The mechanical and acoustic anisotropy of media is a governing factor in the behaviour of multilayered systems including such media. The understanding of the mechanisms conditioning the dynamic behaviour of multilayered systems is of paramount importance. In particular, the intrinsic anisotropy of poroelastic media presents a potential for the optimal design of systems for multifunctional performances. Indeed, these multilayered systems are bound by stiffness, thermal and acoustic performance constraints in simultaneously. A plane wave method is presented to study the influence of material orientation in the dynamic behaviour of multilayered systems composed of anisotropic poroelastic media. The method is applied to a system composed of an anisotropic open-celled melamine foam core in between two metal sheets. This particular multilayered configuration allows to shed light on phenomena intrinsic to layers composed of anisotropic poroelastic materials, such as the frequency shift of the fundamental resonance of the panel, or the compression-shear coupling effects taking place in the poroelastic core layers. The latter phenomena is of particular importance, as it is evidenced on the unconventional polarisation of waves in anisotropic poroelastic media. Finally, the method is adapted to the optimisation of multilayered systems for acoustic performance. the design variables are consequently the core material orientations with respect to the global coordinate system. The solutions to the optimisation problem are analysed in terms of dynamic behaviour, thus allowing to correlate acoustic performance of the overall structure, and the response of each individual layer. / <p>QC 20161110</p>

Ce manuscrit présente les résultats d'expériences illustrant différentes manifestations de la présence de polymères dans un écoulement. Pour chacune d'elles, nous étudions l'interaction entre la structure microscopique et l'écoulement.Lorsqu'une goutte se détache d'un capillaire, la colonne de liquide liant la goutte au capillaire doit se rompre. Pour les liquides simples, l'amincissement suit des lois universelles bien établies. La dynamique de détachement d'une goutte de fluide complexe est très différente. Pour les solutions de polymères, après une phase de décroissance rapide du diamètre de cette colonne, il se forme un long filament cylindrique entre la goutte et le capillaire. Afin de mieux comprendre comment les polymères présents en solution donnent naissance à ce filament, nous avons observé leurs conformations au cours du détachement. Ces observations confirment que l'étirement des polymères est à l'origine du ralentissement du processus de détachement. Cependant, lors de l'amincissement du filament, la distribution des longueurs reste inchangée. Ce résultat inattendu, nous a amené à mettre en place une nouvelle méthode pour estimer la viscosité élongationnelle.D'autres expériences sont présentées, l'une porte sur un effet de déplétion qui apparait lors de l'écoulement confiné d'une solution de polymères, alors que l'autre porte sur l'écoulement instable d'une solution concentrée de polymères dans une conduite rectiligne. / This work considers the interaction between a flow field and the microscopic degrees of a freedom of a polymer solution. Different flow configurations were considered.Droplet pinch off, which occurs when a drop of liquid detaches from a capillary, can be strongly modified in the presence of polymers giving rise to long and slender filaments that thin slowly in time. We here study experimentaly the dynamics of necking and the conformations of polymers during the thinning of the neck. Our results show that the slow down of the thinning dynamics is the result of polymer stretching. Moreover, during the filament thinning, the polymer length distribution remains the same. This result is unexpected and led us to introduce a new method to estimate the extensionnal viscosity which represents the polymer solution resistance to stretching.In a second flow configuration, we have observed that depletion of polymer molecules near a surface occurs when a bead approaches a plate in a polymer solution.

O desenvolvimento de modelos teóricos e computacionais para simular a história de deformação e reconstruir o estado termoporomecânico de bacias sedimentares é de grande interesse da indústria do petróleo. A compactação dos sedimentos, o escoamento dos fluidos e o fluxo térmico são processos de grande importância que ocorrem ao longo da diagênese. Fenômenos puramente mecânicos prevalecem nas camadas superiores da bacia associados à expulsão do fluido e ao rearranjo das partículas sólidas, enquanto a compactação químico-mecânica resultante dos processos de pressão-solução intergranular é dominante nas camadas mais profundas, onde as tensões e temperaturas são maiores. Estes processos de deformação podem ser significativamente afetados pela sua evolução térmica, já que o calor altera a viscosidade dos fluidos e as propriedades físico-químicas dos minerais. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo constitutivo para o material poroso saturado no contexto da termoporomecânica finita e uma ferramenta computacional com uma interface de multiprocessamento em memória compartilhada baseada no método dos elementos finitos para representar os processos de formação e compactação gravitacional de uma bacia sedimentar. As deformações mecânicas e químico-mecânicas são representadas pela plasticidade e viscoplasticidade, respectivamente. Uma característica fundamental do modelo está relacionada à mudança das propriedades do material poroso em função da variação de temperatura e da evolução de caráter irreversível da sua microestrutura. Simulações numéricas realizadas em condições oedométricas permitem investigar a evolução do modelo constitutivo e do comportamento global da bacia, onde é possível verificar o caráter interdependente dos diferentes processos termoporomecânicos envolvidos. A capacidade da ferramenta computacional de representar problemas tridimensionais complexos é demonstrada a partir de uma história de deposição sedimentar associada a camadas estratigráficas com espessuras variáveis. / Development of theoretical and numerical models to simulate the deformation history and rebuild the thermoporomechanical state of sedimentary basins is of great interest for the oil industry. Compaction of sediments, fluid and thermal flows are fundamental coupled processes during diagenesis. Purely mechanical phenomena prevail in the upper layers involving pore fluid expulsion and rearrangement of solid particles, while chemo-mechanical compaction resulting from Intergranular Pressure-Solution (IPS) dominates for deeper burial as stress and temperature increase. The thermal evolution of the basin may substantially affect both processes as heat modifies the viscosity of fluids and physicochemical properties of minerals. The aim of the present contribution is to provide a constitutive model for saturated porous media in the context of finite thermoporomechanics and a numerical tool with a shared memory multiprocessing interface based on the finite element method to deal with depositional phase and gravitational compaction modeling of sedimentary basins. Purely mechanical and chemo-mechanical deformations are respectively modeled by means of plasticity and viscoplasticity. A key feature of the model is related to the evolution of the sediment material properties associated with temperature and large irreversible porosity changes. The evolution of the constitutive model and the overall behavior of the basin are provided by numerical simulations performed under oedometric conditions. The coupled nature of the thermoporomechanical processes is investigated. A depositional history with varying stratigraphic layers is proposed to demonstrate the ability of the numerical tool to model complex 3D problems.

La présente thèse a pour but principal d'approfondir, à l'aide d'une modélisation mathématique, les divers aspects du comportement mécanique du système complet " voie ferrée-fondation ". La thèse comporte quatre chapitres, dans lesquels sont traités les thèmes suivants. Dans le premier chapitre on établit une modélisation en élasto-plasticité du système " rail-traverses-couches d'assise-plate-forme ", en utilisant la méthode des éléments finis. Dans le deuxième chapitre, on détermine les épaisseurs rationnelles des couches d'assise, après avoir étudié successivement, à l'aide de cette modélisation, l'influence sur le comportement mécanique de la voie ferrée des paramètres suivants : - type et longueur de la traverse, - qualité du sol de la plate-forme, - surcharges dynamiques dues aux défauts géométriques de la voie, - tonnage supporté, - niveau des opérations d'entretien de la voie. Dans le troisième chapitre, on étudie le comportement à la fatigue des matériaux constitutifs des couches d'assise et de la plate-forme. Dans le quatrième chapitre, on analyse le problème de la propagation des vibrations ferroviaires dans les sols environnants et on étudie notamment la dissipation de l'énergie vibratoire dans la couche de ballast.

Hot-mix asphalt concrete (HMAC) mixture fatigue characterization constitutes a fundamental component of HMAC pavement structural design and analysis to ensure adequate field fatigue performance. HMAC is a heterogeneous complex composite material of air, binder, and aggregate that behaves in a non-linear elasto-viscoplastic manner, exhibits anisotropic behavior, ages with time, and heals during traffic loading rest periods and changing environmental conditions. Comprehensive HMAC mixture fatigue analysis approaches that take into account this complex nature of HMAC are thus needed to ensure adequate field fatigue performance. In this study, four fatigue analysis approaches; the mechanistic empirical (ME), the calibrated mechanistic with (CMSE) and without (CM) surface energy measurements, and the proposed NCHRP 1-37A 2002 Pavement Design Guide (MEPDG) were comparatively evaluated and utilized to characterize the fatigue resistance of two Texas HMAC mixtures in the laboratory, including investigating the effects of binder oxidative aging. Although the results were comparable, the CMSE/CM approaches exhibited greater flexibility and potential to discretely account for most of the fundamental material properties (including fracture, aging, healing, visco-elasticity, and anisotropy) that affect HMAC pavement fatigue performance. Compared to the other approaches, which are mechanistic-empirically based, the CMSE/CM approaches are based on the fundamental concepts of continuum micromechanics and energy theory.

Hot-mix asphalt concrete (HMAC) mixture fatigue characterization constitutes a fundamental component of HMAC pavement structural design and analysis to ensure adequate field fatigue performance. HMAC is a heterogeneous complex composite material of air, binder, and aggregate that behaves in a non-linear elasto-viscoplastic manner, exhibits anisotropic behavior, ages with time, and heals during traffic loading rest periods and changing environmental conditions. Comprehensive HMAC mixture fatigue analysis approaches that take into account this complex nature of HMAC are thus needed to ensure adequate field fatigue performance. In this study, four fatigue analysis approaches; the mechanistic empirical (ME), the calibrated mechanistic with (CMSE) and without (CM) surface energy measurements, and the proposed NCHRP 1-37A 2002 Pavement Design Guide (MEPDG) were comparatively evaluated and utilized to characterize the fatigue resistance of two Texas HMAC mixtures in the laboratory, including investigating the effects of binder oxidative aging. Although the results were comparable, the CMSE/CM approaches exhibited greater flexibility and potential to discretely account for most of the fundamental material properties (including fracture, aging, healing, visco-elasticity, and anisotropy) that affect HMAC pavement fatigue performance. Compared to the other approaches, which are mechanistic-empirically based, the CMSE/CM approaches are based on the fundamental concepts of continuum micromechanics and energy theory.

Quantifying the influence of pressure on the effective elastic rock properties is important for applications in rock physics and reservoir characterization. Here I investigate the relationship between effective pressure and seismic velocities by performing inversion on the laboratory-measured data from a suite of clastic, carbonate and igneous rocks, using different analytic and discrete inversion schemes. I explore the utility of a physical model that models a natural fracture as supported by asperities of varying heights, when an effective pressure deforms the tallest asperities, bringing the shorter ones into contact while increasing the overall fracture stiffness. Thus, the model is known as the ?asperity-deformation? (ADM) or ?bed-of-nails? (BNM) model. Existing analytic solutions include one that assumes the host rock is infinitely more rigid than the fractures, and one that takes the host-rock compliance into account. Inversion results indicate that although both solutions can fit the data to within first-order approximation, some systematic misfits exist as a result of using the rigid-host solution, whereas compliant-host inversion returns smaller and random misfits, yet out-of-range parameter estimates. These problems indicate the effects of nonlinear elastic deformation whose degree varies from rock to rock. Consequently, I extend the model to allow for the pressure dependence of the host rock, thereby physically interpreting the nonlinear behaviors of deformation. Furthermore, I apply a discrete grid-search inversion scheme that generalizes the distribution of asperity heights, thus accurately reproduces velocity profiles, significantly improves the fit and helps to visualize the distribution of asperities. I compare the analytic and numerical asperity-deformation models with the existing physical model of elliptical ?pennyshape? cracks with a pore-aspect-ratio (PAR) spectrum in terms of physical meaning and data-fitting ability. The comparison results provide a link and demonstrate the consistency between the use of the two physical models, making a better understanding of the microstructure as well as the contact mechanism and physical behaviors of rocks under pressure. ADM-based solutions, therefore, have the potential to facilitate modeling and interpretation of applications such as time-lapse seismic investigations of fractured reservoirs.

Ce manuscrit présente les résultats d'expériences illustrant différentes manifestations de la présence de polymères dans un écoulement. Pour chacune d'elles, nous étudions l'interaction entre la structure microscopique et l'écoulement.Lorsqu'une goutte se détache d'un capillaire, la colonne de liquide liant la goutte au capillaire doit se rompre. Pour les liquides simples, l'amincissement suit des lois universelles bien établies. La dynamique de détachement d'une goutte de fluide complexe est très différente. Pour les solutions de polymères, après une phase de décroissance rapide du diamètre de cette colonne, il se forme un long filament cylindrique entre la goutte et le capillaire. Afin de mieux comprendre comment les polymères présents en solution donnent naissance à ce filament, nous avons observé leurs conformations au cours du détachement. Ces observations confirment que l'étirement des polymères est à l'origine du ralentissement du processus de détachement. Cependant, lors de l'amincissement du filament, la distribution des longueurs reste inchangée. Ce résultat inattendu, nous a amené à mettre en place une nouvelle méthode pour estimer la viscosité élongationnelle.D'autres expériences sont présentées, l'une porte sur un effet de déplétion qui apparait lors de l'écoulement confiné d'une solution de polymères, alors que l'autre porte sur l'écoulement instable d'une solution concentrée de polymères dans une conduite rectiligne.

Les explosifs sont des matériaux qui, bien que potentiellement sensibles, sont conçus pour être stables en conditions normales, ainsi que lors de sollicitations mécaniques, chimiques ou thermiques " faibles ". Pourtant, sous sollicitations mécaniques de faible intensité, comme les impacts basse vitesse, ils peuvent réagir de manière intempestive. Les propergols, et plus particulièrement la butalite, objet de notre étude, présentent ce caractère : on observe des " réactions " pour des vitesses d'impacts inférieures à 100 m.s-1, dont l'origine est probablement liée à l'endommagement microstructural du matériau. Dans ce contexte, le but ultime du CEA Gramat est d'obtenir un outil de prédiction de la vulnérabilité des matériaux énergétiques pour les impacts à basse vitesse de type " tour de chute ". Pour ce faire, il est essentiel de disposer de données sur la morphologie et le comportement (thermo)mécanique macroscopique du matériau considéré, de ses phases constitutives à l'échelle mésoscopique et de ses interfaces. Ainsi l'objectif de la thèse est de déterminer le type et le niveau de(s) endommagement(s) apparaissant(s) dans une " butalite inerte " suite à un impact mécanique dit " à basse vitesse " (i.e., inférieure à 100 m.s-1) réalisé à l'aide d'un dispositif de type tour de chute modifié, associant un suivi par vidéo numérique rapide et une analyse microtomographique ante- et post-essai, en étudiant le ou les phénomènes physiques à l'origine des réactions sous " faibles " sollicitations, leur évolution et leur(s) origine(s) physique(s). Les grains sont modélisés par une loi de comportement purement élastique et la matrice en PBHT est décrite par une loi visco-hyper-élastique (couplage d'une série de Prony et du modèle de Mooney-Rivlin).

Les sources de couplage thermomécanique dans les matériaux viscoélastiques sont multiples : thermo-élasticité, dissipation visqueuse, évolution des caractéristiques mécaniques avec la température. La simulation numérique de ces couplages en calcul des structures présente encore un certain nombre de défis, spécialement lorsque les effets de couplage sont très marqués (couplage fort). De nombreuses approches algorithmiques ont été proposées dans la littérature pour ce type de problème. Ces méthodes vont des approches monolithiques, traitant simultanément l'équilibre mécanique et l'équilibre thermique, aux approches étagées, traitant alternativement chacun des sous-problèmes mécanique et thermique. La difficulté est d'obtenir un bon compromis entre les aspects de précision, stabilité numérique et coût de calcul. Récemment, une approche variationnelle des problèmes couplés a été proposée par Yang et al. (2006), qui permet d'écrire les équations d'équilibre mécanique et thermique sous la forme d'un problème d'optimisation d'une fonctionnelle scalaire. Cette approche variationnelle présente notamment les avantages de conduire à une formulation numérique à structure symétrique, et de permettre l'utilisation d'algorithmes d'optimisation. Dans ce travail on utilise l'approche variationnelle pour résoudre le problème thermo-visco-élastique fortement couplé, puis on compare plusieurs schémas algorithmiques afin de trouver celui qui présente les meilleures performances.