Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie des procédés et de l'environnement : Toulouse, INPT : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 98 réf.

Les Méthodes par Eléments Discrets apparaissent comme les méthodes les plus appropriées pour modéliser le caractère divisé. De nombreux travaux ont permis de mieux comprendre leurs comportements, mais dans certain cas se pose la question de l'impact du choix de la description volumique ou des lois d'interaction sur le comportement global du milieu. Dans ce contexte, en se basant sur l'approche "Non Smooth Contact Dynamic" permettant naturellement de mixer les différentes formulations, nous nous proposons de comprendre et d'analyser l'influence de cette description. Pour cela, nous utilisons deux applications différentes liées aux comportement quasi-statique (QS) des milieux granulaires et comportement dynamique des interfaces tribologiques. Au niveau de l'étude QS est faite en utilisant des essais de compression biaxiale et de cisaillement. Contrairement aux approches classiques, des particules déformables sont utilisées ici. Les résultats obtenus sont comparés en utilisant des outils de mesure tels que la relation contrainte-déformation, la compacité... Les résultats montrent qu'il n'est pas possible à partir d'une description rigide de converger vers des modèles déformables et souligne l'importance d'effectuer une analyse complète en tenant compte de la déformation des particules. Au niveau de la modélisation d'une interface tribologique s'intéresse à l'influence des conditions limites, des descriptions des premiers corps et du troisième corps sur la rhéologie de l'interface. Dans chaque simulation, frottement macroscopique, profils de vitesse et de contrainte sont observés. Les différents modèles utilisés ont peu d'influence sur la valeur du frottement mais plus d'influence sur les profils de vitesse au travers de l'épaisseur de troisième corps. Ceci souligne l'importante du choix du modèle lors de l'étude de la rhéologie de l'interface et montre qu'il est difficile d'obtenir des résultats génériques et ceci aussi bien en modèles bi que tridimensionnel.

Au cours de cette thèse expérimentale et numérique nous avons étudié le comportement d'un empilement de grains dans deux situations différentes. Dans une première partie, une piste en sable est soumise au passage répété de véhicules, sous certaines conditions un motif régulier de rides apparaît spontanément : c'est l'instabilité de tôle ondulée. Ce phénomène, très répandu sur les routes en terre ou en gravier, est bien sûr très gênant pour les automobilistes mais est aussi très dangereux à cause des pertes d'adhérence qu'il provoque. Nous avons alors reproduit ce phénomène à l'échelle du laboratoire et également dans des simulations numériques de dynamique moléculaire de sphères molles. Grâce à ces outils expérimentaux et numériques nous avons pu mettre en évidence certaines propriétés de l'instabilité. Nous avons notamment mesuré la relation de dispersion des rides et mis en évidence que ce phénomène suit une instabilité de type fourche super-critique. En mesurant les contraintes agissant sur le véhicule nous avons alors pu construire une analyse de stabilité linéaire prédisant quantitativement le seuil de l'instabilité ainsi que la longueur d'onde du motif. Enfin, nous avons étudié des cas plus complexes où différents véhicules circulaient simultanément sur la piste. Nous avons également considéré des cas où la piste était humide et donc cohésive. Dans une seconde partie, nous avons étudié le comportement d'un silo rempli de grains soumis à des variations de température. On observe alors un lent fluage de la colonne que nous avons caractérisé. Deux régimes de fluage sont observés selon l'amplitude des cycles de température et nous avons obtenu une expression de la température critique séparant les deux régimes en fonction des paramètres microscopiques des grains (élasticité et rugosité de surface). Nous avons également étudié le mouvement individuel de chaque grain afin d'interpréter la dynamique macroscopique de l'empilement.

Une assemblée d'objets solides de taille typique d'une fraction de millimètre n'est pas sensible à l'agitation thermique. En effet, ces éléments sont trop massifs pour être mis en mouvement par le chaos moléculaire. Cependant, un tel empilement est susceptible de se réorganiser sous la seule influence des variations de température ambiante. Ces dernières induisent des changements de longueur certes relativement petits (coefficient de dilatation typique de l'orde de 10-5 K-1) mais, compte tenu de la rigidité de ces matériaux (module d'Young de l'ordre de 1011Pa), les déformations associées sont suffisantes pour créer des efforts capables de déplacer des grains de manière irréversible. Nous étudions expérimentalement la compaction d'une colonne de billes de verre soumise à des cycles de température. Imposer les variations de température par un fil tendu placé au centre de la colonne et alimenté par un courant sinusoïdal de fréquence assez haute permet de minimiser les effets de la dilatation du récipient. La dynamique du système est étudiée en fonction des caractéristiques du chauffage et des conditions mécaniques. Par ailleurs, d'un point de vue théorique, nous nous intéressons aux effets des variations de température sur un système discret modèle, des patins liés par des ressorts en contact frictionnel avec un plan incliné. Nous étudions l'influence de l'angle d'inclinaison et des caractéristiques des variations de température sur la reptation du système. Nous observons que proche d'une amplitude critique, entre mouvement et arrêt du système, ce dernier exhibe une dynamique intermittente.

Dans cette thèse, deux approches de caractérisation d'un comportement mécanique sont présentées, l'une sur la banquise Arctique, l'autre sur les milieux granulaires. Premièrement, une analyse de type mécanique des milieux continus est réalisée sur la banquise de manière à extraire la physique qui, au premier ordre, explique l'augmentation récente des vitesses de dérive et de déformation. Une méthode originale pour accéder aux propriétés mécaniques de la couverture de glace aux grandes échelles de temps et d'espace, c'est à dire sur tout le bassin Arctique et au cours de ces 40 dernières années, est proposée en quantifiant l'amplitude de la composante inertielle du mouvement des bouées enchâssées dans la glace. Le point fort de cette méthode réside dans le fait qu'elle apporte des informations sur la friction moyenne de la couverture de glace qui, jusqu'à maintenant, n'étaient pas disponible à ces échelles spatio-temporelles. A partir d'un modèle simple, nous montrons qu'un affaiblissement mécanique de la banquise, se traduisant par des changements dans le degré de fracturation de la couverture de glace, intervient au premier ordre dans la cinématique et la dynamique des glaces de mer. Cette observation souligne la nécessité de prendre en compte cette composante de manière appropriée dans les modèles ainsi que de développer des outils spécifiques pour accéder à cette quantité à l'échelle locale. Deuxièmement, une analyse de type mécanique statistique est adoptée dans l'étude numérique et expérimentale des milieux granulaires frottants sous compression. La quantification des hétérogénéités associées aux champs de contrainte et de déformation ainsi que leur lien avec le comportement mécanique macroscopique de ce matériau est étudiée. Aux petites échelles de temps, de fortes concentrations de contrainte et de déformation sont mises en évidence. De plus, des propriétés multi-échelles spécifiques caractérisent ces champs à l'instabilité macroscopique. Ainsi, à ce point d'instabilité, ces champs de déformation observés aux petites échelles de temps présentent des propriétés très différentes de celles présentées par la bande de cisaillement, habituellement caractérisée aux grandes échelles de temps. Le lien entre ces deux comportements caractéristiques reste à élucider.

Ce travail de recherche présente la modélisation du comportement mécanique des matériaux granulaires cohésifs par une approche multi-échelle en combinant la méthode des éléments finis (FEM) et la méthode des éléments discrets (DEM). A l'échelle microscopique, la DEM est utilisé pour modéliser un assemblage granulaire alors qu'à l'échelle macroscopique, la solution numérique est obtenue par la FEM. Afin de faire un pont entre l'échelle micro et macroscopique, un Volume Elementaire Représentative (VER) est considéré dans lequel la contrainte suite à une déformation imposée résulte d'un calcul numérique de type DEM. Par cette manière, la loi numérique constitutive est déterminé par la modélisation de la microstructure, et par conséquent prenant en compte les natures des matériaux granulaires. Après avoir achevé à construire la loi numérique, on propose d'étudier les propriétés de cette loi incrémentale en terme des enveloppes de réponse Gudehus, et des analyses en bande de cisaillement. Cet étude nous permet d'avoir une vision générale sur cette nouvelle loi. Dans cette contribution numérique multi-échelle, en implémentant la loi numérique DEM dans un code de calcul par éléments finis, un outil numérique est obtenu et utilisé à simuler des essais menés au laboratoire. Des résultats obtenus produisant la localisation de la déformation en bandes de cisaillement seront analysés et discutés.

Thèse (M.Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2002. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

L'injection est un procédé largement utilisé et relativement ancien de renforcement des sols. Le plus souvent, on met en oeuvre des coulis de ciment formulés de façon à imprégner le réseau poreux. L'effet escompté de la prise du ciment faisant corps avec la structure granulaire est une augmentation de raideur et un gain de cohésion. On présente une étude expérimentale destinée à la caractérisation du comportement mécanique des milieux granulaires vierges et injectés. Une attention particulière est accordée à la non linéarité du comportement élastique et à la variation du comportement en fonction de la distance à la source d'injection. Une caractérisation microstructurale a été réalisée dans le but d'affiner la compréhension des mécanismes responsables du renforcement dû à l'injection et d'orienter les choix du modèle micromécanique. La caractérisation de la porosité finale du milieu a été abordée grâce à des techniques expérimentales (porosimétrie, analyse d'image) et à travers une modélisation basée sur une loi de filtration. Concernant la modélisation micromécanique, nous nous sommes intéressé au comportement du milieu granulaire vierge et injecté à la fois pour ce qui est des petites déformations et les caractéristiques de rupture. Nous avons proposé une premiére approche consistant à remplacer la phase solide du milieu granulaire par un matériau fictif continu choisi de façon à ce que le compo site de même porosité que le milieu réel, ayant comme phase solide le matériau fictif, exhibe un comportement identique au milieu réel. Ce milieu fictif présente l'avantage d'être décrit de manière continue, ce qui nous a permis de mettre en oeuvre les techniques classiques d'homogénéisation des milieux aléatoires, pour modéliser les effets de l'introduction de la phase cimentaire. Dans une deuxième approche, le milieu granulaire est modélisé comme un polycristal poreux. Le comportement de l'assemblage granulaire est déduit à partir de la loi de contact intergranulaire régissant les discontinuités de déplacement dans les interfaces lors de l'application d'une charge. La problématique de la rupture a été abordée aussi bien pour le milieu granulaire vierge que pour le milieu injecté.

La culture du blé est l’une des plus importantes au monde. Le grain de blé est un matériau composite naturel dont la majeure partie est constituée d’albumen amylacé formé d’un assemblage compact de granules d’amidons (glucides) enchâssés dans une matrice protéique (gluten). Pour obtenir des produits comme la farine, la structure de l'albumen doit être fragmentée en broyant les grains sous des fortes contraintes. La quantité et la qualité des produits obtenus dépendent du comportement de l’albumen à la fragmentation. En raison de sa nature composite, le comportement rhéologique du grain est tributaires des propriétés mécaniques des phases qui le composent (granules, gluten, pores), de leurs interactions, ainsi que de leur distribution spatiale. Les granules d’amidons sont de formes relativement sphériques et de tailles micrométriques, tandis que les protéines sont organisées en un réseau entourant les granules. L'interaction entre l'amidon et ce réseau protéique est influencée par certaines protéines, les puroindolines, dont la présence et le type d’allèle sont contrôlées génétiquement. Si les gènes codant pour les puroindolines sont présents sous forme sauvages, la dureté meunière, c’est à dire l’aptitude à la fragmentation du grain est faible. L’origine de ce comportement est liée à une adhérence limitée entre matrice protéique et amidon. L'absence totale de puroindolines chez le blé dur conduit au contraire à une dureté très élevée des grains et à une forte adhérence. L'objectif de cette thèse est d'étudier, à partir d’une approche multidisciplinaire, la biomécanique du fractionnement du grain de blé en mettant l'accent sur le rôle des granules d'amidon. Des échelles de taille différentes sont considérées : échelle micrométrique du granule et de la matrice protéique; agencement complexe de ces composants dans l'albumen et échelle millimétrique du grain. Ainsi, des expériences de broyage à l'échelle du grain ont été combinées avec des mesures nano-mécaniques par microscopie à force atomique (AFM) et des simulations numériques.Le comportement au broyage a été étudié en utilisant un micro-moulin instrumenté. Une comparaison a été effectuée entre des essais réalisés sur une variété de blé dur et sur la même variété dans laquelle ont été introduits les gènes codant pour les puroindolines. Un changement significatif du comportement mécanique des grains transformés, attribuable uniquement à la présence de puroindolines, a été observé - en termes d'énergie consommée, - de productivité en farine et - de taux d'amidon endommagé. Ces changements sont compatibles avec l'hypothèse d'une faible adhérence, entre granules d'amidon et matrice protéique, induite par la présence des puroindolines et montrent l'effet significatif de celles-ci sur le comportement à la fragmentation. Ces modifications de comportement mécanique peuvent être étudiées par des mesures AFM nano-mécaniques. Pour compléter des travaux antérieurs ayant permis la mesure des propriétés de l'amidon et du gluten, une méthode basée sur des mesures AFM en mode résonance de contact (CR-AFM) a été développée. Celle-ci permet de cartographier les propriétés directement à l'intérieur des granules d’amidon et prend en compte à travers un modèle théorique les variations importantes de topographie observées dans les sections de grains. Ces études CR-AFM de l'albumen ont ensuite porté sur les propriétés mécaniques des granules d'amidon d'origines botaniques différentes (céréales et légumineuses).Enfin, le rôle de la distribution bimodale en taille des granules d'amidon sur la fragmentation de l'albumen a été précisé à partir d’une étude numérique paramétrique détaillée. Les propriétés mécaniques élastiques et à la rupture ont été analysées en détail, ainsi que le rôle dominant de la ténacité des granules et de l'adhérence à l'interface sur l’endommagement de l’amidon. / The wheat grain is a natural composite material of worldwide importance. The major part of the grain is the starchy endosperm. To obtain food products, such as flour, the endosperm’s compact structure needs to be disintegrated, which is achieved by milling the grains under high forces. The quantity and quality of the milling products notably depend on the fragmentation behaviour of the endosperm.Due to the endosperm’s composite nature, this behaviour depends strongly on the mechanical properties of its components and their interaction. The main components of the endosperm are carbohydrates and proteins. The carbohydrates are deposited as starch in the form of granules of micro-meter size, whereas proteins form a network (gluten), which surrounds the starch granules. The interactions between starch and proteins is believed to be influenced by certain non-gluten proteins (puroindolines), whose presence and allelic state are genetically controlled. If puroindoline genes are present in the wild-type form, grain hardness is low, which have been related to low starch-protein adhesion. The complete absence of puroindolines in the durum wheat species leads to very high grain hardness and indicates a strong adhesion.The aim of this thesis was to investigate the biomechanics of wheat grain fractionation with a focus on the role of the starch granules therein, which was pursued with a multi-disciplinary approach. Different size scales were considered, from the micro meter-sized structures of starch and protein, the complexity of their arrangement in the endosperm, up to the millimeter-sized grains. In this work, grain-scale milling experiments were combined with nano-mechanical measurements by atomic force microscopy (AFM) and numerical simulations.The milling behaviour of a transgenic durum wheat line, which contained puroindoline genes, was determined by grain scale milling experiments and compared to the milling behavior of non-modified durum wheat. A significant change of milling behavior of the transformed durum wheat grains was observed in terms of milling energy, flour yield and starch damage, which was solely attributable to the presence of puroindolines. The observed changes were consistent with the hypothesis of a lower adhesion between starch granules and protein matrix due to the presence of puroindolines and confirmed the significant effect of puroindolines on the fragmentation behaviour, independent of the grain’s genetic background.The change of fragmentation behaviour is a result of modifications of the mechanical properties of the endosperm’s components and/ or their interaction. Such modifications can be investigated by AFM nano-mechanical measurements. Based on previous work illuminating the global nano-mechanical properties of starch and gluten, contact-resonance AFM (CR-AFM) was applied to obtain maps of the nano-mechanical properties inside the grains. Due to the high topography variations of grain section surfaces and the non-trivial correlation between surface slope and contact resonance-frequency, which hindered a straight-forward interpretation of CR-AFM measurements, a practical method based on existing analytical models of the cantilever vibration was developed to correct the measurements. CR-AFM studies of the endosperm were then focused specifically on the mechanical properties of starch granules and the link to starch structure, and applied to the study of starches from wheat in comparison to plants from different botanical origin (other cereals and legumes).Finally, the role of starch granules, their size distribution, and mechanical properties on endosperm fragmentation was analysed by parametric numerical studies. The influence of the bi-modal size distribution of granules on the mesoscale mechanical properties was shown, as well as the governing role of granule toughness and interface adhesion on the granule damage.

Les milieux granulaires, dans leur état dense, se présentent sous la forme deux régimes, un régime « solide » qui représente un état bloqué des particules et un régime fluide. La première partie de ce travail porte sur le régime fluide du milieu granulaire. Dans un premier temps, le modèle de rhéologie non-locale y est présenté et discuté au regard des modèles proposés dans la communauté. Afin de tester le modèle sur un système réel, nous présentons une expérience d’avalanche dans un canal étroit, dans lequel l’état de contrainte est hétérogène et permet ainsi de faire coexister les deux régimes. L’ajustement du modèle pose la question de la définition des conditions aux limites. Nous présentons alors une étude numérique par simulation de dynamique moléculaire en plan incliné afin d’ajuster le modèle et mesurer la condition à la surface libre. La seconde partie de la thèse porte sur le régime bloqué du milieu granulaire et plus précisément sur la mesure des modules élastiques proche de la transition. A la limite de rigidité du matériau, les propriétés élastiques disparaissent mais le module élastique en cisaillement s’annule plus vite que le module en compression. Ainsi, nous présentons une étude de propagation d’ondes acoustiques en compression permettant de mesurer les modules élastiques à des pressions de confinement évanescentes, au moyen de vols paraboliques. Nous proposons un modèle de contact inter-particulaire permettant d’expliquer la dépendance du module élastique à la pression et ainsi d’appréhender les différentes lois d’échelles évoquées dans la littérature. Enfin, nous présentons des résultats préliminaires portant sur la propagation d’ondes de cisaillement. / In their dense state, granular media can either flow like fluids or behave like solids, when they are jammed. The first part of this thesis deals with the flowing regime. We begin by presenting the non-local rheology and discuss this model with respect to the other ones proposed in the community. In order to probe this model, we perform experimental measurements of the velocity profile in an avalanche flow in a narrow channel. This setup allows to observe both the fluid regime and the creep of the supposedly jammed region, in the depth of the channel. We probe the non-local model on the experimental results. The fit of the theory raises the question of the definition of the boundary conditions on such system. We therefore perform molecular dynamic simulations on an incline plane setup in order to fit the non-local model and measure the free surface boundary condition.The second part of this thesis investigates the elastic properties of jammed granular media weakly confined. Near the rigidity (jamming) transition of the medium, elastic moduli decrease and exhibit different scaling laws in their dependence on the confining pressure. We therefore perform acoustic measurements of compression waves at vanishing pressures, by the mean of parabolic flights. We then revisit the model of inter-particle contacts. This enables to predict the elastic behavior of the medium over a wide range of pressures: from evanescent to high pressures, at which the prediction from the mean field approach using the Hertz contact model has been shown to be valid. Last, we present preliminary results of shear wave propagations.