Les études sur les procédés de soudage et sur la fiabilité des structures assemblées apparaissent actuellement comme un domaine de recherche actif, ouvert et complexe, car elles nécessitent de combiner de nombreuses connaissances dans différents domaines de la physique, de la mécanique et des procédés. La distribution des contraintes résiduelles joue un rôle important dans la vie des structures en favorisant la rupture par fatigue ou par fissuration. Ainsi, une meilleure compréhension des contraintes résiduelles évite l'utilisation de facteurs de sécurité plus élevés et, par conséquent permet de mieux optimiser le cycle de vie des structures soudées. A travers ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés au soudage par laser d’un acier dual phase DP600, soudé en configuration par recouvrement, dont l’application est l’utilisation dans le domaine automobile. Cette thèse présente deux volets : un volet expérimental et un volet numérique.L’étude expérimentale nous a permis d’une part d’appréhender les conséquences métallurgiques et mécaniques du procédé laser sur l’acier DP600 et d’autre part d’utiliser et de valider les résultats numériques des modèles développés. L’étude numérique a eu pour objectif de prédire l’histoire thermique, métallurgique et l’évolution des caractéristiques mécaniques des tôles soudées par faisceau laser. Nous avons développé, sur un code de calcul par élémentsfinis Abaqus, trois modèles numériques. Le modèle thermomécanique, nous a permis de simuler la distribution spatio-temporelle de la température. Dans ce cas, le chargement appliqué est dépendant des paramètres du procédé etdes caractéristiques du faisceau laser et est associé à des conditions aux limites. Pour le modèle mécanique, nous avonsconsidéré un comportement élasto-plastique avec un chargement thermique transitoire, résultat du modèle thermique.Le deuxième modèle thermo-métallurgique nous a permis de simuler les phénomènes d’austénisation pendant la phase de chauffage (modèle de Waeckel) et de prendre en compte les fractions volumiques des phases martensitiques générées par les transformations de phases austénite–martensite lors du refroidissement (modèle de Koistinen-Marburger). Enfin, dans la dernière partie de simulation, nous avons réalisé le couplage thermo-metallo-mécanique. Les résultats obtenus dans la partie précédente, ont été implémentés dans deux modèles mécaniques : le modèle mécanique classique et le modèle mécanique avec prise en compte de la déformation liée aux effets de dilatation métallurgique. Cet effet a été intégré à travers le coefficient de dilatation thermique des phases ferritiques et martensitiques et des fractions volumiques obtenues à partir du modèle thermo-métallurgique. Les résultats ont montré que la répartition des contraintes résiduelles dans la zone de fusion et dans la zone affectée thermiquement sous l’effet de la déformation thermo-métallurgique donne des valeurs supérieures à celles estimées par le modèle élasto-plastique classique. / Studies on welding processes and the reliability of assembled structures currently appear as an area of active research, open and complex as they need to combine knowledge in many different fields of physics, mechanics and processes. The distribution of residual stress plays an important role in the life of welded structures by promoting fatigue failure or cracking. Thus, a better understanding of residual stress avoids the use of higher safety factors and therefore helps to optimize the life cycle of welded structures. Through this work, we are interested in laser welding of steel DP600 dual phase welded overlap configuration, the application is the use in the automotive field. This thesis has two components: an experimental and a numerical part. The experimental study allowed us, firstly to understand the metallurgical and mechanical effects of laser welding on steel DP600 and secondly to use and validate the numerical results of the developed models. The numerical study aimed to predict the thermal history, and metallurgical changes in mechanical properties of laser beam welded sheets. We have developed three numerical models by using a finite element code inside Abaqus. The thermomechanical model allowed us to simulate the temporal and spatial distribution of temperature. In this case, the applied load is dependent on the processing parameters and characteristics of the laser beam and is associated with boundary conditions. For the mechanical model, we considered an elastoplastic behavior with a transient thermal loading result of the thermal model. The second thermo-metallurgical m odel allowed us to simulate the phenomena austenitizing during the heating phase (Waeckel model) and take into account the volume fraction of martensitic phase transformations generated by the austenite-martensite transformation during cooling (Koistinen-Marburger model). Finally, in the last part of simulation, we have achieved the metallothermo- mechanical coupling. The results obtained in the previous section have been implemented in two mechanical models: the classical mechanics model and the mechanical model taking intoaccount the deformation due to the effects of metallurgical expansion. This effect has been built through the coefficient ofthermal expansion of ferritic and martensitic phases and volume fractions obtained from the thermo-metallurgical model. The results showed that the distribution of residual stresses in the fusion zone and the heat affected as a result of the eformation thermometallurgical field gives values higher than those estimated by the classical elastic-plastic model.

L'amélioration des moteurs à allumage commandé représente un défi de première importance pour les ingénieurs afin de produire plus d'énergie, de consommer moins de matière première et de réduire les émissions polluantes. Les nouvelles technologies apparues ces dernières années amènent les moteurs de plus en plus proches de leurs limites de fonctionnement, favorisant ainsi des phénomènes néfastes qui doivent être contrôlés. Parmi ces phénomènes, les variations cycle-à-cycle (VCC) doivent être minimisées pour garder une performance optimale et éviter une dégradation rapide du moteur. La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est un outil prometteur afin de prédire numériquement les niveaux de variabilités obtenues lors du design d'un moteur (limitant ainsi les coûteuses campagnes de mesures expérimentales). Ce manuscrit s'est attaché à développer une méthodologie numérique pour la prédiction des variabilités cycliques, à simuler un nombre suffisant de cycles pour pouvoir estimer les niveaux de VCC et à valider les résultats obtenus par rapport aux résultats expérimentaux. La SGE semble capter les points de fonctionnements stable et instable étudiés. Les sources qui provoquent ces VCC ont aussi été analysées et une modification du fonctionnement du moteur a été proposée afin de réduire les VCC. / The improvement of the spark ignition engines is a major challenge for engineers in order to produce more energy, to minimize fuel consumption and to reduce the pollutant emissions. The new technologies which appear in the last years bring the engines closer to their stability limit while increasing various unwanted phenomena. Among these phenomena, cycle-to-cycle variation (CCV) need to be minimized in order to keep the performances as high as possible and avoid damages on the engines. Large Eddy Simulation (LES), which is a very promising tool in order to predict the level of CCV of a given engine, has been used in the present document to simulate a mono-cylinder spark ignition engine. The present document presented a numerical methodology for the prediction of CCV, numerous engine cycles were simulated by LES in order to validate the results in comparison to the experimental findings. The LES seems to be able to capture stable and instable (in terms of CCV) operating points of the engine. In addition, the sources of CCV were also analyzed and a modification of the engine has been proposed to reduce CCV.

La maintenance, la réparation et le renforcement de murs en maçonnerie par matériaux composites collés nécessitent le développement de méthodes et techniques d'évaluation de l'aptitude au service et de requalification tant pour leur restauration fonctionnelle que pour leur adaptation à de nouvelles contraintes (évolution du zonage sismique par exemple). Le présent travail de thèse a pour objectif de proposer un outil d'évaluation par calcul de l'état limite ultime de murs en maçonnerie, renforcés par composites collés, chargés dans leur plan.Les travaux effectués concernent la modélisation par homogénéisation de murs en maçonnerie et une campagne expérimentale de caractérisation du transfert de charge entre un renfort en tissu de fibres de carbone et un support en blocs creux de béton par le biais d'un joint de colle. Pour modéliser la résistance des murs maçonnés, nous proposons une loi élastique parfaitement plastique pour le comportement dans le plan d'une maçonnerie constituée de blocs liés par des joints de mortier. Le convexe de plasticité est obtenu par une technique d'homogénéisation périodique qui prend en compte la nature tridimensionnelle de la cellule de base. On obtient alors un convexe limité par plusieurs surfaces de charge. Un algorithme numérique original est ensuite proposé et programmé dans le logiciel aux Eléments Finis ABAQUS. Des simulations numériques utilisant le module développé sont présentées / Maintenance, repair and reinforcing of masonry walls with composite materials glued require the development of methods and techniques for evaluating the suitability for service and retraining for both their functional restoration for their adaptation to new constraints (changes seismic zoning for example). This thesis aims to propose an evaluation tool by calculating the limit state of masonry walls,reinforced bonded composite, loaded in their plane.The work done on modeling by homogenization of masonry walls and acampaign experimental characterization of charge transfer between a reinforcement of carbon fiber fabric and a backing of hollow blocks concrete by means of an adhesive joint. To model the resistance of masonry walls, we propose a law for elastic perfectly plastic behavior in the plane formed of masonry blocks connected by mortar joints. The convex plasticity is obtained byperiodic homogenization technique which takes into account the three dimensional nature of the basic cell. This gives a convex bounded by several surfaces of charge. An algorithm digital original is then proposed and programmed in the finite element software ABAQUS. Numerical simulations using the developed module are presented

Le rayonnement solaire est la variable la plus importante pour le calcul du bilan thermique du bâtiment. Son calcul requiert des relations géométriques pour la composante directe et un modèle de ciel pour distribuer le rayonnement diffus sur la voûte céleste. Des modèles développés pour des collecteurs solaires sont utilisés pour calculer le rayonnement solaire atteignant l'enveloppe du bâtiment. Des outils calculent le rayonnement en adaptant des modèles de ciel développés pour l'éclairage naturel. Bien que ces modèles de ciel, avec des genèses différents, servent à calculer le rayonnement solaire, il convient de préciser quel est le plus adapté pour travailler en milieu urbain.En nous appuyant sur une étude des données météorologiques, des modèles de ciel et des techniques numériques, on a mis en place un code susceptible de calculer le rayonnement direct (soleil) et diffus (ciel) et leur interaction avec la géométrie urbaine. La nouveauté réside dans l'évaluation du rayonnement solaire en utilisant un modèle de ciel isotrope et deux anisotropes. L’interaction entre ces modèles et la géométrie urbaine est mise en évidence avec une série d’exemples géométriques progressivement plus complexes. Des méthodes pour tuiler la voûte céleste sont présentées. Les différences entre le rayonnement calculé avec les modèles anisotropes (le modèle de source ponctuelle et le modèle tout temps de Perez) qui sont peu importantes dans une scène dégagée, deviennent significatives dans une scène urbaine. Des contributions ont également été apportées à la mise en place d’une station météorologique ainsi que des procédures pour l’analyse statistique des données et leur contrôle de qualité. / Solar irradiation is the most important parameter for building thermal simulation. Its calculation requires geometrical relationships for the direct radiation from the Sun and a sky model to distribute the radiance over the sky vault. Sky models developed for solar collectors are used to calculate the building’s solar irradiation availability. Some software calculates building’s irradiation by adapting sky models for lighting simulations. These models allow to compute solar irradiation, but the selection of the most suitable model for urban applications has not been defined clearly enough. We developed a code, based on the study of numerical methods, sky models and the necessary meteorological data. It calculates the solar irradiation availability in the urban context. The novelty lies in its capacity to evaluate the solar irradiation from the Sun and the sky by using three sky models: one isotropic and two anisotropic. The interaction between each sky model and the urban context is made clear in a series of progressively more complex geometric examples. Procedures to partition the sky vault are presented.Differences between the predicted irradiance by the anisotropic models (Perez punctual source and Perez All-Weather) are classified as small and large in unobstructed and obstructed scenes respectively. Contributions have also been made to set up a meteorological station. Statistical analyses as well as quality control procedures of meteorological data were also implemented.

L’originalité de cette étude consiste dans l’analyse et la fabrication d’échangeurs de chaleur munis d’extensions de surface (ailettes) à base de polymères chargés, compacts et à hautes performances. Ce projet pluridisciplinaire se compose d’une étude numérique et expérimentale du comportement thermomécanique des matériaux (polymères chargés) et s’intéresse à l’analyse numérique et expérimentale des échangeurs de chaleur à tube-ailette en polymère. En effet, il vise principalement au : (i) développement de systèmes polymères chargés à conductivité thermique améliorée. (ii) L’étude de nouvelles architectures et conceptions d’échangeurs utilisant des polymères à conductivité améliorée.Le premier point est atteint par une étude numérique, élaboration et caractérisations expérimentales des formulations polymère-charge montrant une conductivité thermique intéressante.Le deuxième point est traité par une optimisation des paramètres géométriques de configurations classiques d’échangeurs de chaleur tube-ailettes par voie de simulations numériques. Une première étude réalisée sur un échangeur à rang de tubes permet de montrer la pertinence du point de vue énergétique d’un échangeur tube-ailettes en matériau polymère. Une seconde partie est consacrée à l’étude de plusieurs configurations d’échangeurs multi-tubulaires à plusieurs rangs de tubes définies à partir des résultats de la précédente étape. Les performances thermo-aérauliques de ces configurations sont favorablement comparées à celles d’échangeurs métalliques traditionnels.La dernière partie confirme la processabilité de ce type d’échangeurs par la construction des prototypes à partir de techniques d’élaboration traditionnelles (injection et extrusion) ou modernes (fabrication additive) afin de déterminer les avantages et les inconvénients de chacune. / The originality of this study consists in the analysis and the manufacturing of finned-tube heat exchangers (with extension surface) based on filed polymers, compact with high performances. This multidisciplinary project contains a numerical and experimental study on the thermomechanical properties of filed polymers and is interest in the numerical and experimental analysis of polymer finned-tube heat exchangers. Indeed, it aims mainly to : (i) develop filled polymer systems with improved thermal conductivity. (ii) Study of new architectures and configurations of heat exchanger using filed polymers.The first point is reached by a numerical study, elaboration and experimental characterizations of polymer/filler formulations showing interesting thermal conductivity.The second point is treated by an optimization of the geometric parameters of classic tube-fin heat exchanger configurations by numerical simulations. A first study carried out a single row of tube shows the effect of geometric and thermos-physical parameters on thermos-aeraulic performances of a tube-fin heat exchanger made of filed polymer material. A second part is devoted to the study of several configurations of multi-tubular heat exchangers with several rows of tubes defined from the results of the previous stage. The thermo-aeraulic performances of these configurations are favorably compared with those of traditional metal heat exchangers.The last part confirms the processability of this type of heat exchangers by the construction of prototypes with traditional techniques (injection and extrusion) or modern (additive manufacturing) methods to determine the advantages and disadvantages of each one.

Le laminage transversal est un procédé de mise en forme où un lopin cylindrique est déformé plastiquement en une pièce axisymétrique comportant des réductions de diamètre. Dans le processus de fabrication de bielles, le procédé est utilisé pour l’opération de répartition avant les opérations d’estampage. Par rapport au procédé de laminage à retour, il permet d’atteindre de meilleures mises au mille et de réduire les temps de cycle. L’industrialisation de ce procédé se heurte toutefois à des difficultés liées pour l’essentiel à la conception des outillages.Ces travaux de thèse visent à améliorer le processus d’industrialisation du laminage transversal par une réduction des temps de développement des outillages et par l’allongement de leur durée de vie. Pour cela, deux axes ont été identifiés. D’une part l’amélioration et la formalisation de la méthodologie de conception des outillages et d’autre part, l’identification et la caractérisation des phénomènes défauts se produisant à grand nombre de cycle et provocant l’arrêt de l’outillage.Ces travaux de thèse s’orientent au tour de trois axes majeurs. Premièrement, l’évaluation du potentiel prédictif de la simulation numérique du laminage transversal et sa robustesse vis-à-vis des paramètres numériques et du procédé. Deuxièmement, la mise en place d’un processus de conception d’outillage comportant d’un côté une méthodologie de conception permettant de définir les paramètres de l’outillage en s’appuyant d’un autre côté sur la simulation numérique du procédé. Troisièmement, l’identification et la caractérisation des zones d’usure et ses effets sur la pièce laminée / Cross wedge rolling (CWR) is a metal forming process used in the automotive industry. One of its applications is in the manufacturing process of connecting rods. CWR transforms a cylindrical billet into a complex axisymmetrical shape with an accurate distribution of material. This preform is forged into shape in a forging die. CWR industrialization has still some limitations, mainly the designing of the tools. This thesis work seeks to improve CWR industrialization by reducing the time needed for the design of the tools and by increasing CWR tool lifecycle. In order to achieve these goals, two main axes are identified: improving the tool design procedure and identifying the physical phenomenon affecting the stability of the process, mainly tool wear.This research work is based upon three main topics. First, evaluating of the predictability of the numerical simulation of the CWR process and its robustness towards the numerical parameters of the model and the process parameters. Second, implementing a design methodology that allows the designer to choose the geometrical parameters of the wedge and evaluating the resultant geometry of the tool through the numerical simulations. And third, identifying the wear zones of the tool and the factors leading to its development

Dans de nombreuses applications industrielles, les structures en vibration à dimensionner sont en contact avec un fluide (fluide autour des coques des bateaux, réservoirs, échangeurs de chaleur dans les centrales, l’industrie automobile, etc). Cependant, le comportement dynamique de la structure peut être modifié de façon importante par la présence du fluide. Le dimensionnement doit donc prendre en compte les effets de l’interaction fluide-structure.Ces applications nécessitent un couplage efficace. En outre, l’analyse dynamique des systèmes industriels est souvent coûteuse du point de vue numérique. Pour les modèles éléments finis des problèmes couplés fluide-structure, l’importance de la réduction de la taille devient évidente car les degrés de liberté du fluide seront ajoutés à ceux de la structure. Des méthodes de réduction du modèle seront utilisées pour réduire la taille des matrices obtenues.Traditionnellement, l’étude de ces systèmes couplés est fondée sur une démarche déterministe dans laquelle l’ensemble des paramètres utilisés dans le modèle prennent une valeur fixe.Par contre, il suffit d’avoir procédé à quelques expérimentations pour se rendre compte des limites d’une telle modélisation, d’où la nécessité de la prise en compte des incertitudes sur les paramètres du système couplé.Ce travail de thèse s’articule autour de trois études principales. La première consiste à mener une étude déterministe numérique et analytique des problèmes vibro-acoustiques sans réduction de modèles. Cette dernière est basée sur une formulation non symétrique déplacement/pression et une formulation symétrique déplacement/pression et potentiel des vitesses. Dans la deuxième étude, on propose deux méthodes de réduction du modèle : analyse et synthèse modales pour la résolution des problèmes vibro-acoustiques des grandes tailles des systèmes couplés modélisés par la méthode des éléments finis. La méthode de synthèse modale développée couple une méthode de sous-structuration dynamique de type Craig et Bampton et une méthode de sous domaines acoustiques.Enfin, pour tenir compte des incertitudes sur les paramètres du système couplé, on a développé dans la troisième étude une méthode numérique stochastique de synthèse modale étendue à une étude de fiabilité basée sur les approches FORM et SORM pour la résolution de ces problèmes. Ces démarches vont nous permettre de résoudre les problèmes vibro-acoustiques, sans utiliser les méthodes classiques, qui consistent à faire un calcul modal direct allié à la simulation de Monte Carlo demandant un coup de temps très élevé.Plusieurs exemples académiques et industriels ont été traités pour valider les approches proposées.L’étude numérique est conduite en utilisant un code élaboré sous MATLAB couplé au code commercial ANSYS afin d’évaluer la fiabilité du système couplé. La confrontation des résultats numériques, analytiques et expérimentaux nous permet de valider conjointement le processus de calcul et les méthodes proposées dans le domaine de l’analyse fréquentielle et l’étude fiabiliste des structures immergées. D’un point de vue industriel, ces méthodes visent à promouvoir l’introduction de la culture de l’incertain dans les métiers de la conception et encouragent la construction d’un modèle fiable et robuste pour les problèmes d’interaction fluide-structure. / In several industrial applications, the vibrating structures are in contact with a fluid (fluid around the hulls of a boats, reservoirs, heat exchangers in power plants, ...), but the dynamic behavior of the structure can be significantly modified by the presence of the fluid. The sizing must take into account the effects of fluid-structure interaction. These applications require an effective coupling. In addition, the dynamic analysis of the industrial systems is often expensive from the numerical point of view. For the coupling fluid structure finite elements models, the importance of the size reduction becomes obvious because the fluid’s freedom degrees will be added to those of the structure. A proposed condensation method will be used to reduce the matrixes size. Traditionally, the study of the fluid-structure interaction is based on a deterministic approach where all the parameters used in the model have a fixed value. But it suffices having conducted a few experimentations to realize the limitations of such modeling. Hence it need to take into accounts the uncertainty on the parameters of mechanical systems. In this thesis, we deal with the simulation of vibro-acoustic problems. The first part presents a numerical and analytical study of deterministic problems without model’s reduction, based on a non-symmetric formulation displacement/pressure and on a symmetric formulation displacement/pressure and velocity potential. In the second part of this work, two methods are proposed to reduce the model : modal analysis and modal synthesis for solving vibro-acoustic problems of large sizes modeled by finite elements method. The developed modal synthesis method is coupling dynamic substructure of Craig and Bampton type and acoustic subdomain based on a pressure formulation. To take into account the parameter’s uncertainties of the coupled system, we have developed a numerical stochastic method of the modal synthesis and modal analysis extended to reliability study, based on the FORM and SORM approaches. These approaches will allow us to solve the vibro-acoustic problems without using classical procedure. It may become prohibitive in terms of computation time. Several academic and industrial examples are studied to validate the proposed methods. The numerical study is performed using a code developed with MATLAB coupled with the commercial code ANSYS in order to evaluate the reliability of systems. The comparison of numerical, analytical and experimental results enables us to jointly validate the calculation process and the proposed methods in the domain of frequency analysis and reliability study of submerged structures. From the industrial point of view, our research work aim is to promote the introduction of the uncertainty’s culture during modeling in the context of design processes.

Le soudage multipasse est mis en œuvre pour recharger des tuyauteries présentant localement des sous-épaisseurs. La simulation numérique facilite le choix des nombreux paramètres de soudage. La réduction des modèles permet d'accélérer ces choix. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés aux cas pour lesquelles il est difficile de réaliser intégralement la simulation du soudage, faute de temps ou par manque de moyens de calcul. Ce sont des simulations hors d'atteintes. Or, les prévisions manquantes ne permettent pas la mise en œuvre d'une méthode de décomposition orthogonale aux valeurs propres pour extraire une base réduite de modes empiriques à partir des données produites par simulation numérique. Nous proposons donc soit un modèle directionnel bien adapté au soudage, soit une étape d'extrapolation des données de simulations par décalage spatial des prévisions calculées. Ces deux approches sont complémentaires de la méthode d'hyper-réduction, dans laquelle les équations de bilan sont restreintes à un maillage réduit. Ces méthodes permettent de démarrer une simulation numérique du soudage avec un modèle éléments finis, puis de poursuivre cette simulation par un modèle hyper-réduit. Cela évite d'avoir à réaliser de nombreuses études paramétriques et permet de traiter des simulations qui sont hors d'atteintes. Ce mémoire se termine par un chapitre traitant du cas de rechargement d'un tube, pour lequel EDF a mis en œuvre un essai instrumenté. / Multi-pass welding is used to recharge pipes with local sub-thickness. Numerical simulation facilitates the selection of many welding parameters. Reducing the order of models speeds up these choices. In this work, we were interested in cases where it is difficult to carry out the entire welding simulation due to time constraints or lack of calculation means. These computations are called out of reach simulations. However, the missing forecasts do not allow the implementation of a orthogonal decomposition method to extract a reduced basis of empirical modes from the data produced by numerical simulations. To overcome this difficulty, we propose either a directional model well adapted to welding, or a step of extrapolation of the simulation data by spatial shift of the already calculated forecasts. These two approaches are complementary to the hyper-reduction method, in which the balance equations are restricted to a reduced mesh size. These methods allow to start a numerical simulation of welding with a finite element model, then to continue this simulation with a hyper-reduced model. This avoids the need for numerous preliminary parametric studies and allows simulations that are out of reach. This manuscript ends with a chapter dealing with the case of reloading a tube, for which EDF has carried out an instrumented test.

L’objectif de ce travail a été de modéliser les écoulements de polymères dans les co-malaxeurs de type BUSS. Le co-malaxeur est une extrudeuse particulière utilisée comme une boite noire depuis des dizaines d’années par des industriels. Sur le fourreau sont fixés des doigts de malaxage et la vis principale dispose d’interruptions de filets et oscille pour permettre le passage des doigts de malaxage dans les différents chenaux. Cet outil est utilisé pour gélifier du PVC ou disperser des charges dans des matrices polymères. Ce travail de thèse répond donc à un besoin industriel puisque, actuellement, mettre au point un produit nécessite de nombreuses heures d’essais coûteux.Un modèle thermomécanique instationnaire en deux dimensions fondé sur les approximations d’Hele-Shaw a été développé. La discrétisation du domaine du co-malaxeur a été faite par éléments finis. La résolution numérique s’effectue par éléments finis et éléments finis stabilisés par SUPG. La modélisation nous permet d’obtenir en tout point du domaine de calcul la pression, les vecteurs débits, les vitesses de cisaillement, la viscosité et la température.Les résultats issus des simulations nous permettent d’obtenir des ordres de grandeur de pressions et températures et des indices de mélange pour différentes conditions procédés. Une comparaison entre les résultats issus de la modélisation et des essais expérimentaux montre que, dans les zones remplies, le modèle donne des résultats satisfaisants. / The aim of this study was to model molten polymers flow in BUSS type co-kneaders. The BUSS co-kneader is a particular single-screw extruder. It is composed of a rotating screw like standard single screw extruders, but with interrupted flights and mixing pins fixed to the barrel. The screw has also an axial reciprocal movement. It has been used for decades in industry for its mixing capacities, specifically for PVC gelification or polymer compounding with fibres, additives or carbon black. This work is therefore answering to nowadays industrial needs, as developing new products is expensive and time consuming.A 2D time-dependent thermomechanical model based on Hele Shaw approximations was developed and the co-kneader domain was discretized by finite elements. The numerical problem was solved by finite elements and SUPG stabilized finite elements. This model provides, at every point of the calculation domain, the pressure, throughput vectors, shear rates, viscosity as well as temperature.Simulation results provide pressure and temperature orders of magnitude, as well as information on polymer mixing depending on process parameters. A comparison between the model and experimental trials shows a satisfactory agreement in the filled zones.

Le ballast est la couche granulaire, formée de grains rocheux irréguliers de taille centimétrique, qui supporte la voie ferrée par l'intermédiaire des traverses. Son rôle est crucial dans la transmission des efforts statiques et dynamiques imposés par la circulation des trains vers le sol supportant la voie. Pour comprendre le phénomène de tassement du ballast, qui croît fortement avec la vitesse des trains, et qui entraîne de coûteuses opérations de maintenance, il est important de bien connaître l’influence de la morphologie des grains sur le comportement mécanique du ballast. C’est l’objectif de cette thèse, dans laquelle est développée une technique innovante de caractérisation morphologique fondée sur la décomposition orthogonale aux valeurs propres (« POD »). Cette technique, appliquée à des données expérimentales détaillées (scans 3D) permet d’identifier un choix optimal de fonctions de forme. Il est alors possible de générer numériquement des assemblages granulaires représentatifs du ballast avec différents degrés de raffinement selon le nombre de fonctions de base retenu. Pour passer aux applications mécaniques, les grains, ainsi modélisés par un nombre limité de coefficients, doivent ensuite par une opération de maillage être assimilés à des polyèdres convexes dont le comportement mécanique est simulé par la méthode des éléments discrets (dynamique des contacts, avec le logiciel LMGC90). On détermine alors des caractéristiques de base comme l'angle de frottement interne et la compacité dans l'état critique de cisaillement quasi-statique maintenu. Ces propriétés sont stabilisées à partir d’un nombre assez faible de fonctions de forme (de l’ordre de 10). Dans le domaine de la description morphologique, l’approche fondée sur la POD ouvre d’intéressantes perspectives pour améliorer les caractérisations usuelles. Elle permet de différencier les ballasts selon leur degré d’usure ou la carrière dont ils proviennent. Elle conduit également à une méthode d’identification des faces et des courbures des grains / The ballast is the granular layer formed of irregular centimeter-sized rock grains, which supports the railway through the sleepers. Its role is crucial in the transmission of static and dynamic forces imposed by the movement of trains towards the ground supporting the track. To understand the phenomenon of ballast settlement, which increases significantly with the speed of the trains, and which requires costly maintenance operations, it is important to understand the influence of the grain morphology on the mechanical behavior of the ballast. Such is the objective of this thesis. First, an innovative method for particle shape characterization is developed, based on the Proper Orthogonal Decomposition (POD). When applied to highly accurate experimental data (3D scans of ballast grains), this technique enables the identification of an optimal set of shape functions, such that the shape information is condensed in a minimum number of coefficients. It becomes then possible to numerically generate granular assemblies that are representative of the morphology of ballast grains with different degrees of refinement according to the number of retained shape functions. In order to investigate their mechanical properties, the grains modeled by a limited number of coefficients have to be subjected to a meshing procedure and turned into convex polyhedra, suitable for numerical simulations of mechanical behaviours via the discrete element method (contact dynamics, using the LMGC90 software). We determine some fundamental characteristics such as the internal friction angle and the solid fraction in the critical state of quasistatic steady shear flow. These properties are stabilized after including a rather small number of shape functions in to the model (on the order of 10).The method also opens promising avenues for morphological characterization applications. It proves able to distinguish ballast grains with varying degrees of wear, or produced in different quarries. It also leads to a procedure for identifying faces and curvatures