Prise en compte d'une échelle mésoscopique dans l'étude du comportement des milieux granulaires

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Sous la direction de Alexandre Danescu
Thèse soutenue le 11 décembre 2009: Ecole centrale de Lyon
La technique de changement d’échelles a été largement développée dans la littérature pour décrire le comportement global des milieux granulaires en prenant en compte leurs propriétés locales. Cette technique considère classiquement deux échelles : l’échelle macroscopique du volume élémentaire représentatif et l’échelle microscopique du contact entre particules. Le défi majeur de ce changement d’échelles micro-macro réside dans la définition de la déformation macroscopique : en effet, si la contrainte macroscopique peut être clairement définie à partir des forces de contact, il a été montré qu’il n’était pas approprié de déduire la déformation macroscopique à partir de la cinématique aux contacts. Dans ce cadre, ce travail propose d’introduire une troisième échelle dite mésoscopique. Cette échelle, à laquelle peuvent être définies à la fois contrainte et déformation, est intermédiaire entre les échelles microscopique et macroscopique et permet de palier au défi majeur mentionné ci-dessus. Elle est définie au niveau d’arrangements locaux de particules, appelés sous-domaines, et sa pertinence est étudiée sur la base d’échantillons numériques composés de particules circulaires puis sphériques, simulés par la méthode des éléments discrets. Les milieux bidimensionnels sont géométriquement représentés par un graphe de particules composé de sous-domaines fermés, encore appelés cellules de vide, dont la frontière est constituée de branches connectant les centres de particules en contact : l’échelle mésoscopique est donc définie au niveau de ces cellules de vide fermées. A cette échelle locale, on décrit tout d’abord la structure du milieu en termes de densité et de texture puis l’on définit les variables statique et cinématique locales du milieu en termes de contrainte et déformation. De fortes hétérogénéités des milieux granulaires en termes de structure, déformation et contrainte sont mises en évidence à l’échelle mésoscopique, avec de plus une structuration des hétérogénéités de contraintes et de déformations et une forte corrélation entre ces deux quantités. Concernant les milieux tridimensionnels, une partition en cellules de vide fermées est impossible du fait de la complexité de la structure 3D de ces milieux. On propose donc une méthode de partition du milieu basée sur la distribution des vides en son sein. La méthode consiste en premier lieu en une subdivision du milieu en tétraèdres, par une partition de Delaunay, puis en une association de tétraèdres voisins selon un critère prédéfini en vue de la création de sous-domaines, non fermés, mais au rôle analogue aux sous-domaines fermés de l’étude 2D. Le critère d’association proposé est basé sur le rapport entre la taille des constrictions (vide sur chaque face des tétraèdres) et la taille des pores au voisinage de chaque constriction. Cette méthode d’association constitue donc l’étape préliminaire à l’extension au cas tridimensionnel des résultats obtenus dans le cas bidimensionnel.
-Méthode des éléments discrets
-Changement d'échelles
-Matériau granulaire
-Graphe de particules
The technique of change of scales has been extensively developed in the literature to describe the global behaviour of granular materials taking into account their local properties. This method usually considers two scales : the macroscopic scale at the level of representative elementary volume and the microscopic scale at the level of contact between particles. The major difficulty of this micro-macro change of scales lies in the definition of the macroscopic strain : indeed, the macroscopic stress is clearly defined from contact forces while it is not appropriate to derive the macroscopic strain from the kinematics at contacts. In this framework, this work proposes to introduce a third scale called mesoscopic scale. This scale, at which both stress and strain can be defined, is intermediate between macroscopic and microscopic scales and allows to overcome the major difficulty mentioned above. The mesoscopic scale is defined at the level of local arrangements of particles, called sub-domains, and its relevance is studied on numerical 2D and 3D materials composed of circular then spherical particles, simulated with the discrete element method. Bidimensional media are geometrically represented by a particle graph composed of closed sub-domains, also called void cells, whose border is constituted by the branches joining the centers of particles in contact : the mesoscopic scale is thus defined at the level of these closed void cells. At this local scale, we fist describe the structure of the medium in terms of density and fabric ; we define then the static and kinematic variables in terms of stress and of strain. Strong heterogeneities of granular media in terms of structure, stress and strain are highlighted at this scale, with a structuration of heterogeneities of stress and strain and a significant correlation between these two quantities. Concerning tridimensional media, a partition into closed void cells is impossible, because of the complexity of the 3D structure of these media. We propose a partition method based on the distribution of voids inside the medium. This method consists first in subdividing the medium into tetrahedrons by a Delaunay partition and then in associating neighbouring tetrahedrons, according to a criterion to be defined. This allows us to form sub-domains which are not closed but which play a role analogous to the role of closed sub-domains in the 2D study. The proposed association criterion is based on the ratio between the size of constriction (void on each face of tetrahedrons) and the size of pores around each constriction. This partition method constitutes a preliminary step for an extension of the results obtained in the bidimensional case to the tridimensional case.
Source: http://www.theses.fr/2009ECDL0029/document
Publié le : dimanche 30 octobre 2011
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Nombre de pages : 249
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Numéro d’ordre : Année 2009
THÈSE
présentée devant l’
ECOLE CENTRALE DE LYON
pour l’obtention du titre de
DOCTEUR
Spécialité : Génie Civil
par
Ngoc Son NGUYEN
Ingénieur ENSGC Hanoï
PRISE EN COMPTE D’UNE ECHELLE MESOSCOPIQUE
DANS L’ETUDE DU COMPORTEMENT DES MILIEUX
GRANULAIRES
Soutenue le 11 Décembre 2009 devant la commission d’examen composée de :
MM. S. BONELLI Rapporteur Chercheur CEMAGREF
B. CAMBOU Examinateur Professeur INRETS, EC Lyon
A. DANESCU Directeur de thèse Maître de Conférence LTDS, EC Lyon
F. DARVE Président du jury Professeur 3S-R, INP Grenoble
P.-Y. HICHER Rapporteur GEM, EC Nantes
H. MAGOARIEC Directeur de thèse Maître de Conférence LTDS, EC Lyon
Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes
Département de Mécanique des Solids, Génie Mécanique et Génie Civil
Ecole Centrale de Lyon
36 Avenue Guy de Collongue 69130 EcullyListe des personnes Habilitées à Diriger des
Recherches à l’Ecole Centrale de Lyon
AURIOL Philippe Professeur AMPERE ECL
BEROUAL Abderrahmane Pr ECL
BURET François Maître de conférences AMPERE ECL
JAFFREZIC-RENAULT Nicole Directeur de recherche CNRS/ECL
KRÄHENBÜHL Laurent Directeur de recherche AMPERE
MARTELET Claude Professeur ECL
NICOLAS Alain Pr AMPERE ECL Laurent Directeur de recherche CNRS/ECL
SIMONET Pascal Chargé de recherche AMPERE
THOMAS Gérard Professeur ECL
VOLLAIRE Christian Maître de conférences AMPERE ECL
HELLOUIN Yves Maître de conférences DER EEA ECL
LE HELLEY Michel Professeur DER EEA ECL
GUIRALDENQ Pierre Professeur émérite DER STMS ECL
VINCENT Léo Pr DER ECL
LOHEAC Jean-Pierre Maître de conférences ICJ ECL
MAITRE Jean-François Professeur émérite ICJ ECL
MARION Martine Pr ICJ ECL
MOUSSAOUI Mohand Professeur ICJ ECL
MUSY François Maître de conférences ICJ ECL
ROUY MIRONESCU Elisabeth Professeur ICJ ECL
ZINE Abdel-Malek Maître de conférences ICJ ECL
DAVID Bertrand Professeur ICTT ECL
CALLARD Anne-Ségolène Maître de conférences INL ECL
CLOAREC Jean-Pierre Maître de conférences INL ECL
GAFFIOT Frédéric Professeur INL ECL
GAGNAIRE Alain Maître de conférences INL ECL
GARRIGUES Michel Directeur de recherche INL CNRS/ECL
GENDRY Michel Directeur de recherche INL
GRENET Geneviève Directeur de recherche INL
HOLLINGER Guy Directeur de recherche INL CNRS/ECL
JOSEPH Jacques Professeur INL ECL
KRAWCZYK Stanislas Directeur de recherche INL
iMARTIN Jean-René Professeur émérite INL ECL
O’CONNOR Ian Maître de conférences INL ECL
PHANER-GOUTORBE Magali Professeur INL ECL
ROBACH Yves Pr INL ECL
SEASSAL Christian Chargé de recherche INL CNRS/ECL
SOUTEYRAND Eliane Directeur de recherche INL
TARDY Jacques Directeur de recherche INL
VIKTOROVITCH Pierre Directeur de recherche INL CNRS/ECL
CHEN Liming Professeur LIRIS ECL
BAILLY Christophe Professeur LMFA ECL
BERTOGLIO Jean-Pierre Directeur de recherche LMFA CNRS/ECL
BLANC-BENON Philippe Directeur de recherche LMFA
BOGEY Christophe Chargé de recherche LMFA
CAMBON Claude Directeur de recherche LMFA CNRS/ECL
CARRIERE Philippe Chargé de recherche LMFA
CHAMPOUSSIN J-Claude Professeur émérite LMFA ECL
COMTE-BELLOT genevièvre Pr LMFA ECL
FERRAND Pascal Directeur de recherche LMFA CNRS/ECL
GALLAND Marie-Annick Maître de conférences LMFA ECL
GODEFERD Fabien Chargé de recherche LMFA
HENRY Daniel Directeur de recherche LMFA CNRS/ECL
JEANDEL Denis Professeur LMFA ECL
JUVE Daniel Pr LMFA ECL
LE RIBAULT Catherine Chargée de recherche LMFA CNRS/ECL
LEBOEUF Francis Professeur LMFA ECL
PERKINS Richard Pr LMFA ECL
ROGER Michel Professeur LMFA ECL
SCOTT Julian Pr LMFA ECL
SHAO Liang Chargé de recherche LMFA CNRS/ECL
SIMOENS Serge Chargé de recherche LMFA
TREBINJAC Isabelle Maître de conférences LMFA ECL
BENAYOUN Stéphane Professeur LTDS ECL
CAMBOU Bernard Pr LTDS ECL
COQUILLET Bernard Maître de conférences LTDS ECL
DANESCU Alexandre Maître de conférences LTDS ECL
FOUVRY Siegfrid Chargé de recherche LTDS CNRS/ECL
GEORGES Jean-Marie Professeur émérite LTDS ECL
GUERRET Chrystelle Chargé de recherche LTDS
HERTZ Dominique Past LTDS ECL
ICHCHOU Mohamed Maître de conférences LTDS ECL
iiJEZEQUEL Louis Professeur LTDS ECL
JUVE Denyse Ingénieur de recherche LTDS ECL
KAPSA Philippe Directeur de recherche LTDS CNRS/ECL
LE BOT Alain Chargé de recherche LTDS CN
LOUBET Jean-Luc Directeur de recherche LTDS CNRS/ECL
MARTIN Jean-Michel Professeur LTDS ECL
MATHIA Thomas Directeur de recherche LTDS CNRS/ECL
MAZUYER Denis Professeur LTDS ECL
PERRET-LIAUDET Joël Maître de conférences LTDS ECL
SALVIA Michelle Maître de conférences LTDS ECL
SIDOROFF François Professeur LTDS ECL
SINOU Jean-Jacques Maître de conférences LTDS ECL
STREMSDOERFER Guy Professeur LTDS ECL
THOUVEREZ Fabrice Pr LTDS ECL
TREHEUX Daniel Professeur LTDS ECL
VANNES André-Bernard Pr émérite LTDS ECL
iiiivRemerciements
Avant tout, je tiens à témoigner ma reconnaissance à mes directeurs de thèse
Alexandre Danescu et Hélène Magoariec pour la confiance quevous m’avez accordée.
Je vous remercie pour vos encadrements, vos suivis durant toute ma thèse.
J’exprime mes sincères remerciements à Bernard Cambou pour votre motivation
et votre préoccupation vis-à-vis de ma thèse. C’est grâce à vos idées, vos suggestions
que ma thèse peut prendre la forme.
Je voudrais remercier, ensuite, Félix Darve d’avoir accepté de présider mon jury
de thèse. Je remercie aussi Pierre-Yves Hicher et Stéphane Bonelli, rapporteurs de
mon manuscrit. Vos critiques ainsi que vos commentaires ont sensiblement contribué
à compléter mon travail.
Enfin, je voudrais saluer à tous les membres du G8 pour votre aide, votre gen-
tillesse, votre encouragement, etc. Ce précieux soutien moral m’a aidé à surpasser
les moments difficiles lors de mon séjour au laboratoire. Je pense tout particulière-
ment à Yahanis Yunus, avec qui j’ai eu l’occasion de partager le même bureau et les
moments pleins de joies inoubliables.
vviRésumé
La technique de changement d’échelles a été largement développée dans la lit-
térature pour décrire le comportement global des milieux granulaires en prenant
en compte leurs propriétés locales. Cette technique considère classiquement deux
échelles : l’échelle macroscopique du volume élémentaire représentatif et l’échelle mi-
croscopique du contact entre particules. Le défi majeur de ce changement d’échelles
"micro-macro" réside dans la définition de la déformation macroscopique : en ef-
fet, si la contrainte macroscopique peut être clairement définie à partir des forces
de contact, il a été montré qu’il n’était pas approprié de déduire la déformation
macroscopique à partir de la cinématique aux contacts.
Dans ce cadre, ce travail propose d’introduire une troisième échelle dite mésosco-
pique. Cette échelle, à laquelle peuvent être définies à la fois contrainte et déforma-
tion, est intermédiaire entre les échelles microscopique et macroscopique et permet
de palier au défi majeur mentionné ci-dessus. Elle est définie au niveau d’arrange-
ments locaux de particules, appelés sous-domaines, et sa pertinence est étudiée sur
la base d’échantillons numériques composés de particules circulaires puis sphériques,
simulés par la méthode des éléments discrets.
Les milieux bidimensionnels sont géométriquement représentés par un graphe
de particules composé de sous-domaines fermés, encore appelés cellules de vide,
dont la frontière est constituée de branches connectant les centres de particules en
contact : l’échelle mésoscopique est donc définie au niveau de ces cellules de vide
fermées. A cette échelle locale, on décrit tout d’abord la structure du milieu en
termes de densité et de texture puis l’on définit les variables statique et cinématique
localesdumilieuentermesdecontrainteetdéformation.Deforteshétérogénéitésdes
milieux granulaires en termes de structure, déformation et contrainte sont mises en
évidence à l’échelle mésoscopique, avec de plus une structuration des
de contraintes et de déformations et une forte corrélation entre ces deux quantités.
Concernant les milieux tridimensionnels, une partition en cellules de vide fermées
est impossible du fait de la complexité de la structure 3D de ces milieux. On propose
donc une méthode de partition du milieu basée sur la distribution des vides en son
sein. La méthode consiste en premier lieu en une subdivision du milieu en tétraèdres,
par une partition de Delaunay, puis en une association de tétraèdres voisins selon
un critère prédéfini en vue de la création de sous-domaines, non fermés, mais au rôle
analogue aux sous-domaines fermés de l’étude 2D. Le critère d’association proposé
est basé sur le rapport entre la taille des constrictions (vide sur chaque face des
tétraèdres) et la taille des pores au voisinage de chaque constriction. Cette méthode
d’association constitue donc l’étape préliminaire à l’extension au cas tridimensionnel
des résultats obtenus dans le cas bidimensionnel.
Mots–clés:Matériaugranulaire,méthodedesélémentsdiscrets,changementd’échelles,
échelle mésoscopique, graphe de particules, sous-domaines.
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