Le squat est un défaut de fatigue de contact apparaissant à la surface du rail et dont le mécanisme d’amorçage est mal compris. Afin de pallier ce manque, une analyse tribologique locale de la bande de roulement du rail est mise en oeuvre à proximité d’un squat naissant. Cette caractérisation révèle une anisotropie importante des couches superficielles du rail associée aux développements de Transformations Tribologiques Superficielles. Ces résultats témoignent de conditions de contact roue/rail particulières dans la zone d’étude, notamment d’un niveau d’efforts de cisaillement inhabituel pour une voie en alignement. Dans le but de valider ces observations, plusieurs essais sont effectués. D’une part les conditions de contact roue/rail dans une zone de squats sont mesurées à partir d’un train instrumenté. D’autre part, la réponse tribologique de l’acier à rail à ces conditions de contact est étudiée à travers le suivi régulier d’une zone d’essais soumise à la circulation ferroviaire. Ces essais permettent d’identifier un déséquilibre important des efforts de traction sur les bogies moteurs et des glissements locaux élevés de la roue sur le rail. Différents mécanismes d’amorçage thermo-mécaniques sont alors proposés au sein d’un schéma global de la réponse tribologique de l’acier à rail. / Squats have recently become recognised as one of the major rolling contact fatigue defects in modern railway networks for which there is currently no solution other than preventive grinding operations or costly rail renewal. To better understand the entire damage mechanism of squat, A tribological and metallurgical analysis of the rolling band and the near surface layer was performed close to an incipient squat. This characterization show a significant anisotropy of the rail surface layer associated with developments of Tribological Transformation of Surface. These results reflect some specific wheel/rail contact conditions in this squat area, including an unusual level of shear forces in a straight track. In order to validate this observations, two tests were performed. On the one hand, the contact conditions in a squat area were measured from an instrumented train. On the other hand, the tribological response of the rail steel was studied through regular monitoring of a test site subjected to railway traffic. These tests allow to identify a high imbalance of the traction forces and the presence of local slips at the wheel/rail interface. Several thermomechanical initiation mechanism of squats are then given in a overall diagram of the tribological response of rail steels.

La tenue des surfaces des contacts rugueux roulants est un problème crucial l’évaluation de la durée de vie des mécanismes. Cette durée de vie est conditionnée dès les premiers cycles par le rodage puis par les mécanismes de fatigue des surfaces. Le rodage est défini par le temps nécessaire à l’accommodation géométrique des surfaces rugueuses entre elles, à l’interface du contact. La charge transmise sur une faible aire de contact par rapport à l’aire apparente, crée des pressions importantes qui induisent de fortes contraintes en couche superficielle et des déformations plastiques de la microgéométrie. Cette plastification a lieu dans les tous premiers cycles puis la surface se stabilise, c’est le rodage. La répétition cyclique des sollicitations au cours du fonctionnement conduit enfin à l’endommagement du matériau et des avaries en surface telles que des micro-écailles. Après une étude bibliographique sur le contact roulant rugueux et les dispositifs expérimentaux existants, la difficulté de ce type d’analyse est mise en évidence. Elle consiste à effectuer un suivi en continu de l’évolution de l’état de surface du contact à une échelle suffisamment fine et précise. Une micromachine bi-disque a été développée afin de réaliser ce suivi quasi "in-situ" à l’échelle des rugosités permettant d’identifier les mécanismes de rodage et de dégradation. Un protocole expérimental précis permet de mesurer les surfaces antagonistes dans les premiers cycles correspondant au rodage. Les surfaces vierges mesurées sont utilisées comme paramètre d’entrée d’une simulation numérique du contact rugueux d’une sphère sur un plan. La déformée de surface numériquement obtenue à l’état stabilisé est comparée à celle mesurée expérimentalement à la fin du rodage. La très bonne superposition de ces résultats permet de valider cette méthode et les résultats numériques tels que les contraintes résiduelles et déformations plastiques. Les surfaces à l’état stabilisé obtenues, sont exploitées à travers différents critères de fatigue multiaxiaux. Les résultats numériques sont également comparés aux observations expérimentales pour déterminer le critère le plus adapté à cette analyse et permettant d’expliquer la formation de fissures et d’avaries de surfaces. / The surface life of rolling rough contacts is an important problem in the evaluation of the life expectancy of a machine. This life span is conditioned by the first cycles of the running-in process and then by the surface fatigue. The running-in period is defined by the time necessary for the rough surfaces to accommodate. The real area of contact is small compared with the apparent area, hence the load creates important pressures which lead to important stresses in the superficial layer and to plastic deformation of the microgeometry. The plastic deformation takes place over the first cycles then the surface stabilizes, this is the end of running-in process. The repeated cyclic loading finally leads to material damage below the surface and to surface micropitting. After a bibliographical study on the rough rolling contact and the existing experimental test machines, the difficulty of analysing the roughness evolution is pointed out. It requires a precise, continuous monitoring of the contact surface evolution on a small enough scale. A two-disk micro-machine was developed to perform this almost "in situ" monitoring at the roughnesses scale, allowing one to identify the mechanisms of running-in and surface degradation. An accurate experimental protocol allows one to measure the opposing surfaces in the first cycles corresponding to the running-in period. The initial surfaces are used as entrance parameters for a numerical simulation of the rough contact of a sphere on a plane. The deformed surface numerically obtained in the stabilized state is compared with the measured one at the end of the running-in period. The very good agreement between these results allows one to validate this method and the numerical results such as the residual stresses and the plastic deformation. Different multiaxial fatigue criteria are applied to the numerical results obtained in the stabilized state. The results are compared to the experimental observations to determine the criterion that is the most suited for this analysis and allows one to explain the crack formation and surfaces damage.

Ce travail de recherche vise à contribuer au développement de nouveaux outils d'estimation d'erreur globale et locale en ingénierie mécanique. Les estimateurs d'erreur globale étudiés reposent sur le concept d'erreur en relation de comportement à travers des techniques spécifiques de construction de champs admissibles, assurant l'aspect conservatif ou garanti de l'estimation. Une nouvelle méthode de construction de champs admissibles est mise en place et comparée à deux autres méthodes concurrentes, en matière de précision, coût de calcul et facilité d'implémentation dans les codes éléments finis. Une amélioration de cette nouvelle méthode hybride fondée sur une minimisation locale de l'énergie complémentaire est également proposée. Celle-ci conduit à l'introduction et à l'élaboration de critères géométriques et énergétiques judicieux, permettant un choix approprié des régions à sélectionner pour améliorer localement la qualité des champs admissibles. Dans le cadre des estimateurs d'erreur locale basés sur l'utilisation conjointe des outils d'extraction et des estimateurs d'erreur globale, deux nouvelles techniques d'encadrement de l'erreur en quantité d'intérêt sont proposées. Celles-ci sont basées sur le principe de Saint-Venant à travers l'emploi de propriétés spécifiques d'homothétie, afin d'améliorer la précision des bornes d'erreur locale obtenues à partir de la technique d'encadrement classique fondée sur l'inégalité de Cauchy-Schwarz. Les diverses études comparatives sont menées dans le cadre des problèmes d'élasticité linéaire en quasi-statique. Le comportement des différents estimateurs d'erreur est illustré et discuté sur des exemples numériques tirés d'applications industrielles. Les travaux réalisés constituent des éléments de réponse à la problématique de la vérification dans un contexte industriel.

L'évaluation des risques naturels et du risque sismique en particulier a pris une importance croissante pour les autorités publiques ces dernières années, entraînant une adaptation importante des outils utilisés jusqu'à présent dans l'étude de la vulnérabilité du bâti. Il est nécessaire de mieux évaluer ces risques afin de mieux y faire face. De nouvelles approches doivent être proposées pour répondre à ces objectifs dont les approches numériques font partie. Parmi les méthodes numériques développées pour tenir compte de la spécificité du bâti maçonné figurent les approches par éléments discrets comme la méthode NSCD (" Non Smooth Contact Dynamics "). Les travaux présentés dans cette thèse visent à mieux appréhender le comportement mécanique et dynamique des ouvrages maçonnés en utilisant ce type de méthode implémenté dans le code de calcul LMGC90, afin d'affiner la compréhension et la caractérisation de la vulnérabilité sismique des édifices en maçonnerie. La méthodologie que nous cherchons à mettre en place vise à traiter la vulnérabilité sismique de bâtiments spécifiques ou au contraire d'ensembles de bâtiments de même typologie.

La simulation numérique des systèmes multicorps en présence d'interactions complexes, dont le contact frottant, pose de nombreux défis, tant en terme de modélisation que de temps de calcul. Dans ce manuscrit de thèse, nous étudions deux familles de décomposition de domaine adaptées au formalisme de la dynamique non régulière des contacts (NSCD). Cette méthode d'intégration implicite en temps de l'évolution d'une collection de corps en interaction a pour caractéristique de prendre en compte le caractère discret et non régulier d'un tel milieu. Les techniques de décomposition de domaine classiques ne peuvent de ce fait être directement transposées. Deux méthodes de décomposition de domaine, proches des formalismes des méthodes de Schwarz et de complément de Schur sont présentées. Ces méthodes se révèlent être de puissants outils pour la parallélisation en mémoire distribuée des simulations granulaires 2D et 3D sur un centre de calcul haute performance. Le comportement de structure des milieux granulaires denses est de plus exploité afin de propager rapidement l'information sur l'ensemble des sous domaines via un schéma semi-implicite d'intégration en temps.

Ce travail porte sur l'identification de modèles de zones cohésives. Ces modèles, proposés initialement dans les années 60 sont maintenant intensivement utilisés dans les simulations numériques pour rendre compte de l'initiation et de la propagation de fissures pour différents matériaux et structures. L'identification de ces modèles reste encore aujourd'hui une problématique délicate. Les développements récents de techniques d'imagerie permettent d'accéder à des champs de mesures locales (e.g. déformation et température, ...). On se propose dans ce travail d'utiliser la richesse des informations issues de ces techniques d'imagerie pour mettre en place une procédure d'identification qui prenne en compte à la fois le développement de la localisation (effet de structure) mais aussi la nature des différentes irréversibilités mises en jeu (comportement thermomécanique). On s'intéresse à des comportements élasto-plastiques endommageables de matériaux ductiles. L'endommagement est associé à un comportement cohésif de l'interface entre les éléments volumiques supposés purement élasto-plastiques. La procédure d'identification comporte deux étapes. La première consiste à caractériser la forme et les paramètres de la loi cohésive sur des essais de traction standard à partir d'une analyse des champs mécaniques locaux. La seconde étape consiste à vérifier la cohérence thermo-mécanique du modèle identifié en confrontant les mesures calorimétriques déduites des champs de température aux les prévisions du modèle identifié. Cette méthode est appliquée avec succès sur différents matériaux ductile (acier Dual Phase et cuivre). Une attention particulière est portée sur la caractérisation de la longueur caractéristique associée aux modèles cohésifs. On montre que cette longueur peut-être corrélée à l'échelle d'identification des processus d'endommagement sousjacents. Ainsi les modèles cohésifs identifiés sont fournis au modélisateur avec l'échelle physique à laquelle ils résument l'endommagement volumique du matériau.

Notre but est de proposer un modèle mathématique d'un matériau composite aléatoirement renforcé de type TexSol (un mélange sable-fil). Pour cela nous effectuons une étude asymptotique variationnelle afin d'obtenir une structure homogène et déterministe rendant compte du comportement mécanique de ce matériau. La stratégie de modélisation consiste à découper (suivant une direction x3) un cube de TexSol en fines plaques d'épaisseur h(ε) dépendant d'un très petit paramètre ε << 1. Pour h(ε) assez petit, nous supposerons que dans chaque plaque les fibres sont verticales. Notre problème initial est alors décomposé en n modèles de type plaque donnant une formulation 2-dimensionnelle après passage à la limite. Le modèle obtenu est déterministe. Puis, en utilisant ce résultat pour chacune des plaques, on obtient ainsi une énergie discrète (suivant x3), somme des n énergies 2-dimensionnelles homogènes et déterministes. Nous reconstruisons alors une structure 3D par une intégration variationnelle en x3, i.e. en passant à la limite en n de manière variationnelle. L'énergie limite, homogène et déterministe ainsi obtenue est proposée comme un modèle du TexSol. Nos différents résultats sont validés par une étude numérique.

La dégradation géométrique de la voie ferrée sur les Lignes à Grande Vitesse (LGV) est un phénomène qui entraîne des coûts de maintenance importants pour assurer une qualité de circulation et de sécurité. Cette dégradation géométrique est imputable, en partie au tassement de la couche de ballast qui constitue l'une des parties de la voie ferrée. Le tassement du ballast est un phénomène difficile à estimer et à prédire car sa nature granulaire et ses caractéristiques particulières entraînent des variabilités de ses propriétés mécaniques. Ce travail de thèse est consacré à l'étude du comportement mécanique du ballast, pour le développement d'un modèle prédictif du tassement sur voie ferrée à partir de la caractérisation mécanique initiale du matériau (grâce à l'utilisation du pénétromètre léger Panda) et des sollicitations auxquelles la voie est soumise. Grâce à l'étude paramétrique développée sur un banc d'essais à échelle réelle, nous avons constitué et validé un modèle de prédiction qui est basé sur une loi de relaxation logarithmique. La modélisation numérique par éléments discrets en utilisant la méthode de la Dynamique des Contacts permet d'étudier les propriétés mécaniques du matériau ballast à l'échelle des grains. L'analyse des déformations transitoires montre une dépendance claire de la déformation moyenne par rapport à la contrainte appliquée et au rapport d'aspect en raison de l'action du frottement aux frontières. Les fluctuations de ces déformations, sont très importantes et semblent évoluer avec la déformation moyenne. Finalement, la pertinence de la caractérisation du ballast à partir de l'essai Panda a été vérifiée à partir d'une étude paramétrique sur les mécanismes d'enfoncement grâce à l'utilisation de cette approche numérique discrète.

On s'intéresse à la modélisation des matériaux granulaires composé d'agrégats non convexes et cohésifs en vue d'application à la rhéologie des poudres d'UO2 . L'influence du degré de non-convexité des particules est analysé en termes de grandeurs macroscopiques (frottement interne et cohésion de Coulomb) et de paramètres micro-mécaniques tels que l'anisotropie de la texture et la transmission des efforts. Il apparaît en particulier que la compacité évolue d'une manière complexe avec la non-convexité et que la résistance au cisaillement augmente mais sature sous l'effet d'imbrication entre agrégats. Des modèles simples sont introduits pour décrire ces comportements en termes de paramètres micro-mécaniques. De même, des études systématiques par cisaillement, compaction uniaxiale et compression simple montrent que la cohésion interne augmente avec la non-convexité mais est fortement contrôlée par les conditions aux limites et l'apparition de bandes de cisaillement ou de concentrations de contraintes.

Un modèle micromécanique est proposé pour une collection de zones cohésives insérées entre toutes les mailles d'une discrétisation de type éléments finis cohésifs-volumiques. Le principe de l'approche consiste à introduire un composite équivalent 'matrice-inclusions' comme une représentation de la discrétisation cohésive-volumique. Le modèle obtenu à l'aide de techniques d'homogénéisation (schéma de Hashin Shtrikman et approche de P. Ponte Castañeda) permet de décrire le comportement macroscopique élastique, fragile et ductile. Il est valable quel que soit le taux de triaxialité appliqué et la forme de la loi cohésive retenue, et permet de relier, d'une façon explicite, les propriétés macroscopiques du matériau aux différents paramètres cohésifs ainsi qu'à la densité de maillage. Un premier résultat est l'établissement d'un critère pratique permettant de définir les raideurs cohésives au regard de la souplesse additionnelle inhérente à l'utilisation des modèles de zones cohésives intrinsèques. L'extension du modèle au cas de la rupture fragile et ductile, permet d'obtenir d'autres critères pratiques pour calibrer les autres paramètres cohésifs (contrainte cohésive maximale, ouverture critique, énergie de fissuration, . . . ). L'utilisation couplée des critères obtenus permet une calibration inverse des paramètres de la loi cohésive en fonction des propriétés macroscopiques du matériau et de la taille de maillage. De fait il est possible de prédire un comportement homogène global indépendamment de la taille du maillage.