Dissertations / Theses on the topic 'Comparaison des approches expérimentales et numériques'

Cette étude porte sur des flammes en V, diphasiques, stabilisées dans un écoulement pseudo-laminaire ou modérément turbulent. Un support de combustible gazeux est également injecté pour aider à la stabilisation des flammes, en particulier en régime turbulent. Une approche expérimentale et une approche numérique (Simulation Numérique Directe) sont menées simultanément. Les mêmes outils de post-traitement sont utilisés pour traiter les résultats des expériences et des simulations. Expérimentalement, l'écoulement est caractérisé en terme de distribution en taille des gouttes (Malvern), propriétés de la turbulence (PIV), répartition qualitative de la vapeur de combustible (PLIF sur acétone) et distribution en température des gouttes (réfractométrie d'arc-en-ciel). Numériquement, l'écoulement gazeux est décrit par les équations de Navier-Stokes dans le cadre eulérien. Le couplage avec la phase liquide est de type two-way avec un solveur lagrangien pour les gouttes. La cinétique chimique dérive des résultats de chimie complexe issus de Chemkin (schéma cinétique de San Diego pour l'acétone auquel sont ajoutées les réactions d'oxydation de l'acétone). Le modèle de flamme épaissie (facteur d'épaississement et fonction d'efficacité) est utilisé, dans le cadre de la DNS à des fins d'analyse, pour permettre une réduction du maillage et un gain de temps de calcul. Les propriétés moyennes géométriques et locales de la flamme sont déterminées et analysées: morphologie des flammes, angle d'ouverture, variable de progrès, évolution du flame brush, courbure et cisaillement. L'angle d'ouverture de la flamme est utilisé pour caler les paramètres de la simulation. L'évolution de la température des gouttes devant le front de flamme est étudiée pour les différentes conditions de turbulence, selon les deux approches. Les données de la DNS sont utilisées pour développer une méthode de calcul du cisaillement, à partir des données expérimentales, selon la méthode tensorielle
This work deals with V-shaped two-phase flames stabilised in a pseudo-laminar or moderated turbulent flow. Some gaseous fuel is also injected to help turbulent flames stabilisation. An experimental approach and a numerical approach (Direct Numerical Simulation) are conducted simultaneously. The same tools are used for post-processing of experimental and numerical data. The flow is experimentally charaterised in term of droplet size distribution (Malvern), turbulent properties (PIV), qualitative fuel repartition (PLIF on acetone) and droplet temperature distribution (rainbow refractometry). The gaseous flow is numerically defined by Navier-Stokes equations in an eulerian framework. Two-way coupling is use to determine interaction of gaseous and liquid phases. A lagrangian solver is used for the dispersed phase. Chemical kinetics is derived from complex chemistry results computed with Chemkin (San Diego mechanism for n-heptane with acetone oxydation reactions). Flame front is artificially thickened (Flame thickness factor and efficiency function). This enables reduction of the mesh size which is time saving. Mean geometrical and local properties of the flame front are determined: morphology, flame angle, progress variable, flame brush evolution, curvature and strain rate. The mean flame angle is used to ajust DNS parameters. The evolution of the droplets mean temperature is presented for different turbulent conditions and from experimental and numerical approaches. DNS fields are used to develop a calculation method of strain rate from experimental data following tensorial method

Il est difficile de quantifier les dissipations d'énergie se produisant dans les ouvrages lors d'un séisme de manière réaliste, en particulier dans le cas de structures en béton armé. Ceci s'explique par la diversité des sources de dissipations. Classiquement, elles sont introduites dans la modélisation des structures sous la forme d'un amortissement global peu physique. Le problème qui se pose est de savoir comment prendre en compte l'amortissement de manière plus physique. Ces travaux visent à apporter des éléments de réponse à cette problématique. Pour cela, deux objectifs ont été poursuivis : le premier consiste à qualifier et quantifier expérimentalement les sources d'amortissement dues au béton, le second vise à développer une méthode de calcul, peu couteuse et permettant de modéliser le comportement global mais aussi l'amortissement de manière réaliste. Une campagne d'essais de flexion 3 points alternée a été réalisée afin de quantifier les mécanismes contribuant à l'amortissement. Cette campagne est effectuée sur des poutres saines mais également sur des poutres pré-endommagées. L'analyse des expériences a permis d'identifier différentes grandeurs physiques influençant l'amortissement. Cette campagne a été modélisée à l'aide de trois lois de comportements, une loi s'est révélée pertinente. La loi de comportement ainsi identifiée a permis de développer une modélisation simplifiée, en vue d'études probabilistes. Cette dernière est fondée sur une loi de comportement simple couplée à une actualisation de l'amortissement visqueux. Trois actualisations de l'amortissement ont été développées et confrontées à une campagne d'essais sismiques mono axiaux sur un poteau.

Ce travail de thèse se décompose en deux parties. Tout d'abord, nous présentons une nouvelle technique de focalisation d'ondes avec un seul émetteur en cavité réverbérante (FIM) en profitant d'un algorithme inspiré du filtre inverse. Via l'étude expérimentale de cavités réverbérantes dans le domaine des ultrasons, nous démontrons la capacité du FIM à optimiser la focalisation quelle que soit le type de cavité (de type ergodique ou non). Dans une deuxième partie, la propagation d'ondes élastiques dans un système formé par un ensemble de tiges d'aluminium collées sur une plaque mince de même nature, est étudiée. Ces tiges (résonateurs quasi-ponctuels) sont arrangées de façon périodique ou aléatoire sur une échelle sub-longueur d'onde. Le métamatériau ainsi constitué révèle la présence de larges bandes de fréquences interdites. De plus, la coexistence de résonances de flexion et de compression dans les résonateurs, ajoutée à la présence d'une conversion d'une partie de l'énergie du mode A0 vers le mode S0 dans la plaque, crée une grande complexité du champ d'onde. C'est ce qui fait de ce type de métamatériau, des objets tout à fait singuliers à l'échelle mésoscopique
This thesis is divided into two parts. First, we present a new technique for focusing waves with one emitter in reverberant cavity (OCIF) inspired by inverse filter algorithm. Through the experimental study of reverberant cavities in the field of ultrasound, we demonstrate the ability of the OCIF to optimize the focusing no matter what type of cavity (ergodic type or not). In a second part, we investigate the propagation of elastic waves in a system formed by a set of aluminum rods glued to a thin plate of the same material. These rods form a set of quasi-punctual resonators in the propagation plane of waves. It is possible to arrange them periodically or randomly on a subwavelength scale. The metamaterial thus formed shows a complex wave field within it, including the presence of wide prohibited frequency ranges (bandgaps). The experimental and numerical approaches described in this manuscript show the existence of both flexural and compressional resonances in the resonators. Added to the presence of a conversion of a portion of the energy from the $A0$ Lamb mode to the $S0$ one in the plate, such a complexity makes this type of metamaterials, quite unusual objects at the mesoscopic scale

Les pathologies vasculaires provoquent un remodelage de la paroi artérielle pouvant entraîner une modification de sa rigidité et de son comportement mécanique. L’objectif de cette thèse est de proposer des méthodes de caractérisation mécanique permettant d’identifier les changements de propriétés mécaniques artérielles dans le cadre de deux situations pathologiques : l’anévrysme de l’aorte abdominale (AAA) et l’hypertension artérielle (HTA). La première étude a consisté à évaluer in vitro les modifications de fonctionnalité de l’artère dans le cas d’un AAA obtenu par le modèle de xénogreffe chez le rat qui permet de reproduire certains aspects de la pathologie humaine et qui est utilisé pour la mise au point de thérapies cellulaires. Une analyse des variations régionales des propriétés mécaniques du tissu anévrysmal a d’abord été menée en effectuant des tests de traction sur anneaux d’AAA. Des tests d’extension-inflation ont ensuite été réalisés sur la structure vasculaire pour des conditions de chargement reproduisant celles observées in vivo. Dans chacun des cas, une méthode inverse couplée à un modèle numérique par éléments finis a été développée afin d’identifier les paramètres matériaux du tissu vasculaire. Dans la deuxième étude, la rigidité artérielle a été mesurée in vivo sur une population de patients atteints d’HTA et de sujets sains en utilisant deux méthodes non-invasives qui ont été développées et optimisées : l’imagerie ultrarapide de l’onde de pouls et l’élastographie par ondes de cisaillement de la paroi artérielle. Ces deux méthodes s’appuient sur un échographe ultrarapide. La vitesse de l’onde de pouls locale sur un segment de la carotide a ainsi pu être évaluée, ainsi que la vitesse de propagation d’ondes de cisaillement générées dans la paroi à plusieurs instants du cycle cardiaque. Les deux approches in vitro et in vivo ont ainsi permis d’évaluer certains changements de propriétés mécaniques de la paroi artérielle dans des cas pathologiques. Bien que tous les mécanismes biologiques de l’AAA et de l’HTA soient complexes, ce travail permet de contribuer à une meilleure compréhension des pathologies vasculaires pouvant ainsi aider au choix ou au développement de traitements adaptés, tant d’un point de vue pharmacologique que dans le cadre de nouvelles thérapies cellulaires
Vascular pathologies are generally accompanied by a remodeling of the arterial wall that may lead to modifications of its stiffness and mechanical behavior. The goal of this thesis is to propose methods of mechanical characterization allowing to detect the changes in arterial mechanical properties in the case of two pathologies: abdominal aortic aneurysm (AAA) and arterial hypertension (HTA). The first study consisted in evaluating in vitro the arterial functional modifications in the case of an AAA obtained by the rat xenograft model which reproduces several biological features of the human pathology and is used to develop cell therapies. First, the assessment of regional variations in mechanical properties of aneurysmal tissue was conducted by carrying out traction tests on rings from AAAs. Then, extension-inflation tests were conducted on the vascular structure for loading conditions replicating those observed in vivo. In each case, an inverse method associated with a numerical finite element model was developed to identify the material parameters of vascular tissue. In the second study, arterial stiffness was measured in vivo for a population of hypertensive patients and healthy subjects using two non-invasive methods which were developed and optimized: ultrafast imaging of the pulse wave and shear wave elastography of the arterial wall. These two methods are based on an ultrafast ultrasound scanner. Thus the local pulse wave velocity on a segment of the carotid artery was assessed, as well as the propagation speed of shear waves created in the arterial wall at several moments during the cardiac cycle. Both in vitro and in vivo approaches enabled to evaluate some changes in mechanical properties of the arterial wall in pathological cases. Although all the biological mechanisms of AAA and HTA are complex, this work provides a contribution to a better understanding of vascular pathologies and can thereby assist in the choice or development of adapted treatments, from both a pharmacological point of view, and within the context of new cell therapies

Le développement des structures en bois en Génie Civil demande aujourd’hui de proposer aux gestionnaires d’ouvrages des outils de diagnostic et de monitoring pour suivre l’évolution des pathologies (flèches excessives, fissures, attaques biologiques, etc.) mais également pour contrôler l’humidité interne dans les éléments. Dans ce dernier contexte, le travail développé dans cette thèse concerne le développement d’un outil de caractérisation du champ hydrique dans des sections transversales d’éléments structuraux en bois. La méthode étudiée couple une mesure de résistivité, composée d’une tête de mesure (résistivimètre) associée à un grand nombre de sondes raccordées à un système multiplexé, et d’une méthode inverse implémentée dans un code aux éléments finis. Dans une première partie, il est étudié les techniques de caractérisation des propriétés de diffusion dans le matériau caractérisé par une orthotropie et un comportement non linéaire exploitant des mesures d’humidité moyenne (méthode gravitométrique) et des profils spatiaux par mesures gammadensimétriques. Il est montré que le couplage des deux mesures permet d’obtenir en finalité des propriétés intrinsèques rendant ainsi la méthode de caractérisation fiable et robuste. La seconde partie présente le développement d’un ensemble expérimental dans le but d’obtenir une cartographie 1D et 2D du champ hydrique dans une section transversale. La technique repose sur la généralisation des méthodes résistives multiplexées utilisées en géophysique dans l’étude des sols stratifiés à des géométries finies à 2 dimensions. L’algorithme employé est basé sur le couplage de mesures de résistivité multiplexées et d’une analyse inverse implémentée dans un code aux éléments finis. La solution 1D permet d’obtenir des profils spatiaux pouvant remplacer les mesures gammadensimétriques. Les profils 2D permettent, pour une section donnée, d’estimer le champ d’humidité interne en tout point et de proposer ainsi un suivi dans le temps des profils hydriques
In civil engineering constructions, the development of timber structures requires today to managers works some diagnostic tools and monitoring systems to monitor pathologies (excessive deflections, cracks, biological attack, etc.) but also to control moisture content in the element sections. In the last context, the proposed work in this PhD thesis is the development of a tool for characterization of the moisture content map in the cross sections of structural elements. Studied method is based on the resistivity measuring, comprising a measuring head (resistivity meter) associated with many connected probes in a multiplexed system, and an inverse method implemented in a finite element software. In the first part, it is studied the techniques of characterization of diffusion properties in wood samples characterized by orthotropic and nonlinear behaviors according to average moisture content measurements (gravimetric method) and spatial profiles gamma densitometer measures. It is shown that the coupling of the two measurements provides the intrinsic properties with more reliability and more robustness. The second part deals with the development of an experimental protocol in order to achieve 1D and 2D mapping of the moisture content field in a cross section. The technique is based on the generalization of multiplexed resistivity geophysical methods used in the study of stratified soils with 2-dimensional geometries. The algorithm is based on the coupling between the resistivity measurements and an inverse multiplexed analysis implemented in a finite element code. The 1D solution provides spatial profiles which can replace gamma densitometer measures. For a selected section, 2D profiles allow estimating the moisture content field at any point and thus provide a time tracking of moisture profiles

L'objectif de cette thèse est d'étudier l'effet du vieillissement sur les propriétés viscoélastiques de la pulpe du doigt et sur la perception tactile. La maîtrise et la compréhension de la perception tactile liée à l'âge nécessitant un développement approfondi des approches innovantes en termes d'expérimentation et de simulation numérique. L'état de l'art sur le tissu cutané comme organe sensoriel est présenté. Afin d'évaluer l'effet de l'âge et du genre sur les propriétés mécaniques cutanées, un dispositif expérimental conçu et réalisé au sein du laboratoire a été utilisé. Il permet de solliciter la peau du doigt in vivo, avec une pression d'air contrôlée et d'identifier les paramètres viscoélastiques. Cette étude expérimentale a permis de mener une étude approfondie des propriétés mécaniques de la pulpe du doigt. L'étude expérimentale est accompagnée d'un modèle numérique axisymétrique bidimensionnel multicouche du doigt humain, afin de reproduire le test du fluage. Ce modèle a permis de calculer les méthodes d'élasticité instantanés de chaque couche de la pulpe du doigt par une approche inverse. Une étude expérimentale d'acuité tactile a été menée sur l'extrémité du doigt humain. Celle-ci montre un déficit de l'acuité tactile chez les personnes âgées. Afin de comprendre l'origine de ce déficit, une simulation numérique a été développée en tenant compte de l'effet de l'âge. Cette étude a permis d'identifier le seuil de l'acuité tactile de chaque groupe d'âge et de comprendre le fonctionnement des récepteurs sensoriels et leurs interactions avec le stimulus. L'étude de l'effet du vieillissement sur le toucher actif avec une approche expérimentale a été menée. Un dispositif innovant développé dans le laboratoire a été utilisé afin de quantifier le frottement dynamique et les vibrations induites lorsque le doigt humain explore une surface texturée. Ces vibrations sont à l'origine de l'excitation des récepteurs sensoriels et jouent un grand rôle dans la sensation du toucher actif. L'effet de l'âge s'est traduit par une baisse significative du niveau vibratoire. L'étude numérique menée dans le dernier chapitre a permis d'étudier pour la première fois le déficit dû au vieillissement en termes de résolutions verticale et spéciale de la texture d'une surface
The aim of this thesis is to study the effect of aging on the viscoelastic properties of the finger and the tactile perception. The understanding of tactile perception related to age requires further development of experimental and Numerical approaches. The skin tissue as sensory organ is presented. To asses the effect of age and gender effect, an xperimental device designed and producted in the laboratory is used. This device allows soliciting the skin of the finger in vivo, with a controlled air pressure and identifying the viscoelastic parameters. This expérimental study allowed calculating of the mechanical properties of the finger pad. The experimental study is accompanied with a multilayer axisymmetric two-dimensional FEM model of the human finger developed to reproduce the test creep. This model was used to calculate the instantaneous modulus of elasticity of each layer of the finger by a reverse approach. An experimental study of tactile acuity was conducted of the human finger. This shows a deficit of tactile acuity of aged subjects. This study identified the threshold of tactile acuity in each age group and allowed the understanding of the interactions of the sensory receptors with the stimulus. The study of the effect of aging on the active touch with an experimental approach was conducted. An innovative device developped in the laboratory, was used to quantify vibrations induced when a human finger explores a textured surface. These vibrations are the source of excitation of sensory receptors and have a big role in the sensation of active touch. The effect of age shows a significant decrease in vibration level. The numerical study in the last chapter was used to study for the first time the deficit due to aging in terms of vertical and special resolutions of textured surfaces

Le mémoire se focalise sur la dynamique non linéaire des structures fixes et tournantes à travers des approches théoriques et expérimentales. Les résultats de recherche sont illustrés à travers des applications industrielles variées.

Dans une première partie, le rôle joué par les phénomènes non-linéaires en dynamique des structures et le développement de méthodes non-linéaires sont illustrés à travers trois axes de recherche.
Le premier axe porte sur la stabilité et la dynamique non-linéaire des systèmes frottants. On se propose de déterminer les zones stables et instables, ainsi que les niveaux vibratoires lorsque le système dynamique non-linéaire est sujet à une instabilité de type flottement. Pour ce faire, des approches se basant sur des réductions et/ou approximations des solutions sont développées et validées sur des exemples industriels (freins automobile et aéronautique).
Le deuxième axe se focalise sur la détection des fissures dans les systèmes tournants et cherche à définir des critères de détection des fissures se basant sur les réponses dynamiques non-linéaires (résonances sous-harmoniques, ordres, orbites, interaction fissure-balourds,...). Des approches théoriques, numériques et expérimentales sont menées en parallèle afin de statuer sur la pertinence et la robustesse des critères proposés.
Le troisième axe s'intéresse à la problématique de la dynamique non-linéaire des systèmes mono et bi rotor à travers des approches numériques et expérimentales. Ces recherches proposent de statuer sur la prise en compte des phénomènes non-linéaires et de la modélisation des organes associés lors du dimensionnement des systèmes tournants à partir de l'étude du comportement vibratoire (diagramme de Campbell, réponses non-linéaires et orbites, évolution des ordres,...).

Dans un second temps, l'accent est porté sur les perspectives de recherches et sur les ouvertures scientifiques envisageables sur des thématiques transversales.

Les particules colloidales sont impliquees dans de nombreuses problematiques liees a l'hydrogeologie. Les particules argileuses, de part leur presence dans les eaux souterraines et leur forte capacite d'adsorption, sont des vecteurs potentiels de co-transport qui ne peuvent etre negliges. Dans ce travail, le transport et la retention de particules argileuses en milieu poreux sature sont etudies aux points de vue experimental et numerique. Des injections continues d'une suspension de smectites ont ete realisees sur des colonnes de laboratoire remplies d'un sable tres fin. Le transport colloidal est simule numeriquement a deux echelles : - une echelle microscopique, par approche lagrangienne et resolution des equations de langevin ; - une echelle macroscopique selon une equation de convection/dispersion et interaction. Deux types de comportement sont mis en evidence : - un regime stabilise, ou la concentration en sortie de colonne atteint un plateau ; - une augmentation de la retention au cours du temps, pour les forces ioniques les plus elevees et/ou a faible debit. Une augmentation de la force ionique et/ou une diminution de la vitesse d'ecoulement engendrent un accroissement de la retention des particules. Le parametre cinetique d'adsorption irreversible utilise dans l'approche macroscopique augmente logiquement avec la force ionique mais diminue avec la vitesse d'ecoulement. L'approche microscopique est utilisee afin de reinterpreter les resultats experimentaux. La determination des efficacites de capture et de collision a l'echelle du grain permet de decrire de facon satisfaisante les resultats experimentaux.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR CGS µLab, qui vise à appréhender lesmécanismes fondamentaux impliqués dans les procédés de stockage profond du CO2 à partir des laboratoiresgéologiques sur puce (GLoCs – geological labs on chip) pour reproduire les conditions depression et de température des milieux géologiques profonds. Au-delà de la compréhension expérimentale,l’apport des techniques de modélisations numériques apparaît essentiel afin de définir des modèlespermettant de prévoir notamment les capacités maximales de stockage à partir des caractéristiques duréservoir (porosité, perméabilité, température, pression, géochimie), et du procédé d’injection (débit,composition). Dans ce contexte, ce travail a principalement deux objectifs : (i) associer l’imagerie expérimentaleet la modélisation numérique pour simuler des écoulements non réactifs dans des GLoCset (ii) suivre expérimentalement les évolutions structurelles d’un milieu poreux 3D soumis à un écoulementréactif. Notre démarche comporte deux parties pour répondre à ces objectifs. Dans la premièrepartie, nous avons effectué la modélisation 3D des perméabilités des GLoCs par la prise de moyennevolumique. Pour ce faire, nous avons d’abord vérifié le comportement darcéen d’un GLoC en fonctionde son nombre de rangs de plots en étudiant un problème de diffusion sur un maillage emboîté quenous avons implémenté à partir d’une image binaire du GLoC pour réduire le temps de calcul. Puis,nous avons mis à jour notre code de perméabilité, qui résout le problème de fermeture de l’écoulement,en calculant analytiquement en 3D le critère de stabilité qui prend en compte l’anisotropie dela géométrie des GLoCs. Nous avons ensuite traité les images numériques 2D des GLoCs avant deprocéder à la génération de leurs volumes élémentaires représentatifs (VERs) 3D. Nous avons enfinsimulé les perméabilités des GLoCs avant de les confronter aux résultats expérimentaux et à ceuxobtenus avec le logiciel PHOENICS. Dans la deuxième partie, nous avons développé un montage expérimentalpermettant de recréer des milieux poreux réactifs en 3D au sein d’un canal microfluidique(lit fixe de microparticules de carbonates de calcium – CaCO3). Grâce à la laminographie X de la ligneID19 de l’ESRF, nous avons pu observer sur des coupes d’image 2D reconstruites les phénomènes dedissolution lors de l’injection successive de volumes constants de solution hors équilibre. Cette preuvede concept a ouvert de nouvelles perspectives d’utilisation de cette méthodologie pour acquérir desdonnées cinétiques sur des phénomènes de fronts réactifs dans les poreux
This thesis work is included within the ANR CGS µLab projet, which aims to understand thefundamental mechanisms involved in the deep storage processes of CO2 from on-chip geological laboratories(GLoCs - geological labs on chip) to reproduce the pressure and temperature conditionsof deep geological environments. Besides experimental understanding, the contribution of numericalmodeling approaches appears essential in order to define models allowing to predict in particularthe maximum storage capacities based on the characteristics of the reservoirs (porosity, permeability,temperature, pressure, geochemistry), and the injection process (flow rate, composition). In thiscontext, this work has two main goals : (i) to associate experimental imaging and numerical modelingto simulate non-reactive flows in model porous media on chip ; and (ii) to follow experimentally thestructural evolution of a 3D porous medium undergoing a reactive flow. In order to address to thesegoals, the approach we have proposed is divided into two parts. In the first part, we carried out the3D modeling of the permeabilities of GLoCs by taking volume averaging. To do this, we first verifiedthe behavior of a GLoC according to its number of plots rows by studying a diffusion problem ona nested mesh that we have implemented from a GLoC binary image to reduce computation time.Then, we updated our permeability code, which solves the closure problem of flow, by analyticallycalculating in 3D the stability criterion that takes into account the anisotropy of GLoC geometry. Wethen processed the 2D digital images of the GLoCs before proceeding with the generation of their3D representative elementary volumes. Finally, we have simulated the permeabilities of GLoCs beforecomparing them with the experimental results and those obtained with the PHOENICS software. In asecond part, we have developed an experimental set-up to recreate 3D reactive porous media within amicrofluidic channel (fixed packed bed of calcium carbonate - CaCO3 microparticles). Using the X-raylaminography of the ESRF line ID19, we have observed on reconstructed 2D images the dissolutionphenomena occurring during the successive injection of constant volumes of non-equilibrium solution.This proof of concept has opened new possibilities for using this methodology to acquire kinetic dataon reactive front phenomena in porous media

Les alliages d'aluminium ont été largement utilisés dans l'industrie automobile et maritimes en raison des avantages d'une faible densité, d'une bonne résistance à la corrosion. Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s’intéressent à la mise en forme à chaud de tôles minces en alliage d’aluminium AA5383. L'objectif principal est de réduire le temps de formage sans sacrifier l'intégrité de la pièce. Tout d'abord, le comportement à la déformation à chaud de l'alliage AA5383 est caractérisé expérimentalement. Une campagne expérimentale comprenant d’essais de traction uniaxiale, de traction entaillées, de cisaillement et de gonflement libre est réalisée pour couvrir une plage importante de températures (623~723 K) et de vitesses de déformation (10-4~10-1 s-1). Ensuite, les modèles de matériau, tels qu'une règle de flux composite avec le critère de plasticité BBC2003 et le critère de dommage Mohr Coulomb Modifié, sont développés et mis en œuvre dans ABAQUS à l'aide du sous-programme utilisateur. Enfin, les simulations numériques des processus de formation de gaz sont effectuées et comparées aux résultats expérimentaux correspondants
Aluminum alloys have been extensively used in the automotive and marine industry due to the advantages of low density, high strength to weight ratio and good corrosion resistance. Major challenge of their application lies in the ability to form deep-drawing shapes. Superplastic Forming is widely used to produce this type of parts. However, high forming cycle time due to the low forming strain rate limits their wide application. The present dissertation focuses on hot forming strategies to produce deep drawing parts from AA5383 aluminum thin sheets. The main objective is to reduce the forming time without sacrificing the part integrity. Firstly, the hot deformation behavior of the AA5383 alloy is experimentally characterized. An experimental campaign, including uniaxial tension, notched tension, shear and free bulging tests, is performed to cover an important range of temperatures (623~723 K) and strain rates (10-4~10-1 s-1). Then, the material models, such as a composite flow rule with the BBC2003 anisotropic yield criterion and the modified Mohr-Coulomb damage criterion, are developed and implemented in ABAQUS by using user subroutine. Finally, the numerical simulations of the gas forming processes are performed and compared with the corresponding experimental results

Dans un premier volet, une approche expérimentale basée sur des essais macroscopiques et des observations microscopiques (MEB et MO) ont permis de préciser la cause de l’endommagement du polyéthylène haute densité (PEHD) et sa sensibilité à la triaxialité des contraintes. Dans un deuxième volet, afin d’explorer des gammes de triaxialités de contraintesplus importantes, des éprouvettes fissurées ont été étudiées expérimentalement et ont permis de discuter de la pertinence des critères impliquant les concepts de la mécanique de la rupture ductile pour l’étude du PEHD. Pour étayer la discussion, deux approches énergétiques (intégrale J et EWF) de la mécanique de la rupture couplées à la technique de corrélation d’images digitales ont été examinées sur trois types d’éprouvettes (SENB, CT et DENT). Enfin, un troisième volet avait pour objet d’examiner la pertinence de modèles issus de la mécanique de l’endommagement ductile par croissance de vides pour prédire le comportement mécanique et l’endommagement du PEHD et ce, jusqu’à rupture. Une attention particulière a été portée aux effets de triaxialité des contraintes. Deux critères de coalescences ont été examinés selon deux approches complémentaires. Ces approches se sont avérées pertinentes dans le cas du PEHD. En effet, la confrontation des résultats numériques avec les résultats expérimentaux a montrée une bonne corrélation tant sur la réponse globale des éprouvettes axisymétriques entaillées (courbes contrainte vraie - variation de volume plastique - déformation vraie) et des éprouvettes de rupture (charge - déplacement) que sur la réponse locale des éprouvettes de rupture en terme de champs cinématiques
In a first part of this thesis, an experimental approach based on macroscopic measurements and microscopic observations (SEM and OM) led to a better understanding of damage mechanisms in high density polyethylene (HDPE) and its stress triaxiality sensitivity. In order to examine higher stress triaxiality values, cracked samples were experimentally examined in a second part. Based on the obtained results, the relevance of the fracture mechanics concepts to characterize the fracture toughness of HDPE was critically discussed. The investigation was performed using two well-known approaches of the fracture mechanics – J-integral and EWF – using different specimen configurations (SENB, CT and DENT). To gain insight into the strain field around the crack tip, digital image correlation method was used. The third part was focused on the demonstration of the relevance of ductile damage models (based on the void volume evolution as indicator of damage) to predict the mechanical and damage behaviour of HDPE and that, until complete failure. A special attention was paid on the stress triaxiality effects. Two failure criteria using complementary approaches were examined. These approaches were found relevant in the case of HDPE. Indeed, a good agreement was found between the numerical simulations and the experimental results in terms of overall response of axisymmetric samples (true stress-strain-volumetric response) and of cracked samples (load-displacement response) and in terms of local response corresponding to kinematics fields

Cette thèse présente une étude de l’application de la fabrication additive (connue sous le nom d’impression 3D) à la mécanique des roches. Elle s’inscrit dans le cadre d’un projet plus large visant à construire un modèle physique de 2m3 d’un massif rocheux explicitement discontinu, dont le comportement est contrôlé principalement par les discontinuités. La technique de fabrication additive adoptée est le frittage laser (SLS), le matériau utilisé est un polymère : le polyamide 12 (PA12). Dans un premier temps des joints artificiels construits par SLS sont testés sous essais de cisaillement à contrainte normale constante. Deux familles de discontinuités sont étudiées. La première est formée par des joints à géométrie simplifiée (joints planaires ou en dents de scies) ayant une ouverture de 0,4mm et contenant des ponts rocheux. Les résultats montrent que cette technique de fabrication des joints en PA12 permet d’obtenir un comportement global similaire à celui des joints rocheux naturels, avec une cohésion pilotée par les ponts rocheux, et un angle de frottement dépendant de l’angle des aspérités. La deuxième famille est constituée de joints ayant des rugosités plus réalistes, auxquelles on peut attribuer une valeur de JRC, communément utilisée pour décrire les joints naturels. Cette configuration permet elle aussi de reproduire un comportement global équivalent à celui des joints naturels, avec une mobilisation des aspérités primaires et secondaires des surfaces. Les résultats obtenus sont comparés au critère de rupture de Barton-Bandis. Cette étude expérimentale est complétée par une modélisation numérique sous le logiciel UDEC, dans le but d’étudier la capacité des modèles existants à reproduire le comportement des joints artificiels obtenu expérimentalement, et de calibrer numériquement les paramètres mécaniques utilisés dans la modélisation pour représenter les essais expérimentaux. Dans un second temps, des éprouvettes cylindriques (16 x 32 cm) contenant deux ou huit discontinuités à géométrie simplifiée (planaire + ponts rocheux) sont fabriquées et testées sous compression uni-axiale. Il s’agit d’une première tentative d’un modèle réduit explicitement discontinu et contenant des joints ayant un comportement mécanique contrôlé. Les résultats permettent de mettre l’accent sur l’influence des discontinuités sur le comportement global d’un massif rocheux. Ces essais sont comparés à une modélisation numérique sous 3EDC. Finalement, et afin d’étudier l’applicabilité de cette technique à la modélisation physique, les lois de similitudes sont appliquées aux résultats obtenus dans les parties précédentes. Il en ressort qu’il est possible d’utiliser la SLS et le PA12 en modélisation physique des massifs rocheux, jusqu’un facteur d’échelle sur les dimensions métriques de 1/25
This thesis presents a study of the application of additive manufacturing (known as 3D printing) to rock mechanics. It is part of a larger project aimed at building a 2m3 physical model of an explicit discontinuous rock mass, whose behaviour is mainly controlled by discontinuities. The 3DP technology adopted in this work is selective laser sintering, and the material is Polyamide 12. First, we present the experimental results of the mechanical characterization of artificial rock joints constructed by 3DP. Two joint families are tested. The first is characterized by a fixed aperture (0,4mm), a simplified geometry (planar or sawtooth), and containing rock bridges. The mechanical characterization shows that these joints exhibit a mechanical behavior similar to that of natural rock joints under shear tests, with a cohesion driven by the rock bridges, and a friction angle which depends on the angle of the asperities. The second family consists of joints with more realistic roughnesses, to which a JRC value, commonly used to describe natural joints, can be assigned. Again, experimental results show the potential of artificial joints to reproduce the mechanical behavior of natural joints, and to respect the Barton-Bandis criterion. Experimental studies are coupled with numerical modeling, using the UDEC software, to define the appropriate model that reproduces the experimental results, and to calibrate the mechanical parameters of both joints type. After defining different artificial joints with controlled parameters, cylindrical samples (16 x 32 cm) containing two and eight planar discontinuities with rock bridges are printed and tested under uni-axial compression. This is a first attempt at an explicitly discontinuous physical model containing joints with controlled mechanical behaviour. The mechanical behavior of these samples highlights the influence of discontinuities in controlling the global behavior and resistance of rock masses. The results are then compared to a numerical modeling under 3EDC. Finally, scaling laws are applied to the previous results. The application of scale factors to the experimental results shows the possibility of representing natural rock mass and rock joints with artificial 3DP joints (SLS technique) up to a scale factor on metric dimensions of 1/25

Le creusement de tunnels en souterrain sans pressurisation implique que le front de taille ainsi que les parois restent sans soutènement pendant un certain temps. Aussi, la maîtrise de la stabilité de la zone non soutenue et des tassements liés à l'excavation constitue un enjeu capital, particulièrement en terrains meubles. Afin d'étudier la stabilité de cette zone caractérisée par sa longueur (longueur libre) et par sa hauteur (hauteur libre), une approche numérique et une approche expérimentale sur modèles réduits ont été élaborées. Le modèle numérique est basé sur un calcul à la rupture considérant un mécanisme de rupture tridimensionnel. Il permet le calcul de coefficients de sécurité au niveau du front de taille et des cotés latéraux en fonction des longueurs et hauteurs libres, et prend en compte l'effet d'arc-boutant dans le terrain de couverture. Ce modèle, comparé aux méthodes de calcul à la rupture existantes, montre son plus large domaine d'application et des résultats plus conformes au comportement de tunnels réels. L'approche expérimentale a été menée sur deux appareils de tailles différentes, le terrain étant modélisé par un matériau équivalent composé par un mélange de sable et de kaolin, respectant les règles de similitude. Les essais réalisés sur les deux modèles d'échelles différentes ont mis en évidence des mécanismes de rupture en accord avec les hypothèses du modèle numérique. Par ailleurs les résultats sur le grand modèle concordent quantitativement avec les analyses numériques, et laissent penser que ces approches expérimentales et numériques représentent correctement les phénomènes réels
Underground excavation without pressurization implies that both heading and lateral sides remain unsupported for a certain time. Besides a key issue lies in the control of the stability of the unsupported area and settlements due to excavation, particularly in soft grounds. In order to study the stability of this area characterized by its length (free length) and its height (free height), a numerical approach and an experimental approach on a small-scale model have been developed. The numerical model is based on a failure calculation method considering 3D rupture mechanisms. It allows the determination of the safety factor for the heading and the lateral areas as a function of free length and free height, and taking into account the arching effect for soils above the tunnel. A comparison between this model and other numerical methods shows its wider field of application and leads to results in better agreement with real tunnels. The experimental approaches have been carried out on two small-scale models of different sizes with the same equivalent ground material modeled by a mixture of sand and kaolin and that satisfies the similarity conditions. Excavation tests are in good agreement with our numerical prediction of rupture mechanisms. Also our first quantitative results regarding the larger small-scale model agree well with numerical simulation results, suggesting that it provides a reasonably accurate picture of a full-scale tunnel

Cette étude porte sur l'usinage de l'alliage de titane Ti17 avec une assistance jet d'eau haute pression. Une attention particulière a été portée à l'analyse des mécanismes de dégradation et d'usure des outils lors de l'usinage avec et sans assistance. Le suivi de l'usure est réalisé par des observations régulières au microscope électronique à balayage (MEB) et par des analyses chimiques (technique EDS) afin de déterminer les zones de dépôt de matière sur l'outil. Toutes ces observations ont permis d'expliquer les mécanismes d'usure pour une opération d'ébauche et de finition. Il a été montré que les mécanismes d'usure sont différents entre l'usinage conventionnel et l'usinage assisté. En effet, lors de l'assistance jet d'eau haute pression, certains mécanismes ne sont plus activités mais d'autres mécanismes sont accélérés. Il existe donc une pression de jet d'eau optimale pour minimiser l'usure de l'outil.Afin de mettre en évidence l'effet du jet d'eau sur les phénomènes thermomécaniques dans les zones de formation du copeau, une modélisation par éléments finis est réalisée. Un couplage fluide / structure a dû être mis en place afin de prendre en compte les actions mécaniques et thermiques du jet d'eau sur la zone de coupe. Pour cela, la loi de comportement et le modèle d'endommagement de Johnson-Cook, ont été identifiés pour le Ti17 dans des conditions extrêmes sur une large gamme de températures et de vitesses de déformation. Cette modélisation a permis de mettre en évidence, pour l'usinage assisté haute pression, la diminution de la zone de contact outil/copeau, de retrouver la fragmentation du copeau et de quantifier le refroidissement des différentes zones de cisaillement.En revanche, cette modélisation ne permet pas de connaître l'effet de l'hétérogénéité microstructurale du matériau sur la zone de coupe. Ce constat est d'autant plus important que le matériau étudié présente une taille de grain importante (de l'ordre du millimètre). Pour cela, une nouvelle modélisation (multi-échelle) a été développée afin de prendre en compte la microstructure du matériau. Le matériau est donc modélisé comme un polycristal qui prend en compte des lois de la plasticité cristalline. Cette nouvelle approche permet alors de simuler la formation du copeau en prenant en compte les orientations cristallines des grains et les changements de phase qui apparaissent lors de l'usinage.

Cette étude porte sur l'usinage de l'alliage de titane Ti17 avec une assistance jet d'eau haute pression. Une attention particulière a été portée à l'analyse des mécanismes de dégradation et d'usure des outils lors de l'usinage avec et sans assistance. Le suivi de l'usure est réalisé par des observations régulières au microscope électronique à balayage (MEB) et par des analyses chimiques (technique EDS) afin de déterminer les zones de dépôt de matière sur l'outil. Toutes ces observations ont permis d'expliquer les mécanismes d'usure pour une opération d'ébauche et de finition. Il a été montré que les mécanismes d'usure sont différents entre l'usinage conventionnel et l'usinage assisté. En effet, lors de l'assistance jet d'eau haute pression, certains mécanismes ne sont plus activités mais d'autres mécanismes sont accélérés. Il existe donc une pression de jet d'eau optimale pour minimiser l'usure de l'outil.Afin de mettre en évidence l'effet du jet d'eau sur les phénomènes thermomécaniques dans les zones de formation du copeau, une modélisation par éléments finis est réalisée. Un couplage fluide / structure a dû être mis en place afin de prendre en compte les actions mécaniques et thermiques du jet d'eau sur la zone de coupe. Pour cela, la loi de comportement et le modèle d'endommagement de Johnson-Cook, ont été identifiés pour le Ti17 dans des conditions extrêmes sur une large gamme de températures et de vitesses de déformation. Cette modélisation a permis de mettre en évidence, pour l'usinage assisté haute pression, la diminution de la zone de contact outil/copeau, de retrouver la fragmentation du copeau et de quantifier le refroidissement des différentes zones de cisaillement.En revanche, cette modélisation ne permet pas de connaître l'effet de l'hétérogénéité microstructurale du matériau sur la zone de coupe. Ce constat est d'autant plus important que le matériau étudié présente une taille de grain importante (de l'ordre du millimètre). Pour cela, une nouvelle modélisation (multi-échelle) a été développée afin de prendre en compte la microstructure du matériau. Le matériau est donc modélisé comme un polycristal qui prend en compte des lois de la plasticité cristalline. Cette nouvelle approche permet alors de simuler la formation du copeau en prenant en compte les orientations cristallines des grains et les changements de phase qui apparaissent lors de l'usinage
This study focuses on the machining of the Ti17 titanium alloy using high-pressure water jet assistance. Special emphasis is placed on the analysis of degradation mechanisms and tool wear during machining, with and without assistance. Wear monitoring was achieved by regular observations using both scanning electron microscope (SEM) and chemical analysis (EDS technique) to determine the areas of material deposition on the tool. These observations made it possible to explain the wear mechanisms for roughing and finishing conditions. Wear mechanisms for conventional machining and for assisted machining were found to be significantly different. Indeed, with high-pressure water jet assistance, some tool wear mechanisms are no longer activated, whereas others are accelerated. Hence, there exists an optimum water jet pressure which minimizes tool wear.To highlight the effect of water jet assistance on the thermomechanical phenomena in the chip formation zone, finite-element modeling has been performed. Fluid/structure coupling was developed to take into account the mechanical and thermal effects of the water jet. For this to be possible, the Johnson-Cook constitutive law and damage model have been identified for the Ti17 titanium alloy, under extreme conditions, over a wide range of temperatures and strain rates. This modeling has highlighted the fact that, for high-pressure assisted machining, the tool/chip contact zone is reduced. In addition, the simulation of chip fragmentation as well as the cooling effect on the tool and workpiece is possible.However, this model does not shed light on the effect of the microstructural heterogeneity of the material in the cutting zone. This is an important observation because the material studied has a very large grain size (of the order of a millimeter). For this reason, a new (multi-scale) modeling approach has been developed to take into consideration the microstructure of the material. The material is subsequently modeled as a polycrystal which obeys crystal plasticity constitutive laws. This new approach is then used to simulate chip formation, taking into account the grain orientations and phase changes that occur during the machining process

Le concept de maturité ou de temps équivalent permet de prendre en compte les effets combinés de la température et du temps, sur le développement de la résistance au jeune âge du béton. Il est basé sur la loi d'Arrhenius qui s'est révélée être la plus appropriée afin de décrire l'influence de la température sur la cinétique d'hydratation du ciment (réaction exothermique). Une estimation correcte de la résistance en compression du béton au jeune âge, par la méthode du temps équivalent, dépend essentiellement de la détermination adéquate de l'énergie d'activation apparente : Ea, Il s'agit de l'unique paramètre intervenant dans l'expression de la loi d'Arrhenius et caractérisant le mélange dans son ensemble. L'objectif principal de cette étude est de montrer comment les tests calorimétriques peuvent constituer une alternative aux procédures mécaniques lourdes, afin de déterminer Ea. La validité des valeurs d’ Ea obtenues est vérifiée au moyen de tests de compression. De plus, la possibilité d'utiliser de manière équivalente : béton ou mortier, a également été abordée. Le rapport eau/ciment, apparaît naturellement comme devant être conservé lors de la formulation d'un mortier équivalent. Finalement, l'évolution d’ Ea en fonction du degré d'avancement est précisée, et l'idée couramment répandue qu'elle en dépend est confirmée. Un domaine de définition peut être proposé. Par ailleurs, un outil numérique : CHAL est développé. Il permet de simuler le flux de chaleur en conditions adiabatiques à partir de la composition du ciment et de la prise en compte du couplage qui s'opère par la température. Ainsi, l'influence du caractère poly phasique du ciment sur la détermination d’ Ea peut être mis en évidence. Enfin, l'application de la méthode du temps équivalent peut être améliorée par la prise en compte de l'influence de la température au jeune âge sur la résistance à long terme : redéfinition du degré d'avancement, ainsi que par la gestion du temps de prise
The concept of maturity or equivalent age enables the combined effects of time and temperature, on the concrete strength development at early ages, to be accounted for. It is based on the Arrhenius' law which has revealed itself to be the most accurate in order to describe the temperature influence on cement hydration (exothermic reaction). A proper estimation of the concrete strength at early ages by the method of equivalent age is directly related to a correct determination of the Apparent Activation Energy: Ea. This is the unique parameter which characterizes the whole concrete mixture and which can be found in the Arrhenius' law. The major aim of this study is to show how calorimetric tests under semi-adiabatic conditions can be an alternative to unwieldy compressive tests procedures in order to determine Ea. The validity of the obtained Ea values has been verified by means of several mechanical tests. Moreover, the possibility of using either mortar or concrete is partially dealt with. The water to cement ratio appears to naturally be considered as a constant in proportioning an equivalent mortar. Finally, the evolution of the Apparent Activation Energy in relation to the degree of hydration is given. Hence, the widespread opinion that Ea depends on the degree of hydration is confirmed and a field of definition can be brought to the fore. Besides, a numerical tool: CHAL is developed. This enables rates of heat flow under adiabatic conditions to be simulated, by taking into account, the cement composition and the coupling which operates by the temperature. Hence, the influence of the polymineral characteristic of cement, on the determination of Ea can be underlined. Finally, the redefinition of the hydration degree which enables the detriment al effect of high temperature at earl y ages on the long term strength of concrete to be accounted for, and the definition of the setting time, make it possible to improve the method of equivalent age

Le thème de cette thèse est l'identification de paramètres tels que la conductivité hydraulique, K, pour un problème d'intrusion marine dans un aquifère isotrope et libre. Plus précisément, il s'agit d'estimer la conductivité hydraulique en fonction d'observations ou de mesures sur le terrain faites sur les profondeurs des interfaces (h, h₁), entre l'eau douce et l'eau salée et entre le milieu saturé et la zone insaturée. Le problème d'intrusion marine consiste en un système à dérivée croisée d'edps de type paraboliques décrivant l'évolution de h et de h₁. Le problème inverse est formulé en un problème d'optimisation où la fonction coût minimise l'écart quadratique entre les mesures des profondeurs des interfaces et celles fournies par le modèle. Nous considérons le problème exact comme une contrainte pour le problème d'optimisation et nous introduisons le Lagrangien associé à la fonction coût. Nous démontrons alors que le système d'optimalité a au moins une solution, les princcipales difficultés étant de trouver le bon ensemble pour les paramètres admissibles et de prouver la différentiabilité de l'application qui associe (h(K), h₁(K₁)) à K. Ceci constitue le premier résultat de la thèse. Le second résultat concerne l'implémentation numérique du problème d'optimisation. Notons tout d'abord que, concrètement, nous ne disposons que d'observations ponctuelles (en espace et en temps) correspondant aux nombres de puits de monitoring. Nous approchons donc la fonction coût par une formule de quadrature qui est ensuite minimisée en ultilisant l'algorithme de la variable à mémoire limitée (BLMVM). Par ailleurs, le problème exact et le problème adjoint sont discrétisés en espace par une méthode éléments finis P₁-Lagrange combinée à un schéma semi-implicite en temps. Une analyse de ce schéma nous permet de prouver qu'il est d'ordre 1 en temps et en espace. Certains résultats numériques sont présentés pour illustrer la capacité de la méthode à déterminer les paramètres inconnus. Dans la troisième partie de la thèse, nous considérons la conductivité hydraulique comme un paramètre stochastique. Pour réaliser une étude numérique rigoureuse des effets stochastiques sur le problème d'intrusion marine, nous utilisons les développements de Wiener pour tenir compte des variables aléatoires. Le système initiale est alors transformé en une suite de systèmes déterministes qu'on résout pour chaque coefficient stochastique du développement de Wiener
This thesis is concerned with the identification, from observations or field measurements, of the hydraulic conductivity K for the saltwater intrusion problem involving a nonhomogeneous, isotropic and free aquifer. The involved PDE model is a coupled system of nonlinear parabolic equations completed by boudary and initial conditions, as well as compatibility conditions on the data. The main unknowns are the saltwater/freshwater interface depth and the elevation of upper surface of the aquifer. The inverse problem is formulated as the optimization problem where the cost function is a least square functional measuring the discrepancy between experimental interfaces depths and those provided by the model. Considering the exact problem as a constraint for the optimization problem and introducing the Lagrangian associated with the cost function, we prove that the optimality system has at least one solution. The main difficulties are to find the set of all eligible parameters and to prove the differentiability of the operator associating to the hydraulic conductivity K, the state variables (h, h₁). This is the first result of the thesis. The second result concerns the numerical implementation of the optimization problem. We first note that concretely, we only have specific observations (in space and in time) corresponding to the number of monitoring wells, we then adapt the previous results to the case of discrete observations data. The gradient of the cost function is computed thanks to an approximate formula in order to take into account the discrete observations data. The cost functions then is minimized by using a method based on BLMVM algorithm. On the other hand, the exact problem and the adjoint problem are discretized in space by a P₁-Lagrange finite element method combined with a semi-implicit time discretization scheme. Some numerical results are presented to illustrate the ability of the method to determine the unknown parameters. In the third part of the thesis we consider the hydraulic conductivity as a stochastic parameter. To perform a rigorous numerical study of stochastic effects on the saltwater intrusion problem, we use the spectral decomposition and the stochastic variational problem is reformulated to a set of deterministic variational problems to be solved for each Wiener polynomial chaos