Le présent travail de thèse se consacre au développement d'un nouveau modèle micromécanique pour les composites en thermoplastique renforcé par des fibres de verre courtes. L'objectif est notamment la modélisation du comportement visco-endommageable en fatigue du PA66-GF30. Ce matériau, particulièrement utilisé dans l'industrie automobile, est sujet à une microstructure spécifique issue du procédé de moulage par injection. L'approche multi-échelles développée consiste en une méthode de Mori-Tanaka modifiée, appliquée à des renforts avec enrobage et prenant en compte l'évolution de l'endommagement à l'échelle microscopique. La description des mécanismes d'endommagement se base sur une investigation expérimentale poussée préalablement menée au sein de l'équipe. Des scénarios d'endommagement ont été proposés et incluent trois processus locaux différents : la décohésion de l'interface, la microfissuration de la matrice et les ruptures de fibres. Ceux-ci sont spécialement affectés par la microstructure. L'approche développée intègre ces cinétiques d'endommagement ainsi que la viscoélasticité non-linéaire de la matrice et la distribution d'orientation des inclusions due au procédé de fabrication. Chaque mécanisme d'endommagement est modélisé par une loi d'évolution basée sur les contraintes locales calculées à l'échelle microscopique. La loi constitutive finale, à l'échelle du volume élémentaire représentatif, est implémentée dans une bibliothèque scientifique en C++, SMART+, et est conçue pour être compatible avec une analyse de structures par éléments finis. L'identification du modèle est réalisée par rétro-ingénierie, en tirant profit de résultats expérimentaux multi-échelles, dont notamment des tests in-situ au MEB ainsi qu'une analyse qualitative et quantitative par μCT. / The current work focuses on a new micromechanical high cycle fatigue visco-damage model for short glass fiber reinforced thermoplastic composites, namely: PA66/GF30. This material, extensively used for automotive applications, has a specific microstructure which is induced by the injection process. The multi-scale developed approach is a modified Mori-Tanaka method that includes coated reinforcements and the evolution of micro-scale damage processes. Their description is based on the experimental investigations of damage mechanisms previously performed by the team. Damage chronologies have been proposed involving three different local degradation processes: fiber-matrix interface debonding/coating degradation, matrix microcracking and fiber breakage. Their occurrence strongly depends on the microstructure. The developed model integrates these damage kinetics and accounts for the complex matrix viscoelasticity and the reinforcement orientation distributions induced by the process. Each damage mechanism is introduced through an evolution law involving local stress fields computed at the microscale. The developed constitutive law at the representative volume element scale is implemented into a C++ scientific library, SMART+, and is designed to work with Finite Element Methods. The model identification is performed via reverse engineering, taking advantage of the multiscale experimental results: in-situ SEM tests as well as quantitative and qualitative μCT investigations.

The deformation behaviour and twinning mechanisms of commercially pure titanium alloys were investigated using complementary diffraction techniques and crystal plasticity modelling. The main motivation for conducting this investigation was to improve understanding of the deformation of titanium to help achieve the long term aim of reducing manufacturing and design costs. The deformation behaviour was characterised with tension, compression and channel die compression tests for three important variables: orientation; temperature from 25 C to 600 C; and composition for two contrasting alloys, CP-G1 and CP-G4. The experimental data used to characterise the behaviour and determine the mechanisms causing it were: textures determined by X-ray diffraction; twin area fractions for individual modes determined using electron back-scatter diffraction; and lattice strains measured by neutron diffraction. A strong effect of the orientation–stress state conditions on the flow curves (flow stress anisotropy) was found. The propensity for prism hai slip was the dominant cause of the behaviour – samples that were more favourably oriented for prism hai slip had lower flow stresses. Twinning was the most significant secondary deformation mode in the CP-G1 alloy but only had a minor effect on flow stress anisotropy in most cases. In the CP-G4 alloy twinning generally did not play a significant role indicating that hc + ai slip modes were significant in this alloy. Differences in the flow stress anisotropy between the two alloys were found to occur largely in the elasto-plastic transition and initial period of hardening. Modelling results indicated that larger relative resolved shear stress values for secondary deformation modes in the higher purity alloy increased the initial anisotropy. Decreasing flow stresses with increasing temperature were largely caused by a decrease in the critical resolved shear stress (CRSS) values for slip, but also by a decrease in the Hall-Petch parameter for slip. The propagation of twinning was found to be orientation dependent through a Schmid law in a similar way to slip – it was activated at a CRSS and hardened so that an increasing resolved shear stress was required for it to continue operating. The CRSS values determined for the individual twin modes were – 65MPa, 180MPa, 83MPa for {1012}, {1122} and {1011} twinning, respectively. Further, twinning was found to be temperature insensitive except when the ability to nucleate twins posed a significant barrier (for {1011} twinning). Also, the CRSS for {1012} twinning was clearly shown to increase with decreasing alloy purity. A thorough method for determining crystal plasticity modelling parameters based on experimental data was formulated. Additionally, twinning was modelled in a physically realistic manner influenced by the present findings using the visco-plastic self-consistent (VPSC) model. In particular: the activity of twinning decreased in a natural way due to greater difficulty in its operation rather than through an enforced saturation; and hardening or softening due to changes in orientation and dynamic Hall-Petch hardening were important. The rigorous modelling procedure gave great confidence in the key experimental findings.

This work concerns the simulation of viscoelastic behavior of polymer at different states. Viscoelastic modeling of polymer was performed from the solid state to the liquid state via a multiphase approach which is largely used to deal with the fluid structure interaction. To ensure the appreciation of the FSI, viscoelasticity is considered in two parts: an elastic one and viscous other where the main idea is to use a mixed formulation in three fields (u, v, p) (displacement, velocity, pressure), with u and v, represented the primary variables of a strain and a strain rate formulation. We are led to the Navier-Stokes compressible problem with extra-stress, which is solved by using the Mixed Finite Element. The present work contributes some stabilization elements to the numerical simulation of multiphase problem by the monolithic approach.Comparison between the literature and experiments was performed through the validation of an elastic case and the viscoelastic Kelvin-Voigt model in the context of Lagrangian framework as well as Eulerian framework. The extension of the methodology to a visco-hyper-elastic is given through the modeling and validation on material point on the finite elements library CimLib®. Finally, a stabilization scheme of the EVSS type is adopted for viscoelastic Kelvin-Voigt model, hyper-elastic Neo-Hookean model, and also visco-hyper-elastic model which proposed an open door in computational modeling, not only with viscoelasticity but also complex dynamic application.

Le présent mémoire de thèse a pour but d'étudier le comportement visco-hydromécanique de la craie d'Estreux à la fois à l'échelle du site, de l'échantillon et de la microstructure dans le cadre du programme « vieillissement des massifs rocheux ». Premièrement, le suivi de l'instrumentation dans la carrière abandonnée d'Estreux a été réalisé à partir de février 2004. Le changement saisonnier mesuré dans la galerie avec ce suivi et en particulier l'hygrométrie (80% - 100%) a été reproduit pour les essais au laboratoire. Deuxièmement, une étude expérimentale a été menée sur les propriétés de rétention d'eau. Cette étude a montré que la variation d'humidité relative dans la carrière entre 80% et 100% pourrait saturer / désaturer la craie dans la galerie, au moins à la surface des piliers. C'est la raison pour laquelle, dans une troisième phase, la réponse mécanique de la craie partiellement saturée a été caractérisée à l'aide des essais oedométriques et triaxiaux à haute pression et à succion contrôlée. Le comportement visqueux de la craie a été également étudié par une campagne d'essai triaxial à différentes vitesses de chargement. Les résultats obtenus ont mis en évidence l'effet de la succion et de la vitesse de chargement sur le comportement mécanique de la craie: comme la succion, l'augmentation de la vitesse de chargement provoque une expansion du domaine élastique. Quatrièmement, ces phénomènes ont fait l'objet d'une comparaison à l'échelle microscopique. Après une étude sur la définition d'un protocole sur des observations au microscope électronique à balayage environnemental (MEBE), un système de succion contrôlée du module de chargement de compression/traction Microtest (Deben ®) installé dans la chambre d'observation du MEBE, a été développé. Ce système a permis l'étude du comportement visco-hydromécanique de la craie à l'échelle microscopique. Finalement, ce comportement a été modélisé en développant dans l'espace triaxial le modèle RASTRA (Rate of STRAin model) de De Gennaro & Pereira (2008). Ce modèle a permis de simuler l'effet de la succion ainsi que l'effet du temps.

Ce travail de thèse est consacré à la modélisation et à la simulation numérique des transitions de phase liquide-vapeur. L'étude effectuée se découpe en deux randes parties: une première où on étudie les phénomènes de transition de phase avec une loi d'état de type Van Der Waals (perte de monotonie de la loi d'état) et une deuxième partie où on choisit une approche alternative avec deux loi d'états. La première partie consiste à étudier les critères visqueux classiques de sélection des solutions du système d'équations utilisé lorsque la loi d'état n'est pas monotone. Les critères classiques ne sélectionnant pas des solutions a priori physiques, un critère plus récent est introduit: le critère visco-capillaire. L'utilisation de ce critère avec un solveur de Riemann exact (sous la contrainte de trouver le zéro d'une fonction non linéaire) permet d'obtenir des résultats mais avec un coût de calcul trop élevé. Une approche alternative est alors envisagée avec deux lois d'états (une pour chaque phase). A l'aide d'un procédé de minimisation de l'action hamiltonienne, un modèle bifluide de changement de phase est proposé. Celui-ci respecte alors le second principe de la thermodynamique. Deux sous-systèmes en sont déduits à l'aide d'un procédé de retour à l'équilibre: mécanique dans un premier temp puis mécanique et thermodynamique dans un deuxième temps. Malgré la faible hyperbolicité du dernier sous-système obtenu, des schémas numériques stables basés sur une méthode de splitting sont proposés. On montre alors que le système ainsi obtenu est naturellement capable de nucléer des bulles de vapeur dans du liquide.

Cleavage fracture in ferritic steels can be defined as a sequence of few critical steps. At first nucleation of a microcrack takes place, often in a hard inclusion. This microcrack then propagates into the surrounding matrix material. The last obstacle before failure is the encounter of grain boundaries. If a microcrack is not arrested during any of those steps, cleavage takes place. Temperature plays an important role since it changes the failure mode from ductile to brittle in a narrow temperature interval. In papers A and B micromechanical models of the last critical phase are developed (cleavage over a grain boundary) in order to examine the mechanics of this phase. An extensive parameter study is performed in Paper A, where cleavage planes of two grains are allowed to tilt relative each other. It is there shown that triaxiality has a significant effect on the largest grain size that can arrest a rapidly propagating microcrack. This effect is explained by the development of the plastic zone prior to crack growth. The effect of temperature, addressed through a change in the visco-plastic response of the ferrite, shows that the critical grain size increases with the temperature. This implies that with an increasing temperature more cracks can be arrested, that is to say that less can become critical and thus that the resistance to fracture increases. Paper B shows simulations of microcrack propagation when the cleavage planes of two neighboring grains are tilted and twisted relatively each other. It is shown that when a microcrack enters a new grain, it first does it along primary cleavage planes. During further growth the crack front is protruded along the primary planes and lags behind along the secondary ones. The effect of tilt and twist on the critical grain size is decoupled with twist misorientation offering a greater resistance to propagation. Simulations of cracking of a particle and microcrack growth across an inclusion-matrix interface are made in Paper C. It is shown that the particle stress can be expressed by an Eshelby type expression modified for plasticity. The analysis of dynamic growth, results in a modified Griffith expression. Both findings are implemented into a micromechanics-based probabilistic model for cleavage that is of a weakest link type and incorporates all critical phases of cleavage: crack nucleation, propagation over particle-matrix interface and into consecutive grains. The proposed model depends on six parameters, which are obtained for three temperatures in Paper D using experimental data from SE(B) tests. At the lowest temperature, -30° , the model gives an excellent prediction of the cumulative failure probability by cleavage fracture and captures the threshold toughness and the experimental scatter. At 25º  and 55º  the model slightly overestimates the fracture probability. In Paper E a serie of fracture experiments is performed on half-elliptical surface cracks at 25º in order to further verify the model. Experiments show a significant scatter in the fracture toughness. The model significantly overestimates the fracture probability for this crack geometry. / QC 20100910

Une Bande de Cisaillement Adiabatique (BCA) est une bande étroite associée à de grandes déformations et de hautes températures dans les matériaux ductiles. Il est bien établi que les BCAs impliquent souvent une dépendance au maillage dans la simulation numérique du phénomène localisé. Pour contourner cette difficulté, des modèles de discontinuités ont été proposés et largement appliqués en ingénierie. Cependant, des conditions cruciales doivent être vérifiées afin de développer ces modèles, telles que des descriptions précises des profils physiques, des relations de comportement dans des approches multi-physiques et surtout une capacité de prédiction de la largeur de bande. Sans discrétisation du domaine physique, on propose un nouveau modèle de la structure de BCA basé sur une approche énergétique variationnelle, incluant l'élasticité, l'écrouissage, la conduction de chaleur et la condition limite thermique. Les lois de comportement sont transformées en un problème d'optimisation mathématique par rapport à un ensemble de scalaires. A l'aide d'expressions canoniques de profils de déplacement et de température, la largeur de bande et la température centrale sont calculées en tant que des variables internes du potentiel incrémental total en régime stationnaire et transitoire. Comme application de notre modélisation variationnelle 1D à la localisation de cisaillement, on étend et propose une modélisation variationnelle à deux échelles en introduisant un "élément de localisation de la déformation". Contrairement aux travaux existant, des déformations plastiques et des températures non homogènes sont prises en compte par les expressions analytiques canoniques, et l'évolution de la largeur de bande est calculée comme un problème d'optimisation d'une fonctionnelle énergétique. Une dérivation variationnelle valide sa faisabilité théorique. De même, une implémentation d'élément fini est également dérivée et donne une bonne fondation pour une future mise en oeuvre.

<p>Soils, in general, undergo both elastic and plastic deformations upon loading. Strain dependant anisotropic elasto-plastic models are required for realistic modeling for soil-tool mechanics that will address issues like stress history and soil anisotropy. Although several such models have been proposed, the science of coupled poro-mechanical analysis of an unsaturated soil has not been fully addressed.</p><p>Tillage tool modeling is primarily concerned with the analysis of soil deformation patterns and development of force prediction models for design optimization. Most of the models are based on quasi-static soil failure patterns that cause difficulty in accurately predicting soil-tool behaviour and soil forces for high speed operation. In recent years efforts have been made to improve the conventional analytical and experimental models by numerical approaches. Numerical simulations of soil-tool interactions using finite element modeling (FEM) and discrete element method (DEM) were mostly based on a solid mechanics approach. Due to limitations of constitutive relations, predictions of these numerical models have not been able to address tillage dynamics with high shear rates. The contribution of this research was to study the dynamics of soil-tool interaction using computational fluid dynamics (CFD) from the perspective of soil visco-plastic behavior.</p><p>A motorised soil rheometer was developed for evaluating soil visco-plastic parameters for CFD simulations. The apparatus was used to determine soil yield stress and viscosity at different soil moisture and compaction levels.</p><p>Three-dimensional CFD analyses were carried out using a commercial software CFX 4.4 to observe soil failure patterns around a tool and the pressure distribution on and around the tool. Duct flow as well as free-surface flow simulations of visco-plastic soil as a non-Newtonian Bingham material indicated soil deformation comprising of plastic flow and plug flow patterns. The soil failure front advancement demonstrated a critical speed range of 4 to 6.5 m s-1 where advancement of the failure front did not increase with speed. Soil pressure on the tool surface increased with the tool operating speed. Pressure distribution on the tool surface and draft requirement agreed well with the published literature based on experimental results and FEM analysis. The CFD approach, in its first attempt to tillage process, demonstrated its greater potential for dynamic modeling of soil-tool interaction.</p>

Le mémoire d'Habilitation à Diriger les Recherches (HDR) de François OLARD présente les principaux travaux de recherche et de diffusion scientifique, depuis sa thèse (2000-2003) jusqu'à aujourd'hui. Comme l'indique en partie le titre du mémoire - " Relations entre la composition, la structure et les propriétés thermo-mécaniques des matériaux bitumineux " -, le fil conducteur de ses travaux de recherche est l'optimisation des performances des matériaux bitumineux par une meilleure compréhension des relations entre leur composition, leur structure et leurs propriétés thermo-mécaniques. Une particularité des travaux de recherche de François OLARD tient à son statut de responsable de projets R&D en entreprise, impliquant la mise en adéquation du savoir et du besoin industriel. Le mémoire d'Habilitation à Diriger les Recherches met ainsi en exergue que nombre d'innovations ont pu naître de l'échange entre recherches appliquée et fondamentale, participant ainsi à l'évolution indispensable du savoir-faire en formulation et en production des matériaux bitumineux. Six thématiques majeures ont été abordées au cours des travaux de recherche: 1) Comportement thermo-mécanique des enrobés bitumineux à basses températures. Relation entre les propriétés du liant et de l'enrobé. 2) Influence des propriétés élastiques ou viscoélastiques des revêtements sur le comportement des ponts à dalle orthotrope (Projet ANR ORTHOPLUS). 3) Formulation d'enrobés bitumineux à hautes performances grâce à l'optimisation de l'empilement granulaire et l'emploi de bitumes modifiés en polymères. 4) Propriétés viscoélastiques linéaires et en fatigue des enrobés bitumineux contenant des agrégats d'enrobés recyclés. 5) Comportement des matériaux composites traités au liant hydraulique et des bétons compactés routiers incluant des fraisâts bitumineux et des fibres métalliques (Projet ANR RECYROUTE). 6) Procédés d'enrobage à basses émissions et à température réduite: enrobés dits " semi-tièdes ". Les thématiques 2 à 4 sont très liées et découlent pour partie du travail initial réalisé en thèse (thématique 1). Ainsi, les approches expérimentales et de modélisation des matériaux bitumineux, testés dans le domaine linéaire principalement, y sont très proches. La thématique 5 présente quant à elle une démarche expérimentale et d'analyse similaire, mais appliquée à deux familles de matériaux composites (graves et bétons) traitées au liant hydraulique et incluant des fraisâts bitumineux. La présence de ces fraisâts bitumineux confère en effet un comportement visco-élastique aux mélanges testés. La thématique 6 présente enfin les recherches liées à l'invention des enrobés à basses émissions et à température réduite, les enrobés bitumineux dits " semi-tièdes ", avec une évaluation des caractéristiques mécaniques et environnementales. La supervision de 23 stages étudiants (Ingénieurs et Mastères) et de 4 doctorants (Génie Civil) a rendu possible une bonne partie de ces travaux et résultats. L'ensemble du travail de recherche a donné lieu à 2 chapitres d'ouvrages scientifiques, 23 publications au sein de revues internationales à comité de lecture, 3 publications au sein de revues françaises à comité de lecture, 54 publications et présentations en conférences internationales, 30 publications de vulgarisation dans la littérature technique & professionnelle, ainsi que 3 brevets internationaux.

Ces travaux de thèse portent sur l'étude expérimentale des propriétés physiques et de la biomécanique des agrégats cellulaires embryonnaires. Le but de cette thèse était d'une part de mieux comprendre l'origine biologique de la viscosité et de la tension de surface tissulaire, d'autre part d'étudier quantitativement en détail l'élasticité cellulaire par des nouvelles mesures de rhéologie en cisaillement. Un premier chapitre concerne les mesures de tension de surface tissulaire par la méthode de compression et de viscosité tissulaire par analyse de la cinétique de fusion de deux agrégats en faisant varier comme paramètre principal la contractilité cellulaire que certains suspectent comme étant la principale origine biologique de ces paramètres. Nous utilisons le formalisme du DITH (Haris, 1976: Differential Interfacial Tension Hypothesis) pour interpréter les données. Le deuxième chapitre concerne les mesures rhéologiques en cisaillement à l'aide d'un rhéomètre commercial plan-plan sur plusieurs centaines ou milliers d'agrégats cisaillés ensembles. Nous montrons que les cellules deviennent moins rigides pour une déformation minimale d'environ 4%, mais sur l'échelle de l'heure les cellules sont capables de se rigidifier à nouveau. Ces expériences sont analysées à l'aide d'un modèle de ressorts qui cassent sous contrainte puis se ressoudent à contrainte nulle.