L'objectif principal de ce travail de thèse est d'établir un modèle, s'appuyant sur l'homogénéisation, permettant la prédiction du comportement mécanique de matériaux composites viscoélastiques non linéaires. L'approche est appliquée à un polypropylène renforcé de billes de verre réparties aléatoirement. La première partie du document est consacrée à l'écriture et l'identification d'une loi de comportement viscoélastique non linéaire pouvant être appliquée au polypropylène. La deuxième partie traite de l'établissement du modèle ainsi que de son implémentation numérique. Le modèle d'homogénéisation est développé au troisième chapitre. L'approche proposée permet de transposer certains modèles existants pour des matériaux ne dépendant pas de l'histoire de chargement à des comportements viscoélastiques non linéaires. La méthodologie permet donc de ramener le problème viscoélastique non linéaire à un problème viscoélastique linéaire à histoire de déformations libres. Ce nouveau problème est résolu à l'aide du principe de correspondance viscoélastique linéaire et des transformées de Laplace-Carson. Le quatrième chapitre est dédié à l'implémentation numérique du modèle. On insiste notamment sur le fait que le matériau viscoélastique linéaire de comparaison rencontre les exigences de la thermodynamique des milieux continus. De plus, nous proposons un algorithme conduisant à une inversion précise des transformées de Laplace-Carson. Finalement, la dernière partie de la thèse est consacrée à la validation des modèles proposés. Des modèles éléments finis de la microstructure et l'implémentation de la loi de comportement viscoélastique non linéaire sont réalisés au chapitre cinq. Ce chapitre présente aussi la comparaison, pour des chargements de traction, entre les simulations issues du modèle d'homogénéisation, des éléments finis ainsi que des résultats expérimentaux

DANS MON TRAVAIL DE THESE JE M'INTERESSE A LA MODELISATION GEOMETRIQUE, MECANIQUE ET NUMERIQUE DU MYOCARDE. LA PARTIE GEOMETRIQUE CONSISTE A VERIFIER UNE CONJECTURE SELON LAQUELLE LES FIBRES MYOCARDIQUES COURENT COMME DES GEODESIQUES SUR DES SURFACES EMBOITEES. POUR CELA, LES TRAJECTOIRES ET LES SURFACES DE FIBRES ONT ETE IDENTIFIEES. DANS LA PARTIE MECANIQUE, NOUS AVONS ETABLI UNE NOUVELLE LOI DE COMPORTEMENT MACROSCOPIQUE DU MYOCARDE PAR UNE TECHNIQUE D'HOMOGENEISATION DISCRETE A PARTIR DE LA DESCRIPTION MICROSCOPIQUE DE L'ARRANGEMENT DES CELLULES CARDIAQUES ET DE LEUR COMPORTEMENT MECANIQUE INDIVIDUEL. CETTE LOI DE COMPORTEMENT PREND EN COMPTE LA STRUCTURE FIBREUSE. DE PLUS, NOUS AVONS APPLIQUE NOTRE METHODE D'HOMOGENEISATION AUX NANOTUBES DE CARBONE.

This work focuses on a new beta metastable titanium alloy, Ti-5553, for aeronautical applications. The goals of this study are the characterization of the two phases (alpha and beta) of this titanium alloy and the numerical modeling of representative cells of this material, which will be used to determine the appropriate microstructure. This thesis is divided into several parts. First, the numerical tools necessary to characterize this alloy and to model representative cells using the periodic homogenization theory will be presented. Secondly, the body-centered cubic beta phase will be identied. Then, the third part will concentrate on the characterization of the hexagonal close-packed alpha phase. Finally, the last part of this thesis will focus on choosing and modeling representative cells containing the phases identfied in the previous parts. The experimental tensile tests performed at different strain rates have demonstrated the necessity of using an elastic-viscous-plastic constitutive law. Guided by macroscopic (tensile and simple shear) experiments, a microscopic plasticity-based constitutive law was chosen to characterize this alloy instead of a macroscopic Norton-Hoff's constitutive one. It will be shown that the beta phase can be fully maintained in macroscopic samples at room temperature, making the characterization of the material behavior of this phase possible from macroscopic experiments. The optimized set of parameters was validated on nanoindentation tests performed in different beta grain orientations. In addition, a sensitivity analysis of several parameters from nanoindentation tests was performed and shows the importance of accurately defining some parameters, such as the exact shape of the indenter, and the negligible influence of other parameters, such as Poisson's ratio. From this study of experimental and numerical nanoindentation tests, it also appears that the orientation of the beta grain indented hardly affects the nanoindentation results. The characterization of the alpha phase was performed using nanoindentation experimental tests available for different grain orientations. This choice was influenced by the impossibility of maintaining only an alpha phase in a macroscopic Ti-5553 sample at room temperature and by the failure to represent the phase accurately from macroscopic (alpha+beta) samples. The material characterization of this phase is complex and difficulties occur when the behavior of this phase has to be characterized for different orientations by only one set of parameters. Finally, experimental microstructures were chosen and their simplied corresponding representative cells were meshed. Numerical simulations of these representative cells were performed and the influence of several parameters will be studied, such as the effect of the appearance of the alpha phase in the beta matrix and the effect of the shape of the alpha phase on the behavior of the cell.

Cette thèse a porté sur l'étude d'une classe de matériaux cellulaires, les micro nids d'abeille, destinés à combiner des propriétés mécaniques et acoustiques afin d'être employés comme absorbants acoustiques dans les tuyères des turbomachines. Les bonnes qualités d'absorption acoustique prédites par les modèles théoriques ont tout d'abord été vérifiées expérimentalement. Le travail s'est ensuite porté sur la modélisation des propriétés élastiques de ces structures. Pour ce faire une approche par milieu équivalent a été retenue et, de manière à tenir compte des effets d'échelle présents dans la structure, un milieu de substitution du type " élasticité du second gradient " a été choisi. Pour cela une méthode de construction par homogénéisation des opérateurs de cette loi de comportement a était introduite. Devant l'absence de résultats concernant les classes d'anisotropie des opérateurs d'élasticité du<br />second ordre, une étude détaillée de ce point a conduit à l'identification des matrices à implémenter dans un code éléments finis. Les opérateurs du second ordre construits par homogénéisation ont pu ensuite être comparés à leurs formes théoriques. Ceci nous a permis de montrer que vis-à-vis du comportement de matériaux nida les effets du second ordre sont, dans certain cas, d'un ordre de grandeur comparable à ceux de l'élasticité classique. Les méthodes mises en place pour l'étude théorique des symétries des opérateurs d'élasticité sont généralisables à toutes lois de comportement linéaire.

Les enjeux de réduction des consommations d’énergie, d’estimation de la durabilité ainsi que l’évolution des pratiques constructives et réglementaires génèrent une augmentation significative du niveau de détail exigé dans la simulation des phénomènes physiques du Génie Civil pour une prédiction fiable du comportement des ouvrages. Le bâtiment est le siège de phénomènes couplés multi-échelles, entre le microscopique (voire le nanoscopique) et le macroscopique, impliquant des études de couplages complexes entre matériaux, à l’instar des phénomènes de sorption-désorption qui influent sur la résistance mécanique, les transferts de masse, la conductivité, le stockage d’énergie ou la durabilité d’un ouvrage. Les méthodes numériques appliquées permettent de résoudre certains de ces problèmes en ayant recours aux techniques de calcul multi-grilles, de couplage multi-échelles ou de parallélisation massive afin de réduire substantiellement les temps de calcul. Dans le présent travail, qui traite de plusieurs simulations ayant trait à la physique du bâtiment, nous nous intéressons à la pertinence d’utilisation de la méthode "Lattice Boltzmann". Il s’agit d’une méthode numérique construite sur une grille – d’où l’appellation de lattice – dite "mésoscopique" qui, à partir d’un raisonnement de thermodynamique statistique sur le comportement d’un groupes de particules microscopiques de fluide, permet d’obtenir une extrapolation consistante vers son comportement macroscopique. Après une étude les avantages comparés de la méthode et sur le comportement oscillatoire qu'elle exhibe dans certaines configurations, on présente :- une application au calcul des propriétés diffusives homogénéisée des matériaux cimentaires en cours d'hydratation, par résolution sur le cluster du LMT.- une application à l'énergétique du bâtiment avec la comportement d'une paroi solaire dynamique, dont le calcul a été porté sur carte graphique afin d'en évaluer le potentiel. / Reducing building energy consumption and estimating the durability of structures are ongoing challenges in the current regulatory framework and construction practice. They suppose a significant increase of the level of detail for simulating the physical phenomena of Civil Engineering to achieve a reliable prediction of structures.Building is the centre of multi-scale, coupled phenomena ranging from the micro (or even nano) to the macro-scale, thus implying complex couplings between materials such as sorption-desorption process which influences the intrinsic properties of matter such as mechanical resistance, mass transfer, thermal conductivity, energy storage or durability.Applied numerical methods allow for the resolution of some of these problems by using multi-grid computing, multi-scale coupling or massive parallelisation in order to substantially reduce the computing time.The present work is intended to evaluate the suitability of the “lattice Boltzmann method” applied to several applications in building physics. This numerical method, said to be “mesoscopic”, starts from the thermodynamic statistical behaviour of a group of fluid particles, mimicking the macroscopic behaviour thanks to a consistent extrapolation across the scales.After having studied the comparative advantages of the method and the oscillatory behaviour it displays under some circumstances, we present - An application to the diffusive properties of cementitious materials during hydration via numerical homogenization and cluster-computing numerical campaign - An application to building energy with the modeling of a solar active wall in forced convection simulated on a graphical processing unit.

Les modèles numériques présents dans les salles de chirurgie requièrent simultanément une précision millimétrique, une vitesse de résolution importante, tout en prenant en compte la variabilité inter-patient. Dans l’étude proposée, nous développons un modèle numérique du foie, intégrant des lois de comportement hyper-élastiques ainsi que l’impact mécanique de la vascularisation. Une fois constitué, le modèle est traité par des outils mathématiques de réduction de modèles et d’apprentissage afin de fournir une réponse en temps réel. Pour cela, des données mécaniques sont extraites d’indentations numériques puis homogénéisées, pour construire un modèle numérique intégrant l’impact de la vascularisation. Une fois validé sur un échantillon réel les déformations simulées sont utilisées par une méthode d’apprentissage pour construire une réponse fonctionnelle. Une fois intégrée dans un outil chirurgical, ce dernier permet de fournir une réponse en temps réel des déformations du foie. / Numerical models used for surgical application require simultaneously a precision close to the millimeter, high speed resolution and to account for the patient variabilities. In the present study, we develop a numerical model of the liver, which relies on hyper-elastic mechanical behavior completed with the vascularization impact on the macroscopic level. Once completed and implemented, the model is treated with model reduction and learning tools in order to provide a real-time response. Mechanical properties are extracted from numerical indentations and homogeneised to build a model accounting for the impact of the vascularization. Once validated on a real sample, simulated deformations are used as input to a learning solution to build a functional solution. Finally, the function is integrated in a surgical tool, to provide a quick and precise representation of the liver deformations.

Ce manuscrit présente des récentes extensions au modèle PFVD, basé sur l'hétérogénéité de la dynamique des polymères vitreux à l'échelle de quelques nanomètres et résolu par simulation en 3D, afin de fournir une description physique unifiée des propriétés mécaniques et dynamiques des polymères vitreux soumis à déformation plastique. Trois sujets principaux sont traités : La plastification. Sous déformation, les polymères atteignent le seuil de plasticité (yield) à quelques pourcents de déformation et quelques dizaines de MPa. Nous proposons que l'énergie élastique absorbée à l'échelle des hétérogénéités dynamiques accélère la dynamique locale. On observe contraintes ultimes de quelques dizaines de MPa à quelques pourcents de déformation et que la plastification est due à un nombre relativement petit d'événements locaux. Il a été observé que la dynamique devient plus rapide et homogène dans le régime plastique et que la mobilité moyenne atteint une valeur stationnaire, linéaire avec le taux de déformation. Nous proposons que la contrainte locale stimule la diffusion de monomères des domaines lents à ceux rapides (mécanisme de facilitation) et accélère dynamique locale. Ceci permets d'observer l'homogénéisation de la dynamique, avec des caractéristiques proches de l'expérience. L'écrouissage, dans les polymères enchevêtrés ou réticulés. A grande déformation, la contrainte augmente avec une pente caractéristique d'ordre 10 – 100 MPa au-dessous de la transition vitreuse. De manière analogue à une théorie récente, nous proposons que la déformation locale oriente les monomères dans la direction d'étirage et ralentie la dynamique, suite à l'intensification des interactions locales. Les modules d'écrouissage mesurés, les effets de la réticulation et du taux de déformation sont comparables aux données expérimentales. En outre, on trouve que l'écrouissage a un effet stabilisateur sur les phénomènes de localisation et sur les bandes de cisaillement / This manuscript presents recent extensions to the PFVD model, based on the heterogeneity of theh dynamics of glassy polymers at the scale of a few nanometers et solved by 3D numerical simulation, which aim at providing a unified physical description of the mechanical and dynamical properties of glassy polymers during plastic deformation. Three main topics are treated: Plasticization. Under applied deformation, polymers undergo yield at strains of a few percent and stresses of some 10 MPa.We propose that the elastic energy stored at the scale of dynamical heterogeneities accelerates local dynamics. We observe yield stresses of a few 10 MPa are obtained at a few percent of deformation and that plastification is due to a relatively small amount of local yields. It has been observed that dynamics becomes faster and more homogeneous close to yield and that the average mobility attains a stationary value, linear with the strain rate. We propose that stress-induced acceleration of the dynamics enhances the diffusion of monomers from slow domains to fast ones (facilitation mechanism), accelerating local dynamics. This allows for obtaining the homogeneisation of the dynamics, with the same features observed during experiments. Strain-hardening, in highly entangled and cross-linked polymers. At large strain, stress increases with increasing strain, with a characteristic slope (hardening modulus) of order 10 – 100 MPa well below the glass transition. Analogously to a recent theory, we propose that local deformation orients monomers in the drawing direction and slows dows the dynamics, as a consequence of the intensification of local interactions. The hardening moduli mesured, the effect of reticulation and of strain rate are comparable with experimental data. In addition, strain-hardening is found to have a stabilizing effect over strain localization and shear banding

Les matériaux granulaires présentent une large gamme de lois de comportement lorsqu'ils sont soumis à différents chemins de chargement. Le développement de modèles constitutifs permettant de rendre compte de ces caractéristiques a été une préoccupation constante de nombreux chercheurs depuis des décennies. Parmi les différentes options possibles, les approches par changement d’échelle semblent prometteuses. Dans ces approches, le modèle constitutif est formulé en reliant les propriétés macroscopiques du matériau aux propriétés micro-structurelles correspondantes.Cette thèse propose un modèle micromécanique tridimensionnel (le modèle H-3D) prenant en compte une échelle intermédiaire (méso-échelle). Il permet ainsi de décrire de manière naturelle un grand nombre de caractéristiques constitutives des matériaux granulaires non cohésifs. La comparaison entre essais expérimentaux et simulations numériques révèle la capacité prédictive de ce modèle. En particulier, des simulations réalisées avec différentes pressions de confinement et différents rapports de vide initiaux ont permis de démontrer la capacité du modèle à rendre compte quantitativement de l'état critique sans nécessiter d’équation spécifique et de paramètre d'état critique. Le modèle est également analysé à l’échelle microscopique, où l'évolution de certains paramètres microscopiques clés est présentée.Une approche multi-échelle 3D est ensuite présentée afin d’étudier le comportement mécanique d'un échantillon macroscopique constitué d'un assemblage granulaire, en tant que problème aux conditions limites. Le cœur de cette approche est un couplage multi-échelle, où la méthode des éléments finis est utilisée pour résoudre le problème aux conditions limites et le modèle H-3D est utilisé pour calculer la loi de comportement à l’échelle d’un volume élémentaire représentatif. Cette approche fournit un moyen pratique de relier les observations macroscopiques avec les mécanismes microscopiques intrinsèques. Des conditions de chargement biaxiaux en déformations planes sont appliquées pour simuler le phénomène de localisation des déformations. Une série de tests est effectuée, où différents motifs de rupture sont observés et analysés. Un système de bande de cisaillement apparaît naturellement dans un spécimen initialement homogène. En définissant la zone de la bande de cisaillement, les mécanismes microstructuraux sont étudiés séparément à l'intérieur et à l'extérieur de celle-ci. En outre, une analyse directionnelle de travail du second ordre est effectuée en appliquant des petits incréments de contrainte à différents états de contrainte-déformation sur des chemins de chargement biaxiaux drainés. Le travail de second ordre normalisé, introduit comme un indicateur d’instabilité du système, est analysé non seulement à l’échelle macroscopique mais aussi à l’échelle microscopique.Enfin, une analyse du travail de second ordre appliquée à des problèmes géotechniques et utilisant l'approche multi-échelle développée dans cette thèse est présentée. L'approche multi-échelle est utilisée afin de simuler des problèmes aux conditions limites homogènes et non homogènes, offrant ainsi la possibilité d’interpréter et de comprendre les micro-mécanismes qui à l’origine des phénomènes de rupture dans les problèmes géotechniques. Cette approche multi-échelle utilise un schéma numérique d’intégration dynamique-explicite afin de pouvoir étudier la rupture post-pic sans avoir à recourir à des outils mathématiques trop sophistiqués. Ainsi, en changeant le type de condition de chargement de déplacement à contrainte lorsque le système atteint son état limite, son effondrement se traduit par une augmentation soudaine de l'énergie cinétique découlant de la différence entre les travaux internes et externes du second ordre. / Granular materials exhibit a wide spectrum of constitutive features when submitted under various loading paths. Developing constitutive models which succeed in accounting for these features has been challenged by scientists for decades. A promising direction for achieving this can be the multi-scale approach. Through this approach, the constitutive model is formulated by relating material’s macroscopic properties to their corresponding microstructure properties.This thesis proposes a three-dimensional micro-mechanical model (the so-called 3D-H model) taking into account an intermediate scale (meso-scale) which makes it possible to describe a variety of constitutive features in a natural way. The comparison between experimental tests and numerical simulations reveals the predictive capability of this model. Particularly, several simulations are carried out with different confining pressures and initial void ratios, based on the fact that the critical state is quantitatively described without requiring any critical state formulations and parameter. The model is also analyzed from a microscopic view, wherein the evolution of some key microscopic parameters is investigated.Then, a 3D multi-scale approach is presented to investigate the mechanical behavior of a macroscopic specimen consisting of a granular assembly, as a boundary value problem. The core of this approach is a multiscale coupling, wherein the finite element method is used to solve a boundary value problem and the 3D-H model is employed to build the micro constitutive relationship used at a representative volume element scale. This approach provides a convenient way to link the macroscopic observations with intrinsic microscopic mechanisms. Plane-strain biaxial loading conditions are selected to simulate the occurrence of strain localization. A series of tests are performed, wherein distinct failure patterns are observed and analyzed. A system of shear band naturally appears in a homogeneous setting specimen. By defining the shear band area, microstructural mechanisms are separately investigated inside and outside the shear band. Moreover, a second-order work directional analysis is performed by applying strain probes at different stress-strain states along drained biaxial loading paths. The normalized second order work introduced as an indicator of an unstable trend of the system is analyzed not only on the macroscale but also on the microscale.Finally, a second order work analysis in application to geotechnical problems by using the aforementioned multiscale approach is presented. The multiscale approach is used to simulate a homogeneous and a non-homogeneous BVP, opening a road to interpret and understand the micro mechanisms hiding behind the occurrence of failure in geotechnical issues. This multiscale approach utilizes an explicit-dynamic integral method so that the post-peak failure can be investigated without requiring over-sophisticated mathematical ingredients. Thus, by switching the loading method from a strain control to a stress control at the limit state, the collapse of the system can be reflected in an abrupt increase of kinetic energy, stemming from the difference between both internal and external second-order works.

Dans la premiere partie de cette these, on a etudie l'impact sur les prix d'options des erreurs d'estimation de volatilite. Dans les modeles de diffusion utilises ennance, un coefficient de diffusion fonctinnelle (:; :) modelise la volatilite d'un actif financier. Ce coefficient est estime a partir d'observations donc entache d'erreurs statistiques. L'objectif est de voir l'impact de ces erreurs sur le calcul de prix d'options, qui sont solutions d'EDP paraboliques dont l'estimateur (:; :) est le coefficient de diffusion. Cela debouche sur un probleme de passage a la limite (homogeneisation) dans des equations paraboliques a coefficients aleatoires. Dans ce travail on a obtenu des estimations de la vitesse de convergence locale sur la solution d'une EDP parabolique a coefficients aleatoire, lorsque le coefficient de diffusion est un champ aleatoire convergeant vers une fonction limite. Ce resultat permet d'etudier l'im- pact sur les prix d'options des erreurs d'estimation de volatilite dans differents cas degures. Cette methode est appliquee pour evaluer l'incertitude sur les options a barrieres dans un modele de diffusion lorsqu'on reconstitue la volatilite par la formule de Dupire a partir des donnees discretes sur les prix d'options. La deuxieme partie de cette these concerne l'etude de problemes inverses pour certaine classe d'equations d'evolution integro-differentielles survenant dans l'etude des modeles d'evaluation bases sur les processus de Levy. On a etudie une approche de ces problemes inverses par regularisation de Tikhonov. Cette approche permet de reconstruire de facon stable les parametres d'un modele markovien avec sauts a partir de l'observation d'un nombre ni d'options. Le chapitre 4 pose les bases theoriques de cette approche et propose une parametrisation des mesures de Levy par la racine carree de la densite, ce qui permet de ramener le probleme dans un cadre hilbertien. La regularisation de Tikhonov proposee consiste a minimiser l'ecart quadratique par rapport aux prix observ es plus une norme hilbertienne des parametres. Des resultats d'existence, de stabilite et de convergence de la solution du probleme regularise sont alors obtenus sous de hypotheses assez generales ; des hypotheses supplementaires (conditions de source) permettent d'obtenir une estimation de la vitesse de convergence. Le choix du parametre de regularisation, sujet delicat, fait l'objet d'une discussion detaillee. Le chapitre 5 propose un algorithme numerique pour le calcul de la solution du probleme regularise et l'etude du performance de cet algorithme dans differents modeles avec sauts. L'algorithme est base sur l'emploi d'un algorithme de gradient pour la minimisation de la fonctionnelle regularisee : le gradient est calcule en resolvant une equation integrodifferentielle avec terme source (equation adjointe). Ce travail generalise ceux de Lagnado&Osher, Crepey et Egger & Engl au cas des equations integrodifferentielles. Les tests numeriques montrent que cet algorithme permet de construire de facon stable un processus de Levy calibre a un ensemble de

Ce mémoire présente des travaux de thèse consacrés à la caractérisation et la modélisation des hétérogénéités spatio-temporelles dans les écoulements granulaires cisaillés entre deux parois rigides. De nombreuses simulations ont permis de révéler le rôle crucial des dimensions de l’écoulement et l’influence des interactions des grains avec les parois (avec leur rugosité) sur le comportement global. Pour des systèmes allant jusqu'à une épaisseur de cent diamètres, des profils de vitesse non homogènes ont été mis en évidence, alors que la contrainte cisaillante est constante dans le volume, mettant en défaut le modèle viscoplastique au sein de l’écoulement. Pour réconcilier ces deux observations, nous avons enrichi le modèle viscoplastique en reliant la viscosité à une variable interne qui porte la perturbation due à la présence des parois. Cette nouvelle formulation de la viscosité permet de rétablir la validité d'une loi de comportement locale prenant en compte simultanément l’épaisseur de l’écoulement, la rugosité des parois et le nombre inertiel.Cette dépendance de la viscosité à une variable interne liée à la connectivité des grains ou à leur agitation à compacité fixée, suggère que, d’une manière générale,les écoulements granulaires doivent être décrits en termes d’au moins trois paramètres en fonction du nombre inertiel : le coefficient de frottement, la compacité et la connectivité. / This PhD work is devoted to the description and modeling of spatiotemporal inhomogeneities in granular flows sheared between two rigid walls. Our extensive simulations reveal the crucial role played by flow dimensions and the interactions of the grains with the walls and their roughness. For granular systems with increasingly larger thickness, non uniform strain profiles are evidenced while the shear stress remains uniform. This observation contradicts the common viscoelastic approach based on inertial number in the bulk of the flow. In order to reconcile these observations, we propose a viscoplastic model by a introducing an internal variable carrying the wall-induced perturbations of the flow. This re-formulation of granular viscosity reaffirms the local rheology by accounting for flow thickness, wall routines and inertialeffects. The well-defined dependence of the viscosity on an internal variable pertaining to grain connectivity or kinematic randomness at constant packing fraction, suggests that granular flows should be described by at least three parameters as a function of the inertial number:friction coefficient, packing fraction and connectivity.