Rozprawy doktorskie na temat „Couches viscoélastiques”

La problématique du bruit et des vibrations est cruciale en matière de santé et de sécurité du travail. Plusieurs études ont déjà été entreprises afin de lutter contre le bruit engendré par des machines vibrantes. L'amortissement vibratoire actif est une nouvelle technique qui combine un principe passif (viscoélastique contraint) à un principe actif (actionneur piézocéramique) pouvant être utilisée afin de réduire le bruit nuisible généré par des structures vibrantes. L'amortissement actif consiste à interposer un matériau viscoélastique entre une structure présentant des problèmes de vibrations et un actionneur piézocéramique. Dans un premier temps, un modèle analytique d'une poutre ayant des conditions limites quelconques et traitée à l'aide d'un dispositif partiel d'amortissement actif est introduit. Ce modèle est utilisé pour optimiser différents paramètres (type et épaisseur du matériau viscoélastique, type et emplacement du capteur d'erreur). Une validation expérimentale (à l'aide d'une poutre encastrée-libre) confirme la validité du code de simulation analytique. Un calcul de l'amortissement équivalent permet d'étudier les mécanismes de contrôle de l'amortissement actif. Ces mécanismes de contrôle semblent surtout dépendre de la rigidité du matériau viscoélastique utilisé. Une étude expérimentale large bande (0-1600 Hz) sur des poutres traitées par des dispositifs d'amortissement actif montre que l'amortissement actif présente des performances supérieures à un dispositif passif pur (matériau viscoélastique contraint passivement) et à un dispositif actif pur (actionneur piézocéramique sans viscoélastique). De plus, une meilleure identification du système par le contrôleur a été obtenue pour les poutres comportant un matériau viscoélastique. Un contrôleur feed-back numérique adaptatif a été utilisé pour le contrôle vibratoire large bande et les performances ont été évaluées en terme de la vitesse quadratique moyenne des différentes poutres.

Cette thèse propose un formalisme général pour modéliser la propagation des ondes acoustiques dans une multicouche composée de toute combinaison de couches liquides, solides élastiques isotropes et poro-élastiques isotropes, la méthode ayant la flexibilité d'être développée pour inclure d'autres natures de couches. Dans un premier lieu, un algorithme stable est développé, basé sur l'approche récursive de la matrice de rigidité, pour modéliser la propagation d'une onde plane incidente sur la multicouche en fonction de son angle d'incidence et de sa fréquence. Cet algorithme fusionne de manière récursive les matrices de rigidité des couches individuelles de la structure en une matrice de rigidité totale et permet ensuite le calcul des coefficients de réflexion et de transmission, ainsi que les composantes de déplacement et de contrainte à l'intérieur de la multicouche pour chaque direction d'incidence des ondes planes. Deuxièmement, pour modéliser la propagation d'un faisceau délimité d'ondes incidentes, la technique du spectre angulaire est utilisée, basée sur la décomposition de ce faisceau en un spectre d'ondes planes se propageant dans des directions différentes. Par la suite, le faisceau d'onde réfléchi dans le milieu d'incidence et le faisceau d'onde transmis dans le milieu de transmission, ainsi que la distribution des champs (composantes de déplacement et de contrainte) à l'intérieur de la multicouche sont obtenus en superposant la contribution de toutes les ondes planes se propageant dans les différentes directions. Comme application numérique, une tri-couche solide-poreuse-solide immergée dans l'eau est simulée. La réflexion et la transmission qui en résultent, ainsi que les composantes de déplacement et de contrainte dans la multicouche, correspondants à l’onde plane incidente et au faisceau limité incident, révèlent la stabilité du procédé et la continuité des déplacements et des contraintes aux interfaces
This thesis proposes a general formalism to model the acoustic wave propagation in a multilayer consisting of any combination of fluid, isotropic elastic solid, and isotropic poroelastic layers, the method having the flexibility to be extended to include other layer-natures. At a first stage, a stable algorithm is developed, based on the recursive stiffness matrix approach, to model the propagation of a plane wave incident on the multilayer as a function of its incidence angle and frequency. This algorithm merges recursively the structureindividual layers stiffness matrices into one total stiffness matrix and allows then the calculation of the reflection and transmission coefficients, as well as the displacement and stress components inside the multilayer for every incident plane wave direction. Secondly, to model the propagation of a bounded incident wave beam, the angular spectrum technique is used which is based on the decomposition of this beam into a spectrum of plane waves traveling in different directions. The corresponding reflected wave beam in the incidence medium, and the transmitted wave beam in the transmission medium, as well as the fields distributions (displacement and stress components) inside the multilayer are obtained by summing the contribution of all the plane waves traveling in different directions. As a numerical application, a three-layered solid-porous-solid structure immersed in water is simulated. The resulting reflection and transmission as well as the displacement and stress components in the multilayer corresponding to both, the incident plane wave in different directions and the incident bounded beam reveal the stability of the method and the continuity of the displacements and stresses at the interfaces

Dans ce travail, nous étudions l'amortissement passif et l'amortissement actif, qui réduisent les vibrations mécaniques. L'amortissement passif est créé par les structures sandwich constituées d'une couche centrale viscoélastique prise entre deux parements d'acier. L'étude de ces structures pose deux types de problèmes. Le premier est lié à la modélisation : le cisaillement dans la couche centrale viscoélastique étant responsable de l'amortissement, il faut un élément qui le prenne en compte. Nous développons l'élément fini sandwich de type coque : le BRR/Mindlin/BRR basé sur les hypothèses classiques des stratifiés, l'hypothèse de Mindlin dans les trois couches et les conditions de raccords cinématiques aux interfaces. Cet élément à huit nœuds et huit degrés de liberté par nœud. Le second problème est lié aux méthodes numériques : les caractéristiques de la couche viscoélastique dépendant de la fréquence, il faut résoudre un problème aux valeurs propres complexes non-linéaires. Pour obtenir les fréquences complexes et donc l'amortissement, nous proposons deux algorithmes itératifs d'ordre élevé basés sur l'homotopie et la méthode asymptotique numérique. L'un utilise l'inversion de matrices complexes, l'autre l'inversion d'une matrice réelle à tous les ordres et toutes les itérations. L'amortissement actif est réalisé à l'aide d'un capteur et d'un actionneur piézoélectriques ajoutés à une couche élastique ou à une structure sandwich viscoélastique. Pour étudier ces structures, nous utilisons une approche modale, quelques hypothèses et deux lois rétroactives. Cela nous permet d'obtenir une valeur approchée de la fréquence complexe et donc de l'amortissement

Le sujet de cette étude porte sur la caractérisation mécanique en nanoindentation et nanorayure de couches minces polymères. L'objectif est d'améliorer la compréhension du comportement élastique d'un film mince polymère déposé sur un substrat dur. Des essais de nanoindentation et nanorayure sont réalisés sur des couches minces déposées sur différents substrats. Un modèle rhéologique est utilisé afin d'extraire les propriétés élastiques du film seul à partir de la réponse mesurée, correspondant au système {film+substrat}. Un phénomène caractéristique des couches minces polymères est mis en évidence : I'effet enclume. En indentation, il s'exprime de deux façons différentes : une augmentation du module de conservation du film avec la dureté, liée au durcissement du film et une diminution du facteur de perte du film avec la dureté, qui s'explique par I'augmentation de la température de transition vitreuse. En rayure, cet effet se manifeste par une augmentation des propriétés mécaniques du film. Au cours de cette étude, la présence de contraintes résiduelles, majoritairement d'origine thermique, est mise en évidence. Une méthode de détermination des contraintes résiduelles d'un film mince polymère est présentée Une interprétation de l’effet enclume est proposé. Celui-ci correspond à la mise en pression d'un film mince confiné entre I'indenteur en diamant et le substrat dur. Ses propriétés mécaniques augmentent avec la pression hydrostatique. Ce phénomène est d'autant plus sensible pour des films de faible épaisseur (<50 µm) dont les propriétés mécaniques sont nettement inférieures à celles du substrat Une étude en température montre que les courbes isothermes du module de conservation en fonction de la pression, sont décalées. L'effet enclume peut alors être décrit par une courbe unique, en appliquant les constantes additives déterminée pour une température de référence donnée. Il en est de même pour le facteur de perte du film. Enfin, les conséquences de I' effet enclume sur les propriétés d'usage des revêtements polymères sont étudiées : la résistance à la rayure et I'adhérence sur le substrat. Une application fondamentale des couches minces est étudiée : les revêtements multicouches. Il semble que I'effet enclume soit un phénomène à considérer afin d'améliorer la résistance à la rayure d'un revêtement mono ou multicouche. Les résultats obtenus sur les couches minces permettent de choisir deux formulations, de type topcoat et basecoat, afin de former un revêtement bicouche performant. Nous avons montré que la présence d'un primaire d'adhérence mou entre un topcoat et un substrat dur permet d'améliorer la performance à la rayure du revêtement final
The topic of this study was to mechanically characterize in nanoindentation and nanoscratch thin polymers layers. The goal is to improve the understanding of thin polymer layer elastic behavior laid on hard substrate. Tests in nanoindentation and nanoscratch were done on thin polymer films laid on different substrates. A rheologic model was used in order to extract the film elastic properties from the measured value linked to {film+substrate}. A specific behavior of thin polymer film has been identified: the anvil effect. In indentation, it is observed in two different ways : increase of the conservation film modulus with the hardness, linked to the film hardening, and decrease of the loss tangent with the hardness, which is explained by increasing the vitreous transition temperature. In scratch test, this effect is related to the increase of the film mechanical properties. Nanoindentation tests have highlighted residual stresses, mainly thermal driven. A new methodology to characterize those residual stresses for a thin polymer film was presented. An interpretation of the anvil effect is proposed. This effect is linked to thin layer pressurized, confined between diamond indenter and hard substrate. Its mechanical properties grow with hydrostatic pressure. This phenomenon is greater for thin layers (< 50μm) with lower mechanical properties than those of the substrate. A logarithmic type evolution law is proposed. A temperature study show isothermal curves of the conservation modulus with the pressure are shifted. The anvil effect can be described by a unic curve, applying additive constants determined at a given reference temperature. It is the same for the film loss tangent. Moreover, the consequences of the anvil effect on the use properties of polymer coating are analyzed: scratch resistance and the adhesion to substrate. A fundamental application of thin film was studied multilayer coatings. It seems that anvil effect is a phenomenon to consider for improvement of mono or multilayer coating scratch resistance. The results obtained on thin layers allow to choose two mix of basecoat and topcoat in order to have an improved bilayer. We have demonstrated that a basecoat between the topcoat and the hard substrate allow an improved scratch resistance of the final coating

De récents travaux ont montré une relation directe entre le comportement cellulaire (adhésion et prolifération) et les propriétés viscoélastiques du substrat sur lequel des cellules vivantes ont été déposées. La technique de dépôt « LBL » permet d’élaborer différents types de films multicouches de polyélectrolytes à épaisseur contrôlée, présentant des applications potentielles importantes dans le domaine biomédical. Le but de mes travaux a été la mise au point de films fonctionnalisés aux propriétés contrôlées en termes de biocompatibilité, de viscoélasticité et de rigidité. La technique de nanoindentation au microscope de force atomique nous a permis de caractériser des films multicouches élaborés à partir de deux polyélectrolytes différents. Les résultats ont montré que les films à croissance exponentielle tels que (PLL/HA)24 et (CHI/HA)24 présentent un module de Young de moins de 10-20 kPa par rapport aux films à croissance linéaire tels que (PSS/PLL)24 et (PSS/PAH)210 pour lesquels il vaut respectivement environ 50 kPa et plus de 500 kPa. Nous avons également mesuré l’effet de la réticulation chimique sur l’élasticité des films (PLL/HA)24. Il en ressort que le module de Young des films (PLL/HA)24 augmente avec la concentration en agent réticulant, jusqu’à une valeur plateau de l’ordre de 400 kPa. Ces résultats ont pu être corrélés à l’adhésion, la viabilité et l’étalement cellulaire de chondrocytes. Nous avons ensuite étudié des films composés de deux strates construites à partir de deux paires de polyélectrolytes différents : une strate épaisse et molle, (PLL/HA)24, et une strate très mince et dure, (PSS/PAH)n. Nos mesures ont montré que la rigidité des films (PLL/HA)24-(PSS/PAH)n-PSS augmente avec le nombre n de bicouches déposées. Elle passe ainsi de quelques kPa pour n = 0 à plus de 700 kPa pour n = 24. Cette étude a été étendue à d’autres systèmes possédant la même strate basale (PLL/HA)24 mais couverte d’une seconde strate différente : (PLL/PGA)6, (PLL/PGAmannose)6, (PLL/PGAlactose)6 et (PSS/PAH)6. Cette étude a révélé une grande variabilité de la rigidité du système en fonction de la nature chimique de la seconde strate. L’utilisation de plusieurs modèles viscoélastiques pour interpréter les courbes de force mesurées sur les films couverts par (PSS/PAH) nous a permis de montrer que ceux-ci peuvent être assimilés à un système mécanique comportant un ressort, deux unités de Kelvin (un ressort et un piston montés en parallèle) et un piston associés en série. Enfin nous avons étudié des films constitués de PLL et d’un mélange de polyanions [HAx/PSS1-x] où x représente la fraction molaire en monomères dans la solution de polyanions. L’étude par ellipsométrie a révélé le passage par un minimum d’épaisseur de ces films pour des fractions molaires respectives en HA et PSS de 0,9 et 0,1. Par ailleurs, l’analyse de ces films par spectroscopie infrarouge a montré que ceux-ci sont fortement dopés en PSS, même pour des concentrations très faibles de ce polyélectrolyte en solution. Ceci peut s’expliquer par une plus grande affinité de la PLL pour le PSS que pour le HA. L’étude des propriétés mécaniques de ces films par nanoindentation a montré une corrélation entre le module d’Young et le dopage réel du film en PSS.

Les matériaux composites biosourcés sont de plus en plus utilisés dans différents secteurs pour leurs intérêts, notamment, environnementaux. L’objectif de cette thèse est l'étude de l'effet de l'intégration d'un matériau fonctionnel, une couche viscoélastique sur le comportement mécanique (en statique, en fatigue, en vibration et à l’impact ; température) d'un composite biosourcé. Les matériaux considérés sont constitués de fibres courtes de lin associées à un biopolymère Acide Poly-Lactique (PLA). Une couche viscoélastique en polyuréthane thermoplastique (TPU) est intégrée à ces composites. Ils sont élaborés par la fabrication additive en impression 3D. Tout d’abord, les caractéristiques élastiques et à la rupture du composite Lin/PLA et des composites avec couches viscoélastiques sont déterminées en traction et en flexion. Ensuite, une analyse approfondie de ses caractéristiques en fonction de l’épaisseur et de la séquence d’empilement des couches viscoélastiques est réalisée en statique, en fatigue et en vibration. Le comportement en statique est ici analysé, en mettant l’accent sur l’efficacité de l’intégration de la couche viscoélastique. Par la suite, des essais de fatigue jusqu'à rupture et des essais cycliques avec paliers de chargement sont réalisés. L'évolution de la raideur et du coefficient d'amortissement en fonction du nombre de cycles et des conditions de chargement est analysée pour les composites avec et sans couche viscoélastique. Les essais vibratoires sont réalisés afin d’analyser les propriétés modales des composites. Le module de Young et le facteur de perte sont déterminés aux pics de résonance en fonction de la fréquence et ont permis d’évaluer l’efficacité de la couche viscoélastique en termes d’amortissement des vibrations. L’effet de la variation de la température sur le comportement mécanique de tous les composites est réalisé en statique, en fatigue et vibration. Les résultats obtenus des différents essais montrent que les caractéristiques mécaniques dépendent fortement de la température. Cet effet est beaucoup plus prononcé dans les composites en présence de couches viscoélastiques. Une dernière partie de ce travail est relative à l’étude de l’effet de la résistance à l'impact des composites sous différents niveaux d’énergies. L'analyse des dommages internes et externes montre que les composites avec couches viscoélastiques présentent une meilleure capacité d'absorption de l'énergie malgré une déformation plus importante que celle des composites sans couches viscoélastiques
Bio-based composites are increasingly used in various sectors due to their environmental benefits. The objective of this thesis is to study the effect of integrating a functional material, a viscoelastic layer, on the mechanical behavior (in static, fatigue, vibration, and impact; temperature) of a bio-based composite. The materials considered consist of short flax fibers combined with a polylactic acid (PLA) biopolymer. A viscoelastic layer of thermoplastic polyurethane (TPU) is integrated into these composites. They are produced through additive manufacturing using 3D printing. First, the elastic and fracture characteristics of the flax/PLA composite and the composites with viscoelastic layers are determined in tension and bending. Then, an in-depth analysis of their characteristics based on the thickness and stacking sequence of the viscoelastic layers is conducted in static, fatigue, and vibration scenarios. The static behavior is analyzed, focusing on the effectiveness of integrating the viscoelastic layer. Next, fatigue tests up to failure and cyclic tests with loading increments are performed. The evolution of stiffness and damping coefficient as a function of the number of cycles and loading conditions is analyzed for composites with and without viscoelastic layers. Vibration tests are conducted to analyze the modal properties of the composites. The Young's modulus and loss factor are determined at resonance peaks based on frequency, allowing evaluation of the effectiveness of the viscoelastic layer in damping vibrations. The effect of temperature variation on the mechanical behavior of all composites is studied in static, fatigue, and vibration scenarios. The results of the various tests show that the mechanical characteristics are highly dependent on temperature. This effect is more pronounced in composites with viscoelastic layers. The final part of this work examines the impact resistance of the composites under different energy levels. Analysis of internal and external damage shows that composites with viscoelastic layers have better energy absorption capacity but higher deformation levels compared to composites without viscoelastic layers

L’objectif de ce travail est de développer des outils numériques utilisables dans la détermination de manière exacte des propriétés modales des structures sandwichs viscoélastiques composites au vue de la conception des structures sandwichs viscoélastiques légères mais à haut pouvoir amortissant. Pour cela nous avons tout d’abord développé un outil générique implémenté en Matlab pour la détermination des propriétés modales en vibration libre des plaques sandwichs viscoélastiques dont les faces sont en stratifié de plusieurs couches orientées dans diverses directions. L’intérêt de cet outil, basé sur une formulation éléments finis, réside dans sa capacité à prendre en compte l’anisotropie des couches composites, la non linéarité matérielle de la couche viscoélastique traduit par diverses lois viscoélastiques dépendant de la fréquence ainsi que diverses conditions aux limites. La résolution du problème aux valeurs propres non linéaires complexes se fait par le couplage entre la technique d’homotopie, la méthode asymptotique numérique et la différentiation automatique. Ensuite pour permettre une étude continue des effets d’un paramètre de modélisation sur les propriétés modales des sandwichs viscoélastiques, nous avons proposé une méthode générique de résolution de problème résiduel non linéaire aux valeurs propres complexes possédant en plus de la dépendance en fréquence introduite par la couche viscoélastique du coeur, la dépendance du paramètre de modélisation qui décrit un intervalle d’étude bien spécifique. Cette résolution est basée sur la méthode asymptotique numérique, la différentiation automatique, la technique d’homotopie et la continuation et prend en compte diverses lois viscoélastiques. Nous proposons après cela, deux formulations distinctes pour étudier les effets, sur les propriétés amortissantes, de deux paramètres de modélisation qui sont importants dans la conception de sandwichs viscoélastiques à haut pouvoir amortissement. Le premier est l’orientation des fibres des composites dans la référence du sandwich et le second est l’épaisseur des couches qui lorsqu’elles sont bien définies permettent d’obtenir non seulement des structures sandwichs à haut pouvoir amortissant mais très légères. Les équations fortement non linéaires aux valeurs propres complexes obtenues dans ces formulations sont résolues par la nouvelle méthode de résolution d’équation résiduelle développée. Des comparaisons avec des résultats discrets sont faites ainsi que les temps de calcul pour montrer non seulement l’utilité de ces deux formulations mais également celle de la méthode de résolution d’équations résiduelles non linéaires aux valeurs propres complexes à double dépendance
Modeling and design of composite viscoelastic structures with high damping powerThe aim of this thesis is to develop numerical tools to determine accurately damping properties of composite sandwich structures for the design of lightweight viscoelastic sandwichs structures with high damping power. In a first step, we developed a generic tool implemented in Matlab for determining damping properties in free vibration of viscoelastic sandwich plates with laminate faces composed of multilayers. The advantage of this tool, which is based on a finite element formulation, is its ability to take into account the anisotropy of composite layers, the material non-linearity of the viscoelastic core induiced by the frequency-dependent viscoelastic laws and various boundary conditions . The nonlinear complex eigenvalues problem is solved by coupling homotopy technic, asymptotic numerical method and automatic differentiation. Then for the continuous study of a modeling parameter on damping properties of viscoelastic sandwichs, we proposed a generic method to solve the nonlinear residual complex eigenvalues problem which has in addition to the frequency dependence introduced by the viscoelastic core, a modeling parameter dependence that describes a very specific study interval. This resolution is based on asymptotic numerical method, automatic differentiation, homotopy technique and continuation technic and takes into account various viscoelastic laws. We propose after that, two separate formulations to study effects on the damping properties according to two modeling parameters which are important in the design of high viscoelastic sandwichs with high damping power. The first is laminate fibers orientation in the sandwich reference and the second is layers thickness which when they are well defined allow to obtain not only sandwich structures with high damping power but also very light. The highly nonlinear complex eigenvalues problems obtained in these formulations are solved by the new method of resolution of eigenvalue residual problem with two nonlinearity developed before. Comparisons with discrete results and computation time are made to show the usefulness of these two formulations and of the new method of solving nonlinear complex eigenvalues residual problem of two dependances

Une modélisation de la courbure d'une dalle bicouche armée est présentée. La première couche est formée d'un matériau armé stable en voile de verre, à comportement élastique linéaire. La seconde est une couche en "matières plastiques" à base de FVC, dont le comportement est viscoélastique. L'instabilité de la structure est due au retrait induit dans la couche viscoélastique après la fabrication. Le modèle utilisé est le Modèle Multiphasique des Matériaux Multicouches appelé "modèle M4". Il propose une modélisation alternative des structures multicouches, par rapport aux deux grands courants, bidimensionnels et tridimensionnels. Une solution analytique, à coût numérique réduit, est proposée. Le comportement de la couche viscoélastique est identifié à un modèle de Zener. Les différentes caractéristiques du modèle sont déterminées, en se basant sur des séries d'essais expérimentaux simples, inspirés par le comportement réel du matériau. Le problème à résoudre est donc celui de l'évolution de la géométrie de ce bicouche (Elastique - Viscoélastique) avec le temps, ainsi que le rôle de chaque paramètre dans cette évolution.

Nous abordons dans cette thèse certaines propriétés de systèmes de polymères en couches minces.
Dans une première partie nous étudions le comportement, en adhésion et en friction, d'une couche de chaînes polymères greffées sur un substrat solide plat. On modélise dans un premier temps l'interdigitation entre cette "brosse" et un élastomère au contact, statique ou en translation horizontale. Nous mettons ainsi en évidence des phénomènes de saturation aux fortes densités de greffage. On s'intéresse ensuite à la dissipation d'énergie liée à l'extraction des chaînes lors du décollement de l'élastomère ou lors de sa mise en mouvement.
Dans la deuxième partie de la thèse on étudie plusieurs aspects de la stabilité d'un film fin de polymères déposé sur un substrat glissant tel que les brosses étudiées dans la première partie. Nous nous intéressons au rôle joué par la viscoélasticité de ces films lors de la croissance d'une instabilité de surface, et lors de leur démouillage. En particulier, nous montrons que la présence de contraintes résiduelles, permise par la viscoélasticité, est une cause de déstabilisation des films de polymères et accélère le démouillage. La friction entre le film et le substrat se révèle aussi être un paramètre déterminant de la dynamique de l'instabilité et du démouillage.

La détermination des déformations et des contraintes qui s’exercent au passage d’une charge est une étape centrale des méthodes mécanistiques-empiriques de dimensionnement des chaussées. Ces réponses mécaniques sont utilisées afin d’identifier les modes d’endommagement de la chaussée et d’estimer sa durée de vie. Cette étude se concentre sur la mesure expérimentale et l’analyse des déformations à plusieurs niveaux dans les couches bitumineuses. Quatre structures de chaussées ont été instrumentées à l’aide de capteurs à fibre optique installés à 5 mm de la base du revêtement, à environ 15 mm de la surface du revêtement et à 5 mm de part et d’autre de l’interface entre les couches bitumineuses. Les mesures de déformations ont été effectuées lors d’essais en vraie grandeur en faisant varier les conditions de températures et les paramètres de charges tels que le type de pneu, le type d’essieu, et l’intensité de la charge et la vitesse. Le champ des déformations a été calculé à ces mêmes profondeurs à l’aide du logiciel ViscoRoute© 2.0 afin de les comparer aux mesures expérimentales. L’analyse de la déformation à la base du revêtement a permis de valider les capteurs à fibre optique développés au cours du projet et d’évaluer l’influence des paramètres de la charge. Cette validation repose sur une analyse de la répétabilité et de la dispersion des mesures ainsi que sur une étude comparative effectuée avec des capteurs résistifs usuellement utilisés dans les chaussées. Au sommet de la couche de roulement, les mesures dans la direction longitudinale et transversale confirment que le passage de la charge génère de la contraction sous le pneu et de l’extension à l’extérieur de celui-ci. Dans la direction verticale, la charge impose une forte extension à l’extérieur du pneu tandis que sous celui-ci, le signe et l’amplitude des déformations dépendent de la température et des propriétés viscoélastiques de l’enrobé bitumineux. Dans ces trois directions, l’amplitude et la forme des signaux sont fonction de la structure de chaussée et des caractéristiques de la charge. Les capteurs placés au niveau de l’interface montrent que de l’extension et de la contraction se développent respectivement au bas de la couche de surface et au sommet de la couche de base au passage de la charge. Ces niveaux de déformations peuvent être modélisés en considérant l’interface comme une couche viscoélastique de faible épaisseur. Ce comportement de l’interface influence la distribution des contraintes et des déformations et les cas évalués montrent qu’il doit être pris en compte pour l’identification des modes de sollicitations critiques des couches bitumineuses.
Calculating the stresses and strains induced by traffic loading is one of the main steps of the mechanistic-empirical pavement design method. In this method, structural responses are used to identify the mode of failure and estimated pavement life. The present study focuses on experimental strain measurements and analysis at several depths in the asphalt concrete layers. Fiber optic sensors, retrofitted in the asphalt-bound layers of four pavement structures, were used to measure strains at 5 mm from the bottom, at around 15 mm below the surface and at 5 mm below and above the interface between two bituminous layers. Strain measurements were taken during full-scale pavement testing under several climate conditions and traffic load parameters such as tire type, axle type, load level and speed. A strain field was computed at theses specific depths using the software ViscoRoute© 2.0 in order to compare the results with the experimental strains. Analysis of the strain signal at the bottom of the asphalt concrete layer allowed to validate the fiber optic sensors developed during the project and to characterize the influence of load parameters. This validation is based first on the analysis of the repeatability and the dispersion of the measurements and then on a comparative study with resistive sensors typically used in pavements. Near the surface course, longitudinal and transversal strain measurements confirm that a moving load induced compressive strain under the tire and tensile strain outside the tire edge. High levels of vertical tensile strain are induced outside the tire edge whereas the sign and the magnitude of strains directly under the tire depend on the temperature and the viscoelastic properties of the asphalt layer. In the three directions, the magnitude and form of the signals depend on the pavement structure and parameters of the load. Strain sensors on both sides of the interface show that the moving load induced tensile strain and compressive strain close to the bottom of the surface course and near the top of the base course, respectively. Numerical models, which consider the viscoelasticity of the tack coat at the interface between the asphalt layers, are capable of predicting these strain responses. This viscous-type interface behavior has an impact on strain and stress distribution through the layer and simulations show that it must be considered to identify the failure criteria.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse visent à optimiser la réponse vibratoire d’une plaque carbone-époxy en y insérant une couche viscoélastique. La particularité des plaques étudiées est la présence de trous dans la couche d’élastomère insérée au centre du stratifié. Durant l’étape de cuisson, la résine de pré-imprégné s’écoule dans les trous, créant ainsi des ponts entre les peaux inférieure et supérieure du sandwich composite. Les travaux comportent une partie expérimentale avec une caractérisation des matériaux constituant le sandwich : le carbone époxy et l’élastomère DYAD601. Des essais DMA sont réalisés dans un premier temps afin de mesurer l’évolution fréquentielle des caractéristiques viscoélastiques de ce dernier. Dans un second temps, des essais de flexion quasi-statique et de réponse en fréquence sont réalisés sur des plaques monolithiques et sandwichs, avec ou sans ponts. Tous ces résultats expérimentaux permettent de recaler des modèles de calcul par éléments finis mis au point également dans le cadre de ce travail. Le comportement incompressible du DYAD601 y est modélisé en associant un modèle viscoélastique à une loi hyperélastique Néo Hookéen. Des simulations numériques sont alors menées pour étudier l’influence de la taille, de la surface et de la localisation des ponts, en s’appuyant sur un plan d’expérience. Une loi polynomiale est identifiée et permet de prédire l’influence de différents paramètres sur l’amortissement et la raideur des plaques. Pour terminer, on identifie les configurations de ponts permettant de maximiser l’amortissement de la plaque tout en conservant au moins 50% de la raideur d’un stratifié carbone-époxy
The research work presented in this Thesis aimed to optimize the frequency response of a carbon-epoxy plate including frequency-dependent interleaved viscoelastic layer. The feature of this work was that holes were created in the viscoelastic layer. During co curing process, the resin will flow into the holes creating bridges between the plate composite skins layers. One part of the research consisted in a experimental characterization of the composite carbon-epoxy material and viscoelastic DYAD601 material. Firstly, DMA tests were managed to characterize the frequency-dependent properties of DYAD601. Secondly, quasi-static 3 points bending tests and frequency response tests were realized on monilithic plates and sandwich plates with and without bridges. These tests allow to verify and tune finite element model of the corresponding plates also developed in this work. Incompressible behavior of the DYAD601 was modeled mixing a viscoelastic law and a hyperelastic Neo Heokean law. Numerical analysis on the influence of the bridges diameter, bridges surface and bridges location were managed using a design of experiments (DOE). A polynomial law was defined and used to predict the influence of parameters on plates damping and stiffness. Finally, the optimized configuration was investigated in order to maximize the damping and keep a minimum of 50% of the carbon-epoxy plate stiffness

Cette thèse est consacrée à la modélisation, à l'analyse mathématique et à la simulation numérique d'écoulements de divers fluides complexes dans des domaines de faible épaisseur. En effet, les modèles de fluides newtoniens ne sont pas toujours suffisants pour décrire de manière réaliste les écoulements considérés. Plusieurs phénomènes peuvent être pris en compte :
* le caractère complexe des fluides eux-mêmes, comme pour des fluides non-newtoniens ;
* l'hétérogénéité de l'écoulement, dans le cas de mélanges de fluides par exemple.
Il est important d'analyser comment ces modèles peuvent être simplifiés dans le cas de domaines minces, et d'étudier rigoureusement les modèles approchés.
Dans une première partie, des écoulements de fluides non newtoniens visco-élastiques représentés par une loi de comportement de type Oldroyd-B couplée aux équations de Navier-Stokes sont étudiés. Dans le cas de géométries minces, un modèle approché a été proposé. On justifie la validité de cette approximation ; la démonstration repose sur des estimations et des résultats de régularité fins.
Dans une deuxième partie, on considère un modèle d'écoulement piezovisqueux utilisé en lubrification hydrodynamique. Ce modèle fait aussi intervenir la déformation élastohydrodynamique du domaine (déformation du type Hertz), et l'aspect diphasique de la cavitation, qui est décrit par le modèle d'Elrod-Adams (en pression-saturation). On montre l'existence d'une solution à ce problème pour des lois pression-viscosité réalistes.
Dans une troisième partie, on introduit un modèle diphasique à interface diffuse, permettant de rendre compte de phénomènes plus fins tels que les gouttes. Pour cela, un paramètre d'ordre est introduit (fraction volumique d'une phase dans le mélange), gouverné par le modèle de Cahn-Hilliard. Un système approché est obtenu de manière heuristique pour un domaine de faible épaisseur. On étudie les propriétés mathématiques de ce système, et on montre un résultat d'existence, avec prise en compte ou non de la tension de surface.
Dans la dernière partie, un schéma numérique est mis en place pour simuler le modèle décrit précédemment d'écoulements diphasiques en domaines minces. Il permet de prendre en compte différents phénomènes physiques, comme de grandes variations de la viscosité ou la présence de recirculations à l'intérieur d'une goutte, ainsi que de simuler des mélanges dans le cadre d'écoulements lubrifiés.

L'objet de cette thèse est d'étudier théoriquement et numériquement les instabilités susceptibles de se développer dans un massif poreux ouvert horizontalement, soumis simultanément à un gradient vertical de température et à un écoulement horizontal de débit non nul. Comme c'est un milieu ouvert, la théorie linéaire de stabilité doit distinguer le régime des paramètres où l'instabilité est de nature, soit convective ou absolue. Lorsque l'instabilité est convective, celle-ci peut se développer et s'amplifier spatialement, mais finit par quitter le massif poreux et l'état de conduction est retrouvé. En revanche, lorsque le système est dans un régime d'instabilité absolue, le paquet d'onde, généré suite à une impulsion localisée spatialement, se propage aussi bien dans le sens de l'écoulement que dans le sens contraire. Il s'en suit une instabilité globale dont il convient d'en définir les caractéristiques en fonction des paramètres du problème. Ces derniers sont, en plus du nombre de Rayleigh de filtration, le nombre de Péclet (Pe) qui mesure l'intensité de l'écoulement imposé, le temps de relaxation ( ) qui mesure le degré de l'élasticité du fluide et le rapport Γ entre la viscosité du solvant à la viscosité totale de la solution qui intègre la présence de polymères. Deux approches de stabilité linéaires, l'une temporelle et l'autre spatio-temporelle ont permis de montrer rigoureusement, que parmi les modes instables, le mode le plus amplifié correspond à des ondes progressives se propageant dans la direction de l'écoulement. Pour ce mode, nous avons déterminé et discuté l'influence des paramètres Pe, ( ) et Γ et sur la naissance des deux types d'instabilités. La dépendance de la fréquence d'oscillation de ce mode ainsi que son nombre d'onde vis-à-vis des paramètres du problème a été déterminée dans la région où l'instabilité absolue est pleinement développée aussi bien pour les solutions diluées que celles concentrées en polymères. Ensuite des simulations numériques directes bidimensionnelles de ce problème, basées sur la méthode des différences finies, ont été conduites. Les résultats numériques montrent que, bien que le système soit instable, la solution observée dans le régime convectivement instable, est celle de la conduction. En revanche, lorsque le système devient absolument instable, un mode global s'établit, formé par des structures convectives pleinement développées et oscillantes avec une fréquence bien définie, dans la partie du massif poreux proche de la sortie. Ces structures convectives sont reliées par un front à l'état de conduction dans la partie du massif poreux proche de l'entrée. La comparaison entre la théorie de l'instabilité absolue et les résultats numériques montre une très bonne capacité de cette théorie à prédire la fréquence d'oscillation de ce mode global et le nombre de Rayleigh nécessaire à son apparition. Des lois d'échelle sont trouvées pour l'intensité de ces mouvements convectifs et de la position du front observé. Les transferts de chaleur ont été déterminés et discutés en fonction des paramètres du problème
The goal of this thesis is to study theoretically and numerically the instabilities likely to develop in a horizontally open porous mass, subjected simultaneously to a vertical temperature gradient and to a horizontal filtration flow. As it is an open environment, the linear stability theory must distinguish between the regime of parameters where the instability is of either convective or absolute nature. When the instability is convective, it can develop and amplify spatially, but ends up leaving the porous mass and the state of conduction is found. On the other hand, when the system is in a regime of absolute instability, the wave packet, generated following a spatially localized pulse, propagates both in the direction of flow and in the opposite direction. It follows a global instability whose characteristics should be defined according to the parameters of the problem. The latter are, in addition to the Rayleigh number, the Péclet number (Pe) which measures the intensity of the imposed flow, the relaxation time ( ) which measures the degree of elasticity of the fluid and the ratio Γ between the viscosity of the solvent and the total viscosity of the solution which integrates the presence of polymers. Two linear stability approaches, one temporal and the other spatio-temporal, made it possible to show rigorously that among the unstable modes, the most amplified mode corresponds to progressive waves propagating in the direction of flow. For this mode, we have determined and discussed the influence of the parameters Pe, ( ) and Γ on the birth of the two types of instabilities. The dependence of the oscillation frequency of this mode as well as its wave number with respect to the parameters of the problem has been determined in the region where the absolute instability is fully developed for both dilute and concentrated solutions in polymers. Then two-dimensional direct numerical simulations of this problem based on the finite difference method were conducted. The numerical results show that, although the system is unstable, the solution observed in the convectively unstable regime is that of conduction. On the other hand, when the system becomes absolutely unstable, a global mode is established, formed by convective structures fully developed and oscillating with a well-defined frequency, in the part of the porous mass close to the exit. These convective structures are connected by a front to the conduction state in the portion of the porous mass near the inlet. The comparison between the theory of absolute instability and the numerical results shows a very good capacity of this theory to predict the oscillation frequency of this global mode and the Rayleigh number necessary for its appearance. Scale laws are found for the intensity of these convective motions and the position of the observed front line between conduction and convection. Heat transfers were determined and discussed according to the parameters of the problem

Des élastomères chargés sont préparés par polymérisation radicalaire. Les colloïdes employés sont monodisperses et sphériques, leur surface est fonctionnalisée par des silanes créant soit de liaisons covalentes soit n'engageant aucune liaison avec le réseau 3D de polymère. Nous avons montré que l'état de dispersion obtenu était identique pour les deux types d'interaction par diffusion neutronique aux petits angles et imagerie cryo-TEM. Les réseaux ainsi formés ont été étudiés par RMN 1H, mesure du gonflement à l'équilibre pour déterminer le type et la force des interactions. Nous avons ainsi montré l'existence de liaisons covalentes ou hydrogène en fonction du système. La RMN nous a permis de montrer également l'existence de polymère vitreux même au-delà de la transition vitreuse du polymère. Ce polymère vitreux se situe autour des particules de silice. Il montre un caractère fortement dépendant de l'interaction polymère/matrice et de la distance entre particule. Les propriétés viscoélastiques de ces élastomères renforcés aux petites déformations sont fortement dépendantes de l'existence et de la taille de cette couche vitreuse en surface. Nous montrons également un comportement étonnant en fréquence des systèmes non covalent qui nous est maintenant demandé de résoudre. Aux grandes déformations nous montrons qu'il existe deux types de non linéarité, la première associée à la couche vitreuse et la deuxième associée à une rupture de liaisons faible en surface.

Ce travail a pour but d'etudier l'interaction entre une couche limite turbulente hydrodynamique et le revetement viscoelastique d'une plaque flexible couplee a une cavite remplie d'eau. L'accent est plus particulierement mis sur l'aptitude du revetement a modifier les proprietes de source d'excitation de structures et d'augmentation de trainee associees au developpement de l'ecoulement turbulent. Dans une premiere partie est presentee une approche experimentale du probleme dans laquelle l'action du revetement sur la couche limite est evaluee indirectement par les modifications induites sur le comportement vibro-acoustique de la plaque. Ce comportement est caracterise par les mesures de l'energie cinetique et de la puissance acoustique rayonne par la plaque dans la cavite. Une etude theorique de la reponse vibro-acoustique d'une plaque couplee a une cavite en fluide lourd est proposee dans une deuxieme partie. Cette approche, basee sur une methode modale, prend en compte les couplages entre modes de plaque induits par la presence du fluide. L'ensemble des mesures realisees ne permet pas de conclure quant a une eventuelle interaction entre le revetement viscoelastique et la couche limite turbulente. Par ailleurs, la comparaison entre resultats experimentaux et theoriques fait ressortir des comportements semblables des differents indicateurs physiques avec cependant une modelisation des phenomenes dissipatifs qui doit etre amelioree

Dans le contexte du bruit intérieur des avions, ce travail de thèse étudie l'intérêt acoustique de l'utilisation de patchs viscoélastiques. La masse de ces traitements est aujourd'hui considérée comme pénalisante. Une optimisation en termes de taille et de placement est donc envisagée. La stratégie adoptée est choisie analytique pour couvrir une large gamme de fréquences avec des temps de calcul performants. Ce mémoire de thèse propose une approche originale calculant le rayonnement acoustique de plaques amorties localement. Cette approche présente les intérêts suivants : s'absoudre des difficultés de calcul des impédances de rayonnement et être particulièrement adaptée aux structures complexes de l'avion. L'apport scientifique de cette thèse en terme de modélisation réside d'une part dans une approche de calcul vibroacoustique basée sur la minimisation de l'erreur de vérification de l'équation de mouvement sur un échantillonnage spatial et, d'autre part, dans un formalisme par fonctions Dirac mis en œuvre pour simuler les hétérogénéités aux limites d'un patch amortissant localisé. Ce modèle analytique est appliqué à des plaques planes finies non raidies où un traitement amortissant localisé, une plaque multicouche ou une plaque à épaisseur variable peuvent être considérés. Une validation numérique pour les excitations mécanique, acoustique et aérodynamique ainsi qu'une validation expérimentale sous excitation champ diffus démontrent une très bonne précision du modèle développé : le couplage fluide-structure et l'amortissement localisé sont correctement modélisés. Les effets de taille et de placement du patch sont finalement étudiés sur un cas particulier sous excitation aérodynamique en conditions réalistes. Le comportement non linéaire observé de l'effet de taille par rapport à la masse ajoutée permet de définir un optimum. L'apport scientifique de cette thèse offre un outil prédictif performant et adapté à la problématique du bruit interne des avions.

Cette thèse porte sur l’étude du comportement mécanique et vibratoire d’un composite biosourcé incorporant un matériau viscoélastique. Les matériaux étudiés sont des stratifiés en composite lin/greenpoxy et des stratifiés viscoélastiques composés d'un noyau viscoélastique en caoutchouc naturel confiné entre deux composites. La première partie du travail a été consacrée à l’étude de l’influence de l’intégration de la couche viscoélastique sur le comportement mécanique des composites. L’analyse des résultats expérimentaux et l’observation des signaux d’émission acoustique obtenus dans ces composites soumis à différentes sollicitations mécaniques en statique et en fatigue ont permis d’identifier les signatures acoustiques des mécanismes d’endommagement prépondérants dans les deux matériaux. Dans un deuxième temps, les propriétés dynamiques de ces composites ont été déterminées à partir des essais de vibration. Les résultats obtenus ont montré que la couche viscoélastique a joué un rôle majeur dans l'amortissement et la dissipation d'énergie des composites. Suite à cette analyse, nous avons mis en place une procédure, utilisant la méthode des éléments finis, pour calculer l’amortissement de ces matériaux. Dans le but de mettre en évidence l’influence des caractéristiques de la couche viscoélastique, une étude paramétrique a été menée sur le composite viscoélastique, permettant d’optimiser l’amortissement de ce matériau en faisant varier divers paramètres. Enfin, le comportement visqueux des composites a été caractérisé par la méthode de résonance non linéaire en faisant varier l’amplitude d’excitation
This thesis focuses on the study of the mechanical and vibration behaviour of a flax fibre reinforced composites with and without an interleaved natural viscoelastic layer. The composite materials have been characterized experimentally using different mechanical and vibrational tests. First, both types of composites were studied using uni-axial tensile and three-points bending tests. Acoustic emission (AE) has been often used for the identification and characterization of micro failure mechanisms in composites. The results showed that these composites have very high specific characteristics. It can be used for applications currently using composites reinforced with synthetic fibres such glass, carbon…. Next, experimental and finite element vibration analyses were carried out on the composites with and without an interleaved natural viscoelastic layer. A good agreement between the two methods was obtained. It has been shown that the viscoelastic layer plays a major role in damping because it has a high level of energy dissipation. Therefore, it improves with a significant way the modal properties of the composite. Finally, nonlinear resonance tests were performed on the composites. It has been shown that the viscoelastic layer generates a nonlinear behaviour in the material. The linear and nonlinear, elastic and dissipative parameters have been calculated to deduce finally that nonlinear parameters are more sensitive to heterogeneities than those derived from linear vibration tests

Ce travail traite de la modélisation de structures composites intégrant des éléments amortissants passifs. Un modèle de plaque "équivalent simple couche" générique utilisant des fonctions de description du cisaillement transverse est présenté. Plusieurs méthodes d'obtention de ces fonctions sont décrites, permettant de retrouver des modèles classiques ou issus de la littérature. Deux nouvelles méthodes d'obtention de ces fonctions sont aussi présentées.Plusieurs méthodes de discrétisation adaptées au modèle générique sont étudiées. La méthode de Navier permet de tester la qualité de chaque modèle associé à un jeu de fonctions de description du cisaillement transverse. La méthode de Rayleigh-Ritz permet l'étude du comportement vibratoire d'une plaque rectangulaire munie d'un ou plusieurs patchs viscocontraints. Plusieurs éléments finis issus de la littérature, adaptés au modèle, sont aussi présentés.À l'aide de la méthode de Navier, une étude numérique du comportement statique et dynamique de plusieurs configurations de plaques permet la comparaison des différents modèles présentés. La méthode de Rayleigh-Ritz est utilisée pour étudier le comportement vibratoire d'une plaque munie d'un patch viscocontraint. Une comparaison des résultats obtenus avec le modèle présenté et ceux issus de calculs éléments finis tridimensionnels permet de valider notre modèle. Une étude énergétique de la plaque patchée permet d'illustrer le comportement du patch. Enfin une méthode inverse d'identification des matériaux viscoélastiques, basées sur une combinaison du modèle décrit et d'un algorithme génétique, montre une application du modèle.

L'acoustique picoseconde est une technique qui permet de générer et de détecter des ondes acoustiques de longueur d'onde submicrométrique par l'utilisation d'impulsions lumineuses ultrarapides (100 fs). Si la technique commence à être appliquée industriellement pour le contrôle non-destructif de films solides micrométriques, comme les microprocesseurs, très peu d'études concernent son application aux milieux liquides ou mous, malgré son potentiel unique pour les mesures acoustiques très hautes fréquences (supérieur à la dizaine de GHz). Ce travail de thèse dresse un premier panorama d'applications possibles de la technique d'acoustique picoseconde pour l'étude d'une cellule biologique unique, dont l'épaisseur peut être d'une centaine de nanomètres à quelques micromètres. Les résolutions atteintes permettent des applications pour l'imagerie et la tomographie acoustique d'une cellule unique par la détermination locale de ses propriétés physiques. Un modèle de simulation analytique est développé pour aider à la compréhension des signaux détectés et pour la résolution du problème inverse. La génération acoustique est simulée en résolvant les équations couplées de diffusion de la chaleur et de la propagation acoustique. La détection optique est ensuite étudiée en résolvant l'équation de Maxwell où les phénomènes thermiques et acoustiques perturbent l'indice optique du matériau. Pour les besoins expérimentaux, une enceinte biologique, étanche et thermostatée, est conçue. De même, le montage laser est adapté pour permettre une détection bicolore de l'onde acoustique se propageant dans la cellule. Enfin, un microscope combinant la visualisation des cellules par épifluorescence au dispositif laser expérimental est développé. Ce dernier permet de localiser précisément les éléments subcellulaires de la cellule, pour ensuite les étudier par acoustique picoseconde. La démonstration du potentiel de la méthode pour l'imagerie cellulaire et l'évaluation de sa sensibilité est faite sur cellule végétale. Ensuite, une mesure quantitative des propriétés viscoélastiques de cellules ostéoblastes (MC3T3-E1), adhérentes sur un matériau mimant une prothèse de titane, est réalisée. Puis, l'effet du peptide RGD et de la protéine BMP-2 sur les propriétés viscoélastiques de la cellule ostéoblaste est quantifié. Ce travail est réalisé en partenariat avec une équipe de recherche en bio-ingénierie et reconstruction tissulaire, l'U577.