Les matériaux polymères à structures cellulaires allient des propriétés mécaniques, thermiques, chimiques et optiques intéressantes aux regards des contraintes d’allègement des systèmes et des structures. Toutefois, pour diversifier leurs applications et les rendre toujours plus performants dans les domaines de la santé, du transport ou encore du bâtiment, une étude fine des relations qui lient les procédés de fabrication à la microstructure générée et aux propriétés qui en découlent, doit être menée. Ces propriétés mécaniques dépendent étroitement des propriétés de la matière dont les mousses sont faites mais aussi de la morphologie de leurs microstructures (orientation, distribution et taille des pores, épaisseur des parois). Il est donc crucial de pouvoir quantifier et mesurer ces paramètres pour tendre vers une compréhension fine des propriétés mécaniques et définir des modèles capables de relier le comportement macroscopique du matériau cellulaire vis-à-vis de son « équivalent » massif et de la microstructure. En collaboration étroite avec la direction recherche et développement de l’entreprise INTEREP, leader européen du caoutchouc cellulaire étanche, une caractérisation expérimentale du comportement mécanique de mousses de différentes natures polymériques et de différentes topologies à d’abord été effectuée. Ensuite un ensemble de modélisations géométriques a été développé à partir d’observations microstructurales de vraies mousses en micro-tomographie RX et à partir de microstructures générées virtuellement par le biais d’une description physique du processus de fabrication de mousses polymères. Finalement, une simulation numérique éléments finis en 2D et en 3D de ces microstructures couplées à la caractérisation expérimentale du matériau massif des parois a permis de reproduire et d’étudier finement les mécanismes de déformations observés expérimentalement sur des mousses polymères et d’affiner les lois de comportement empiriques avec la prise en compte d’un paramètre supplémentaire caractéristique de la statistique de distribution des cellules dans l’espace, c'est-à-dire de leurs localisations et de leur distribution de taille et de forme. / Polymer foams materials combine mechanical, thermal, chemical and optical interesting properties going with light weighting structures problems. However, to diversify their applications and make them even more efficient in health field, transportation or building, a fine study of the relationships between manufacturing processes to generated microstructures and resulting properties must be conducted. These mechanical properties are highly depending on the properties of material with which foams are made but also on the morphology of their microstructures (orientation, distribution and pore size, wall thickness). Thus it is crucial to quantify and measure these parameters to strive for a detailed understanding of the mechanical properties and define models capable of linking global behavior of cellular materials to bulk materials and microstructures. Working closely with research and development division of INTEREP, European leader in waterproof cellular rubber, an experimental characterization of the mechanical behavior of polymer foams of different natures and different topologies has been performed first. Then geometrical modeling was developed from micro structural observations of real foams in x-ray micro-tomography and from virtually generated microstructures through a physical description of polymer foams manufacturing process. Finally finite element simulation in 2D and 3D of these microstructures were coupled with the experimental characterization of bulk material allowing thus to reproduce and finely study deformation mechanisms experimentally observed on polymer foams and refine empirical behavior laws by taking into account additional characteristic parameter of cells statistical distribution in space like their location and their size distribution and shape.

Le travail présenté dans ce mémoire porte sur le comportement des assemblages métalliques boulonnés avec platine d'about. La première partie décrit deux séries d'essais sur des assemblages métalliques avec platine d'about boulonnée renforcée ou non par raidisseur. La deuxième partie est consacrée au développement d'un modèle numérique 3D non linéaire validé sur la base des résultats d'essais. Les résultats sont aussi comparés aux formulations analytiques de l'EC3. Le modèle a permis d'analyser l'évolution des champs de contraintes et de la plasticité dans différentes zones de l'assemblage. Il a permis aussi de confirmer les observations expérimentales concernant l'influence du raidisseur de platine sur le mécanisme de transfert des efforts à travers son extrémité. Dans une troisième partie, l'influence de la flexion du boulon sur le comportement des tronçons en té est modélisée. Une étude paramétrique est menée pour évaluer les effets de paramètres tels que la dimension du tronçon, la rigidité de la rondelle, la position du boulon et l'épaisseur de la semelle sur la flexion du boulon soumis à un effort normal de traction.

Le laminage est un procédé de mise en forme à chaud permettant d’obtenir des barres de différents diamètres en partant de blooms issus de la coulée continue. Dans les bruts de coulée se répartissent des inclusions qui sont de natures, de formes et de tailles différentes. Le laminage va permettre de réduire le diamètre de la barre et d’agir sur la microstructure du matériau, notamment, en fragmentant et dispersant les inclusions. L’objectif des travaux de thèse est de contribuer à la compréhension des effets du chargement thermomécanique sur l’évolution des défauts de coulée en laminage. Vu la dimension des installations, les investigations expérimentales directes sur les moyens industriels ne sont pas envisageables. L’idée développée dans les travaux de thèse concerne la mise en place et la validation d’un essai de caractérisation à échelle réduite reproduisant le chemin thermomécanique subi par la matière au cours du laminage. Pour ce faire la ligne de laminage industrielle est modélisé afin d’obtenir le chargement thermomécanique de la barre au cours du laminage. Seules les sollicitations ayant un rôle majeur sur le comportement des défauts sont reproduites. Un essai dit de « forgeage libre » a ainsi été conçu, réalisé, mis en place sur les moyens de mise en forme de la plateforme VULCAIN de l’ENSAM. L’essai a été utilisé avec des défauts artificiels présentant des similarités comme la malléabilité avec les défauts réels. Une campagne expérimentale paramétrique a été menée sur les différents types de défauts. Les échantillons forgés ont été analysés par des méthodes non destructives comme les ultrasons, la radiographie et la tomographie X. Ces analyses ont permis de suivre le comportement du défaut et d’observer certains phénomènes mis en évidence dans la littérature comme l’apparition de cavité à l’interface défaut-matrice. / Rolling is a hot forming process dedicated to manufacture bars with different diameters. The initial product is a bloom from the continuous casting. The bloom contains inclusions which have different forms, sizes and distributions. The rolling reduces the diameter of the bar and acts on the material microstructure by fragmenting and dispersing the inclusions. The aim of the thesis work is to understand the behavior of the inclusions with the rolling thermo mechanical loading effects. The direct investigations on the rolling mill are not possible because of the size of the installations. To address this problem, the solution is to develop and validate a small scale characterization test reproducing the thermo mechanical loading of the rolled bar. To achieve this, the rolling mill is modeled. Only the solicitations which have a major role on the behavior of the defects are reproduced. An open-die forging test is designed, manufactured and implemented on the VULCAIN installation of the ENSAM. The artificial defects which have a similar malleability to the real defects are integrated into the sample. A parametric experimental campaign has been conducted on the different defects. The forged samples have been analyzed with non-destructive methods such as ultrasound, radiography and tomography. These analyses allowed to follow the behavior of the defects and to observe certain phenomena illustrated in the literature such as the emergence of a cavity on the defect-matrix interface.

Dans les dernières années, les incendies majeurs dans les tunnels ont causé des dommages importants. Dans ces conditions extrêmes (la température dépasse rapidement 1200 °C), l'augmentation de pression dans les pores, la dilatation thermique empêchée, l'incompatibilité de dilatation thermique entre la pâte du ciment et des granulats, la déshydratation ... sont des principaux mécanismes de dégradation qui peuvent être à l'origine de l'écaillage. L'écaillage progressif pendant l'incendie se manifeste par le détachement de la surface du béton par petits morceaux réduisant ainsi la section résistante et pouvant conduire à une rupture prématurée de la structure. Dans cette thèse, un modèle éléments finis THM est enrichi par un modèle d'écaillage progressif en proposant un critère d'écaillage de type détachement-flambement. La partie thermo-hydrique du modèle THM est basée sur l'approche à trois fluides en milieux partiellement saturés. Le comportement mécanique est développé dans le cadre d'une approche thermo-poro-mécanique couplée à l'endommagement et à la plasticité adoucissante. Cette modélisation de l'écaillage conduit à un problème avec frontière et conditions aux limites évolutives. Une stratégie de résolution numérique sans remaillage a été développée pour transférer les conditions aux limites THM simultanément avec l'occurrence de l'écaillage. L'implémentation du modèle dans le code aux éléments finis CESAR-LCPC a permis de procéder à différentes études paramétriques et à des confrontations avec des essais pour évaluer les capacités opérationnelles du modèle à décrire l'occurrence de l'écaillage et identifier les paramètres majeurs qui la contrôlent / In the recent years, there were major tunnels fires which caused fatalities and severe traffic restrictions. In such extreme conditions (temperatures exceeding 1200 °C for considerable time spans), pore pressure build-up, restrained thermal dilatation, cement paste to aggregate incompatibility, dehydration... are some main degradation mechanisms of concrete that may cause its thermal spalling. Progressive concrete spalling occurring during a fire presents as the breakdown of surface layers which flake into small pebble-like pieces. Then, the resistant section of the structure reduces which may lead to its premature failure.In this thesis, a THM finite element model is enriched with a detachment-buckling type criterion for progressive spalling. The thermo-hygral part of the THM model is based on the three fluid approach for partially saturated porous media. The mechanical part is derived within the framework of thermo-poro-mechanics coupled to damage and softening plasticity.The adopted modeling of spalling leads to a problem with evolving boundary and boundary conditions. A suitable numerical solution strategy without remeshing is then developed in order to transfer properly the THM boundary conditions simultaneously with spalling occurrence.The efficiency of the model THM-Spalling is illustrated by some numerical examples and by parametric studies. These studies identify the influence, on spalling, of size variation of spalling flakes, the average spalling velocity and uncertainties on different material parameters. Confrontation with experimental tests shows satisfactory capacity of the THM-Spalling model in reproducing qualitatively the occurrence of spalling

Dans le cadre du développement accru d’implants crâniens actifs, l’étude de la résistance du complexe crâne-implant face à des chocs modérés est nécessaire afin d’assurer la sécurité du patient. Le but de cette thèse est de quantifier l’interaction mécanique entre le crâne et l’implant afin de développer un modèle éléments finis prédictif utilisable pour la conception des futurs dispositifs. Dans un premier temps, des essais matériaux sur titane et silicone ont permis d’extraire les paramètres élastiques, plastiques et de viscosité de leurs lois de comportement. Ces paramètres ont ensuite été implémentés dans un modèle éléments finis de l’implant sous sollicitations dynamiques, validé par des essais de choc de 2,5 J. L’implant dissipe une partie de l’énergie du choc et le modèle obtenu permet d’optimiser la conception de l’implant afin qu’il reste fonctionnel et étanche après l’impact. La troisième partie porte sur l’élaboration d’un modèle éléments finis du complexe crâne-implant sous sollicitations dynamiques. Des essais sur têtes cadavériques ovines ont permis d’optimiser les paramètres d’endommagement du crâne. Le modèle complet du complexe crâne-implant, corrélé à des essais de choc, apporte des éléments de réponses sur le comportement du crâne implanté face un choc mécanique, permettant ainsi d’optimiser la conception de l’implant afin de garantir l’intégrité du crâne.Ce modèle représente un premier outil pour l’analyse de l’interaction mécanique entre crâne et implant actif, et permet de dimensionner ce dernier de sorte à garantir son fonctionnement et son étanchéité, tout en assurant l’intégrité du crâne. / Active cranial implants are more and more developed to cure neurological diseases. In this context it is necessary to evaluate the mechanical resistance of the skull-implant complex under impact conditions as to ensure the patient’s security. The aim of this study is to quantify the mechanical interactions between the skull and the implant as to develop a finite element model for predictive purpose and for use in cranial implant design methodologies for future implants. First, material tests were necessary to identify the material law parameters of titanium and silicone. They were then used in a finite element model of the implant under dynamic loading, validated against 2.5 J-impact tests. The implant dissipates part of the impact energy and the model enables to optimize the design of implants for it to keep functional and hermetic after the impact. In the third part, a finite element model of the skull-implant complex is developed under dynamic loading. Impact tests on ovine cadaver heads are performed for model validation by enhancing the damage parameters of the three-layered skull and give insight into the behavior of the implanted skull under impact.This model is a primary tool for analyzing the mechanical interaction between the skull and an active implant and enables for an optimized design for functional and hermetic implants, while keeping the skull safe.

Les composites tissés 3D, à l'aide de leurs grandes libertés de conception, peuvent fournir des propriétés mécaniques adaptées aux besoins spécifiques d'une structure. La complexité architecturale de ces matériaux induit néanmoins des propriétés, des comportements ainsi que des endommagements très difficiles à prédire. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent directement dans cette problématique et cherchent à développer des outils permettant, par simulation numérique, de prévoir les caractéristiques mécaniques de ce type de matériaux. Afin de répondre à cet objectif, une approche multiéchelle, alliant essais expérimentaux et simulations numériques, a été adoptée. Cette démarche permet, en appliquant des sollicitations réelles, de considérer la géométrie des renforts et les hétérogénéités du matériau, observables à l'échelle mésoscopique, qui sont responsables du comportement macroscopique du composite tissé. Le travail d'investigation expérimentale s'est attaché à caractériser le comportement d'un composite interlock 2,5D et des ses constituants ainsi que les mécanismes et cinétiques de rupture, pour des sollicitations de traction/flexion, grâce à des observations tomographiques aux rayons X et au concept d'interzone. En ce qui concerne la modélisation numérique, un critère de rupture permettant de simuler la dégradation ultime du composite, en coupant les fils de renforts, a été présenté et testé sur une cellule représentative du composite expérimentale. Les résultats en termes de localisations, d'orientations et de cinétiques de l'endommagement sont en accord avec les observations expérimentales. Ensuite, après avoir estimé l'influence des différents paramètres architecturaux sur le critère de rupture avec une campagne de calcul éléments finis, des architectures optimisées, pour les sollicitations considérées, ont pu être proposées et comparées à l'interlock 2,5D. Toujours dans l'optique d'une meilleure prédiction du comportement des composites tissés, les travaux se sont également intéressés à une modélisation plus fine des mécanismes d'endommagement. Une approche fiabiliste a donc été introduite sur le critère de rupture à l'aide d'une distribution statistique de Weibull. De plus, un autre mécanisme d'endommagement a aussi pu être pris en compte dans la modélisation en simulant, avec le modèle GTN (Gurson-Tvergaard-Needleman), la cavitation de la matrice. Enfin, des techniques de réduction de modèle ont été employées pour diminuer le coût calcul de la modélisation multiéchelle afin d'identifier, par exemple, des propriétés matériaux par méthode inverse ou de simuler des essais de fatigue. / With their large flexibility of design , 3D woven composites can provide mechanical properties tailored specificially to structural needs. However, the architectural complexity of woven reinforcements presents serious challenges when predicting properties, behaviours and damage processes. The present work deals with these challenges and seeks to develop numerical tools which are able to foresee the mechanical characteristics of this kind of materials. For this purpose, a multiscale approach, which combines experimental tests and numerical simulations, has been adopted. This approach allows, simultaneously, to take into account the loads and composite behavior, at the macroscopic scale, also the reinforcement geometry and the material heterogeneities which are only visible at the mesoscopic scale. The experimental investigation has been carried out to characterize the behaviour of an 2.5D interlock composite and its constituents. Examinations of the damage mechanisms have also been performed, using tomography and the interzone concept, for this woven composite under loadings in tension and combined tension and bending. With regards to the numerical modeling part, the ultimate degradation of the composite was simulated by cutting the reinforcement yarns with a failure criterion, previously reported, on a 3D representative cell of the experimental composite. For the two kinds of macroscopic loadings, the locations, orientations and kinetics of the damage were found to be fully in agreement with the experimental results. The influence of the architectural parameters on the failure criterion was then evaluated by finite element calculation. Consequently, it has been possible to proposed optimized architectures and make a camparison, for the two macroscopic loadings, with the 2.5D interlock woven composite. Still motivated to improve the prediction of the behaviour of woven composites, this work has also been on developing a finer modeling approach to the understanding of damage mechanisms. A stochastic approach was therefore introduced to the failure criterion using a Weibull statistical distribution. In addition, matrix cavitation has also been taken into account in the modelling. This damage mechanism was simulated using the GTN (Gurson-Tvergaard-Needleman) model. Finally, model reduction techniques have been applied to lower the cost of computing multiscale modeling in order to identify, for example, material properties by an inverse method or to simulate fatigue tests.

Les résultats des chirurgies orthopédiques correctrices sont difficilement prévisibles et, malheureusement, parfois infructueux. D’autres maladies résultantes d’un handicap majeur tel que l’escarre sont encore très peu comprises. Malgré une prévalence dans la population conséquente, peu d’études ont été menées sur ces thèmes. L’étude volumétrique du muscle en tant que tissu mou actif manque d’informations détaillées. Particulièrement les déformations et raideurs subséquentes aux contractions de muscles à arrangement de fascicules complexes. La modélisation volumétrique des muscles, fournirait un outil puissant pour la simulation personnalisée des contraintes subies par le corps, durant des contactes prolongés ou récurrents avec des dispositifs médicaux standards et inadaptés à la morphologie, mais aussi la planification d’opérations chirurgicales ou de séquences de stimulation électrique fonctionnelle. Il n’existe actuellement aucun logiciel permettant la reconstruction automatique de l’architecture des fascicules, aponévroses et tendons à partir d’acquisitions IRM d’un patient spécifique. La méthode actuelle de modélisation volumétrique du muscle est coûteuse en temps de calcul, donc inefficaces pour des simulations temps-réel du comportement du système musculo-squelettique avec représentation des fonctions physiologiques. Cette thèse est dirigée par les contributions nombreuses qui restent encore à apporter dans le domaine. Les méthodes de modélisation actuelles basées sur la méthode des éléments finis classique sont complexes, manquent de flexibilité ou de précision en temps-réel. Nous proposons une approche multi-modèles basée sur le mapping barycentrique qui découple la fonction de densité d’énergie de déformations du muscle en un ensemble de modèles indépendants de moindre complexité, avec les objectifs suivants : - Améliorer la reconstruction de l’architecture musculaire à partir des acquisitions IRM en terme de complexité et flexibilité. - Séparer la modélisation du muscle en modèles simple et indépendants, de manière à offrir plus de flexibilité, en réduisant la complexité, qui permettront de découpler les résolutions des éléments déformables des éléments actifs du muscle. - En diminuant le nombre d’éléments finis garantissant la cohérence des résultats, nous diminuons le temps de calcul nécessaire à chaque pas de simulation .Nos méthodes s’inspirent des travaux précédents sur la représentation tri-dimensionnelle de la géométrie et l’architecture complexes des muscles de [Blemker and Delp, 2005]. De plus, la définition mathématique est étudiée [Chi et al., 2010] pour caractériser la densité d’énergie de déformations du muscle squelettique. En rapport avec les méthodes précédentes, nous revendiquons les avancées suivantes : - Amélioration de la représentation 3D des muscles de patients spécifiques avec architecture et géométrie complexes, à partir de mesures IRM. La méthode est plus flexible et rapide que les précédentes. - Une nouvelle méthode de modélisation des déformations musculaires via la modélisation découplée des différents tissus musculaires. Cette nouvelle approche permet une définition indépendante des fascicules musculaires, tissus conjonctifs, tendons et aponévroses en gardant une grande précision de déformations. Les performances sont confrontées au rendement de la méthode FEM classique. - Nous atteignons des vitesses de simulation élevées de muscles complexes sur des machines standards par rapport à la FEM. Les performances nous ont permis de simuler en temps-réel la force et les déformations d’un muscle d’individus spécifiques, avec une entrée d’activation actualisée en temps-réel à partir de mesures EMG. - La modélisation d’un muscle nécessite plus de compétence qu’une équipe de recherche peut envisager maitriser. L’approche multi-modèles permet un travail collaboratif, où chaque spécialiste se focalise uniquement sur son domaine de compétence. La modélisation en est extrêmement simplifiée. / Corrective orthopedic surgeries results are difficult to be predicted and, unfortunately, sometimes unsuccessful. Other diseases resulting from a motor disability as bedsores are still poorly understood, despite a significant prevalence in the population. However, studies on these topics still insufficient especially for the analysis considering the muscle as a soft tissue volumetric organ. Muscle fascicule architectures and their correlation with movement efficiency is poorly documented, it lack of the detailed information regarding its volumetric deformations and stiffness changes along with muscle contractions.Muscle volumetric modeling, would provide a powerful tool for the personalized accurate simulation of body stresses of disabled or SCI patients during prolonged or friction contacts with standard medical devices non-adapted to particular morphologies, but also the planning of surgeries or functional electrical stimulation sequences.There is currently no software for automatic reconstruction of the architecture of fascicles, aponeurosis and tendons from MRI acquisitions of a specific subject. Actual volumetric muscle modeling is expensive in computational time, and not effective for real-time simulations of musculoskeletal system behavior with representation of physiological functions. The objective of this thesis is directed by the many contributions that have yet to make in the area. The current modeling methods based on the conventional finite element method are complex, inflexible or inaccurate in real-time. We propose a multi-model based on barycentric mapping approach that decouples the muscle strain density energy function into a set of independent less complex models, with the following objectives:- Improve complex muscle architecture reconstruction from the MRI acquisitions in term of complexity and flexibility.- Split muscle modeling into simple independent models, to offer more flexibility and reducing complexity of modeling which allows to have independent resolutions between deformable elements and muscle fiber elements..- By reducing the number of finite elements ensuring consistency of results of force and deformations, we reduce the computation time required for each simulation.Our methods are inspired by the previous work on the three-dimensional representation of the geometry and the complex architecture of muscles [Blemker and Delp, 2005]. In addition, the mathematical definition is studied [Chi et al., 2010] to characterize the energy density of deformations of skeletal muscle.Related with the above methods, we demand the following advances:- Improved three-dimensional representation of specific patients with muscle architecture and complex geometry from MRI measurement for personalized modeling. The method is more flexible and faster than previous.- A novel modeling method for muscle deformation via decoupled modeling of solid and muscle fiber mechanics is established. This new modeling allowed independent definitions between deformable elements and fiber force generation elements while keeping its muscle deformation accuracy. The performance is compared to conventional FEM method. - We reach high computational speed on standard machines for muscle complex simulations compared to FEM. Real-time simulation of specific person’s muscle strain and force is performed with an activation input updated in real-time from surface EMG measures.- Muscle modeling requires interdisciplinary knowledge from different research team members. The multi-model approach allows collaborative work, where each specialist focuses only on its area of expertise thanks to the modular designed modeling.

Concevoir des moyens de mobilité plus sûrs et plus légers est un défi majeur des constructeurs automobiles. Dans ce contexte, l'intégration des matériaux dans le pneumatique a elle aussi été soumise à de nouvelles exigences : concilier performances et économie d'énergie. Les renforts traditionnels à forte densité comme les tréfilés d'acier sont peu à peu et en partie remplacés par des matériaux polymères hautes-performances plus légers tel que le para-aramide. Le Kevlar® est le nom industriel du composé polyamide aromatique : poly(paraphénylène téréphtalamide), intégré à l'architecture du pneumatique sous forme d'un fil torsadé. La structure rigide et fortement orientée de l'aramide confère à ce polymère de hautes performances mécaniques, telles qu'un module élevé dans la direction longitudinale, de l'ordre de 85GPa, et une grande résistance mécanique de plus de 2.8GPa. Les hautes performances de cette fibre de 15 micromètres de diamètre sont dues à son organisation multi-échelles isotrope transverse avec des liaisons covalentes dans la direction longitudinale et des liaisons de plus faibles énergies dans la direction radiale. L'objectif de cette étude est de comprendre, à l'échelle de la fibre unitaire, les corrélations entre l'architecture microstructurale et la réponse mécanique dans les directions longitudinale et transverse. Une approche expérimentale multi-échelle a été adoptée (Extensometrie Raman, DRX, MEB, caractérisation mécanique sur fibre unitaire), couplée à l'outil numérique afin d'apporter des nouveaux éclairages sur les micro-mécanismes de dissipation. Ce travail a mené à une identification expérimentale du comportement mécanique anisotrope ainsi qu'à établir une limite de plasticité transverse. De plus, grâce à l'approche numérique, une architecture cœur/peau a été mise en avant en modélisant le comportement par une loi viscoélasto-viscoplastique anisotrope. Enfin, des éléments sur le couplage thermo-mécanique sont apportés en vue de mieux comprendre le cycle de vie de la fibre au sein du pneumatique. / Designing safer and lighter vehicles is a major challenge for manufacturers. Nowadays, a vehicle needs to be eco-friendly and conciliate efficiency and energy-saving. Considering these requirements, tire materials are subject to change: high performance polymers are a good replacement, in terms of weight and dissipation, for traditional reinforcements such as drawn steel. For instance, aramid strands (1000 fibres) are used because the single fibre exhibits good mechanical properties such as its high modulus (85 GPa) conferred by its anisotropy or its high temperature resistance. The mechanical performance of a Kevlar® fibre is due to its different scale organisation : the primary (molecular chains held by covalent bonds), the secondary (pleated sheets held by interactions) and the tertiary structure (sheets stacked together). Because of the cooling thermodynamics during the fabrication process, the 15 microns diameter fibre seems to have a skin/core structure with punctual more or less critical defects. To go further in the understanding of the complex structure, the contribution of the skin/core structure in the mechanical performance in the longitudinal and the transverse directions is investigated through a multi-disciplinary approach made of a numerical and an experimental study. During its use, an aramid single fibre undergoes cyclic multiaxial loading and harmful thermal treatments, at the origin of structural and mechanical properties modifications but also dissipative behaviour evolution, still misunderstood. To deal with these change in depth, an experimental and numerical multi-scale characterisation is used. Mechanical and thermal treatments are realised and their impact on the microstructure, on the deformation micromechanisms and on the mechanical properties including the dissipative behaviour are investigated. Limiting use values in terms of temperature, longitudinal and transverse stresses are highlighted in this work in order to understand modifications enhanced by the fibre life cycle.

Que ce soit dans le domaine médical ou en contrôle non destructif, les systèmes d’imagerie ultrasonore sont devenus de plus en plus utilisés de nos jours. Leurs applications ne cessent de s’élargir et des performances toujours plus accrues sont vivement recherchées, afin d’améliorer la qualité des diagnostics réalisés. Nous sommes donc passés de l’utilisation de systèmes à base de transducteurs ultrasonores mono-élément à des systèmes utilisant des réseaux de transducteurs à une dimension (1D) et à deux dimensions (2D) composés d’éléments de plus en plus nombreux et petits. Néanmoins, un phénomène indésirable est fortement présent dans ces réseaux de transducteurs ultrasonores : il s’agit du couplage inter-éléments tendant à limiter leurs performances acoustiques et à modifier leur diagramme de rayonnement. Tout au long de ce travail de recherche, nous avons donc cherché à comprendre ce phénomène parasite et à apporter des solutions pour le réduire voire le supprimer. En se basant sur des modélisations éléments finis 2D et 3D et grâce à la fabrication de prototypes, nous avons d’une part, mis en évidence les différents types de couplages présents dans un réseau de transducteurs (acoustique, mécanique) et d’autre part, deux méthodes de correction basées l’une comme l’autre sur l’application de tensions convenables aux différents éléments du réseau ont été testées. La première méthode utilise les déplacements normaux moyens à la surface de chaque élément du réseau pour évaluer ces tensions, tandis que la deuxième fait appel aux courants motionnels parcourant chaque élément pour les déterminer. Les résultats numériques et expérimentaux concernant les déplacements et les diagrammes de rayonnement sont en bon accord. En outre, les deux méthodes s’avèrent particulièrement efficaces pour réduire le couplage inter-éléments. / Whether in medicine or in non-destructive testing, ultrasonic imaging systems have become increasingly used nowadays. Their applications continue to expand and good performances are needed to improve the quality of the diagnosis. Moreover, significant progress has been made since these systems were originally based on single element ultrasonic transducers and are now made of mono-dimensional (1D) and bi-dimensional (2D) elements arrays ever more numerous and smaller. However, an undesirable phenomenon is strongly present in the ultrasonic transducer arrays: it is the cross-talk, which limits their acoustic performances and modifies their radiation pattern. Throughout this research, we have attempted on one hand to understand this parasitic phenomenon and on the other hand to provide solutions in order to reduce it or even remove it. To highlight the cross-talk types (acoustic and mechanical) and to test the proposed correction methods, we developed two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) finite element modeling and fabricated some prototypes. Both correction methods rely on the application of suitable voltages to the array elements. The first method uses the average of the normal displacements at the surface of each element to evaluate the voltages, while the second one utilizes the motional currents through each element to determine them. The numerical and experimental results concerning the displacements and the radiation patterns are in good agreement. In addition to this, both methods have been efficiently performed to reduce the cross-talk.

Les travaux présentés dans cette thèse traitent de la modélisation par la méthode des éléments finis de configurations de contrôle non destructif par courants de Foucault. Un code de calcul programmé en langage C++, s'appuyant sur la discrétisation en trois dimensions des équations de Maxwell en régime harmonique a été développé. Deux formulations magnétodynamiques duales en potentiels combinés "a − psi" et "t −phi " ont été mises en oeuvre. Des éléments de Whitney étraédriques du premier ordre ont été utilisés. Les potentiels scalaires sont discrétisés aux noeuds des éléments et les potentiels vecteurs à leurs arêtes. Le travail présenté dans ce mémoire aborde un cas précis mais de grande importance parmi les applications du CND par CF. Il s'agit des défauts de faible ouverture (fissures), qui sont fréquemment rencontrés en CND. Leur détection permet de prévenir la destruction des pièces en fonctionnement et d'augmenter la fiabilité des produits industriels. Leur prise en compte par la MEF peut être délicate car leur maillage conduit à une forte densité d'éléments ou à des éléments déformés. C'est dans ce contexte qu'un modèle a été développé pour faciliter la modélisation de ce type de défauts. L'idée consiste à considérer la fissure comme une surface non conductrice imperméable au courant. Pour assurer le bon comportement des différentes grandeurs électromagnétiques, des conditions aux limites appropriées sont appliquées sur la surface de la fissure. Ces conditions sont prises en compte par la formulation électrique a− psi en dédoublant les degrés de liberté (potentiel scalaire électrique) attachés aux noeuds de la surface de la fissure de part et d'autre de celle-ci. Par la formulation magnétique t− phi en annulant la circulation du potentiel vecteur électrique t sur les arêtes appartenant à la surface de celle-ci. La résolution simultanée des deux formulations a−psi et t−phi par la MEF permet de vérifier au sens fort toutes les équations de Maxwell. Les résultats obtenus se complètent et les erreurs numériques dues aux discrétisations se traduisent sous forme d'une non-vérification des lois de comportement. Cela a permis, en utilisant cette propriété de complémentarité de deux formulations, de définir des indicateurs d'erreur afin de développer une procédure d'adaptation automatique de maillage. Plusieurs types d'estimateurs d'erreur ont été définis et étudiés sur différents cas test.