Dissertations / Theses: 'Milieux hétérogènes (physique) – Propriétés optiques'

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Liberman, Steve. "Etude optique des nanocomposites comportant des grains métalliques : exaltation de champ, propriétés linéaires et non linéaires." Versailles-St Quentin en Yvelines, 1999. http://www.theses.fr/1999VERS0024.

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Abstract:

L'étude concerne les propriétés optiques linéaires et non linéaires des matériaux hétérogènes comportant des grains métalliques de tailles nanométriques. Dans un premier temps, nous avons calculé l'intensité du champ électrique local à la surface de films d'or semi-continus, en remplaçant leur morphologie par des réseaux aléatoires de liens (ou de sites) métalliques et diélectriques. . . . D'autre part, nous avons effectué des mesures optiques non linéaires sur des couches minces, préparées par co-pulvérisation radio-fréquence, et constituées de grains d'or figés dans du dioxyde de titane (TiO2). A partir d'expériences de génération du second et du troisième harmonique en transmission, nous avons montré que les grains pouvaient, d'une manière significative, augmenter la suscepibilité optique non linéaire globale, pour des concentrations volumiques d'or dépassant 5°/°. Nous nous sommes interessés en particulier à l'influence de la réorganisation cristalline des grains, lorsque les couches ont été soumise035139811s à de fortes températures (400 °C)

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Guerra, Timothée. "Interaction lumière-matière dans des suspensions de nanoparticules : homogénéisation et conception de nouvelles propriétés optiques." Electronic Thesis or Diss., Orléans, 2024. http://www.theses.fr/2024ORLE1005.

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Abstract:

Les milieux désordonnés composés de nanoparticules revêtent une grande importance dans de nombreuses applications, particulièrement celles liées à l'efficacité énergétique telle que le refroidissement radiatif. Dès lors, la compréhension de l'interaction lumière-matière est primordiale, mais s'avère très complexe. En effet, ces études doivent bien souvent passer par la résolution des équations de Maxwell dans des systèmes constitués de milliers de particules, permettant ainsi de prendre en compte les phénomènes de diffusion et d'interférences. De façon à réduire l'importante charge numérique qui en découle, ce travail de thèse se focalise sur des systèmes 2D en incluant quelques discussions sur des systèmes 3D. Dans ce contexte, le premier volet de ce manuscrit s'intéresse au concept d'homogénéisation pour des systèmes de particules petites par rapport à la longueur d'onde du rayonnement et pouvant présenter des résonances. Cette étude met en évidence des comportements exotiques permettant de discuter, entre autres, du lien entre homogénéisation et parties cohérente et incohérente du champ diffusé. Le second volet est dédié à l'optimisation de l'absorption du rayonnement dans des lames minces par rapport à la longueur d'onde, et composées de nanoparticules. On montre que l'utilisation exclusive de particules résonantes ne donne lieu qu'à une absorption plafonnant à 70%. Néanmoins, leur couplage avec des particules purement diffusantes permet une absorption quasi-parfaite (∼95%), par un effet similaire au couplage critique. Finalement, l'étude détaillée des mécanismes qui régissent le gain d'absorption en 2D a permis leur reproduction dans des systèmes 3D
Disordered media composed of nanoparticles are of great importance in many applications, particularly those related to energy efficiency such as radiative cooling. Understanding the light-matter interaction is therefore essential, but highly complex. Indeed, these studies often involve solving Maxwell's equations in systems made up of thousands of particles, to take account of scattering and interference phenomena. In order to reduce the ensuing numerical burden, this thesis focuses on 2D systems, with some discussion of 3D systems. In this context, the first part of this manuscript focuses on the concept of homogenization for particle systems that are small relative to the radiation wavelength and may exhibit resonances. This study highlights exotic behaviours that allow us to discuss, among other things, the link between homogenization and coherent and incoherent parts of the scattered field.The second part is dedicated to optimizing the absorption of radiation in subwavelength plates made of nanoparticles. It is shown that the use of resonant particles only results in absorption up to 70%. However, combining them with purely scattering particles results in near-perfect absorption (∼95%), through an effect similar to critical coupling. Finally, a detailed study of the mechanisms governing absorption gain in 2D has enabled them to be reproduced in 3D systems

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Berthier, Serge. "Théories de la fonction diélectrique optique des milieux inhomogènes : application aux propriétés électromagnétiques des cermets." Paris 6, 1986. http://www.theses.fr/1986PA066283.

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Abstract:

Analyse comparative des différentes théories de la fonction diélectrique optique des milieux inhomogènes aléatoires macroscopiques (MIAM). Résultats expérimentaux sur le comportement diélectrique de 5 échantillons au-MGO dont la concentration volumique en métal n'excède pas 0,41; apparition de la résonnance de plasmon de surface sur tous les échantillons entre 550 et 600 nm. Nouvelles approches: théorie de Bruggeman modifiée, méthode des groupes de renormalisation. Applications dans les capteurs solaires

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El-Houdaigui, Fouad. "Problèmes d'homogénéisation pour des matériaux hétérogènes viscoplastiques." Metz, 2001. http://docnum.univ-lorraine.fr/public/UPV-M/Theses/2001/El_Houdaigui.Fouad.SMZ0118.pdf.

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Abstract:

Ce mémoire est consacré à la modélisation et la simulation du comportement mécanique des matériaux hétérogènes par les méthodes autocohérente et par les calculs numériques par éléments finis. Les méthodes micro-macro développés dans cette thèse passent par la résolution du problème de l'inclusion qui est fondamental pour le calcul de la vitesse de déformation dans l'inclusion en fonction de celle appliquée à l'infini. Une formulation du problème de l'inclusion viscoplastique dans une matrice viscoplastique a été proposée, l'approche tangente anisotrope de Molinari et al. Est utilisée. Ceci constitue une extension du problème d'Eshelby pour un comportement non linéaire. L'objet de cette étude est l'analyse de la localisation de la vitesse de déformation dans une inclusion viscoplastique dans une matrice viscoplastique. Cette étude est réalisée pour différents rapports de rigidité entre l'inclusion et la matrice, différentes sensibilités à la vitesse de déformation et différents rapports de forme. Les résultats obtenus sont comparés et validés par les résultats des éléments finis. La méthode différentielle est abordée dans ce travail pour estimer le comportement effectif d'un matériau composite constitué d'inclusions viscoplastiques dispersées dans une matrice viscoplastique. La phase en inclusion est ajoutée incrémentalement de façon à ce que le matériau ajouté soit toujours en concentration dilué. Nous avons étudié l'effet de la sensibilité à la vitesse de déformation sur la rigidité effective pour différents rapports de rigidité inclusion/matrice et sensibilité à la vitesse de déformation dans l'inclusion et dans la matrice. Un développement théorique est proposé pour calculer la sensibilité à la vitesse de déformation effective du composite, selon que le chargement est contrôlé en imposant la contrainte ou la vitesse. La confrontation à des résultats expérimentaux sur des matériaux biphasé indique qu'un meilleur accord peut être obtenu en contrôlant la contrainte
An extension of the Eshelby problem for non-linear viscous materials is considered. An ellipsoidal heterogeneity is embedded in an infinite matrix. The material properties are assumed to be uniform within the ellipsoid and in the matrix. The problem of determining the average strain rate in the ellipsoid terms of the overall applied strain rate is solved in an approximate way. The method is based on the non-incremental tangent formulation of the non-linear matrix behavior (Molinari, A. , Canova, G. R. , Ahzi, S. , 1987. A self consistent approach of the large deformation polyctristal plasticity. Acta Metall. 35, 2983-2994). In the present work this approximate solution is verified with a good agreement by comparing to the finite element calculations for various inclusion and loading conditions. The differential scheme is using the obtained behavior of the composite depends on which phase is considered to be constituted by the inclusions. This is become the interaction is different between the inclusion and the matrix when they are exchanged. Results will be given for both cases in the applications part

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Paquin, Anne. "Modélisation micromécanique du comportement élastoviscoplastique des matériaux hétérogènes." Metz, 1998. http://docnum.univ-lorraine.fr/public/UPV-M/Theses/1998/Paquin.Anne.SMZ9830.pdf.

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Abstract:

Ce travail concerne la modélisation micromécanique du comportement élastoviscoplastique des matériaux hétérogènes, en vue d'une application aux alliages de polymères et polymères semicristallins. On utilise plus particulièrement l'approche autocohérente qui, contrairement à certains modèles extrêmes fournit une estimation plus réaliste de l'effet des interactions intergranulaires. Toutefois, la complexité du comportement élastoviscoplastique, de nature différentielle, rend difficile l'application directe du schéma autocohérent classique, adapté aux autres classes de comportement. En effet, le couplage entre l'élasticité et la viscosité est à l'origine du caractère héréditaire du matériau, qui, dans le cas des matériaux hétérogènes, induit un couplage espace/temps. Celui-ci se traduit par la présence d'interactions mécaniques différées (effet mémoire longue), que la transition d'échelle doit s'attacher à prendre en compte au mieux. Face à la lourdeur numérique des approches de type héréditaire, on privilégie les approches à variables internes pour la simplicité de leur démarche incrémentale. Jusqu'à présent, les modèles existants ont proposé soit des rééditions de modèles à accommodation élastique, entrainant une forte surestimation des contraintes, soit des approximations restrictives conduisant à des conditions autocohérentes incohérentes. Ainsi, ce travail a pour but de proposer une approche plus générale du problème de la transition d'échelle à variables internes en élastoviscoplasticité. Il repose, d'une part, sur la formulation d'une nouvelle équation intégrale, basée sur la prise en compte complète des équations de champs mécaniques à l'aide des opérateurs de projection, et d'autre part, sur l'utilisation des concepts associés aux états asymptotiques purement élastiques et viscoplastiques du matériau pour effectuer l'approximation autocohérente. L'analyse des résultats montre la prise en compte satisfaisante des interactions élastoviscoplastiques.

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Agoudjil, Boudjemaa. "Étude des propriétés thermophysiques et électriques de matériaux hétérogènes." Paris 12, 2006. https://athena.u-pec.fr/primo-explore/search?query=any,exact,990003939470204611&vid=upec.

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Abstract:

Ce travail présente une étude comparative des propriétés thermiques, électriques rhéologiques et diélectriques de trois systèmes composites : EVA chargé de billes de verre argentées et non argentées, EVA chargé de poudres de BaTiO3, et PVC chargé de nanotubes de carbone. Cette étude est consacrée dans un premier temps à l’élaboration des échantillons et à la détermination de la conductivité électrique (), de la conductivité thermique (k), de la viscosité dynamique () et de la permittivité diélectrique relative (r) (pour certains composites). Il a été démontré dans ce travail que l’effet de la taille des charges est significatif sur les propriétés électriques et diélectriques (diminution du seuil de percolation et de r) et négligeable sur les propriétés thermiques et rhéologiques. En outre, l’effet de la surface externe des charges est très important sur k et  s’il existe des contacts entre les charges au sein de la matrice. Par ailleurs, des corrélations ont été constatées entre k et les autres propriétés de transport (,  et r). Parallèlement à ce travail, une amélioration d’une méthode radiométrique périodique utilisant la thermographie infrarouge et permettant la mesure simultanée de l'émissivité, de la conductivité et de la diffusivité thermique de matériaux opaques a été mise en place. La méthode et le dispositif de mesure ont été validés en étudiant un matériau de propriétés connues (PVC) à température ambiante. Cette validation comprend une étude de la reproductibilité de la méthode, une comparaison aux résultats de la littérature, une analyse des sources d'incertitudes ainsi qu'une analyse de sensibilité pour l’échantillon de PVC
This work presents a comparative study of thermophysical, electrical, dielectric and rheologic properties of three composites: glass and silver coated glass spheres dispersed in EVA matrix, powders of BaTiO3 dispersed in EVA matrix and PVC matrix filled with Carbon NanoTubes. This study is devoted in the first time to the composites preparation and to the measurements of the electrical conductivity (), thermal conductivity (k), dynamic viscosity () and the relative permittivity (r) (for some composites). It was shown that both relative permittivity r and electrical conductivity  depend on the fillers size. However, the effect of the particles size on the thermal and the rheologic properties can be neglected. Besides, the fillers surface is an important factor controlling the thermal and the electrical conductivities. It also follows from this study the existence of a correlation between the thermal conductivity and others properties (,  and r). The second objective of this study was the improvement of a measurement method of emissivity, thermal conductivity and diffusivity. The characterisation of a reference sample (PVC) allowed the validation of the measurement protocol. This includes the reproducibility study of the method, the comparison of the results to the literature data, the analysis of the limitations of the measurement protocol and a sensitivity analysis

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Ahaouari, Karima. "Contribution à la modélisation de la thermoélasticité et de l'acoustoélasticité des matériaux microhétérogènes." Metz, 1990. http://docnum.univ-lorraine.fr/public/UPV-M/Theses/1990/Ahaouari.Karima.SMZ907.pdf.

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Abstract:

Dans ce travail, on a proposé un cadre général permettant de déterminer les propriétés thermoélastiques linéaires et non linéaires (élastiques) des matériaux microhétérogènes et macrohomogènes, à partir des propriétés des constituants et de la microstructure du matériau

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Baron, Cécile. "Le développement en série de Peano du matricant pour l'étude de la propagation des ondes élastiques en milieux à propriétés continûment variables." Bordeaux 1, 2005. http://www.theses.fr/2005BOR13036.

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Abstract:

Les milieux à propriétés continûment variables selon une direction particulière de l'espace intéressent les géophysiciens depuis plus de cinquante ans. La croûte terrestre, les océans et l'atmosphère sont des milieux naturels continûment hétérogènes. Mais on rencontre également ce type de configuration, variation continue des propriétés caractéristiques des matériaux, pour de nombreux produits industriels. La caractérisation de ces matériaux représente donc un enjeu important. Le schéma classique de résolution des équations d'ondes en milieux à hétérogénéité unidirectionnelle repose sur un modèle multicouche, la stratification du milieu étudié pouvant être naturelle, les propriétés sont des fonctions constantes par morceaux, ou artificielle, les propriétés sont des fonctions continues que l'on discrétise. Cette approche est alors connue sous le nom de méthode de Thomson-Haskell. Dans le cas de milieux continûment variables, on calcule une solution exacte à un problème approché ce qui suscite de nombreuses interrogations quant à la précision et à la validété des solutions obtenues. Dans ce travail, le problème est abordé sous un angle offrant ainsi de nouvelles perspectives d'approche des milieux hétérogènes. Afin de conserver l'authenticité du problème, nous proposons d'utiliser une méthode basée sur le développement en série de Peano du matricant, forme explicite de la solution analytique exacte des équations d'ondes mises sous la forme d'un système différentiel ordinaire du premier ordre à coefficents non-constants, pour des profils quelconques de propriétés. Les développements analytiques et numériques de cette écriture appliquée à des problèmes de conditions aux limites ont fourni une méthode robuste d'analyse des phénomènes acoustiques (courbes de dispersion, spectre fréquentiel du coefficent de réflexion etc. ). Des résultats prometteurs quant à la caractérisation ultrasonore des milieux continûment variables ont été obtenus.

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Ricotti, Yann. "Détermination par éléments finis de propriétés mécaniques effectives de motifs particulaires endommagés." Lyon, INSA, 2005. http://theses.insa-lyon.fr/publication/2005ISAL0016/these.pdf.

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Abstract:

Le développement de l'informatique et des capacités de traitement numérique révolutionne de nombreux secteurs. Dans le domaine de la mécanique des matériaux, la modélisation par Eléments Finis permet désormais de traiter des Volumes Elémentaires Représentatifs (VER) de structures composites complexes. Le présent travail est une contribution à la modélisation du comportement mécanique de structures de type matrice renforcée ou matrice poreuse à partir du développement de codes de maillages adaptés à la présence d’endommagement. Diverses méthodes ont été proposées selon le type de dommage (intra-inclusionnaire, interfacial, intra-matriciel) à prendre en compte. Dans le cas des sructures matrice/inclusions, les maillages automatisés conçus sont adaptés à des formes inclusionnaires ellipsoidales et multi-couches, non nécessairement homothétiques, afin de permettre des comparaisons avec les estimations analytiques des comportements de telles structures qui en général supposent ces géométries. Les inclusions, dotées ou non d'un enrobage, peuvent soit porter une fissure, soit être partiellement décollées de diverses manières. Ces VER sont mono ou bi-inclusionnaires, et le dommage y est prélocalisé. Des protocoles de maillage automatique ont également été adaptés à des microstructures réelles issues d'analyse en microtomographie X haute résolution. Les VER sont dans ce cas poly-inclusionnaires. Le maillage est alors constitué d'éléments hexaédriques (cubes) pouvant correspondre soit aux voxels individuels, soit à des mailles de plus grande dimension. En dotant les faces des mailles d'éléments joints appropriés, ces VER permettent d'apprécier l'effet d'un dommage matriciel non pré-localisé, et de suivre son évolution sous sollicitation. Une procédure de modélisation avec deux échelles de maillage a été réalisée. Les comparaisons, illustrations et applications présentées dans ce travail sont pour l'essentiel limitées au cas de l'élasticité linéaire, d’anisotropie générale. Le champ d’application aux comportements non linéaires est néanmoins ouvert par les méthodes actuelles de modélisation qui font pas à pas référence à des milieux linéaires de comparaison pour les phases non linéaires en présence. Des comparaisons de comportements effectifs estimés pour les structures saines et leurs homologues diversement endommagés ont été effectuées avec des modèles analytiques simples (Ponte-Castaneda et Willis notamment, et Mori-Tanaka) faisant usage de la solution d'Eshelby du problème de l’inclusion ellipsoidale. Des comparaisons avec d'autres méthodes de calculs numériques de propriétés effectives (telle la méthode F. F. T. ) sont également reportées. Des applications à l’estimation du comportement de divers matériaux réels endommagés (PMMA/SiC, Plâtre, Al/SiC, Carbone/Carbone, fibre de verre époxy) sont présentées. A partir de l'observation de l'endommagement et des descriptions qui peuvent en être faites, on compare les calculs réalisés à partir de nos VER à des mesures expérimentales (par essais de traction, ou par méthodes ultra-sonores). Ces comparaisons éclairent en retour le processus d’endommagement
One estimates, associating F. E. Simulations and analytical homogenization methods (3-phase, Willis, Mori-Tanaka, models), effective elasticity moduli of damaged composite structures (PMMA/SiC, Plaster, Al/SiC, Carbon/Carbon, glass/polymer). One compares to experimental (U. S. Or mechanical) data. One questionnes the concept of “Undamaged Equivalent Inhomogeneity”, appeared in literature. Automated meshing tools for damageable inclusional patterns have been realized (code Cast3m). For inclusion fracture or debonding study, allowing comparison and/or association to analytical approaches, imbricated ellipsoidal shapes are built. In matrix phase, cubic elements mesh – over two heterogeneity levels – assemblages of damaged elementary volumes. This meshing can be performed at the voxel scale of microtomographic images. The use of surface elements allows to follow under load a not-pre-localized damage

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Chen, Fengjuan. "Modélisation micromécanique de milieux poreux hétérogènes et applications aux roches oolithiques." Thesis, Université de Lorraine, 2016. http://www.theses.fr/2016LORR0134/document.

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Abstract:

La problématique suivie dans ce travail est la détermination des propriétés effectives, élastiques et conductivité, de matériaux poreux hétérogènes tels que des roches, les roches oolithiques en particulier, en relation avec leur microstructure. Le cadre théorique adopté est celui de l’homogénéisation des milieux hétérogènes aléatoires et on suit les approches par tenseurs d’Eshelby. Ces approches sont basées sur la résolution des problèmes d’Eshelby : le problème de l’inclusion (premier problème) et le problème de l’inhomogénéité (second problème) isolées dans un milieu infini. La solution de ces problèmes de référence est analytique, en élasticité linéaire isotrope et en diffusion linéaire stationnaire, dans le cas d’inhomogénéités 2D ou 3D de type ellipsoïde. Elle conduit à la définition de tenseurs caractérisant les interactions entre l’inclusion/inhomogénéité et le milieu environnant. On utilise dans ce travail les tenseurs de contribution relatifs à une inhomogénéité isolée, définis par Kachanov et Sevostianov 2013, contributions à la souplesse (élasticité) et à la résistivité (conductivité). Ces tenseurs au cœur des méthodes d’homogénéisation de type EMA (Effective Medium Approximation), et en particulier les schémas NIA (Non Interaction Approximation), Mori Tanaka et Maxwell. Ce travail est centré sur la caractérisation des paramètres géométriques microstructuraux dont l’influence sur les propriétés effectives est majeure. On étudie en particulier les effets de forme des inhomogénéités, la nouveauté est l’aspect 3D. Les observations microstructurales de roches oolithiques, dont le calcaire de référence de Lavoux, mettent en évidence des hétérogénéités de forme 3D et concave. En particulier les matériaux de remplissage inter-oolithes, pores ou calcite syntaxiale. Ces formes peuvent être observées sur d’autres matériaux hétérogènes et ont été peu étudiées dans le cadre micromécanique. Cela nécessite de considérer des formes non ellipsoïdales et de résoudre numériquement les problèmes d’Eshelby. Le cœur de ce travail est consacré à la détermination des tenseurs de contribution d’inhomogénéités 3D convexes ou concaves de type supersphère (à symétrie cubique) ou supersphéroïde (à symétrie de révolution). Le premier problème d’Eshelby a été résolu, dans le cas de la supersphère, par intégration numérique de la fonction de Green exacte (solution de Kelvin dans le cas isotrope) sur la surface de l’inclusion. Des modélisations 3D aux éléments finis ont permis de résoudre le second problème d’Eshelby et d’obtenir les tenseurs de contribution à la souplesse et à la résistivité pour les superphère et supersphéroïde. Sur la base des résultats numériques, des relations analytiques simplifiées ont été proposées pour les tenseurs de contribution sous forme de fonctions des paramètres élastiques des constituants et du paramètre adimensionnel p caractérisant la concavité. Un résultat important, dans le cas de la superphère et dans le domaine concave, est l’identification d’un même paramètre géométrique pour les tenseurs de contribution à la souplesse et à la résistivité. Les résultats numériques et théoriques obtenus sont appliqués à deux problèmes : l’estimation de la conductivité thermique effective de roches calcaires oolithiques d’une part et l’étude de l’extension des relations dites de substitution définies par Kachanov et Sevostianov 2007 au cas non ellipsoïdal d’autre part. Pour le premier problème, un modèle micromécanique de type Maxwell, à deux échelles a permis de retrouver les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature, en en particulier l’influence de la porosité sur la conductivité thermique effective dans les cas sec et humide. Dans le cas du second problème, les résultats obtenus ont permis de montrer que la validité de relations de substitution est restreinte, dans le cas non ellipsoïdal et en considérant une forme d’inhomogénéité de type supersphère, au domaine convexe seulement
Focusing on the effect of shape factor on the overall effective properties of heterogeneous materials, the 1st and the 2nd Eshelby problem related to 3-D non-ellipsoidal inhomogeneities with a specific application to oolitic rocks have been discussed in the current work. Particular attention is focused on concaves shapes such as supersphere and superspheroid. For rocks, they may represent pores or solid mineral materials embbeded in the surrounding rock matrix. In the 1st Eshelby problem, Eshelby tensor interrelates the resulting strain about inclusion and eigenstrain that would have been experienced inside the inclusion without any external contraire. Calculations of this tensor for superspherical pores– both concave and convex shapes – are performed numerically. Results are given by an integration of derivation of Green’s tensor over volume of the inclusion. Comparisons with the results of Onaka (2001) for convex superspheres show that the performed calculations have an accuracy better than 1%. The current calculations have been done to complete his results. In the 2nd Eshelby problem, property contribution tensors that characterizes the contribution of an individual inhomogeneity on the overall physical properties have been numerically calculated by using Finite Element Method (FEM). Property contribution tensors of 3D non ellipsoidal inhomogeneities, such as supersphere and superspheroid, have been obtained. Simplified analytical relations have been derived for both compliance contribution tensor and resistivity contribution tensor. Property contribution tensors have been used to estimate effective elastic properties and effective conductivity of random heterogeneous materials, in the framework of Non-Interaction Approximation, Mori-Tanaka scheme and Maxwell scheme. Two applications in the field of geomechanics and geophysics have been done. The first application concerns the evaluation of the effective thermal conductivity of oolitic rocks is performed to complete the work of Sevostianov and Giraud (2013) for effective elastic properties. A two step homogenization model has been developed by considering two distinct classes of pores: microporosity (intra oolitic porosity) and meso porosity (inter oolitic porosity). Maxwell homogenization scheme formulated in terms of resistivity contribution tensor has been used for the transition from meso to macroscale. Concave inter oolitic pores of superspherical shape have been taken into account by using resistivity contribution tensor obtained thanks to FEM modelling. Two limiting cases have been considered: ‘dry case’ (air saturated pores) and ‘wet case’ (water liquid saturated pores). Comparisons with experimental data show that variations of effective thermal conductivity with porosity in the most sensitive case of air saturated porosity are correctly reproduced. Applicability of the replacement relations, initially derived by Sevostianov and Kachanov (2007) for ellipsoidal inhomogeneities, to non-ellipsoidal ones has been investigated. It it the second application of newly obtained results on property contribution tensors. We have considered 3D inhomogeneities of superspherical shape. From the results, it has been seen that these relations are valid only in the convex domain, with an accuracy better than 10%. Replacement relations can not be used in the concave domain for such particular 3D shape

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Seetharamdoo, Divitha. "Étude des métamatériaux à indice de réfraction négatif : paramètres effectifs et applications antennaires potentielles." Rennes 1, 2006. http://www.theses.fr/2006REN1S013.

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Abstract:

Les métamatériaux à indice de réfraction négatif (MIRN) étudiés sont des composites artificiels assimilables à un milieu continu présentant des caractéristiques inédites. Ce mémoire est divisé en trois parties. La première partie traite de l'homogénéisation de composites constitués d'inclusions métalliques dans un diélectrique. L'originalité de notre travail réside dans l'extension des techniques d'homogénéisation classiques aux MIRN. Les limites pour lesquelles les MIRN peuvent être considérés comme des milieux continus sont établies. Une bande de fréquence anormale est mise en évidence. Dans la deuxième partie, des critères de conception ainsi que des règles de dimensionnement de composites magnétiques artificiels sont établies. Nous proposerons ensuite un milieu plus performant. Finalement, nous appliquerons une particularité des MIRN aux antennes : la résonance d'ordre zéro. Le passage du concept à la mise en œuvre sera démontrée à l'aide des résultats dégagés précédemment.

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Khdir, Younis Khalid. "Non-linear numerical homogenization : application to elasto-plastic materials." Thesis, Lille 1, 2014. http://www.theses.fr/2014LIL10023/document.

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Abstract:

Ce travail de thèse se veut une contribution à l’homogénéisation numérique des milieux élasto-plastiques hétérogènes aléatoires via des calculs sur des grands volumes. La thèse comporte deux parties principales. La première est dédiée à la réponse élasto-plastique macroscopique des composites, à distribution aléatoire de la seconde phase, sollicités en traction uniaxiale. La deuxième est focalisée sur la réponse macroscopique à la limite d’écoulement des milieux poreux aléatoires sur une large gamme de triaxialités. Dans la première partie, nous décrivons une méthode d’homogénéisation numérique pour estimer la réponse élasto-plastique macroscopique de milieux composites aléatoires à deux phases. La méthode est basée sur des simulations éléments finis utilisant des cellules cubiques tridimensionnelles de différentes tailles mais plus petites que le volume élémentaire représentatif de la microstructure. Dans une seconde partie, nous décrivons une étude d’homogénéisation numérique par éléments finis sur des cellules cubiques tridimensionnelles afin de prédire la surface d’écoulement macroscopique de milieux poreux aléatoires contenant une ou deux populations de vides. La représentativité des résultats est examinée en utilisant des cellules cubiques contenant des vides sphéroïdales, répartis et orientés aléatoirement. Les résultats numériques sont comparés à des critères d’écoulement existants de type Gurson
This PhD dissertation deals with the numerical homogenization of heterogeneous elastic-plastic random media via large volume computations. The dissertation is presented in two main parts. The first part is dedicated to the effective elastic-plastic response of random two-phase composites stretched under uniaxial loading. The second part is focused on the effective yield response of random porous media over a wide range of stress triaxialities. In the first part, we describe a computational homogenization methodology to estimate the effective elastic-plastic response of random two-phase composite media. The method is based on finite element simulations using three-dimensional cubic cells of different size but smaller than the deterministic representative volume element of the microstructure. In the second part, we describe using the finite element method a computational homogenization study of three-dimensional cubic cells in order to estimate the effective yield surface of random porous media containing one or two populations of voids. The representativity of the overall yield surface estimates is examined using cubic cells containing randomly distributed and oriented spheroidal voids. The computational results are compared with some existing Gurson-type yield criteria

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Péralès, Frédéric. "Fissuration des matériaux à gradient de propriétés : application au zircaloy hydrure." Montpellier 2, 2005. http://www.theses.fr/2005MON20202.

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Nguyen, Minh Tan. "Contribution aux méthodes de calcul des propriétés élastiques et de transport des milieux hétérogènes par la Transformée de Fourier." Thesis, Paris Est, 2018. http://www.theses.fr/2018PESC1018/document.

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Abstract:

Ce travail propose de nouvelles contributions aux méthodes d’homogénéisation avec des applications aux composite, aux polycristaux et aux milieux poreux. Les propriétés effectives sont déterminées en résolvant un problème élémentaire sur la cellule unitaire que l’on peut reformuler avec l’équation de Lippmann-Schwinger (LS). Celle-ci est résolue en utilisant des développements en série de Neumann. Plusieurs approches sont alors proposées pour calculer les différents termes de la série, en utilisant des approches analytiques ou numériques. Ainsi, dans les deux premiers chapitres, on établit une famille d’équation LS pour la polarisation dans le contexte de la conductivité thermique et de l’élasticité. L’opérateur de cette équation est optimisé afin d’obtenir la meilleur convergence de la série de Neumann et par conséquent la meilleur estimation des propriétés effectives du composite. L’estimation proposée est basée à la fois sur une série tronquée et une estimation du résidu de la série de Neumann. Le travail présenté au chapitre 3 concerne le calcul des propriétés de transport de masse en milieu poreux. De manière classique, la loi de filtration est donnée par la loi de Darcy à l’échelle macroscopique. Dans ce travail, on calcule les termes correctifs à l’équation de Darcy lorsque la condition de stricte séparation des échelles n’est pas vérifiée. Ces termes correctifs sont calculés numériquement en résolvant une équation LS et en utilisant un schéma itératif basé sur la transformée de Fourier Rapide (TFR). Finalement, au chapitre 4, on détermine numériquement des bornes pour les propriétés élastiques des polycristaux en utilisant toujours les approches basées sur la TFR. L’approche proposée permet de tenir compte de la géométrie exacte de la cellule de Voronoi en utilisant les expressions exactes des fonctions formes pour des polygones et des polyèdres. La méthode est appliquée à des polycristaux constitués de monocristaux cubiques
This work proposed some contributions to the homogenization methods with applications to composites materials, polycristals and porous media. The effective properties are determined by solving the unit cell problem and the corresponding Lippmann-Schwinger (LS) equation. The latter is solved by means of Neumann series. Different approaches are considered to evaluate each terms of the series using analytic or numerical approaches. In the first two chapters, we formulate a general class of LS equations for the polarization in the case of conductivity and then elasticity. The operator of the latter is optimized to obtain the best convergence of the associated Neumann series and then of the better estimate of the effective of the composite. The estimate is based on both a truncated Neumann series and an approximation of its residual. In chapter 3, we deal with the mass transport properties of porous media. Classically, the filtration law is given by the Darcy equation at the macroscopic scale. In the present work we compute the corrective terms of the Darcy equation in the situation of no strict scale separation. These corrective terms are determined numerically by solving a LS equation with a fast Fourier Transform (FFT) based iterative scheme. Finally, in chapter 4, we derivative numerically some bounds for the elastic properties of polycristals still by means of an FFT iterative scheme. The approach uses an exact description of the voronoi-unit cell geometry by using the shape functions of polygons and polyhedrons. The method is applied to polycristals constituted of cubic single crystals

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Tisserand, Christelle. "Étude par chromatographie gazeuse inverse des propriétés de surface de deux formes cristallographiques d'alumines : influence de différents paramètres tels l'humidité ou le dopage en magnésie." Toulouse, INPT, 2007. http://ethesis.inp-toulouse.fr/archive/00001165/.

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Abstract:

La chromatographie gazeuze inverse (CGI) est une méthode reconnue pour la caractérisation de surface des poudres. La CGI à dilution infinie, correspondant au début de l'isotherme de sorption, a permis de mettre en évidence les nombreuses différences des propriétés de surface de deux formes cristallographiques d'alumines. D'autre part, l'influence de facteurs tels la présence d'exogènes en surface, l'impact du dopage en magnésie, du broyage, de la taille des cristallites ou d'un traitement thermique a été examinée. La CGI à concentration finie a conduit un tracé d'isothermes de sorption de sondes organiques et au calcul de l'énergie de surface des solides ainsi qu'au tracé de fonctions de distribution reflétant l'hétérogénéité de surface des poudres étudiées. Grâce au couplage d'un générateur d'humidité à la technique de CGI-CF, il a été possible d'étudier l'évolution de l'hétérogénéité de surface des alumines en fonction de l'humidité

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El, Moumen Ahmed. "Prévision du comportement des matériaux hétérogènes basée sur l’homogénéisation numérique : modélisation, visualisation et étude morphologique." Thesis, Lille 1, 2014. http://www.theses.fr/2014LIL10077/document.

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Abstract:

L’homogénéisation est une technique de passage Micro-Macro en tenant compte de l’influence des paramètres morphologiques, mécaniques et statistiques de la microstructure représentative d’un matériau hétérogène. La modélisation numérique a contribué fortement au développement de cette technique en vue de déterminer les propriétés physico-mécaniques des matériaux hétérogènes bi et multiphasiques. L’objectif principal de ce travail est la prédiction du comportement macroscopique élastique et thermique de matériaux hétérogènes. Les comportements mécaniques et thermiques ont été déterminés numériquement puis comparés aux résultats expérimentaux et analytiques. La variation du volume élémentaire représentatif (VER) en fonction de la fraction volumique et du contraste a été analysée. Cette étude a mis en évidence l’intérêt d’une détermination rigoureuse de la taille optimale du VER. En effet, celle-ci doit prendre en compte plusieurs paramètres tels que la fraction volumique, le contraste, le type de la propriété et la morphologie de l’hétérogénéité. Un nouveau concept de morphologie équivalente a été proposé. Ce concept introduit le principe d’équivalence des caractéristiques élastiques et thermiques des matériaux hétérogènes d’une microstructure de morphologie complexe avec celles d’une microstructure contenant des particules sphériques. Ce travail a conduit à l’élaboration d’une démarche globale de design microstructural en intégrant la morphologie réelle des phases des microstructures hétérogènes intégrant à la fois la visualisation des images, l’étude morphologique et la modélisation géométrique et numérique
The homogenization is a technique of Micro-Macro passage taking into account the influence of morphological, mechanical and statistical parameters of the representative microstructure of an heterogeneous material. Numerical modeling has contributed significantly to the development of this technique to determine the physical and mechanical properties of bi-and multi-phase heterogenous materials. The main objective of this work is the prediction of the macroscopic elastic and thermal behaviors of heterogeneous materials. The mechanical and thermal behaviors was determined numerically and compared with experimental and analytical results. The variation of the representative volume element (RVE) versus volume fraction and the contrast was analyzed. This study showed the importance of a rigorous determination of the optimal RVE size. Indeed, it must take into account several parameters such as : volume fraction, contrast, type of property and the morphology of the heterogeneity. A new concept of the equivalent morphology was proposed. This concept introduces the equivalence of the elastic and thermal characteristics of a microstructure of heterogeneous materials with complex morphology and those of a microstructure containing spherical particles. This work led us to developement of a comprehensive approach to microstructural design by integrating the real morphology of heterogeneous microstructure phases incorporating at the same time the image visualization, the morphological study and the geometric and numerical modeling

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Peyrega, Charles. "Prédiction des propriétés acoustiques de matériaux fibreux hétérogènes à partir de leur microstructure 3D." Phd thesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2010. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00568918.

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Abstract:

Cette thèse se situe à l'interface de plusieurs disciplines, dans le cadre du programme de recherche Silent Wall qui a pour vocation d'élaborer un système isolant acoustique et thermique pour le bâtiment, à base de matériaux fibreux. La problématique d'isolation acoustique étant le fil rouge de ce travail, différents domaines de recherche sont abordés dans l'étude des propriétés microstructurales de ces matériaux. Un matériau fibreux de référence, le Thermisorel, élaboré par procédé papetier à base de fibres de bois, est retenu par le consortium Silent Wall pour ses bonnes propriétés d'isolation phonique et thermique. Des images 3D de ce matériau, réalisées par microtomographie aux rayons X, sont analysées par morphologie mathématique afin de caractériser la microstructure de ses phases fibreuse et porale. Un modèle booléen de cylindres aléatoires permet de simuler un tel matériau fibreux. L'adéquation des mesures morphologiques des milieux ainsi simulés, avec celles du Thermisorel valident ce modèle morphologique. Enfin, les propriétés thermo-acoustiques de cellules périodiques élémentaires microscopiques de milieux fibreux 3D simplifiés et composés de fibres parallèles, sont estimées par éléments finis, afin de relier leurs performances en absorption acoustique, à la taille des fibres et à l'épaisseur de l'échantillon. Après comparaison, les coefficients d'absorption acoustique des milieux fibreux simulés sont en adéquation avec les valeurs expérimentales mesurées sur des échantillons de Thermisorel. Ainsi, notre démarche globale de caractérisation, et de modélisations morphologique et thermo-acoustique à l'échelle de la microstructure, est validée par les propriétés morphologiques et acoustiques de panneaux de Thermisorel, et ouvre la voie à l'optimisation des performances acoustiques macroscopiques de tels matériaux fibreux par modification de leur microstructure.

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Guérin, Romuald. "Estimation des hétérogénéités de traitement lors de la cuisson de fluides alimentaires polyphasiques en cuves mécaniquement agitées." Nancy 1, 2003. http://www.theses.fr/2003NAN10166.

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Abstract:

Nous avons mis au point dans cette thèse un système de mesure (capteur + outil type logiciel) qui permet, via une série de 19 mesures d'une propriété électrique du milieu agité, d'obtenir des images dynamiques des champs de température et ainsi de montrer l'existence de gradients thermiques au cours de la cuisson de milieux polyphasiques en cuve mécaniquement agitée. Un dispositif expérimental composé de 8 électrodes carrées disposées régulièrement sur la paroi interne de la cuve de façon non intrusive a été réalisé. L'outil développé permet également d'apprécier l'hétérogénéité de structure du milieu agité via un algorithme de détection basé sur le calcul du rapport de vraisemblance logarithmique et appliqué à la dérivée première du signal de conductivité électrique. Des essais expérimentaux ont été réalisés avec deux produits modèles simulant le comportement des fluides réels alimentaires texturants étudiés dans ce travail
In this work, a system that allows obtaining dynamic images of temperature fields from a set of 19 electrical property measurements of the agitated fluid via a number of electrodes which are mounted non-intrusively on the vessel boundary has been developped. Using this system, it was shown the existence of thermal gradients within the vessel. In the same time, the developed tool permits to appreciate structural heterogeneity of texturing foods during cooking from a detection algorithm based on the log-likelihood ratio and applied on the first derivative of the delivered electrical signal. Experimental studies were performed with model fluids, simulating the behavior of real food fluids. That was necessary in order to be freed from the seasonal variations of real foods and to be able to discuss the physical phenomena observed during cooking of such fluids

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Mikdam, Amine. "A strong-contrast statistical theory for the effective properties in heterogeneous media : application to effective conductivity." Strasbourg, 2009. http://www.theses.fr/2009STRA6141.

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Abstract:

Les hétérogénéités des matériaux peuvent être dues soit à la présence de plusieurs phases physiques dont l’organisation atomique ou moléculaire est différente (polymères semi-cristallins ou polycristaux), soit à la présence de constituants différents (matériaux composites). Pour déterminer les propriétés physiques de ces matériaux, l’expérimentation reste nécessaire bien que coûteuse. D’autres inconvénients comme la durée des expériences et la difficulté à les mettre en œuvre compliquent le travail du chercheur ou de l’ingénieur. La modélisation des propriétés effectives par des modèles analytiques se positionne donc comme une alternative performante pour la compréhension du comportement de ces matériaux. De nombreux modèles analytiques permettent de prédire les propriétés effectives des matériaux hétérogènes en fonction de la fraction volumique de chacune de leurs phases. Cependant, ces modèles sont fondés sur des simplifications géométriques éloignées de la microstructure réelle du matériau. Ce travail se propose d’étudier la conductivité effective (électrique ou thermique) des matériaux hétérogènes on se fondant sur une approche statistique qui permet de prendre en compte les détails de la microstructure via des fonctions de probabilité
Heterogeneities of materials may be due either to different atomic or molecular organization in the same material (semi-crystalline polymer or polycrystals), or to the presence of different constituents (composite materials). To determine the physical properties of these materials, experimentations, although expensive, is still necessary. Other disadvantages such as difficulty of implementing experimental procedures complicate the work of the researchers and engineers. Therefore modeling the effective properties using analytical models is positioned as a performance alternative to facilitate the understanding of the behavior of these heterogeneous materials. Many analytical models based on the volume fraction of each phase are used to predict the effective properties of heterogeneous materials. However, these models are based on different geometrical simplifications of the real material’s microstructure. This work investigates the modeling of effective conductivity (electrical or thermal) of heterogeneous materials using statistical continuum theory. This methods use probability functions to take into account the microstructure distribution, shape of constituents and their orientations

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Mejias, Alberto. "Développement de l'indentation multicyclique à l'étude des matériaux massifs, revêtus et hétérogènes." Thesis, Lille 1, 2016. http://www.theses.fr/2016LIL10058/document.

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Abstract:

L'évaluation des propriétés mécaniques des matériaux par essais d’indentation instrumentée (IIT) a été largement étudiée ces dernières années. L'objectif de ce travail est de développer une méthodologie pour analyser le comportement mécanique des matériaux à partir des données obtenues par indentation multicyclique à une échelle microscopique de manière à limiter les problèmes liés à l’hétérogénéité des matériaux et à augmenter le nombre de données pour l’étude des revêtements épais que seule l’analyse nanométrique ne permet pas de fournir dans le cas de revêtements hétérogènes. Pour valider notre approche, nous étudions la dureté et le module d'élasticité de matériaux massifs homogènes (aciers au carbone), de revêtement épais hétérogène (hydroxyapatite), et de revêtement bicouche (Nickel-Phosphore). L’étude des matériaux massifs homogènes nous a permis, tout d’abord, de valider la méthodologie. Nous proposons également un modèle pour estimer la dureté et le module d’élasticité des revêtements d’hydroxyapatite en considérant la compaction du matériau pendant l’indentation. D’autre part, nous proposons de relier la dureté et le module d'élasticité à la fraction volumique de cristallinité. Enfin, à partir de l’indentation multicyclique effectuée sur le revêtement Ni-P bicouche, nous proposons un modèle pour évaluer le module d'élasticité de chaque couche à partir de l’expression de l'inverse de la raideur de contact en fonction de l’aire de contact proposée initialement pour un monocouche par Tricoteaux que nous couplons également à une approche multicouche basée sur le modèle de Korsunsky
The assessment of mechanical properties of materials by instrumented indentation tests (IIT) have been widely performed in last years. The objective of this work is to develop a methodology to analyze the mechanical behavior of materials from the data obtained by a continuous multicycle indentation test at the microscale of loads so as to limit the problems associated with the heterogeneity of the materials and to increase the amount of data for the study of thick coatings that only nanoscale analysis does not provide in the case of heterogeneous coatings. To validate our approach, it was study the hardness and the elastic modulus of homogeneous bulk materials (carbon steels), heterogeneous dense coating (hydroxyapatite), and a two-layer coating material (Nickel-Phosphorus). The study of homogeneous bulk materials allowed us, first, to validate the methodology. It is also proposed a model to estimate the hardness and elastic modulus of hydroxyapatite coatings considering the compaction of the material during the indentation process. Second, it is proposed to associate the hardness and elastic modulus to the volume fraction of crystallinity. Finally, from the multicycle indentation tests performed on the electroless Ni-P bilayer coating, a new approach is advanced to assess the elastic modulus of each layer from the expression of the reciprocal of the contact stiffness as function of the contact area originally proposed by Tricoteaux for a monolayer system, but now linked to a multilayer model based on the weight function suggested by Korsunsky

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Gavérina, Ludovic. "Caractérisation thermique de milieux hétérogènes par excitation laser mobile et thermographie infrarouge." Thesis, Bordeaux, 2017. http://www.theses.fr/2017BORD0012/document.

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Abstract:

De nos jours, les matériaux composites sont très largement utilisés dans l’industrie aéronautique et aérospatiale car ils ont de très bonnes tenues mécaniques, mais ces matériaux comportent de fortes hétérogénéités dues aux fibres et aux liants qui les constituent. Ainsi, depuis de nombreuses années, l’équipe TIFC «Thermal Imaging Fields and Characterization » du département TREFLE de l’institut I2M développe des méthodes de mesure des propriétés thermophysiques de matériaux hétérogènes dans le plan ou dans l’épaisseur. Ces méthodes sont très variées du point de vue des méthodes inverses (transformée intégrale, double décomposition en valeurs singulières, …) ou expérimentale (Flash, diode laser, …). Le faible coût des diodes lasers et des systèmes de déplacement de miroirs galvanométriques ont permis de développer un système complet de scanner optique laser, monté sur un banc de mesure. Il permet de revisiter les différents types de sollicitations thermiques et de réaliser une infinité de combinaisons spatiotemporelles d’excitations thermiques par méthode laser. Ceci est une des principales originalités de ce travail. De nouvelles méthodes inverses basées sur la réponse thermique au point source impulsionnel et sur la séparabilité des champs de température ont été proposées. Ces méthodes ont permis d’estimer le tenseur de diffusivité thermique selon les axes principaux d’anisotropie, mais aussi hors des axes du repère de l’image, où il est possible de déterminer l’orientation des axes d’anisotropie, lorsque le transfert de chaleur s’effectue hors des axes du repère de l’image. Ces méthodes ont permis d’obtenir des résultats intéressants comptetenu de leur simplicité. De plus, elles ont permis d’obtenir des cartographies de diffusivités thermiques dans le plan car, comparées aux autres méthodes, elles permettent d’obtenir des estimations du tenseur de diffusivité thermique localement grâce à l’obtention d’une cartographie de flux thermique surfacique via le scanner optique laser
Nowadays, composite materials are widely used in the aeronautic and aerospace industries because of their high mechanical resistance. However, they have a large heterogeneity due to the fiber and matrix they are made of. In this way, for many years, the TIC team «Thermal Imaging Fields and Characterization » from TREFLE department of I2M laboratory develops methods to measure thermal in-plane properties of heterogeneous materials such as inverses (integral transforms, double singular value decomposition…) or experimental (Flash, laser diode…) methods. The recent progress made in optical control, lasers and infrared (IR) cameras enables the development of a new scanning system (based on galvanometer-mirror) which allows the easy control of a laser hot spot spatial and temporal displacements over a plane surface. The low cost of laser diodes and optical control (galvanometric mirror) systems allows to develop a laser scanning system fixed on a test bench. We can revisit the different types of thermal excitation and realize infinite spatio-temporal combinations of thermal excitations by laser method. This is one of this thesis aims. New inverse methods based on the thermal response to an instantaneous point source heating, and temperature fields separability, have been proposed. These methods allow to estimate the thermal diffusivity tensor along the main axes of anisotropy, but also out of those axes, where it is possible to estimate the anisotropy axes orientation when the heat transfer takes place out of the image axes. These methods have produced interesting results in view of their simplicity. Moreover, they made it possible to obtain in-plane thermal diffusivities maps because, compared to the other methods, they allow to obtain, locally, thermal diffusivity tensor estimations by getting a surface heat flux map using the laser optical scanner

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Pétureau, Louis. "Stratégie de couplage expérimentation/modélisation dans les matériaux hétérogènes. Identification de propriétés mécaniques locales." Thesis, Poitiers, 2018. http://www.theses.fr/2018POIT2307/document.

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Abstract:

Le développement de méthodes d’identification de paramètres de lois de comportement de matériaux est devenu primordial pour avoir accès à la connaissance complète du comportement. En effet, les méthodes de mesure optiques, comme la Corrélation d’Images Numériques, permettent d’obtenir les quantités cinématiques de la relation de comportement sous forme de champs de vecteurs. En revanche, les contraintes ne sont généralement pas mesurables et il est nécessaire d’identifier les paramètres de la loi de comportement du matériau considéré pour y avoir accès. Plusieurs méthodes ont vu le jour et permettent de répondre à cette problématique mais la plupart d’entre elles supposent une homogénéité du matériau. Ce mémoire traite de l’application de certaines de ces méthodes, notamment la méthode de l’écart à l’équilibre (MEQ) et la méthode de recalage de modèle éléments finis (MREF), dans des matériaux hétérogènes à microstructure complexe où les propriétés mécaniques évoluent spatialement dans le volume. L’objectif est d’identifier ces propriétés mécaniques locales qui régissent la cinématique mesurée de tels matériaux dans le cadre de l’élasticité linéaire isotrope. Dans un premier temps, les deux méthodes citées sont décrites, implémentées et comparées sur des cas simulés en 2D. La MREF est préférée à la MEQ car plus robuste vis-à-vis des incertitudes de mesure. Basée sur un formalisme itératif, une parallélisation de l’algorithme a été opérée pour diminuer le coût en temps de la méthode. Des expérimentations dans le plan sur des éprouvettes en polyuréthane où les hétérogénéités sont maîtrisées ont permis de valider la méthode. Enfin, deux applications en 3D sur un matériau en mousse polyuréthane et un composite à base de fibres de bois démontrent l’intérêt d’une telle méthode pour l’identification de propriétés mécaniques locales. La mise en évidence d’une relation entre les propriétés locales identifiées et les propriétés locales de la microstructure de ces matériaux est effectuée
The development of identification methods of material constitutive equation parameters has become fundamental to completely know the mechanical behavior. Indeed, optical methods, such as Digital Image Correlation, allows to get kinematics quantities of the constitutive equation as vectors fields. But, stresses are usually not available experimentally and one has to identify constitutive equation parameters to compute them. Several methods have been developed and answer to that problematic but most of them suppose the materials as homogeneous. This memoir is about the application of some of these methods, such as the equilibrium gap method (EGM) and the finite element model updating method (FEMU), in the case of heterogeneous materials with complex structures where mechanical properties vary spatially in the volume. The objective is to identify these local mechanical properties which rule the measured kinematics of such materials considering the isotropic linear elasticity. Firstly, both methods are detailed, implemented and compared on 2D simulated cases. The FEMU method is preferred because it is more robust in the presence of noisy data. Based on an iterative process, a parallelisation of the algorithm is achieved in order to reduce the cost of the method. In-plane experiments on polyurethane samples where heterogeneities are controlled have validated the method. Finally, two 3D applications on a polyurethane foam material and a wood-based fibrous composite have demonstrated the interest of this approach to identify local mechanical properties. The highlighting of a relationship between identified local properties and microstructural properties of these materials is made

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Kandil, Karim. "Modélisation multi-physique et multi-échelle des tissus mous stratifiés : application à la réponse multi-axiale du disque intervertébral humain." Thesis, Lille 1, 2020. http://www.theses.fr/2020LIL1I040.

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Abstract:

Le disque intervertébral est probablement le plus extraordinaire des tissus du vivant, principalement en raison de propriétés inhabituelles dépendantes du temps, fortement influencées par l'environnement biochimique et par la charge mécanique appliquée. L'établissement de relations structure-propriété précises pour le tissu de l’annulus fibrosus du disque intervertébral est fondamental afin d’obtenir une modélisation fiable de la colonne vertébrale humaine. La difficulté provient de la multi-axialité et de l'anisotropie de la réponse tissulaire ainsi que de la dépendance régionale d'une structure hiérarchique complexe interagissant avec l'environnement biochimique. De plus, l’annulus fibrosus présente un comportement transversal unique dépendant du temps pour lequel une représentation constitutive complète n'est pas encore développée. Un modèle constitutif chimio-viscoélastique à base physique prenant en compte l’architecture de l’annulus fibrosus et son environnement biochimique a ainsi été proposé. Des modèles numériques d'échantillons de l’annulus fibrosus et d'unités vertébrales fonctionnelles lombaires (disque et vertèbres adjacentes) ont été développés en tenant compte de la matrice interlamellaire reliant les lamelles renforcées de fibres. A l'échelle de l'échantillon, les capacités du modèle sont vérifiées par des comparaisons avec des observations expérimentales pour diverses conditions en termes d'osmolarité, de vitesse de déformation et de multi-axialité tout en considérant la dépendance régionale. Nos résultats démontrent le rôle déterminant de la matrice interlamellaire dans la réponse multi-axiale du disque. Les différents scénarios appliqués aux unités lombaires démontrent les capacités prédictives multi-axiales encourageantes de notre approche, ce qui en fait un outil prometteur pour la prédiction à long terme du comportement de la colonne vertébrale humaine, y compris la dépendance à l'âge
The intervertebral disc is probably the most extraordinary tissue that the nature produces, mainly for its unusual time-dependent properties strongly influenced by the biochemical environment and the applied mechanical loading. Establishing accurate structure-property relationships for intervertebral disc annulus fibrosus tissue is a fundamental task for a reliable computer simulation of the human spine. The difficulty emanates from the multi-axiality and the anisotropy of the tissue response along with regional dependency of a complex hierarchic structure interacting with the biochemical environment. In addition, the annulus fibrosus exhibits an unusual time-dependent transversal behavior for which a complete constitutive representation is not yet developed. A physically-based chemo-viscoelastic constitutive model that takes into account an accurate disc annulus structure in relation with the biochemical environment is proposed. Numerical models of annulus specimens and lumbar functional spinal units (one disc and the adjacent vertebrae) are designed while taking into consideration the interlamellar matrix connecting the fibers-reinforced lamellae. At the specimen scale, the model capabilities are verified by experimental comparisons under various conditions in terms of osmolarity, strain-rate and multi-axiality while considering the regional dependency. Our results highlight the determinant role of the interlamellar matrix in the disc multi-axial response. The different scenarios applied to lumbar units show encouraging multi-axial predictive capabilities of our approach making it a promising tool for human spine behavior long-term prediction including age-dependency

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Lux, Jérôme. "Comportement thermique macroscopique de milieux fibreux réels anisotropes : étude basée sur l'analyse d'images tridimensionnelles." Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2005. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00366280.

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Abstract:

Ce travail de thèse traite de la relation entre les propriétés thermiques effectives de matériaux fibreux à base de bois d'une part et leur microstructure d'autre part. La technique de prise de moyenne est utilisée, dans le cadre général du non-équilibre thermique local, pour écrire les équations de transfert macroscopique de matériaux pouvant présenter une anisotropie locale de conductivité thermique (liée ici aux propriétés intrinsèques des fibres de bois) et exprimer le tenseur de conductivité thermique effective. Le modèle est renseigné par l'analyse quantitative d'images 3D de matériaux réels acquises par microtomographie X. Des outils issus de la morphologie mathématique sont mis en oeuvre pour caractériser finement la microstructure du réseau fibreux et en quantifier l'anisotropie locale et globale. Un volume élémentaire représentatif (VER) qui satisfait aux contraintes de la méthode de prise de moyenne peut être défini grâce à ces informations. Une méthode de segmentation basée sur un algorithme de squelettisation par amincissement homotopique est également développée afin d'identifier chaque fibre individuellement, ce qui permet d'accéder à de nombreux paramètres comme la longueur, la tortuosité ou encore le nombre de contacts. Le modèle thermique macroscopique développé ainsi que son implémentation numérique sont d'abord validés par une comparaison avec les prédictions théoriques dans des cas simples puis les valeurs des tenseurs de conductivité thermique effective, obtenus à partir des images de différents matériaux, sont finalement confrontés aux résultats expérimentaux.

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Rozanski, Adrian. "Sur la représentativité, la taille minimale du VER et les propriétés effectives de transport des matériaux composites aléatoires." Thesis, Lille 1, 2010. http://www.theses.fr/2010LIL10137/document.

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Abstract:

Dans cette thèse, on s’intéresse à quelques aspects spécifiques des matériaux composites aléatoires : la taille minimale du volume élémentaire représentatif et la détermination des propriétés effectives de transport. L’objectif principal est de proposer une méthode numérique efficace permettant une détermination rapide des propriétés effectives. Les propriétés de type transport sont considérées. Il est montré que cette classe de propriétés peuvent être déterminées soit en réalisant des calculs sur un échantillon de grande taille soit en faisant moyenne sur un nombre suffisant de petites réalisations de microstructures. Cependant, pour un type de microstructure donné, la taille des ces petites réalisations ne peut pas être inférieure à une certaine limite minimale. Celle-ci est fortement influencées par plusieurs facteurs tel que type de microstructure, fractions volumiques des constituants, contrastes de propriétés entre phases, nombre de réalisation et précision acquise. Par ailleurs, deux types de représentativités sont étudiées : représentativité géométrique et celle en rapport avec les propriétés de transport. Par conséquent, deux critères distincts de taille minimale sont proposés en se basant sur des propriétés des fonctions de corrélation à deux-points. Comparant à d’autres méthodes proposées dans de large littératures, le critère proposé ici comporte un avantage car il tient compte de la morphologie de microstructure. En conséquence, des calculs numériques comme ceux par les éléments finis ne sont pas nécessaires pour la détermination de la taille minimale de REV. La validation de la méthodologie proposée est effectuée sur plusieurs exemples de microstructures 2D
The thesis focuses on random composites and some specific features such as: the minimum size of a representative volume element (RVE) and the determination of effective transport properties. The main objective is to formulate a computationally efficient method which would allow for quick determination of effective properties. The effective properties of transport are considered. It is shown that this class of properties can be estimated either by performing calculations over one large sample or by averaging over a sufficient number of smaller microstructure realizations. However, for a given type of microstructure; the size of such smaller realizations can not be smaller than some critical minimum size. It is shown that this critical size of RVE is strongly affected by several parameters. These are: microstructure type, volume fractions of constituents, contrast in mechanical properties of composite phases, number of performed realizations as well as a desired accuracy. Furthermore, two separate types of representativity are introduced: geometrical representativity and representativity with respect to overall transport properties. Therefore, two distinct criteria for the minimum size of RVE are formulated based on the properties of the two-point correlation function. Comparing to other methods proposed in wide literature, the criterion formulated in the thesis gives an advantage: the condition proposed includes microstructure morphology. Therefore, in order to determine the minimum size of RVE none numerical calculations like those of FE are necessary. A validation of proposed methodology is performed on several examples of 2D microstructures

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Ben, Elhaj Salah Sami. "Modélisation non-locale et stochastique de matériaux à fort gradient de propriétés par développement asymptotique." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2019. http://www.theses.fr/2019ESMA0018.

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Abstract:

Le but est de proposer un modèle macroscopique, déterministe et non-local, construit par transition d'échelle pour des matériaux hétérogènes à fort gradient de propriétés, constitués d’inclusions distribuées dans une matrice élastique suivant un processus stochastique ergodique. La méthode des développements asymptotiques, ici étendue dans un cadre aléatoire, est combinée avec une approche énergétique pour faire apparaître le second gradient de déplacement dans l'expression de l'énergie de déformation. Un premier modèle est ainsi obtenu et implique trois tenseurs d'élasticité homogénéisés fonctions du paramètre stochastique et des propriétés des phases. Contrairement à la littérature, il fait intervenir deux longueurs caractéristiques fortement reliées à la microstructure. La mise en œuvre numérique est réalisée pour deux types de microstructures tridimensionnelles de complexité morphologique croissante. Les premières sont virtuelles générées à partir d'un motif simple (une inclusion entourée de six petites) distribué aléatoirement. Les secondes sont des microstructures réelles d'Ethylène-Propylène-Diène Monomère obtenues par tomographie, contenant des clusters d'inclusions de structures complexes.Une seconde transition d'échelle à l'aide d'outils d'homogénéisation variationnelle stochastique dans le cas ergodique est réalisée afin d’obtenir un modèle homogène, exploitable en calculs de structures. Le passage à la limite sur le paramètre d’hétérogénéité émanant du développement asymptotique précédent est ainsi effectué par la méthode de Γ-convergence avec pour objectif de conserver un maximum d'information microstructurale. In fine, le modèle obtenu est macroscopique, non-local, déterministe et richement connecté à la microstructure. La non-localité s'exprime non seulement par le second gradient de déplacement mais aussi par la présence du champ de déplacement virtuel (mémoire) des inclusions. Le lien fort avec la microstructure s'exprime toujours par la présence du paramètre stochastique et des propriétés des phases, mais aussi par celle des fractions asymptotiques de la phase inclusionaire dans le matériau et dans les volumes morphologiques définis par les longueurs caractéristiques intervenant dans le modèle.Pour une future utilisation pratique du modèle, un élément fini non-local et enrichi avec des interpolations de type Hermite est implémenté dans le solveur élément fini FoXtroT de l'Institut Pprime. Il prend en compte le champ de déplacement virtuel (mémoire) des inclusions et les gradients des champs de déplacement macroscopique et virtuel. Les premiers résultats sur cet aspect inédit sont encourageants
The aim is to propose a macroscopic, deterministic and non-local model, constructed by scale transition for heterogeneous materials with high property gradients and containing a random distribution of inclusions. More precisely, the inclusions are distributed in an elastic matrix according to a stochastic ergodic process. Several non-local models exist in the literature, but they do not allow (or very little) to obtain non-local quantities and/or fields at the macroscopic scale from a scale-transition. Besides, it is often difficult to link the non-local parameters to the microstructure. To this aim, we developed a two-step approach.In the first stage, we combined the method of asymptotic developments with an energetic approach to reveal a second displacement gradient in the strain energy. The advanced model involves three homogenized elasticity tensors functions of the stochastic parameter and of the phase properties. As opposed to the literature, the model involves two characteristic lengths strongly linked to the microstructure. These lengths define two morphological representative elementary volumes on which full field simulations are performed in order to determine the macroscopic strain tensors at orders 0 and 1 involved in the formulation of the model. In order to test this first version of the model, numerical simulations were performed. The estimate of the classical part of the energy, coming from the local part of the fields, has been successfully compared to classical bounds for a composite bar consisting of a random distribution of two homogeneous and isotropic elastic materials. Then, numerical solving of the whole model including the non-local terms has been performed in the three-dimensional case. Two types of microstructures with increasing morphological complexity were used. The first ones are virtual microstructures generated from a given simple pattern randomly distributed throughout the structure and composed of a big inclusion circled by six identical small ones. The second are real microstructures of Ethylène-Propylène-Diène Monomère (EPDM) obtained by tomography and containing clusters of inclusions with complex structures.In order to obtain a macroscopic model that can be used for structure analysis, without any full field intermediate calculations, a second scale transition has been performed using stochastic variational homogenization tools in the ergodic case. More precisely, the Γ-convergence method has been used in order to have a convergence of energy rather than that of mechanical fields, aiming at keeping a strong microstructural content. In fine, the model is macroscopic, non-local, deterministic and strongly connected to the microstructure. Non-local effects are now accounted for by the presence of the second displacement gradient but also by the presence of the virtual (memory) displacement field of the inclusions. The link with microstructure is still manifest through the presence of the stochastic parameter and phase properties, but also by the presence of the asymptotic fractions of the inclusion phase in the material and in each of the morphological volumes defined by the model characteristic lengths. In order to prepare the use of the model for structure calculations, a non-local finite element enriched with Hermit-type interpolations was implemented in FoXtroT, the finite element solver of the Pprime Institute. This element takes into account the virtual (memory) displacement field related to inclusions as well as the gradients of the macroscopic and virtual displacement fields. The first numerical results on this aspect, to our knowledge never discussed in the literature, are promising

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Maanane, Yassine. "Identification expérimentale de propriétés radiatives à partir de méthodes Monte Carlo Symbolique : Application aux matériaux hétérogènes à haute température." Thesis, Lyon, 2020. http://www.theses.fr/2020LYSEI093.

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Abstract:

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude des transferts de chaleur par rayonnement dans des matériaux hétérogènes utilisés dans des applications haute température, comme la sécurité incendie dans le bâtiment, l’isolation de fours ou la protection thermique dans l’aérospatial. Ces matériaux hétérogènes en structure et/ou en composition s’avèrent être des milieux semi-transparents qui absorbent et qui diffusent le rayonnement thermique, et leurs propriétés radiatives à haute température sont souvent inconnues. Afin de modéliser avec précision le rayonnement au sein de ces matériaux et de quantifier la part du rayonnement par rapport aux autres modes de transferts de chaleur, il est nécessaire de déterminer leurs propriétés radiatives d’absorption et de diffusion. Dans le cadre de cette thèse, ces propriétés sont identifiées par méthode inverse à partir de modèles de rayonnement et de mesures spectrométriques. L’identification expérimentale permet d’accéder aux propriétés radiatives dans des conditions de température proches des conditions d’utilisation du matériau d’intérêt. Pour mener à bien l’analyse du problème inverse, nous proposons et développons ici une méthodologie se basant sur des méthodes Monte Carlo Symbolique (MCS). Celles-ci permettent d’exprimer les flux radiatifs sous la forme d’une fonction simple de paramètres dits symboliques. Un seul calcul permet ainsi d’exprimer les flux sur tout l’espace des paramètres, ce qui s’avère très utile dans une démarche d’inversion. Ces méthodes sont particulièrement adaptées pour exprimer des grandeurs radiatives en fonction de la température, du coefficient d’absorption et du coefficient de diffusion. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle méthode symbolique basée sur un développement en séries de polynômes orthogonaux, permettant d’étendre la méthode MCS à d’autres types de paramètres (géométriques, fonction de phase, etc.). Les expressions de flux radiatif en fonction des propriétés radiatives obtenues par MCS permettent de déterminer si le problème inverse est bien-posé et d’identifier rapidement les propriétés radiatives, tout en prenant en compte les incertitudes expérimentales et numériques. D’autre part, dans le cas où le problème inverse est mal-posé, l’outil proposé permet d’analyser l’apport d’informations supplémentaires par d’autres modèles ou d’autres types de mesures pour l’identification. Dans cette thèse, nous appliquons cette méthodologie à l’identification des propriétés radiatives du Quartzel, famille de matériaux hétérogènes constitués de fibres de Quartz
This work is about radiative heat transfer in heterogeneous materials used in high temperature applications, such as fire safety in buildings, insulation of furnaces or thermal protection for aerospace vehicles. These semitransparent materials with heterogeneous structure absorb and scatter thermal radiation, and their radiative properties at high temperatures are generally unknown. In order to accurately model radiative transfer within these materials and to quantify the impact of radiation in the global heat transfer, it is necessary to determine absorption and scattering radiative properties. In this thesis, these properties are identified by inverse method from radiative models and spectrometric measurements. Experimental identification from spectrometric measurements provides radiative properties at temperature levels close to real operating conditions for the material of interest. To carry out the analysis of the inverse problem, we develop here a methodology based on Symbolic Monte Carlo (SMC) methods. These methods allow expressing radiative fluxes as a simple function of the so-called symbolic parameters. A single calculation expresses radiative fluxes overall the parameter space, which turns out to be very useful in an inversion approach. These methods are particularly suitable for expressing radiative quantities as a function of temperature, of absorption and scattering coefficients. In this thesis, we also propose a new symbolic method based on a series expansion of orthogonal polynomials, allowing the extension of SMC methods to other types of parameters (geometric, phase function, etc.). Expressions of radiative fluxes as functions of radiative properties obtained by SMC are employed to analyze if the inverse problem is well-posed and to efficiently identify the radiative properties, while taking into account the experimental and numerical uncertainties. On the other hand, if the inverse problem is ill-posed, this method can analyze the input of other types of measurements that may allow the identification. The methodology is applied in this work to the identification of radiative properties of a family of heterogeneous materials composed of Quartz fibers

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Da, Daicong. "Topological optimization of complex heterogeneous materials." Thesis, Paris Est, 2018. http://www.theses.fr/2018PESC1102/document.

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Abstract:

Les propriétés effectives mécaniques et physiques des matériaux hétérogènes dépendent d'une part de leurs constituants, mais peuvent également être fortement modifiées par leur répartition géométrique à l'échelle de la microstructure. L'optimisation topologique a pour but de définir la répartition optimale de matière dans une structure en vue de maximiser un ou plusieurs objectifs tels que les propriétés mécaniques sous des contraintes telles que la masse de matière. Récemment, les développements rapides de l'impression 3D ou d'autres techniques de fabrication additive ont rendu possible la fabrication de matériaux avec des microstructures "à la demande", ouvrant de nouvelles perspectives inédites pour la conception de matériaux. Dans ce contexte, les objectifs de cette thèse sont de développer des outils de modélisation et de simulation numériques pour concevoir des matériaux et des structures hétérogènes ayant des propriétés optimisées basés sur l'optimisation topologique. Plus précisément, nous nous intéressons aux points suivants. Premièrement, nous proposons des contributions à l'optimisation topologique à une seule échelle. Nous présentons tout d'abord une nouvelle méthode d'optimisation topologique avec évolution pour la conception de structures continues par description lisse de bords. Nous introduisons également deux techniques d'homogénéisation topologique pour la conception de microstructures possédant des propriétés effectives extrêmes et des « méta propriétés » (coefficient de Poisson négatif).Dans une seconde partie, des techniques multi échelle basées sur l'optimisation topologique sont développées. Nous proposons d'une part une approche concourante de structures hétérogènes dont les microstructures peuvent posséder plus de deux matériaux. Nous développons ensuite une approche d'optimisation topologique dans un cadre d'homogénéisation pour des échelles faiblement séparées, induisant des effets de gradient. Enfin dans une troisième partie, nous développons l'optimisation topologique pour maximiser la résistance à la fracture de structures ou de matériaux hétérogènes. La méthode de champs de phase pour la fracture est combinée à la méthode BESO pour concevoir des microstructures permettant d'augmenter fortement la résistance à la rupture. La technique prend en compte l'initiation, la propagation et la rupture complète de la structure
Mechanical and physical properties of complex heterogeneous materials are determined on one hand by the composition of their constituents, but can on the other hand be drastically modified by their microstructural geometrical shape. Topology optimization aims at defining the optimal structural or material geometry with regards to specific objectives under mechanical constraints like equilibrium and boundary conditions. Recently, the development of 3D printing techniques and other additive manufacturing processes have made possible to manufacture directly the designed materials from a numerical file, opening routes for totally new designs. The main objectives of this thesis are to develop modeling and numerical tools to design new materials using topology optimization. More specifically, the following aspects are investigated. First, topology optimization in mono-scale structures is developed. We primarily present a new evolutionary topology optimization method for design of continuum structures with smoothed boundary representation and high robustness. In addition, we propose two topology optimization frameworks in design of material microstructures for extreme effective elastic modulus or negative Poisson's ratio. Next, multiscale topology optimization of heterogeneous materials is investigated. We firstly present a concurrent topological design framework of 2D and 3D macroscopic structures and the underlying three or more phases material microstructures. Then, multiscale topology optimization procedures are conducted not only for heterogeneous materials but also for mesoscopic structures in the context of non-separated scales. A filter-based nonlocal homogenization framework is adopted to take into account strain gradient. Finally, we investigate the use of topology optimization in the context of fracture resistance of heterogeneous structures and materials. We propose a first attempt for the extension of the phase field method to viscoelastic materials. In addition, Phase field methods for fracture able to take into account initiation, propagation and interactions of complex both matrix and interfacial micro cracks networks are adopted to optimally design the microstructures to improve the fracture resistance

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Zeng, Tao. "Modélisation multi-échelle des comportements plastiques et viscoplastiques des géomatériaux polycristallins." Thesis, Lille 1, 2012. http://www.theses.fr/2012LIL10099/document.

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Abstract:

La plupart des géomatériaux sont hétérogènes à différentes échelles matérielles. Le comportement mécanique macroscopique de ces matériaux dépend directement de la composition minéralogique et de la microstructure ainsi que leurs évolutions. Cette étude fait un simple essai d'étendre le modèle polycristallin le plus largement utilisé en métallographie à un type de matériaux géologiques quasi-fragiles : le granit. La fonction de charge standard et le potentiel plastique sont modifiés pour tenir compte des principales caractéristiques mécaniques des géomatériaux, e.g. la sensibilité à la pression et la dilatance plastique. Ce modèle d'auto-cohérence d'abord proposé par Hill est adoptée pour relier les champs locaux et ceux globaux. La réponse du macropolycristal est déterminée par le procédé d'homogénéisation classique. La mise en œuvre de la procédure numérique de stress microscopique et macroscopique est donnée et les éventuelles difficultés rencontrées sont mis en évidence. L'identification de sept paramètres micromécaniques est brièvement décrite. La validité du modèle développé est vérifiée par la comparaison entre les prédictions du modèle et les données expérimentales sur le test conventionnels et aussi sur le test traditionnel -- compression triaxiale
Most geomaterials are heterogeneous material at different scales. The macroscopic mechanical behavior of these materials depends directly on the mineralogical composition and microstructure as well as their evolution. The present study makes a simple trial to extend the most widely used polycrystalline model in metallography to a typical quasi-brittle geological material--granite. The standard yield criterion and plastic potential are modified to consider the main mechanical features of geomaterial, e.g. pressure sensitivity and plastic dilatancy. The full self-consistent model firstly proposed by Hill is adopted to relate the local fields and overall ones. And the macro response of polycrystal is determined by the classical homogenization process. The numerical implementation of local and macro stress update procedure are given and the possible difficulties encountered are pointed out. The identification of seven micromechanical parameters is briefly described. The validity of the developed model is checked through the comparisons between model's predictions and experimental data on both conventional and true triaxial compression tests, respectively

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Faye, Mactar. "Structure interne et propriétés thermiques macroscopiques, application aux matériaux de construction." Thesis, Toulouse 3, 2016. http://www.theses.fr/2016TOU30032/document.

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Abstract:

L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact de la structure interne des matériaux isotropes granulaires sur leurs propriétés thermiques macroscopiques. Nous avons développé un code de calcul pour résoudre les transferts thermiques au sein d'un matériau hétérogène tridimensionnel. Ce code est couplé avec un algorithme de génération de structures aléatoires. Après validation expérimentale, nous avons généré des géométries granulaires dont nous avons caractérisé la structure interne, puis nous avons étudié l'impact de cette structure sur la conductivité thermique. Nous avons également développé une nouvelle méthode de mesure expérimentale de la capacité thermique surfacique d'un élément de paroi à structure interne complexe. L'originalité de cette méthode est le couplage d'un modèle analytique de la capacité thermique, indépendant des propriétés thermiques des constituants, et d'une étude expérimentale
The objective of this thesis is to study the impact of the internal structure of isotropic granular materials on the macroscopic thermal properties. We have developed a model to solve the heat transfer problem within a heterogeneous three-dimensional material. This code is coupled with an algorithm generating random structure. After an experimental validation, we first generated granular materials and we characterized their internal structure; then we studied the impact of this structure on the thermal conductivity. We also developed a new experimental method for measuring the heat capacity area of a wall element with complex internal structure. The originality of this method is the coupling of an analytical model of heat capacity area, which is independent of the thermal properties of the constituents, and an experimental study

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Mevel, Benoît. "Propriétés structurales, magnétiques et de transport d'alliages hétérogènes Co(x)Ag(1-x) et Ni(x)Ag(1-x)." Université Joseph Fourier (Grenoble), 1997. http://www.theses.fr/1997GRE10071.

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Abstract:

Les proprietes structurales, magnetiques et de transport d'alliages heterogenes ni#xag#1#-#x et co#xag#1#-#x elabores par pulverisation cathodique ont ete etudiees. Ces alliages, formes de deux composantes immiscibles, sont constitues de nanoparticules magnetiques (co ou ni) noyees dans une matrice metallique non magnetique. Par des recuits, on peut faire evoluer la nanostructure de ces alliages en activant thermiquement la demixtion des deux elements. Des mesures d'exafs au seuil du co et du ni ont permis de caracteriser l'environnement structural local des atomes magnetiques et via une modelisation, de determiner une taille structurale des precipites magnetiques dans les etats bruts et recuits. Des mesures magnetiques ont mis en evidence des comportements ferromagnetiques, superparamagnetiques ou de type verres de spin dans ces alliages avec la particularite pour le ni d'une grande sensibilite des proprietes magnetiques a la taille des particules. En effet, contrairement au superparamagnetisme habituel ou le moment des particules individuelles peut etre assimile a un spin macroscopique (cas du coag), les fluctuations magnetiques intra-particules joue un role crucial pour les niag. Des effets de magnetoresistance importante sont observes dans ces alliages avec deux contributions principales : la magnetoresistance dite geante, associee a la rotation relative des moments de grains voisins, et celle de desordre de spin associee aux fluctuations magnetiques (ondes de spin ou superparamagnetisme des grains les plus petits). Cette seconde distribution est dominante pour le ni. Une theorie quantique de la magnetoresistance de ces alliages a ete proposee. Elle decrit pour la premiere fois les effets de taille dans ces systemes heterogenes. Elle montre qu'il existe une taille optimale qui donne le maximum de magnetoresistance. Cette taille depend du role relatif de la diffusion dependante du spin en surface et dans le volume des particules.

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Anoukou, Kokou. "Modélisation multi-échelle du comportement mécanique de nanocomposites polymères à renforts d’argile de type montmorillonite : approche micromécanique et simulation de dynamique moléculaire." Thesis, Lille 1, 2012. http://www.theses.fr/2012LIL10139/document.

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Abstract:

Les nanocomposites à matrice polymère et à renforts d’argile ont pris une grande importance au cours de ces deux dernières décennies. Ceci trouve son explication d’une part, dans la grande disponibilité et le faible coût de production de la phase renforçante, et d’autre part dans les remarquables améliorations de propriétés physiques et mécaniques. Ces améliorations sont observées même à de très faibles quantités de renforts comparées à celles de leurs homologues microcomposites. Le développement de ces nouveaux matériaux suscite un fort engouement tant au niveau de la recherche académique qu’industrielle. Cependant, les mécanismes responsables de ces améliorations de propriétés demeurent mal compris et restent l’une des principales préoccupations des chercheurs. Il s’agit dans ce travail de thèse, d’apporter une contribution à la compréhension et à la mise au point d’outils prédictifs du comportement mécanique de nanocomposites polymères à renforts d’argile de type montmorillonite. Pour y parvenir, deux approches de modélisation sont utilisées : la micromécanique des matériaux hétérogènes et la simulation de dynamique moléculaire. Du point de vue analytique, un modèle micromécanique basé sur l’approche auto-cohérente est développé. Le modèle proposé est validé par nos données expérimentales et celles issues de la littérature. Un protocole de simulation de dynamique moléculaire est proposé pour la modélisation à l’échelle atomique de ces nanomatériaux. Cette approche nous a permis, entre autres, de faire la lumière sur les interactions moléculaires entre les différents constituants, et de déterminer les propriétés élastiques effectives du nanocomposite
Polymer nanocomposites reinforced with clay minerals have attracted a great consideration during the last two decades. That can be explained, firstly, by the availability and the reduced production cost of the reinforcing phase, and secondly, by the remarkable improvements in physical and mechanical properties. These improvements are observed even at very low amounts of reinforcements compared to their microcomposite counterparts. The development of these new materials creates a keen interest both in academic and industrial research. However, the mechanisms responsible of these property improvements are still poorly understood and remain a major concern of researchers. This work contributes to the understanding and to the development of predictive tools of the mechanical behavior of polymer nanocomposites reinforced with montmorillonite clay using two modeling approaches: the micromechanics of heterogeneous materials and the molecular dynamics simulation. An analytical micromechanical model based on the self-consistent approach is developed. The proposed model is validated by our experimental data and those from the literature. A new molecular dynamics simulation protocol is proposed for the modeling of these nanomaterials at the nanometric scale. This approach has allowed us, inter alia, to get insight into the molecular interactions between the different components and to determine the effective elastic properties of the nanocomposite

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Vallade, Alexis. "Modélisation multi-échelles des shales : influence de la microstructure sur les propriétés macroscopiques et le processus de fracturation." Thesis, Lille 1, 2016. http://www.theses.fr/2016LIL10123/document.

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Abstract:

Le travail présenté dans ce document consiste à la réalisation d’outils et de méthodes numériques pour modéliser l’influence de la microstructure des shales à la fois sur les propriétés macroscopiques ainsi que sur le processus de fissuration. La première partie du document est dédiée à la description d’un modèle Éléments Finis 3D (E-FEM) développé pour représenter la microstructure ainsi que la fissuration. Ce modèle fait parti des méthodes à discontinuités. Deux critères de fissuration sont décrits, un en mode I (critère de Rankine) et un second en mode II (critère de Mohr-Coulomb). Ces critères seront utilisés pour caractériser l’influence de la microstructure des shales sur les propriétés macroscopiques à l’aide d’essai de compression triaxiale. Plus particulièrement l’impact de la présence de kérogène dans la roche de schiste sera étudié. La seconde partie présente une méthode de décomposition de domaine (la méthode de mortier) utilisée pour réduire les temps de calcul. Cette méthode a pour avantage de permettre l’utilisation de maillage non conforme, ainsi un raffinement local du maillage est possible. Cette méthode a été intégrée à un code de calcul utilisant la programmation orientée composant et plus particulièrement à l’aide du middleware CTL. Le code de calcul permet de résoudre des problèmes linéaires et non linéaires en utilisant le modèle E-FEM. La dernière partie concerne l'étude de l'influence de la minéralogie sur le processus de fissuration à l'aide du code de calcul parallélisé. Un modèle de couplage hydro-mécanique est ensuite développé et appliqué au calcul de fissuration pour mesurer l'impact de la fissuration sur la perméabilité des shales
This research study aims at developing tools and numerical methods to model the influence of the microstructure of shales on macroscopic properties and cracking process. The first part of the document is dedicated to the description of a 3D Finite Elements model (E-FEM) developed to represent the microstructure and cracking phenomena. This model is part of the methods with discontinuities. Two cracking criteria are described, a mode I criteria (Rankine) and a mode II criteria (Mohr-Coulomb). These criteria will be used to characterize the influence of the microstructure of shales on the macroscopics properties in triaxial compression testing. More particularly, the impact of the presence of kerogen in the shale rock is considered. The second part presents a domain decomposition method (mortar method) used to reduce computation time. This method has the advantage of allowing the use of non-conforming mesh, so a local mesh refinement is possible. This method has been integrated into a computing code using the component-oriented programming and more specifically the CTL middleware. The computing code solves both linear and nonlinear problems using the E-FEM model. The last part concerns the study of the influence of mineralogy on the cracking process using the parallelized calculation code. A hydro-mechanical coupling model is then developed and applied to the calculation of crack to measure the impact of cracking on the shales permeability

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Mann, Ruddy. "Experiments and thermomechanical modelling of braking application & friction material characterization with loading history effect." Thesis, Lille 1, 2017. http://www.theses.fr/2017LIL10016.

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Abstract:

L’expansion actuelle du secteur de la haute vitesse ferroviaire vers des vitesses d’exploitation et chargements plus importants conduit à la nécessité d’améliorer les systèmes de freinage garantissant leurs performances malgré l’énergie supplémentaire à dissiper.La méthodologie actuelle de développement de ces matériaux étant principalement basée sur un retour d’expérience essai/erreur, l’objectif vise donc à développer une méthodologie alternative incorporant des modèles théoriques et numériques pour la conception de matériaux de friction. Cependant, les difficultés s’avèrent multiples avec des interactions complexes entre les aspects tribologiques, thermiques, mécaniques, et physico-chimiques, mais également entre les différentes échelles allant de la surface au système. Ce travail se concentre donc sur les aspects thermomécaniques dans le but de développer un modèle numérique prédictif intégrant une évolution du matériau pouvant affecter les performances de freinage. Dans un premier temps, une méthodologie originale est développée pour caractériser le matériau de friction soumis à des sollicitations réalistes et permettant d’identifier le comportement du matériau. La caractérisation fut réalisée pour différents historiques de freinage. Des modèles de comportement thermo-élasto-plastique ont été ainsi établis. La deuxième étape de ce travail porte sur le développement d’un modèle d’éléments finis de freinage intégrant les comportements matériaux précédemment identifiés ainsi que leur évolution avec l’historique de chargement. Les résultats illustrent l’impact de l’évolution du matériau de friction sur les performances de freinage
The railway high speed sector is currently expanding with an increase of the maximum operating speed and load leading to the necessity of improving the capacity of the disc braking to ensure performances despite the additional energy to dissipate. The current methodology used for the development of these material is based on trial-error experimental feedback. The goal is to develop alternative methodologies, with theoretical and numerical models for designing these components. Difficulties are the complex interactions between tribological, thermal, mechanical, chemical effects and interactions between scales from the surface to the system. This work is focused on the thermomechanical aspects with the challenge of developing a realistic numerical model and considering the material evolution assuming that this evolution affects the braking performances. In the first step, an original methodology has been developed to characterize the friction material submitted to realistic solicitations and allowing identifying bulk material behavior. Characterization has been done for different braking loading histories. Corresponding thermo-elastic-plastic behavior models have been proposed. The second step of this work is the development of a finite element model of the brake system, including the sintered material models previously identified and the evolution with loading history. The numerical results illustrate the impact of the friction material evolution regarding the braking performances. They are also compared to experimental tests carried out on a real scale braking bench

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Du, Kou. "Modélisation micromécanique de géomatériaux en prenant en compte des anisotropies microstructurale et matricielle." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2021. http://docnum.univ-lorraine.fr/public/DDOC_T_2021_0254_DU.pdf.

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Abstract:

Les propriétés mécaniques des géomatériaux hétérogènes sont évaluées en prenant simultanément en compte l'anisotropie microstructurale ainsi que celle du matériau matriciel. A cet effet, l'anisotropie de la microstructure est représentée par la complexité de forme poreuse et/ou d'inclusion qui est considérée dans le présent travail comme concave ou convexe en portant nos attentions particulières aux pores supersphériques et supersphéroïdaux axisymétriques. Les tenseurs de concentration et de contribution sont calculés numériquement à l'aide de la méthode des élément finis (FEM), qui est ensuite utilisés au niveau de la modélisation semi-analytique pour l'objectif d'évaluer des propriétés effectives associées, telles que des réponses effectives élastiques et celles de conductivité. Plus précisément, afin de résoudre le 2ème problème d'Eshelby (Eshelby (1961)) dans le cas d'inhomogénéités 3D et non ellipsoïdales, nous utilisons conditions aux limites adaptées récemment développées par Adessina et al. (2017) basé sur une solution en champ lointain (Sevostianov and Kachanov (2011)) pour intégrer l'anisotropie matricielle et la correction du biais induit par le caractère borné du domaine du maillage, ce qui permet d'accélérer la convergence du calcul sans sacrifier sa précision. En adoptant la technique d'homogénéisation numérique, les tenseurs de contribution compliance/résistivité sont calculés pour différentes formes de pores (attention particulière des pores supersphéroïdaux et supersphériques) noyés dans une matrice isotrope transverse. La méthode numérique proposée s'avère efficace et précise après un grand nombre d'estimations et leurs validations. Dans certains cas particuliers, ces validations s'effectuent avec des comparaisons entre les résultats analytiques et numériques disponibles dans littérature. En prenant en compte les résultats numériques obtenus pour des microstructures tridimensionnelles (3D) considérées, les tenseurs de contribution dans les deux cas d'inclusions/pores concaves indiqués ci-dessus, supersphère et supersphéroïde axisymétrique, sont développées dans les contextes des problèmes élastiques et thermiques. Notons ici que la forme d'inclusion/pore sphérique (i.e. paramètre de concavité p=1) ainsi que celle de fissure circulaire (i.e. rapport d'aspect γ → 0), qui peuvent être considérés comme deux cas particuliers, sont également étudiés. Cela permet d'évaluer et de valider la méthode proposée dans le présent travail. De plus, dans le cadre de l'homogénéisation, une application aux géomatériaux poreux à matrice isotrope transverse, tels que les roches argileuses, est présentée pour illustrer l'impact du paramètre de concavité et celui de l'anisotropie de la matrice sur les propriétés globales à travers plusieurs schémas d'homogénéisation micromécanique, tels que l'approche basée sur l'approximation de non-interaction (i.e. NIA: Non-Interaction Approximation), schéma de Mori-Tanaka-Benveniste et celui de Maxwell. Les propriétés effectives des composites à pores réguliers sont également estimées à l'aide de l'approche dite champ complet par simulations numériques, puis comparées à la modélisation micromécanique. L'effet de microstructure complexes est étudié en considérant des Volumes Elémentaires Représentatifs (VERs) périodiques contenant des arrangements aléatoires des pores noyés dans des matrices isotropes transverses
The mechanical properties of heterogeneous geomaterials are evaluated by simultaneously taking into account the microstructural anisotropy as well as the one of matrix. To this end, the microstructural anisotropy is represented by the complexity of porous shape which is considered in the present work as concave or convex by particular attention to the superspherical and the axisymmetrical superspheroidal pores. The concentration and contribution tensors are numerically computed using Finite Element Method (FEM), which are next approximated by analytical expressions for the case of the concavity parameter being p<1, to evaluate the associated effective properties, such as effective elastic and thermal responses. Specifically, to solve the 2nd Eshelby problem (Eshelby (1961)) in the case of 3D non-ellipsoidal inhomogeneities, we make use of a recently developed adapted boundary condition (Adessina et al. (2017)) based on far-field solution (Sevostianov and Kachanov (2011)) to incorporate the matrix anisotropy and to correct the bias induced by the bounded character of the mesh domain, which allows to accelerate the computation convergence without sacrificing its accuracy. Simultaneously by complying with the numerical homogenization technique, the compliance/resistivity contribution tensors are computed for different forms of pores (particular attention of superspheroidal and superspherical ones) embedded in a transversely isotropic matrix. The proposed numerical method is shown to be efficient and accurate after several appropriate assessments and validation by comparing its predictions, in some particular cases, with analytical results and some available numerical ones. On the basis of these "3D" Finite Element Modeling, approximate relations of the property contribution tensors in the two aforementioned reference concave cases, supersphere and axisymmetric superspheroid, are developed for both elastic and thermal problems. Note here that the spherical pore (i.e. concavity parameter p=1) and circular crack (i.e. aspect ratio γ → 0), which can be considered as two particular cases, are also numerically studied. This allows to assess and validate the proposed method in the present work. Moreover, in the frame of homogenization, application to the typical porous geomaterials with transversely isotropic matrix such as clay rocks is presented to illustrate the impact of the concavity parameter and the matrix anisotropy on overall properties through several micromechanical homogenization schemes such as non-interaction approximation, Mori-Tanaka-Benveniste scheme and Maxwell scheme. The methodology of evaluation of the elastic and thermal properties of heterogeneous material aforementioned is proposed based on micromechanical homogenization via multiscale modeling. The overall properties of composites with regular pores are also predicted using direct finite element approaches and then compared against micromechanical modeling. The effect of microstructure is analyzed by considering periodic RVEs containing random arrangements of pores formed by transversely isotropic phases

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Bogdan, Mateusz. "Modélisation morphologique multi-échelles de matériaux cimentaires -- Application à la prédiction de propriétés effectives de diffusion." Thesis, Cachan, Ecole normale supérieure, 2015. http://www.theses.fr/2015DENS0021/document.

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Abstract:

L'objectif de la présente thèse et de développer un cadre d'étude et de simulation apte à prédire les propriétés effectives de diffusion dans les matériaux cimentaires saturés. Le principe suivi, fondé sur les approches multi-échelles séquencées, permettra de modéliser chaque échelle d'intérêt, depuis le gel des C-S-H, jusqu'au matériau béton, et ainsi via des simulations de prédire les coefficients de diffusion effectifs.Le cadre d'étude est donc fondé sur les points clés suivant :- Des morphologies de type "matrice - inclusion" sont générées via des excursions de champs aléatoires corrélés tri-dimensionnels. Cette approche, combinée avec quelques opérations morphologiques, permet la génération de morphologies inclusionnaires 3D suivant des distributions de tailles imposées. Il est ensuite possible de faire évoluer ces morphologies, depuis un état initial, en fonction d'un modèle prescrit (par exemple en termes de fraction volumiques), via le seuil de l'excursion.- Les cibles morphologiques de chaque échelle considérées tentent de refléter les résultats expérimentaux et modèles les plus communément admis. En supplément, à l'échelle de la pâte de ciment, un modèle "simple" d'hydratation est développé afin de prédire l'évolution de celle-ci dans le temps en termes de fractions volumiques. Le choix a été fait d'utiliser pour fondement un modèle simple (Jennings & Tennis), incorporant des paramètres essentiels, tels que la composition minéralogique du ciment ou le rapport e/c. Des modifications mineures ont été apporté au modèle, afin de prendre en compte de récents résultats expérimentaux, concernant principalement la fin de l'hydratation ainsi que sa cinétique.- Le cadre d'homogénéisation a été construit pour être utilisable à toutes les échelles considérées, et il permet ainsi de prédire les propriétés effectives de diffusion avec des considération énergétiques d'équivalence entre échelles. De façon analogue à la théorie de Hill pour l'élasticité, le cadre d'étude assure une séparation d'échelle cohérente vis-à-vis des propriétés effectives de diffusion.- Enfin, d'un point de vue numérique, les simulations utilisent les méthodes E-FEM, couplées à l'utilisation de maillages non-adaptés sur lesquels les morphologies sont "projetées". De cette façon, les discontinuités géométriques (discontinuité de propriétés matériaux) sont sont assurés par les élément finis enrichis, et ne requièrent pas d'éléments joint, ou de "moyennage" de propriétés.Les résultats de chaque échelle sont utilisés comme paramètres d'entrés pour les échelles suivantes. Depuis l'échelle des hydrates (C-S-H), jusqu'à l'échelle du béton, les coefficients de diffusion effectifs sont ainsi estimés
The aim of the present Ph.D. is to develop a methodology and a simulation framework able to predict as accurately as possible effective properties regarding diffusion in saturated cement based materials. A sequenced multiscale framework is developed to perform numerical homogenization on diffusive properties, and thus predict effective properties. The general outline is to model every scale in concrete-like materials, from the C-S-H gel, to the concrete scale, and with the help of a proper framework, be able to predict effective properties. The methodology relies on the following key points for every considered scale :- Inclusion-matrix like morphologies are generated through level set methods applied to multi-dimensional correlated random fields. This approach, together with few morphological operations allows to generate 3D morphologies with given particle size distributions (PSD), or pore size distributions. Then, it is also possible, from the initial state, to make those morphologies evolve according to any descriptive model (e.g. in terms of volume fraction), via the level set.- The morphological description of each scale is chosen according to the most acknowledged experimentations and models. In addition, at the cement paste scale, a hydration model was developed to predict the evolution of the cement paste through time, in terms of volume fractions. The choice was made to keep a simple model (Jennings & Tennis), with few but essential input parameters (mineral cement composition, w/c ratio, PSD). It has only been modified to include recent experimental results, such as the maximal hydration degree, or the hydration rates.- The upscaling framework was built to suit every considered scale, and allows to assess effective properties based on energy conservation principles. Similar to Hill's theory for elasticity, the framework is build to ensure to proper scale separation regarding effective diffusion coefficients.- Lastely, the numerical context is based on E-FEM techniques, which allows to use unstructured meshes, on which the morphologies are projected. This way, any material discontinuity in dealt within the FE, and thus does not require averaging properties, or joint elements. Results from every scale will be used as inputs at the higher scales, and effective diffusion coefficients are thus estimated

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Kossman, Stephania. "Indentation instrumentée multi-échelles de matériaux homogènes et multi-matériaux." Thesis, Lille 1, 2017. http://www.theses.fr/2017LIL10180/document.

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Abstract:

Les propriétés mécaniques (dureté et module d’élasticité) peuvent s’étudier à différentes échelles en fonction de la composition et de la microstructure des matériaux (nombre de phases, répartition des constituants, diamètre des grains…). Dans ce travail nous étudions ces comportements aux échelles nano, micro et macroscopiques, grâce à une gamme d’appareils expérimentaux en indentation instrumentée qui permettent d’appliquer des forces variant de 1 mN à 2,5 kN et de provoquer des enfoncements mesurables de 10 nm à 3 mm. Une première partie consiste à optimiser les conditions expérimentales, dépouiller et interpréter les données en suivant une démarche métrologique rigoureuse, dans le but d’effectuer le raccordement entre les résultats obtenus aux trois échelles de mesure étudiées. Ces essais sont effectués sur des matériaux métalliques industriels mais suffisamment homogènes (aciers et alliage d’aluminium). Nous proposons par exemple une méthode alternative à celle d’Oliver et Pharr pour estimer le module d’élasticité à partir de la courbe de décharge en indentation. Cette méthodologie est ensuite appliquée à l’étude du comportement sous indentation d’un matériau composite, hautement hétérogène, utilisé pour la fabrication de semelles de freinage dans le domaine ferroviaire. Les données obtenues (répartition spatiale en surface et en volume de la dureté et des modules d’élasticité) sont destinées à être utilisées dans les modèles simulant le bruit de crissement au freinage, afin d’en atténuer les effets
The mechanical properties (hardness and elastic modulus) can be studied at different scales as a function of the composition and microstructure of materials (number of phases, constituent distribution, grain size…). In this work, we studied this mechanical response at the nano, micro and macroscopic scales, through different instruments that allow to apply loads ranging from 20 mN up to 2 kN generating penetrations depths between 100 nm up to 2.5 mm. The first stage consisted in the improvement of the experimental conditions, developing and interpreting the experimental data, following a rigorous metrological methodology, in order to achieve the connection between the results obtained at the three studied scales. These tests were performed in metallic industrial materials, which are sufficiently homogeneous at the tested penetration depths (steels and aluminum alloy). For example, we had proposed an alternative approach to the Oliver and Pharr method to fit the unloading curve to estimate the elastic modulus. Afterwards, this methodology is applied to the study of the response obtained by indentation in a composite material, which is highly heterogeneous, used in the fabrication of brake pads in the railway industry. The obtained results (spatial distribution on the surface and through the volume of hardness and elastic modulus) are going to be valuables in the applications of models to study the squeal noise during braking, looking to reduce its effects

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Vasoya, Manishkumar Laxmanbhai. "Study on Tensile Failure of Highly Heterogeneous Brittle Materials." Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066650.

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Abstract:

Le développement d’outils prédictifs qui relient l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique dans le cadre de la rupture fragile est le défi majeur de cette thése. Dans le cas d’une fissure plane se propageant de façon quasistatique, en mode I, dans un matériau faiblement hétérogène et invariant dans la direction de propagation, on peut montrer à l’aide d’une approche perturbative utilisant les fonctions de poids, que le seuil de rupture de Griffith est toujours atteint en tout point du front et que par conséquent la ténacité effective est simplement égale à la moyenne des valeurs locales. Nous abordons ici le même problème mais avec des hétérogénéités de ténaciteé plus élevées. Dans la première partie, nous considérons une fissure semi-infinie dans un corps infini ou dans une plaque d’épaisseur finie et nous étendons analytiquement l’approche du premier au second ordre. Nous montrons que, même si le critère de Griffith est atteint partout, les déformations du front peuvent induire une déviation de la ténacité efficace de sa valeur moyenne. Nous effectuoès de plus des expériences de peeling afin de préciser le domaine de validité des approches. Dans la deuxième partie, nous considérons une fissure circulaire se propageant dans un motif de ténacité axisymétrique et résolvons le problème numériquement, quelquesoit le contraste de ténacité et la taille des hétéogénéités, en itérant sur les formules du premier ordre. Pour un contraste d’hétérogénéité suffisamment grand, le critére de la Griffith ne peut plus être atteint partout: certains points du front sont piégés par les zones plus tenaces, tandis que d’autres parties avancent indéfiniment. De ce fait, la ténacité diminue avec la taille et le contraste, à partir de sa valeur moyenne locale jusqu à son minimum
The development of predictive tools that bridge microscopic to macroscopic scales in brittle fracture is the key challenge of this thesis. In the context of quasi-static planar crack propagation under mode I loading, it has been shown, using first-order weight-function perturbation approaches that, for weak heterogeneities, when the material is homogeneous in the propagation direction, the Griffith’s threshold is always reached for all points of the crack front so that the effective toughness is simply equal to the average of the local toughness. Here, we address the same problem but with stronger toughness heterogeneities. In the first part, we consider a half-plane crack embedded in an infinite body or in a finite thickness plate and we extend analytically the first-order approaches to the second-order. We show that even if Griffith’s criterion is reached all over the front, the deformations of the front may induce some second-order deviation of the effective toughness from its mean value. We also perform peeling experiments that define their range of applicability. In the second part, we consider a circular crack propagating in an axisymmetric toughness map and solved the problem numerically, for any toughness contrast and heterogeneity size, by iterating the first-order formulas. For large enough heterogeneity contrast, the Griffith’s criterion can no more be reached everywhere: some points of the front are pinned by strong impurities, while some other parts advances continuously. Correspondingly, the effective toughness is shown to decrease with size and strength of heterogeneity from the average value of the local toughness down to its minimum one

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Parenteau, Thomas. "Modélisation micromécanique de composites thermoplastiques élastomères à matrice polypropylène." Phd thesis, Université de Bretagne Sud, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00404452.

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Abstract:

De part leur grande consommation, les pièces en élastomère vulcanisé sont une source importante de déchets. Une des voies de revalorisation de ces matériaux est leur réutilisation sous forme de particules dans des composites à matrice polymère, afin de diminuer leur rigidité et d'augmenter leur résistance aux chocs de faible énergie. Cette étude est ainsi née d'une collaboration entre le LIMATB et la Technische Universität Chemnitz, qui développe ce concept de matériaux.

L'objectif de cette étude est la caractérisation expérimentale et la modélisation du comportement mécanique de composites thermoplastiques élastomères (TPE). Ces matériaux sont composés d'une matrice en homopolymère polypropylène isotactique (PP) et de particules d'élastomère recyclées à base d'éthylène propylène diène monomère (EPDM). La nature complexe du PP nous a incité à développer un modèle micromécanique, en distinguant dans ce polymère une phase amorphe et une phase cristalline. A partir d'un motif représentatif permettant d'estimer les propriétés élastiques du PP en fonction du taux de cristallinité, un modèle micromécanique de type autocohérent généralisé est comparé à un modèle macroscopique plus simple pour décrire son comportement élastoviscoplastique. La loi de comportement des TPE est construite, via une démarche d'homogénéisation, à partir du comportement mécanique des particules d'EPDM et de la loi macroscopique déterminée pour le PP. Les prévisions des modèles sont analysées et comparées aux résultats d'essais de flexion, de traction et d'indentation. Les modèles développés ont été implantés dans le code « éléments finis » Abaqus afin de permettre le calcul de pièces industrielles.

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Mnasri, Faiza. "Étude du transfert de chaleur et de masse dans les milieux complexes : application aux milieux fibreux et à l’isolation des bâtiments." Thesis, Université de Lorraine, 2016. http://www.theses.fr/2016LORR0169/document.

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Abstract:

Le contexte énergétique international impose de nouvelles orientations au secteur du bâtiment neuf ou en rénovation. Toute nouvelle solution doit être techniquement efficace et respectueuse pour l’environnement. Il s'agit dans ce travail de thèse de réaliser une étude numérique et expérimentale de matériaux de construction biosourcés liés au contexte transfrontalier Lorrain (France-Belgique- Luxembourg). En effet, ce travail intègre une partie du projet européen « Ecotransfaire » mené pour le développement d'une filière durable propre aux éco-matériaux. La sélection des matériaux selon une liste de critères à la fois scientifiques, géographiques et environnementaux a permis de répondre à notre problématique en s'orientant vers l'intégration des matériaux biosourcés pour leurs aspects favorables à l'environnement et à l’efficacité énergétique du bâtiment. Intégrés au bâtiment, ces matériaux sont sujets à plusieurs phénomènes de transfert de chaleur et de masse. Dans un premier temps et pour mieux appréhender ces phénomènes, un modèle de transfert couplé de chaleur, d'air, d'humidité (HAM transfers) est utilisé pour simuler le comportement hygrothermique d’un matériau en bois massif à structure supposée homogène. Ce modèle, mis en œuvre et résolu par la méthode des éléments finis, a été validé par des résultats analytiques retenus dans la littérature. L'étude de sensibilité du modèle au couplage, aux dimensions dans l'espace, aux conditions aux limites et aux variabilités des paramètres d'entrée est également présentée. Une des difficultés de l’utilisation de ce modèle réside dans la prise en considération de l'aspect fortement hétérogène de certains matériaux. Ainsi, dans ce travail, nous proposons une approche de caractérisation d'un composite lignocellulosique hétérogène de structure poreuse. En effet ce matériau est composé de deux constituants bien connus dans le domaine de l’industrie de construction: Le bois et le ciment. Le bois est incorporé sous forme de granulats avec des formes et des tailles irrégulières et le ciment est utilisé comme un liant. Le travail réalisé permet de remonter aux propriétés intrinsèques équivalentes de ce matériau (conductivité thermique et perméabilité à la vapeur) à l’aide des techniques de micro-tomographie. La méthodologie suivie consiste à la détermination de la structure d'échantillon par une prise d'images à l'échelle microscopique. Une fois la structure de l’échantillon générée, une reconstruction de la représentation bidimensionnelle précède la génération de la structure tridimensionnelle à l'aide d’un outil numérique qui permet de déterminer les propriétés équivalentes des domaines reconstruits en 3D. La perméabilité et la conductivité thermique équivalentes sont les deux propriétés évaluées dans cette configuration. Ces deux propriétés dépendent fortement de la porosité et de la distribution des pores dans la phase continue (la phase solide). De plus la composition de ce matériau et les fractions volumiques de chacun de ses constituants influent sur la formation de sa microstructure et par conséquent sur ses propriétés de transferts thermiques et hydriques. L'ensemble des connaissances développées dans ce travail permet une piste sérieuse pour l'élaboration d'un éco-matériau à propriétés contrôlées pour des usages spécifiques dans la construction et la rénovation
International energy context requires a new orientation to the building sector as in construction or in renovation. Any new solution must be technically efficient and environmentally acceptable. In this thesis, the object is to achieve a numerical and experimental analysis of a building biobased materials. Some of these materials are included from the study of a transborder project to the Lorraine region (France, Belgium and Luxembourg). Indeed an Ecotransfaire project was included in this work. This project has been oriented to the development of a sustainable eco materials chain. A process of analysis has been established in order to select the materials candidates on the basis of scientific, geographical and environmental criteria. The answers are moving towards the integration of bio-based materials. These materials are subject of several heat and mass transfers phenomena. So understanding these mechanisms within a building material has been achieved firstly. This resulted on a coupled model of heat transfer, air, moisture experienced by the HAM model. This model is applied to a wooden building material whose its structure is assumed homogeneous. Then, this model was implemented and solved by the finite element method. Its numerical solution is validated by analytical results available in the literature. The study of sensitivity of the model coupling, dimensions in space, the boundary conditions and the variability of input parameters is also presented. One of the difficulties of using this model is the case of heterogeneous materials. Thus, in this work, we propose an approach of characterization of a heterogeneous lignocellulosic composite material with a porous structure. In fact, this material is composed of two components: Wood and cement. The wood is presented by a shapes aggregates with irregulars sizes and the cement is considered as the binder in the composition. The object was to predict its equivalent intrinsic properties (thermal conductivity and vapor permeability) by using the micro-tomography techniques.The methodology consists to determine the structure of the sample by taking images at the microscopic scale. Once the structure of the sample is generated, we will conduct from a reconstruction of the two-dimensional representation to a three dimensional structure by using a numerical tool which determines the equivalent properties of the 3D reconstructed domain. The permeability as well as the equivalent thermal conductivity are the two properties evaluated in this configuration. These two properties are strongly depend to the porosity and to pore distribution in the continuous phase (the solid one). Moreover the composition of the material and the volume fractions of each components influence the formation of microstructure and consequently the thermal and hydric transfers

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Nguyen, Dac Loi. "Nouvelle méthodologie d'identification des propriétés mécaniques locales d'un matériau hétérogène par nanoindentation : application aux matériaux du génie civil." Thesis, Paris Est, 2017. http://www.theses.fr/2017PESC1028/document.

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Abstract:

Le présent travail propose et développe une méthodologie complète d’identification des propriétés mécaniques locales d’un matériau hétérogène à l’échelle des phases constitutives. Il s’agit d’une combinaison de compétences très diverses, à la fois en théorique, en simulation numérique et en expérimentation. Plus précisément, la partie théorique concerne la détermination des relations nano-micro pour le module d’indentation homogénéisé par des techniques de changement d’échelle; la partie numérique basée sur la théorie du calcul à la rupture est réalisée en vue de trouver de ces dernières relations applicables pour la dureté; et la dernière partie est effectuée pour récupérer les propriétés homogénéisées par la voie expérimentale à l’aide de la technique de nano-indentation. L’étude expérimentale de la thèse est pour l’objectif de déterminer des propriétés d’indentation de différents échantillons de pâte de ciment. Un programme expérimental complet, est développé, qui permet de caractériser des phases principales à l’échelle micrométrique de ce matériau, parmi lesquelles nous nous intéressons surtout à celles plus importantes correspondantes à des phases de la matrice C-S-H. La modélisation du problème lié à l’enfoncement d’une pointe d’indentation dans un matériau est étudiée. Pour cela, la première voie, basée sur l’approche cinématique du calcul à la rupture, consiste à tenter de construire des mécanismes de ruine analytiquement, puis à les faire évoluer en fonction du changement de la géométrie initiale, afin d’obtenir la charge de ruine correspondante. La seconde voie consiste ensuite à suivre la même approche, mais en construisant numériquement ces mécanismes de ruine. La charge obtenue dépend naturellement des paramètres de critères retenus, que l’on détermine grâce à la combinaison avec les résultats expérimentaux. Les critères de résistance de Von-Mises et de Tresca valables pour des matériaux purement cohérents ainsi que celui de forme elliptique sont examinés dans ce travail
The present work proposes and develops a complete methodology for identifying the local mechanical properties of a heterogeneous material at the scale of the constitutive phases. It is a combination of very diverse skills in theory, in numerical simulation and in experimentation. More precisely, the theoretical part concerns the determination of the nano-micro relations for the indentation module; the numerical part based on the yield design theory is carried out to find the last relations applicable for the hardness; and the last part is performed to obtain homogenized properties by the experimental way using the nano-indentation technique. The experimental study of the thesis is for the purpose of determining indentation properties of different cement paste samples. A complete experimental program, is developed, which allows characterizing the main phases at the micrometric scale of this material, among which we are mainly interested in the C-S-H matrix phases. The modeling of the problem related to the penetration of an indentation point into a material is studied. For this, the first way, based on the kinematic approach of the yield design theory, consists in trying to construct ruin mechanisms analytically, then to make them evolve according to the change of the initial geometry, in order to obtain the corresponding ultimate load. The second way is then to follow the same approach, but by building numerically these ruin mechanisms. The obtained load depends naturally on the retained criteria parameters, which are determined by the combination with the experimental results. The Von-Mises and Tresca strength criteria for purely coherent materials as well as the elliptical one are examined in this work

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Sacristán, López-Mingo Carlos Javier. "Etude des propriétés acoustiques et comportement à l'impact de matériaux poreux de type mousses métalliques homogènes et inhomogènes." Thesis, Dijon, 2015. http://www.theses.fr/2015DIJOS035/document.

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Abstract:

Ce travail concerne l’étude acoustique théorique et expérimentale des matériaux poreux à squelette métallique, macroscopiquement homogènes et inhomogènes ainsi que l’étude de leurs propriétés mécaniques de comportement au choc pour comparaison. Le modèle acoustique de Johnson -Champoux - Allard s’est montré adapté pour la modélisation acoustique. Ce modèle associé à une approche proposée récemment et utilisant le concept de matrices de transfert en parallèle a permis, dans une nouvelle approche basée sur les “mélanges de matériaux”, d’étudier les matériaux poreux macroscopiquement inhomogènes. Par ailleurs, une étude paramétrique du coefficient d’absorption en fonction de la porosité et de la fréquence a été proposée. Les maxima d’absorption ainsi que l’enveloppe des courbes d’absorption en fonction de la porosité ont été étudiés. En premier lieu, un matériau théorique à propriétés indépendantes a été étudié. Les matériaux réels à propriétés interdépendantes ont ensuite été abordés à l’aide d’un modèle reliant leurs propriétés à la porosité. Enfin, une comparaison entre les propriétés acoustiques et les propriétés mécaniques de comportement à l’impact a été initiée en vue de déterminer un critère objectif permettant de proposer un compromis entre les deux domaines
This work is concerned with the theoretical and experimental study of the acoustical properties of macroscopically homogenous and inhomogeneous porous media as well as their mechanical response to impacts. The model of Johnson - Champoux - Allard appeared adapted for the acoustical modeling. This model, associated with a recently developed approach involving the concept of parallel transfer matrices has lead to a new approach of macroscopically inhomogeneous porous materials based on “mixtures of materials”. Furthermore, a parametric study of the absorption coefficient as a function of porosity and frequency has been proposed. The maximums of absorption as well as the envelop of the absorption curves have been studied as functions of porosity. First, a theoretical material with independent parameters has been studied. Real materials with nonindependent parameters were then investigated with the help of a model relating their properties to the porosity. Finally, a comparison between the acoustical and mechanical properties has been initiated in view of determining an objective criterion that will allow to propose a trade off between the two fields

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Ren, Xiaotao. "Modélisation semi-analytique des pertes par courants de Foucault dans les matériaux composites." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLS159/document.

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Abstract:

L'emploi de matériaux composites dans le domaine du Génie Electrique est actuellement un sujet de recherche en plein essor, notamment pour des considérations d’économie d'énergie. Les composites magnétiques doux (SMC - Soft Magnetic Composites) intègrent les propriétés de leurs différents constituants. Ils sont conçus pour présenter une perméabilité élevée et avoir une faible densité de pertes par courants de Foucault (EC - Eddy Current) par comparaison aux structures plus classiques comme l'acier laminé. Néanmoins, la détermination des propriétés électromagnétiques des SMC n’est pas aisée. Une approche classique est d’appliquer les outils numériques tels que la méthode des éléments finis (FEM - Finite Element Method) pour obtenir une description complète du SMC. Cependant, la microstructure doit être finement maillée, ce qui représente un fardeau numérique significatif et des instabilités dans l'approche par FEM. Pour surmonter cette restriction, les méthodes d'homogénéisation semi-analytiques sont appliquées. Ce travail consiste d'abord à développer un modèle de perméabilité complexe pour SMC. La perméabilité magnétique et les pertes EC sont intégrées respectivement comme les parties réelle et imaginaire de la perméabilité complexe. La perméabilité magnétique effective macroscopique peut s’obtenir par des estimations classiques en homogénéisation. Une détermination correcte de la perméabilité effective, i.e. la partie réelle de la perméabilité complexe, est cruciale pour une estimation précise de pertes EC. Les formules de pertes EC sont dérivées pour des SMC à microstructure périodique dans les cas 2D et 3D. En outre, différentes approches s’appuyant sur différentes moyennes du champ magnétique permettent d’obtenir des limites inférieures et supérieures pour l’estimation des pertes EC dans les SMC. La perméabilité complexe ainsi obtenue est ensuite appliquée à une structure de transformateur. Le champ magnétique et la répartition des pertes EC peuvent être obtenus sur le transformateur équivalent (homogénéisé). Les résultats sont comparés aux calculs en champ complet du transformateur hétérogène. Un bon accord est observé. Enfin, on étudie l'effet des contraintes mécaniques sur la perméabilité magnétique et les pertes EC des SMC, ce qui conduit à une formule couplée de la densité de pertes EC en fonction de la contrainte macroscopique et du champ magnétique
Composite materials have been widely used in Electrical Engineering, and they have stimulated a growing number of scientific research, especially when it comes to energy savings. Soft Magnetic Composites (SMC) incorporate the attributes of different constituents. They can be designed to exhibit high permeability and to dissipate low Eddy Current (EC) losses compared to more conventional structures such as laminated steel. Nevertheless, electromagnetic properties of SMC are not easily determined. Numerical tools such as finite element method (FEM) are usually employed to provide a full-field description of SMC. As the microstructure has to be finely meshed, it brings significant numerical burden and instabilities. To overcome this restriction, semi-analytical homogenization methods are adapted and applied here. They consist in developing a complex permeability model. In the complex permeability model for SMC, the static magnetic permeability and EC losses are integrated respectively as the real and imaginary part of the complex permeability. Classical estimates are applied to determine the macroscopic effective magnetic permeability. A correct determination of the effective permeability, i.e. the real part of the complex permeability, is crucial for the estimate of EC losses. EC losses formulas are derived for SMC with periodic microstructure in 2D and 3D cases. Furthermore, different approaches of field averaging are employed to obtain lower and upper bounds on the EC losses in SMC. The complex permeability model is then applied to analyze a transformer structure. The magnetic field and EC losses distribution can be obtained on the equivalent homogenized transformer. The results are compared to the full-field calculations on the heterogeneous transformer. A good consistency is observed. Finally, the effect of mechanical stress on the magnetic permeability and loss property of SMC is studied, which leads to a coupled formula of EC loss density as a function of macroscopic stress and magnetic field

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Vasoya, Manishkumar Laxmanbhai. "Study on Tensile Failure of Highly Heterogeneous Brittle Materials." Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066650.

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Abstract:

Le développement d’outils prédictifs qui relient l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique dans le cadre de la rupture fragile est le défi majeur de cette thése. Dans le cas d’une fissure plane se propageant de façon quasistatique, en mode I, dans un matériau faiblement hétérogène et invariant dans la direction de propagation, on peut montrer à l’aide d’une approche perturbative utilisant les fonctions de poids, que le seuil de rupture de Griffith est toujours atteint en tout point du front et que par conséquent la ténacité effective est simplement égale à la moyenne des valeurs locales. Nous abordons ici le même problème mais avec des hétérogénéités de ténaciteé plus élevées. Dans la première partie, nous considérons une fissure semi-infinie dans un corps infini ou dans une plaque d’épaisseur finie et nous étendons analytiquement l’approche du premier au second ordre. Nous montrons que, même si le critère de Griffith est atteint partout, les déformations du front peuvent induire une déviation de la ténacité efficace de sa valeur moyenne. Nous effectuoès de plus des expériences de peeling afin de préciser le domaine de validité des approches. Dans la deuxième partie, nous considérons une fissure circulaire se propageant dans un motif de ténacité axisymétrique et résolvons le problème numériquement, quelquesoit le contraste de ténacité et la taille des hétéogénéités, en itérant sur les formules du premier ordre. Pour un contraste d’hétérogénéité suffisamment grand, le critére de la Griffith ne peut plus être atteint partout: certains points du front sont piégés par les zones plus tenaces, tandis que d’autres parties avancent indéfiniment. De ce fait, la ténacité diminue avec la taille et le contraste, à partir de sa valeur moyenne locale jusqu à son minimum
The development of predictive tools that bridge microscopic to macroscopic scales in brittle fracture is the key challenge of this thesis. In the context of quasi-static planar crack propagation under mode I loading, it has been shown, using first-order weight-function perturbation approaches that, for weak heterogeneities, when the material is homogeneous in the propagation direction, the Griffith’s threshold is always reached for all points of the crack front so that the effective toughness is simply equal to the average of the local toughness. Here, we address the same problem but with stronger toughness heterogeneities. In the first part, we consider a half-plane crack embedded in an infinite body or in a finite thickness plate and we extend analytically the first-order approaches to the second-order. We show that even if Griffith’s criterion is reached all over the front, the deformations of the front may induce some second-order deviation of the effective toughness from its mean value. We also perform peeling experiments that define their range of applicability. In the second part, we consider a circular crack propagating in an axisymmetric toughness map and solved the problem numerically, for any toughness contrast and heterogeneity size, by iterating the first-order formulas. For large enough heterogeneity contrast, the Griffith’s criterion can no more be reached everywhere: some points of the front are pinned by strong impurities, while some other parts advances continuously. Correspondingly, the effective toughness is shown to decrease with size and strength of heterogeneity from the average value of the local toughness down to its minimum one

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Niezgoda, Mathieu. "Modélisation du transfert thermique au sein de matériaux poreux multiconstituants." Phd thesis, Université d'Orléans, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00829217.

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Abstract:

Le CEA travaille sur des matériaux poreux - alvéolaires, composites, céramiques, etc. - et cherche à optimiser leurs propriétés pour des utilisations spécifiques. Ces matériaux, souvent composés de plusieurs constituants, ont en général une structure complexe avec une taille de pores de quelques dizaines de microns. Ils sont mis en oeuvre dans des systèmes de grande échelle, supérieure à leurs propres échelles caractéristiques, dans lesquels on les considère comme équivalents à des milieux homogènes, sans prendre en compte sa microstructure locale, pour simuler leur comportement dans leur environnement d'utilisation.Nous nous intéressons donc à la caractérisation des propriétés thermiques effectives de matériaux à microstructure hétérogène en cherchant à déterminer par méthode inverse en fonction de la température la diffusivité thermique qu'ils auraient s'ils étaient homogènes.L'identification de la diffusivité de matériaux poreux et/ou semi-transparents est rendue difficile par le couplage conducto-radiatif fort qui peut se développer rapidement dans ces milieux avec une augmentation de la température. Nous avons donc modélisé le transfert de chaleur couplé conducto-radiatif en fonction de la température au sein de matériaux poreux multiconstituants à partir de leur microstructure numérisée en voxels. Notre démarche consiste à nous appuyer sur la microstructure 3D obtenue par tomographie. Ces microstructures servent de support numérique à cette modélisation qui permet d'une part de simuler tout type d'expériences thermiques numériques - en particulier la méthode flash dont les résultats nous permettent de déduire la diffusivité thermique -, et d'autre part de reproduire le comportement thermique de ces échantillons dans leur condition d'utilisation.

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Bodian, Pape Arago. "Propagation des ultrasons en milieu hétérogène et anisotrope : application à l'évaluation des propriétés d'élasticité et d'atténuation d'aciers moules par centrifugation et de soudures en Inconel." Phd thesis, INSA de Lyon, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00679694.

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Abstract:

En sciences et dans l'industrie pour limiter le nombre de maquettes expérimentales dans les projets R&D afin de mieux comprendre et de bien interpréter les phénomènes ultrasonores complexes observés sur site, des simulations de contrôles ultrasonores sont effectuées. Ces simulations sont d'autant plus réalistes que la description des structures à contrôler est précise, en particulier au niveau des constantes d'élasticité et d'atténuation intrinsèque. Les objectifs de cette étude sont d'améliorer d'une part les connaissances sur l'influence des caractéristiques métallurgiques des matériaux anisotropes et hétérogènes sur la propagation ultrasonore et d'autre part les performances des codes de calcul (logiciel ATHENA d'EDF) qui nécessitent de disposer des données d'entrée pertinentes, notamment en ce qui concerne les constantes d'élasticité et l'atténuation ultrasonore. Cette étude est dédiée à la caractérisation des matériaux à gros grains, comme les aciers austéno-ferritiques moulés par centrifugation et les soudures en acier inoxydable austénitique ou en alliages à base nickel. Un système expérimental unique permettant de mesurer les constantes d'élasticité et l'atténuation en incidence oblique à été mis au point. Le point fort de ce dispositif est qu'il permet de travailler au-delà de l'angle critique longitudinal et donc de mesurer les propriétés d'atténuation des ondes transversales. Les constantes d'élasticité sont déduites des vitesses ultrasonores à partir d'un processus d'optimisation basé sur la résolution de problème inverse. Nous avons montré les potentialités d'algorithmes d'optimisation globaux tels que les algorithmes génétiques moins susceptibles de converger vers des minima locaux de la fonction à minimiser. Les résultats obtenus à partir des mesures expérimentales sont en accord avec la littérature. Des résultats de l'atténuation des ondes longitudinales et transversales par décomposition du faisceau en spectre d'ondes planes sont présentés.

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Kalo, Kassem. "Caractérisation microstructurale et modélisation micromécanique de roches poreuses oolithiques." Thesis, Université de Lorraine, 2017. http://www.theses.fr/2017LORR0203/document.

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Abstract:

Le but de ce travail est d'étudier l'influence de la microstructure de roches poreuses hétérogènes sur le comportement à l'échelle macroscopique. Ainsi, nous avons caractérisé la microstructure et les propriétés micromécaniques (grâce à des tests de nano-indentation) de deux roches oolithiques poreuses (calcaire de Lavoux et minerai de fer) pour calculer leurs propriétés mécaniques et thermiques effectives. Les roches oolithiques sont constituées d'un assemblage de grains poreux (oolithes), de pores et de cristaux intergranulaires. La microscopie électronique à balayage et la tomographie 3D aux rayons X ont été utilisées pour identifier les différents composants de ces roches. Une attention particulière a été accordée à la tomographie aux rayons X car cette méthode analytique permet de caractériser le réseau poreux (taille, distribution spatiale et fraction volumique), ainsi que la forme des oolithes et des cristaux inter-oolithiques. La nouveauté de ce travail réside dans la prise en compte de la forme 3D réelle des pores. Par conséquent, nous avons approximé les oolites poreuses par des sphères et les pores de forme irrégulière par des ellipsoïdes. Cette approximation a été réalisée grâce à l'analyse en composantes principales (ACP), qui fournit les propriétés géométriques telles que la longueur des demi-axes et l'orientation des ellipsoïdes résultants. La sphéricité des oolites approximées a été calculée et les valeurs proches de 1 nous ont permis de considérer les oolithes comme des sphères. Pour vérifier l'approximation dans le cas des pores, nous avons évalué la contribution de ces pores tridimensionnels de forme irrégulière aux propriétés élastiques et thermiques effectives. Ainsi, les tenseurs de contribution de souplesse pour les pores irréguliers 3D et leurs approximations ellipsoïdales ont été calculés en utilisant la méthode des éléments finis (FEM). Ces tenseurs ont été comparés et une erreur relative a été estimée pour évaluer la précision de l'approximation. Cette erreur produit une distance maximale de 4,5% entre les deux solutions pour les pores et les ellipsoïdes, ce qui vérifie la procédure d'approximation proposée basée sur ACP. La méthode numérique FEM a été vérifiée en comparant la solution numérique des tenseurs de contribution des ellipsoïdes à la solution analytique basée sur la théorie d'Eshelby. La différence entre ces deux solutions ne dépasse pas 3%. La même méthode numérique a été utilisée pour calculer les tenseurs de contribution de résistivité thermique. Les tenseurs de souplesse et de résistivité calculés ont été utilisés pour évaluer les propriétés élastiques effectives (module élastique et coefficient de cisaillement) et la conductivité thermique effective en considérant le schéma d'homogénéisation de Maxwell en deux étapes. Les résultats ont montré une influence importante de la porosité sur les propriétés effectives. Enfin, les résultats obtenus pour les pores irréguliers ont été comparés à ceux des ellipsoïdes et ils ont montré un bon accord avec un écart maximal de 4% ce qui vérifie l'approximation des pores de forme irrégulière par des ellipsoïdes triaxiaux
The aim of this work is to study the influence of the microstructure of heterogeneous porous rocks on the behavior at the macroscopic scale. Thus, we characterized the microstructure and micromechanical properties (thanks to nano-indentation tests) of two porous oolitic rocks (Lavoux limestone and iron ore) to calculate their effective mechanical and thermal properties. Oolitic rocks are constituted by an assemblage of porous grains (oolites), pores and inter-granular crystals. Scanning electron microscopy and X-ray 3D Computed Tomography were used to identify the different components of these rocks. Particular attention was given to X-Ray computed tomography since this analytical method allows the characterization of the porous network (size, spatial distribution, and volume fraction), and the shapes of oolites and inter-oolitic crystals. The novelty of this work lies in taking into account the 3D real shape of pores. Hence, we approximated porous oolites by spheres and irregularly shaped pores by ellipsoids. This approximation was performed thanks to the principal component analysis (PCA), which provides the geometrical properties such as length of semi-axes and orientation of resulting ellipsoids. The sphericity of the approximated oolites was calculated and the values close to 1 allowed us to consider oolites as spheres. To verify the approximation in the case of pores, we evaluated the contribution of these irregularly shaped three-dimensional pores to the overall elastic properties. Thus, compliance contribution tensors for 3D irregular pores and their ellipsoidal approximations were calculated using the finite element method (FEM). These tensors were compared and a relative error was estimated to evaluate the accuracy of the approximation. This error produces a maximum discrepancy of 4.5% between the two solutions for pores and ellipsoids which verifies the proposed approximation procedure based on PCA. The FEM numerical method was verified by comparing the numerical solution for compliance contribution tensors of ellipsoids to the analytical solution based on Eshelby’s theory. The difference between these two solutions does not exceed 3%. The same numerical method was used to calculate thermal resistivity contribution tensors. Calculated compliance and resistivity contribution tensors were used to evaluate effective elastic properties (bulk modulus and shear coefficient) and effective thermal conductivity by considering the two-step Maxwell homogenization scheme. The results showed an important influence of the porosity on effective properties. Finally, the results obtained for irregular pores were compared to those for ellipsoidal ones and they showed a good agreement with a maximum deviation of 4% which verifies once again the approximation of irregularly shaped pores by tri-axial ellipsoids

Dissertations / Theses on the topic 'Milieux hétérogènes (physique) – Propriétés optiques'

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