Dans les études expérimentales de la micromécanique des matériaux granulaires, la mesure des forces de contact entre particules est de nos jours toujours un challenge en comparaison avec les outils et techniques bien mieux établis pour la caractérisation cinématique à l'échelle des particules. Cette thèse de doctorat s'attaque à cet ambitieux problème. L'approche proposée implique deux aspects : (i) la caractérisation expérimentale du réseau de contact et de la cinématique à l'échelle des particules, qui peut être réalisée avec des techniques d'imagerie standards ; (ii) une approche numérique capable d'exploiter ces mesures afin de déduire les forces de contact.L'une des contraintes qu'on s'était imposée était de ne s'appuyer que sur la connaissance de la géométrie des particules ainsi que du réseau de contacts pour réaliser la déduction des forces de contact. Trois techniques numériques différentes ont été proposées à cet effet : une méthode basée sur l'élasticité des contacts (CEM), une méthode basée sur la dynamique de contact (CDM) et une méthode basée sur l'équilibre élasto-plastique de l'assemblage granulaire (QSM). Chacune de ces techniques repose sur une approche de la famille des méthodes en éléments discrets ; il s'agit respectivement de le DEM de type Cundall, la dynamique des contacts non régulière, et une approche de calcul statique élastoplastique. La non-unicité de la solution est le principal problème avec les techniques choisies, et elles sont étroitement liées à l’indétermination des forces dans le système.Les trois méthodes sont d'abord présentées et validées en les appliquant à l'estimation des forces dans les systèmes granulaires 2D générés au moyen de simulations DEM explicites. Nous prenons ces simulations comme des expériences "idéales" dans le sens où elles fournissent des données similaires à celles extraites des expériences, mais dépourvues d'erreurs de mesure. Un avantage évident de cette stratégie est d’obtenir des ensembles de forces faisant office de référence faisant foi. Sur cette base, les principaux aspects affectant la détermination des forces peuvent être étudiés. En particulier, le rôle crucial de l'histoire du chargement est mis en évidence et certaines solutions pour les prendre en compte dans la détermination des forces ont été prospectées. Une évaluation de l'influence de l'erreur de mesure a également été réalisée pour prédire l'applicabilité de chaque méthode à des expériences réelles. Une brève analyse de la variabilité des solutions est également fournie.Finalement, des tentatives ont été faites pour déduire des forces issues d’expériences effectuées dans le dispositif 1gamma2epsilon. La cinématique des particules et la connectivité ont été évaluées au moyen de la technique de corrélation d'image numérique. Les avantages et inconvénients des trois méthodes ont été éclaircis. Ils nous conduisent à envisager une utilisation combinée des trois méthodes pour tirer parti de leurs atouts respectifs. À l'avenir, il conviendra de réfléchir à la prise en compte de la stabilité de la solution -- dans l'algorithme de convergence vers une solution -- avec l'espoir de limiter la variabilité des solutions. / In the experimental study of the micro-mechanics of granular materials, measuring inter-particle contact forces is still a challenging task, if compared to the well-established tools and techniques for the kinematic characterisation at particle scale. This doctoral thesis addresses this problem. The proposed approach consists of two parts: an experimental characterisation of the granular network geometry and of particle-scale kinematics, which can be carried out with common imaging techniques such as Digital Image Correlation; a numerical approach aiming to exploit these measurements for the estimation of forces.One imposed constraint was to only make use of the rigid motions of particles, together with the knowledge of the contact network, to infer contact forces. Three different numerical techniques have been proposed to this purpose, referred to as Contact Elasticity Method (CEM), Contact Dynamics-based Method (CDM) and Quasi-Static Method (QSM). Each of these techniques is based on the formulation of common approaches in the family of Discrete Element Methods, respectively the classical Cundall-like DEM, the Non Smooth Contact Dynamics and a quasi-static approach accounting for both contact elasticity and plasticity. It is shown that memory of the history of the packing is the main concern with all the chosen techniques.The three methods are first presented and validated by applying them to the estimation of forces in 2D granular systems generated by means of explicit-time DEM simulations. We refer to these simulations as "ideal" experiments since they are meant to provide the same information that can be extracted from experiments, but without any measurement error. An obvious benefit of this strategy is to get reference force sets that are taken as ground truth. Based on this, the main aspects that affect the determination of forces can be investigated. In particular, the crucial role of history is emphasised here, and some solutions to take it into account in the force inference have been investigated.An assessment of the influence of measurement error has also been carried out, to predict the applicability of each method to real experiments. A short analysis of the variability of the solutions is also provided.Finally, some attempts have been made to infer forces from experiments carried out in the 1gamma2epsilon device. Particle kinematics and connectivity have been assessed by means of the Digital Image Correlation technique.The benefits and drawbacks of the three methods have been demonstrated. They conduct us to envision a combined usage of the three methods. In the future, studying the stability of equilibrium might help reducing the variability of the solutions.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2018GREAI074 |
| Date | 22 October 2018 |
| Creators | Tolomeo, Mathias |
| Contributors | Grenoble Alpes, Combe, Gaël, Richefeu, Vincent |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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