Ce projet aborde trois aspects de la conception géomécanique des fosses minières à l’aide d’un cas d’étude portant sur la fosse Tiriganiaq du projet minier Meliadine. Dans un premier temps, une méthodologie a été utilisée pour quantifier la fiabilité de la mesure de l’orientation des fractures lors de campagnes de caractérisation géomécanique à l’aide de forages orientés. L’impact du niveau de fiabilité de la mesure de l’orientation sur le résultat d’une analyse cinématique de la stabilité des flancs de la fosse a ensuite été investigué. Dans un second temps, une approche a été développée pour quantifier la contribution des campagnes d’acquisition successives de données structurales sur un site minier à la caractérisation de l’orientation des fractures. L’impact des campagnes successives sur le résultat d’une analyse cinématique de la stabilité des flancs de la fosse a ensuite été investigué. Dans un troisième temps, l’évaluation de la fiabilité des bancs miniers de la fosse par rapport à des critères de fiabilité a été réalisée au moyen d’un outil logiciel bonifié lors des travaux de recherche. Une approche multicritère systématique pour évaluer la fiabilité des bancs miniers à l’aide de cartes de susceptibilité a été proposée.

Cette recherche examine les possibilités d’optimisation économique et géotechnique des mines à ciel ouvert. Elle porte sur un cas d’étude : la fosse Portage de la mine Meadowbank, propriété exclusive d’Agnico-Eagle. Ce travail de recherche visait trois objectifs. En premier, la réalisation d’une campagne de caractérisation des murs de la fosse Portage. Cette caractérisation a permis de récolter des nouvelles données géotechniques qui ont été d’abord comparées avec les données existantes. Par la suite, ces nouvelles données ont permis de bonifier le modèle géotechnique existant de la fosse Portage. En second, le travail visait l’évaluation de la stabilité des murs de la fosse Portage selon la configuration suggérée par le plan minier 2011, en tenant compte des travaux de caractérisation exécutés par Agnico-Eagle en 2010 et ceux réalisés dans le cadre de cette recherche en 2011. Une approche intégrée a été utilisée pour analyser la stabilité des pentes de l’ensemble des fosses emboitées de la séquence planifiée d’exploitation. Enfin, cette étude visait l’élaboration des bases d’un outil d’aide à la décision qui repose sur l’optimisation économique et le potentiel d’instabilité des fosses. Cette approche a été utilisée pour la fosse Portage.

L'objectif de ce travail consiste à développer la méthode de résolution PGD (Proper Generalized Decomposition), qui est une méthode de réduction de modèle où la solution est recherchée sous forme séparée, à la résolution des équations de Navier-Stokes. Dans un premier temps, cette méthode est appliquée à la résolution d'équations modèles disposant d'une solution analytique. L' équation de diffusion stationnaire 2D et 3D, l'équation de diffusion instationnaire 2D et les équations de Burgers et Stokes sont traitées. Nous montrons que dans tous ces cas la méthode PGD permet de retrouver les solutions analytiques avec une précision équivalente au modèle standard. Nous mettons également en évidence la supériorité de la PGD par rapport au modèle standard en terme de temps de calcul. En effet, dans tous ces cas, laPGD se montre beaucoup plus rapide que le solveur standard (plusieurs dizaine de fois). La résolution des équations de Navier-Stokes isothermes et anisothermes est ensuite effectuée par une discrétisation volumes finis sur un maillage décalé où le couplage vitesse-pression a été géré à l'aide d'un schéma de prédiction-correction. Dans ce cas une décomposition PGD sur les variables d'espaces uniquement a été choisie. Pour les écoulements incompressibles 2D stationnaire ou instationnaire, de type cavité entrainée et/ou différentiellement chauffé, les résultats obtenus par résolution PGD sont similaires à ceux du solveur standard avec un gain de temps significatif (la PGD est une dizaine de fois plus rapide que le solveur standard). Enfin ce travail introduit une première approche de la résolution des équations de transferts par méthode PGD en formulation spectrale. Sur les différents problèmes traités, à savoir l'équation de diffusion stationnaire, l'équation de Darcy et les équations de Navier-Sokes, la PGD a montré une précision aussi bonne que le solveur standard. Un gain de temps a été observé pour le cas de l'équation de Poisson, par contre, concernant le problème de Darcy ou les équations de Navier-Stokes les performances de la PGD en terme de temps de calcul peuvent encore être améliorées.

Grâce à l'amélioration des performances des outils expérimentaux et numériques, la mécanique des matériaux peut explorer des échelles de plus en plus fines. Une meilleure compréhension, voire une prédiction, des phénomènes locaux mis en jeu est alors espérée. Cette thèse s'intéresse à la plus petite échelle impliquée dans le comportement mécanique des matériaux, c.-à-d. les interactions entre noyaux dues au comportement des électrons, et notamment des électrons de valence. L'originalité de ce travail est dans la mise en place des éléments finis comme outil numérique de résolution de ce problème. Cette approche largement utilisée dans le domaine de la mécanique des structures fournit de puissants outils numériques permettant de résoudre le problème électronique. Des modèles de Hartree-Fock et post-Hatree-Fock sont implémentés, et les caractéristiques mécaniques des structures électroniques sont estimées. Ces résultats reposent sur de nombreuses approximations dues aussi bien à la modélisation qu'aux approximations numériques. Des estimateurs d'erreur sont développés pour analyser les résultats.

L'objectif de cette thèse est, à la fois, d'identifier les conditions optimales d'application du martelage à haute fréquence et de pouvoir en prédire les effets sur le comportement en fatigue des assemblages soudés traités. Ce travail s'inscrit dans un projet qui vise, à terme, à proposer une démarche applicable industriellement pour augmenter les durées de vie garanties des structures soudées nouvelles et pour prolonger celles des structures existantes. La première partie de cette thèse présente les différents effets du martelage via des résultats issus de la bibliographie. En compléments, des essais expérimentaux sont effectués, desquels un certain nombre de recommandations ont été déduites. Une méthode dite indirecte est ensuite présentée en vue d'estimer, à l'aide de l'indentation instrumentée sphérique, les propriétés locales d'un assemblage soudé nécessaires à la modélisation du traitement. Deux méthodes numériques directes ont également été proposées. La première permet de simuler rapidement le traitement de martelage à haute fréquence, tandis que la seconde permet d'estimer la relaxation éventuelle des contraintes résiduelles générées par le traitement, sous un chargement en fatigue consécutif. La démarche proposée a été appliquée pour différentes conditions de traitement. La comparaison des résultats numériques entre eux permet d'évaluer l'importance des principaux paramètres et d'identifier certaines tendances. Enfin, les comparaisons complémentaires réalisées avec les résultats expérimentaux montrent une bonne concordance en vue de la validation de la démarche.

Ce travail de doctorat porte sur l'utilisation des mathématiques analytiques dans le cadre de méthodes inverses appliquées à l'industrie. Ces travaux tiennent au développement de capteurs inverses en temps réel adaptés au laminage industriel. Le producteur d'acier ArcelorMittal dirige un projet européen, qui vise à montrer la faisabilité de capteurs mesurant les champs (température, contraintes) dans le contact entre le produit et l'outil sans altérer les conditions de ce contact. Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein du laboratoire Navier et financés par l'école des Ponts ParisTech. Cependant un contrat sur trois ans signé avec ArcelorMittal a permis à l'auteur d'être partie prenante de ce projet européen, et ainsi de voir ses recherches concrétisées par une demande industrielle réelle. L'enjeu de cette thèse est double, académique et industriel. Académique en ce sens que les travaux cherchent à recenser et utiliser efficacement les méthodes de résolution analytiques existantes, pour des problèmes inverses en thermoélasticité, dans le cadre d'une métrologie en temps réel. Les problématiques propres, liées au caractère inverse des problèmes à traiter, pénalisent les méthodes de résolution numériques (FEM BEM), en ce sens que les problèmes inverses sont mal posés, et qu'une stabilisation des codes de calcul numériques est nécessaire mais souvent délicate si l'on considère les conditions extrêmes (champs très singuliers) appliquées aux outils industriels de laminage. Par ailleurs la métrologie en temps réel exclut l'utilisation de codes numériques trop coûteux en temps de calcul (méthodes itératives etc...). Ces deux aspects contribuent à renouveler assez largement l'intérêt pour les solutions analytiques. Ainsi des algorithmes numériques efficaces ont été développés sur la base de résolutions analytiques inverses. Il convient alors d'en regrouper (dans la mesure du possible) les méthodes les plus efficaces (en termes de précision et de temps de calcul notamment) et les plus adaptées pour la métrologie. Différents développements en séries élémentaires sont passés en revue, permettant non seulement de donner à une suite de points mesurés une forme analytique, mais également de simplifier les équations aux dérivées partielles à résoudre. D'autre part l'enjeu de cette thèse est également industriel, car ces travaux s'inscrivent dans une démarche de développement de capteurs adaptés à la mise en forme de l'acier par laminage. Ainsi l'étude de la robustesse au bruit de mesure, les contraintes technologiques liées à l'insertion des capteurs, les limitations en termes de fréquence d'acquisition et les problématiques de calibrage sont au coeur des développements. Ainsi, l'ensemble des travaux présentés, peut constituer une sorte de réhabilitation des méthodes analytiques comme base à des algorithmes numériques efficaces, dont la supériorité sur les codes de calculs usuels (en termes de temps de calcul et parfois aussi de précision) est mise en lumière, dans le contexte précis de la métrologie en temps réel sur des géométries simples. Trois méthodes inverses en deux dimensions, adaptées au laminage industriel, ont été menées à bien (élastique isotherme, thermique et couplage thermo-élastique), ainsi qu'une série d'applications expérimentales réalisées sur le laminoir de laboratoire d'ArcelorMittal. Par ailleurs, des extensions en trois dimensions des méthodes inverses élastiques et thermiques sont également détaillées.

Nous étudions le problème de rupture des systèmes de couches minces soumis à contraintes de tension dues aux chargements mécaniques ou à d'autres phénomènes élastiques, associés e.g. à couplages thérmiques où humidité. Dans ces systèmes, chargements homogènes conduisent à la nucléation de fissures interagissantes transverses et de décollement, produisant l'auto-structuration de réseaux de fissures quasi-périodiques et la propagation de patterns complexes qui montrent caractéristiques morphologiques robustes. On s'intéresse à décrire l'évolution de ces fissures, en prenant en compte les phases de nucléation, sélection du trajet de fissure et évolution irreversible en espace et en temps. Les résultats disponibles en littérature se basent sur des modèles phénoménologiques, dépourvus d'une dérivation rigoureuse, et sont limités à des cas géométriquement simples. Dans ces derniers, le problème de nucléation, les mécanismes de sélection du chemin de fissuration et l'évolution non régulière en espace et en temps ne sont pas explorés, à cause des limitations de la théorie classique de la mécanique de la rupture. Nous proposons la dérivation d'une théorie variationnelle asymptotique, bidimensionnelle et globale, à partir d'un problème tridimensionnel d'élasticité fragile dans le cadre de l'approche variationnelle à la mécanique de la rupture, en faisant intervenir une notion de convergence variationnelle. Ensuite, nous introduisons une régularisation du problème faible de rupture par le moyen d'un modèle en gradient d'endommagement, adapté à la solution numérique via la méthode des éléments finis. Le travail proposé permet d'obtenir une compréhension des mécanismes couplés élastiques, de fissuration et décollement; d'établir un modèle asymptotique, réduit et variationnel, valable pour des systèmes de couches minces suffisamment riche pour capturer les mécanismes physiques essentiels; et d'aborder une étude détaillé des expériences numériques qui révèlent les patterns complexes de fissures observés dans les systèmes de couches minces.

Le 32CrMoV13 nitruré est un matériau à gradient de propriétés utilisé pour la réalisation de bagues de roulements aéronautiques. Il présente l’avantage d’être dur en surface et ductile à cœur, facilitant ainsi la lutte contre les effets de la pollution des contacts par les lubrifiants. De plus, afin d’améliorer les performances des roulements, la tendance est à l’utilisation de céramique (nitrure de silicium Si3N4) pour les éléments roulants à la place de l’acier (M50). Ainsi, le travail de thèse proposé ici est l’étude du comportement en fatigue de contact en présence d’indentations pour deux couples de matériaux (32CrMoV13 nitruré / M50 et 32CrMoV13 nitruré / Si3N4). Ce comportement est principalement orienté en terme de durée de vie du contact indenté par l’intermédiaire d’un critère d’amorçage de fissures. Une étude des propriétés mécaniques du 32CrMoV13 nitruré, nécessaires à l’application du critère, a été réalisée. La loi d’écrouissage et l’ouverture micro-plastique cyclique de la couche nitrurée du 32CrMoV13 nitruré ont été identifiées. Puis, par l’intermédiaire de défauts géométrique de type trous cylindriques, les propriétés d’amorçage de fissures ont été étudiées lors d’essais de compression uniaxiale. Le comportement en fatigue de contact en présence d’indentations a été étudié sur machine bi-disques. Ces essais ont permis de caractériser la différence de comportement du 32CrMoV13 nitruré, et indenté, dans un contact acier / acier et acier / céramique. L’effet du glissement a notamment été mis en évidence. Ces études expérimentales ont été couplées avec des simulations numériques afin d’étalonner le modèle physique d’amorçage de fissures et d’en valider sa bonne représentativité. En conclusion un modèle de prédiction de durée de vie en fatigue de roulement a été proposé. Il est particulièrement adapté aux cas où des contraintes résiduelles sont présentes, par exemple suite à l’indentation des surfaces. Le modèle s’appuie sur la caractérisation mécanique des couches traitées thermo-chimiquement de l’acier 32CrMoV13 nitruré. / The nitrided 32CrMoV13 steel is a gradient properties material used for the production of aeronautical bearing rings. The principal advantages are its surface hardness and core ductility, useful against debris denting. Moreover, to improve rolling bearing performances, ceramic balls (silicon nitride Si3N4) instead of steel (M50). The present study aims to investigate the contact fatigue performance in presence of indentation for two pairs of materials (nitrided 32CrMoV13 steel / M50 and nitrided 32CrMoV13 steel / Si3N4). This performance is mainly oriented in terms of lifetime of the indented contact by a crack initiation criterion. A study of the mechanicals properties of the nitrided 32CrMoV13 steel, required for the application of the criterion, is then performed. It allows to characterize the hardening law and the cyclic micro-plastic behavior of the nitrided layer of the nitrided 32CrMoV13 steel. Crack initiation properties of the nitrided surface layer have been evaluated by compression tests on thin hollow cylindrical specimens with small cylindrical holes. The contact fatigue behavior in presence of indentations was studied on a high-speed twin-disks machine. These tests allowed to characterize the difference in behavior of nitrided 32CrMoV13 steel (indented) in a steel-to-steel contact or steel-to-ceramic contact. The major effect of sliding has been highlighted. All these experimental studies were coupled with numerical simulations to calibrate the physical model of crack initiation and to show its capabilities. In conclusion a new model of rolling contact fatigue life has been proposed. It is specifically adapted to operation in presence of residual stresses such as resulting from debris denting. The model uses mechanical properties that have been identified for thermo-chemically treated layers of nitrided 32CrMoV13 steel.

Le sujet de ce mémoire est l'étude d'un interféromètre de Fizeau a décalage de phase pour la mesure de surfaces planes et sphériques a des précisions nanométriques. Nous avons recensé et étudié les sources de limitation et recherche les conditions ou les solutions rendant leur contribution inférieure a un millième de longueur d'onde en valeur crête à crête (la longueur d'onde est égale a 632,8 nanomètres). Six sources potentielles d'erreurs ont été examinées: la source laser, la détection, l'élément qui crée le déphasage, le diffuseur mobile du système d'imagerie, les aberrations géométriques des composants optiques et la nature même des interférences. Nous avons optimise la configuration interférométrique. De nouveaux algorithmes ont été développes. Ils sont basés sur des méthodes des moindres carres non linéaires. Ces algorithmes sont auto calibrés mais demandent beaucoup de temps de calcul. Pour obtenir des resultats rapidement, nous avons complete nos techniques de depouillement par une méthode basée sur une correction a posteriori de la formule de carre. La validation a montré les performances de l'instrument. Avec les méthodes basées sur les moindres carrés, les mesures de bruit ont montre que les fluctuations aléatoires sont de l'ordre de 0,21 nanomètres rms ; les erreurs systématiques ont une contribution inférieure a 1,8 nanomètres crête à crête. La cale piézo-électrique qui réalise le déphasage, et le bruit de la détection, sont en fait les principales sources de limitation. La correction des défauts de positionnement de la cale piézo-électrique a été essayée sur l'algorithme de carre et sa post correction ; les résultats indiquent une exactitude meilleure que 1 nanomètre crête à crête. L'interféromètre de Fizeau a décalage de phase a été applique a l'étalonnage absolu de surfaces planes. Une méthode basée sur des combinaisons de translations et de rotations d'une des surfaces par rapport a l'autre, a été présentée. Cette méthode a été utilisée pour la mesure d'une surface plane en silice.

Le présent travail se situe dans le cadre de l'analyse thermo-mécanique de la solidification par éléments finis des pièces coulées. Il fait suite à de précédentes études ayant donné lieu à l'écriture d'un premier modèle tridimensionnel permettant déjà de simuler le refroidissement d'une pièce de fonderie d'un point de vue thermique dans l'ensemble des composants du système et mécanique dans la pièce. Cependant, au vu des phénomènes macroscopiques intervenant lors de la solidification, il apparait que l'hypothèse préliminaire des moules rigides est mise en défaut notamment dans le cas de pièces massives. Une partie de notre travail a donc consisté en l'implantation d'un couplage entre la pièce et les différents composants du moule permettant ainsi de prendre en compte leurs interactions. Ce couplage est basé sur une gestion du contact par méthode de pénalisation intégrée avec transfert des contraintes par interpolation. Il a été validé par rapport à des résultats expérimentaux et semi analytiques. D'autre part, l'hypothèse de quasi staticité de la partie liquide de la pièce est elle aussi mise en défaut par le phénomène de convection naturelle. Afin de parfaitement capter ce phénomène, l'implantation d'une loi de comportement viscoplastique dans la partie liquide de la pièce a été effectuée amenant a un couplage de loi de comportement au sein de la pièce. Ceci a été possible par une gestion particulière de l'élément fini P1+/P1 adapté aux deux lois, viscoplastique et élasto-viscoplastique. Par ailleurs, les mouvements de matière, mettant à mal la formulation lagrangienne réactualisée, ont été traites par une formulation eulérienne-lagrangienne. Les mouvements du maillage sont ainsi dissociés de ceux de la matière permettant la modélisation des boucles de convection tout en assurant un suivi des mouvements de surface libre. Afin de diminuer les temps de calcul, une gestion du pas de temps basée sur un estimateur à posteriori de l'équation de la chaleur a été mise en place et a permis un gain de temps significatif. Les développements ont été validés sur des cas académiques et industriels, montrant une bonne corrélation qualitative et quantitative.