glycosaminoglycanes, il a peu d’effet sur l’organisation des fibres de collagène et sur les propriétés viscoélastiques. Ce travail de thèse apporte une meilleure compréhension des modifications affectant le ménisque, dans l’optique de développer de nouveaux traitements. / Knee osteoarthritis (OA) is a rheumatic degenerative disease affecting all tissues of the joint. It is classified among the ten most disabling affections in the world and the lack of efficient curative treatment makes it a real public health issue. In case of post-traumatic OA, meniscal tears are frequent and interfere with their functions of load distribution, shock absorption and stability. The aims of this work are (1) to analyze the changes of mechanical properties of the menisci at an early stage of OA development and to correlate them with morphological, biochemical and microstructural modifications, and (2) to assess the effect of a commercial viscosupplementation therapy. For this study, an anterior cruciate ligament transection model of post-traumatic OA was used in rabbits. Menisci from healthy, non-treated OA and treated OA rabbits were characterized six weeks after surgery through macroscopic grading, indentation-relaxation with the development of an adapted test method, Raman microspectroscopy, biphotonic confocal microscopy and histology. This study revealed the formation of tears at the surface of OA menisci and a decrease in their viscoelastic properties, which was explained by a disorganization of their collagen fibers and a decrease in their glycosaminoglycan content. Although the treatment significantly improves the surface integrity of the menisci and plays a role in the glycosaminoglycan regulation, it has little effect on the organization of their collagen fibers and on their viscoelastic properties. This work brings a better understanding of the disease processes affecting the meniscus, for the purposes of developing new treatments.

L'avance technologique a encouragé, au cours de la dernière décennie, la fabrication et l'utilisation de nouveaux matériaux, ayant des propriétés innovantes et un comportement complexe. Leur développement a été conditionné par la nécessité d'augmenter l'efficacité de certains procédés technologiques, dans des domaines importants tels que la médecine, la fabrication de médicaments, de produits cosmétiques, de produits alimentaires, la production d'énergie, le recyclage des matériaux usagés, par exemple par l'industrie des transports dont la construction automobile. Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes intéressés au comportement de fluides issus de ces matériaux complexes. En effet, leur développement, leur production et leur utilisation sont conditionnés par la compréhension et la modélisation de leur rhéologie, tant au niveau macroscopique que microscopique, voire même nanométrique. La rhéologie d'un fluide est implicitement déterminée par ses propriétés de viscosité, d'élasticité et de plasticité. Un grand intérêt a toujours été porté au comportement viscoélastique des matériaux, la viscoélasticité d'une matière étant la propriété à manifester simultanément un comportement rhéologique visqueux et élastique, quand elle est soumise à une déformation, en raison de l'application d'une tension. La caractérisation rhéologique d'un liquide suppose la détermination du tenseur de tension supplémentaire, présent dans l'équation de mouvement, provenant de mesures rhéométriques. L'expression de ce tenseur, qui dépend de la déformation et de la vitesse de déformation, s'appelle la relation ou loi constitutive. La détermination du comportement rhéologique des fluides, / This paper was dedicated exclusively to the rheological characterization of simple and complex fluids and a detailed analyze of available rheometric testing procedures. Throughout this thesis the rheological behavior of both simple and complex fluids has been studied and modeled in both shear and the complex motions (shear tests and squeezing tests). By linking conventional experimental test methods with numerical simulations of real flows, this thesis introduces a new concept in rheology: Computational Rheometry. All experimental investigations carried out in this study for the squeezing flows were accompanied by numerical simulations. For the oscillatory squeezing flow the influence of initial film thikness, oscillatory amplitude and frequency, computational time step was investigated by comparison with the theoretical predictions of squeeze force and a Genrealized Reynolds Equation inclued in a finite element code in Fortran. A validity domain was established for the analitical formulation of squeezing force. The constant velocity squeeze flow was investigated also using a quasi-steady approximation of the motion, which brings a significant reduction of the computational time, and a very good correlation with the transient (deformable mesh) approximation and the analytical predictions. The investigation of free surface influence on the distribution of normal force in both constant velocity and oscillatory squeeze flow was analyzed. In the case of constant velocity squeeze flow, the numerical simulations coupled with the free surface evolution and measured normal force during experimental investigations are suggesting the presence of a partial slip during the experimen

Il y a plus d'un siècle, les verres feuilletés ont été découverts. Ces structures sont formées d'un intercalaire polymère pris entre deux plis de verre. Cet intercalaire améliore considérablement les performances à l'impact de l'assemblage. Lorsque le verre se brise, la délamination et l'étirement de l'intercalaire dissipent une grande quantité d'énergie. Les personnes sont protégées de l'objet impactant qui ne traverse pas le verre et des projections potentiellement dangereuses. Nous avons identifié et caractérisé les mécanismes de dissipation d'énergie associés au décollement de l'intercalaire et à l'étirement qui s'en suit. Des tests de traction uniaxiale et des mesures de biréfringence ont permis de relier le comportement de l'intercalaire à sa structure chimique. Les différents mécanismes dissipatifs du comportement de ce polymère ont été identifiés et décris dans un modèle rhéologique. Nous avons utilisé une expérience modèle afin d'établir les sollicitations subies par l'intercalaire lors de sa délamination du verre. Cette expérience consiste en un essai de traction uniaxiale sur un verre feuilleté pré-entaillé. Nous avons montré l'existence d'un régime de délamination stationnaire dans une gamme limitée de température et de vitesse de déplacement imposée. Dans ces conditions stationnaires, nous avons identifié deux zones de dissipation d'énergie. La corrélation digitale d'image a permis de quantifier la dynamique de déformation de l'intercalaire en aval du front et d'expliquer la grande quantité d'énergie dissipée. Enfin un modèle éléments finis a confirmé les observations expérimentales et permis d'explorer le voisinage du front de délamination. / Laminated glass has been discovered more than a century ago. It is composed of a polymeric interlayer sandwiched in-between two glass plies. This interlayer dramatically enhances the performance during impact. Even if the glass breaks, partial delamination and stretching of the interlayer will dissipate a large amount of energy. This dissipation will protect people from the impacting object while the glass splinters will stick on the interlayer, preventing harmful projections. I have identified and characterized the dissipation mechanisms associated with the interlayer rheology and its delamination from glass.Using uniaxial traction tests combined with photoelastic measurements, a relationship between the polymer structure and its mechanical behavior has been provided. The different dissipating mechanisms of the interlayer rheology have been identified in a rheological model. To understand how the interlayer mechanical behavior is involved during the lost of adhesion at the glass interface, a model delamination experiment has been setup. This test consists in a uniaxial traction on a pre-cracked laminated glass sample. In a certain range of applied velocities and temperatures, a steady state delamination regime has been observed. In these steady state conditions, two zones of dissipation have been identified. Digital image correlation has been used to quantify the stretching dynamics of the interlayer ahead of the delamination fronts and to explain the large dissipation observed during impact. Finally a finite element model has been developed to confirm experimental observations and to explore the close vicinity of the delamination fronts.

Le présent travail porte sur la modélisation 3D du comportement hydromécanique du bois en général et du sapin blanc en particulier, avec la prise en compte des couplages entre les effets orthotrope, hydrique, élastique, viscoélastique et mécanosorptifs, y compris l’effet hygroverrou qui est un phénomène de blocage temporaire de la déformation en phase de séchage sous contrainte. Ce mémoire est scindé en trois grandes parties découpées en sept chapitres. La première partie examine le contexte et la problématique du comportement hydromécanique du bois. Les aspects traités vont de la structure, du phénomène hygroscopique et de l’effet de retrait/gonflement, aux divers aspects du comportement hydromécanique du bois sous humidité constante ou variable comme l’orthotropie, la viscoélasticité et les effets mécanosorptifs qui traduisent l’interaction complexe entre le chargement mécanique et les variations d’humidité. Les bases pour la modélisation sont présentées dans le deuxième chapitre, telles que la formulation incrémentale à pas de temps fini pour modéliser le comportement viscoélastique orthotrope 3D et les modèles mécanosorptifs intéressants de la littérature. A partir de cette étude bibliographique, on propose une voie pour modéliser dans ce travail l’effet mécanosorptif comme la somme de trois effets élémentaires : effet mécanosorptif irréversible, fluage mécanosorptif et effet hygroverrou. Les deux premiers effets sont modélisés par des modèles existants tandis que la modélisation de l’effet hygroverrou est l’objet d’une démarche originale dans ce travail. La deuxième partie, décomposée en deux chapitres, est consacrée à la construction du modèle de comportement 3D. Le premier chapitre présente les développements mathématiques pour l’élaboration d’un modèle analytique. Ce modèle est basé sur l’hypothèse de partition de la déformation totale en une somme de six déformations élémentaires : hydrique, élastique instantanée, viscoélastique pure, hygroverrou, mécanosorptive irréversible et de fluage mécanosorptif. Les variations de ces déformations élémentaires sont établies de manière séparée. En particulier, la loi d’évolution de la déformation hygroverrou construite sur la base d’observations expérimentales, est différente en phase de séchage et d’humidification. Une contrainte auxiliaire, introduite en respectant les principes thermodynamiques, permet de résoudre le problème de la récupération de la déformation hygroverrou en phase d’humidification en cas de contrainte nulle ou insuffisante. En parallèle, un nouveau modèlerhéologique est également proposé pour modéliser le comportement viscoélastique à humidité variable. Ce modèle, équivalent à un modèle de Maxwell généralisé et/ou à un modèle de Kelvin-Voigt généralisé, est capable de décrire le fluage aussi bien que la relaxation. Le deuxième chapitre de cette partie est consacré à la transformation du modèle analytique en une forme incrémentale à pas de temps fini. La contribution de chaque partie élémentaire est établie par résolution exacte à partir d’équations différentielles ou d’intégrales de Boltzmann. La somme des formes élémentaires ainsi obtenues conduit à la loi de comportement du modèle complet qui est similaire à celle d’un comportement thermo-élastique équivalent. Du fait de la procédure d’intégration, le pas de temps de calcul est fini mais pas nécessairement petit. Cette propriété est très importante car elle permet de réduire considérablement le temps de calcul tout en préservant une très bonne précision. La dernière partie est divisée en trois chapitres. Elle présente la mise en œuvre numérique du modèle hydromécanique à l’aide du code d’éléments finis Cast3m, suivie de la validation et d’applications à diverses classes de problèmes. L’algorithme numérique est organisé en modules indépendants. Des procédures élémentaires sont construites pour réaliser des fonctions spécifiques ; elles sont appelées selon un ordre précis par un programme principal. (...) / This work concerns 3D modeling of hydro-mechanical behavior of wood in general and the silver fir (Abies alba Mill.) in particular with taking account of the couplings between the effects: orthotropie, hydric, elastic, viscoelastic and mechano-sorptive including hydro-lock effect that is a temporary locking of the mechanical strain during a period of drying under stress. This memory is divided into three parts divided into seven chapters. The first part examines the background and the problem of hydro-mechanical behavior of wood. The aspects go from the structure, hygroscopic phenomenon and the effect of swelling/shrinkage, to various aspects of the hydro-mechanical behavior of wood under constant or variable moisture as orthotropie, viscoelasticity and mechano-sorptive effects that is the interaction complex between mechanical loading and moisture variations. The bases for modeling are presented in the second chapter, such as incremental formulation on finite time step to model the 3D orthotropic viscoelastic behavior and interesting mechano-sorptive models of literature. From this literature review, we propose a way to model in this work mechano-sorptive effect as the sum of three elementary effects: irrecoverable mechanosorptive, mechano-sorptive creep and hydro-lock effect. The first and the second effects are modeled by existing models while modeling hygroverrou effect is an original subject in this work. The second part, divided into two chapters, is dedicated to building the 3D model of behavior. The first chapter presents the mathematical developments for the development of an analytical model. This model is based on the assumption partition of the total strain by a sum of six elementary strains: hydric, instant elastic, viscoelastic pure, hydro-lock, irrecoverable mechano-sorptive and mechano-sorptive creep. Variations of these elementary strains are established separately. In particular, the evolution law of the hydro-lock strain constructed on the basis of experimental observations is different in phase of drying and moistening. An auxiliary stress introduced in accordance with thermodynamic principles, solves the problem of recovering the hydro-lock strain in the moistening phase in case with zero or little stress. In parallel, a new rheological model is proposed to model the viscoelastic behavior at variable humidity. This model, equivalent to a generalized Maxwell model and / or a generalized Kelvin-Voigt model, is able to describe the creep as well as relaxation. The second chapter of this part is devoted to the transformation of the analytical model in an incremental form on finite time step. The contribution of each elementary part is established by exact resolutionfrom differential equations or Boltzmann’s integrals. The sum of elementary forms thus obtained leads to the complete model behavior law which is similar to that of an equivalent thermo-elastic behavior. Because of the integration process, the time step calculation is finished but not necessarily small. This property is very important because it significantly reduces the computation time while maintaining very good accuracy. The last part is divided into three chapters. It presents numerical implementation of hydro- mechanical model using the finite element code Cast3m, followed by validation and applications to various classes of problems. The numerical algorithm is organized into independent modules. Elementary procedures are built to perform specific functions; they are called in a specific order by the main program. Model validation is made by comparison between simulated results and experimental data available in tension and bending. The last chapter of the thesis presents applications of solid wood reconstituted silver fir. They show the ability of the model to predict the states of stress and strain in timber structures under mechanical loading and variable humidity.

Nous présentons des résultats sur la dynamique des interfaces liquides à différentes échelles. Dans la première partie, nous étudions des systèmes liquides confinés dans le cadre de l'approximation de lubrification. Nous obtenons des résultats analytiques et numériques intéressants sur l'équation des films minces qui régit la dynamique de tels systèmes. Les résultats théoriques sont confrontés avec succès à des experiences de microscopie à force atomique sur des films minces de polymères dans différentes géométries. Nous explorons la physique qui résulte des effets inhérents à la nature des matériaux polymères tels que la viscoélasticité, le glissement aux parois ou encore la dynamique au voisinage de la température de transition vitreuse. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons au sillage engendré par le mouvement d'une perturbation à l'interface liquide-air. Motivés par des résultats expérimentaux qui semblent remettre en question la théorie de Kelvin sur le sillage des bateaux, nous montrons que deux angles peuvent être distingués dans le sillage. L'angle que forment les bords du domaine est bien constant, conformément à la théorie de Kelvin, alors que l'angle que décrivent les vagues de plus forte amplitude décroit avec le nombre de Froude. Nous nous penchons également sur les ondes gravito-capillaires et portons un intérêt particulier aux effets de taille finie sur la résistance de vague. Les deux parties peuvent être abordées de manière indépendante. / We present results on the dynamics of liquid interfaces at different scales. In the first part, we study confined liquid systems within the lubrication approximation. We obtain interesting analytical and numerical results on the thin-film equation governing the dynamics of such systems. The theory is successfully confronted to atomic force microscopy experiments on thin polymer films in different geometries. We explore the physics resulting from the intrinsic properties of polymeric materials such as viscoelasticity, slip at the solid- liquid interface as well as the dynamics near the glass transition temperature. In the second part, we tackle the problem of the wake generated by a moving disturbance at the air-water interface. Motivated by experimental results that seem to challenge Kelvin’s century old theory of ship waves, we show that two angles can be distinguished in the wake. The angle delimiting the wake is constant, consistent with Lord Kelvin’s theory, while the angle corresponding to the highest waves decreases as the Froude number is increased. We examine as well the case of capillary-gravity waves and focus in particular on the finite size effects on the wave drag. Both parts can be addressed independently.

Les mélanges de polymères sont fréquemment formulés en vue d'atteindre un compromis de propriétés bien spécifique. C'est notamment le cas dans les bandes de roulement d'un pneumatique, dans lesquelles l'utilisation de plusieurs élastomères permet de régler le comportement dissipatif du matériau, propriété clé au regard des performances d'adhérence et de résistance au roulement. Pour améliorer la rigidité et la tenue mécanique de la gomme, des particules minérales sont également ajoutées aux formulations de la bande de roulement, telles que la silice hautement dispersible qui permet d'améliorer les propriétés de résistance au roulement sans compromettre les propriétés d'adhérence et d'usure. Dans ce contexte, la problématique de ce travail de thèse est d'identifier les leviers permettant de modifier la localisation des charges dans un mélange d'élastomères, puis d'en comprendre l'impact sur les propriétés viscoélastiques et de renfort. La première partie s'attache donc à comprendre quels sont les paramètres influant sur la localisation de la charge dans des mélanges d'élastomères immiscible. Pour cela, l'effet des interactions entre constituants est étudié en modifiant l'état de surface de la charge, la nature de la charge ou encore la nature des élastomères. Puis l'incidence des effets cinétiques est analysée en faisant varier le ratio de viscosité des élastomères, ainsi que la procédure de mise en œuvre des mélanges. Grâce au développement d'une technique innovante en microscopie électronique permettant une caractérisation précise des morphologies de mélanges fortement chargés, le rôle dominant des interactions charge/élastomère sur la localisation finale des particules est mis en évidence dans le cas où charges et élastomères sont introduits simultanément lors du mélange, indépendamment des niveaux de viscosité des phases. Les effets cinétiques ont quant à eux un rôle essentiel sur les morphologies lorsque la silice est spécifiquement prémélangée à l'une des phases. Puis dans la seconde partie de ce travail, nous nous sommes intéressés à l'impact des différentes morphologies obtenues sur les propriétés dissipatives et de renfort des matériaux. Les propriétés viscoélastiques dans le domaine linéaire des mélanges sont tout d'abord analysées. Une relation directe est établie entre la localisation de la charge entre les phases et les propriétés dissipatives et de renfort des matériaux proche de Tg. A plus hautes températures, l'état de dispersion des charges apparaît comme étant un paramètre clé sur les propriétés de renfort. Enfin, l'étude des propriétés mécaniques à plus hautes déformations (effet Payne et tests de traction) montrent une incidence de la localisation de la charge ainsi que de son état de dispersion lorsque des interactions fortes sont considérées. Ce travail a donc permis de mettre en évidence des critères de sélection des interactions et niveaux de viscosités dans des mélanges d'élastomères chargés pour contrôler la localisation des charges, et par extension modifier les propriétés dissipative et de renfort de ces mêmes matériaux / The tradeoff in tread properties is notably controlled by the dependence in frequency of rubber dissipation: a high dissipation of energy improves wet grip at high frequencies, while it may increase rolling resistance at low frequencies. Using silica instead of carbon black has enabled an improvement of this tradeoff, but the physical mechanisms responsible of these properties are still under discussion. Besides, using polymer blends is a well-known technique to obtain materials with tailored properties, allowing for example the tuning of dissipation range and mechanical properties. These unique properties depend not only on the miscibility state of rubbers, but also on rubber phase morphology and particles distribution between phases. In this context, the issue of this work is to understand which parameters enable the modification of filler location between phases, and then to identify the impact of the various morphologies on the viscoelastic and reinforcement properties. We first study the impact of fillers on blends structuration by first varying interactions parameters between the three components (polymer A, polymer B, silica) to obtain various morphologies. It also has been shown that final blends morphologies depend also on rheological parameters. Thus the impact of process and rubber viscosities is studied, in an attempt to decorrelate the influence of rheology and interactions on blend structuration. To study reinforced rubber blends morphologies, a new microscopy technique has been developed to obtain a very clear viewing of silica in the different rubber phases. Then, the blends viscoelastic properties in the linear regime are investigated. Close to Tg, a direct relationship between filler location and dissipative and reinforcement properties is established. At higher temperatures, the filler state of dispersion appears to be a key parameter on reinforcement properties. Finally, the investigation of blends mechanical properties at larger deformations shows and impact of filler location but also filler dispersion when strong interactions are involved. Thanks to the different tools developed, we define criteria to control filler location in immiscible rubber blends, which enables a modification of their dissipative and mechanical properties

Ce mémoire présente une étude sur la caractérisation des propriétés mécaniques dépendantes du temps par nanoindentation instrumentée à différentes températures.Ce sujet de recherche porte sur l’adaptation des méthodes d’indentation classiques aux problématiques de la caractérisation à hautes températures. Les méthodes développées dans ces travaux ont pour premier objectif d’apporter une meilleure compréhension des phénomènes dépendants du temps et de la température par une approche locale. Le second objectif est d’apporter des éléments de comparaison entre le comportement à l’échelle microscopique et macroscopique.Les méthodes proposées sont principalement fondées sur l’essai de relaxation en indentation. Ses développements et applications aux matériaux polymères et métalliques sont étudiés de manière analytique puis expérimentale. L’étude analytique nous montre que ce type d’essais en indentation peut être directement comparé à un essai uniaxial. Elle montre également que la cinétique de chargement a une grande influence sur la qualité des résultats obtenus en relaxation.L’étude expérimentale proposée, en température, permet d’extraire la sensibilité à la vitesse de déformation ainsi que l’énergie d’activation des phénomènes visqueux. Cependant, la dérive thermique limite la durée des essais – la durée maximum du segment de relaxation reste inférieure à quelques minutes. Une autre étude réalisée à température ambiante ouvre la voie à des durées de caractérisation plus longues. Celle-ci se fonde sur l’équivalence entre aire et raideur de contact pour un matériau homogène. Un maintien de l’aire de contact constante pendant 10 heures est effectué sans signes de dérive.Finalement, l’application de la nanoindentation à hautes températures à la caractérisation in situ des changements microstructuraux pour un alliage d’aluminium est étudiée. Les résultats de l’étude montrent qu’il est possible d’obtenir la cinétique de recristallisation avec un seul échantillon et en un temps limité. / This manuscript presents a study on the mechanical properties’ characterization of time dependent phenomena using instrumented nanoindentation at different temperatures.This research subject treats the development of methods dealing with the adaptation of classical indentation methodologies to high temperature characterizations. Bringing a better understanding of time and temperature dependent phenomena at a local scale is the first aim of the methods developed. The second objective is to compare materials behaviors measured at micro and macro-scale.The proposed methods are based on indentation relaxation tests. Their development and applications to polymers and metals characterization are studied analytically and experimentally. The analytical study shows that the indentation relaxation test is equivalent to the uniaxial one. This study also highlights the great influence of loading kinetics on the measured relaxation behavior.The proposed experimental study in temperature permits the extraction of the strain rate sensitivity and the activation energy of the viscous phenomena. However, thermal drift limits the characterization duration – i.e. the maximum experimental time remains limited to a couple of minutes. Another experimental study configuration, at room temperature, opens the way to longer test durations. It is based on the equivalence of contact area and stiffness for a homogeneous material. With this configuration, we successfully hold the contact area constant for 10 hours without any evidences of drift.Eventually, the high temperature nanoindentation application to in situ microstructural changes characterization of an aluminum alloy is studied. Measurements and limitations are carefully discussed for a better understanding of the studied phenomenon. The results show that the recrystallization kinetics can be successfully described with reduced test duration and samples’ set.

Cette thèse a été réalisée dans le cadre d’une convention entre le Cerema (Centre d’Etude et d’Expertise sur les Risques, l’Environnement, la Mobilité et l’Aménagement) et l’ENTPE (Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat). Ce travail concerne l’étude et la modélisation du comportement des enrobés bitumineux, dans les domaines des petites et grandes déformations, soit respectivement les comportements viscoélastique et viscoplastique.Après une étude bibliographique portant sur les propriétés mécaniques des enrobés bitumineux en petites et grandes déformations et la présentation des modèles de comportement viscoélastique linéaire et viscoplastique, ce mémoire s’organise en cinq chapitres. Les deux premières parties concernent le développement du modèle DBN, et la description de la version introduite dans cette thèse : la version EPPI (Elastique Parfaitement Plastique Isotrope). Cette formulation tridimensionnelle vise à décrire les comportements viscoélastique et viscoplastique des enrobés bitumineux avec un formalisme unique, suffisamment simple pour être implémenter dans un code de calcul aux éléments finis. Le modèle est ensuite développé et implémenté dans un code de calcul homogène, permettant ainsi de réaliser des simulations d’essais expérimentaux classiques.Les deux chapitres suivants traitent de la campagne expérimentale réalisée dans cette thèse. Il s’agit d’abord de décrire l’ensemble des procédures et conditions d’essais. Deux types d’essais sont réalisés : module complexe pour la caractérisation du comportement viscoélastique et traction simple pour la caractérisation du comportement viscoplastique. Ensuite, l’ensemble des résultats expérimentaux et observations issus de cette campagne sont présentés et permettent de dessiner quelques conclusions.Enfin, le dernier chapitre traite des simulations réalisées à partir du modèle DBNEPPI. Ces résultats permettent dans un premier temps de tester la validité du modèle (essais de module complexe, essais cycliques de traction-compression). Enfin une étude des effets transitoires lors des essais de module complexe est présentée. / The thesis has been realized within the framework of a partnership between the Cerema (Center for Studies and Expertise on Risks, Environment, Mobility, and Urban and Country Planning) and the ENTPE (National School for Public State Works). This work deals with the study and the simulation of the behavior of bituminous mixtures, in the domains of small and large amplitudes of solicitations. These domains correspond to the viscoelastic and viscoplastic behavior.First a bibliographical review on mechanical properties of the bituminous mixtures under small and large amplitudes of solicitations and a review of the several models describing the viscoelastic and viscoplastic behavior of bituminous mixtures is presented. This thesis is then composed of 5 main chapters.The two first deals with the development of the DBN model and mainly with the introduction of its new version EPPI (Elastic Perfectly Plastic and Isotropic). This formulation aims at describing the viscoelastic and viscoplastic behaviors together in a unique formalism, but simple enough to be implemented in a finite elements calculation program. This version of the DBN model is then implemented in a homogeneous computation code so as to be able to simulate classical experimental test.The two following chapter are devoted to the experimental campaign made during this research work. First a global description of the experimental procedures and test conditions is presented. Two kinds of tests are performed: complex modulus tests so as to characterize the viscoelastic behavior and simple traction tests for viscoplastic behavior. Finally results and observations issued from this campaign are detailed and some conclusions can be drawn.Finally the last chapter deals with the simulations performed thanks to the DBNEPPI model. These results aim at verifying the validity of the model introduced. Then a study about the transient effects during complex modulus tests on bituminous mixtures is detailed.

Les matériaux polymères sont largement utilisés pour des applications structurelles dans le secteur automobile et leurs comportements complexes nécessitent des modèles précis pour la simulation éléments finis. Les polymères possèdent un comportement dépendant du temps et de la vitesse. La dépendance à la vitesse peut être observée par un accroissement de la rigidité et de la limite élastique en fonction de la vitesse de déformation. Le long temps nécessaire pour retrouver des contraintes nulles après sollicitation du matériau met en évidence la dépendance du temps sur le comportement. De plus, particulièrement pour les polymères chargés, le phénomène de cavitation se traduisant par la création et la croissance de micro-cavités et de microfissures conduit à un changement de volume durant la déformation. Dans ce travail, un modèle de comportement est développé pour un polymère semi-cristallin chargé de talc utilisé dans l’industrie automobile. Un modèle constitutif viscoélastique-viscoplastique non-associatif avec endommagement non-local est proposé dans le but de simuler les phénomènes observés expérimentalement. Dans le modèle développé, une surface de charge non symétrique est utilisée pour prendre en compte la pression hydrostatique. La viscoplasticité non-associative couplée avec l’endommagement conduit aux déformations viscoplastiques non-isochoriques caractérisées expérimentalement. Les paramètres du modèle proviennent d’essais expérimentaux réalisés sous différentes conditions et `a différentes vitesses de déformation. Pour ces essais, plusieurs techniques de mesure, telles que la corrélation d’images et l’extensommetrie optique sont utilisées pour les mesures de champs de déplacements. La bonne corrélation entre les données expérimentales et les simulations numériques mettent en évidence la précision du modèle développé afin de modéliser le comportement des matériaux polymères semi-cristallins. / Polymer materials are widely used for structural applications in the automotive sector and their behaviours are complex and require accurate models for finite element simulations. Polymer materials exhibit rate and time dependent behaviours. The rate dependency can be observed by an increase of the stiffness and the yield stress at increasing strain rate. The long time to recover the zero stress after solicitation of the material highlight the time dependent behaviour. Furthermore, particularly for filled polymers, the cavitation phenomenon cause the creation and growth of micro-voids and microcracks called damage and leads to volume change during the deformation. In this work, a behaviourmodel for mineral filled semi-crystalline polymer used in automotive industry is developed. A constitutive viscoelastic-viscoplastic non-associated model coupled with nonlocal damage is proposed in order to simulate the phenomena observed experimentally. In the constitutive model, a non symmetric yield surface is used to take the hydrostatic pressure into account. The non associated viscoplasticity coupled with damage leads to the non-isochoric viscoplastic deformation characterised experimentally. The material parameters arise from experimental tests carried out under various loadings and strain rates. For these experimental tests, different measurement techniques like Digital Image Correlation and optical extensometry are used for the displacements and the strain field measurements. The good agreement between the experimental data and the numerical simulations highlights the accuracy of the developed model for polymer modelling.