Ce travail de recherche s'intègre dans un projet de développement d'un procédé de traitement des effluents par séparation magnétique s'inscrivant dans une démarche d'écoconception. Pour ce faire, nous avons préparé des billes d'alginate encapsulant des nanoparticules magnétiques et du charbon actif. Les matériaux composant ces billes possèdent des propriétés adsorbantes permettant l'extraction de polluants ; leurs propriétés magnétiques permettent de les séparer magnétiquement de l'effluent à traiter. La formulation et la caractérisation des billes magnétiques est le point essentiel de ce travail. Différentes formulations ont été testées en modifiant les quantités de matériaux précurseurs ainsi que le mode de réticulation de l'alginate. Les capacités d'adsorption des billes vis-à-vis de deux colorants utilisés comme modèles de polluant organique, le bleu de méthylène et le méthyl orange, ont été étudiées. La modélisation des isothermes d'adsorption a permis également de comprendre les mécanismes mis en jeu. Les cinétiques d'adsorption ont également été étudiées et modélisées.

L'objet de ce mémoire est de proposer des outils de conception pour le dimensionnement en raideur de panneaux fléchissants en composite à rigidité spécifique élevée. On y présente dans une première partie, une nouvelle formulation de la théorie classique des stratifiés de Reissner-Mindlin (Théorie de Sab), et des modélisations multiparticulaires issues de la théorie M4 (Modélisation Multiparticulaire des Matériaux Multicouches), adaptées à la description du comportement des structures traditionnelles sandwich en composite, dont on connaît les propriétés mécaniques équivalentes de l'âme. Dans une seconde partie, on s'intéresse au développement d'une modélisation d"une nouvelle structure sandwich en composite possédant une âme hétérogène constituée de parois raidissantes transversales, baptisée structure alvéolaire et mise au point au CERAM de l'Ecole Nationale des Ponts et Chaussées (ENPC). Une méthode d'homogénéisation a permis de remplacer le milieu hétérogène alvéolaire 3D par un milieu homogène équivalent 2D. Les validations de ces modèles ont été effectuées en comparant les résultats obtenus avec des solutions exactes ou des maillages éléments-finis réalisés avec le code de calcul SAMCEF. Elles ont permis de montrer la pertinence des différentes modélisations développées dans ce mémoire. Leur intégration prévue dans un code de calcul par éléments-finis industriel permettra de disposer d'outils numériques 2D permettant de dimensionner simplement et efficacement les structures sandwichs et alvéolaires.

La méthode d'homogénéisation en calcul à la rupture permet de calculer les propriétés de résistance à l'échelle macroscopique d'un matériau hétérogène périodique (matériaux composites, sols renforcés) à partir de la solution d'un problème de calcul à la rupture défini sur la période de base. Une méthode numérique spécifique destinée à résoudre un tel problème est mise au point. Elle est fondée sur la mise en oeuvre de l'approche cinématique du calcul à la rupture et conduit : 1) à la recherche du minimum d'une fonction convexe d'un nombre fini de paramètres scalaires pour laquelle un algorithme de résolution est proposé. 2) à une évaluation par l'extérieur du convexe de résistance macroscopique qui se révèle d'autant plus précise que le nombre de paramètres de minimisation est élevé. On procède à de nombreuses applications de cette méthode à des problèmes de "contrainte plane" (plaques renforcées ou perforées chargées dans leur plan) et son extension prometteuse à des problèmes en "déformation plane" est esquissée.

Létude concerne une voie originale d'élaboration de matériaux composites à matrice métallique a propriétés structurales anisotropes. Elle consiste a orienter le renfort fibreux discontinu par l'action d'un champ magnétique intense et homogène. Afin de déterminer les paramètres d'orientation influents, l'équation du mouvement d'une fibre dans un fluide visqueux a été établie. Sa vérification a nécessité la réalisation d'un dispositif expérimental original. Trois couples fibres/matrice significatifs ont ete choisis (C/Cu, C/Ti, Al2O3/Ni). La mise en oeuvre du matériau composite par métallurgie des poudres implique la réalisation préalable, sous champ magnétique, de preimprégnés orientés. Les caractérisations physico-chimiques, thermiques et mécaniques entreprises montrent que les matériaux composites élaborés par cette voie présentent les caracteristiques anisotropes attendues.

Les industries aéronautiques tentent de mettre au point de nouvelles structures plus résistantes et surtout réutilisables en vue d'accélérer la conquête de l'espace. A cet effet, le matériau composite à matrice intermétallique NiAl renforcée par des fibres longues d'alumine semble prometteur et adapté à ces applications. Les travaux présentés concernent a la fois l' élaboration du composite par infiltration liquide sous pression de gaz et l'étude du couplage fibre-matrice (F/M), phénomène prépondérant qui gouverne les caractéristiques macroscopiques du matériau. Le couplage a été étudié par le biais de la microscopie électronique en transmission et de la spectroscopie de photo-électrons X ; une approche thermodynamique du couplage a ete obtenue au travers de l'étude de mouillabilite du renfort par la matrice. Ces différentes caractérisations des interfaces et interphases sont correlées les unes avec les autres pour permettre une compréhension globale des phénomenes de couplage a l'interface F/M.

Les procédés de fabrication de pièces mécaniques par enlèvement de matière (tournage, fraisage, perçage, ...) connaissent une utilisation massive dans l’industrie aéronautique et l’automobile. Les pièces obtenues par ces procédés doivent satisfaire à des propriétés géométriques, métallurgiques et à des caractéristiques de qualité. Pour répondre à ces exigences, plusieurs essais expérimentaux basés sur le choix des conditions de coupe sont souvent nécessaires avant d’aboutir à une pièce satisfaisante. Actuellement, ces méthodes empiriques basées sur l’expérience des fabricants et des utilisateurs des outils coupants sont souvent très longues et coûteuses, donnent une large plage de choix des paramètres en fonction de leurs besoins. Toutefois, le coût très élevé d’un essai limite fondamentalement le nombre d’expériences, avoir une pièce respectant les caractéristiques souhaitées avec un coût acceptable devient une tâche difficile. / Manufacturing processes of mechanical parts by removal of material (turning, milling, drilling ...) have extensive use in aeronautic and automobile industry. The components obtained using these methods must satisfy geometric properties, metallurgical and quality characteristics. To meet these requirements, several experimental tests based on the selection of cutting conditions are often necessary before manufacturing. Currently, these empirical methods based on the experience of manufacturers and users of cutting tools (charts, diagrams with experimental findings, ...) are often very lengthy and costly. However, the high cost of a trial limits the number of experiments, so to have a deserted component with an acceptable cost is a difficult task. The importance of cutting conditions monitored by limitations is related to the type of material to be machined, since it determines the behavior of the machining.

Dans le but d’améliorer le comportement thermo-mécanique des aubes de turbine présentes dans les moteurs d’avion développés par SAFRAN, il est nécessaire de mettre au point un nouveau matériau composite. Le procédé de fabrication de ce matériau est complexe et requiert une densification par voie liquide divisée en deux étapes. Cette thèse s’intéresse à la modélisation numérique de la première étape appelée Slurry Cast/APS.Celle-ci consiste en l’injection et le confinement, dans la préforme fibreuse, de particules préalablement mises en suspension. Pour cela, nous avons développé à l’échelle des fibres,un modèle qui utilise les équations de Navier-Stokes incompressibles et monophasiques ,l’équation de Phillips [Phillips et al., 1992] et une loi rhéologique [Krieger, 1972]. Après validation des résultats numériques par comparaison avec des résultats expérimentaux [Hampton et al., 1997] et théoriques [Belfort et al., 1994], le modèle est utilisé pour simuler l’écoulement autour de géométries de tissage proches du matériau étudié. / In order to improve thermo-mechanical behavior of tubine blades in SAFRAN engines plane, a new composite material is necessary. The manufacturing process to obtain this composite is intricate and requires a two steps fluid densification process. This thesis focuses on numerical simulation of the first one called Slurry Cats/APS. In this step, suspended particles are introducted and captured in the reinforcement. For that purpose,we carry out a model at fiber scale, using Navier-Stokes equations in incompressible and monophasic formulation, Phillips equations [Phillips et al., 1992] and a rheological law [Krieger, 1972]. After validation step consisting in a comparison of computational results with experiments [Hampton et al., 1997] and theorical law [Belfort et al., 1994], this model has been used to simulate flow around geometries similar to those encountered in our composite material.

La simulation à l'échelle mésoscopique de la déformation des renforts composites fournit des informations importantes. En particulier, elle donne la direction et la densité de fibres qui conditionne la perméabilité du renfort textile et les propriétés mécaniques du composite final. Ces analyses mésoscopiques par éléments finis dépendent fortement de la qualité de la géométrie initiale du modèle. Certains logiciels ont été développés pour décrire ces géométries de renforts composites. Mais, les géométries obtenues impliquent une simplification (notamment dans la section transversale de mèche) qui peut perturber le calcul de déformation du renfort. Le présent travail présente une méthode directe utilisant la microtomographie à rayon X pour générer des modèles éléments finis, basée sur la géométrie réelle de l'armure textile. Le modèle EF peut être obtenu pour tout type de renfort, plus ou moins complexe. Les problèmes d’interpénétrations de mèches sont évités. Ces modèles sont utilisés avec deux lois de comportement : une loi hypoélastique et une loi hyperélastique. Les propriétés de chacune d'entre elles, ainsi que les grandeurs caractéristiques nécessaires à leur implémentation dans le logiciel ABAQUS sont développées. Enfin, une identification des paramètres matériau à l'aide d'une méthode inverse est proposée. Les résultats obtenus pour les simulations de mise en forme sont comparés avec les résultats expérimentaux et montrent une bonne correspondance entre les deux. / The simulation at meso-scale of textile composite reinforcement deformation provides important information. In particular, it gives the direction and density of the fibres that condition the permeability of the textile reinforcement and the mechanical properties of the final composite. These meso FE analyses are highly dependent on the quality of the initial geometry of the model. Some software have been developed to describe composite reinforcement geometries. The obtained geometries imply simplification that can disrupt the reinforcement deformation computation. The present work presents a direct method using computed microtomography to determine finite element models based on the real geometry of the textile reinforcement. The FE model is obtained for any specificity or variability of the textile reinforcement, more or less complex. The yarns interpenetration problems are avoided. These models are used with two constitutive laws : a hypoelastic law and a hyperelastic one. An analysis of their properties is presented and their implementation in the software ABAQUS is detailed. Finally, an identification method is presented and the results of forming simulations are compared to experimental tests, which shows a good fit between the both.

Les matériaux composites organiques pour garniture de frein à friction sont le fruit d’une élaboration complexe, composée d’une succession d’étapes (mélange de constituants, préformage à froid, moulage à chaud, post-cuisson) ce qui rend difficile la maitrise du lien entre procédé, propriétés et comportement de ces matériaux en particulier du fait des synergies entre les constituants formant le mélange d’une part, et entre la composition et le procédé de fabrication d’autre part. Les travaux de thèse se sont focalisés sur deux étapes de fabrication, le moulage à chaud et la post cuisson, avec l’objectif de mieux comprendre l’influence de certains paramètres du procédé de fabrication sur les performances des matériaux : la température et la durée de moulage à chaud, la durée de post cuisson. L’analyse a porté sur la compréhension des liens entre la microstructure, les propriétés, le comportement tribologique et les mécanismes de frottement et d’usure, par le biais d’une démarche expérimentale fondée sur des formulations matériaux simplifiées ainsi que sur des essais d’usure élémentaires, spécifiques aux sollicitations de freinage / Organic composite friction materials for brake lining result from a complex elaboration made up of successive stages (mixture of constituents, cold preforming, hot molding, post-curing) that makes difficult the mastery of the link between process, properties and behaviour of friction material, especially because of synergies between constituents on one hand, and between composition and manufacturing process on the other hand. Two manufacturing stages were involved in this study, the hot molding and the post-curing, with the aim of a better understanding of the influence of certain parameters of the manufacturing process: the temperature and the duration of hot molding, and the duration of post curing. The analysis has focused on the understanding the relationship between microstructure, properties, tribological behaviour and friction and wear mechanisms of materials.The experimental approach was based on the development of simplified formulations of friction material, and on an elementary wear test specifically designed for braking loadings

L’objectif de la thèse « Etude et modélisation des renforcements de chaussées à l’aide de grilles en fibre de verre sous sollicitations de fatigue » est de caractériser le rôle du renforcement de la couche de surface en béton bitumineux d’une structure de chaussée soumise à des sollicitations de fatigue au moyen d’une grille en fibre de verre appelée « géo-grille ». Le comportement en fatigue du composite formé de béton bitumineux et de géo-grille est étudié en laboratoire par des essais de flexion en quatre points (4PB), pilotés en déformation avec un chargement sinusoïdal alterné, à 10°C et 25 Hz. Les éprouvettes testées sont des poutres prismatiques de grandes dimensions 630 x 100 x 100 mm3. Elles sont de deux types : en béton bitumineux (non-renforcées) et en béton bitumineux renforcé par deux géo-grilles (renforcées). Le dispositif d’essais est un banc de fatigue en flexion en quatre points prototype, qui respecte les normes européennes. Les résultats expérimentaux ont été utilisés dans la modélisation de l’évolution de l’endommagement en fatigue de deux types d’éprouvettes. Les lois d’endommagement des matériaux de type Bodin sont implantées dans le code aux éléments finis CAST3M. Deux catégories de modèles ont été conçues, respectivement monocouche et tri-couches. Chaque catégorie comprend un modèle de poutre non-renforcée et un modèle de poutre renforcée. Le modèle de Castro-Sanchez a été testé pour prédire l’endommagement et notamment le nombre de cycles à la rupture pour chaque type de poutre. / The objective of the PhD thesis « Study and modelling of the pavement reinforcement with glass fibre grid under fatigue loading » is to characterize the reinforcement role of the asphalt surface layer of a pavement subjected to fatigue loading with the glass fibre grid or « geo-grid ». The fatigue behaviour of the composite formed of asphalt mixture and geo-grid is studied in laboratory with four point bending tests (4PB) performed with sinusoidal waveform, at 10°C and 25 Hz. The tested specimens are 630 x 100 x 100 mm3 beams of two types: asphalt beams (non-reinforced) and asphalt beams reinforced with geo-grid (reinforced). A four point bending prototype device was designed to perform the fatigue tests on the big size asphalt specimens. The device respects the European Standards. The experimental results were used for modelling of the damage evolution under fatigue loading of the both types of beams. The damage laws of the materials are Bodin laws programmed in Cast3M finite element code. Two categories of models were conceived, respectively: one layer beam models and tri-layers beam models. Each category has a model of non-reinforced beam and a model of reinforced beam. Furthermore, Castro-Sanchez model was used to predict damage evolution and in particular the number of cycles to failure correspondent to the two types of beams.