Comme la majorité des matériaux utilisés en photoélasticité affichent un comportement de nature viscoélastique, le problème fondamental de la photoélasticité dynamique consiste donc en la formulation d'une loi générale permettant de relier l'effet photoélastique observé, c'est-à-dire la biréfringence, à sa cause mécanique provenant de l'existence de contraintes et de déformations dans le matériau. Dans le but de contribuer à l'étude de ce problème, nous avons réalisé un montage permettant d'exciter harmoniquement une éprouvette viscoélastique dont une extrémité demeure fixe. La force est mesurée à cette extrémité, le déplacement à l'extrémité mobile et la biréfringence est obtenue au centre de l'éprouvette. Une relation phénoménologique mécanique, basée sur le moule de Kelvin-Voigt, permet alors d'obtenir les valeurs de la contrainte et de la déformation en ce point. Les angles de phase entre ces deux dernières variables et la biréfringence sont déterminés avec précision à partir de deux figures de Lissajoux obtenues simultanément. Il a été constaté rue pour le CR-39 et l'Araldite 502, la biréfringence accuse un retard sur la déformation. Les résultats expérimentaux sont ensuite utilisés pour étudier une loi de comportement mécanique-optique, en l'occurence, la loi de Coker-Filon. Une analyse théorique basée sur la représentation vectorielle de la loi permet d'en déterminer la valeur des coefficients pour le cas de contraintes uniaxiales. Ces derniers sont obtenus pour quelques fréquences et températures mais le nombre restreint des essais effectués ne permet pas de rejeter cette loi ou encore de conclure à sa validité. Une vérification approximative rend possible l'obtention de valeurs de constantes photoélastiques de Maxwell qui sont au voisinage des valeurs statiques connues. || Since most materials used in photoelasticity show a viscoelastic behaviour, the foundamental problem of dynamic photoelasticity is the formulation of a general law relating the observed photoelastic effect or birefringence to its mechanical cause which is manifested by the existence of stresses and strains in the material. With the intention of contributing to the solution of this problem, we have designed an apparatus which permits the harmonic excitation of a viscoelastic specimen , one end of which is fixed. The force is measured at this end, displacement at the driven end and birefringence is obtained at the center of the specimen. A phenomenological mechanical relation based on the Kelvin-Voigt model, enables one to obtain the values of stress and strain at this point. The phase difference between these latter two variables and birefringence were accurately determined from two simultaneously recorded Lissajoux figures. It is noteworthy that for the two materials tested, namely CR-39 and Araldite 502, birefingence lags strain which in turn lags stress. These experimental results were utilized to study the Coker-Filon mechanical-optical behaviour law. A theoretiacal analysis based on a vectorial representation of this law makes possible the determination of the coefficients for the case of uniaxial stress. These were obtained for a number of frequencies and temperatures, however the number of observations was insufficient to prove of disprove the validity of the Coker-Filon law. In addition the Maxwell photoelastic constants were found to be in the vicinity of the known static values when the material was considered elastic and the signs of the coefficients accounted for.

En 1941, Weller a étudié la propagation de la lumière diffusée voyageant dans un milieu photoélastique linéaire et proposé une méthode d'utilisation de la lumière diffusée pour déterminer, dans certains cas, le champ de contraintes dans un modèle tridimensionnel. Cette méthode présentait des avantages marqués sur la méthode dite du "figeage des contraintes" car elle ne nécessitait pas le découpage physique du modèle. Cependant, elle connut un développement initial lent à cause des difficultés rencontrées dans la mesure de très faibles intensités lumineuses. La mise sur le marché, dans les dernières années, d'appareils de mesure ultra-sensibles a donné un regain de popularité à 1'utilisation de la lumière diffusée. La méthode de Weller a depuis été modifiée par Frocht et Srinath, Cheng et Guillemet-Robert. Ces deux dernières équipes ont mis au point et par la suite commercialisé des photoélasticimètres tridimensionnels utilisant la lumière diffusée. Cheng a récemment démontré que son appareil légèrement modifié allié à un calculateur digital permettait l'obtention automatique du champ de contraintes du modèle. La méthode Cheng est basée sur la mesure des intensités de deux rayons de lumière diffusée émergents du modèle alors que la méthode Guillemet-Robert fait appel à la sphère de Poincaré pour analyser la forme d'un rayon émergent.

Les travaux effectués dans le cadre de cette maîtrise en astrophysique ont eu pour objectif d'améliorer et de caractériser le prochain polarimètre mis en fonction à l'Observatoire du Mont-Mégantic. Le polarimètre, POMM (Polarimètre de l'Observatoire du Mont-Mégantic), est le fruit d'une collaboration entre l'Institut National d'Optique (INO) et l'Université de Montréal, dont la construction a été basée sur une amélioration de celle de PlanetPOL présentée dans Hough et al. 2007. Dans cet objectif, l'intégralité du câblage de l'instrument a été revu, en deux étapes. Une caractérisation des données observationnelles a été effectuée suite à chaque modification majeure. Le système d'acquisition de la moitié des signaux critiques a été remplacé par une solution plus adéquate permettant une meilleure précision. Un code de réduction de données a aussi été écrit, rendant possible la transition entre les mesures brutes et des données de polarisation utilisables. Finalement, des missions d'ingénierie et d'observation scientifique ont été réalisées à l'Observatoire du Mont-Mégantic pour effectuer l'intégration de l'instrument, en tester les capacités en situation réelle et obtenir des données scientifiques sur divers types d'objets astronomiques. Suite à ces travaux, il est possible d'affirmer que le fonctionnement de POMM s'en trouve optimisé et que ce dernier peut être utilisé plus efficacement et facilement par les chercheurs de l'Observatoire du Mont-Mégantic. / The work accomplished in the scope of this master's thesis in astrophysics was done with a goal in mind: to upgrade and characterize the next astro-polarimeter of the Observatoire du Mont-Mégantic. POMM (Polarimètre de l'Observatoire du Mont-Mégantic), the result of a collaboration between the Institut Nationnal d'Optique (INO) and the Université de Montréal, has been built as an upgraded version of PlanetPOL as presented in the Hough et al. 2007 paper. With this objective set, the whole cabling work has been re-thought and done in two stages. A characterization of the observational data has been made after each major update to the instrument. Half of the data acquisition system for the critical signals was replaced by a more precise component. A data reduction code was written, enabling the transition from the bulk signals to usable polarization measurements. Moreover, commissioning and observational time was obtained at the Observatoire du Mont-Mégantic. The time was used to integrate POMM to the OMM's available intruments, to test its response in real situations and to obtain scientic data on diverse astronomical objects. Following the upgrades, POMM's working is more optimised and the instrument can be installed and used more easily by the OMM's researchers.

Cette thèse porte sur la force de résistance au mouvement à faible vitesse d'un objet (sphère, cylindre ou disque) dans un empilement de grains dense et sec. Des expériences ont été menées sur deux dispositifs permettant un mouvement à vitesse contrôlée, en s’intéressant à l’influence des tailles des objets et des grains, des conditions aux limites de l’empilement, de la gravité, et d’une éventuelle vibration de l’empilement. Dans un premier dispositif expérimental permettant un mouvement vertical, nous avons consacré une partie importante de ce travail à l'étude de la forte asymétrie de la force lors de cycles de pénétration/extraction d’un cylindre horizontal et d’une sphère. Pour tenter de comprendre l'origine de cette asymétrie, différentes conditions aux limites ont été considérées : parois rigides ou souples sur les côtés ou au fond de l’empilement, surface libre ou surmontée d’un couvercle plus ou moins chargé en haut de l’empilement. La longueur caractéristique issue du champ de vitesse des grains autour d'un cylindre a été montrée comme la longueur pertinente à considérer pour le confinement latéral, ainsi que pour les déformations de la surface libre telles que la formation d’un cratère consécutif à la pénétration ou d’une bosse lors de l’extraction. Ces déformations peuvent être retrouvées par intégration d’un modèle de champ de vitesse autour de l’objet. La présence d'un couvercle chargé a par ailleurs permis de mettre en évidence une riche et complexe variété de comportements, notamment en extraction où la force ne diminue plus avec la profondeur de l’objet. Dans un second dispositif permettant le mouvement horizontal d’un gros disque intrus à l’intérieur d’une couche de petits disques photoélastiques vibrés ou non, nous avons mesuré la force globale sur l’intrus et visualisé les distributions de contraintes au sein du milieu granulaire. Au-delà des importantes fluctuations spatio-temporelles, des valeurs moyennes de force sur l’intrus et des tenseurs locaux de contraintes et taux de déformations autour de l’intrus ont pu être obtenus, dans la perspective d’établir une loi de comportement locale pour le milieu. La vibration de la couche de grains a été montré pouvoir changer considérablement la dépendance de la force avec la vitesse de l’intrus, avec un effet de fluidification du milieu. / This thesis focuses on the force of resistance to the slow motion of an object (sphere, cylinder or disk) in a dense and dry granular medium. Experiments were conducted using two devices that permitted movement at constant velocity, with the aim of studying the influence of the object size, the grain size, the boundary conditions, and vibration of the grains. Using the first device in which the object moved vertically, we studied in detail the strong asymmetry of the resistance force during cycles of penetration/withdrawal of a horizontal cylinder and a sphere. In an attempt to understand the origin of this asymmetry, we implemented different boundary conditions: rigid and deformable walls on the sides and/or the bottom of the device, and free and quasi-rigid (loaded cover) conditions at the top. Previous work has shown that the characteristic length scale of the velocity field around a moving cylinder is the relevant length for both the lateral confinement and the deformation of the free surface, such as the formation of a crater during penetration or a mound during withdrawal. These deformation fields can be found by integrating a model of the velocity field around the object. Our use of a loaded-cover boundary condition has also revealed a variety of complex behaviors, including a force that no longer decreases with the depth of the object during the withdrawal phase. The second device allows the horizontal movement of a large hard intruder into a monolayer of small photoelastic disks which could be vibrated or not. Using this, we measured the overall force on the intruder and visualized the stress distribution in the granular medium. We were able to measure not only the large spatio-temporal velocity fluctuations, but also average values of the force on the intruder and the local stress and strain rate tensors around it, which allowed us to determine a local constitutive law for the medium. Finally, we have shown that vibration of the grains significantly changes the dependence of the force on the intruder speed, indicating a fluidization effect.

La bande transporteuse est utilisée dans l’industrie pour acheminer de la matière ou des objets dans de multiples domaines d’applications tels que les mines souterraines ou aériennes, les carrières, l’industrie alimentaire, l’industrie agricole ou les supermarchés. Ses composants lui permettent de travailler dans des conditions extrêmement difficiles. L’intérêt est porté sur les bandes transporteuses de mines de fond dont les contraintes de fonctionnement et d’acheminement sont particulières. En effet, la bande est acheminée sur rouleaux et jonctionnée sur le site de l’utilisateur pour former une bande sans fin. La jonction est le point faible de la bande transporteuse car sa résistance représente 50% seulement de la force de rupture nominale de la bande. L’objet de cette étude est de proposer une nouvelle solution de jonctionnement.Après avoir analysé les différentes contraintes mécaniques et chimiques auxquelles la bande transporteuse est soumise, une étude comparative sur les différents types de jonctions a été menée.Il y a les jonctions chimiques et les jonctions mécaniques. Chacune a des avantages et des inconvénients en termes de coût ou de longévité, qui ont été présentés. Dans un troisième temps, une étude a été menée sur la compréhension du comportement de rupture de la jonction mécanique. L’étude sur la jonction a été réalisée à l’aide d’un montage expérimental conçu spécifiquement. L’influence des paramètres de la jonction a pu être évaluée grâce à un nouvel indicateur adimensionnel représentant l’efficacité de la jonction par rapport à la bande normale (Junction Tensile Strength Efficiency : JTSE). Dans un quatrième temps, une étude a été faite sur un système de jonction innovant par couture. La jonction réalisée a été testée sur un banc de traction pour en vérifier l’efficacité, puis des essais ont été effectués sur un banc dynamique pour en étudier la fatigue. La jonction cousue est une innovation qui permet de dégager de nouvelles perspectives dans le jonctionnement des bandes transporteuses. / The conveyor belt is used as a material and object transportation tool in a lot of industries such as underground mines, quarries, food industries, agribusinesses or supermarkets. The studied subject is the underground mine conveyor belt, because of their transportation and use difficult conditions.Indeed, the conveyor belt must be cut to be dispatched using belt reeling and joined afterwards in the underground mine forming an endless belt. However, the junction is the weakest part of the conveyor belt due to the 50% belt weakening. The aim of this study is to propose a new junction solution. After analysing the underground belt mechanical and chemical use conditions, the different junction types have been analysed. A junction advantage and inconvenience comparison has been presented. Then, the junction mechanical behaviour has been studied using an original mechanical setup reproducing the mechanical junction. The different parameter influence has been evaluated using a new adimensional indicator called junction tensile strength efficiency. In the last part, a new junction solution made by a sewn has been explored. The sewn junction tensile efficiency has been tested on a tensile strength machine and its fatigue efficiency has been verified through dynamic tests. New outlines in the conveyor belt joining are open as a result of the sewn junction solution development.

La propagation d'ondes sonores dans des empilements granulaires présente des comportements originaux et mal-élucidés liés à l'aspect divisé de ces matériaux. Ceux-ci se comportent notamment comme des milieux désordonnés et non-linéaires. Notre étude est originale car nous employons des grains photoélastiques. Couplés à une caméra rapide, nous visualisons le champ de déformation associé à la propagation de l'onde sonore. Nous abordons d'abord le cas de l'empilement le plus simple : une chaîne unidimensionnelle de grains cylindriques en contact. Nous étudions la propagation d'impulsions sonores dans les deux cas où leurs amplitudes sont petites (régime linéaire) ou grandes (régime non-linéaire) devant la force de confinement statique appliquée à la chaîne. Dans le premier cas, nous observons l'effet des imperfections de surface des grains sur la vitesse des ondes. Nous constatons aussi que la dissipation est essentiellement due au frottement solide. Pour les grandes amplitudes, l'impulsion initiale se décompose en un train de pics d'amplitudes décroissantes, de largeurs comprises entre 3 et 4 grains et de vitesses supersoniques. La vitesse du pic principal, adimensionnée par la vitesse du son linéaire, ne dépend que du rapport entre l'amplitude de l'onde et la force statique. Ces observations sont interprétées en généralisant les résultats de Nesterenko. Nous présentons ensuite le cas des empilements bidimensionnels. Les ondes linéaires se propagent dans les chaînes de forces et leurs vitesses croient avec la force statique. Elles restent cependant toujours inférieures à celles mesurées à 1D. Cela suggère que la dynamique de l'onde le long d'une chaîne de force est influencée par les contacts latéraux à cette chaîne de force.

Cette thèse porte sur la force de résistance au mouvement à faible vitesse d'un objet (sphère, cylindre ou disque) dans un empilement de grains dense et sec. Des expériences ont été menées sur deux dispositifs permettant un mouvement à vitesse contrôlée, en s'intéressant à l'influence des tailles des objets et des grains, des conditions aux limites de l'empilement, de la gravité, et d'une éventuelle vibration de l'empilement. Dans un premier dispositif expérimental permettant un mouvement vertical, nous avons consacré une partie importante de ce travail à l'étude de la forte asymétrie de la force lors de cycles de pénétration/extraction d'un cylindre horizontal et d'une sphère. Pour tenter de comprendre l'origine de cette asymétrie, différentes conditions aux limites ont été considérées : parois rigides ou souples sur les côtés ou au fond de l'empilement, surface libre ou surmontée d'un couvercle plus ou moins chargé en haut de l'empilement. La longueur caractéristique issue du champ de vitesse des grains autour d'un cylindre a été montrée comme la longueur pertinente à considérer pour le confinement latéral, ainsi que pour les déformations de la surface libre telles que la formation d'un cratère consécutif à la pénétration ou d'une bosse lors de l'extraction. Ces déformations peuvent être retrouvées par intégration d'un modèle de champ de vitesse autour de l'objet. La présence d'un couvercle chargé a par ailleurs permis de mettre en évidence une riche et complexe variété de comportements, notamment en extraction où la force ne diminue plus avec la profondeur de l'objet. Dans un second dispositif permettant le mouvement horizontal d'un gros disque intrus à l'intérieur d'une couche de petits disques photoélastiques vibrés ou non, nous avons mesuré la force globale sur l'intrus et visualisé les distributions de contraintes au sein du milieu granulaire. Au-delà des importantes fluctuations spatio-temporelles, des valeurs moyennes de force sur l'intrus et des tenseurs locaux de contraintes et taux de déformations autour de l'intrus ont pu être obtenus, dans la perspective d'établir une loi de comportement locale pour le milieu. La vibration de la couche de grains a été montré pouvoir changer considérablement la dépendance de la force avec la vitesse de l'intrus, avec un effet de fluidification du milieu.

Ce travail de thèse a pour objectif la reproduction et l'analyse du comportement invariant d'échelle, tel que l'on peut le trouver dans la nature et en particulier au niveau d'une faille tectonique. Pour cela, une expérience reproduisant la structure locale d'une faille par le cisaillement d'un milieu granulaire 2D a été montée et exploitée. L'utilisation de conditions aux limites périodiques dans cette expérience permet l'acquisition d'une statistique très riche, principal défaut des expériences présentes dans la littérature. Le suivi du système est effectué à la fois par des moyens optiques, mécaniques et acoustiques, ces derniers fournissant les informations les plus nombreuses et les plus précises. La dynamique a montré une invariance d'échelle compatible avec les lois statistiques existantes pour les tremblements de terre réels. Les corrélations entre les avalanches et entre les différents moyens de mesure sont analysées. Des expériences complémentaires ont été réalisées pour mieux comprendre les mécanismes à l'œuvre lors du déclenchement d'une avalanche et pendant son déroulement. La principale concerne la propagation d'une onde acoustique au sein d'un milieu granulaire, et a montré qu'une simple mesure de la vitesse de l'onde permet d'obtenir des informations sur la structure interne de l'empilement. L'utilisation d'un matériau photoélastique a permis, suite à une calibration adaptée, de sonder les forces locales au niveau des contacts entre grains et de voir l'évolution des réseaux de force dans le milieu au cours du cisaillement / The aim of this thesis is to reproduce and analyze the scale invariant behavior, as one can find in nature and in particular for a tectonic fault. Thus we set an experiment which reproduces the local structure of a fault thanks to a sheared 2D granular medium. The use of periodic boundaries in the experiment allows us to gain a very rich statistics, which was lacking in previous experiments presented in the literature. The system is monitored by three different methods: optical, mechanical and acoustics, which gives the most numerous and most precise informations. We observed scale invariant dynamics, consistent with statistical laws derived for real earthquakes. We also analyzed the correlations between avalanches and between the three monitoring methods. Additional experiments have been performed to better understand the mecanisms that take place at the triggering and during an avalanche. The main one focuses on sound wave propagation inside a granular pile, and we have shown that a mere velocity measure can give information about the internal structure of the pile. The use of a photoelastic material allows us (with appropriate calibration) to probe local forces at the edges and contacts of the grains and to see the evolution of force chains during the shear

Le silicium obtenu par croissance cristalline de lingots massifs est l'une des matière les plus utilisées dans l'industrie du photovoltaïque (PV) en tant que substrat. Des contraintes résiduelles faibles apparaissent durant les procédés thermiques et mécaniques de fabrications. Malgré leurs faibles intensités, ces contraintes sont néfastes et induisent des casses importantes durant la mise en forme et la mise en fonctionnement des cellules solaires. Le but de l'étude est de caractériser ces contraintes résiduelles. La photoélasticimétrie infrarouge est une méthode adaptée pour déterminer ces champs de contraintes de quelques MPa de façon non-destructive, sans contact et in-situ à l'échelle du substrat. Un dispositif spécifique a été développé afin de mener à bien l'étude. Les origines des contraintes résiduelles ont été mises en relation avec les différents procédés de fabrication. / During the fabrication of crystalline silicon wafers for solar panels, destructive residual stresses are induced. Both thermal gradient (cast or Czochralski process) and cutting processes (slurry or diamond wire based processes) bring these global stresses. Photoelasticimetry appears as a powerful method able to measure this low level of stresses. As an optical technique, it is non-destructive, contactless and it may be used in-situ. A full field automatic infrared polariscope has been made to study the residual stresses at the wafer level. The origin of the residual stresses has been dissociated. Two different cutting processes are mechanically compared.

La majorité des produits verriers du marché sont issus d’une opération de mise en forme à hautes températures, suivie d’une phase de refroidissement contrôlé afin d’éliminer (verre recuit) ou générer (verre trempé) des contraintes résiduelles. Le comportement mécanique du verre étant fortement thermo-dépendant, le contrôle des températures est un élément déterminant pour le succès du procédé de fabrication. Lors de la simulation numérique, pour ce milieu semi-transparent, les échanges thermiques par conduction et par rayonnement sont à considérer. La résolution de l’ETR (Equation de Transfert Radiatif) est menée dans cette thèse par le biais de la « Méthode P1 » et le « Back Ray Tracing » (BRT). Les deux codes développés ont été validés par l’étude comparative avec les données en températures et en contraintes résiduelles issues de la littérature sur le refroidissement dans l’épaisseur du verre soumis à des conditions variées en convection naturelle et forcée. Une expérimentation qui consiste à refroidir un disque de verre sur un support métallique a été développée dans le but de comparer les températures et contraintes générées par l’expérimentation et par la modélisation issue du couplage thermomécanique avec les deux codes P1 et BRT. De manière plus originale, la méthode BRT a été étendue à des géométries de révolution. Une première approche a consisté à étudier le fluage d’une goutte de verre et à analyser l’influence du choix du modèle de résolution de l’ETR sur les températures et les géométries au cours de la mise en forme. / Most of glass products on the market come from a high-temperature forming operation, followed by a controlled cooling phase to remove (annealed glass) or generate (tempered glass) residual stresses. Since the mechanical behaviour of the glass is highly thermo-dependent, temperature control is a determining factor for the success of the manufacturing process. During numerical simulations, for this semi-transparent medium, heat exchanges by conduction and radiation have to be considered. In this work, the resolution of the ETR (radiative transfer Equation) is carried out using the "P1 method" and the "Back Ray tracing" (BRT). The two developed codes were validated by the comparative study with the temperature and residual stresses data from the literature on cooling in the thickness of the glass subject to various conditions in natural and forced convection. An experimentation which consists in cooling a glass disk on a metal support was developed in order to compare the temperatures and stresses generated by the testing and by the modelling resulting from the thermomechanical coupling with the two codes P1 and BRT. In a more original way, the BRT method was extended to revolving geometries. A first approach was to study the creep of a glass gob and to analyze the influence of the choice of the ETR's resolution model on the temperatures and geometries during the forming.