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Within a 3D concrete printing process, the fresh concrete is aging due to hydration. One of the consequences from the purely mechanical point of view is that its constitutive relation must be defined in rate form. This restriction is taken into account in this contribution and, besides on the incremental elasticity, we moreover introduce the relaxation of the internal stresses in order to describe the creep at early age. On another hand, due to the soft nature of the material, the finite strain range is herein a priori assumed. Eventual structural instabilities during the printing process can therefore be predicted as well. On another hand, with regards to the incremental formulation of the boundary value problem, the kinematics must be adapted as well. We use for this the multiplicative decomposition of the actual deformation gradient into its known part at an earlier time and the relative deformation gradient with respect to the configuration at that time. Within a Lagrangian formulation, the incremental constitutive relations and evolution equations can then be ideally defined on the above mentioned intermediate configuration prior to be transported back to the reference configuration. In particular, the early age creep is here described through an internal variable approach the evolution of which is motivated by the generalized Maxwell model. In this work, this latter is adapted for incremental viscoelasticity. Model examples are proposed and the numerical efficiency of the proposed framework is illustrated through a set of representative simulations.

Ablo is a rice-based bread consumed in Southern Benin. We investigated the impact of pre-cooking conditions and starch characteristics on dough and Ablo physical properties. The solid-like behavior of doughs measured by rheological sweep tests appears significantly negatively correlated to Ablo quality; above a starch gelatinization level (7-8 %), the solid-like behavior of the doughs increased sharply and the fluidity decreased, leading to Ablo of poor quality. A comparison between three rice cultivars tends to show that rice with low amylose content and/or gelatinization temperature gives dough with higher fluidity and Ablo with lower density. In addition, a specific rheological test for measuring simultaneously dough expansion and rheological properties during heating has been developed. It shows that whatever the rice variety, thermal expansion of proofed dough begins and is followed by a dough/crumb transition. This innovative rheological test could be used for studying dough/crumb transition for other types of breads.

This work deals with the study of the delayed effects of moisture content on wood cracking. It is based on two main axes, water diffusion and bending creep of and unnotched and notched beams. The study of diffusion is based on an innovative experimental approach, and analytical solutions of Fick’s diffusion law. It is carried out on three tropical hardwoods, Pterocarpus soyauxii Taub (Padouk), Aucoumea klaineana Pierre (Okoumé) and Milicia excelsa (Iroko) and two softwoods, Abies alba Mill (White Fir) and Pseudotsuga menziesii (Douglas Fir) subjected to relative humidity (RH) steps at a constant temperature of 20°C. The delayed behaviour was studied on Okoumé, Padouk and White Fir only, by means of 3-point bending tests carried out at 20°C and controlled RH on defect-free wood beams oriented in fibre direction, of dimensions 160x6x12 mm (LxRxT). Deflection and transverse expansion were measured with variable linear displacement transducers. In the case of notched beams, optical monitoring of cracking parameters was performed using a USB microscope. The analysis of tests was carried out by applying the straight beam theory and assuming the response of the material to be homogeneous and linear with respect to stress, resulting in expressions of compliance. For the unnotched beams, two series of tests were carried out: 14 days at 10% load, 65% RH with increments of 45 and 75% RH; 5 days at 35% load, 75% RH with increments of 45% RH. The known characteristics of the mechanosorptive effect were confirmed: deflection increase at first wetting and at drying, decrease at subsequent wettings. The analysis of the mechanosorptive trajectories suggested the existence of a creep limit and confirmed the existence of the stationary or pseudo creep/recovery response. For notched beams, creep tests were also carried out in two stages: at 80% load, then adjusting the load to have an initial strain rate of 0.30%, during 6-7 days at 45 and 75% RH. It is found that mechanosorption triggers crack propagation and that the coupling between cracking and creep accelerates strain to failure. The analysis of energy release rate in mode I of the 3 tested species is also presented and compared to the literature data.; Ce travail concerne l’étude des effets différés et de la teneur en eau sur la fissuration des bois tropicaux et tempérés. Il s’articule sur deux grands axes, diffusion de l’eau et fluage des poutres entaillées ou non. L’étude la diffusion est basée sur une approche expérimentale innovante, et analytique de la loi de diffusion de Fick. Elle est réalisée sur trois feuillus tropicaux, Pterocarpus soyauxii Taub (Padouk), Aucoumea klaineana Pierre (Okoumé) et Milicia excelsa (Iroko) et deux résineux, Abies alba Mill (Sapin blanc) et Pseudotsuga menziesii (Douglas) soumis à des paliers d’humidité relative (HR) à température constante de 20°C. Le comportement différé en flexion 3 points a été étudié sur l’Okoumé, le Padouk et le Sapin blanc uniquement, à 20°C et HR contrôlée sur des poutres et orientées dans la direction des fibres, de dimension 160x6x12 mm (LxRxT). La flèche et l’expansion transversale étaient mesurées avec des transducteurs à déplacement linéaire variable. Dans le cas des poutres entaillées, un suivi optique des paramètres de fissuration était réalisé avec un microscope. L’analyse de ces essais s’est faite en se basant sur la théorie des poutres rectilignes et en supposant la réponse du matériau homogène et linéaire par rapport à la contrainte, aboutissant à des expressions de la complaisance. Pour les poutres non entaillées, deux séries de tests ont été réalisées : 14 jours à 10% de charge, 65% HR avec paliers de 45 et 75% HR; et 5 jours à 35% de charge, 75% HR avec palier de 45% HR. On retrouve les caractéristiques connues de l’effet mécanosorptif : augmentation de la flèche à la première humidification et au séchage, diminution aux humidifications ultérieures. L’analyse des trajectoires mécanosorptives a suggéré l’existence d’une limite de fluage et confirmé celle de la réponse stationnaire ou pseudo fluage/recouvrance. Pour les poutres entaillées, les essais de fluage ont été réalisés aussi en deux temps : à 80% de charge, puis en ajustant la charge pour avoir un taux de déformation initiale de 0,30%, durant 6-7 jours à 45% et 75% HR. On trouve que la mécanosorption accentue la propagation des fissures et que le couplage entre fissuration et fluage accélère la déformation jusqu’à la rupture. L’analyse du taux de restitution d’énergie en mode I des 3 essences testées est également présentée et comparé aux rares résultats de la littérature.

International audience; A partir de formulations variationnelles adaptées, nous proposons de considérer de nouveaux schémas de résolution pour les problèmes de structures à base de comportement viscoplastiques ou viscoélastiques. Ces modèles sont classiquement formulés à l’aide de variables internes et conduisent à un jeu d’équations constitué d’équations bilans et d’équations d’évolutions. L’originalité de notre approche repose sur le traitement global (monolithique) de ces équations par une approche espace-temps isogéométrique ce qui nous permet d’obtenir des intégrateurs multi-grilles (hétérogènes et/ou asynchrones).

Foams are concentrated dispersions of gas bubbles in a continuous medium which arewidely encountered in many applications, from food industry to cosmetics, where theirliquid phase is often a fluid with complex rheology. Nevertheless, such systems are intrinsically unstable, as their structure can be altered over time by a competition of differentmechanisms, including pressure-driven gas diffusion between the bubbles. Even thoughthis coarsening process has been widely studied in aqueous foams, its dependence on themechanical properties of the liquid phase and its volume fraction still lacks a thorough understanding. In this thesis, we first experimentally probe how an increasing liquid fractioninfluences the coarsening process of aqueous bubble monolayers confined between two glass plates. The gradual decrease and eventual vanishing of the thin film area between adjacent bubbles results in a reduction of the global coarsening rate over time, which we compare with existing models. We then investigate the effect of a viscoelastic foam continuous phase on the coarsening process, by replacing the aqueous phase with concentrated oil-in-water emulsions. We show that an increase of the emulsion elasticity results in an heterogeneous bubble growth which deeply modifies the foam structure, with the appearance of unrelaxed bubble patterns. This leads to a delay in the shrinkage and disappearance of smaller bubbles which reduces the bubble growth rate. Further investigations on the coarsening dynamics in such systems show that the motion of the bubbles during coarsening is also reduced upon increase of emulsion elasticity. Finally, we show how aerated emulsions can be generated in a single step by simultaneously mixing the oil, gas and aqueous phases, ensuring a good scale separation between gas bubbles and oil drops. Moreover, we show how a standard light scattering technique such as laser diffraction granulometry can be used for a fast measure of the bubble size also in double dispersions of fluids having different refractive index. Our results on the phase separation of foamed emulsions provide new insights on their destabilising mechanism which can help controlling the stability of such complex systems for the design of new materials with atypical cellular morphology., Les mousses sont des dispersions concentrées de bulles de gaz dans un milieu continu,largement rencontrées dans de nombreuses applications, de l'industrie alimentaire à la cosmétique, où la phase liquide de la mousse est souvent un fluide à rhéologie complexe.Néanmoins, ces systèmes sont par nature instables: leur structure peut être modifiée aucours du temps par différents mécanismes, dont la diffusion de gaz entre les bulles due àleur différence de pression. Même si ce mûrissement a été largement étudié dans les mousses aqueuses, sa dépendance aux propriétés mécaniques de la phase liquide et sa fraction volumique manquent encore d'une compréhension approfondie. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement comment l'augmentation de la fraction liquide influence le mûrissement de monocouches de bulles aqueuses confinées entre deux plaques en verre. La diminution progressive et la disparition éventuelle des films minces entre les bulles entraîne une réduction du taux de mûrissement au cours du temps, que nous comparons avec les modèles existants. Nous étudions ensuite l'effet d'une phase continue viscoélastique sur le mûrissement des mousses, en remplaçant la phase aqueuse par des émulsions concentrées d'huile dans l'eau. Nous montrons que l'augmentation de l'élasticité de l'émulsion se traduit par une hétérogénéité de croissance des bulles qui modifie profondément la structure de lamousse, avec l'apparition de motifs de bulles non relaxés. Cela entraîne un retard dans lerétrécissement et la disparition des petites bulles, ce qui réduit le taux de croissance desbulles. D'autres résultats sur la dynamique de mûrissement dans ces mousses d'émulsions montrent que le mouvement des bulles pendant le grossissement est également réduit lors de l'augmentation de l'élasticité de l'émulsion. Enfin, nous montrons comment des émulsionsaérées peuvent être générées en une seule étape en mélangeant simultanément l'huile, l'airet la phase aqueuse, assurant une bonne séparation d'échelle entre les bulles de gaz et lesgouttes d'huile. En outre, nous montrons comment une technique standard de diffusion dela lumière telle que la granulométrie par diffraction laser peut être utilisée pour une mesurerapide de la taille des bulles dans des doubles dispersions de fluides ayant un indice deréfraction différent. Nos résultats sur la séparation de phase des mousses d'émulsions fournissent de nouvelles informations sur leur mécanisme de déstabilisation qui peuvent aider à contrôler la stabilité de ces systèmes complexes pour la création de nouveaux matériaux à morphologie cellulaire atypique.

Dans ce travail, nous nous intéressons à un problème de vibration de structures composites à fibres naturelles. La loi de comportement du pli fibres de lin/matrice étant non-linéaire, une méthode de Newton d’ordre élevé (MNOE) est utilisée pour résoudre le problème de vibration complexe non-linéaire. Cette méthode est basée sur les techniques d’homotopie et de perturbation.

The aim of this study was to characterize the viscoelastic properties of different types of human tumor tissue that frequently metastasize to the bone and to correlate them with tissue structure.

A multi-scale modeling strategy is proposed that takes into account the temperature and cure dependence of the viscoelastic behavior of the constituent materials of a composite material and the effects of stress relaxation on thermal expansion and chemical shrinkage. A homogenization strategy is presented, which, starting from the constituent behaviors, yields the homogenized viscoelastic behavior of the composite with time-dependent expansion coefficients. This time-dependence is a direct consequence of the viscoelastic behavior of the constituents, as their expansion coefficients are supposed to be time-independent. In the simulation of a heating process, the model predicts sign changes in the thermal strain rate due to residual stress relaxation close to the glass transition temperature, which cannot be obtained with classical thermo-elastic homogenization methods.

The diagnosis of various pathologies, including some cancers, has long been based on palpation, since a tumor is significantly stiffer than healthy tissue. More advanced and quantitative methods have been developed over the last decades, especially the Magnetic Resonance Elastography (MRE). This method uses magnetic resonance imaging (MRI) on mechanically stressed tissue to estimate the mechanical properties of soft tissue. The reconstruction of the elasticity modulus of the tissue in MRE is often based on a model with simple behavior laws of the imaged tissue (linear elasticity, isotropy, homogeneity), which could be extended to more complex cases thanks to modeling by the Finite Element Method (FEM) in particular. FEM has been used in MRE to simulate the propagation of mechanical waves in a tissue, to better understand the effects of different parameters on MRE measurements, to reconstruct stiffness, to evaluate novel MRE inversion methods, etc. However, in inhomogeneous cases with complex interfaces, FEM modeling can be particularly costly as it requires an explicit mesh of these interfaces. In this work, we explored, using an explicit dynamic FE solver developed in this thesis, the behavior of mechanical waves propagating in a linear, isotropic, viscoelastic and inhomogeneous medium, in order to better control the parameters of a MRE experiment. In the solver, the eXtended Finite Element Method (XFEM) has been implemented; this formulation of FEM originates from fracture mechanics and has been widely used over the last two decades to model discontinuities such as cracks and inclusions. Using the developed numerical tool, we studied the behavior of waves in the vicinity of an interface (oblique or complex), in particular the phenomena of wave reflection and wave conversion. It has been shown that the use of the XFEM method significantly reduces the computation time while ensuring an equivalent accuracy, in terms of displacement fields and reconstructed stiffness. Furthermore, we have addressed, by simulation, the criterion of establishing the steady state of the waves which must be reached to ensure correct recording by MRI. Today, this criterion is still empirical and can influence the quality of MRE data. We have thus proposed a metric to quantify the achievement of the steady state of wave propagation in a tissue with or without inclusion. Finally, these methods were implemented on a practical case of breast MRE. Based on breast models, we evaluated the influence of experimental parameters (size and position of the inclusion, polarization of the excitation, boundary conditions, etc.) on the achievement of steady state., Le diagnostic de différentes pathologies, dont certains cancers, a longtemps été basé sur la palpation, puisqu'une tumeur est sensiblement plus rigide qu'un tissu sain. Des méthodes plus avancées et quantitatives ont été développées au cours des dernières décennies, notamment l'Elastographie par Résonance Magnétique (ERM). Cette méthode utilise l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sur un tissu sollicité mécaniquement pour estimer les propriétés mécaniques des tissus mous. La reconstruction du module d'élasticité du tissu en ERM est souvent basée sur un modèle avec des lois de comportement simples du tissu imagé (élasticité linéaire, isotropie, homogénéité), qui pourrait être étendu à des cas plus complexes grâce à la modélisation par la Méthode des Eléments Finis (MEF) notamment. La MEF a été utilisée en ERM pour simuler la propagation des ondes mécaniques dans un tissu, pour mieux comprendre les effets de différents paramètres sur les mesures d’ERM, reconstruire la rigidité, évaluer de nouvelles méthodes d’inversion d’ERM, etc. Cependant, dans des cas inhomogènes avec interfaces complexes, la modélisation par MEF peut être particulièrement coûteuse car elle nécessite un maillage explicite de ces interfaces. Dans ce travail, nous avons exploré, à l'aide d'un solveur EF en dynamique explicite développé dans cette thèse, le comportement d'ondes mécaniques se propageant dans un milieu linéaire, isotrope, viscoélastique et inhomogène, en vue d'une meilleure maîtrise des paramètres d'une expérimentation d'ERM. Dans le solveur a été implémentée la méthode des éléments finis étendue (XFEM); cette formulation de la MEF provient de la mécanique des fractures et a été largement utilisée au cours des deux dernières décennies pour modéliser des discontinuités comme les fissures et les inclusions. A l'aide de l'outil numérique développé, nous avons étudié le comportement des ondes au voisinage d'une interface (oblique ou complexe), en particulier les phénomènes de réflexion et de conversion des ondes. Nous avons pu montrer que l'utilisation de la méthode XFEM réduit sensiblement les temps de calcul tout en assurant une précision équivalente, en termes de champs de déplacement et de rigidité reconstruite. Par ailleurs, nous avons abordé, par simulation, le critère d'établissement du régime stationnaire des ondes qui doit être atteint pour assurer l'enregistrement correct par IRM. Or aujourd'hui ce critère est empirique et peut influencer la qualité des données ERM. Nous avons ainsi proposé une métrique pour quantifier l'atteinte du régime stationnaire de propagation des ondes dans un tissu avec ou sans inclusion. Enfin, ces méthodes ont été mises en oeuvre sur un cas pratique d'ERM du sein. Avec les modèles du sein, nous avons évalué l'influence des paramètres expérimentaux (taille et position de l'inclusion, polarisation de l'excitation, conditions aux limites, etc.) sur l'atteinte du régime stationnaire.

This thesis is devoted to the study of the rheology of phosphate glasses out of thermodynamic equilibrium. A method of dynamic measurement of rheological properties has been exploited, the RFDA (Resonance Frequency and Damping Analysis), in order to analyse the behavior of these properties in the region and above glass transition in time and temperature. These analyses allow to identify the different mechanisms involved, their kinetics and their characteristics and how their evolutions impact the macroscopic behavior of glass. The study of the viscoelastic behavior of inorganic glasses is based on the generalized Maxwell model. We have also investigated the application of the TNM model for the fitting and prediction of the relaxation behavior of glasses by RFDA. We have highlighted how a mathematical model is able to determine the changes in the experimental mechanical properties and to predict their evolutions for a wide variety of experimental conditions. We have demonstrated that the parameters, found from the changes of the elastic modulus following a complex thermal profile by RFDA, fit notably the experimental results of DSC and Dilatometry and are able to predict them., Ce travail de thèse est dédié à l'étude de la rhéologie des verres de phosphates hors équilibre thermodynamique. Une méthode de mesure dynamique de propriétés rhéologiques a été exploitée, la RFDA (Resonance Frequency and Damping Analysis), afin d'analyser le comportement des propriétés du verre dans le domaine de la transition vitreuse et au-delà en temps et en température. Ces analyses permettent d’identifier les différents mécanismes mis en jeu, leurs cinétiques et leurs caractéristiques et comment leurs évolutions impactent le comportement macroscopique du verre. L'étude du comportement viscoélastique des verres inorganiques s’appuie sur le modèle de Maxwell généralisé. Nous nous sommes également intéressés à l'application du modèle de TNM pour l'ajustement et la prédiction du comportement de relaxation des verres via la RFDA. Nous avons mis en lumière comment un modèle mathématique est capable de déterminer l'évolution des propriétés mécaniques expérimentales et de prédire leurs évolutions pour une grande variété de conditions expérimentales. Nous avons démontré que les paramètres, trouvés à partir des changements du module élastique, suivant un profil thermique complexe par le RFDA, s'ajustent notamment aux résultats expérimentaux de la DSC et de la dilatométrie et sont capables de les prédire.

6th International Conference on Accelerated Pavement Testing , NANTES, FRANCE, 27-/09/2021 - 29/09/2021; The concept of truck platooning is to take advantage of the connectivity technologies and automated driving support systems to link trucks in close formation (convoy) in order to increase transport efficiency, reduce fuel consumption and gas emissions while improving road safety. However, closely guided trucks following each other could have a different impact on road structures than the usual truck traffic. Notably, different studies with traffic simulators highlight the significant effect of the wander pattern of traffic on the damage observed on test road structures. On the other hand, the positioning systems could offer the opportunity to choose an optimized wander pattern of the trucks within the platoons, especially designed to mitigate the overall damage. In this context, the study reported in this paper addresses, through numerical simulations, the multi-loading effects of truck platoons on road structures for different configurations of wander patterns. The aggressiveness of these patterns is evaluated on the basis of the viscoelastic response of the pavement structures (strain field) computed using software ViscoRoute\textcopyright 2.0. Finally, recommendations on the choice of wander pattern configurations to be tested on APT facilities are proposed.

The aim of this work is to discuss the importance of the time-dependent shear forces in long span bridges built bythe cantilever method, mainly in the connection sections between cantilevers when hinge devices exist. Theapproach considers the time-dependent properties of concrete and prestressing steel towards a simplified modelable to rapidly estimate the order of magnitude and the evolution of these shear forces over time. Hence, a novelsemi-analytical model is presented, which indeed allows to better understand the behaviour of these bridges bytaking into account both the interactions between cantilevers and the construction phases. In addition, settlementsof abutments and piers are also considered in the formulation by taking advantage of vertical displacementmeasurements if available. From the point of view of practitioners, this semi-analytical model can be seenas an efficient preliminary study to better assess the importance (or not) of these shear forces, without anyspecific software and computation requirements. A case study – the Savines Bridge –, is used to assess the modelperformance. The results show shear forces should not be neglected for assessments purposes. Moreover, thesesshear forces become more important as the cantilever is nearer to the abutments.; The aim of this work is to discuss the importance of the time-dependent shear forces in long span bridges built by the cantilever method, mainly in the connection sections between cantilevers when hinge devices exist. The approach considers the time-dependent properties of concrete and prestressing steel towards a simplified model able to rapidly estimate the order of magnitude and the evolution of these shear forces over time. Hence, a novel semi-analytical model is presented, which indeed allows to better understand the behaviour of these bridges by taking into account both the interactions between cantilevers and the construction phases. In addition, settlements of abutments and piers are also considered in the formulation by taking advantage of vertical displacement measurements if available. From the point of view of practitioners, this semi-analytical model can be seen as an efficient preliminary study to better assess the importance (or not) of these shear forces, without any specific software and computation requirements. A case study - the Savines Bridge -, is used to assess the model performance. The results show shear forces should not be neglected for assessments purposes. Moreover, theses shear forces become more important as the cantilever is nearer to the abutments.

This thesis investigates the elasto-visco-plastic buckling of thick shell structures. Methods to estimate the buckling of thin elasto-visco-plastic shells are proposed in literature. Nevertheless, only few works present experimental results, and none treat experimental elasto-visco-plastic thick shell buckling. A modelling / experimental approach is followed to solve such problem. A buckling prediction model based on Bodner's approach is coupled to the corner theory to predict buckling of elasto-visco-plastic shells. This model should be applicable to predict the buckling of thick elasto-visco-plastic shells subjected to non-proportional loading. Bifurcation analysis were performed to estimate buckling critical stresses, strains and times, and buckling modes. The validity and the limitation of the buckling prediction method was discussed. Effect of geometrical and loading imperfections on buckling behaviour were also discussed. Two test campaigns were performed on two different thick shell geometries. The specimens were manufactured from an alloy with an elasto-visco-plastic behaviour at room temperature. The first buckling test campaign was performed on thick plates subjected to a uniaxial compressive loading and the second one on thick hemi-egg shells subjected to external pressure. 3D digital image correlation was used to measure displacement fields on specimen surfaces during buckling experiments. It is also used in order to extract and investigate the evolution of the buckling modes. The experiments were also modelled through finite element models. A good correlation between the buckling predictions and the experiments was observed. The good correlation was noticed on both critical values and buckling modes., Le sujet de thèse traite du flambage de structure épaisses dont le comportement est élasto-visco-plastique. Un modèle prédictif a été développé. Ce dernier a été confronté à des résultats expérimentaux. Deux campagnes d’essais ont été menées afin de générer un jeu de données expérimentales suffisant. Lors de ces campagnes, le flambage de deux structures a été évalué. L’une portait sur le flambage de plaques en compression, l’autre sur le flambage de demi-oeufs soumis à une pression externe. Les essais ont été instrumentés par des moyens optiques afin de mesure la déformation de certaines zones des éprouvettes. Ce type d’instrumentation a permis d’améliorer le poste traitement et la validation du modèle prédictif. Une bonne corrélation entre le modèle prédictif et les essais a été observée. Ce niveau de corrélation porte aussi bien sur les efforts et temps critiques de flambage que sur les modes de flambage observés. Le modèle développé permet alors de prédire le flambage de structures épaisses dont le comportement est élasto-visco-plastique. De plus il est appliqué à des chargements non proportionnels. Ce modèle donne de très bon résultats moyennant le respect de certaines hypothèses discutées dans le mémoire de thèse.

This work studies the role of dispersing and dispersed phases in the rheological properties of fruit juices during concentration operations. A special focus was given to the behavior of the dispersed phase (SS) when it is concentrated singly or simultaneously with the dispersing phase (TSS). The experimental strategy consisted in the characterization of the viscoelastic properties and the flow behavior of various orange juice suspensions containing different concentrations of soluble and suspended insoluble compounds. Results showed that the presence of solutes in the dispersing phase increases the cohesion energies between the particles of the dispersed phase and governs their viscoelastic behavior. As for the flow behavior, the concentration of dispersed particles proved to be the parameter controlling the consistency indexes in the TSS domain between 0% and 30%. Furthermore, results reveal a TSS threshold around 40%, at which great physical alterations may occur to the dispersed phase. This study provides new knowledge concerning the distinctive role of the dispersing and the dispersed phases in the viscoelastic properties and flow behavior of fruit juices. This information could be useful to predict and control the rheological behavior of fruit juices during concentration operations such as vacuum concentration and microfiltration.

In the last decades, a particular attention in solid mechanics has been devoted to the investigation of materials, whose structure changes due to chemical transformations , which induces strong couplings between chemistry, mechanics and physics. Such stress-assisted chemical reactions are relevant in various industrial and medical applications and in modern technologies like batteries charging/discharging cycles introducing volume changes and cracks in electrodes, oxidation processes in MEMS or metal-based composite materials, thermo- or photo-oxidation of polymers. It is thus necessary to take into account the influence of stress-strain state on chemical transformation in detail for predicting the lifetime and the behavior of structural elements under simultaneous thermomechanical and chemical effects. Such processes can be described using the two-phase reaction model, in which reaction is localized at the sharp interface- reaction front, and the diffusing reactant is transported to the reaction front through the transformed material. The work presented in this PhD thesis is based on a coupled chemo-mechanical continuum theory applied to particular geometries and constitutive relations in order to obtain analytical solutions compared to experiments results.In the first part of the work, using the thermodynamical approach based on the concept of chemical affinity tensor, a theoretical analysis is conducted in order to take into account inelastic effects (viscosity, plasticity) and the geometry of structural elements (plane, spherical and cylindrical) on the chemical front propagation. The reaction rate is defined by the normal component of the chemical affinity tensor, which is equal to the combination of chemical potentials. After defining equilibrium conditions, the influence of inelastic behaviour of the transformed material on the reaction rate is studied in details. Analytical expressions of stress relaxation behind the reaction front are developed in the viscoelastic case. The analytical solution for perfectly plastic transformed material is obtained and shows that even only due to chemical transformations, without any external loading, the material can plastify. The effect of the structure’s geometry on the chemical reaction propagation is studied for plane, spherical and cylindrical problems. It is also shown how the mechanical properties of initial and new material can impact chemical reaction evolutions.In the second part of the work, in order to validate this approach, high-temperature oxidation experiments for pure nickel wires and balls are conducted. The objective of such experiments is to study the kinetics of such a front at local scales and to compare the obtained results with analytical solutions. Such comparisons show how the rheological properties of materials and geometry of the considered body are important to predict the reaction front propagation. By combining these experiments with the analytical solutions, values for the diffusion coefficient and the chemical reaction constants are obtained., Au cours des dernières décennies, une attention particulière en mécanique des solides a été consacrée à l'étude des matériaux, dont la structure change en raison de transformations chimiques, ce qui induit des couplages forts entre la chimie, la mécanique et la physique. Ces réactions chimiques assistées par les contraintes sont observées dans diverses applications industrielles et médicales et dans des technologies modernes telles que les batteries dont les cycles de charge et décharge introduisent des changements de volume et des fissures dans des électrodes, les processus d'oxydation dans des MEMS ou des matériaux composites à matrice métallique, la thermo- ou la photo-oxydation des polymères. Il est donc nécessaire de prendre en compte en détail l'influence de l'état de contrainte et de déformation sur la transformation chimique pour prédire la durée de vie et le comportement des éléments structurels sous des chargements thermomécaniques et chimiques simultanés. De tels procédés peuvent être décrits à l'aide d’un modèle de réaction à deux phases, dans lequel la réaction est localisée sur le front de réaction et le réactif de diffusion est transporté vers le front de réaction à travers le matériau transformé. Le travail présenté dans cette thèse de doctorat s’appuie sur le cadre de la mécanique des milieux continus et sur les couplages chimio-mécaniques appliqués à des géométries particulières et des lois de comportement inélastiques afin d'obtenir des solutions analytiques comparées à des résultats expérimentaux.Dans la première partie de la thèse, à l'aide d’une approche thermodynamique basée sur le concept de tenseur d'affinité chimique, une analyse théorique est menée afin de prendre en compte les effets inélastiques (viscosité, plasticité) et la géométrie des éléments structurels (plan, sphère, cylindre) sur la propagation du front de réaction chimique. La vitesse de réaction est définie par la composante normale du tenseur d'affinité chimique, qui est égal à la combinaison de potentiels chimiques. Après avoir défini des conditions d'équilibre, l'influence du comportement inélastique du matériau transformé sur la vitesse de réaction est étudiée dans les détails. Les expressions analytiques de relaxation des contraintes derrière le front de réaction sont développées dans le cas viscoélastique. La solution analytique pour le matériau transformé parfaitement plastique est obtenue et montre que même uniquement en raison de transformations chimiques, sans chargement externe, le matériau peut plastifier. L'effet de la géométrie de la structure sur la propagation de la réaction chimique est étudié pour les problèmes plans, sphériques et cylindriques. Il est également montré comment les propriétés mécaniques du matériau initial et transformé peuvent avoir un impact sur les évolutions des réactions chimiques.Dans la deuxième partie de la thèse, afin de valider cette approche, des expériences d'oxydation à haute température de fils et de billes de nickel pur sont menées. L'objectif de ces expériences est d'étudier la cinétique d'un tel front aux échelles locales et de comparer les résultats obtenus avec des solutions analytiques. De telles comparaisons montrent comment les propriétés rhéologiques des matériaux et de la géométrie du solide considérées sont importantes pour prédire la propagation du front de réaction. En combinant ces expériences avec les solutions analytiques, les valeurs du coefficient de diffusion et des constantes de réaction chimique sont obtenues.

Multibody simulations are used in the automotive industry to ensure that important design targets are met. A key point in the accuracy of such simulations is the proper modeling of rubber bushings and mounts. Indeed, they do require precise modeling of large deformation for high loading maneuvers, typically associated with active safety, and a correct modeling of dissipation, for most comfort applications. The current modeling process of these mounts and bushings considers tests to generate 0D models in each separate direction with linear viscous dissipation.The tests proposed and realized in this work were used to characterize the effects of large deformation, rate independent hysteresis and viscoelasticity separately. Models for each one of those behaviors are categorized into non-parametric models, extracted directly from data, selected order parametric models, whose accuracy depend on the number of internal states, and order independent models. Utilization of ratios of the nonlinear static branch for all the other branches is shown to be an effective way to model coupling of dissipation with large deformations. Transition between hysteresis and viscoelasticity is presented as a consequence of nonlinear viscoelasticity and provides good agreement with tests demonstrated by the comparison of the proposed instant modulus.The influence of loading in transverse directions on a given axis is very difficult to obtain from tests, yet necessary for accurate bushing models. Finite element computations are quite suitable for such studies, and as they require 3D models, the translation of the proposed 0D model into a 3D material model is detailed. Two different identification routines for both the 3D and 0D models were proposed: one with classic objective functions for the material model and a graphic one with order selection based on the non-parametric models. %Synthetic plots illustrating all behaviors are made for both material and part specimens, reuniting most of the responses.Despite the usefulness of FE routines to link geometry and material behavior, their typical computation times are orders of magnitude too large to be acceptable for the envisioned multibody applications. A combination of kinematic reduction and hyper-reduced integration of the model equations is thus detailed and shown to provide sufficient accuracy and the needed speedup in computation times. The mathematical frame for integrating the reduced 3D models into multibody routines is described.Finally, two multibody illustrations are detailed. The first case highlights the fact that hysteretic and viscous dissipations may lead to notably different transient responses, confirming the need for the propositions made for 0D models. The second one shows that replacing the current relatively coarse 0D models with those developed in this work should induce notable modifications of the response., Les simulations multi-corps sont utilisées dans l'industrie automobile pour garantir le respect des principaux objectifs de conception. Un point clé de la précision de ces simulations est la modélisation des articulations élastomères. En effet, elles nécessitent une modélisation précise des grandes déformations pour les manœuvres à fortes sollicitations, généralement associées à la sécurité active, et une modélisation correcte de la dissipation, pour la plupart des applications de confort. Le processus actuel de modélisation de ces articulations utilise des essais séparés dans chaque direction pour générer des modèles 0D avec une dissipation visqueuse linéaire.Les essais proposés et réalisés dans ce travail ont été utilisés pour caractériser séparément les effets des grandes déformations, de l'hystérésis indépendante de la vitesse et de la viscoélasticité. Les modèles pour chacun de ces comportements sont classés en modèles non-paramétriques, extraits directement des données, modèles paramétriques d'ordre ajustable, dont la précision dépend du nombre d'états internes, et modèles indépendants de l'ordre. L'utilisation de ratios de la branche statique non-linéaire avec les autres branches s'avère être un moyen efficace de modéliser le couplage entre la dissipation et les grandes déformations. La transition entre l'hystérésis et la viscoélasticité est présentée comme une conséquence de la viscoélasticité non linéaire et conduit à un bon accord avec les essais, démontré par la comparaison du module instantané proposé.L'influence du chargement dans les directions transversales à un axe donné est très difficile à obtenir à partir d'essais, mais nécessaire pour des modèles d’articulation précis. Les calculs par éléments finis sont tout à fait appropriés pour telles études, et comme ils nécessitent des modèles 3D, la transformation du modèle 0D proposé en un modèle matériau 3D est détaillée. Deux routines d'identification différentes pour les modèles 3D et 0D ont été proposées : une avec des fonctions objectif classiques pour le modèle de matériau et une graphique avec sélection d'ordre basée sur les modèles non-paramétriques. %Des graphiques synthétiques illustrant tous les comportements, réunissant la plupart des réponses, sont réalisés pour les éprouvettes de matériau et pièce.Malgré l'utilité des routines FE pour relier la géométrie et le comportement matériau, leurs temps de calcul caractéristiques sont trop importants pour être acceptables pour les applications multi-corps envisagées. Une combinaison de réduction cinématique et d'intégration hyper-réduite des équations du modèle est donc détaillée et il est démontré qu'elle atteint une précision suffisante et l'accélération nécessaire des temps de calcul. Le cadre mathématique pour l'intégration des modèles 3D réduits dans les routines multi-corps est décrit.Finalement, deux illustrations multi-corps sont détaillées. Le premier cas met en évidence le fait que les dissipations hystérique et visqueuse peuvent conduire à des réponses transitoires sensiblement différentes, confirmant la nécessité des propositions réalisées pour les modèles 0D. Le deuxième cas montre que le remplacement des modèles 0D actuels, relativement grossiers, par ceux développés dans ce travail devrait engendrer des modifications importantes sur les réponses.

The goal of this work is to control the damping of the first modes of the fan blade during the design phase.A numerical method for the viscoelastic homogenization of 3D woven composite materials is developed. Two homogenizations are made, at the yarn's scale and at the woven one. The complex modulus of the resin, the elastic properties of the yarns and the geometry of the microstructure allow a characterization of the damping in frequency and temperature. The matrix formulation of the homogenization, for a finite element implementation, allowed the use of model reduction techniques in parametric studies on the viscoelastic properties of the composite's constituents.A comparison of the numerical predictions with the modal damping obtained by modified Oberst test, for low frequencies and a range of temperature between -40°C and 120°C, provided coherent results in terms of absolute values and trends. These tests also show areas of stress gradient which are small compared to the weaving pattern size motivating the introduction of a verification methodology of the scale separation hypothesis at different wavelengths. The definition of the elastic and dissipated energy fractions by decomposition of the constitutive law into singular values allows an analysis of the main contributions to the damping at both 3D woven and fan blade scale.The insertion of a hybridized 3D woven composite with elastomer tows within the fan blade is proposed in order to increase the modal damping of the first flexion. A spatial study of the areas dissipating the most energy is performed to optimize the placement of the hybrid weaving pattern., L'objectif de cette thèse est la maitrise de l'amortissement des premiers modes d'aube de soufflante dès la phase de conception.Une chaine numérique pour l'homogénéisation viscoélastique des matériaux composites tissés 3D est mise en place. Deux homogénéisations sont réalisées à l'échelle du toron et de l'armure tissée 3D. Le module complexe de la résine, les propriétés élastiques des fibres et la géométrie de la microstructure, permettent une prédiction de l'amortissement en fréquence et en température. La formulation matricielle de l'homogénéisation, adaptée à l'implémentation éléments finis, permet le recours à des techniques de réduction de modèle lors d'études paramétriques sur les propriétés viscoélastiques des constituants.Une confrontation des prédictions numériques avec l'amortissement modal obtenu par essai Oberst modifié, pour de basses fréquences et des températures comprises entre -40°C et 120°C, fournit des résultats cohérents en valeurs et en tendance. Ces essais montrent des zones de gradient en contrainte qui sont petites par rapport à la taille de la mésostructure, motivant l'introduction d'une méthodologie de vérification de l'hypothèse de séparation des échelles à différentes longueurs d'onde. La définition de fractions d'énergie élastique et dissipée par décomposition de la loi de comportement en valeurs singulières permet une analyse des contributions importantes à l'amortissement à l'échelle du tissé 3D et à celle de l'aube.L'insertion d'une mésostructure hybridée avec des joncs élastomères au sein de l'aube de soufflante est proposée afin d'augmenter l'amortissement modal de la première flexion. Une étude spatiale des zones dissipant le plus d'énergie est effectuée pour optimiser le placement de l'armure hybride.

This projects is part of an ambitious global project, which objective is to understand the mechanisms of fracture propagation in a soft material. The materials used during this PhD will mostly be hydrogels, whether with simple or double reticulation (chemical and physical). The introduction of dynamic (physical) bonds allows te delaying of the breaking of covalent (chemical) bonds, and increases the energy of failure. To this day, no model exists that would allow fracture prediction from the molecular structure. The objective of this project is thus to combine different technics to detect breaking at different scales. At macroscopic level, the speed of the fracture propagation and its triggering conditions will be studied. At the mesoscopic scale, the strain field at the fracture tip will be studied by digital image correlation or by the use of fluorescent particles. At the molecular scale, one possibility will be to use mecanophorous molecules, a technique already applied with success within the laboratory to detect the forces acting on molecules and bond breakings., Ce projet s'insère dans un projet global plus ambitieux dont l'objectif est de comprendre les mécanismes de la propagation d'une fracture au sein d'un matériau mou. Les matériaux étudiés lors de cette thèse seront principalement des hydrogels, "classiques" ou à double réticulation chimique/physique. L'introduction de liens dynamiques permet de retarder la rupture des liens covalents et augmente l'énergie de rupture. A ce jour, il n'existe aucun modèle d'endommagement qui permette de prédire la rupture à partir de la structure moléculaire. L'objectif est donc de combiner différentes techniques pour détecter la rupture à plusieurs échelles. Au niveau macroscopique ce sera la vitesse de propagation d'une fissure et les conditions de son amorçage qui seront étudiées. A l'échelle mésoscopique le champ de déformation en pointe de fissure sera étudié par corrélation d'image ou suivi de particules fluorescentes. A l'échelle moléculaire il sera aussi possible de s'orienter vers l'utilisation de molécules mécanophores, technique déjà appliquée avec succès au sein du laboratoire pour détecter les forces agissant sur les molécules et les ruptures de liaisons.

This projects is part of an ambitious global project, which objective is to understand the mechanisms of fracture propagation in a soft material. The materials used during this PhD will mostly be hydrogels, whether with simple or double reticulation (chemical and physical). The introduction of dynamic (physical) bonds allows te delaying of the breaking of covalent (chemical) bonds, and increases the energy of failure. To this day, no model exists that would allow fracture prediction from the molecular structure. The objective of this project is thus to combine different technics to detect breaking at different scales. At macroscopic level, the speed of the fracture propagation and its triggering conditions will be studied. At the mesoscopic scale, the strain field at the fracture tip will be studied by digital image correlation or by the use of fluorescent particles. At the molecular scale, one possibility will be to use mecanophorous molecules, a technique already applied with success within the laboratory to detect the forces acting on molecules and bond breakings.; Ce projet s'insère dans un projet global plus ambitieux dont l'objectif est de comprendre les mécanismes de la propagation d'une fracture au sein d'un matériau mou. Les matériaux étudiés lors de cette thèse seront principalement des hydrogels, "classiques" ou à double réticulation chimique/physique. L'introduction de liens dynamiques permet de retarder la rupture des liens covalents et augmente l'énergie de rupture. A ce jour, il n'existe aucun modèle d'endommagement qui permette de prédire la rupture à partir de la structure moléculaire. L'objectif est donc de combiner différentes techniques pour détecter la rupture à plusieurs échelles. Au niveau macroscopique ce sera la vitesse de propagation d'une fissure et les conditions de son amorçage qui seront étudiées. A l'échelle mésoscopique le champ de déformation en pointe de fissure sera étudié par corrélation d'image ou suivi de particules fluorescentes. A l'échelle moléculaire il sera aussi possible de s'orienter vers l'utilisation de molécules mécanophores, technique déjà appliquée avec succès au sein du laboratoire pour détecter les forces agissant sur les molécules et les ruptures de liaisons.

The durability of flexible pavement structures is primarily due to the mechanical performances of the bituminous layers that undergo repeated traffic loads and climate-related stresses. The thermomechanical performances of bituminous mixtures are intimately related to the performance/properties of their constituent binders. However, the underlying mechanisms are not fully understood, especially the role of binder-aggregate adhesion on the bituminous mixture behaviour. This thesis contributed to a better understanding of the complex relationship between mixtures and binders, in four different campaigns, where key thermomechanical performances such as stiffness, resistance to fatigue or water sensitivity were studied. The first campaign focused on the influence of bitumen properties and aggregate nature on bituminous mixtures thermomechanical performances. The second campaign compared the behaviours of bitumens and of a mastic made with glass beads, in the linear viscoelastic domain and during loading and rest periods tests. The third campaign was devoted to the development of a new interface test on bitumen thin film between mineral plates. The fourth campaign investigated the influence of silane surface treatment of aggregates on the thermomechanical performances of mastic and mixture., La durabilité des structures de chaussées souples est principalement déterminée par le comportement des couches d’enrobé bitumineux soumises aux contraintes répétées du trafic et du climat. Les performances thermomécaniques des enrobés bitumineux sont intimement liées aux performances et aux propriétés de leurs liants. Cependant, les mécanismes sous-jacents ne sont pas complètement expliqués, en particulier le rôle de l’adhésion bitume-granulat dans le comportement de l’enrobé bitumineux. Cette thèse est une contribution à une meilleure compréhension du lien entre les enrobés et leurs liants, à travers l’étude de performances thermomécaniques essentielles (rigidité, résistance à la fatigue, sensibilité à l’eau…). La thèse est décomposée en quatre campagnes. La première campagne étudie l’influence des propriétés du bitume et de la nature des granulats sur les performances de l’enrobé bitumineux. La seconde campagne compare les comportements de bitumes et d’un mastic comprenant des billes de verre, dans le domaine viscoélastique linéaire et lors d’essais de fatigue avec périodes de repos. La troisième campagne est dédiée au développement d’un nouvel essai d’interface sur film mince de bitume piégé entre deux plaques de pierre. Enfin, la quatrième campagne étudie l’impact de la modification de la surface des granulats à l’aide de silane sur les performances thermomécaniques du mastic et de l’enrobé.

Origamis are three-dimensional structures obtained by folding a thin sheet following a pre-imprinted pattern of creases. The infinite number of imaginable pattern make the potential for innovation only limited by our understanding of their mechanical properties. This thesis aims to explain how, for a plastic sheet, these properties originate from the competition between the material elasticity and the kinetics conditions imposed on the system. To better understand this equilibrium, the thesis begins by focusing the study on the mechanical response of a single crease, the fundamental components of origamis. In the first chapter, its elastic deformations are captured by a theoretical model supported by simple load-deformation tests and simulations with finite element methods. Then, in the second chapter, the plastic and viscoelastic behavior are analyzed through both an extension of the elastic model and relaxation experiments under controlled strain. Finally, the third part of the thesis is structured around the mechanical study of two patterns of creases. The first one, named “Curved accordion”, showcases the unique shapes obtained by the complex relations between elasticity and geometry. The second pattern generates bistable cylindrical bellows in origami that we use as bases to create an elastic system with binary memory.; Les origamis sont des structures tridimensionnelles obtenues en pliant une feuille mince suivant un motif prédéfini de pliures. Le nombre infini de motifs imaginables rend le potentiel d'innovation uniquement limité par notre compréhension de leurs propriétés mécaniques. Cette thèse vise à expliquer comment, pour une feuille plastique, ces propriétés proviennent de la compétition entre l'élasticité du matériau et les conditions cinétiques imposées au système. Pour mieux comprendre cet équilibre, cette thèse commence par présenter le comportement mécanique complet d'un pli unique, le constituant fondamental des origamis. Dans un premier chapitre, ses déformations élastiques sont décrites selon un modèle théorique validé par un simple test de force-déformation et une simulation en méthode des éléments finis. Puis, dans un second chapitre, ses comportements plastique et viscoélastique sont analysés par une extension du modèle élastique et des expériences de relaxation sous contraintes. Enfin, la dernière partie de cette thèse s'articule autour de l'étude mécanique de deux motifs de pliures. Le premier, un motif nommé « accordéon courbé », met en avant la variété de formes produites par les origamis grâce aux relations entre élasticité et géométrie. Le second motif quant à lui est utilisé pour créer des soufflets cylindriques en origamis bistables. Un montage spécifique basé sur ces soufflets permet de concevoir un système mécanique de mémoire binaire.

Origamis are three-dimensional structures obtained by folding a thin sheet following a pre-imprinted pattern of creases. The infinite number of imaginable pattern make the potential for innovation only limited by our understanding of their mechanical properties. This thesis aims to explain how, for a plastic sheet, these properties originate from the competition between the material elasticity and the kinetics conditions imposed on the system. To better understand this equilibrium, the thesis begins by focusing the study on the mechanical response of a single crease, the fundamental components of origamis. In the first chapter, its elastic deformations are captured by a theoretical model supported by simple load-deformation tests and simulations with finite element methods. Then, in the second chapter, the plastic and viscoelastic behavior are analyzed through both an extension of the elastic model and relaxation experiments under controlled strain. Finally, the third part of the thesis is structured around the mechanical study of two patterns of creases. The first one, named “Curved accordion”, showcases the unique shapes obtained by the complex relations between elasticity and geometry. The second pattern generates bistable cylindrical bellows in origami that we use as bases to create an elastic system with binary memory.; Les origamis sont des structures tridimensionnelles obtenues en pliant une feuille mince suivant un motif prédéfini de pliures. Le nombre infini de motifs imaginables rend le potentiel d'innovation uniquement limité par notre compréhension de leurs propriétés mécaniques. Cette thèse vise à expliquer comment, pour une feuille plastique, ces propriétés proviennent de la compétition entre l'élasticité du matériau et les conditions cinétiques imposées au système. Pour mieux comprendre cet équilibre, cette thèse commence par présenter le comportement mécanique complet d'un pli unique, le constituant fondamental des origamis. Dans un premier chapitre, ses déformations élastiques sont décrites selon un modèle théorique validé par un simple test de force-déformation et une simulation en méthode des éléments finis. Puis, dans un second chapitre, ses comportements plastique et viscoélastique sont analysés par une extension du modèle élastique et des expériences de relaxation sous contraintes. Enfin, la dernière partie de cette thèse s'articule autour de l'étude mécanique de deux motifs de pliures. Le premier, un motif nommé « accordéon courbé », met en avant la variété de formes produites par les origamis grâce aux relations entre élasticité et géométrie. Le second motif quant à lui est utilisé pour créer des soufflets cylindriques en origamis bistables. Un montage spécifique basé sur ces soufflets permet de concevoir un système mécanique de mémoire binaire.

This thesis is an experimental work on gravity induced flows through an orifice.The first part of this manuscript deals with flows of Newtonian fluids. A recent study showed that for flows of low-viscosity fluids through an orifice the size of which is close to the capillary length, the effect of wetting is significant. Wetting conditions impact both flow rate and jet shape. During this thesis, an original method has been developed using a photosensitive resin as surface coating to vary the wetting conditions of the outer surface of the tank bottom plate continuously. Thanks to this method, it was shown that most likely the parameter monitoring the output flow rate is the static contact angle that the outgoing fluid forms on the material of this surface. It was established the conditions for the existence of a jet deformation and showed that this disturbance originates from the coupling between wetting and generation of turbulence within the orifice related to the phenomenon of vena contracta.The second part of this manuscript deals with flows of viscoelastic fluids. Drainage experiments carried out with these solutions reveal that they exhibit oscillating flow rate showing a very rich dynamic. Contrary to Newtonian fluids, in this case flows are controlled by the behaviour of the complex fluid inside the tank, and not at the outlet orifice. Two methods of visualization, flow- induced birefringence and PIV, were developed to explore the flow dynamics of wormlike micelle solutions inside the tank. These experiments show shear localisation within the wormlike micelle solutions. It is also observed that this shear zone moves inside the tank throughout the drainage process. The velocity field within the tank was measured as well, it demonstrates the complexity of the dynamics of these solutions, showing recirculation around the shear zone.; Cette thèse est une étude expérimentale des écoulements forcés de fluides sous leur propre poids à travers un orifice. La première partie traite des écoulements de fluides newtoniens. Une étude récente a montré que pour un écoulement de fluide peu visqueux à travers un orifice de taille comparable à la longueur capillaire, l'effet du mouillage était important. Il impacte le débit et la forme du jet. Nous avons développé une méthode originale utilisant d'une résine photosensible comme revêtement de surface afin de varier de façon continue les conditions de mouillage de la surface extérieure de la plaque de fond du réservoir. Ainsi, nous avons montré que le paramètre contrôlant du débit est très probablement l'angle de contact statique formé par le fluide sur le matériau constituant cette surface. Nous avons établi les conditions d'existence de la déformation du jet et montré que cette perturbation est induite par un couplage entre le mouillage et la génération de turbulence à l'intérieur de l'orifice, liée au phénomène de vena contracta. La seconde partie de cette thèse porte sur les écoulements de fluides viscoélastiques. Les expériences menées révèlent que ces solutions présentent un débit oscillant dévoilant ainsi une dynamique très riche. Contrairement aux fluides newtoniens, l'écoulement est piloté par le comportement du fluide complexe à l'intérieur de la cuve, et non au niveau de l'orifice. Deux méthodes de visualisation : par biréfringence sous écoulement et par PIV, ont été mises au point pour explorer la dynamique des écoulements de solutions de micelles géantes à l'intérieur de la cuve. Ces expériences ont permis de montrer que le cisaillement du fluide dans la cuve était très localisé et que la zone de cisaillement se déplace tout au long de la vidange. Nous avons également pu mesurer le champ de vitesse au sein de la cuve. Ces mesures ont pu démontrer la complexité de la dynamique du fluide, qui présente notamment des recirculations autour de la zone de cisaillement.

This thesis is an experimental work on gravity induced flows through an orifice.The first part of this manuscript deals with flows of Newtonian fluids. A recent study showed that for flows of low-viscosity fluids through an orifice the size of which is close to the capillary length, the effect of wetting is significant. Wetting conditions impact both flow rate and jet shape. During this thesis, an original method has been developed using a photosensitive resin as surface coating to vary the wetting conditions of the outer surface of the tank bottom plate continuously. Thanks to this method, it was shown that most likely the parameter monitoring the output flow rate is the static contact angle that the outgoing fluid forms on the material of this surface. It was established the conditions for the existence of a jet deformation and showed that this disturbance originates from the coupling between wetting and generation of turbulence within the orifice related to the phenomenon of vena contracta.The second part of this manuscript deals with flows of viscoelastic fluids. Drainage experiments carried out with these solutions reveal that they exhibit oscillating flow rate showing a very rich dynamic. Contrary to Newtonian fluids, in this case flows are controlled by the behaviour of the complex fluid inside the tank, and not at the outlet orifice. Two methods of visualization, flow- induced birefringence and PIV, were developed to explore the flow dynamics of wormlike micelle solutions inside the tank. These experiments show shear localisation within the wormlike micelle solutions. It is also observed that this shear zone moves inside the tank throughout the drainage process. The velocity field within the tank was measured as well, it demonstrates the complexity of the dynamics of these solutions, showing recirculation around the shear zone.; Cette thèse est une étude expérimentale des écoulements forcés de fluides sous leur propre poids à travers un orifice. La première partie traite des écoulements de fluides newtoniens. Une étude récente a montré que pour un écoulement de fluide peu visqueux à travers un orifice de taille comparable à la longueur capillaire, l'effet du mouillage était important. Il impacte le débit et la forme du jet. Nous avons développé une méthode originale utilisant d'une résine photosensible comme revêtement de surface afin de varier de façon continue les conditions de mouillage de la surface extérieure de la plaque de fond du réservoir. Ainsi, nous avons montré que le paramètre contrôlant du débit est très probablement l'angle de contact statique formé par le fluide sur le matériau constituant cette surface. Nous avons établi les conditions d'existence de la déformation du jet et montré que cette perturbation est induite par un couplage entre le mouillage et la génération de turbulence à l'intérieur de l'orifice, liée au phénomène de vena contracta. La seconde partie de cette thèse porte sur les écoulements de fluides viscoélastiques. Les expériences menées révèlent que ces solutions présentent un débit oscillant dévoilant ainsi une dynamique très riche. Contrairement aux fluides newtoniens, l'écoulement est piloté par le comportement du fluide complexe à l'intérieur de la cuve, et non au niveau de l'orifice. Deux méthodes de visualisation : par biréfringence sous écoulement et par PIV, ont été mises au point pour explorer la dynamique des écoulements de solutions de micelles géantes à l'intérieur de la cuve. Ces expériences ont permis de montrer que le cisaillement du fluide dans la cuve était très localisé et que la zone de cisaillement se déplace tout au long de la vidange. Nous avons également pu mesurer le champ de vitesse au sein de la cuve. Ces mesures ont pu démontrer la complexité de la dynamique du fluide, qui présente notamment des recirculations autour de la zone de cisaillement.

Instrumented nanoindentation is a popular technique to extract the material properties from the measured load-displacement curves. However, the uniqueness and the intrinsic character of the estimated material parameters remain open issues, particularly when viscous phenomena are exhibited. In this thesis, a constitutive viscoelastic-viscoplastic (VEVP) behavior law is implemented in the finite element software ANSYS through a subroutine UMAT with a viscoelastic-plastic (VEP) particular case. The viscoelastic (VE) was treated using the behavior law available in ANSYS. The goal is to extract reliable and intrinsic properties by nanoindentation. In this context, series of nanoindentation experimental tests are carried out on the polypropylene (PP) in displacement-controlled mode using cube corner and Berkovich indenter tips. The Finite Element Model Updating (FEMU) shows that the identification of intrinsic VE properties of PP from single experimental nanoindentation test performed at 1000 nm/min is not possible. In order to quantify the richness of the information contained in the nanoindentation test, an identifiability index (I-index) based on the numerical conditioning of the inverse problem is used. The effect of nanoindentation depth rate, loading type (triangular, trapezoidal, exponential and sinusoidal) and apex angle is numerically investigated using this I-index in the VE case. We show a correlation between the identifiability results and the energy dissipated by the material. Several combinations of nanoindentation triangular tests and indenter tip angles are also investigated. We show that a dual nanoindentation method (cube corner and Berkovich) with triangular load-unload tests is an interesting combination to reliably extract all the VE parameters. The updating process using dual nanoindentation experimental tests conducted at 500 nm/min with cube corner and Berkovich indenter tips shows that under nanoindentation the PP is not only deformed in the VE domain.The investigation of the PP behavior is extended by including viscoplasticity in the behavior law. The updating process of the VEVP behavior law leads to multiple solutions for the values of the behavior parameters. The identifiability analysis carried out using this behavior shows that the identification of the material parameters from this dual nanoindentation data is impossible. We also carried out an updating process and identifiability analysis with the VEP behavior law. The obtained results show that the identification of the VEP parameters is difficult.These results pave the way for the design of a combination of nanoindentation tests based on this I-index to guarantee the uniqueness and the intrinsic character of the extracted properties.; La nanoindentation est une technique très utilisée pour extraire les propriétés mécaniques des matériaux à partir de courbes force-déplacement. Cependant, l’unicité et le caractère intrinsèque des valeurs estimées restent des problèmes ouverts, particulièrement lorsque des phénomènes visqueux sont exhibés. Dans ce travail, une loi de comportement viscoélastique-viscoplastique (VEVP) a été implémentée dans le code éléments finis (EF) ANSYS par l’intermédiaire une subroutine UMAT avec un cas particulier: viscoélastique-plastique (VEP). Le cas viscoélastique (VE) a été traité en utilisant la loi disponible sur ANSYS. L’objectif principal est d’extraire des propriétés intrinsèques et fiables par nanoindentation. Dans ce contexte, une série d’essais expérimentaux de nanoindentation a été réalisée sur du polypropylène (PP) en déplacement contrôlé avec les indenteurs cube corner et Berkovich. La méthode du recalage de modèle EF montre que l’identification des propriétés VE intrinsèques au PP à partir d’un essai expérimental triangulaire effectué à 1000 nm/min est impossible. Afin de quantifier la richesse de l’information contenue dans l’essai de nanoindentation, un indice d’identifiabilité (I-index) basé sur le conditionnement numérique du problème inverse est utilisé. Les effets de la vitesse de déplacement, de type de chargement (triangulaire, trapézoïdal, exponentiel et sinusoïdal) et de l'angle de la pointe de l’indenteur sont étudiés dans le cas VE. On montre qu’il existe une corrélation entre les résultats d’identifiabilité et l'énergie dissipée par le matériau. Quelques combinaisons d’essais triangulaires de nanoindentation et d’angles de pointe sont aussi investiguées. On montre que la méthode de nanoindentation à double pointes (cube corner et Berkovich) avec des essais triangulaires charge-décharge s’avère robuste pour extraire tous les paramètres VE. Le recalage de modèle utilisant deux essais expérimentaux de nanoindentation réalisés à 500 nm/min avec les indenteurs cube corner et Berkovich montre que durant l’essai de nanoindentation, le PP ne se déforme pas seulement dans le domaine VE.L’investigation du comportement du PP est étendue en ajoutant la viscoplasticité dans la loi de comportement. Le recalage de modèle VEVP conduit à des solutions multiples des paramètres. L’analyse d’identifiabilité réalisée avec ce modèle illustre que l’identification des paramètres est impossible. On montre aussi que l’identification des paramètres VEP à partir de cette double nanoindentation est difficile.Ces résultats ouvrent la voie à l’utilisation de cet I-index pour concevoir une combinaison d’essais de nanoindentation capable de garantir l’unicité et le caractère intrinsèque au matériau des propriétés extraites.

Instrumented nanoindentation is a popular technique to extract the material properties from the measured load-displacement curves. However, the uniqueness and the intrinsic character of the estimated material parameters remain open issues, particularly when viscous phenomena are exhibited. In this thesis, a constitutive viscoelastic-viscoplastic (VEVP) behavior law is implemented in the finite element software ANSYS through a subroutine UMAT with a viscoelastic-plastic (VEP) particular case. The viscoelastic (VE) was treated using the behavior law available in ANSYS. The goal is to extract reliable and intrinsic properties by nanoindentation. In this context, series of nanoindentation experimental tests are carried out on the polypropylene (PP) in displacement-controlled mode using cube corner and Berkovich indenter tips. The Finite Element Model Updating (FEMU) shows that the identification of intrinsic VE properties of PP from single experimental nanoindentation test performed at 1000 nm/min is not possible. In order to quantify the richness of the information contained in the nanoindentation test, an identifiability index (I-index) based on the numerical conditioning of the inverse problem is used. The effect of nanoindentation depth rate, loading type (triangular, trapezoidal, exponential and sinusoidal) and apex angle is numerically investigated using this I-index in the VE case. We show a correlation between the identifiability results and the energy dissipated by the material. Several combinations of nanoindentation triangular tests and indenter tip angles are also investigated. We show that a dual nanoindentation method (cube corner and Berkovich) with triangular load-unload tests is an interesting combination to reliably extract all the VE parameters. The updating process using dual nanoindentation experimental tests conducted at 500 nm/min with cube corner and Berkovich indenter tips shows that under nanoindentation the PP is not only deformed in the VE domain.The investigation of the PP behavior is extended by including viscoplasticity in the behavior law. The updating process of the VEVP behavior law leads to multiple solutions for the values of the behavior parameters. The identifiability analysis carried out using this behavior shows that the identification of the material parameters from this dual nanoindentation data is impossible. We also carried out an updating process and identifiability analysis with the VEP behavior law. The obtained results show that the identification of the VEP parameters is difficult.These results pave the way for the design of a combination of nanoindentation tests based on this I-index to guarantee the uniqueness and the intrinsic character of the extracted properties.; La nanoindentation est une technique très utilisée pour extraire les propriétés mécaniques des matériaux à partir de courbes force-déplacement. Cependant, l’unicité et le caractère intrinsèque des valeurs estimées restent des problèmes ouverts, particulièrement lorsque des phénomènes visqueux sont exhibés. Dans ce travail, une loi de comportement viscoélastique-viscoplastique (VEVP) a été implémentée dans le code éléments finis (EF) ANSYS par l’intermédiaire une subroutine UMAT avec un cas particulier: viscoélastique-plastique (VEP). Le cas viscoélastique (VE) a été traité en utilisant la loi disponible sur ANSYS. L’objectif principal est d’extraire des propriétés intrinsèques et fiables par nanoindentation. Dans ce contexte, une série d’essais expérimentaux de nanoindentation a été réalisée sur du polypropylène (PP) en déplacement contrôlé avec les indenteurs cube corner et Berkovich. La méthode du recalage de modèle EF montre que l’identification des propriétés VE intrinsèques au PP à partir d’un essai expérimental triangulaire effectué à 1000 nm/min est impossible. Afin de quantifier la richesse de l’information contenue dans l’essai de nanoindentation, un indice d’identifiabilité (I-index) basé sur le conditionnement numérique du problème inverse est utilisé. Les effets de la vitesse de déplacement, de type de chargement (triangulaire, trapézoïdal, exponentiel et sinusoïdal) et de l'angle de la pointe de l’indenteur sont étudiés dans le cas VE. On montre qu’il existe une corrélation entre les résultats d’identifiabilité et l'énergie dissipée par le matériau. Quelques combinaisons d’essais triangulaires de nanoindentation et d’angles de pointe sont aussi investiguées. On montre que la méthode de nanoindentation à double pointes (cube corner et Berkovich) avec des essais triangulaires charge-décharge s’avère robuste pour extraire tous les paramètres VE. Le recalage de modèle utilisant deux essais expérimentaux de nanoindentation réalisés à 500 nm/min avec les indenteurs cube corner et Berkovich montre que durant l’essai de nanoindentation, le PP ne se déforme pas seulement dans le domaine VE.L’investigation du comportement du PP est étendue en ajoutant la viscoplasticité dans la loi de comportement. Le recalage de modèle VEVP conduit à des solutions multiples des paramètres. L’analyse d’identifiabilité réalisée avec ce modèle illustre que l’identification des paramètres est impossible. On montre aussi que l’identification des paramètres VEP à partir de cette double nanoindentation est difficile.Ces résultats ouvrent la voie à l’utilisation de cet I-index pour concevoir une combinaison d’essais de nanoindentation capable de garantir l’unicité et le caractère intrinsèque au matériau des propriétés extraites.

This work describes the development of a viscoelastic nonlinear constitutive law for solid composite propellants. An experimental basis showing the nonlinear behavior expressed by solid propellants is constructed. Then, microscopic sources of this macroscopic behavior are investigated using new samples specifically designed. Results show that friction and cavitation are responsible for the major parts of the nonlinearities. Homogenization is used to determine mathematical relations between these two mechanisms and the mechanical properties of the material. The relations are then integrated in a viscoelastic, isotropic, tridimensional model. Parameters are identified using the experimental basis. The model shows a good ability to reproduce and predict the propellant behavior nonlinearities expressed under cyclic loads. After completion of the development, the model is used into a design method and finite element calculation are performed on real objects. Results validate the new method and show that improving the behavior prediction also improves the design method and generates profits.; Ces travaux de thèse portent sur le développement d’une loi de comportement viscoélastique non-linéaire pour les propergols solides composites. Une base expérimentale mettant en évidence le comportement à modéliser est construite à l’aide du propergol d’étude. Puis, les origines microscopiques de ce comportement macroscopique sont investiguées, au moyen d’éprouvettes spécialement conçues à cet effet. Les résultats de l’étude montrent que le frottement et la cavitation sont deux mécanismes prépondérants. Les relations mathématiques entre ces micromecanismes et les propriétés mécaniques du matériau sont déterminées par homogénéisation, puis introduites dans un cadre viscoélastique isotrope tridimensionnel. Les paramètres du modèle ainsi obtenu sont identifiés sur la base expérimentale, suite à quoi la loi est capable de restituer la majeure partie des non-linéarités du comportement exprimées sous sollicitations cycliques. Après intégration dans un code de calcul par éléments finis, la loi est finalement validée sur des cas d’application réels. Les résultats montrent qu’une meilleure restitution du comportement du propergol au cours de son cycle de vie permet d’améliorer le dimensionnement des chargements de manière significative.

Dynamics of complex structures with dissipative materials is an high stake for mechanical design and optimization. Polymeric materials are commonly used in this way. These materials are effective in various industry, but mastering their use comes up against technological limitations. One of these limitation is the characterization of mechanical properties as a function of frequency and this thesis deals with it. Two contributions are provided in this experimental research work. The first one concerns the time–temperature superposition principle. This principle makes it possible to extend the mechanical properties measured over a restricted frequency range from data obtained at different temperatures. This widespread method is unfortunately not valid for many polymeric materials. It is the reason why innovative structural adhesives are studied in order to characterize the limits of the principle of time-temperature equivalence. The approach is carried out using data from a dynamic mechanical analysis (DMA) conducted on a commercial test bench. The second contribution are part of the first one and represents the main objective of this thesis. An innovative DMA bench is developed for the characterization of polymers over wide frequency ranges without requirements of the principle of time-temperature equivalence. The bench performances are precisely assessed through a characterization campaign conducted on polymer adhesives.; La prédiction des ambiances dynamiques des structures complexes intégrant des matériaux dissipatifs est un enjeu important pour le dimensionnement et l’optimisation des structures. Les matériaux communément utilisés dans ce but sont les polymères. Ils sont particulièrement efficaces dans diverses applications, mais la maîtrise de leur usage se heurte à certains verrous technologiques. L’un de ces verrous est la caractérisation des propriétés mécaniques en fonction de la fréquence et la thèse porte sur ce point. Deux contributions principales sont apportées dans ce travail de recherche expérimentale. La première concerne le principe d’équivalence temps-température. Ce principe permet d’étendre les propriétés mécaniques mesurées sur une plage fréquentielle restreinte à partir de données obtenues à différentes températures. Bien que répandue, cette méthode n’est malheureusement pas valide pour beaucoup de matériaux polymères. C’est pour cette raison que des adhésifs structuraux innovants sont étudiés plus en détails afin de caractériser les limites du principe de l’équivalence temps-température. La démarche est réalisée à partir de données issue d’une campagne d’Analyse Mécanique Dynamique (AMD ou DMA) conduite sur un banc d’essai du commerce. La seconde contribution s’inscrit dans la continuité de la première et représente l’objectif principal de cette thèse. Un dispositif DMA innovant est développé pour la caractérisation des polymères sur de larges plages fréquentielles sans recourir au principe d’équivalence temps-température. Les performances du banc conçu sont évaluées avec précision au travers d’une campagne de caractérisation conduite sur des adhésifs polymères.

National audience

Dynamics of complex structures with dissipative materials is an high stake for mechanical design and optimization. Polymeric materials are commonly used in this way. These materials are effective in various industry, but mastering their use comes up against technological limitations. One of these limitation is the characterization of mechanical properties as a function of frequency and this thesis deals with it. Two contributions are provided in this experimental research work. The first one concerns the time–temperature superposition principle. This principle makes it possible to extend the mechanical properties measured over a restricted frequency range from data obtained at different temperatures. This widespread method is unfortunately not valid for many polymeric materials. It is the reason why innovative structural adhesives are studied in order to characterize the limits of the principle of time-temperature equivalence. The approach is carried out using data from a dynamic mechanical analysis (DMA) conducted on a commercial test bench. The second contribution are part of the first one and represents the main objective of this thesis. An innovative DMA bench is developed for the characterization of polymers over wide frequency ranges without requirements of the principle of time-temperature equivalence. The bench performances are precisely assessed through a characterization campaign conducted on polymer adhesives., La prédiction des ambiances dynamiques des structures complexes intégrant des matériaux dissipatifs est un enjeu important pour le dimensionnement et l’optimisation des structures. Les matériaux communément utilisés dans ce but sont les polymères. Ils sont particulièrement efficaces dans diverses applications, mais la maîtrise de leur usage se heurte à certains verrous technologiques. L’un de ces verrous est la caractérisation des propriétés mécaniques en fonction de la fréquence et la thèse porte sur ce point. Deux contributions principales sont apportées dans ce travail de recherche expérimentale. La première concerne le principe d’équivalence temps-température. Ce principe permet d’étendre les propriétés mécaniques mesurées sur une plage fréquentielle restreinte à partir de données obtenues à différentes températures. Bien que répandue, cette méthode n’est malheureusement pas valide pour beaucoup de matériaux polymères. C’est pour cette raison que des adhésifs structuraux innovants sont étudiés plus en détails afin de caractériser les limites du principe de l’équivalence temps-température. La démarche est réalisée à partir de données issue d’une campagne d’Analyse Mécanique Dynamique (AMD ou DMA) conduite sur un banc d’essai du commerce. La seconde contribution s’inscrit dans la continuité de la première et représente l’objectif principal de cette thèse. Un dispositif DMA innovant est développé pour la caractérisation des polymères sur de larges plages fréquentielles sans recourir au principe d’équivalence temps-température. Les performances du banc conçu sont évaluées avec précision au travers d’une campagne de caractérisation conduite sur des adhésifs polymères.

A method is presented to predict numerically the homogenized viscoelastic behavior of 3D woven composites using only its constituents’ behavior. It is based on elastic homogenizations applied to the Laplace-Carson transform of the time-dependent viscoelastic behavior of the constituents. Two scale changes are necessary: from micro- to meso-scale to obtain the homogenized behavior of the consolidated yarns, and from meso- to macro-scale. The temperature and cure dependent viscoelastic behavior of the matrix is identified from experimental data, using the time-temperature superposition principle with the cure dependent glass transition temperature as reference temperature. The meso-scale representative unit cell of the composite is extracted from X-ray microtomography images. The homogenized viscoelastic behavior is used to calculate the evolution of the apparent moduli of the composite with temperature between - 50 ° C and 200 ° C. The results are in good agreement with experimental data over the temperature range where the matrix behavior was properly identified.