Operation de recherches endommagement et

Transcription

II – Dossier Scientifique
Document coordonné par Didier C LOUTEAU, Thierry H OC, Jimbo BAI, Pierre E VESQUE
II.1 – O RIENTATIONS ET ÉVOLUTIONS
DU LABORATOIRE
Table des matières
II.1 – ORIENTATIONS ET ÉVOLUTIONS DU LABORATOIRE
Orientations et évolutions du laboratoire
1
Présentation . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Organisation et fonctionnement . . . . . . . .
3
Moyens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
Résultats scientifiques principaux 2001-2004
5
Positionnement du MSSMat . . . . . . . . .
6
Perspectives 2006-2009 . . . . . . . . . . . .
7
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . .
II.2 – OPÉRATIONS DE RECHERCHES
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II.1
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II.7
II.7
II.10
II.11
II.17
II.22
II.23
II.24
II.24
Milieux Poreux et Ouvrages Géotechniques
II.27
1
Activité scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.27
2
Bilan scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.29
Physique des milieux granulaires
II.31
1
2
Bilan Scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.34
Dépollution des eaux souterraines
II.35
1
2
Fiabilité des ouvrages
II.39
1
2
Couplages multi-physiques dans les matériaux granulaires
II.43
1
2
Endommagement et comportement thermo-hydro-mécanique des matériaux à matrice cimentaire
II.47
1
2
Interactions structure-structure
II.51
1
Activités scientifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.51
2
Milieux enchevêtrés
II.55
1
2
Contrôle de qualité et Adaptativité
II.59
1
2
Ondes en milieux hétérogènes et aléatoires
II.63
1
2
Vibrations
II.67
1
2
3
Moyens financiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.70
Echelles Pertinentes en mécanique des matériaux
II.71
1
2
Plasticité cristalline à l’échelle mésoscopique et couplage
II.75
1
2
Hétérogénéités et ruptures
II.79
1
2
Fatigue et Fissuration
II.83
1
2
Modélisation en mécanique des matériaux nano-micro structurés
II.85
1
2
Bilan Scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.88
Observation et identification de nanomécanismes
II.89
1
2
Microscopie électronique en transmission quantitative
II.93
1
2
Comportement des nanotubes et des nanocomposites
II.97
1
2
II.3 – CENTRES DE RESSOURCES
II.101
Gestion
II.103
1
Missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.103
2
Bilan du CR ”Gestion” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.104
Communication et Enseignement
II.105
1
Missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.105
2
Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.106
Essais Mécaniques
II.107
1
Missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.107
2
Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.108
Microscopies
II.109
1
Mission du Centre de ressource Microscopies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.109
2
Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.110
Centre de Ressources Informatiques
1
Mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Réalisations majeures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
Moyens financiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
II.111
. II.111
. II.111
. II.112
Hygiène, Sécurité, Formation
II.113
1
Missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.113
2
Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.114
II.4 – BILAN QUANTITATIF
II.115
Personnel
1
Personnel du Laboratoire au 1/10/04 . . . . . . . .
2
Enseignants et chercheurs . . . . . . . . . . . . . .
3
Post-Docs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
Visiteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Ingénieurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
Assistants-ingénieurs, techniciens et administratifs)
7
Doctorants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
Conseil de Laboratoire . . . . . . . . . . . . . . .
9
Organigramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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II.117
. II.117
. II.117
. II.117
. II.118
. II.118
. II.118
. II.118
. II.121
. II.122
Moyens Matériels
II.123
1
Études Microstructurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.123
2
Modélisation et Calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.123
3
Essais Mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.123
Formation par la Recherche
1
DEA et Masters . . . . . . . . . . . .
2
Thèses soutenues . . . . . . . . . . .
3
Thèses en cours . . . . . . . . . . . .
4
Habilitations à Diriger des Recherches
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II.125
. II.125
. II.126
. II.127
. II.129
Relations Extérieures
II.131
1
Relations internationales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.131
2
Coopérations nationales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.134
3
Relations industrielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II.136
II.5 – PRODUCTION SCIENTIFIQUE
1
2
3
4
5
6
Articles . . . . . . . . . . . . . .
Ouvrages et Direction d’Ouvrages
Congrés publiés . . . . . . . . . .
Congrés non-publiés . . . . . . .
Rapports, Cours, CDs . . . . . . .
Thèses soutenues . . . . . . . . .
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II.138
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ANNEXES
Formation Permanente
1
Bilan 2001-2004 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Détail des formations suivies par domaine d’activité
3
Moyens financiers . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Analyse des besoins 2005 . . . . . . . . . . . . . .
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II.141
II.147
II.148
II.159
II.162
II.164
II.166
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II.169
. II.169
. II.169
. II.172
. II.172
. II.173
Hygiène et Sécurité
1
Fonctionnement de la structure . . .
2
Identification et analyse des risques
3
Dispositions mises en œuvre . . . .
4
Bilan des Accidents et Incidents . .
5
Conclusion . . . . . . . . . . . . .
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II.175
. II.175
. II.175
. II.176
. II.176
. II.177
Orientations et évolutions du laboratoire
Rédacteur: D. AUBRY
F IG . 1.1 – Le Laboratoire MSSMat
On présente dans ce rapport l’ensemble des activités du Laboratoire de Mécanique Sols, Structures, Matériaux
de l’Ecole Centrale de Paris, également Unité Mixte 8579 du CNRS/SPI.
Ce Laboratoire fait partie des gros laboratoires scientifiques de l’Ecole Centrale et ses activités sont évidemment
très imbriquées avec le cursus de l’Ecole, que ce soit au niveau du tronc commun ( promotions de 450 élèves
ingénieurs), des options ( Mécanique/Aéronautique/Energie, Génie Civil), de la filière Recherches et des anciens
DEA devenus le Master Matière et Energie et le pilotage de trois spécialités.
Les implications dans le monde industriel sont également très fortes, concrétisées par le montant des contrats
passés au cours de cette période.
1
Présentation
Le MSSMat créé au début des années soixante-dix lors du déménagement de l’Ecole sur le site de ChâtenayMalabry a considérablement évolué par rapport aux activités originelles de Mécanique des Sols en adjoignant au
cours des années celles de Calcul des Structures (84), de Mécanique des Matériaux (86) et enfin de Physique des
Matériaux (90). Il accueille aujourd’hui environ 50 membres permanents et 50 doctorants. On peut cependant noter
que cette croissance s’est stabilisée depuis une dizaine d’années.
En fait, cette extension n’a pas toujours été le fruit d’une stratégie scientifique à long terme mais parfois le
résultat de compromis successifs prenant en compte les contraintes imposées par les tutelles ou plus simplement
les aléas des départs et des rencontres. Il en résulte une certaine dispersion :
– géographique avec des locaux disséminés sur le campus de l’Ecole
– communautaire à partir de sensibilités différentes
– et enfin des thématiques scientifiques
A cette agrégation historique correspond évidemment un savoir-faire et une marque de fabrique identifiées dans
ses domaines respectifs :
– comportement des géomatériaux et des ouvrages
– calcul des structures
– mécanique des matériaux métalliques
– microscopie quantitative et pertes d’énergie
F IG . 1.2 – Dispersion géographique du MSSMat sur le campus de l’ECP
F IG . 1.3 – Géomécanique, amas dans les milieux granulaires, ouvrages
Les figures ci-dessous illustrent ces thématiques :
Au-delà de ces thématiques, deux lignes de force structurent la démarche scientifique :
– des recherches sur des objets comprenant des échelles très différentes allant du génie parasismique jusqu’aux
nanotubes
– une liaison forte entre expérience et calcul, banalisée de nos jours, mais qui fut très originale en son temps
et à propos de laquelle le laboratoire souhaite maintenant reprendre le leadership
Une des questions posées à ce Laboratoire est certainement de se remettre en cause et d’examiner comment
des forces vives peuvent être rassemblées afin de faire face à des défis majeurs tels que :
– le financement d’équipements de plus en plus sophistiqués et donc coûteux
– la diminution du nombre de doctorants attirés par les disciplines scientifiques
– la participation à des projets européens de très grande taille et pilotés par les applications
F IG . 1.4 – Calcul des structures : multimodèles, adaptativités, vibrations
F IG . 1.5 – Changement d’échelles : nanotubes, nanostructures perlitiques, macrozones, mésoscope, rupture
F IG . 1.6 – Des nanotubes aux ouvrages Expérience/Calculs
Les possibilités d’incitations financières en Ile de France étant réduites, la réalisation de projets communs
réunissant des compétences variées ne peut se faire qu’au travers de perspectives motivantes et convaincantes.
Pour tenter de donner au laboratoire un cadre propice à des thématiques transverses, une première étape a été
accomplie avec :
– une nouvelle organisation impliquant l’ensemble du laboratoire
– le démarrage de quelques thèmes nouveaux
Une deuxième phase pourrait être de s’attacher à augmenter sensiblement le nombre de projets transverses
utilisant le savoir-faire scientifique de chacun, au sein du Laboratoire, voire même en relation avec les autres
laboratoires de l’Ecole, ou de la Fédération Francilienne de Mécanique. Cette évolution constitue très certainement
une des perspectives de la contractualisation sur la période 2005-2009.
2
Organisation et fonctionnement
Le MSSMat rassemble environ 80 personnes : 26 enseignants-chercheurs principalement de l’Ecole Centrale
et 5 appartenant au CNRS/SPI et 4 à l’Université, 6 ingénieurs dont 4 CNRS/SPI, 15 Assistants-ingénieurs, techniciens et administratifs, 5 post-doc et environ 40 doctorants, la moitié étant partagée entre MSSMat et un laboratoire
extérieur ou une entreprise dans le cadre d’une Convention Cifre. Outre le conseil de laboratoire, l’organisation
actuelle identifiée par l’organigramme ci-dessous est caractérisée par deux structures de fonctionnement :
– les centres de ressource (CR), regroupements de moyens
– les opérations de recherches (OR), cellules de savoir-faire
2.1
Le Conseil du Laboratoire
Le conseil du Laboratoire, rouage important du fonctionnement du Laboratoire, se réunit tous les deux mois. Il
est consulté pour toutes les décisions importantes, en particulier pour le choix des investissements mi-lourds.
2.2
Les Centres de Ressources (CR)
Les centres de ressource structurent transversalement le Laboratoire afin de développer une conscience globale
de celui-ci. et tirer le meilleur parti des personnels techniques et des moyens matériels. Ils sont généralement
pilotés par des enseignants-chercheurs et disposent de budgets propres.
On a attaché une certaine importance en dégageant des moyens financiers aux :
– CR de gestion, afin d’assurer la transparence des actions et d’augmenter l’efficacité du traitement des
données de manière à faciliter les tâches des chercheurs
– CR Communication et Enseignement pour donner une image plus dynamique du Laboratoire vers l’extérieur
et pour améliorer les échanges à l’intérieur même du laboratoire
– CR Hygiène, Sécurité et Formation, avec une action de fond au niveau des doctorants afin qu’ils soient
informés de ces problèmes lors du cycle d’intégration
On verra dans le rapport détaillé de ce dernier CR que la participation à la formation est très active. Il faut
saluer, à cet égard, les efforts consentis par le personnel.
Les équipements du Laboratoire sont importants, certains très anciens. La tâche attribué aux responsables des
autres CR est aussi très significative.
2.3
Les Opérations de Recherches (OR)
Le laboratoire est passé d’une structure par équipes à une organisation par opérations de recherches (OR). Le
nombre important d’OR est lié à la volonté de confier des responsabilités à de jeunes chercheurs confirmés de
manière à rendre plus visibles leurs activités. Une OR constitue ainsi une cellule de recherches bénéficiant d’une
autonomie de fonctionnement et alimentée par des contrats de recherches.
Bien sûr de nombreux liens sont tissés entre celles-ci, si bien qu’un projet de recherche effectif, comme par
exemple une thèse, s’appuie sur le croisement des moyens de plusieurs CR et plusieurs OR comme on le voit
ci-dessus à propos du projet en dynamique ferroviaire au début des années 2000 :
Citons d’ autres projets de recherches multi-OR :
– Matériau argile : THMPOR et MET
– Risque sismique : GEOMOD et ONDES
– Nanotube : NANOTU, MILGRA, MILLAC
– Comportement du ballast : GEOMOD, ONDES, VIBRA
– Matériaux énergétiques : HERUPT, QUADAP
– Biomécanique : 3MNANO, MILLAC, QUADAP
– Fracturation dynamique : HERUPT, QUADAP
– Comportement des fils tréfilés : REMEMA, CRIMEC, OBINAM
D’autres actions en gestation impliqueront également la participation de plusieurs OR comme par exemple la
fatigue vibratoire, les approches multi-échelle, les fluides électro-rhéologiques à base de montmorillonite, ...
F IG . 1.7 – Organigramme du MSSMat : CR et OR
Conscient de cette dispersion, le laboratoire propose que cette phase initiale d’éclatement, salutaire pour laisser
émerger de nouveaux liens, soit suivie d’une phase ultérieure de concentration sur des sujets renouvelant les thèmes
historiques du laboratoire.
3
Moyens
Pour mener ces recherches et apporter des contributions à l’enseignement et à la formation par la recherche,
le MSSMat dispose d’importants moyens en personnels et équipements. Toutefois les inflexions nouvelles ne
peuvent être perçues que lentement car l’évolution des postes est soumise à de multiples contraintes et les crédits
pour rajeunir le matériel sont comptés.
3.1
Ressources humaines
On commente dans ce paragraphe les mouvements de personnels pour la période écoulée.
Enseignants-chercheurs
La période a connu le départ de deux enseignants-chercheurs seniors sur le thème mécanique des matériaux,
le recrutement de trois professeurs, de deux maı̂tres de conférence et d’un assistant. Il est à noter que le Directeur
F IG . 1.8 – Exemple de projet s’appuyant sur les CR et plusieurs OR
Scientifique Adjoint du Département SPI est issu du Laboratoire.
Suite aux décisions récentes d’ouverture de postes supplémentaires, un maı̂tre de conférences sur le thème de la
liaison calculs expériences et problèmes inverses va être recruté pour la rentrée 2005, donc sur un thème transverse
au laboratoire.
Du côté du CNRS, malgré l’évaluation positive de l’activité du laboratoire ces dernières années, aucun des
CR1 n’a été promu DR par le Comité National malgré des dossiers compétitifs, de même, aucun candidat proposé
au recrutement CR par le laboratoire n’a été classé, en dépit de sujets de recherches en dehors des sentiers battus.
Les postes disponibles à l’ECP ne sont pas en grand nombre, et le laboratoire doit prendre des décisions
importantes sur les profils à privilégier dans le futur, soit pour soutenir des thèmes historiques, soit pour promouvoir
des actions nouvelles et transversales.
F IG . 1.9 – Pyramide des âges des chercheurs
La pyramide des âges présentée ci-dessus, apparaı̂t relativement homogène bien qu’elle montre qu’ au moins
3 chercheurs seniors partiront en retraite au cours de la prochaine période de contractualisation.
Ingénieurs, techniciens, administratifs
A l’occasion de plusieurs départs parmi le personnel administratif, et compte tenu des moyens informatiques
modernes disponibles, le pari d’un redéploiement se fondant sur le grand dynamisme des plus jeunes a été lancé.
ainsi hormis une assistante de direction, le laboratoire ne compte plus que deux secrétaires et un assistant de
gestion. Evidemment les chercheurs sont plus sollicités, mais cette opération a autorisé un ”repyramidage” avec
des postes frais du côté technique permettant :
– la promotion au rang d’ingénieur d’études d’une assistante ingénieur
– le recrutement d’un ingénieur de recherches en calcul scientifique
– le recrutement d’une assistante ingénieur en instrumentation physico-chimique
Il reste encore un poste d’assistant ingénieur à pourvoir avec une orientation probable vers la maintenance de site
Web, ce qui correspond à une volonté de développer une communication vivante à l’intérieur et à l’extérieur.
Les postes que l’on vient de mentionner sont des postes ECP. De son côté, le CNRS, a pu recruter au profit du
laboratoire :
– un ingénieur d’études en microscopie électronique
– un ingénieur d’études informatique réseau
– et prochainement un technicien en essais mécaniques
F IG . 1.10 – Pyramide des âges des ITA
Suite à ces recrutements, la pyramide des âges des ITA est assez bien équilibrée même s’il faut nuancer la
situation en fonction des différentes activités du laboratoire.
Le personnel très motivé fait preuve de beaucoup de constance malgré des perspectives de promotion excessivement décourageantes. Le plan de formation est donc capital car celle-ci constitue la seule véritable occasion de
promotion par voie de concours. On pourra se reporter à la présentation du plan de formation dans le CR associé
pour apprécier les efforts menés dans ce domaine.
Doctorants
Le laboratoire s’assure la contribution d’environ 50 doctorants dans le cadre de l’Ecole Doctorale 287 ”Sciences
pour l’Ingénieur” de l’Ecole Centrale. Beaucoup bénéficient de conventions CIFRE au travers de collaborations
industrielles. La provenance des étudiants se fait essentiellement par le recrutement des DEA (Masters) pilotés par
des membres du laboratoire. La plupart des doctorants ont une formation d’ingénieurs dont seulement 5% de centraliens. Ce nombre est notoirement trop faible compte tenu de la taille des promotions. Des efforts importants sont
consentis pour être plus visible et attractif auprès des élèves ingénieurs par le biais de cours de base, d’applications
ou d’approfondissement.
La durée des thèses est dans la grande majorité de 3 ans compte tenu de la pression à l’embauche exercée par
les entreprises. Des doctorants motivés sont représentants au sein du Conseil du Laboratoire, de l’Ecole Doctorale
et du Conseil d’Administration de l’Ecole Centrale.
F IG . 1.11 – Nombre de thèses soutenues par an au MSSMat
Le laboratoire s’est ouvert à des thèses en co-tutelle, avec par exemple le laboratoire SPMS de l’ECP, avec
le LAM de Marne la Vallée ou le LMS de l’Ecole Polytechnique, voire avec des universités européennes comme
Louvain ou Vienne. C’est une politique que l’on souhaite accentuer.
Post-doc
La laboratoire bénéficie régulièrement de la venue de post-doc extérieurs. En particulier récemment dans le
cadre de la Fédération Francilienne de Mécanique un post-doc a été recruté sur le thème du remodelage osseux et
de l’ostéoporose et un autre sur la mise en ’uvre des nanotubes à l’interface fibres/matrices.
Professeurs invités
Une collaboration de longue durée existe entre autres avec les Universités de Vienne, de Louvain, de Prague,
de Lisbonne, de Bruxelles, de Louvain...
3.2
Equipements
Le parc d’équipements du Laboratoire est important mais est frappé pour certains d’obsolescence.
Machines d’essais
Le parc de machines d’essais inclut des presses MTS de grande capacité avec des possibilités de charges
en température. Le laboratoire a fait un gros effort pour regrouper et sécuriser ces machines dans les bâtiments
industriels ( en travée 7). La situation actuelle n’est cependant pas satisfaisante car les personnes utilisant ou
maintenant ces presses en sont très éloignées. Des études ont été menées en concertation avec l’architecte de
l’Ecole pour regrouper une équipe à proximité mais les coûts sont très élevés.
Plus généralement, on est obligé de constater une diminution des études à partir d’essais macroscopiques sur
éprouvettes, ce qui est moins le cas sur structures. Le laboratoire est donc dans l’expectative quant au redéploiement
ou à l’essor de ce type d’essais coûteux.
Moyens d’observation
Le laboratoire est bien équipé en microscopes électronique mais au moins des microscopes est très ancien
et un projet de remplacement par une installation de dernière génération est en cours. Elle permettrait d’obtenir
une précision de 0.1 nm pour des résolutions en énergies de 0.1 eV et permettant des inclinaisons des objets. Ce
F IG . 1.12 – Quelques équipements du MSSMat
type d’instruments, qui n’existe pas en Ile de France, ouvrirait des perspectives scientifiques dans le domaine des
nanosciences et constituerait un pole d’attraction pour des chercheurs étrangers.
Un nano-indenteur fait également partie des projets urgents d’acquisition du laboratoire nécessaires comptetenu des activités récentes, entre autres, en biomécanique ou sur les semi-conducteurs.
Enfin les activités du laboratoire sont reconnues dans le domaine des vibrations, alors que peu de laboratoires
s’y intéressent au plan national. Nous souhaitons renforcer cette position par l’acquisition de moyens d’observations optiques sur les structures.
Plus globalement, le laboratoire souhaite proposer un projet qui s’appuierait sur une approche observations/simulations
très intégrée. Plusieurs laboratoires de l’ECP sont intéressés par certains de ces équipements.
Moyens de calculs
Le parc des stations de travail Unix est en cours de renouvellement essentiellement par des machines LINUX.
Le supercalculateur possédé en commun avec l’Ecole Normale Supérieure de Cachan est maintenant obsolète.
L’acquisition d’un calculateur doté d’une cinquantaine de processeurs est en cours avec l’aide de la région (projet SESAME), du CNRS et de l’ECP. Les moyens de calculs vont permettre à nouveau de satisfaire les exigences
des chercheurs, afin de tester les méthodes sur des structures industrielles significatives comportant plusieurs millions de degrés de liberté.
3.3
Moyens financiers
Le laboratoire reçoit ses financements de quatre sources :
– le Ministère de l’Education Nationale
– les fonds propres de l’Ecole Centrale
– le CNRS en tant qu’unité mixte associée
– les contrats industriels qui transitent pour la plupart par Centrale Recherche
On trouvera ci-dessous la répartition annuelle des financements consolidés du laboratoire, soit environ 4Meuro.
Même sur un budget consolidé, on appréciera la part non négligeable de contrats industriels.
Sur les graphiques suivants, on a porté l’évolution dans les quatre dernières années de ces montants.
En ce qui concerne les fonds publics la pseudo augmentation de 2004 correspond en fait à un rattrapage de
2003 alors que les crédits avaient été gelés.
La part annuelle des contrats correspond donc à environ 1.3 M’, soit 60 k’ par chercheur en moyenne. Le pic
de l’année 2002 correspond à la signature de plusieurs contrats européens.
Le 6ème PCRD est pour le moment un échec patent pour le laboratoire même si plusieurs pistes très sérieuses
ont été suivies avec des partenaires prestigieux. Dans la formule actuelle, les laboratoires de recherche publics ne
peuvent plus proposer des projets même indirectement. Ils doivent attendre qu’un industriel ait besoin de leurs
services en sous-traitance. Cette organisation n’est pas très favorable à l’émergence d’idées réellement nouvelles.
F IG . 1.13 – Budget consolidé MSSMat en 2001-2004
F IG . 1.14 – Evolution des soutiens des tutelles (ECP/CNRS)
F IG . 1.15 – Evolution des contrats industriels
4
Résultats scientifiques principaux 2001-2004
Par ses opérations de recherche, le laboratoire couvre largement le spectre des thèmes affichés par la section 9
du SPI/CNRS :
– Milieux continus, hétérogénéités, systèmes discrets
– Ondes, évaluation non destructive
– Acoustique physique (réduction du bruit des transports)
– Dynamique des systèmes
– Structures, génie civil, géomécanique
– Matériaux de structures et fonctionnels, élaboration
– Comportement des milieux granulaires, milieux poreux
– Interfaces
– Génie mécanique, microsystèmes
– Biomécanique, mécanique des tissus vivants
– Approches multi-échelles, couplages multiphysiques et problèmes inverses
TAB . 1.1 – Tableau des compétences croisées CNRS/OR-MSSMAt
On tente ci-dessous de dégager les principaux résultats obtenus dans la continuité des thèmes fondateurs du
laboratoire, pour mettre ensuite en lumière ceux obtenus par croisement de compétences complémentaires et pour
enfin terminer avec des initiatives prometteuses ayant démarré au cours de la période.
4.1
Thèmes fondateurs
Pour les thèmes fondateurs, la grille de lecture formée par les anciennes équipes est conservée.
Géomécanique
Dans le domaine des données incertaines en géotechnique, on notera des études intéressantes de corrélation
dans les sols marins et surtout les premiers résultats couplant un code aux éléments finis et un code de calcul de la
fiabilité.
Dans le domaine du risque sismique, on maı̂trise maintenant la chaı̂ne complète de la simulation dynamique
et multiphasique en proposant des paramètres cohérents et bien identifiés malgré des données peu nombreuses
jusqu’aux ouvrages. Des modèles simplifiés, mais prenant en compte certains aspects comme la liquéfaction ont
connu de réels progrès. L’évaluation de la sécurité des ouvrages géotechniques est ainsi améliorée.
Le problème crucial, de par le monde, du gonflement des argiles reste d’actualité et nécessite des mesures
fines de la perméabilité de ces matériaux. La connaissance dans le domaine des sols non saturés a aussi beaucoup
progressé. Dans le domaine des composites à matrices cimentaires, des applications intéressantes ont démarré pour
les monuments anciens.
Le laboratoire continue à favoriser le rapprochement entre les méthodes de la physique statistique et celles de la
mécanique des milieux granulaires. Cela a permis de revoir de manière originale le concept de volume élémentaire
représentatif, mais aussi de pointer le rôle d’amas locaux ignorés dans les approches purement mécaniciennes. Enfin on notera les expériences originales en microgravité qui ont des retombées très importantes pour la fabrication
des médicaments.
Calcul des structures
Le calcul adaptatif inclut maintenant l’adaptativité en modèle couplée à l’adaptativité en maillage très pertinent
pour les structures minces, sièges d’effets tridimensionnels locaux. Ces techniques ont également rencontré un
grand intérêt en propagation d’ondes hautes fréquences dans les structures industrielles automobiles et spatiales
afin de capter les trajets privilégiés d’ondes et de concevoir des barrières pour détourner les contributions les plus
énergétiques des équipements électroniques sensibles sur les satellites.
La modélisation en génie parasismique connaı̂t des percées importantes avec la prise en compte d’une part de
l’effet d’interaction sismique site ville soit par simulation numérique soit par des techniques de physique statistique.
Un aléa sur les propriétés du sol est également pris en compte. La modélisation des vibrations induites par les
transports terrestres est maintenant maı̂trisée comme le montrent des confrontations mesures in situ/calculs plus
qu’encourageantes.
La mécanique des fils enchevêtrés connaı̂t un essor très significatif avec des applications émergentes tant pour
des tissus ou la laine de verre, que dans le domaine de la biomécanique, pour les ligaments par exemple. L’algorithmique est maintenant robuste si bien qu’un très grand nombre de fils peut être pris en compte. Des exploitations
statistiques des résultats en terme d’évolution du nombre de contacts suivant diverses directions doivent permettre
d’analyser les propriétés de ces matériaux. L’approche menée ici n’a quasiment pas de concurrent au plan international.
L’approche multi-modèle mise au point dans la méthode Arlequin est très originale et maintenant identifiée au
plan international. Avec une très grande souplesse, elle marie des approximations de complexités différentes pour
obtenir ainsi une solution de grande qualité à un coût raisonnable. Les applications sont nombreuses et intéressent
le monde industriel.
Des avancées notables ont été obtenues dans le domaine des vibrations en combinant de manière hybride les
modèles et les essais. De nouveaux algorithmes performants ont été élaborés pour le couplage voie train.
Mécanique des matériaux
La fiabilité de la prévision de l’endommagement jusqu’à rupture a été améliorée. En particulier, la prédiction
de la ténacité est bien meilleure en combinant observations au microscope et calculs éléments finis. Egalement
l’influence de la forme, de la taille et surtout de la position d’hétérogénéités à proximité de la surface libre a
clairement été mise en évidence.
Dans le domaine de l’endurance des matériaux hétérogènes, on améliore la précision du critère d’endurance
en réalisant des moyennes de critères locaux par zone avec des calculs EF locaux. En prenant en compte les
croissances des précipités dans un calcul élasto-viscoplastique local, on sait maintenant expliquer les critères d’endurance de pièces complexes automobiles. L’hystérésis particulière des alliages de Mg a pu être modélisée et des
essais très concluants sur l’influence d’hétérogénéités en forme de plaquettes sur la résistance au déchirement des
gaines de combustibles.
La plasticité cristalline est abordée au laboratoire de manière originale par l’entremise du mésoscope qui couple
expériences et calculs dans le cadre de problèmes inverses. On a ainsi pu observer des bandes à froid et expliquer
les fameuses macro-zones, responsables de la dispersion en fatigue. Ces techniques doivent permettre d’aborder
de manière originale la transition ductile-fragile.
Le laboratoire bénéficie d’une grande expérience dans la mise en évidence d’échelles pertinentes en micromécanique des matériaux métalliques. Des observations très fines ont permis de détecter dans le Zirconium
irradié des structures en forme de canaux, agents de localisation des déformations et dans les fils tréfilés des nanostructures lamellaires principales sources de l’écrouissage cinématique observés dans ces matériaux.
Physique des matériaux
Un savoir-faire, encore assez unique, a été développé récemment, mêlant des moyens de mesures modernes
et des approches par éléments finis en micromécanique permettant d’identifier des champs et des propriétés
mécaniques en particulier pour comprendre le comportement des nanomatériaux. Ces travaux, utilisant également
la dynamique des dislocations, ont été publiés récemment, entre autres, dans la revue Sciences.
Le thème « pertes d’énergie » constitue un point fort, précieux pour un laboratoire de mécanique. Le champ
d’applications est très large. Deux avancées notables sont à enregistrer au plan fondamental avec une explication relativiste des seuils d’ionisation pour les matériaux anisotropes et au plan expérimental avec une technique spéciale
de préparation des échantillons permettant maintenant d’observer des argiles ou des matériaux biologiques. Les
observations sur les nanotubes produits dans le laboratoire bénéficient clairement du savoir-faire accumulé.
4.2
Thèmes croisés
On dégage ici les résultats obtenus en croisant des savoir-faire relativement distincts au sein d’opérations de
recherches différentes et qui ont, de ce fait, élargi les capacités du laboratoire.
Micro-mécanisme du comportement des argiles
Une avancée quasiment spectaculaire a été établie dans l’observation des mécanismes de déformation des
argiles au MET avec des techniques de préparation très novatrices.
Interaction sismique sol-structure
Des collaborations renforcées dans le domaine du génie parasismique ont permis de décrocher plusieurs
contrats européens en faisant appel aux compétences simultanées en mécanique de sols et en propagation d’ondes.
Mécanique des nanotubes
Ici également la modélisation du comportement de ces matériaux est envisagée sous l’angle de de l’expérimentation,
de la physique statistique et de la modélisation mécanique.
Interaction ballast voie ferrée
Une recherche intéressante a été menée sur la résistance voies des LGV en mixant des compétences en propagation d’ondes, mécanique des matériaux granulaires et dynamique des structures.
Comportement des matériaux énergétiques
Les matériaux énergétiques comportent une matrice viscoélastique renforcée par des inclusions aux interfaces
desquelles des cavités peuvent naı̂tre. L’homogénéisation de tels matériaux pose des problèmes théoriques rarement
complètement abordés quant aux effets de mémoire associés.
Fracturation dynamique
Une nouvelle étude sur la fracturation des matériaux des cuves nucléaires pouvant manifester des instabilités
brutales démarre. Elle implique un savoir-faire en mécanique des matériaux et en calcul dynamique avec adaptativité car les dimensions respectives des fissures et de la cuve sont d’ordres de grandeur différents.
4.3
Thèmes et applications nouveaux
Il est vital pour un laboratoire de soutenir des thèmes nouveaux car les chercheurs qui s’y engagent prennent des
risques quant aux financements, à la reconnaissance de communautés nouvelles, ... A l’évidence, cela a nécessité
de la part de ces chercheurs de nouer de nouveaux contacts et de convaincre de l’intérêt de collaborer avec des
collègues issus de cultures différentes.
Dépollution
La laboratoire soutient une nouvelle action sur le comportement physico-chimique des barrières perméables
réactives dans le sol. Une expérience pilote a été mise en place et des mécanismes particuliers de rétention ont
été mis en évidence. La modélisation numérique, compte tenu des compétences du laboratoire, devra apporter des
informations complémentaires. Une partie de ce travail est effectuée en collaboration avec le laboratoire LPGM de
l’ECP et avec l’ESPCI.
Interfaces nanotubes des composites
La difficulté de produire en masse des nanotubes pouvant servir de renforts dans des matériaux composites
subsiste. Une idée très astucieuse a été proposée et brevetée au Laboratoire : faire croı̂tre les nanotubes sur les fibres
classiques de renforts de manière à améliorer la résistance si problématique de l’interface vis-à-vis du délaminage.
Les résultats sont très concluants, sollicitent beaucoup la curiosité des industriels si bien que le CNRS soutient le
projet par une aide à la valorisation conséquente. La modélisation progresse plus lentement mais les outils existent
au laboratoire pour avancer franchement.
Stochastiques
Le chantier de la modélisation stochastique est maintenant bien engagé et permet à présent de simuler l’écart
type de la solution en fonction de l’incertitude des champs de paramètres. L’enjeu porte à présent d’une part sur
la recherche de structure de modèles probabilistes compatibles avec la mécanique, et d’autre part sur l’inversion
de ces modèles. Ce travail est effectué en collaboration avec le LAM de Marne la Vallée et le LMS de l’Ecole
Polytechnique.
Réduction des vibrations par traitements viscoélastiques
La réduction des vibrations et par voie de conséquences des vibrations dans le domaine des transports constitue
une préoccupation industrielle très concurrentielle. La mise en place de traitements viscoélastiques sous forme de
films ou autres nécessite pour une conception robuste de réduire le nombre de degrés de liberté des modèles tout
en gardant une précision adéquate.
Spatial
En participant à un groupe piloté par le CNES sur la propagation des ondes liées aux chocs pyrotechniques
pendant la séparation des étages, déclenchant des accélérations et des fréquences élevées, des problématiques
nouvelles ont été initiées . Il s’agit de détecter les chemins privilégiés suivis par les ondes dans des structures très
complexes à l’échelle de la longueur d’ondes.
Matériaux ultra-légers
Les matériaux remplis de vides comme les laines de verre, ou les nida connaissent un essor très significatif.
L’architecture et la morphologie peuvent être périodiques ou très aléatoires si bien que les lois de comportement
macroscopiques ne peuvent être obtenues que par des simulations numériques intensives. Des exploitations statistiques des résultats en terme d’évolution du nombre de contacts suivant diverses directions doivent permettre d’analyser les propriétés de ces matériaux. Ces recherches sont menées par exemple avec l’ENSAM, Saint-Gobain...
Impacts
L’expérience acquise dans le domaine du contact-frottement s’était souvent limité au cas quasi-statique. Des
algorithmes nouveaux avec en particulier une réduction notable des oscillations parasites lors de chocs ont été mis
en place. Ces travaux intéressent beaucoup EDF pour les impacts de crayons de combustibles dans les réacteurs.
Biomécanique
Des applications des techniques de la micromécanique au comportement du tissu osseux ostéoporotiques sont
en plein essor. En l’occurence, cette approche procure un regard nouveau sur le potentiel de remodelage de ce
matériau, en examinant finement les hétérogénéités locales de porosité en relation avec la minéralisation par
exemple. Le dialogue très stimulant, initié avec des laboratoires des sciences du vivant est indispensable pour
avancer plus rapidement et pour cerner les enjeux.
Semi-conducteurs
A nouveau les approches micromécaniques appliquées ici au comportement des semi-conducteurs viennent
de démarrer, en collaboration avec le laboratoire d’étude des microstructures de l’ONERA et plus récemment le
SPMS de l’ECP. La fiabilité des semi-conducteurs est très influencée par le processus de dépôt de films minces et
par les concentrations de contraintes liées aux incompatibilités de réseaux entre les couches, de telle sorte que les
propriétés mécaniques peuvent constituer des verrous technologiques.
4.4
Publications
Toutes ces activités doivent se traduire par des publications scientifiques. Le laboratoire progresse sensiblement
et sûrement dans ce domaine.
F IG . 1.16 – Nombre de publications annuelles du laboratoire- Rang A
Le nombre de publications de rang A par chercheurs apparaı̂t tout à fait raisonnable compte tenu des activités
collatérales d’enseignement et de contrats.
Le laboratoire a organisé le Colloque National en Calcul des Structures en Mai 2001.
4.5
Formations
Le laboratoire a été traditionnellement adossé à trois DEA en tant que pilote :
– Mécanique des Matériaux
– Dynamique des structures et des systèmes couplés
– Mécanique des sols et des ouvrages dans leur environnement
La spécificité et la qualité de ces formations sont reconnues si bien que les étudiants ont de nombreuses propositions de thèses.
La réforme LMD a été opérée et le laboratoire pilote maintenant une grande partie du Master Matière, Structures, Fluides, Rayonnement (responsable Ph. Bompard) avec les spécialités suivantes :
– Dynamique des Structures et Systèmes Couplés
– Matériaux pour les Structures et l’Énergie
– Mécanique des Sols, des Roches, et des Ouvrages dans leur Environnement
Le recrutement a commencé à la rentrée 2004, année de transition. On notera qu’une formation M1 très
cohérente a été proposée et fonctionnera à la rentrée 2005.
F IG . 1.17 – Master recherche ECP
5
Positionnement du MSSMat
On essaye dans cette section de jeter un regard critique sur le laboratoire en examinant comment ses activités
rejoignent les objectifs affichés par les organismes de tutelle.
5.1
Au regard des objectifs du CNRS
On examine dans ce paragraphe comment le MSSMat remplit sa mission en tant que UMR du CNRS au sein
du département SPI. Cela permet une lecture différente des activités du laboratoire. Objectifs généraux du CNRS
On extrait certains des thèmes affichés auxquels le MSSMat participe en les explicitant
– Nanosciences : nanomécanismes de déformations, nanotubes
– Ingénierie de la santé : remodelage osseux,
– Matériaux multifonctionnels, intelligents
– Multiphysique : interaction sols-structures, milieux poreux, thermomécanique et prochainement piézoélectricité
5.2
Objectifs particuliers du SPI
On procède de même vis-à-vis de l’affichage des Sciences pour l’Ingénieur :
– le vivant et ses enjeux sociaux : voir ci-dessus
– l’environnement, l’énergie et le développement durable : dépollution des sols, stockage des déchets nucléaires,
comportement des matériaux du nucléaire, risque sismique, nuisances acoustiques et vibratoires
– les nanosciences : voir précédemment
5.3
Réponses aux objectifs de la section 9 du SPI
Enfin du point de vue des méthodes scientifiques mises en avant, on donne seulement quelques exemples
significatifs :
– Pertinence des modèles : couplage mécanique chimie pour la dépollution, détection des
–
–
–
–
–
–
–
5.4
nano/micro-mécanismes de déformations
Problèmes complexes : effet site ville,
Approches multi-échelles : mésoscope, méthode Arlequin,
Expérimentation sophistiquée : préparation des argiles au MET, croissance nanotubes sur renforts,
Expérimentation et simulation numérique intensive : Vibrations métro, ...
Méthodes inverses et d’optimisation : recalage de modèles dynamiques
Synthétiser les résultats de la recherche : codes CYBERQUAKE, SDTolls, Anais, ...
Au regard des objectifs européens
Les thèmes affichés par le 6ème programme de recherches qui peuvent être reliés à ceux du laboratoire sont
le développement durable et les nanosciences. Les travaux récents sur les semi-conducteurs ou les nanotubes
renforcent ce lien.
Les travaux dans le domaine de l’allègement des structures aéronautiques, de la fatigue, dans la réduction des
vibrations des moteurs ou des lanceurs sont pleinement dans le thème Aéronautique et Espace.
Les efforts récents en biomécanique permettent de cocher le thème biotechnologie pour la santé.
Un certain nombre de développements algorithmiques dans le domaine du calcul parallèle ou des développements
orientés objets devraient permettre d’émarger sereinement dans le domaine des Technologies pour la Société de
l’Information, mais cela n’a pas encore été creusé.
Malheureusement si les projets ont été couronnés de succès lors du 5ème programme, le 6ème a été pour le
moment un échec très décevant.
5.5
Au regard de l’industrie
Le laboratoire a entretenu des relations contractuelles suivies notamment avec les entreprises suivantes : ANDRA, BRGM, CEA, CNES, EADS, EDF, MICHELIN, PECHINEY, PSA, RENAULT, SNCF, SNECMA, SOLETANCHE, SNPE
Les industries traditionnellement concernées appartiennent aux secteurs de l’énergie et des transports. Le laboratoire peut ainsi compter sur un certain nombre de relations industrielles très fortes et pérennes avec BRGM,
EDF, PSA, Michelin, SNECMA en particulier.
Correspondant à des ouvertures récentes, de nouvelles relations ont été nouées par exemple avec le CNES,
EADS, ALTIS. Pour le moment, il semble plus problématique d’obtenir des soutiens dans le secteur médical.
6
Perspectives 2006-2009
On trace ci-dessous les recherches que pourrait développer le laboratoire, à partir de ses propres forces mais
aussi des relations récentes nouées avec d’autres laboratoires de l’Ecole Centrale (SPMS, LGPM, EM2C)
6.1
Méthodes scientifiques
Le laboratoire pourrait progresser dans les domaines suivants :
– Calcul des structures électroniques pour les joints de grain en combinant les compétences en calcul des
structures et en physique des matériaux
– Chemo-mécanique : coupler les modélisations chimiques et mécaniques pour les problèmes de dépollution
ou pour la modélisation de l’élaboration des nanotubes par CVD évidemment en collaboration
– Assimilation des données : croiser les données expérimentales multimodales (plusieurs sources différentes)
et les simulations numériques afin de renforcer la liaison calcul-expériences-problème inverse
– Multiphysique : mener une réflexion quantitative sur l’approche expérimentale et numérique de phénomènes
impliquant des champs de natures différentes, sur le découplage complet, partiel de ces champs du point de
vue algorithmique en temps et en espace
– Multiéchelle : renforcer les compétences du laboratoire en identifiant plus quantitativement la notion d’échelle
et ce qu’elle implique dans la hiérarchie des problèmes aux limites
– Dynamique des matériaux : le laboratoire bénéficiant d’un savoir-faire de pointe en mécanique des matériaux
et en vibration, approches rarement croisées ailleurs mais qui constitueraient un facteur de progrès important
– Champs aléatoires : les données sont entâchées de beaucoup d’incertitudes et la sophistication des modèles
rend certaines peu accessibles. Il est donc indispensable de renforcer cette problématique pour valider la
robustesse des observations, des calculs et des conceptions
Ces projets permettraient également de capitaliser les méthodes et les outils du laboratoire.
6.2
Projets d’équipements
Comme cela a été mentionné plus haut le laboratoire souhaite mettre en place une plate-forme originale en Ile
de France d’observations des nanoinfluences des matériaux au moyen de deux équipements :
– MET avec un canon à émission de champ (source cohérente et très brillante) muni d’un monochromateur,
permettant d’avoir une résolution en énergie de 0,1 eV, un correcteur de l’aberration de sphéricité permettant
une résolution spatiale proche de 0,1nm. Ces appareils permettent d’incliner l’objet de ±35◦ et d’un filtre
d’image pour faire de la cartographie d’éléments dans l’échantillon.
– nano-indenteur : ....
– aménagement des équipements de la travée 7 ”
L’objectif est également de développer l’ensemble de cette plate-forme en lien étroit avec les possibilités de
simulation numérique par exemple des structures électroniques
6.3
Applications
On énumère les applications nouvelles envisagées dans le nouveau contrat en se plaçant dans le cadre des
directives européennes :
Risques sismiques et environnement
–
–
–
–
Meilleure évaluation du risque sismique
Dépollution des sols
Stockage des déchets nucléaires
Nucléaire : amélioration plus précise de la sécurité et de la durée de vie des infrastructures nucléaires
Transports
Fatigue vibratoire (high-cycle fatigue) Réduction des vibrations : films viscoélastiques Projet fluide électrorhéologique pour le contrôle des vibrations par champ électrique grâce à des fluides à base de particules argileuses
(montmorillonite)
Développement durable
Matériaux légers : enchevêtrés, nida New-mat : Céramique avec le CEA
Sciences du vivant
Ostéoporose en collaboration avec le B2OA de Lariboisière Fiabilité des prothèses de l’épaule avec l’Hopital
du Kremlin-Bicêtre Mécanique de l’adhésion des cellules et application au phénomène de métastase avec l’Institut
Curie
Nanosciences
Nanoinfluences : ab initio, nanotubes Optimisation du procédé de CVD pur l’élaborationdes nanotubes an
collaboration avec EM2C de manière à accroı̂tre la production Semi-conducteurs avec le SPMS
7
Conclusion
II.2 – O P ÉRATIONS DE RECHERCHES
Opération de recherches
Milieux Poreux et Ouvrages
Géotechniques
Animateur Arézou M ODARESSI
Participants Fernando L OPEZ -C ABALLERO, Kamel H AMADI , Dimitri P ITILAKIS , The Dien N GUYEN, Sofia
D’AGUIAR
1
1.1
Activité scientifique
Objectifs
Cette activité de recherche concerne la modélisation des phénomènes physiques évolutifs rencontrés dans les
milieux poreux en général et le sol en particulier. Elle vise les objectifs suivants et s’appuie sur le projet GEFDYN :
– La maı̂trise de la simulation numérique des milieux polyphasiques sous chargements complexes et en particulier des chargements dynamiques ;
– La cohérence de la stratégie d’identification des paramètres du comportement des sols et les méthodes simplifiées par une analyse critique des méthodes complexes ;
– Amélioration des méthodes de dimensionnement en évaluant la marge de sécurité (analyse de stabilité, bifurcation, déplacements ...) ;
– Étendre le savoir faire acquis à d’autres types de matériaux.
1.2
Résultats principaux
La thématique de la modélisation en géomécanique est relativement bien développée, bien qu’elle ne soit
pas encore suffisamment utilisée comme un outil prédictif, des nombreux laboratoires français et internationaux
travaillent sur le sujet. Cependant, l’originalité de nos travaux réside encore dans le domaine du comportement
polyphasique et /ou dynamique non linéaire.
Effet de la non-linéarité du comportement des sols sur la réponse des géostructures : La thèse de Fernando Lopez-Caballero (00-03) couvre les trois premiers objectifs de cet OR. La géotechnique pratique utilise des
méthodes simplifiées différentes pour chaque niveau de dimensionnement.
Dans ce travail, l’influence du comportement non linéaire du sol sur les mouvements sismiques induits est
étudiée. Le domaine d’application des méthodes simplifiées a été exploré et des améliorations à apporter à ces
méthodes simplifiées vis-à-vis de la conception et la réglementation parasismique sont proposées. A titre d’exemple, on peut voir sur la figure 2.1 dans quelle mesure les méthodes classiques (traits pointillés) sous-estiment les
déplacements permanents lors des séismes de faible amplitude (kc∗ /amax > 0.8). En ce qui concerne l’interaction sol-structure, différentes méthodes sont bien développées dans le domaine du comportement linéaire. Cependant, l’approche de ce problème aux cas non linéaires reste à exploiter. La thèse de Dimitri Pitilakis (03-) traite
cette problématique dans le cadre du projet Européen NeMiSReF où les méthodes pour améliorer la performance
des fondations sont proposées et validées à partir des modélisations physiques (table vibrante, centrifugeuse) et
numériques (Collaboration avec Didier Clouteau OR ONDE). Toujours dans le même projet, nous avons analysé
l’utilisation des inclusions contre le risque de liquéfaction. La modélisation numérique des essais de liquéfaction
faits dans la centrifugeuse de Schofield Center à Cambridge a permis de valider le modèle utilisé dans GEFDYN
(Figure 2.2).
F IG . 2.1 – Thèse F. Lopez-Caballero : a) Correlation trouvée pour la compressibilité plastique Ep et Gmax , OCR
et σ0 pour différentes valeurs de Ip (Cas des argiles) b) Comparaison de la variation du déplacement u en fonction
du rapport kc∗ /amax pour un sol surconsolidé (OCR = 2) avec les modèles : déformable, SOF (Single Degree of
Freedom) et bloc rigide, dans des conditions drainées
F IG . 2.2 – Projet Nemisref : a) Comparaison de l’évolution des pressions interstitielles pour différentes techniques
d’amélioration des sols b) Comparaison des pressions interstitielles calculées avec GEFDYN avec celles obtenues
dans le centrifugeuse
Une grande réflexion et un travail important ont également été faits sur la méthodologie d’identification des
paramètres de la famille des lois de comportement élastoplastiques de l’École Centrale (Hujeux). On a pu établir
F IG . 2.3 – Thèse K. Hamadi : a)Directions de chargement instables lors d’un essai traiaxial drainé homogène, b)
zones instables lors d’un essai biaxial drainé, c) Isovaleurs de l’incrément de la déformation
une stratégie d’identification des paramètres cohérents de ce modèle à partir d’un minimum de données. Cette
stratégie, utilise à la fois des corrélations existantes pour le comportement des sables et des argiles et la synthèse
des résultats expérimentaux publiées dans la littérature. Elle permet de proposer des paramètres permettant de
modéliser le comportement des sols sur une large gamme de déformations dans des conditions d’essais différents
(triaxial, cisaillement, monotone, cyclique, drainé, non drainé, pressiomètre). Cette stratégie a été intégrée dans le
logiciel de calcul sismique CyberQuake du BRGM. Dans le cadre du contrat européen SuperTrack, en collaboration
avec l’OR ONDES, le comportement cyclique du ballast à été modélisé à partir des essais de laboratoire. Des
moyens de dialogue entre les logiciels MISS et GEFDYN ont été développés.
Risques naturels : La thèse de Stefania Sica (02) à l’Université Federico II de Naples, sur l’analyse sismique du
barrage d’El Infiernillo en Mexique, a permis de justifier l’utilisation de la simulation numérique et en particulier
GEFDYN pour l’étude des barrages en terre, surtout dans le contexte de la sécurité des ouvrages existants. Les
paramètres du modèle ont été identifiés (corrélations, essais du laboratoire), ajustés (construction, séismes de 1979
et 1985) et validés (séisme de 1990) en utilisant des résultats d’auscultation lors de différentes phases de la vie du
barrage.
La thèse de Kamel Hamadi (02-), s’articule autour des deux premiers objectifs de l’OR. Une analyse détaillée
des conditions d’instabilité et de bifurcation pour le modèle élastoplastique de l’ECP, dans des conditions drainées
et non-drainées, sur des chemins bi- ou triaxiaux a été effectuée. On démontre l’existence d’une loi de dilatance
ainsi que les domaines d’instabilité avant l’arrivé à la plasticité parfaite. L’influence de la dispersion du comportement sur la réponse moyenne de l’échantillon a été explorée à fin d’étudier l’existence d’un VER numérique. Des
simulations d’une fondation au bord d’un talus en 2D et 3D ont permis de détecter les zones instables précurseurs
des glissements de terrains. L’analyse biphasique est en cours sachant que l’eau est un facteur déclenchant des
glissements.
Autres milieux poreux : La collaboration avec Véronique Michaud de l’EPFL, dans le cadre de la thèse de Joëlle
Wolfrath (01-04), a permis de mettre en place un outil de simulation du procédé d’infiltration des polymères à fibre
de verre GTM (Glass Mat reinforced Thermoplastic) en utilisant GEFDYN. Ce travail a nécessité l’intégration
d’une loi de comportement bi-linéaire cyclique pour les couches de fibre de verre ainsi que la prise en compte
de l’écoulement d’un fluide compressible dans un milieu à double porosité. Après le travail de thèse de Thomas
Dopler sur les composites à matrice métallique, nous avons pu une fois de plus valoriser nos recherches dans
d’autres domaines que la géomécanique.
1.3
Perspectives
Les perspectives de cette opération de recherche se poursuivent dans le domaine de la modélisation des risques
naturels et des ouvrages géotechniques. Le travail sur les glissements de terrains sera poursuivi et différents facteurs
de déclenchements (séismes, écoulements d’eau, . . .) et modes d’instabilités seront analysés. Pour combler le fossé
entre les méthodes courantes d’ingénierie, basées sur des approches simplifiées ou empiriques et la modélisation
numérique, il faut opérer en suivant quatre stratégies : 1- augmenter la fiabilité des modèles numériques, 2- simplifier l’identification des paramètres des modèles, 3- faciliter l’utilisation des codes de calculs 4- élaborer une
méthodologie pour la prise en compte des incertitudes. Nous avons déjà largement œuvré suivant les trois premiers
objectifs, il faut maintenant approfondir le quatrième item, indispensable pour l’analyse des terrains naturels.
Ce dernier se fait dans le cadre d’une collaboration avec l’OR fiabilité des ouvrages. La collaboration avec les
collègues de la science des matériaux sera maintenue afin de contribuer à l’optimisation de la fabrication et des
performances des matériaux ayant les caractéristiques d’un milieu poreux.
2
2.1
Bilan scientifique
Formation
Diplôme d’HDR soutenu Arézou FARAHMAND R AZAVI -M ODARESSI, 2003, Modélisation des milieux poreux
sous chargements complexes.
Thèses soutenues
– Fernando L OPEZ -C ABALLERO, 2003,(Projets Européens & Convention BRGM) ”Influence du comportement non linéaire du sol sur le mouvement sismique induits dans des géo-structures”
– Kamran Charles VOSSOUGHI, 2001, (Convention CIFRE, Solétanche-Bachy, co-encadrement D. Gouvenot)
”Modélisation numérique des soutènements souples par ELU”, co-encadré avec D. Gouvenot.
Thèses en cours
– Sofia D’AGUIAR, (Allocation de Recherche), début oct. 2004, ”Conception des pieux sous chargements
dynamiques”,
– Dimitri P ITILAKIS, (Projet Européen), début sept. 2003, ”Influence du comportement non-linéaire du sol sur
l’analyse dynamique d’interaction sol-structure”,
– Kamel H AMADI, (co-encadrement F. Darve (INPG), Allocation de Recherche, ACI Catastrophes Naturels
LMSSMat/INPG/BRGM), début sept. 2002,”Modèle quantitatif tridimensionnel des glissements de terrain”.
2.2
Collaborations
Collaborations internes Les Opérations de Recherches : MILGRA, FIABOU, THMPOR et ONDES.
Collaborations externes
– Jaime Santos, Institut Supérieur Technique de Lisbonne : Interaction sol-structure sous chargements dynamiques et sismiques (Thèse Rui Gomez) ;
– Antonio Gomes Coreilla, Université de Minho, Mise au point d’un outil de calcul numérique pour les routes
et voies ferrées à grande vitesse (avec J-M. Fleureau) ;
– Amélioration des sols vis-à-vis des chargements sismiques (Universités : Thessaloniki, Cambridge, Bristol,
Buccarest et de Turin, Entreprises : Costamatopoulos & Associates, Soletanche-Bachy) ;
– Véronique Michaud, EPFL, Optimisation du procédé de fabrication des polymères GMT : EPFL (Thèse
Joëlle Worlfrath) ;
– Fédération F2M2SP :Groupe d’étude ”GEO”.
2.3
Publications
– A. Modaressi, J-J. Fry, Barrages et Remblais, Mécanique des sols non saturés, Coussy et Fleureau (eds),
Collection MIM (Mécanique et Ingénierie des Matériaux), Hermès, 2002.
2.4
Moyens financiers
– Contrats CNRS, Financement ministère :Programme de coopération Franco-portugais CNRS-ICCTI ;
ACI Prévention des Catastrophes Naturelles
– Contrats Européens
– NeMiSREF : New Methods for Mitigation of Seismic Risk of Existing Foundations ;
– SuPeRTRACK : Sustained Performance of Railway Tracks ;
– SiGroDi : Seismic Ground displacements as a tool for town planning, design and mitigation.
– Contrats industriels BRGM : Amélioration du modèle de comportement non linéaire existant dans le logiciel CyberQuake ; Vulnérabilité des structures soumis aux aléas naturels
– Cession de licence d’utilisation GEFDYN Dans la période 2000-2004, nous avons également livré des licences d’utilisation du logiciel GEFDYN aux entreprises ou établissements publics suivants : De Cerenville
(Suisse), EDF (France), EPFL (Suisse), Coyne et Bellier (France), NIIES (Russie), IST (Portugal), Université Federico II (Italie). Des séances de formation ont aussi été organisées.
Physique des milieux granulaires
Animateur P. E VESQUE
Participants F. A DJ ÉMIAN (01-04), A. A LLAOUI (02-04), A. T CHIGRAKOV, N. S ELIN, A. K UZAEV,
M. L ECONTE (04-05), V. KOZLOV (00-), A. I VANOVA (00-)
1
1.1
Objectifs
Une partie de l’originalité de ce thème provient de son orientation pluridisciplinaire : on cherche à appliquer
les méthodes de physique statistique, de la théorie des systèmes dynamiques et de mécanique des fluides aux
problèmes de mécanique des sols, de mécanique des poudres et des milieux granulaires. Une autre caractéristique
est son champ d’intérêt qui est relativement large, car l’opération s’intéresse à tous les types de comportement
du milieu granulaire (solide, plastique, liquide, gaz, mélange, stick-slip) et à différents types d’excitation (quasi
statique, vibration,. . .). Nous avons pu réaliser certaines expériences en micro-gravité et d’autres en centrifugeuses.
Un thème important à l’heure actuelle est celui du comportement d’un gaz granulaire dissipatif et la formation de
clusters, pour lequel la microgravité est essentielle. Mais plus généralement , les effets des vibrations deviennent
primordiaux dans le domaine spatial, car les forces inertielles ne sont plus petites devant les forces gravitaires.
Il s’ensuit un certain nombre de phénomènes nouveaux que nous cherchons à caractériser et à étudier. A plus
long terme, on cherchera aussi à développer une physique des fluides en apesanteur, pour : - rendre un certain
nombre d’expériences moins sensibles aux vibrations en apesanteur (cristallisation, changement de phase,. . .), pour contrôler les interfaces entre fluides en apesanteur. - pour gérer des milieux granulaires - plus généralement,
pour déterminer la mécanique des fluides hétérogènes sous vibration.
1.2
Résultats Principaux
La dynamique des milieux granulaires présente bien des facettes différentes ; c’est aussi un domaine de recherche très actif actuellement dans les différents domaines scientifiques concernés : physique, mécanique, géophysique, chimie, pharmacie,. . .. Dans la suite, on décrira essentiellement deux ou trois problèmes distincts, qui
permettent d’illustrer la position actuelle de l’équipe et reflètent l’état du débat scientifique, ses avancées et ses
limites avec ses transferts possibles de technologie, le développement de nouveaux diagnostics, et l’amélioration
des techniques expérimentales. Pour limiter le propos, on considérera ici un milieu granulaire soumis à des sollicitations cycliques variables et on montrera qu’il peut se comporter de façons très différentes : billard, gaz granulaire,
clustering, comportement liquide et convection, comportement plastique, stick-slip, propagation d’onde, diffusion
multiple acoustique. On trouvera plus ample information dans [49]. Puis on parlera d’avalanches. Mais avant tout
cela, on rappellera brièvement le travail et les résultats sur la mécanique quasi statique [P. Evesque, Eléments de
mécanique quasi-statique des milieux granulaires mouillés ou secs cf. http ://www.mssmat.ecp.fr/sols/Poudres&Grains/wpoudres-2000/num-spec/].
Mécanique quasi-statique des milieux granulaires : approche macro, et du micro-au-macro Le livre (P.
Evesque, Eléments de mécanique quasi-statique des milieux granulaires mouillés ou secs, Poudres&Grains NS1
(Décembre 2000)) propose (i) une nouvelle modélisa-tion de la rhéologie quasi-statique des petites déformations
et (ii) une description des propriétés statistiques des forces de contact et des distributions de vide. Cette dernière
permet de faire le lien entre les résultats de densification des poudres obtenus avec le tap-tap, et les méthodes
de liquéfaction quasi-statique ainsi qu’avec les approches de physique statistique initiés par Sam Edwards et P.G.
de Gennes (notion de compactivité,. . .). A l’heure actuelle, on poursuit la validation du modèle rhéologique en le
confrontant aux résultats expérimentaux existants et/ou produits par le laboratoire. Cela est propice à des collaborations internes sous formes de discussion (M. Hattab, A. Modaressi)
Vibration et physique spatiale : le cas du billard dissipatif Grâce à des expériences en vol parabolique (Airbus
A300 CNES), puis à une expérience en fusée sonde, l’équipe a montré que le comportement d’une bille dans une
boı̂te vibrée parallélépipédique n’est pas ergodique : la trajectoire de la bille se stabilise sur une portion de droite ;
il y a gel des degrés de liberté de rotation et des degrés de translation perpendiculaires à la direction de vibration.
La cause en est très probablement la dissipation engendrée par le couplage rotation-translation lors des collisions
avec la paroi, couplage et dissipation induits par le frottement solide . Ce résultat semble trivial. Il a une importance
capitale, puisque 90/100 des simulations portant sur les gaz granulaires négligent l’effet des rotations et ne tiennent
comptent que d’un coefficient de restitution moyen lors des collisions.
Vibration et physique spatiale : gaz granulaire dissipatif et « clustering » Les expériences en fusée sonde
(MiniTexus 5 et Maxus 5) ont montré la tendance naturelle du gaz granulaire à se densifier ; c’est probablement
d’un intérêt crucial pour la cosmologie, mais cela montre aussi que la forme naturelle du milieu granulaire est
un empilement relativement dense. De plus les expériences ont montré que la vitesse typique des particules était
inférieure à celle du container dès que les particules ont une probabilité plus grande de se rencontrer que de
rencontre une paroi. Ceci rend difficile l’application d’un modèle continu : tout d’abord, si l’on utilise un modèle
continu, le fait
√ que hkVboite ki > hkvbille ki nécessiterait de considérer que l’excitation mécanique est supersonique
car kvbille k T ∝ vitesse du son ; ceci conduirait à des équations hyperboliques. De plus, l’expérience spatiale
montre l’existence d’une condensation spontanée du système dès que les billes se rencontrent ; ainsi elle montre que
le système devient hétérogène au moment où l’on pourrait y définir une pression locale s’il restait homogène, c’està-dire au moment où l’on pourrait lui appliquer les hypothèses de la Mécanique des Mileux Continus (MMC)s’il
restait homogène. L’expérience en apesanteur a été primordiale pour détecter ces effets. Les simulations ne les ont
pas révélés et les expériences à 2d sont beaucoup trop couplées aux parois, et ne respectent pas la symétrie du
problème.
Comportement « fluide parfait » d’un milieu granulaire Lorsqu’un milieu granulaire est soumis à des forces
inertielles très intenses, elles dominent le comportement ; et les lois rhéologiques deviennent négligeables. Un
liquide dans les mêmes conditions est dit « parfait » puisqu’on peut négliger les effets visqueux ; sa physique
est dominée par la turbulence et par les instabilités de discontinuités tangentielles. Nous avons montré qu’on peut
observé des instabilités tangentielles à l’interface entre un milieu granulaire et le fluide dans lequel il est immergé,
et sous certaines conditions. Dans ce cas, le milieu granulaire se comporte approximativement comme un liquide
parfait (i.e. sans viscosité et sans frottement. L’expérience que nous avons montée pour mettre en évidence ce
phénomène consiste à vibrer horizontalement de façon très intense une cellule remplie de liquide et contenant
une couche épaisse de sable fin ; il se développe alors des instabilités de type Kelvin-Helmholtz à l’interface eausable, car le mouvement des deux couches provoquent une « houle ». Cette houle ne se propage pas car elle va
alternativement dans un sens puis dans l’autre ; mais elle s’efface dès qu’on arrête les vibrations, ce qui prouve le
caractère « liquide » du sable.
De même, on peut engendrer des oscillations paramétriques à l’interface liquide-milieu granulaire avec des
vibrations verticales. Ce type de comportement, même s’il est rare sur Terre, peut devenir prépondérant en apesanteur, car un milieu granulaire, même compacte, n’est soumis à aucune contrainte latérale dans ce cas s’il n’est pas
totalement confiné. Une meilleure connaissance de ces comportements permettra une meilleure gestion des fluides
et des milieux granulaires en micro-pesanteur.
Comportement « fluide plastique » d’un milieu granulaire Dans certains cas, on peut engendrer un écoulement
permanent dans un empilement granulaire grâce à des conditions d’excitation périodique quasi statique, simplement en lui imposant des cycles de contrainte-déformation. La convection provient de l’inhomogénéité des
déformations et de leur déphasage, et de la périodicité du forcage. L’écoulement s’obtient dès que l’amplitude
est finie, simplement par une inadéquation entre l’écriture du mouvement dans les coordonnées lagrangiennes et
eulériennes. C’est pourquoi,on a établit un parallèle entre ce problème et celui de l’”acoustic streaming” que les
ingénieurs rencontrent lorsqu’ils soumettent un liquide contenu dans un récipient à des ondes sonores de forte
intensité, ou qui pousse les poussières au noeud ou au ventre de vibration dans un tube de Kundt. Cependant, les
mouvements de convections ne sont pas identiques ; par exemple, dans un fluide visqueux, l’écoulement primaire
est localisé dans la couche limite visqueuse, mais le couplage visqueux entraı̂ne un écoulement secondaire dans
la cellule elle-même. On observe un comportement différent dans le cas d’un milieu granulaire : la convection
primaire est bien plus étendue ; c’est un effet du frottement solide. D’un autre côté, on n’observe pas d’écoulement
secondaire, car l’effet d’entraı̂nement visqueux est très faible et négligeable. Ceci montre la différence qualitative
de comportement qu’engendre le remplacement du frottement visqueux par du frottement ”sec” (solide). Mais ceci
a permis aussi d’aborder les problèmes de chaos déterministe et de cinétique de mélange, qui sont des problèmes
pratiques importants tant pour les milieux granulaires que plus généralement pour tout milieu fluide. C’est aussi
un problème capital en génie chimique ou en génie des procédés.
Etude du mélange et de la ségrégation d’un milieu granulaire La ségrégation est un des problèmes importants de la mécanique des milieux granulaires, avec un potentiel d’applications énormes. Pour cela il faudrait
savoir la contrôler, l’augmenter ou la diminuer. La ségrégation existe ; reste donc à chercher à la diminuer. Il
nous a semblé qu’un bon moyen était d’essayer d’augmenter l’efficacité du mélangeur. Ainsi, le problème de la
ségrégation pose aussi celui de l’écoulement des milieux granulaires, de la définition des mécanismes de mélanges
(tels la diffusion, la convection,. . .), mais aussi elle nécessite l’introduction du concept d’advection chaotique, qui
a déjà été introduit dans le paragraphe précédent. Ceci a permis de rappeler qu’un bon mélangeur doit générer des
écoulements tri-dimensionnels. Nous avons étudié ce phénomène de ségrégation dans le cas particulier du turbula,
qui est un instrument très utilisé en pharmacie. Les résultats obtenus montrent que les forces de mélange produites
par l’advection chaotique ne sont pas suffisantes pour lutter contre les forces de ségrégation ; par contre, nous avons
trouvé un mode de fonctionnement qui permet de réduire l’efficacité de la ségrégation en augmentant les forces
inertielles et en les rendant multi-directionnelles, car celles-ci permettent de ”modifier en permanence la direction
du champ gravitaire et de l’aligner sur la direction de l’écoulement.
Retour à la mécanique quasi-statique : Mécanisme d’avalanche et étude de la stabilité d’une pente Avec
A. Modaressi, nous avons cherché à étudier la limite de stabilité d’une pente par calcul numérique, en utilisant
un code par éléments finis et en étudiant la limite de stabilité d’une pente lorsqu’on l’incline progressivement.
(Prolongement de la Thèse de S. Boufellouh). Nous avons pu calculer la limite de stabilité d’une pente que l’on
incline progressivement. Nous nous sommes aperçu que la loi de Drücker-Prager conduisait à des résultats farfelus,
liés à sa formulation trop symétrique de son critère d’écoulement, qui lui permet pratiquement d’autoriser des
pentes verticales.
Retour à la mécanique quasi-statique : Stick-slip lors d’une compression triaxiale et « séismicité » La
compression triaxiale d’un échantillon de billes de verre sec se produit dans certains cas par des mouvements de
compression saccadé, appelé stick-slip. L’étude de ce phénomène a fait l’objet de la thèse de Florence Adjémian
[1], qui a montré en particulier que la distribution statistique des évènements changeait de forme en augmentant
la taille de l’échantillon, passant d’une distribution exponentielle à une distribution gaussienne. Nous poursuivons
l’étude de ce mécanisme en couplant l’expérience à une expérience de diffusion multiple ultrasonore (US). Les
ondes US que nous utilisons sont d’amplitude faible pour ne pas perturber le réseau des contacts. Elles se propagent
dans un matériau hétérogène à l’échelle de la longueur d’onde puisqu’il est formé de grains différents de taille
micro- ou milli-métrique. Se posent alors différents problèmes qui touchent à ceux (i) de la localisation des ondes
(localisation d’Anderson), (ii) de la diffusion simple, (iii) de la diffusion multiple, (iv) de la cohérence et des
interférences des ondes diffusées. Une expérience récente nous a permis de montrer que le signal diffusé permet
de sonder le milieu, de déterminer le nombre moyen de diffuseurs, et leur mouvement moyen au cours de la
déformation macroscopique.
1.3
Poudres & Grains
L’expérience d’édition se pousuit, avec la publication de quelques numéros de Poudres & Grains par an en
moyenne. Et la réflexion sur le devenir des publications scientifiques continue ; il est clair qu’une partie de la
communauté scientifique commence maintenant à fortement ressentir l’effet de la profusion de publications, et
commence à réagir aux effets d’annonce trop nombreux.
1.4
Perspectives
Le champ déjà concerné par cette opération est très vaste. Beaucoup reste donc à faire rien que dans son prolongement direct. En particulier , nous pensons fournir un effort particulier pour des expériences dans le domaine
spatial et des vibrations. Le but recherché est à la fois fondamental (meilleure connaissance des lois et des effets
des vibrations), mais il est aussi appliqué, car cette recherche devrait aboutir à terme à un meilleur contrôle des
fluides hétérogènes non confinés.
Bien entendu, nous espérons développer l’expérience sur le gaz granulaire en apesanteur ; elle a déjà apporté
beaucoup en démontrant en particulier que l’effet des rotations était très important. On espère aussi qu’elle initiera
une collaboration importante avec la communauté des physiciens du granulaire. Ces deux expériences sont soutenues par l’ESA et le CNES ; ceci nécessite un travail important ; elles doivent donc correspondre à une large part
de l’opération de recherche MILGRA dans le proche avenir.
Cependant nous poursuivrons notre activité dans les autres thèmes de l’OR, dans la mesure du possible. En
particulier, dans le domaine plus terre-à-terre du comportement rhéologique quasi statique des milieux granulaires,
nous poursuivrons le test des lois que nous avons proposées, nous poursuivrons le développement d’une expérience
utilisant la diffusion ultrasonorenous pour caractériser le mouvement des grains à l’échelle locale. Sans compter
les collaborations nouvelles qui sont toujours source de stimuli intellectuelles.
2
2.1
Bilan Scientifique
Thèse
Florence Adjemian : ”Stick-slip et transition de broutage dans les essais triaxiaux sur billes de verre ” ; thèse
Ecole centrale Paris, début : Oct. 2000. Soutenue, le 18 Février 2003, ECP.
2.2
Collaborations
Collaborations intérieures M. Hattab, A. Modaressi, J. Bai
Collaborations extérieures
– GDR : GDR MIDI, GDR 2258 «Phénomènes de Transport et Transitions de Phase en Micropesanteur»,
GdR 2799 ”Micropesanteur Fondamentale et Appliquée”
– Perm University, Perm ped. University,
– ENS Paris, ENS Lyon, CNRS Marseille, CNRS Bordeaux, CEA
– Univ. Metz, Faculté de pharmacie (Orsay)
– Topical Team Chemical Physics in near critital and supercritical fluids
– Association pour l’Etude de la micromécanique des milieux granulaires (Coordinateur)
– Congrès Powders & Grains
– Topical Team ESA Vibration (coordinator)
2.3
Publications
– P. Evesque, D. Beysens & Y. Garrabos, Mechanical behaviour of granular-gas and heterogeneous-fluid systems submitted to vibrations in micro-gravity, J. de Physique IV France 11, Pr6-49 to 56
– P. Evesque, Snapshots on Some Granular States of Matter : Billiard, Gas, Clustering, Liquid, Plastic, Solid,
In GRANULAR MATERIALS : fundamentals and applications. pp. 29-62 (Ed by S. Antony, ed. Royal
Society of Chemistry, 15 FEB 2004), IS(01) : 0854045864 .
– P. Porion, N. Sommier, A.M. Faugère & P. Evesque, Dynamics of size-segregation and mixing of granular
materials in a 3d-blender by NMR Imaging, Powder Technology 141, 55-68, (2004)
– F. Adjémian & P. Evesque, Experimental study of stick-slip behaviour, International Journal for Numerical and Analytical methods in geomechanics [Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech.] 28, 501-530 (2004)
10 :1002/nag350
2.4
Moyen financier
– Contrats CEA, CNES et ESA
– Financements ECP (équipement mi-lourd et salaire de professeur invité)
– Un certain nombre de financements n’appararaissent pas dans le bilan financier du laboratoire : Financement
par le CNES et l’ESA du ticket de vol de quelques campagnes Airbus A300-zéro-g (∼
= 50k ∈ par campagne) ;
Financement par l’ESA des tickets de vol et des expériences ”vibration” des fusées MiniTexus 5 et Maxus 5
(∼
= 2, 2M ∈ par fusée sonde) ; Financement d’un post-doc CNES pour 2004-2005.
Dépollution des eaux souterraines
Animateur Daniel G OUVENOT
Participants Chercheur : Arezou M ODARESSI, ITA : Martine PALECZNY, Doctorants : Marie Z A ÏTER, Benoı̂t
C OURCELLES.
1
1.1
Objectifs
Une méthode de traitement de nappes phréatiques polluées consiste à mettre en place des Barrières Perméables
Réactives (BPR) directement dans le sol. L’objectif de cette OR réside dans la modélisation du comportement de
ces BPR sur le plan chimique et physique. Trois étapes sont prévues pour réaliser cet objectif :
1. Mise en place d’une expérience pilote sur une BPR à échelle réduite.
2. Etude des mécanismes de rétention, modélisation numérique.
3. Etude du colmatage physique, complexification du modèle numérique.
1.2
Principaux résultats
Le premier objectif de la recherche consistait à réaliser des essais au laboratoire : essais à l’équilibre en statique,
essais de percolation en dynamique dans le but de définir les qualités de rétention des filtres, ainsi que les effets
secondaires sur les caractéristiques mécaniques et physiques de leurs constituants.
Afin d’étudier l’adsorption de l’arsenic sur plusieurs types d’alumine et l’échange ionique avec une résine, des
essais en batch ont été réalisés sur les matériaux rétenteurs suivants : alumine (dopée ou non à la chaux ou à
l’oxyde de fer), résine et oxyde de fer amorphe. Les essais réalisés pour déterminer les propriétés de l’alumine ont
démontré qu’il s’agissait d’une pseudo-boehmite, retenue pour sa stabilité chimique et mécanique, ses propriétés
hydrauliques, sa surface spécifique (230−300m2 /g), sa capacité d’adsorption (5−20mg/g) dans une large gamme
de pH et sa granulométrie adaptée à une utilisation en porte filtrante.
L’interprétation des résultats de batch indiquent que trois mécanismes de rétention
sont à priori envisageables :
– physisorption par interaction électrostatique
entre la surface chargée positivement et les anions en solution.
– chimisorption par formation sélective de complexes de surface par pénétration de l’oxygène du groupement
hydroxyle dans la sphère de coordination de l’anion arséniate.
– coprécipitation par dissolution partielle de l’alumine suivie de la formation de complexes d’arséniates d’aluminium insoluble.
Par ailleurs, afin de pouvoir reproduire au mieux le transport dans les BPR, des essais ont été effectués sur des
colonnes de 16cm de hauteur et de 2cm de diamètre montées en série. Les percolations ont été réalisées de bas en
haut avec une eau industrielle fortement chargée en arsenic et des débits de 0.05 l/h ou 0.1 l/h permettant reproduire
à l’échelle les conditions d’écoulement du site. Afin d’étudier l’effet de la granulométrie sur l’adsorption, la taille
des grains d’alumine était comprise dans les intervalles suivants : 0.5-1 mm, 1-2 mm ou 2-3 mm. Les résultats
expérimentaux en colonne, comme ceux en batch, présentaient une cinétique de réaction de second ordre. Suite
F IG . 4.1 – Caractéristiques de réaction de matériaux rétenteurs d’arsenic
à ces essais, une première modélisation du transport de l’As(V) a été abordée. Il s’agissait d’écrire les équations
de conservation de masse pour l’arséniate dans le système (liquide + solide) pour un transport convectif-diffusif
avec adsorption. Plusieurs modèles d’adsorption peuvent être rencontrés dans la littérature, mais contrairement à
l’utilisation d’une isotherme d’adsorption linéaire (qui permet de résoudre facilement l’équation de transport, mais
qui donne des courbes de percée décalées par rapport aux courbes expérimentales), l’utilisation d’une isotherme
non linéaire du type Langmuir rend la convergence très difficile. La finalisation de cette étude consistera à utiliser
directement la cinétique de réaction obtenue empiriquement, ainsi qu’à étudier l’importance de la convection par
rapport à la diffusion ou l’adsorption sur l’évolution de la résolution numérique.
L’étude du colmatage par les fines particules en suspension a débuté par une bibliographie touchant des problèmes
connexes comme la stabilité interne des sols ou leur injection. Parmi tous les types d’érosion interne (boulance,
suffusion, érosion régressive, débourrage...), nous nous sommes particulièrement intéressé à la suffusion, qui qualifie le mouvement de grains de petite taille, non structuraux, lorsque la vitesse d’écoulement dépasse un certain
seuil critique. Habituellement, nous dimensionnons les matériaux de manière à éviter la suffusion, qui est une
forme d’instabilité. Cependant, dans le cas de l’étude du colmatage d’un filtre, nous souhaitons, en quelque sorte,
que l’ensemble « filtre + matières en suspension» soit suffusif, c’est-à-dire que les fines puissent se déplacer librement dans le filtre. Parmi tous les critères étudiés, le plus intéressant semble être celui de Burenkova fondé sur les
diamètres caractéristiques de la courbe granulométrique du sol. Selon ce critère, le caractère suffusif d’un sol peut
être évalué en fonction des diamètres passants à 15, 60 et 90 pourcent de sa courbe granulométrique. Nous pouvons
donc exploiter la granulométrie d’un filtre de barrière perméable réactive pour déterminer le diamètre maximal des
particules pouvant se déplacer dans ce dernier.
Afin d’étudier l’application et la validité de ce critère purement géométrique dans le cas des BPR, nous avons
réalisé des filtres inertes, en gravier, d’une granulométrie proche de celle de l’alumine. Les critères de colmatage
prévoyaient alors une rétention des particules d’un diamètre de l’ordre de 0,3mm. Nous avons donc réalisé des
essais avec de l’eau de percolation contenant des particules en suspension à une concentration de 100mg/L et dont
le diamètre se situait entre 0,2 et 0,5mm dans un premier temps, puis entre 0,125 et 0,2mm dans un second temps.
En concordance avec nos attentes, nous avons observé un colmatage uniquement dans le premier cas. L’ordre de
grandeur donné par ces critères semble donc respecté, mais nous ne saurons nous limiter à ces seules expériences.
Il nous faudra, pour valider le modèle, réitérer ces essais pour des matériaux différents (car la forme des grains
peut influencer le colmatage) et pour des concentrations en fines et des débits de percolation différents.
1.3
Perspectives
La modélisation numérique du fonctionnement complet du filtre, tant sur le plan phyque et mécanique que
chimique, constitue l’objectif final de cette OR. La validation de ces modèles se fera finalement par le biais d’essais
sur des filtres à échelle industrielle.
La première modélisation ne visait qu’à modéliser les essais en batch et en petites colonnes de percolation ;
elle ne traitait donc que des réactions chimiques. Par contre, la modélisation de la BPR à échelle réduite s’avère
plus complexe car nous devons prendre en compte le colmatage physique lié aux fines particules ou aux précipités
formés au sein des filtres. L’une des approches envisagées pour cela est un modèle global, qui consiste à considérer
le milieu poreux dans son ensemble en lui attribuant une porosité variable, des caractéristiques de rétention et de
transport variables selon la nature des particules présentes dans l’eau polluée :
1. Les éléments solubles, qui ne subiront que les réactions chimiques.
2. Les particules de faibles dimensions, type colloı̈des, qui feront l’objet de forces hydrauliques, mais aussi
d’interaction ou de répulsion avec les autres particules ou les grains du milieu poreux.
F IG . 4.2 – Principe d’optimisation du dimensionnement des Barrières Perméables Réactives
F IG . 4.3 – Pilote expérimental (Reproduction à échelle réduite d’une BPR)
3. Les particules de grandes dimensions, type fines sableuses, pour lesquelles les forces hydrauliques seront
prépondérantes.
Les essais réalisés sur le pilote expérimental permettront de caler le modèle de transport et de rétention des
polluants compléxifié par l’introduction de critères de colmatage. Pour cela, nous testerons des eaux de synthèses
dont la composition sera parfaitement connue, puis nous ferons quelques essais sur des eaux prélevées sur des sites
pollués.
2
2.1
Bilan scientifique
Formation
thèses en cours
– Marie Zaı̈ter, ”Etude des barrières réactives filtrantes de l’arsenic : Conception, Expérimentation, Modélisation”.
– Benoı̂t Courcelles, ”Etude et modélisation du colmatage physico-chimique des Barrières Perméables Réactives ;
Etablissement de règles de dimensionnement de filtres ; Application à des cas concrets de réhabilitation de
sites pollués ”.
2.2
Publications
Conférences internationales avec comité de lecture
– M. Zaı̈ter, A. Modaressi, D. Gouvenot, A. Esnault-Filet, J.B. d’Espinose de la Caillerie, 2004, ” Barrières
Perméables Réactives (BPR) : Application à la filtration d’eaux contaminées à l’arsenic”, Geo-Beyrouth
2004, 19-22 Mai 2004.
– A. Esnault-Filet, D. Gouvenot, M. Zaı̈ter, A. Modaressi, J.B. d’Espinose de la Caillerie, ” PRB for the
removal of arsenic from underground polluted water : methodology and results of feasibility study”, First
International Symposium of Permeable Reactive Barriers, Belfast, 14-16 March, 2004.
Conférences Nationales avec comité de lecture
– M. Zaı̈ter ; A. Modaressi, D. Gouvenot, A. Esnault-Filet, J.B.d’Espinose de la Caillerie, ”Couplage Adsorption/Transport lors dela filtration d’eaux contaminées à l’arsenic ”, JMP 2003, sixièmes journées des milieux
poreux, Toulouse, 12-14 Novembre2003.
2.3
Moyens financiers
– Soutien ECP/MSSMAT : acquisition d’un pilote expérimental, reproduction à échelle réduite (1/10e) d’une
barrière perméable réactive, d’une valeur de 30000 Euros.
– Contrat SOLETANCHE-BACHY / Centrale Recherche SA (thèse de Marie Zaı̈ter).
– Contrat CIFRE entre SOLETANCHE-BACHY, l’ECP et l’ANRT (thèse de Benoı̂t Courcelles).
Fiabilité des ouvrages
Animateur Jean Louis FAVRE
Participants Nadia S ADKI (00-01), Wassim R APHAEL (00-02), Smaine M EKKAOUI (00-02), Farhad E LMI
(00-03), Robert N INI (00-04), Christophe L ACAZE (01-04), Khelifa B EN M OUHOUB (03-)
Didier C LOUTEAU, Daniel G OUVENOT, Madhia H ATTAB, Fernando L OPEZ -C ABALLERO, Arezou M O DARESSI .
1
1.1
Objectifs
Cette opération de recherche a pour objectif de prendre en compte le poids des incertitudes des propriétés
des matériaux sur la sécurité des ouvrages et des sites. Cette opération s’appuie sur l’analyse de données et la
géostatistique pour prévoir les paramètres de projet et réduire les variances ; elle conduit à des modèles de terrain
ou des cartes de susceptibilité puis à des probabilités de ruine d’ouvrages par les théories des champs de moyenne
locale et de la fiabilité.
1.2
Prévision du pénétromètre à partir des essais sismiques ”grands fonds” Initiée par une modélisation stratigraphique d’un champ offshore et une prévision spatiale de la cohésion non drainée de projet [343], cette opération
s’est déroulée dans le cadre du projet ” ESPADON - Corrélation, Intégration et Estimation Spatiale des Données
de Reconnaissances d’Origines Diverses ” piloté par Fugro-France. Elle avait pour mission de prédire par grands
fonds les propriétés des sédiments à la rupture à partir de mesures sismiques pour éviter des frais prohibitifs de
reconnaissances géotechniques.
Le couplage entre la sismique et le pénétromètre, paradoxal puisque concernant les domaines extrêmes du
comportement, a fait depuis longtemps l’objet de constatations statistiques mais n’avait jamais fait l’objet d’une
simulation.
La modélisation du sol a nécessité une loi ”fine”, élastoplastique avec écrouissage. Cette loi doit être capable
de décrire le comportement du sol depuis ≈ 10−6 jusqu’à la rupture L’opération a utilisé le modèle ”Hujeux”
du laboratoire et développé le mode d’identification de ses paramètres [309] L’inversion de la sismique réflexion,
réfraction et ondes de surface fournit une solution unique pour l’épaisseur des couches, jusqu’à 30 m, et les 2
paramètres de l’élasticité ”vraie : < 10−5 ” de chacune [470]. Les autres paramètres du modèle sont donnés
par des abaques et corrélations à partir de la nature du matériau. La simulation du pénétromètre est basée sur la
modélisation de l’expansion de cavité avec validation sur des essais en chambre de calibration et sur la méthode
de Salgado [227] avec validation sur un site terrestre, à défaut de mesures en grands fonds non encore disponibles
dans le projet.
L’exploitation des données de ce site a consisté en :
– le dépouillement des données sismiques par la méthode SASW
– l’estimation des paramètres de grandes déformations,
– l’étude de sensibilité de la simulation,
– la comparaison avec les mesures pénétrométriques
La bonne concordance entre les simulations de la résistance de pointe du pénétromètre et les mesures est
confirmée par les corrélations tirées de la littérature (figure 5.1) [229].
F IG . 5.1 – Résistance de pointe du pénétromètre en fonction de la vitesse des ondes S : concordance entre la
simulation, les mesures et les statistiques pour le site étudié.
Ainsi, à partir de mesures sismiques en continu, beaucoup moins onéreuses, par grande profondeur, que des
essais pénétrométriques, on peut prédire les propriétés à la rupture des sédiments marins pour l’enfouissement de
câbles ou de pipes-lines, des essais pénotrométriques très espacés (kilométriques) n’étant nécessaires que pour
caler le modèle.
Caractéristiques géo-mécano-statistiques des sédiments ”grande profondeur” Dans le cadre des projets ESPADON (Fugro-France) et ”Mécanique des sols grande profondeur” (IFREMER), cette opération avait pour mission d’exploiter une carotte de 17 mètres, prélevée par 700 mètres de profondeur, pour modéliser spatialement ses
caractéristiques. Chaque tronçon de 1 m a été découpé en 6 sous tronçons égaux pour avoir un pas de mesures très
régulier et très fin.
Sur chaque tronçon ont été réalisés :
– 6 mesures d’arrangement des grains,
– 19 mesures de nature des grains,
– 23 mesures de paramètres mécanique du sol.
Ce très grand nombre de mesures (près de 600 réalisées avec le LPMM de Metz) avait pour but de discerner entre
un comportement standard (comportements de référence) et un comportement spécifique de ces sédiments ”grande
profondeur” et d’en faire une modélisation par fonctions aléatoires de l’espace.
Ce matériau s’est avéré ne pas être a-typique : dépôt homogène de type smectite, à la limite de liquidité, avec
un comportement proche des argiles naturelles terrestres normalement consolidées (triangle marrons sur la figure
5.2, gauche), présentant une légère cohésion (figure 5.2, droite), du type cimentation due aux interactions physicochimiques [445]. Les essais triaxiaux, très délicats, ont été réalisés à très faible contrainte effective, proche de la
contrainte en place, pour ne pas casser cette faible cohésion.
Les variogrammes des paramètres étaient de type parabolique. Les tendances sont linéaires en fonction de la
profondeur et les dispersions à peu près constantes. Les distances d’auto-corrélation ont été étudiées avec diverses
stationnarisations : elles sont de l’ordre de 30 à 40 cm avec un modèle nouveau de variogramme à trou et un faible
effet de pépite pour certaines propriétés (qualité des mesures)(figure 5.3) [441].
Ces sédiments marins grande profondeur semblent présenter des comportements assez standard d’argiles terrestres normalement consolidées à faible cohésion physico-chimique. Leurs fonctions aléatoires de l’espace ont des
tendances linéaires, une dispersion à peu près constante avec une micro-structure de 30 à 40 cm, zone jusqu’alors
très peu explorée. Par contre, le premier mètre qui reste à analyser (problème du remaniement de ce tronçon à son
ouverture) peut révéler un comportement très particulier.
Couplage mécano-fiabiliste ”Gefdyn-Phiméca” : fiabilité des ouvrages de soutènement Dans le cadre du
projet FIABECRAN de la Fédération Nationale des Travaux Publics, cette opération de recherche qui vient de
commencer, vise à doter le laboratoire d’un outil de calcul par la méthode des éléments finis stochastiques (MEFS)
grâce au couplage de son logiciel EF et du logiciel fiabiliste de l’Institut Français de Mécanique Avancée (IFMA)
de l’Université de Clermont Ferrand. La collaboration avec l’IFMA avait été initiée par une collaboration avec
le SETRA et l’Ecole Supérieure d’Ingénieurs de Beyrouth, pour étudier le fluage des structures en béton armé et
précontraint[336]. Le couplage choisi a été le couplage universel : Il consiste à écrire une procédure externe en C++
qui permet de lire le fichier d’entrée du code EF, écrit dans le code fiabiliste. Le fichier des résultats est récupéré
F IG . 5.2 – (gauche) Variation de la cohésion non drainée avec la profondeur et comparaison avec le comportement
type des argiles remaniées normalement consolidées. (droite) Essais triaxiaux non drainés à très faibles contraintes
F IG . 5.3 – Variogrammes théorique et expérimental
de la cohésion non drainée.
F IG . 5.4 – Croisement des modalités fortes des 5
facteurs de grands glissements au Liban
par ce dernier qui relance les calculs jusqu’à convergence. Un maillage stochastique plus lâche doit permettre de
déclarer les variances-autocovariances spatiales réduites des variables aléatoires (champs de moyenne locale).
Une première analyse [445], menée pour le déplacement horizontal en tête, avec le module de Young et de
l’angle de frottement interne aléatoires, a donné des résultats conformes à l’expertise (figure 5.5) Une autre analyse a porté sur les règles de calcul de l’Eurocode 7 (EC7)pour les 4 états limites possibles avec leurs 3 cas de
vérification. Elle indique une certaine disparité entre ces états limites.(tableau 5.5). Elle pose la question de la
calibration des coefficients partiels de sécurité utilisés par l’EC7. L’opération se poursuivra avec la calibration
et l’optimisation des coefficients partiels de sécurité de l’EC7 et la probabilisation d’états limite en déformation
(critère de Hill, travail du second ordre, etc.)
Cartographie de la susceptibilité aux ”grands glissements de terrain” au Liban Cette opération poursuit
la cartographie de la susceptibilité aux ”MVT” réalisée avec le BRGM dans le Trièves [97]. La susceptibilité
est un aléa a-temporel, fonction des facteurs permanents et conditionnel à un facteur déclenchant. Les données
cartographiques très insuffisantes au Liban sur les facteurs et les événements ont conduit à s’appuyer sur 5 cas
de grands glissements en formations meubles hétérogènes [320] pour trouver les modalités fortes des facteurs
permanents et esquisser une première cartographie à grande échelle. (figure 5.4). Ces 5 grands glissements ont fait
l’objet d’une approche par expertise et d’une approche par modèles analytiques probabilistes. Cette cartographie
à grande échelle (1/200.000), première au Liban, donne les zones sensibles susceptibles d’une cartographie (par
expertise, statistiques (données sous SIG) ou modèles analytiques probabilistes) à une échelle plus fine (1/50.000
ou 1/10.000) compatible avec les problèmes d’aménagement du territoire.
Cas A
Cas B
Cas C
Efforts
excessifs
4.02
3.85
2.90
Insuffisance
de butée
3.18
2.85
2.41
Tirant
d’ancrage
5.58
5.49
3.10
Rupture
d’ensemble
13.01
12 .01
10.06
F IG . 5.5 – (gauche) Indices de fiabilité pour 4 états critiques et leurs 3 cas de vérifications, (droite) Distribution de
probabilité du déplacement en tête de soutènement. La probabilité de dépassement du maximum autorisé, 0,2 %
de la hauteur de la paroi soit 3,2 cm, est de 7 10−6
2
2.1
Bilan scientifique
Formation
Thèses soutenues
– Nadia S ADKI, janvier 2001 ” Faisabilité de modèles de terrain offshore”, Bourse Ministère.
– Smaı̈ne M EKKAOUI, février 2002 ” Modélisation de l’incertain sur les essais triaxiaux en grandes déformations
sur sols remaniés”, Bourse Franco-Algérienne.
– Wassim R APHAEL, décembre 2002 ” Etude fiabiliste du fluage des structures en béton armé et précontraint”,
Enseignant à l’ESIB - Liban.
– Farhad E LMI, septembre 2003 ”Détermination des propriétés des sols marins par reconnaissances géophysique
et géotechnique”, Bourse EGIDE de Fugro-France.
Thèses en cours
– Robert N INI Déc. 2004, ”Cartographie de la susceptibilité ”Grands Glissements de Terrain” au Liban”,
Enseignant à Balamand-Liban.
– Christophe L ACAZE Oct. 2005, ”Analyse des petites aux grandes déformations des sols naturels ; limons
onshore et argiles offshore”, Bourse Ministère puis solde officier.
– Khélifa B EN M OUHOUB septembre 2006, ”Analyse fiabiliste des écrans de soutenement”, Bourse EGIDE
de la FNTP.
Collaborations
– Univ. Saint Joseph - Liban : G. R AHHAL, Co-encadrant de R. Nini
– Univ. Blaise Pascal - IFMA - Clermont Ferrand : A. M OHAMED, Projet Fiabécran
– Univ. de Metz - LPMM : M. H ATTAB, Projet ”Mécanique des sols grande profondeur”
– Centre de recherche : LCPC, SETRA, BRGM, IFP, IFREMER.
– Industrie : FNTP, Fugro-France, Solétanche/Bachy.
2.2
Bilan des publications
– Leroy E., Favre J.L., and Rezig S. Cartographie de l’aléa mouvements de terrain par analyse statistique sous
SIG. Revue Française de Géotechnique, (95/96) :155 – 163, 2001.
– Mekkaoui S. and Favre J.L. Aide à la décision pour la qualification des essais mécaniques. Revue Française
de Génie Civil, 63 :355 – 371, 2002.
– Elmi F. and Favre J.L. Cone penetration modelling in cohesive soil by numerical cavity expansion method.
In Procs of Int. Worshop on Geotechnics of Soft Soils - Theory and Practice, 2003.
– Favre J.L. Sécurité des ouvrages. Risques : Modélisation de l’incertain, fiabilité analyse de risques. Ellipsestechnosup edition, 2004.
2.3
Moyens financiers
Contrats industriels – Contrat Fugro-France : 2000-2004
– Contrat IFREMER : 2002-2004
– Contrat FNTP : 2002-2005
Couplages multi-physiques dans les
matériaux granulaires
Animateur Jean-Marie F LEUREAU
Participants Mahdia H ATTAB
Doctorants et Post-Docs : Soumia B OUZIRI, Octavio C ORONADO, Emmanuel D UFOUR -L ARIDAN, MoulaySmaine G HEMBAZA, Xavier G UILLOT, Sigit H ADIWARDOYO, Suhail K HATTAB, Saoussen L ARIBI, TheDien N GUYEN, Wiwik R AHAYU, Chahira S AYAD, Hanène S OULI
1
1.1
Objectifs
L’objectif de l’O.R. est d’analyser et de modéliser le comportement macroscopique des sols et matériaux granulaires et les différents couplages (mécanique, hydrique, hydraulique, thermique, physico-chimiques) qui interviennent en utilisant une approche multi-échelles. Trois thèmes ont été plus particulièrement étudiés dans les
dernières années : (a) Approche nano-micro-macro et couplages physico-chimie/mécanique au sein des milieux
argileux, (b) Comportement mécanique à différents niveaux de déformation des sols partiellement saturés, (c)
Perméabilité des argiles.
1.2
Approche multi-échelles et couplages physico-chimie/mécanique au sein des milieux argileux Les mécanismes de déformation des argiles sont très complexes et il est parfois nécessaire de les examiner à une échelle
micro ou nanoscopique pour pouvoir expliquer les phénomènes observés à l’échelle macroscopique. Les analyses
physico-chimiques, éventuellement couplées à des observations au MEB ou au MET, permettent d’interpréter
les modifications de texture, de porosité et de répartition de l’eau interstitielle dues à des changements de l’état
hydrique ou de contraintes du sol, ou provoquées par l’addition de produits chimiques. A terme, l’objectif est
de parvenir à modéliser le comportement macroscopique à partir des mécanismes élémentaires. Un travail très
important a été accompli dans ce sens durant ces dernières années dans les thèse de X. Guillot (02), de S. Laribi
(03), de W. Rahayu (03) (figure 6.1) et de S. Bouziri (en cours) pour étudier le rôle des contraintes et de la pression
interstitielle. Parmi les résultats importants obtenus, on peut citer les relations qui ont été établies entre les chemins
hydromécaniques suivis et l’état du sol à l’échelle des particules ([247], [289], [64], [259], [333], [354]). La même
démarche a permis d’analyser l’effet de produits chimiques sur les interactions entre les grains dans le cas où on
ajoute de la chaux à une argile (thèse de S. Khattab, 02) et dans le cas où l’argile se trouve en présence de polluants
métalliques (thèse de H. Souli, en cours).
Les moyens d’observation modernes, tels que le microscope électronique à transmission haute résolution
couplé à la spectroscopie de perte d’énergie d’électrons permettent d’avoir accès à des échelles de plus en plus
fines, jusqu’à celle des atomes. Les résultats obtenus par S. Laribi dans sa thèse, en collaboration avec B. Jouffrey, constituent des avancées remarquables dans ce domaine sur le plan international . L’étude de ces techniques,
très prometteuses pour améliorer la compréhension de nombreux mécanismes, dont le gonflement des argiles, se
poursuit en collaboration avec EDF dans le cadre d’un post-doc.
F IG . 6.1 – Photo au cryo-microscope électronique à balayage d’une tourbe avant et après consolidation (W.
Rahayu, en coll. avec F. Laggoun-Défarge et C. Défarge)
F IG . 6.2 – Variation du module élastique d’un matériau granulaire indonésien en fonction de la teneur en eau
et (à gauche) de la contrainte verticale totale appliquée, (à droite) de la contrainte effective déduite du modèle
développé au LMSSMat prenant en compte la saturation du matériau
Comportement mécanique à différents niveaux de déformation des sols partiellement saturés La longue
expérience de l’équipe dans le comportement des sols non saturés Et dans celui des mesures des très petites
déformations (≤ −5) a été appliquée à l’étude du comportement des matériaux granulaires compactés dans ce
domaine, principalement dans la perspective de l’utilisation en géotechnique routière et en génie parasismique.
Les résultats très originaux obtenus dans les thèses de E. Dufour-Laridan (01), S. Hadiwardoyo (02) et O. Coronado (en cours) (figure 6.2) ont notamment permis de mettre au point une méthodologie simple de prise en compte
de la pression capillaire liée à la non saturation du sol, des très petites aux grandes déformations ([246], [248],
[244]. Parallèlement, de nombreux résultats expérimentaux ont été obtenus sur des matériaux granulaires ” non
standards ” (sols résiduels, dégradables..) dans le domaine des très petites déformations, dans des conditions hydriques variées. En complément, le travail de T.D. Nguyen, en cours, en collaboration avec A. Modaressi, constitue
un apport à la modélisation du comportement de matériaux réels sous sollicitations cycliques dans un barrage.
Perméabilité des argiles La mesure de très faibles perméabilités dans les argiles demeure un problème actuel,
surtout en ce qui concerne les barrières anti-pollution pour les stockages de déchets industriels ou radioactifs.
Dans le cadre du GdR ForPro (FORmations PROfondes CNRS-ANDRA), J.-M. Fleureau a animé un atelier de
comparaison des méthodes de mesure des très faibles perméabilités, qui a montré qu’il était possible de mesurer
des perméabilités inférieures à 1e-14 m/s, mais qu’un travail important restait à faire pour rendre les techniques
fiables et opérationnelles. Des avancées notables, à la fois sur le plan expérimental et celui de l’interprétation, ont
été réalisées dans la thèse de C. Sayad 03, dans les domaines saturé et non saturé ([345], [357]). Ce travail se
poursuit actuellement dans la thèse de H. Souli (en cours).
1.3
Perspectives
De très larges perspectives existent à moyen terme pour améliorer la connaissance des couplages entre physicochimie, observations microscopiques et comportement mécanique et hydraulique des sols argileux, en liaison notamment avec les préoccupations environnementales actuelles. Dans les prochaines années, les travaux porteront
d’une part sur le gonflement des argiles (travail de S. Laribi en cours, étude commençant dans le cadre du ”
Réseau Génie Civil et Urbain ” et coopération avec l’Université d’Oran), d’autre part sur les interactions entre
le sol et des polluants de diverses natures. Le passage micro-macro fait également l’objet d’une collaboration au
sein de la Fédération IdFS. L’autre aspect, lié à la géotechnique routière ou à la prévention des risques sismiques,
concerne le comportement cyclique ou dynamique des sols non saturés en petites déformations, et principalement
les déformations plastiques induites par ce type de chargement qui restent largement méconnues.
2
2.1
Bilan scientifique
Formation
Thèses soutenues
– Emmanuel D UFOUR -L ARIDAN, juin 2001, ”Propriétés mécaniques des sols en petites déformations ; étude
expérimentale d’un sable silteux”,
– Xavier G UILLOT (collaboration LMSSMat/CRMD Orléans), jan. 2002, ”Couplage entre propriétés microscopiques et comportement mécanique d’un matériau argileux”,
– Suhail K HATTAB (collaboration LMSSMat/CRMD Orléans), déc. 2002. ”Comportement mécanique des
argiles gonflantes”,
– Sigit H ADIWARDOYO (collaboration LMSSMat/IST Lisbonne), déc. 2002, ”Caractérisation des matériaux
routiers - Application à la modélisation du comportement des chaussées souples”,
– Wiwik R AHAYU, juin 2003, ”Comportement mécanique des tourbes”,
– Chahira S AYAD (collaboration LMSSMat/Université du Havre), juil. 2003, ”Mesure des Écoulements dans
les milieux poreux peu perméables saturés et non saturés”,
– Saoussen L ARIBI (collaboration LMSSMat/Université de Tunis), oct. 2003, ”Etude du comportement rhéologique et physico-chimique de deux argiles bentonitiques”,
– Moulay-Smaine G HEMBAZA (collaboration LMSSMat/Université du Havre), oct. 2004, ”Comportement
thermo-hydro-mécanique des sols argileux soumis à une pression négative”,
Thèses en cours
– Octavio C ORONADO, (collaboration LMSSMat/Université de Minho, début sept. 2002), ”Comportement
mécanique de matériaux routiers résiduels compactés”,
– Soumia B OUZIRI, (co-encadrée par Mahdia Hattab, début sept. 2002), ”Etude micro-macro d’une kaolinite
consolidée sur différents chemins”,
– The-Dien N GUYEN, (co-dirigée par A. Modaressi, début sept. 2002) ”Modélisation du comportement d’un
barrage”,
– Hanène S OULI, (collaboration LMSSMat/Faculté des Sciences de Bizerte, début mars 2003), ”Etude physicochimique et mécanique de deux argiles gonflantes”.
2.2
Collaboration
Coopération universitaire nationale
– Université du Havre : Sols non saturé s, permé abilité s, couplages thermo-hydro-mé caniques
– CRMD-CNRS et ISTO Orléans : Physico-chimie
– Ecole Nationale Supé rieure de Géologie de Nancy : sols gonflants
Coopération universitaire internationale
– Universités Lisbonne, Minho (Portugal) : maté riaux routiers
– Université Libre de Bruxelles, Faculté des Sciences de Gembloux (Belgique) : Sols non saturé s, couplages
thermo-hydro-mé caniques,
– Université d’Indonésie à Jakarta, Institut de Technologie de Surabaya (Indonésie) : Sols non saturé s, maté
riaux routiers, tourbes
– Université des Andes à Bogota (Colombie) : maté riaux routiers
– Faculté des Sciences de Bizerte (Tunisie) : Physico-chimie, argiles,
– Ecole Polytechnique d’Alger, Faculté des Sciences d’Oran (Algérie) : maté riaux routiers, sols gonflants
– Université Tichrine à Lattaquié (Syrie) : sols non saturé s
Groupements de recherche
– Fédération F2M2SP, Projet 4 ”Couplages multiphysiques dans les milieux poreux”
– GdR ForPro (CNRS-ANDRA : Direction du benchmark ” perméabilités ”
Professeur invités
– R. de Azevedo (U. Viçosa, Brésil), S. Kheirbek-Saoud, A. Saoud (U. Lattaquié, Syrie), M. Takla (U. Homs,
Syrie), A. Gomes Correia (U. Minho), J.C. Verbrugge, P.J. Huergo (U.L. Bruxelles), B. Soepandji (U. Jakarta, Indonésie), B. Caicedo (U. Bogota, Colombie), H. Bendadouche (U. Bejaia, Algérie), A. Bali, M.
Morsli, R. Kettab (Ecole Polytechnique d’Alger, Algérie)
2.3
Publications
Les quatre publications principales sont :
–
– X Guillot, M. Al Mukhtar, F. Bergaya, J.M. Fleureau, 2002, ”Estimation de la porosité dans un matériau
argileux”, C.R.A.S., C.R. Géoscience, 334, pp. 105-109.
– J.M. Fleureau, J.C. Verbrugge, P.J. Huergo, A. Gomes Correia, S. Kheirbek-Saoud, 2002, ”Description and
Modelling of the Drying and Wetting Paths of Compacted Soils”, Can. Geotechnical J., 39, pp. 1341-1357.
– J.C. Verbrugge, J.M. Fleureau, 2002, ”Bases expérimentales du comportement des sols non saturés”, in
”Mécanique des sols non saturés”, O. Coussy & J.M. Fleureau eds., Collection MIM ” Mécanique et
Ingéniérie des Matériaux ”, Hermès, pp. 69-112.
– J.M. Fleureau, S. Hadiwardoyo, A. Gomes Correia, 2003, ”Generalised effective stress analy-sis of strength
and small strains behaviour of a silty sand, from dry to saturated state”, Soils and Foundations, 43, N◦ 4,
Août 2003, pp. 21-33.
2.4
Moyens financiers
Financements publics
GdR ForpRO
Bourses de thèse des gouvernements Français, Algérien, Colombien, Indonésien, Tunisien, Vietnamien
CMEP : Coopération interuniversitaire Franco-Algérienne
CNRS : Programmes de coopération avec le FNRS-CGRI (Belgique)
CNRS, Ministère des Affaires Etrangères : Programmes de coopération avec l’ICCTI-GRICES (Portugal)
Contrats industriels
CEA-DAM, EDF, ISL-ANDRA, Géodynamique & Structures, Géolabo, Inertec, Solen
Endommagement et comportement
thermo-hydro-mécanique des matériaux à
matrice cimentaire
Animateur Abdenour A LLICHE
Participants Jean Marie F LEUREAU, Amjad M ALLAT (04 - ), Serge PASCAL (00-03), Sylvie L EPAGE (03-04)
1
1.1
Objectifs
Le comportement des matériaux cimentaires est étudié dans diverses configurations de sollicitations extérieures
(mécanique, thermique, hydrique..). Notre objectif final est de construire des approches capables de prévoir la
réponse de ce type de matériau soumis à divers chargements.
1.2
Comportement mécanique de composites mortier-polymère. Ces matériaux sont utilisés comme matériaux
de second œuvre dans l’industrie du b ?timent. L’objectif de cette recherche est de permettre la compréhension de
leur comportement et proposer une modélisation pertinente de leur réponse. Pour cela, on s’est appuyé sur une analyse mécanique et microstructurale d’un mortier classique et de composites de différentes teneurs en polymères.
Le travail de caractérisation mécanique s’appuie sur des essais de compression simple et de flexion trois points.
L’expérimentation a permis de mettre en évidence un seuil d’endommagement dans nos matériaux et une teneur optimale à ce seuil. Diverses techniques d’analyses microstructurales (thermogravimétrie, ATD, DRX, spectrométrie
infrarouge) ont été utilisées pour permettre de comprendre l’évolution de ces milieux dès le début de leur fabrication. Des techniques parfois classiques (porosimétrie au mercure, mesure de masse volumique) ont été complétées
par des méthodes plus originales comme la mesure de la fraction volumique totale de porosité par une méthode
d’approximation asymptotique par triple pesée. Sur le plan de la modélisation, nous utilisons un modèle de comportement macroscopique publié dans la littérature que nous avons adapté dans le cadre de ce type de matériau. Ce
modèle s’appuie sur l’analyse microstructurale et est calé aux essais mécaniques, ce qui permet une analyse fine
des essais de caractérisation des mortiers-colles utilisés actuellement dans l’industrie.
Comportement en fatigue des matériaux cimentaire. Les matériaux à base cimentaire sont le plus souvent
soumis à des sollicitations répétées de faible amplitude. On observe néanmoins des dégradations dues à l’accumulation d’endommagements. La compréhension du comportement de ces matériaux sous ce type de sollicitations
pourrait permettre de limiter ces dégradations et ainsi optimiser leur composition pour une plus grande durabilité.
Nous avons réalisé des essais de fatigue en compression dans un premier temps afin d’évaluer le comportement de
ces matériaux sous l’action des sollicitations répétées. Une modélisation du comportement a été proposée et publiée
récemment. Elle nécessite un développement pour une meilleure validation dans le cas d’essais complexes.
Couplage thermo-hygro-mécanique. Les matériaux à base cimentaire sont sensibles aux sollicitations de l’environnement. Du fait de leur structure fortement hétérogène, ils réagissent aux variations des conditions hygrométriques, thermiques et aux sollicitations mécaniques de diverses natures. Ces matériaux possèdent une struc-
F IG . 7.1 – (a) Essai de compression (b) simulation de l’essai à l’aide du modèle.
ture composée d’un squelette solide poreux pouvant être partiellement ou totalement saturé d’eau. L’application
d’une sollicitation thermique ou mécanique peut conduire à la rupture de l’équilibre mécanique local et provoquer
la migration de l’eau dans le squelette. Ces mouvements d’eau couplés aux déformations du squelette, amplifiés
par les gradients de température peuvent être à l’origine de désordres importants et divers. La condensation est
également la source dun vieillissement prématuré des matériaux et, à long terme, peut diminuer les capacités de
résistance de l’ouvrage et modifier les propriétés des matériaux isolants qui équipent leurs parois extérieures. On
sait modéliser et simuler les effets de ces sollicitations prises isolément. L’approche est plus complexe lorsque
cette modélisation implique les effets couplés de la température, de l’humidité et des chargements mécaniques. Si
l’on veut reproduire de manière assez réaliste le comportement de ces matériaux, il est indispensable de prendre
en compte l’effet simultané de ces trois sollicitations sur la structure. Ce travail de recherche s’inscrit dans une
importante collaboration scientifique entre le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) et le Laboratoire Matériaux de l’Ecole Centrale de Paris. Il a permis de mettre en œuvre un ensemble d’outils expérimentaux et
numériques pour simuler le comportement des ouvrages soumis à des sollicitations d’origines diverses. Dans cette
recherche, l’accent a été mis plus particulièrement sur la formulation mathématique et numérique des équations
couplées et sur la détermination expérimentale des paramètres du modèle. L’ensemble de ces travaux a conduit
à l’élaboration d’un modèle de couplage thermo-hygro-mécanique en milieux poreux non saturés et au montage
d’un banc d’essai capable d’identifier les paramètres physiques et mécaniques du matériau nécessaires dans la
formulation de ce modèle. Le modèle développé a été implémenté dans le code aux éléments finis ´SYMPHONIECSTBa . L’utilisation de ce modèle ouvre la voie à une prédiction du comportement des ouvrages vis-à-vis des
sollicitations couplées. Cependant il faudra noter que les modifications de structures dues à l’endommagement par
microfissuration ne sont pas prises en compte dans cette approche. Ce phénomène est certainement un paramètre
important dans l’évolution des caractéristiques physiques et mécaniques du matériau. Il reste donc à l’intégrer dans
les développements futurs.
Etude des phénomènes de dégradation des monuments anciens, matériaux et techniques de réhabilitation.
De nombreux édifices ont été construits durant le 20ème siècle en utilisant des bétons avec ou sans armatures. Des
altérations sont observées sur de nombreux sites. Ces altérations ont des causes diverses. Les monuments en question sont souvent soumis aux effets de l’environnement riche en CO2 qui induit une carbonatation fragilisante. Il
se surajoute des contraintes mécaniques dues à la présence d’une corrosion plus ou moins sévère des armatures au
sein du béton. Le résultat est une forte dégradation des façades par fissuration et épaufrures visibles à l’extérieur et
qui constituent autant de facteurs aggravants pour la vulnérabilité des constructions en question. Ce travail de recherche doit permettre une identification des meilleures solutions à ces problèmes à la fois par leur compréhension
et par les choix des techniques de réparation disponibles sur le marché ou par des propositions d’amélioration de
ces techniques. Enfin, la connaissance des lois de comportement à partir des essais expérimentaux sera utilisée
pour parvenir à une modélisation du comportement et la simulation des réponses dans diverses configurations de
chargement.
F IG . 7.2 – Evolution de l’humidité sur la surface du mur intérieur en fonction de l’humidité dans la pièce. Condensation pour Hr = 71%
F IG . 7.3 – Analyse thermique différentielle (ATD) et thermogravimétrique (TG) d’un liant cimentaire carbonaté
montrant la disparition du pic endothermique caractéristique de la portlandite Ca(OH)2 (entre 400 et 500◦ C)
transformé en calcite par carbonatation
1.3
Perspectives
Endommagement en fatigue du béton. Nous avons proposé un modèle en fatigue du béton en utilisant les formalismes de la mécanique de l’endommagement. Les simulations obtenues semblent conformes aux observations
expérimentales. Des essais expérimentaux supplémentaires et une implémentation dans un code d’éléments finis
sont nécessaires pour compléter l’étude et valider le modèle dans différents cas de sollicitations et en particulier
dans le cas des chargements à amplitude variable. Cette approche reste pour l’instant limitée aux cas de sollicitations non alternées. Il est indispensable lorsque nous souhaitons intégrer le phénomène de recouvrance de la
rigidité du matériau dans le cas de la compression, d’intégrer une composante supplémentaire dans la formulation
des potentiels qui permette de décrire convenablement ce phénomène. Notre objectif, reste à moyen terme, de valider notre approche sans tenir compte pour l’instant de ce dernier phénomène. A plus long terme il sera nécessaire
d’en intégrer les effets afin d’approcher la réponse de ce matériau dans des configurations de chargement plus
réalistes.
Couplage thermo-hygro-mécanique. En raison de la complexité des milieux poreux et de la diversité des
phénomènes physiques qui s’y produisent, de nombreux prolongements peuvent être envisagés à cette recherche.
Une étude de sensibilité plus étendue du modèle à la variation des différents paramètres physiques du matériau
permettrait de dégager les paramètres dont l’influence est essentielle pour chaque type de couplage. Par ailleurs
une validation du modèle sur des structures réelles soumises à diverses conditions aux limites de nature thermique,
hydrique ou mécanique est souhaitable. Ces conditions peuvent être éventuellement variables dans le temps. Il est
indispensable de prendre en compte dans la formulation du modèle l’effet de l’endommagement dans les lois de
comportement. Enfin, l’hypothèse d’une pression gaz constante et homogène n’est pas acceptable dans le cas de
structures épaisses. Il est donc nécessaire d’introduire une nouvelle variable associée à la pression interstitielle
pour construire un modèle plus réaliste.
Etude des phénomènes de dégradation des monuments anciens Matériaux et techniques de réhabilitation.
Cette recherche est en phase de démarrage. Les perspectives sont décrites dans le programme décrit plus haut.
2
2.1
Bilan scientifique
Formation
Thèses soutenues
– Serge PASCAL Septembre 2002 ´ Comportement mécanique de composites mortier-polymère a
Thèse en cours
– Amjad MALLAT (Collaboration Laboratoire de Recherche des Monuments Historiques-MSSMat (ECP)
Co-encadrement Jean Marie FLEUREAU, début janvier 2004)
2.2
Collaborations universitaires et soutiens industriels
Endommagement des bétons , CSTB- RHODIA,
– Etude de la durabilité (fatigue sous sollicitations réelles - amplitude variable)
– Endommagement des composites cimentaires dans leur environnement
Couplages – Fatigue+Environnement (hygrométrie, température), CSTB- RHODIA
– Mécanique, hydrique, thermique & chimique, EDF, Fédération des Laboratoires Ile-de-France, Laboratoire de Recherche sur les Monuments Historiques (LRMH)
2.3
Principales publications
– W. OBEID, G. MOUNAJED, A. ALLICHE ”Mathematical Formulation of Thermo-Hygro-Mechanical Coupling Problem in Non-Saturated Porous Media”. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,
Vol. 190, (39) - 2001. - pp 5105-5122
– W. OBEID , A. ALLICHE, G. MOUNAJED - ”Identification of the Physical Parameters used in the ThermoHygro-Mechanical Model”. Journal of Transport in Porous Media, Vol. 45 (2) - Nov. 2001 - pp 215-239,
– L. BUREAU, A. ALLICHE, P. PILVIN, S. PASCAL . ”Mechanical Characterization of a Styrene-Butadiene
Modified Mortar” . Materials Science & Engineering A Solids. Vol. 38 (1-2) - 2001 pp 233-240.
– ALLICHE ”Damage model for fatigue loading of concrete”. International Journal of fatigue, Vol. 26 (2004)
pp 915-921.
– S. PASCAL, A. ALLICHE, Ph. PILVIN ”Mechanical behaviour of polymer modified mortars”. Materials
Science and Engineering A, Vol. 380 (2004) pp 1-8
Interactions structure-structure
Animateur Hachmi Ben Dhia
Participants M. Zarroug (98-02), G. Rateau (99-03), C. Zammali (01-), M. Torkhani (fin 04-), E. Balmès (03)
1
1.1
Activités scientifiques
Objectifs
Pour contribuer à la conception, ainsi qu’à l’assurance simulée de l’intégrité des structures mécaniques, nous
développons, à partir du continu, des éléments de contact stables et précis en régimes statiques ou dynamiques
et nous poursuivons l’analyse et le développement du cadre de modélisation multi-échelle Arlequin. Les produits
numériques ainsi obtenus, sont capitalisés dans Code-Aster d’EdF.
1.2
Contact statique et quasi-statique - Le calcul numérique, précis et non contraignant en paramètres, des problèmes
de contact requiert des formulations mixtes de ces problèmes. L’évaluation de la qualité des solutions discrètes requiert quant à elle, un modèle de référence. Ces deux critères, combinés à un souci d’analyse des différentes
approximations, cadrent notre démarche pour la simulation numérique des problèmes de contact entre solides
en transformations finies. Partant d’une formulation hybride continue de ces problèmes et nous fondant sur des
résultats de stabilité des problèmes discrets mixtes associés, nous avons élaboré, dans le cadre de la thèse et
du Post-Doctorat de M. Zarroug [501] des éléments de contact linéaires et quadratiques. La démarche a particulièrement consisté à clarifier cette notion (peu claire dans la littérature) d’éléments de contact en démélant les
différents niveaux d’approximation numérique. Pour chaque niveau, nous avons proposé des outils idoines dont
nous avons mesuré la pertinence [34, 30, 210, 211, 212]. Ainsi, en plus de la formulation et de la discrétisation
éléments finis compatibles, nous avons souligné les impacts de la notion d’appariement, de la facétisation des
surfaces de contact, du choix des surfaces dites “maı̂tres”-“esclaves” et enfin de l’évaluation des travaux virtuels
des efforts de contact. Nous avons alors proposé des appariements “physiques”, généralisant la notion classique de
proximité. Une régularisation géométrique des interfaces par création de champs continus de repères locaux, a été
développée et testée. Des stratégies, soit évolutives, soit adaptées, et d’autres symétrisées d’intégration numérique
ont également été développées pour traiter l’hétérogénéité élémentaire des termes de contact . Nous avons, en particulier, mis en évidence l’importance de l’intégration précise pour le recouvrement de la stabilité des problèmes
mixtes discrets. Cet aspect n’était pas clair dans la littérature et représente une des retombées de notre démarche :
du continue au discret. Les éléments 2D et 3D, ainsi développés, ont été implémentés dans Code-Aster d’EdF et y
sont opérationnels sous le vocacable “METHODE CONTINUE” [436].
Contact dynamique - L’élargissement à la dynamique de nos activités en mécanique du contact se fait dans
le cadre de la thèse de C. Zammali. Un des faits marquant est l’écriture des lois de contact de Signorini-Moreau
sous forme d’équations, moyennant l’introduction de deux champs inconnus de type Champs de Signe. L’avantage
est que l’inconnue géométrique de contact est ainsi reprise par des champs. Une démarche analogue est utilisée
pour l’écriture des lois de frottement. Ces écritures permettent de dériver des nouvelles formulations en vitesse,
faibles/fortes, continues et Lagrangiennes de problèmes de contact frottant en dynamique. La discrétisation de
ces problèmes par une combinaison de méthodes de différences finies, éléments finis et collocation (combinée à
une algorithmique idoine [34, 30]) permet, entre autres, d’éviter les oscillations parasites des champs mécaniques
, observées classiquement aux instants d’impact [216, 33, 215, 214]. Nos éléments dynamiques de contact sont
F IG . 8.1 – Impact de la barre de Taylor : Déformées et iso-valeurs de von Misès (à gauche). Valeurs au pied de
la barre du déplcement, vitesse, contrainte σyy et pression de contact, en fonction du temps, obtenues par une
approche classique (en bleu), comparées à celles obtenues par notre approche (en noir)
opérationnels dans la dernière version de Code-Aster. Le benchmark de Taylor est donné à titre d’illustration
(figure 8.1). Les Champs de Signe ont d’autres intérêts. Ils permettent de stabiliser simplement les formulations
Lagrangiennes de contact. Cette stabilisation généralise l’augmentation classique [33] et permet de clarifier les
formalismes Lagrangiens augmentés, d’en analyser les performances numériques réelles pour en délimiter les
intérêts pratiques par rapport à ceux Lagrangiens purs (communication soumise 04). Une autre retombée pratique
est l’unification du codage des approches Lagrangiennes en mécanique du contact.
Nous avons enfin introduit un modèle original de contact multi-niveau. Il intègre le comportement des aspérités
et des substrats des interfaces, à la fois. Nous l’avons qualifié de modèle de Compliances/Signorini [203]. Il a
les avantages des modèles de compliances (intégration d’une physique d’interface plus fine, en particulier) sans en
avoir les inconvénients (mauvais conditionnement numérique et non pertinence aux fortes pressions). L’importance
pour la simulation du contact en dynamique de ce dernier modèle (introduction d’un amortissement, en particulier)
est en cours de test dans le cadre de la thèse de C. Zammali et son étude sera prolongée dans la thèse de M. Torkhani
car les premiers résultats sont prometteurs (communication soumise en 04).
Méthode Arlequin - Opérer une analyse à plusieurs échelles couplées d’une structure mécanique est l’une
des demandes essentielles du dimensionnement et de la conception mécaniques. Pour répondre à cette attente,
nous avons développé la méthode Arlequin (note CRAS 98). Il s’agit d’un nouveau cadre étendu de modélisation
numérique. De type Local-Global, elle est fondée sur :
– un croisement de modèles sur une ou des zones d’intérêt ;
– une répartition des énergies entres les états mécaniques et/ou numériques dans ces zones de croisement ;
– un collage en volume (et donc des interactions) de champs états sur tout ou parties de ces zones de superposition.
Dans le cadre de la thèse de G. Rateau, [494], nous avons entrepris l’analyse de cette méthode et étudié ses
différents ingrédients. Nous avons ainsi établi, dans le cadre de l’élasticité, que le bon opérateur de couplage, sur
les plans mathématique et numérique, est celui de type énergétique [30] et que des choix plus heuristiques peuvent
conduire à des problèmes mécaniques dénudés de sens. L’influence de la répartition des énergies entre les états
mécaniques, dans la zone de superposition, a été également analysée et un mécanisme de “commutation”, permettant de basculer d’un modèle a un autre par simples pondérations énergétiques, a été mis en évidence. Enfin,
l’influence des choix des espaces des forces de collage, compatibles avec ceux de déplacements, a été discuté
et des mécanismes de verrouillages ont été exhibés [31, 494, 32]. Notons que, par l’introduction d’un concept
d’espaces (1-)-compatibles [208], un choix avancé et prometteur a été dégagé. En outre, et en vue de répondre
à des exigences de généralité et de flexibilité d’utilisation, l’implémentation numérique de la méthode Arlequin a
nécessité des développements techniques conséquents. En effet, mélanger en les couplant en volume des modèles
différents, et introduire des champs de répartition d’énergies génère (en général) des termes irréguliers de couplage,
des domaines géométriquement incompatibles et des densités d’énergies hétérogènes. Des traitements appropriés
et performants, ont étés élaborés. Citons tout particulièrement les deux approches développées et testées pour le
traitement des irrégularités et de l’hétérogénéité. La première est fondée sur une méthode d’intégration adaptative [31] et l’autre sur des algorithmes de CAO, permettant une évaluation efficace des intersections d’éléments
géométriques de type supports d’éléments finis[32]. La seconde stratégie, plus précise et a priori moins coûteuse
F IG . 8.2 – Superposition d’une inclusion sub-élémentaire par Arlequin. Isovaleurs de von Misès
F IG . 8.3 – Applications d’Arlequin : partition 3D-coque pour cylindre coudé avec iso-contraintes principales majeurs (à gauche). Similarité des contraintes principales majeures (Arlequin) avec celles obtenues par un monomodèle 3D, le long des traces internes et externe d’une section à 45◦ du coude (figure du centre). Illustration sur le
cas d’une barre excitée par un signal chargé en fréquence du non piégeage d’énergie par raccord volumique dans le
cadre d’Arlequin (figure de droite, en bas), comparé au piégeage généré par usage de raccord surfacique classique
(figure de droite, en haut)
pour le traitement de problèmes mécaniques à variables internes, a été implémentée dans Code-Aster. La première
a été simplement testée sur un prototype développé au Laboratoire[31]. La méthode Arlequin est opérationnelle
dans Code-Aster.
Applications du cadre Arlequin - Il est essentiel, lors de la conception des structuress mécaniques puis du suivi
de leur intégrité d’être capable d’introduire avec une grande flexibilité :
– un défaut dans un modèle numérique existant, à une échelle sub-élémentaire [31, 382] (figure 8.2) ;
– un zoom d’une zone d’intérêt d’un solide, permettant de changer totalement sa modélisation locale [30, 205,
209, 494, 213].
Pour illustrer la capacité de la méthode à répondre au deuxième besoin, nous considérons le cas d’un tube
coudé : pour capter facilement des phénomènes 3-D dans une modélisation globale de type coque de ce tube, nous
superposons à cette dernière un modèle 3D, juste au niveau du coude (partie gauche de la figure 8.3). Observons
alors la similarité des résultats en contraintes entre le modèle partition Arlequin 3D-Coque et celui (mono)-3D
(partie centrale de la figure 8.3). Notons que la nocivité d’un défaut (de type fissure ou manque de matière, au
niveau du coude) peut à présent être étudiée par intégration de ce défaut dans le modèle local 3D. Notons enfin
que pour ces partitions de type 3D-Coque, des analyse sur la définition des bons espaces de forces de collages ont
permis de définir des espaces évitant des verrouillages incohérents [209, 213].
Dans le régime statique de la mécanique numérique du contact, nous avons mis en évidence l’intérêt de l’usage du
cadre Arlequin pour :
– capter simplement les concentrations de contraintes, par exemple pour le problème de Boussinesq [218] ;
– re-créer des surfaces de contact discrètes compatibles [217] ;
– superposer localement un modèle de coque, à un modèle 3D, au voisinage d’une interface de contact [203]
pour mieux suivre l’évolution des repères locaux et ainsi avoir une meilleure précision des champs d’interface, tout en évitant les chocs numériques parasites en dynamique (du moins le croyons-nous, puisque cette
dernière idée n’a pas encore été testée).
Enfin, dans le régime dynamique, l’un des avantages supplémentaire essentiel du cadre Arlequin est qu’il offre
la possibilité de faire transiter des ondes entre modèles/échelles différents, sans piéger l’énergie au niveau des
modèles/échelles fins, par reflexions parasites [33, 215]. La partie droite de la figure 8.3 montre cet apport pour
l’exemple d’une barre, sollicitée par un signal hautes fréquences (représenté en haut à gauche de cette même partie
de figure 8.3). La barre est maillée finement au niveau de l’entrée du signal (parties bleues de la barre, sur la figure),
puis grossièrement (parties rouges). On observe que dans le cas où l’on utilise un raccord d’interface, les ondes
hautes fréquences sont renvoyées par l’interface (partie droite et haute de la figure). Aucun piégeage d’énergie
n’est observé par l’usage de la transmission Arlequin (partie droite et basse). Cette potentialité est exploitable pour
les problèmes de structures en vibration, sous chocs et pour des transmissions dynamiques entre modèles discrets
et continus. Pour l’heure, nous avons utilisé Arlequin pour alléger les coûts des problèmes d’impact de type bar de
Taylor où des modèles élastoplastiques fins ont été couplés à des modèles élastiques grossiers. [215, 214].
1.3
Perspectives
Nous poursuivons la modélisation robuste des problèmes de contact, en cherchant à étendre les développements
réalisés jusqu’à présent entre des solides 2-D ou 3-D à des problèmes de contact-impact entre structures hétérogènes,
introduisant de nouvelles échelles d’espaces et de temps et poussant aux analyses Locales-Globales de ces problèmes
de contact. Ce travail fait l’ossature de la thèse de M. Torkhani (CIFRE). Parallèlement, nous cherchons à réunir
l’ensemble des éléments permettant le lancement d’une nouvelle thèse (CIFRE) sur l’industrialisation et l’élargissement du spectre de la méthode Arlequin, notamment aux régimes dynamiques et aux couplages de modèles
discrets et continus. L’une des applications phare sera la propagation flexible de défauts tels que des fissures ou
bien des failles dans des modèles numériques macroscopiques existants avec, un forte résolution des zones critique
en front de défauts, d’une part, une prise en compte des contacts frottants, d’autre part.
2
2.1
Bilan scientifique
formation
thèses soutenues - [501] M. Zarroug (2002)- [494] G. Rateau (2003)
Post-Doc - M. Zarroug (2002)
thèses en cours et programmées - C. Zammali (soutenance prévue en 2005), M. Torkhani (Début en fin 2004)
Polycopiés Ecole Centrale de Paris : Mécanique Numérique du Solide (ed. 01-02) ; Mécanique Numérique du
Contact (ed. 02-03).
2.2
Collaborations
Industrielles (continues) - EdF : I. Vautier, P. Massin, N. Tardieu, S. Lamarche, Ch. Durand, Fr. Voldoire
Industrielles (naissantes) - IFP
Académiques (sporadiques) - Groupe de travail de l’Association de Calcul des Structures Mécaniques (CSMA) :
“Mécanique du Contact” [381, 203] ; Groupe d’étude 3 de la F2M2SP : “Modélisation numérique multi-échelle en
espace-temps” [382], Séminaires externes [380, 206]
Conférences invitées Workshop “Contact” à Nice [379] ; Journée “Contact”, dans le cadre de la Formation et
Information en Analyse des Structures [204].
2.3
Publications principales
[30] H. Ben Dhia, G. Rateau, Mathematical analysis of the mixed Arlequin method, CRAS, 2001
[34] H. Ben Dhia, M. Zarroug, Hybrid frictional contact particles-in elements, REEF, 2002
[33] H. Ben Dhia, C. Zammali, Level-Sets and Arlequin framework for dynamic contact problems, REEF, 2004
[32] H. Ben Dhia, G. Rateau, The Arlequin method as a flexible engineering design tool, IJNME, (2004, accepted)
2.4
Financements
Contrats EdF-Clamart : Un contrat par thèse et par Post-Doc, dont 2 dans le cadre de Conventions CIFRE.
Milieux enchevêtrés
Animateur Damien D URVILLE
Participants Éric G IRY
1
1.1
Objectifs
Le comportement à l’échelle macroscopique des milieux enchevêtrés présente de fortes non-linéarités qui sont
essentiellement liées aux interactions de contact-frottement se produisant à l’échelle mésoscopique entre les fibres
ou fils qui les constituent.
L’opération de recherche a pour but de proposer des outils numériques permettant de simuler le comportement
mécanique de ces milieux, aux échelles mésoscopique et macroscopique. La thématique garde depuis l’origine
un fort ancrage industriel avec le développement du logiciel Multifil de modélisation de la mécanique des câblés
métalliques et textiles, en collaboration avec la société Michelin. Elle s’est étendue au cours des dernières années
vers des milieux enchevêtrés plus généraux : d’abord les structures tissées, puis l’étude de laines de verre ou d’amas
de nanotubes, et enfin l’approche du comportement de ligaments constitués de fibres de collagènes.
La simulation numérique de ces milieux enchevêtrés revient à modéliser le comportement d’un ensemble
de fils, représentés par des modèles de poutres appropriés, développant entre eux des interactions de contactfrottement, et soumis à de grands déplacements et grandes déformations. Les développements scientifiques à la
base de cette simulation concernent la détection et la prise en compte des nombreux contacts caractérisant ces milieux, ainsi que la mise au point d’algorithmes robustes et efficaces pour la résolution des problèmes non linéaires.
Ces développements sont intégrés dans des logiciels spécifiques.
Les attentes vis-à-vis des résultats de l’outil de simulation varient suivant le domaine d’application. En ce qui
concerne la modélisation du comportement des renforts câblés pour les pneumatiques, l’objectif est de parvenir à un
produit logiciel présentant d’une part une bonne robustesse pour pouvoir être utilisé en milieu industriel, et offrant
d’autre part des résultats fiables et précis, en particulier à l’échelle locale. Pour les autres milieux enchevêtrés, la
démarche a été pour l’instant plus qualitative et exploratoire, cherchant à montrer la pertinence de la méthodologie
développée pour l’approche de ces milieux.
1.2
Développement du logiciel Multifil de modélisation des renforts câblés pour les pneumatiques Après dix ans
de collaboration avec la société Michelin, le logiciel Multifil s’intègre progressivement dans la chaı̂ne de conception des renforts câblés. Ce logiciel permet de simuler le comportement de portions de divers types d’assemblages
câblés, métalliques ou textiles, pris dans une matrice de gomme, et soumis à des chargements visant à reproduire les
conditions de fonctionnement dans le cadre du roulage d’un pneumatique. Un des objectifs principaux concernant
ces renforts étant l’augmentation de leur durée de vie, l’accent des développements a porté sur la mise en place
de lois de comportement plus réalistes pour les fils, rendant compte de l’évolution des déformations plastiques,
afin de pouvoir calculer des critères de fatigue de type Haigh sur des chargements cycliques. La reproduction de
conditions de chargement toujours plus réalistes, et en particulier issues de calculs sur le pneumatique en roulage,
a demandé par ailleurs la prise en compte de conditions aux limites de plus en plus complexes.
L’insertion du logiciel de recherche Multifil en milieu industriel nécessite par ailleurs un suivi permanent avec
les utilisateurs au niveau formation, maintenance et assistance. Les problèmes rencontrés dans des cas pratiques de
plus en plus diversifiés donnent l’occasion d’améliorer la robustesse du logiciel. La confrontation des résultats de
simulation avec les mesures expérimentales permet d’améliorer et d’ajuster les modèles.
F IG . 9.1 – Assemblage fretté en flexion sous tension : vue de la déformée finale (à gauche), évolution du moment
de flexion (à droite
F IG . 9.2 – Surcontraintes dans les fils d’armure d’un riser par un chargement de flexion et de pression interne
Modélisation des interactions entre fils d’armure des risers flexibles Thèse d’Éric Giry (2002).
Les couches d’armure externes des risers flexibles, chargés de remonter le pétrole sous forte pression des fonds
marins, sont constituées de fils d’acier de section rectangulaire enroulés en hélice autour d’un noyau central. Du fait
des frottements entre constituants, les flexions imposées à ces risers peuvent générer des surcontraintes importantes
dans les fils, en particulier à proximité des embouts, et limiter leur durée de vie. C’est à la modélisation de ces
effets que s’est attachée la thèse d’Éric Giry, conduite en partenariat avec l’IFP. La plateforme logicielle choisie
pour conduire cette modélisation a été celle du logiciel OOFE, développé au Laboratoire, utilisant les méthodes
de la programmation orientée objet. De nouveaux ensembles de classes dédiées en particulier au contact et à la
prise en compte des grands déplacements et grandes déformations, sont venus s’ajouter à la base préexistante. Les
travaux de cette thèse ont permis de réaliser des simulations permettant d’évaluer précisément les surcontraintes
dans les fils d’armure au niveau des embouts du riser, sous chargement combiné de flexion et de forte pression
interne (voir Fig. 9.2).
Structures textiles Le comportement des textiles est lui aussi très fortement dépendant des interactions de
contact-frottement entre constituants élémentaires, et ceci à deux niveaux d’échelle. A un premier niveau, il est
nécessaire de s’intéresser aux contacts entre les fils constituant le tissage. Mais le comportement mécanique de ces
fils tissés dépend lui-même des interactions entre les fibres des mèches, torsadées ou non, utilisées pour constituer
les fils. Ce comportement des fils individuels, en particulier en ce qui concerne leur raideur transverse, a une grande
influence sur le comportement du tissé final.
Le comportement du fil unitaire, éventuellement composé de plusieurs retors torsadés, peut être aisément simulé à partir de l’approche développée pour les câbles. L’outils préexistant a cependant dû être adapté afin de
prendre en considération les configurations spécifiques aux tissés : génération de maillages initiaux, calcul des
configurations initiales en fonction des différents motifs de tissage, application de conditions aux limites adéquates.
Le logiciel permet d’étudier le comportement de ces structures tissées sous des sollicitations de traction biaxiales
et de cisaillement, et ce, jusqu’à des niveaux de déformation importants (voir Fig. 9.3).
Le modèle de comportement des fils unitaires dans la simulation des tissés reste cependant pour le moment un
F IG . 9.3 – Déformées en cisaillement de tissés en taffetas et sergés (à gauche), comparaison entre les efforts de
cisaillement (à droite
F IG . 9.4 – Compression d’un échantillon enchevêtré : configuration initiale (à gauche), configuration finale (au
milieu), et identification de lois puissance sur une série d’échantillons aléatoires présentant différents facteurs de
crêpage (à droite)
modèle élastique anistrope qui rend compte de la grande différence de raideur entre les directions transverses et longitudinales. Il resterait cependant à intégrer le comportement du fil élémentaire, tel qu’identifié par la simulation,
dans le modèle de tissé. Ce pont entre modèles est encore à construire. Pour aller dans cette direction, de premiers
essais de simulation au niveau des croisements entre fils torsadés, en tenant compte des fibres élémentaires constituant les mèches, ont été menés. Ils permettent de reproduire l’écrasement des fils au niveau de ces croisements.
Milieux enchevêtrés généraux Certains milieux enchevêtrés ne présentent à première vue pas d’organisation
particulière : ils apparaissent comme des ensembles de fibres plus ou moins courbées distribuées de manière
aléatoire dans l’espace. L’étude de ces milieux, en étendant les méthodologies développées dans le cadre des câbles
et des tissages à des cas plus généraux, permet d’élargir et d’affiner les concepts mis en œuvre précédemment. L’objectif est cependant de pouvoir identifier, grâce à la prise en compte à l’échelle locale des interactions entre fibres,
des lois de comportement globales pour ce type de matériaux. Une collaboration est menée dans ce cadre avec le
travail de thèse d’Aı̈ssa Allaoui, portant sur les nanotubes de carbone. L’idée consiste à chercher à identifier des
propriétés mécaniques de nanotubes individuels, à partir de tests effectués sur de grands amas de nanotubes.
Pour la partie simulation, des échantillons sont générés aléatoirement et soumis à une compression de 90 %.
Les premiers calculs permettent de mettre en évidence l’influence du facteur de crêpage des fibres, et indiquent que
l’effort de compression est proportionnel à la variation de densité relative à la puissance 3/2, tandis que le nombre
de contacts entre fibres apparaı̂t proportionnel à la densité à la puissance 2/3 (voir Fig. 9.4).
Approche du comportement mécanique du ligament gléno-huméral Dans le cadre du groupe de travail sur la
biomécanique de la fédération Ile-de-France, une première ébauche de simulation a été développée afin d’étudier
le comportement du ligament gléno-huméral. Ce ligament, qui joue un rôle important au niveau de la stabilité de
l’épaule, se présente sous la forme d’une membrane constituée de réseaux de fibres de collagènes noyées dans une
matrice de collagène. Des essais de traction menés sur ces ligaments montrent un comportement non linéaire, en
particulier en début de chargement, semblable à celui observé sur des structures textiles. Parallèlement aux essais,
la simulation, en adaptant les développements faits pour les structures tissées et les modèles d’interaction avec une
matrice élastique, devrait aider à expliquer quels sont les phénomènes à l’origine de ces non-linéarités.
1.3
Perspectives
Alors que les développements effectués permettent de bien représenter le comportement des milieux enchevêtrés abordés à l’échelle mésoscopique, l’utilisation d’objets constitués de fibres enchevêtrées dans des structures plus globales requiert le développement de modèles aptes à reproduire le comportement de ces objets à
l’échelle macroscopique. Il serait intéressant par exemple de pouvoir construire un élément fini de câble, qui
puisse être capable de reproduire les principaux effets non-linéaires et couplés rencontrés dans ce type de structure. Les outils de simulation développés sont indispensables pour pouvoir caractériser et quantifier les mécanismes
élémentaires. Il reste cependant à imaginer et à construire des modèles pouvant rendre compte à l’échelle macroscopique du comportement des milieux enchevêtrés.
2
2.1
Bilan scientifique
Formation
Thèse soutenue
– Eric G IRY, jan. 2004, ”Prise en compte des interactions de contact-frottement entre fils d’armure pour la
modélisation éléments finis d’un pipeline flexible en grandes transformations”
2.2
Collaboration
Industries
– Michelin : Contrats de développement du logiciel Multifil pour la modélisation des renforts câblés
– IFP : Contrats de développement du logiciel Multifil pour la modélisation des renforts câblés
Fédération F2M2SP Participation aux projets suivants :
– Projet Biomécanique
2.3
Publications
– D. Durville, 2001, “Modélisation par éléments finis des propriétés mécaniques de structures textiles : de la
fibre au tissu”, 5ème Colloque National en Calcul des Structures, Giens, 14-18 Mai 2001.
– D. Durville, 2003, “Numerical simulation of the mechanical behaviour of textile structures at a mesoscopic
scale”, Structural Membranes 2003, Textile composites and inflatable structures,E. Onate and B. Kröplin
(Eds),CIMNE, Barcelona, Spain, 2003, pp. 310-315.
– D. Durville, 2004, “Finite element modelling of the nonlinear behaviour of fibrous materials considering
internal contact-friction interactions”, European Congress on Computational Methods in Applied Sciences
and Engineering ECCOMAS 2004, P. Neittaanmäki, T. Rossi, K. Majava, and O. Pironneau (eds.), R. Owen
and M. Mikkola (assoc. eds.), Jyväskylä, Finland, 24-28 July 2004
– D. Durville, 2004, “Modelling of contact-friction interactions in entangled fibrous materials”, COMPUTATIONAL MECHANICS, WCCM VI, Sept 5-10 2004, Beijing, China, c 2004 Tsinghua University Press &
Springer-Verlag
2.4
Moyens financiers
Michelin, IFP.
Contrôle de qualité et Adaptativité
Animateur Bing T IE
Participants Denis AUBRY, Haithem A DOUANI , Audrey G R ÉD É , TuanAnh P HAM,
Arnaud B OULLARD, Guillaume JAY, Jean-Michel L ECL ÈRE
1
1.1
Objectifs
L’objectif de cette opération de recherche est de développer des méthodes de modélisation numérique incluant
l’adaptativité en maillage et en modèle. Ces méthodes devraient permettre de mieux modéliser les phénomènes
mécaniques en prenant compte de manière appropriée les différentes échelles en espace et en temps mis en jeu et
en optimisant la taille des modèles numériques. Le domaine d’applications visé est relativement large.
1.2
Méthodes adaptatives et parallèles en dynamique transitoire En dynamique transitoire, il est important de
bien décrire les chemins de propagation des ondes dans les structures. Ayant un caractère localisé à la fois en
espace et en temps d’une échelle beaucoup plus petite que celle de la structure, les ondes ne peuvent être simulées
correctement qu’avec des éléments finis très fins. L’adaptativité, qui permet de concentrer de manière automatique
les efforts numériques autour des fronts d’ondes, s’avère d’être une stratégie prometteuse pour modéliser la propagation des ondes dans les structures industrielles de grande taille. D’autre part, le calcul parallèle permet de
s’affranchir des limites en mémoire et en temps imposées par les ordinateurs mono-processeurs et de modéliser
numériquement des structures industrielles de grande taille. Depuis quelques années, nous avons développé dans
le code OOFE (Object Oriented Finite Element) des solveurs dynamiques adaptatifs performants dans le cadre de
la méthode de Galerkin discontinue espace-temps. Des solveurs parallèles dynamiques sont aussi développés qui
associent de manière astucieuse l’adaptativité en maillage et le calcul parallèle (thèse de J.-M. Leclère). L’application du code OOFE sur des structures industrielles (Contrats avec PSA et CNES), a montré qu’il est un outil
puissant pour l’analyse de la propagation d’ondes dans les structures complexes.
F IG . 10.1 – Remaillage adaptatif de la propagation des chocs d’origine pyrotechnique dans une partie des structures d’Ariane 5. Sont présentés : à gauche, les maillages adaptatifs, les ondes de choc de pression (en bleu) et
celles de cisaillement (en rouge et jaune) ; à droite, les maillages adaptatifs et les ondes de choc de flexion)
Propagation des ondes dans les structures assemblées des plaques et des coques Dans une structure faite
d’assemblage des plaques, les phénomènes de transmission, réflexion et conversion d’ondes aux jonctions des
sous-structures couplent différents types d’ondes (membrane, flexion, interface). Le schéma de propagation devient
complexe. Pour mieux maı̂triser le transfert d’énergie vibratoire par ondes, il est essentiel de bien comprendre les
phénomènes de propagation et pour ce faire, des modèles numériques de propagation fiables et prédictifs sont indispensables. La collaboration avec PSA Peugeot Citroën depuis 2001 a pour objectif de comprendre le mécanisme
du transfert des efforts mécaniques dans la structure automobile par voie solidienne et sous forme d’ondes et de
trouver des solutions pour réduire le bruit généré dans l’habitacle et d’améliorer le confort acoustique.
F IG . 10.2 – Modélisation par remaillage adaptatif de la propagation d’ondes dans une structure automobile
idéalisée représentant un brancard connecté à un plancher. Sont présenté : le mode de flexion du plancher à
réduire ; les maillages adaptatifs ; les ondes de membrane (en bleu) et de flexion (en rouge et jaune)
La collaboration avec CNES depuis 2002 s’intéresse à la propagation des ondes générées dans Ariane 5 lors de
la séparation des étages et de la coiffe par explosion pyrotechnique. L’objectif est de mieux maı̂triser les niveaux
vibratoires au pieds des charges utiles. Les coques des structures d’Ariane sont pour la plupart constituées de trois
couches, dont celle du milieu en nid d’abeille. Comme le domaine d’intérêt en fréquence est très étendu vers de
hautes fréquences, les longueurs d’ondes mises en jeu sont très petites et comparables aux échelles caractéristiques
des couches en nid d’abeille, il est donc important de qualifier et valider les modèles classiques d’homogénéisation
pour une coque sandwich en nid d’abeille dans le cadre la propagation des ondes. La modélisation de la propagation
des chocs dans un tel milieu en hautes fréquences et pour une grande structure constitue un défi auquel nous
essayons d’apporter de contributions (thèses A. Boullard et A. Grédé).
F IG . 10.3 – Propagation des ondes dans une plaque sandwich en nid d’abeille. Sont présentés : à gauche, vue sur
la peau ; à droite, vue dans la couche du milieu en nid d’abeille
Méthodes adaptatives couplées en maillage et en modèle (3D/Coque) Pour des structures de type fuselage,
Pechiney et EADS souhaitaient pouvoir modéliser finement la déchirure ductile, qui mettait en jeu des phénomènes
très localisés d’endommagement en pointe de fissure, tout en prenant en compte le comportement global d’un
panneau de grande taille avec des raidisseurs rivetés. Nous avons développé l’adaptation en modèles coque/3D
couplée avec le remaillage adaptatif (thèse de G. Jay). Un maillage local 3D est introduit adaptativement dans
les zones de déchirure, en accord avec des indicateurs d’erreurs de modèle, le reste du panneau étant maillé avec
des éléments finis de coque. La déchirure ductile en point de fissure est finement décrite avec une bonne prise en
compte de l’effet tridimensionnel. On a reproduit numériquement le phénomène bien connu expérimentalement,
l’avancement de fissure en biseau : la fissure s’incline systématiquement 45¡ après avoir avancé et décrit un triangle
plan. Ces solveurs adaptatifs en maillage et en modèle développés seront utilisés pour modéliser la propagation
instable et limitée de fissure dans des zones locales fragiles des cuves de centrales REP d’EDF (thèse H. Adouani).
Assimilation des données interférométriques radar et géomécaniques, problème inverse La technique d’interférométrique radar permet de calculer, à partir des images satellites, les déplacements verticaux à la surface du
sol pendant une période de temps et détecter des subsidences dans la zone où il y a des cavités. Sous l’hypothèse où
ces subsidences sont dues à la présence des cavités, l’objectif est de développer un outil numérique qui permet d’assimiler ces données interférométriques radar et géomécaniques afin de retrouver la géométrie de ces cavités (thèse
T. Pham). L’étude consiste à définir une fonctionnelle appropriée dont la solution minimisante donne une solution
acceptable de ce problème inverse et à développer des solveurs robustes pour minimiser cette fonctionnelle.
F IG . 10.4 – Calcul adaptatif en maillage/modèle de la déchirure ductile dans un panneau bi-fissurés. Sont
présentés : Maillages adaptatifs coque/3D ; Isovaleurs de la porosité (Modèle de Gurson) montrant la fissuration en biseau.
1.3
Perspectives
Modélisation multi-échelle, Adaptativité en maillage et en modèles L’adaptativité en modèles coque/3D couplé
avec le remaillage adaptatif a montré un grand intérêt dans la modélisation de la déchirure ductile dans les panneaux
de fuselage. Le développement et l’amélioraration des solveurs adaptatifs seront continués dans la thèse en collaboration avec EDF (H. Adouani) : le but est de pouvoir calculer l’avancement instable des fissures et prédire leur arrêt
dans des zones fragiles tout en considérant le comportement global des cuves de centrales REP d’EDF. L’adaptativité en modèle pourrait intervenir également dans la thèse (A. Grédé) en collaboration avec CNES pour Ariane
5, à cause des coques sandwich en nid d’abeille utilisées dans le lanceur. Afin de bien modéliser les phénomènes
d’ondes, l’enrichissement non seulement en maillage, mais aussi en modèle cinématique ou constitutif pourrait être
envisagé. L’objectif est de développer des stratégies véritablement multi-échelles pour modéliser le comportement
non linéaire ou/et dynamique des structures.
Propagation des ondes dans les structures assemblées des plaques et des coques En collaboration avec PSA et
CNES, nous continuerons à analyser théoriquement et numériquement la propagation des ondes dans les structures
assemblées des plaques et des coques. Deux points particulièrement intéressants seront étudiés : le rôle joué par
les jonctions diverses et variées dans le comportement dynamique des structures ; les phénomènes de propagation
d’ondes dans une coque multicouche composite en nid d’abeilles.
Développement du code OOFE : Programmation orientée objets et Calcul parallèle Avec trois thèses soutenues, une thèse en cours de rédaction, deux thèses qui viennent d’être lancées et des contrats avec les industriels
(BRGM, CNES, EADS, EDF, Pechiney,PSA), le projet du code OOFE est dans une phase très importante de
son développement. Il est urgent de reconsidérer son architecture orientée objets pour une meilleure extension
de son champ d’application dans les années à venir. Il est également important de rendre les solveurs parallèles
opérationnels pour les problèmes industriels.
2 Bilan scientifique
2.1
Formation
Thèses soutenues
– Arnaud B OULLARD, jan. 2004, ”Propagation des ondes dans les coques simples ou en nid d’abeille soumises
à des charges mobiles : Application au lanceur Ariane 5 sous chocs pyrotechniques”,
– Guillaume JAY (collaboration LMSSMat/Pechiney, réseau ASA), juil. 2003, ”Modélisation de la déchirure
de structures de type fuselage : Méthodes adaptatives en maillage et en modèle”,
– Jean-Michel L ECL ÈRE, déc. 2001. ”Modélisation parallèle de la propagation d’ondes dans les structures par
éléments finis adaptatifs”.
Thèses en cours
– Haithem A DOUANI, (BDI CNRS/EDF R&D, co-encadrement LMSSMat avec Clotilde B ERDIN, début sept.
2004), ”Modélisation de la propagation instable et limitée de fissure dans des zones locales fragiles”,
– Audrey G R ÉD É, (collaboration LMSSMat/CNES, début nov. 2004), ”Modélisation des chocs d’origine pyrotechnique dans les structures d’Ariane 5”,
– TuanAnh P HAM, (collaboration LMSSMat/BRGM, début sept. 2001( ?)) ”Assimilation des données d’interférométriques et géomécaniques et identification des cavités souterraines”.
Stages DEA
– Hamid M ASOUMI, (DEA DSSC (ECP)), sept. 2003, ”Modélisation de la propagation des ondes dans une
plaque en nid d’abeille”,
– Emna R EKIK (DEA S3M, collaboration LMSSMat/EDF, co-encadrement LMSSMat avec Clotilde B ER DIN ), juil. 2002, ”Modélisation des grandes déchirures”.
2.2
Collaboration
Industries
– BRGM (Réseau de suivi de subsidence urbaine et Ministère) : sur l’assimilation des données d’interférométriques
et géomécaniques et l’identification des cavités souterraines, (thèse T. Pham).
– CNES (Pôle Chocs Pyrotechniques) : sur la modélisation de la propagation des ondes de chocs d’origine
pyrotechnique dans les structures d’Ariane 5, (Contrat de recherche depuis 2002 et thèse A. Grédé),
– EDF R&D : sur la modélisation de la propagation dynamique et de l’arrêt de fissure, (thèse H. Adouani) et
sur la modélisation des grandes déchirures, (stage DEA E. Rekik), co-encadrés avec Clotilde B ERDIN, OR
”Hétérogénéités et rupture”,
– Pechiney (réseau ASA : Allègement des structures aéronautiques) : sur la modélisation de la déchirure ductile
de structures de type fuselage par des méthodes adaptatives en maillage et en modèle, (theèse G. Jay),
– PSA Peugeot Citroën : pour étudier les phénomène de propagation des ondes dans les ossatures de caisses
automobiles déchirure ductile de structures de type fuselage par des méthodes adaptatives en maillage et en
modèle, (contrats de recherche depuis 2001).
Fédération F2M2SP Participation aux projets suivants :
– Groupe d’étude 3 ”Modélisation numérique multi-échelles espace-temps”
2.3
Publications
– D. Aubry, G. Jay, B. Tie, R. Muzzolini, 2003, ”A combined mesh and model adaptive strategy for the scaling
issues in tne numerical modelling of the ductile damage in thin panels”, Comp. Meth. Appl. Mech. Engin.,
Vol. 192, n¡28-30, pp 3285-3330.
– G. Jay, D. Aubry, B. Tie, R. Muzzolini, 2002, ”Méthodes adaptatives pour les problèmes d’endommagement”, REEF, vol 11, n¡2-4, pp 335-348.
– B. Tie, D. Aubry, A. Boullard, 2003, ”Adaptive computation for elastic wave propagation in plate/shell
structures under moving loads”, REEF, Vol. 12, n¡6, pp 717-736
– B. Tie, D. Aubry, J.-M. Leclère, 2002, ”Sur la modélisation des ondes élastiques dans les structures : calculs
adaptatifs et parallèles avec équilibrage de charges”, REEF, vol. 11, n¡2-4, pp 173-184
Bilan des publications ( ?)
2001
2002
2003
2004
2.4
Revues
–
3
2
–
Congres avec actes
3
8
3
4
Moyens financiers
Contrats CNRS, Financement ministère
Bourse BDI co-financée CNRS/EDF R&D
MINEFI : réseau Allègement des structures en aéronautique
MRT : réseau de suivi de subsidence urbaine et Ministère
CNES, EDF, Péchiney, PSA
Rapports
?
?
–
?
Thèses
1
–
1
1
Ondes en milieux hétérogènes et aléatoires
Animateur Didier C LOUTEAU
Participants Auke D ITZEL(00-01), Rémi L AFARGUE (00-04), Lamia S ALHI (00-04), Nader M EZHER (00-04),
Hamid C HEBLI (02-), Ramzi OTHMAN (02-04), Tahmeed A L H USSAINI (00-02),0scar I SHIZAWA (01-04),
Christophe O BREMBSKI (02-), Régis C OTTEREAU (02-), Maarten A RNST (03-)
1
1.1
Objectifs
Cette opération de recherche a pour objectif de proposer des modèles théoriques et numériques de propagation
d’ondes dans des milieux solides ou fluides hétérogènes dont les propriétés physiques et géométriques sont sujettes
à de fortes incertitudes [145]. Ces modèles, validés par des données expérimentales in situ sont mis à la disposition
de l’ingénierie vibratoire, acoustique et parasismique.
1.2
Interactions multiples sol-structures et effet site-ville Dans le cadre du volet ”effet site-ville” de l’ACI ”Risques
naturels” piloté par l’INSU, cette opération de recherche avait pour mission de caractériser l’interaction sismique
multiple entre un grand nombre de bâtiments. Appliqués aux deux sites tests de Mexico et de Nice, des modèles
numériques tridimensionnels tels que celui présenté sur la figure 11.1, ont permis de caractériser la modification du
champ sismique induite par une densité urbaine importante [22, 487]. Ces modèles raffinés ont également servis
à valider des modèles simplifiés de propagation d’ondes en milieux aléatoires [98] portant non seulement sur le
champ moyen (équation de Dyson) mais aussi sur les fluctuations (équation de Bette-Salpeter).
F IG . 11.1 – Quartier de México modélisé (gauche) ; réponse ux , au niveau des points de contrôle, normalisée par
le champ au rocher suivant x (centre) ; comparaison de l’énergie moyenne du signal en surface entre modèles
numérique et simplifié (droite)
Vibrations induites par les moyens de transport et durabilité Dans le cadre du projet européen CONVURT
et en collaboration étroite avec le département de Génie Civil de l’Université Catholique de Louvain, un modèle
ab-initio de prédiction à ±5dB des vibrations induites dans les bâtiments environnants par le passage de métros en
tunnel a été développé. Les innovations majeures de ce modèle sont : la prise en compte complète de l’interaction
véhicule-tunnel-sol [23, 21, 20, 100], la modélisation de la propagation dans le sol et la transmission à des bâtiments
de géométrie complexe [113] et enfin la prise en compte des incertitudes de modèle [164]. Ce modèle a été validé
sur deux sites instrumentés dans le cadre du projet : celui du RER-B à la station cité Universitaire de la RATP
(cf. figure 11.2) et celui de Regent Park sur la Bakerloo line à Londres. Des études similaires ont été menées pour
l’étude des vibrations induites par le trafic routier [99, 114]
Le modèle dynamique mis en place pour l’étude des vibrations induites par les métros, couplé aux modèles non
linéaires développés dans l’opération de recherche ”géomécanique numérique”, a permis d’étudier, dans le cadre
du projet européen SUPERTRACK, le vieillissement des infrastructures ferroviaires [20]. Ce modèle est en cours
de validation à partir de données collectées sur des sites des réseaux français et espagnols de chemin de fer ainsi
que des résultats d’essais physiques de très grande envergure réalisés en Espagne et en Norvège (cf. figure 11.3).
F IG . 11.2 – Vibrations induites dans le bâtiment de la maison du Méxique par un impact dans le tunnel du
RER : modèle numérique (gauche), comparaison entre le modèle numérique probabiliste en grisé, et la réponse
expérimentale (droite).
F IG . 11.3 – Calibration de la loi de comportement cyclique du ballast : triaxial de grande taille NGI (gauche),
comparaison entre le modèle numérique la réponse expérimentale (droite).
Dynamique non-linéaire La prise en compte de phénomènes non-linéaires tels que le contact-frottement constitue un des principaux enjeux pour les modèles d’interaction dynamique sol-structure utilisés dans cette opération
de recherche. A partir de travaux précurseurs [24], un algorithme général temps-fréquence a été développé dans
le cadre de la thèse de Christophe Obrembski en collaboration avec EDF. Cet algorithme correspond à un algorithme de quasi-Newton opérant, non pas à chaque instant, mais sur une succession de fenêtres temporelles. Validé
dans un premier temps sur des modèles réduits, il est à présent en cours d’implantation dans la chaı̂ne de calcul
MISS3D-Code aster afin de traiter une large gamme de problèmes dynamiques non-linéaires.
Modélisation stochastique La prise en compte des incertitudes sur les données et les modèles à l’aide de
méthodes probabilistes initiée dans [121, 26] a été poursuivie. Dans la thèse de Rémi Lafargue, le développement
de solveurs rapides pour des simulations de Monte Carlo a été réalisé par mise en place de préconditionneurs
”effectifs” applicables à l’ensemble des tirages et de préconditionneurs ”spécifiques” à chaque tirage [92] . Ces
préconditionneurs ont été construits en calculant une approximation de l’opérateur de Dyson associé au milieu
effectif moyen par projection sur la base du chaos polynomial.
1.3
Perspectives
Les perspectives de cette opération de recherches sont toutes centrées autour de la modélisation probabiliste de
phénomènes dynamiques.
Vers les moyennes et les hautes fréquences La richesse des phénomènes, ainsi que les applications pratiques
poussent en direction du domaines des moyennes et des hautes fréquences. Pour la simulation directe, cette
voie implique d’une part une amélioration croissante des techniques de résolution (solveurs itératifs, méthodes
multi-pôles) et d’autre part la recherche de nouveaux modèles adaptés à la physique des phénomènes (méthodes
énergéniques, transfert radiatif,...). L’étude menée sur l’effet site-ville (simulation directe + modèles simplifiés de
Dyson et de Bette-Salpeter) est un bon exemple de cette démarche, d’autant que le formalisme de Dyson a été
repris pour construire un solveur itératif performant pour les simulations de Monte-Carlo.
Non-linéaire et évolution en temps long La modélisation probabiliste de systèmes dynamiques faiblement ou
fortement non-linéaires est un champ d’étude d’une richesse infinie. Nous disposons maintenant, pour des nonlinéarités modérées de solveurs déterministes performants et robustes permettant d’une part de prendre en compte
de chargements aléatoires et d’incertitudes de modèles, et d’autre part d’aborder des problèmes d’évolution sur des
temps longs. En marge du projet SUPERTRACK, une thèse en collaboration avec Guy Bonnet du LaM/UMLV est
engagée sur la modélisation du vieillissement des infrastructures ferroviaires.
Modélisation probabiliste La construction de modèles probabilistes respectant les contraintes de la mécanique
est un enjeu majeur et le principe de maximum d’entropie un outils particulièrement puissant pour atteindre cet objectif. Ainsi, en collaboration avec Christian Soize du LaM/UMLV, la thèse de Régis Cottereau aborde la construction a priori d’une impédance de bord aléatoire de moyenne donnée et satisfaisant aux contraintes de d’inversibilité
et de causalité des opérateurs de la mécanique. Poursuivant notre démarche générale, ce modèle est validé à l’aide
d’une modélisation probabiliste du milieu de propagation.
Inversion de modèles probabiliste L’utilisation de modèle probabiliste nécessite, comme pour un modèle déterministe, l’identification ou plus généralement l’inversion des paramètres du modèle. Cette démarche dépasse toutefois l’approche probabiliste classique du problème inverse qui, in fine, cherchera le meilleur modèle déterministe.
Il s’agit ici de trouver le modèle probabiliste et en particulier ses paramètres de dispersion qui reproduira l’aléa
observé sur les mesures mêmes. Ce travail est en cours de développement dans la thèse de Maarten Arnst en collaboration avec Marc Bonnet du LMS/X dans le cadre d’une bourse BDI. Cette approche est appliquée à l’inversion
des mesures dynamiques effectuées à la Cité Universitaire dans le cadre du projet CONVURT.
2
2.1
Bilan scientifique
Formation
Thèses soutenues
– Nader M EZHER, juin 2004 « Modélisation et quantification de l’effet sismique site-ville”, Directeur de thèse
Didier C LOUTEAU, Bourse Ministère.
Thèses en cours
– Rémi L AFARGUE Déc. 2004, ”Solveurs itératifs et modèles stochastiques d’interaction sol-structure”,
Directeur de thèse Didier C LOUTEAU, Bourse Ministère.
– Oscar I SHIZAWA Déc. 2004, ”Propagation d’ondes en milieu aléatoire : application à l’effet site-ville”,
Directeur de thèse Didier C LOUTEAU, ACI ”site-ville”, Projet Européen Nemisref.
– Christophe O BREMBSKI Déc 2005, ”Algorithme temps-fréquences pour l’interaction sol-structure nonlinéaire”, Directeur de thèse Didier C LOUTEAU, Contrat EDF/DRD.
– Régis C OTTEREAU (Assistant ECP), 2006, ”Modèle probabiliste d’opérateur d’impédance : application à
l’interaction sol-structure”, Directeurs de thèse Didier C LOUTEAU et Christian S OIZE (LaM/UMLV).
– Maarten A RNST 2006, ”Inversion de modèles probabilistes : application aux vibrations induites par les
moyens de transport”, Directeurs de thèse Didier C LOUTEAU et Marc B ONNET (LMS/X), Bourse BDI.
2.2
Collaborations
– OR Géomécanique : projets européens SUPERTRACK et NEMISREF en commun.
– Univ. Catholique de Louvain :
– G. L OMBAERT, 2003, postdoc.
– L. P YL, Thèse en cotutelle avec G. D EGRANDE.
– Lam/UMLV : Christian S OIZE et Guy B ONNET, Projet 9 de la Fédération francilienne mécanique des
matériaux, structures et procédés,
– autres universités : U. Théssalonique, U. Cambridge, U. J. Fourier Grenoble.
– Centre de recherche : NGI, CEDEX.
– Industrie : EDF/DRD, SNCF, RATP, London Underground, Géodynamique et Structures, SAIPEM,
Solétanche/Bachy.
2.3
publications
– Clouteau D., Aubry D., Elhabre M.L., and Savin E. Modifications of the ground motion in dense urban
areas. J Computational Acoustics, 9(4) :1 – 17, 2001.
– Savin E. and Clouteau D. Coupling a bounded domain and an unbounded heterogeneous domain for elastic
wave propagation in three-dimensional random media. Int J Num Meth in Eng, 24 :607 – 630, 2002.
– Clouteau D. and G. Devesa. Uplift of foundations under seismic loadings : time v.s. time-frequency methods.
Revue Européenne des Eléments Finis, 11(1-2-3) :201 – 210, 2002.
– Pyl L., Clouteau D., and Degrande G. A weakly singular boundary integral equation in elastodynamics for
heterogeneous domains mitigating fictitious eigenfrequencies. Engineering Analysis with Boundary Elements, 2004.
– Clouteau D., Arnst M., Al-Hussaini T.M., and Degrande G. Free field vibrations due to dynamic loading on
a tunnel embedded in a stratified medium. Journal of Sound and Vibration, 2004.
2001
2002
2003
2004
2.4
Revues
4
2
1
6
Congres avec actes
4
2
9
7
Moyens financiers
Contrats CNRS, Financement ministère, Contrats européens
ACI ”Risques Naturels : effet Site-Ville” 2001-2004,
RGCU ”Vieillissement des plateformes tramway”, 2001-2004,
Projet CONVURT 2001-2004
Projet SUPERTRACK 2002-2004
Contrats industriels Contrat cadre EDF/DRD : 2001-2006
Thèses
1
Vibrations
Animateur Etienne BALM ÈS
Participants Mathieu C ORUS (00-), Jean Michel L ECL ÈRE (01-) Adrien B OBILLOT (99-02), Gerald K ER GOURLAY (00-04), Corine F LORENS (04-07), Benjamin Groult (05-08)
Denis AUBRY, Zouir A BBADI (01-04), Olivier S AUVAGE (99-02)
1
Objectifs
L’OR vibrations cherche à développer des méthodologies de dimensionnement vibratoire et à confronter ces
méthodes à des applications réelles. Les compétences clefs sont liées à la modélisation de l’amortissement, l’analyse modale expérimentale, et les méthodes d’approximation en dynamique des structures. Le savoir-faire de l’OR
est pérennisé dans les librairies OpenFEM et SDT.
Amortissement Sur cette thématique traditionnelle de l’OR, on a cherché à mettre en place des méthodes de
conception et validation de structures amorties, abordé les problématiques de validité en fréquence et poursuivi un
travail de fond sur les techniques de caractérisation.
Pour les méthodes de conception, un premier problème est de pouvoir estimer rapidement le potentiel d’amortissement d’une technologie donnée, un résultat important a donc été la mise en place de techniques de résolution
pour l’approximation de la réponse fréquentielle directe de structures comprenant plusieurs matériaux viscoélastiques [178, 431] pour des modèles vibroacoustiques de grande taille (plus d’un million de degrés de liberté)
utilisés par l’industrie actuellement. La thèse d’O. Sauvage a permis de montrer la validité étendue en fréquence de
modèles de groupes moto-propulseurs et de valider des techniques de résolution adaptées. La thèse de N. Merlette
poursuit ce travail pour des applications automobiles en utilisant certaines des méthodes itératives mises en place
dans la thèse d’A. Bobillot. Les applications traitées concernent pour l’instant le secteur automobile, les moteurs
d’avion et électroménager.
Pour assurer une indépendance critique de l’OR sur la caractérisation des matériaux viscoélastiques, un banc de
mesure de lois de comportement viscoélastiques de films utilisés dans les tôles sandwich a été réalisé dans le cadre
de la thèse de G. Kergourlay. La spécificité de ce banc est de permettre une mesure de l’effet de la précontrainte
dont on sait qu’elle est importante pour les sandwich mis en forme. La chambre isotherme permet par ailleurs de
réaliser des essais en fréquence et température de pièces plus significative.
En parallèle, des solutions dissipatives par amortissement viscoélastique, les problématiques de dissipation
dans les jonctions soudées ont été étudiées dans les thèses de S. Germès et Z. Abbadi.
Essais, modèles hybrides, modification structurale Du côté des essais, l’activité s’est concentrée sur les techniques d’exploitations simultanées de données calculs et essais dans des modèles hybrides.
L’objectif industriel visé par la thèse de Mathieu Corus [467], financée par EDF, était de permettre une
prédiction quantitative de l’effet de modifications sur le comportement vibratoire d’une structure. Dans un contexte
de crise vibratoire sur des équipements exploités mais non conçus par EDF, l’équipement doit être rapidement caractérisé par un essai, et l’utilisation proposée d’un modèle local donnant une approximation grossière de la zone
de la modification a permis d’estimer par expansion modale [177] les quantités non mesurées et d’améliorer la
qualité de prédiction de la réponse de la structure modifiée. Le principe proposé de combiner des essais, un modèle
F IG . 12.1 – Gauche : Maillage non coı̈ncident d’un traitement amortissant structuré sur une aile de carrosserie.
Droite : suivi des résonances lors de l’optimisation du traitement.
local imparfait et des techniques d’expansion marque une extension très significative des techniques classiques de
modification structurale. Une extension des méthodes au cas de structures amorties est prévue dans le cadre de la
thèse de B. Groult (démarrage janvier 2005).
La compétence de l’OR dans cette thématique est par ailleurs maintenue par des demandes industrielles assez
régulières : EADS-ST (recalage Ariane 5, thèse Bobillot [183]), Airbus (préparation essai A380), ESA-ESTEC
(corrélation table vibrante HYDRA), PSA (essais de structure amorties), BOSCH (exploitation d’essais vibratoire
pour l’analyse des phénomènes de crissement), BEC (essais d’une poutre semi-immergée pour le dimensionnement
de codes en hydrodynamique). Finalement des développements sur les techniques de placement de capteur sont
réalisés dans le cadre de l’ACI CONSTRUCTIF.
Méthodes d’approximation en dynamique Le dernier thème développé est lié aux techniques d’approximation
en dynamique. La thèse d’Adrien Bobillot a permit de formaliser le caractère générique des méthodes d’Itération
sur les Résidus [17]. Ces techniques ont été utilisées pour le recalage, la prédiction de structures amorties (voir
thème précédent), la prédiction vibroacoustique, les études de variabilité dans les structures. Une application assez
originale a été mise en oeuvre pour la SNCF dans le développement du code DYNAVOIE, ce code prend en compte
un modèle 3D détaillé d’une tranche de voie et utilise une technique de sous structuration périodique illustrée en
figure 12.3. Une application similaire aux turbomachines, réalisée pour la SNECMA, devrait déboucher sur une
thèse en 2005.
1.1
Perspectives :
La thématique de la conception de l’amortissement est en évolution rapide. L’activité des prochaines années
concernera des développements au niveau des méthodes (placement, optimisation, validation sur gros modèles),
des essais de validations (essais composants automobiles et aéronautiques), de la connaissance des matériaux
dissipatifs (des premiers essais de mélanges contenant des nanotubes ont été réalisés au niveau du laboratoire).
La thématique des modèles hybrides calculs/essai a été fortement renouvelée par les développement de la thèse
de M. Corus. La collaboration avec EDF sera poursuivie en introduisant des modifications amortissantes et une
F IG . 12.2 – Gauche : mode d’un ensemble pompe/moteur mesuré expérimentalement en Centrale. Prédiction de
l’évolution de ce mode pour des raidisseurs modélisés par élément fini. Droite : réponse en tête de moteur lors
essai initial (mesure brute et identification), prédiction a priori de l’effet de la modification, résultats du deuxième
essai réalisé après modification.
F IG . 12.3 – Modèle 3D d’un tronçon de voie et simulation de la réponse au passage d’un train. Logiciel DYNAVOIE d’étude de l’interaction voie véhicule pour l’étude du tassement (projets SNCF 2002-2004).
première étude appliquée aux freins automobiles est en cours.
Les techniques de réduction de modèle restent un savoir faire assez unique et des applications spécifiques
pour les machines tournantes, les systèmes quasi-périodiques et les couplages fluide/structure seront l’objet de
développements importants.
2
Bilan scientifique
Logiciels :
L’OR est fortement impliquée dans le développement de divers logiciels
– OpenFEM ( www.openfem.net ) est une librairie pour le calcul élément fini multiphysique dans les environnements MATLAB et SCILAB. Cette librairie est développé en collaboration avec l’équipe MACS de
l’INRIA (développeurs initiaux de MODULEF).
– SDT (Structural Dynamics Toolbox) est la libraire logicielle principale de la société SDTools (plus 500 licences dans une vingtaine de pays). Cet environnement intègre OpenFEM et des développements spécifiques
en analyse modale expérimentale, sous-structuration et en gestion de gros calculs élément fini. L’extension
FEMLink permet l’interfaçage avec codes Elément Finis industriels (NASTRAN, ANSYS,...) ce qui est es-
sentiel pour l’objectif de l’OR de confrontation avec des cas industriels réels. Du côté du laboratoire, des
interfaces avec les logiciels du laboratoire MISS3d et GEFDYN ont été réalisées.
– Sur la thématique de l’amortissement, une capitalisation des outils experts est faite dans la boite à outils
analyse vibratoire viscoélastique (www.sdtools.com/consulting/dev visc.html) et le logiciel ProSPADD de
dimensionnement initial de la technologie SPADD (www.sdtools.com/prospadd). ProSPADD est développé
en collaboration avec ARTEC Aerospace).
– Dans le cadre de collaborations avec la SNCF, deux applicatifs spécialisées ont été réalisés DYNAVOIE pour
l’étude des interactions voie/véhicule et OSCAR pour la simulation des interaction pantographe caténaire.
Le développement d’OSCAR est financée par la SNCF dans le cadre du projet européen Europac (EURopean
Optimised PAntograph Catenary interface).
Theses :
– Bobillot A., Méthodes de réduction pour le recalage. Application au cas d’Ariane 5. Thèse ECP, 2002
– Corus M., Amélioration de méthodes de modification structurale par utilisation de techniques d’expansion
et de réduction de modèle. Thèse ECP, 2003
– Kergourlay G., Mesure et prédiction vibroacoustique de structures viscoélastiques - Application à une enceinte acoustique. Thèse ECP, 2004
– Sauvage O., Modélisation du comportement vibratoire d’un groupe moto-propulseur (0-10 kHz), Thèse ECP,
2002
– Abadie Z., Modélisation de la dissipation d’énergie vibratoire dans les corps creux soudés, Thèse ECP, Jv
2005
Publications :
– Germès S. Stawicki C., Aubry D. Wave propagation through hollow bodies and noise reduction, J. Computational Acoustics, Vol 9, No 3, 853-868. (2001)
– Sauvage O., Aubry D., Jézéquel L., Ouisse X., Savalle C., Modélisation de l’amortissement non-standard et
des vibrations d’éléments d’un groupe moto-propulseur en moyennes fréquences, 5eme colloque Calcul des
structures, 2001
– Sauvage O., Aubry D., Ouisse X., Savalle C., Non-classical damping and medium frequency range vibrations
of assembled engine components, Proc. 20th IMAC, Los Angeles, 2002
– Abbadi Z., Aubry D., Germes S., Jézéquel L., Van Herpe F., An improved model for dissipation in welding
spot joints, ISMA 2004
Merlette N., Germès S., van Herpe F., Jezequel L., Aubry D. The use of suitable modal bases for dynamic
prediction of structures containing high damping materials, ISMA 2004
3 Moyens financiers
Un financement de 30 keuroa été fourni par le CNRS au titre de l’ACI Constructif sur la période 2003-2006.
xxx Chambre-ECP xxx
Contrats industriels :
SDTools (Auto-financement Balmès et Leclère), PSA (thèses Germès, Sauvage, Merlette, Abadi, études), EDF
(thèse Corus, Groult, études), EADS-ST (thèse Bobillot), SNCF (études), SNECMA (études), ONERA (thèse
Florens)
Echelles Pertinentes en mécanique des
matériaux
Animateur Claude P RIOUL
Participants Clotilde B ERDIN, Sylviane B OURGEOIS, Michel C LAVEL, Françoise G ARNIER, Eric P ERRIN,
Philippe P ILVIN, Nicolas ROUBIER, Colette R EY
Doctorants : Jeanne B ELOTTEAU, Laurence B ÉRAT, Olivier FANDEUR, Stéphanie G RAFF, Cécile M AURY,
Fabien O NIMUS, Antoine P HELIPPEAU, Arsène YAM ÉOGO
1
1.1
Objectifs
L’objectif des recherches est de préciser les mécanismes physiques intervenant dans différents problèmes de
mécanique des matériaux, afin de proposer des critères pertinents pour modéliser le comportement, l’endommagement et la rupture de ces matériaux. Elle tire profit des potentialités très spécifiques du labo MSS-Mat qui
possède à la fois des outils de calculs numériques originaux et très avancés et des moyens d’observations à toutes
les échelles, depuis la microscopie optique jusqu’à l’échelle atomique (MET, AFM...). Ces études s’appuient
également sur l’ensemble des moyens d’essais mécaniques existant au laboratoire, depuis l’échelle atomique (spectrométrie mécanique) jusqu’à l’échelle macroscopique (machines servo-hydrauliques de capacité 100 et 500kN),
sans oublier les échelles intermédiaires (essais mécaniques dans la chambre d’un Microscope Électronique à Balayage).
1.2
Alliages de Zirconium (collaboration avec le CEA et EDF) Un ensemble important de travaux (4 thèses dont 3
soutenues) a porté sur le comportement, l’endommagement et la rupture des alliages de zirconium, irradiés ou non.
Dans les alliages non irradiés, les études ont concerné deux mécanismes essentiels d’endommagement : la corrosion sous contrainte et la fissuration de la couche d’oxyde superficielle. Pour la corrosion sous contrainte les travaux
d’Olivier Fandeur (co-encadrés par Philippe Pilvin) ont permis d’établir une loi de comportement élasto-visco plastique anisotrope du Zircaloy 4 et de montrer que, parmi les paramètres du chargement, contrainte, déformation et
vitesse de déformation, ce dernier semble être celui qui pilote les mécanismes physiques à l’origine de la fissuration [56]. L’étude a également mis en évidence que les essais de laboratoire habituellement pratiqués surestiment
les durées d’amorçage de fissures par rapport à la situation réelle en centrale, du fait de la présence d’une oxydation continue sur la surface qui retarde l’attaque par l’iode. Concernant le rôle de la couche de zircone sur le
fluage des gaines, la thèse de Laurence Bérat a démontré que le fluage est conditionné par la fissuration de l’oxyde
même si, dans le cadre de chargements biaxiaux en pression interne, aucune influence de la couche d’oxyde n’est
enregistrée. Les calculs par éléments finis montrent que cette absence d’effet est liée au champ de déformation plastique très particulier induit par ce chargement. Dans les matériaux irradiés (thèse de Fabien Onimus co-encadrée
par Philippe Pilvin), une étude par microscopie électronique à transmission a confirmé que le glissement basal était
le mécanisme prépondérant de plasticité, du fait de la plus grande facilité de formation des canaux localisant la
déformation [106]. Pour des chargements nécessitant l’activation du glissement prismatique ou pyramidal (traction
axiale sur tubes) des canaux prismatiques ou pyramidaux peuvent être observés. La modélisation mécanique qui
a été développée sur la base de ces observations montre que ce qui est classiquement appelé « durcissement par
F IG . 13.1 – Modélisation et visualisation expérimentale de la localisation de la déformation plastique suivant
des bandes de Portevin Le Chatelier dans une éprouvette plate entaillée, sollicitée en traction simple, pour des
déplacements imposés croissants
irradiation » est principalement dû à l’augmentation de la part de la contrainte interne liée à l’augmentation de l’incompatibilité de déformation entre les grains, du fait de la localisation de la déformation plastique dans les canaux
[321]. Cette interprétation nouvelle du comportement mécanique des alliages de zirconium irradiés montre que
l’assimilation, souvent effectuée, du durcissement par irradiation au durcissement par écrouissage ne peut trouver
aucune justification sur la base des mécanismes physiques observés. La dernière étude, effectuée en collaboration
avec le Centre des Matériaux de l’École des Mines, dans le cadre de la thèse de Stéphanie Graff (en cours) porte
sur la modélisation numérique de la plasticité hétérogène associée à l’existence du phénomène de vieillissement
dynamique. La loi de comportement, basée sur les travaux de Mc Cormick, a été introduite dans un code de calcul aux éléments finis. Les premiers résultats (figure 13.1) montrent que le modèle numérique décrit très bien les
observations expérimentales [62]. Plus intéressant est le fait que, en changeant les conditions initiales, le même
modèle permet de décrire également la formation et la propagation des bandes de Lüders, confirmant ainsi l’origine
physique commune de ces deux phénomènes.
Matériaux nano structurés : Aciers perlitiques hyper déformés (thèse Antoine Phelippeau) Les fils d’aciers
perlitiques fortement tréfilés sont employés sous forme de câbles de renforts de pneumatiques du fait de leur très
grande résistance mécanique, couramment supérieure à 3000 MPa. Le tréfilage induit la formation d’une microstructure lamellaire nanométrique biphasée et s’accompagne, à partir de déformations supérieures à 2, d’une dissolution progressive de la cémentite. L’objectif de ce travail a été de contribuer à la compréhension des mécanismes de
plasticité de ce type de microstructure ainsi que des phénomènes de vieillissement dans le domaine de température
de la vulcanisation des pneumatiques [154]. Une première partie est consacrée à une étude à plusieurs échelles
des propriétés mécaniques de fils fortement tréfilés (epsilon = 3,5). Il apparaı̂t, à l’échelle macroscopique, que
l’écrouissage en traction est constitué, pour plus de la moitié, d’une composante cinématique. A l’échelle mésoscopique, des observations au MEB ont permis de montrer que le glissement se développe à l’échelle des excolonies perlitiques (Figure 13.2). Ce fait est confirmé au MET, à l’échelle nanométrique, par la disparition
de la cémentite en tant qu’obstacle aux dislocations et par la formation d’interfaces ferrite/ferrite faiblement
désorientées. L’écrouissage isotrope semble être principalement lié à l’activation de sources de dislocations dans
les interfaces entre lamelles adjacentes ainsi qu’au durcissement par solution solide du fait de l’enrichissement de
la ferrite en carbone. La composante cinématique de l’écrouissage serait, quant à elle, due aux contraintes internes
générées par les incompatibilités de déformations plastiques entre les ex-colonies perlitiques. Par ailleurs, plusieurs
résultats, notamment ceux de diffraction de neutrons et de rayons X au synchrotron, incitent à faire l’hypothèse
de la formation de mailles « pseudo-martensitiques » sous l’effet de la déformation en filière. Les mécanismes
connus dans les revenus des martensites ont été recherchés mais n’ont toutefois pas été observés de façon certaine.
F IG . 13.2 – Lignes de glissement observées dans les ex-colonies perlitiques et mise en évidence des incompatibilités de déformation à l’échelle micrométrique, à l’origine de l’écrouissage cinématique
F IG . 13.3 – Domaines de fissuration et d’usure dans le diagramme pression/débattement de l’acier XC 38
Amorçage de fissures de fretting dans les essieux axes ferroviaires (thèse Arsène Yaméogo) L’étude porte
sur le problème de microfissuration des essieux axes TGV sous portée de calage (interface essieu roue). Une
première analyse micrographique de ces fissures indique qu’elles s’apparentent à des fissures de fatigue amorcées
prématurément dans des zones affectées par du fretting. Des simulations numériques de l’évolution des contraintes
à l’interface essieu/axe, sous sollicitations cycliques, sont effectuées par la méthode des éléments finis. Ces calculs
sont validés à l’aide de mesures des contraintes par diffraction de neutrons, réalisées au Laboratoire Léon Brillouin
de Saclay (A. Lodini) qui confirment l’évolution des conditions locales (contraintes, déplacements éventuels) du
contact entre les deux pièces et permettent donc de définir les conditions de fretting [91]. Cette modélisation est
associée à une étude expérimentale de base des conditions de fretting des aciers utilisés, conduite au laboratoire Laboratoire de Tribologie et de Dynamique des Systèmes de l’Ecole Centrale de Lyon en collaboration avec Siegfried
Fouvry [135]. La confrontation des expériences et du calcul (Figure 13.3) montre que les conditions du contact sont
favorables à l’amorçage de fissures. Des critères de fatigue multiaxiaux sont appliqués pour prévoir cet amorçage.
1.3
Perspectives
La loi de comportement développée pour modéliser la localisation de la déformation plastique, liée au vieillissement dynamique dans les alliages de Zirconium, va faire l’objet d’une extension au cas des aciers, ce qui permettra
de vérifier le caractère général de la formulation adoptée. Sur cette base, le rôle de la localisation de la déformation
plastique sur la rupture ductile sera ré-examiné, tant au niveau macroscopique qu’au niveau des mécanismes physiques d’amorçage, de croissance et de coalescence des cavités (thèse de Jeanne Belotteau). Par ailleurs, l’étude
des matériaux hyper-déformés va se poursuivre en considérant des trajets de chargement plus complexes que ceux
étudiés précédemment. Le cas de la torsion après tréfilage sera par exemple analysé pour mieux comprendre l’origine de la localisation précoce de la rupture en torsion. La modélisation de la plasticité cristalline constituera un
outil privilégié pour analyser les changements de trajet de chargement dans ces matériaux (thèse de Cécile Maury).
2
2.1
Bilan scientifique
Formation
Thèses soutenues – Laurence Bérat, juin 2001, Influence d’une couche d’oxyde sur le comportement mécanique
de tubes de Zircaloy-4.
– Olivier Fandeur, décembre 2001, Modélisation de la tenue à la corrosion sous contrainte de gaines de
Zircaloy-4 en interaction avec le combustible (co-encadrement Philippe Pilvin).
– Antoine Phelippeau, décembre 2003, Étude expérimentale du rôle de la microstructure et du vieillissement
sur les propriétés mécaniques des aciers perlitiques fortement déformés (co-encadrement Sylvie Pommier,
Michel Clavel).
– Fabien Onimus, décembre 2003, Approche expérimentale et modélisation micromécanique du comportement des alliages de zirconium irradiés (co-encadrement Philippe Pilvin).
Thèses en cours – Arsène Yaméogo (co-encadrement École Centrale Lyon : Siegfried Fouvry) Modélisation de
l’amorçage de fissures de fretting dans les essieux axes ferroviaires (CIFRE SNCF).
– Stéphanie Graff (co-encadrement École des Mines de Paris : Samuel Forest, Jean Loup Strudel), Étude et
modélisation du comportement viscoplastique des alliages de zirconium dans le domaine de température
(20 - 450)◦ C. Dans le cadre du CPR SMIRN CNRS/CEA/EDF/ECP.
– Jeanne Belotteau (co-encadrement avec Clotilde Berdin et École des Mines de Paris : Samuel Forest),
Modélisation des effets du vieillissement dynamique sur le comportement mécanique et la rupture des
aciers au carbone manganèse du circuit secondaire des REP (CIFRE EDF).
– Cécile Maury (co-encadrement avec Michel Clavel), Étude et modélisation des propriétés mécaniques des
aciers perlitiques fortement déformés (CIFRE Michelin).
2.2
Collaboration
Industries – CEA Saclay (SRMA, SEMI) : Comportement mécanique des alliages de zirconium.
– EDF (Centre des Renardières) : Modélisation du vieillissement dynamique des aciers faiblement alliés et
accord cadre de collaboration EDF/MSSMAT.
– Michelin : Propriétés mécaniques des aciers perlitiques fortement tréfilés.
– SNCF/Valdunes : Fissuration par fretting des essieux axes TGV.
FédérationF2M2SP – Projet 1 : Microstructure en évolution (animateur : Samuel Forest)
2.3
Publications (4 principales)
– K. Le Biavant, S. Pommier, C. Prioul, 2002, Local texture and fatigue crack initiation in a Ti-6Al-4V titanium
alloy, Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, Vol. 25, P. 527-545.
– P. Hausild, I. Nedbal, C. Berdin, C. Prioul, 2002, The Influence of ductile tearing on fracture energy in the
ductile-to-brittle transition temperature range, Material Science and Engineering, Vol. A335, p. 164-174.
– A. Rossoll, C. Berdin, C. Prioul, 2002, Toughness determination from instrumented Charpy test for a low
alloy steel, International Journal of Fracture, Vol.115, 205-226.
– F. Onimus, I. Monnet, J. L. Béchade, C. Prioul, P. Pilvin, 2004, A statistical TEM investigation of dislocation
channeling mechanism in neutron irradiated zirconium alloys, Journal of Nuclear Materials, vol. 328, 165179.
2.4
Moyens financiers
Contrat de Programme de Recherche CNRS CPR Simulation des Matériaux des Installations et Réacteurs Nucléaires (SMIRN) en Collaboration avec EDF et le CEA.
Contrats industriels – SNCF Valdunes (contrat CIFRE Arsène Yaméogo), EDF (Contrat CIFRE Jeanne Belotteau),
– Michelin (Contrats CIFRE Antoine Phelippeau et Cécile Maury à venir).
Plasticité cristalline à l’échelle
mésoscopique et couplage
Animateur Colette R EY
Participants Clotilde B ERDIN, Michel C LAVEL, Claude P RIOUL, Sylviane B OURGEOIS, Françoise G ARNIER,
Paul H AGHI -A SHTIANI, Eric P ERRIN, Nicolas ROUBIER
Doctorants : Philippe E RIEAU, Seddik S EKFALI, Jérôme D ELFOSSE, Maximilien L IBERT
1
1.1
Objectifs
L’objectif est l’analyse expérimentale et numérique à l’échelle du grain ou de la phase, de l’influence des
paramètres matériaux (taille de grain, joints de grains, orientation, propriétés d’écrouissage’) sur les champs
mécaniques locaux, dans un agrégat appartenant à une structure donnée elle-même soumise à des trajets de chargement monotone et complexe. Le couplage entre ces champs mécaniques et les propriétés physiques, mécaniques
et d’endommagement du matériau est alors possible.
1.2
L’approche numérique développée dans le cadre des transformations finies, s’appuie sur la théorie continue des
dislocations et prend en compte la nature cristalline des agrégats (systèmes de glissements, interactions des dislocations mobiles avec les obstacles et orientations cristallines). Les lois viscoplastiques écrites à l’échelle du système
de glissement sont implémentées dans le code d’éléments finis Abaqus. Dans ce type d’approche, la microstructure de dislocation est supposée continue mais peut présenter de fortes fluctuations de densité et de systèmes actifs,
cette représentation est suffisante pour décrire l’anisotropie de la microstructure. L’identification des paramètres
matériaux repose sur des méthodes inverses et des données expérimentales. Cette double approche numérique et
expérimentale, permet de tester des hypothèses physiques et de déterminer d’autres paramètres difficilement accessibles par l’expérience, comme les évolutions des amplitudes de cisaillement sur les systèmes de glissement actifs
et latents, les densités de dislocation associées et l’énergie stockée L’analyse expérimentale se situe à la même
échelle : MEB à haute résolution, MET, micro essais mécaniques, micro extensométrie. La première approche
numérique a été développée par Thierry Hoc au cours de sa thèse (ECP 99) pour comprendre le phénomène de
localisation dans les aciers IF lors de changements de trajet. Cette approche a servi de base aux études suivantes :
Influence des hétérogénéités induites par la déformation à froid sur la recristallisation primaire d’un acier
IF-Ti (thèse P. Erieau). La caractérisation expérimentale du comportement mécanique et de recuit de l’acier IF, a
permis d’identifier les lois de comportement et les cinétiques de recuit [39]. La simulation des champs mécaniques
dans un agrégat réel 3D déformé en compression plane, a permis de déterminer l’origine de ces hétérogénéités en
fonction des interactions entre grains voisins et des propriétés d’écrouissage du matériau (Fig. 14.1).
Pour simuler la recristallisation, un intérêt a été porté à l’estimation de l’énergie stockée. Il a été montré
que le travail plastique ne représente pas cette énergie, au contraire de la densité de dislocations et qu’une forte
déformation locale n’est pas nécessairement associée à une forte énergie stockée, ni à un fort gradient d’orientation.
L’effet résultant en recristallisation a été discuté. La comparaison du champ d’orientation obtenu expérimentalement
et numériquement sur une zone de l’échantillon, caractérisé par EBSD, avant et après déformation, montre un très
F IG . 14.1 – Exemple de couplage expérience-simulation. L’échantillon est sectionné verticalement (a) et une zone
centrale caractérisée par EBSD (b) est recouverte de microgrilles. Après déformation, la même zone est analysée
(c) (ici les rotations locales d’un des axes macroscopique), puis recristallisée (d) les résultats expérimentaux (c)
sont comparés à la simulation numérique (e) faite sur l’agrégat (b)
bon accord. Après recuit, les microstructures et la texture résultante sont comparées à la simulation Monte Carlo
(collaboration T. Baudin, D. Solas) prenant les résultats éléments finis comme données initiales. Un accord qualitatif a été obtenu. Il a permis de dégager, l’importance des gradients d’énergie, des orientations et du voisinage
sur la germination et la croissance des grains ainsi que sur le développement des textures et microstructures recristallisées. Le couplage du modèle avec un modèle de recristallisation du type Monte Carlo 2D a montré la richesse
de l’approche mais soulève un certain nombre de questions concernant la description des cinétiques mises en jeu.
Cette étude se poursuit en collaboration avec D. Solas et T. Baudin du LCPES de l’université d’Orsay sur différents
alliages de cuivre [364].
Influence du forgeage à chaud sur la dispersion en fatigue du Ti17 (thèse J. Delfosse en partenariat avec la
Snecma). La même problématique est appliquée dans le domaine des hautes températures sur des alliages de titane
utilisés dans l’aéronautique [200]. Le Ti17, comme le Ta6V, étudié par K. Le Biavant et C. Prioul, présente une
forte dispersion des durées de vie en fatigue. Dans le Ta6V, l’origine de cette dispersion est attribuée à l’existence
d’une sur- structure millimétrique caractérisée par une orientation cristalline moyenne. Le Ti17 est un alliage
quasi béta, (30% de phase béta à température ambiante) avec une microstructure fine aiguillée de phase alpha
dans les ex-grains béta. La modélisation du forgeage (dans la phase béta) a nécessité l’obtention (par polissage
et orientations successives d’un échantillon chauffé trempé), d’un agrégat 3D réaliste afin de tenir compte de la
morphologie et de la texture d’origine. La modélisation montre qu’il existe pour une compression plane d’axe DN,
deux axes cristallographiques stables (DN//[001] et (DN//[111]) autour desquels les grains se réorientent, d’où la
formation d’agrégats de sous grains . La morphologie et la texture globale simulée est en excellent accord avec
l’expérience. L’étude expérimentale après refroidissement, vérifie que les ex-grains béta donnent naissance à des
colonies d’aiguilles alpha en relations d’orientation avec la phase béta, avec toute fois moins de variants qu’indiqué
dans la littérature (Fig. 14.2).
Les essais de fatigue en flexion pure du matériau, montrent que l’amorçage des fissures se fait dans les aiguilles
alpha, à l’interface alpha/béta et dans les petits grains recristallisés en collier et aux joints de grains béta/béta. Il
existe donc trois sites d’amorçage dépendants de l’orientation locale de la phase béta. Les interfaces se comportent
dans ce matériau, aussi bien comme des éléments favorables à la propagation que comme des barrières microstructurales. La dispersion en fatigue étant liée à la texture, nous avons fragmenté , par des essais de contre-forgeages
(compressions à 90 degrés), les entités cristallines afin de rendre la texture plus isotrope. L’expérience s’appuie sur
le calcul numérique qui montre un changement de texture vers 30% de déformation. Les essais de fatigue sur des
pions contre-forgés sont en cours d’analyse.
Effet de la microstructure sur le comportement local des aciers bainitique et martensitique (thèse de S.
Sekfali, en collaboration avec B. Marini). Un autre couplage étudié est celui des hétérogénéités et de l’endomma-
F IG . 14.2 – Déformation d’un agrégat de Ti17 dans le domaine béta. De gauche à droite, couche de l’agrégat avant
déformation, contraintes équivalentes au sens de Mises dans l’agrégat, nouvelle orientation de la couche après
forgeage. Les grains après déformation, sont en majorité « rouge » (DN//[001] et « bleu » (DN//[111]).
F IG . 14.3 – Distribution des contraintes uniaxiales dans la bainite et la martensite. Cartes des contrainte de Mises
dans un agrégat de bainite (haut) et de martensite (bas) déformés de 7,5% (même échelle de contrainte entre
200MPa et 2000MPa).
gement [351]. Les matériaux utilisés dans l’industrie nucléaire, pour les cuves REP, présentent, à proximité des
zones activées thermiquement, des variations de microstructure du type bainitique ou martensitique. L’existence
de zones critiques fortement contraintes dans la martensite a été mise en évidence. Ces zones dépendent fortement
de la taille et de l’orientation cristalline des fins paquets de lattes de martensite. Ce résultat ne se retrouve pas dans
la bainite dont les paquets de lattes sont supérieurs d’un facteur 2 ou 3 à ceux de la martensite (Fig. 14.3). Ce
phénomène peut contribuer à la rupture intergranulaire observée dans la martensite du fait de la taille des lattes qui
ne permet pas la relaxation des contraintes.
Les deux précédentes études, bien que portant sur des matériaux différents, montrent la nécessité de rendre
compte de l’effet de la taille sur la relaxation des contraintes et la formation des parois de dislocations dans les
entités cristallines inférieures au micromètre. Pour résoudre ce problème, l’approche cristalline implémentée dans
Abaqus à été optimisée afin de réduire d’une part les temps de calcul et d’autre part d’introduire une longueur
d’échelle qui rend compte de l’effet de la taille des grains. Cette approche est développée en collaboration avec
O. Fandeur (CEA/LM2S). Elle prend en compte des seconds gradients sous forme de densités de dislocation
géométriquement nécessaire. Le travail est en cours de validation.
Approche cristalline de la transition ductile-fragile dans les aciers (Thèse de M. Libert en collaboration
avec B. Marini (CEA/SRMA). Les travaux en mécaniques de la rupture n’ont, jusqu’à présent, pas permis de
comprendre parfaitement l’origine de la transition ductile-fragile. L’approche cristalline vient compléter les études
antérieures. Les mécanismes de plasticité mis en jeux dans les matériaux cubiques centrée sont contrôlés par la
friction du réseau cristallin et la formation de double-décrochements à basse température et par les interactions de
type arbres de la forêt à haute température. Il est donc possible que ce changement de mécanisme, favorise d’autres
phénomènes de déformation comme le clivage, conduisant à la rupture fragile. Les phénomènes thermiquement
activés ont été implémentés dans le code Abaqus. Les premières simulations sont en cours sur des matériaux
modèles identiques à ceux étudiés par S. Sekfali. D’autre part, des essais mécaniques de traction simple et des
essais sur éprouvette CT, ont été réalisés entre 20◦ C et -196◦ C au SRMA du CEA Saclay. Les résultats ont permis
d’identifier les paramètres matériaux et de les comparer à ceux de la littérature.
1.3
Perspectives
Modélisation cristalline du comportement à chaud pour décrire la diffusion à l’origine du fluage et du glissement aux joints de grains. Application aux céramiques. Dans les céramiques, l’idée est de remplacer les dislocations, par des flux de lacunes ou d’interstitiels dont la cinétique restent peu différente de celles des dislocations. Le
glissement aux joints de grain devient alors le mécanisme prépondérant. Cette collaboration SPMS/MSSMat permettrait de relier les calculs ab-initio du SPMS avec des calculs et expériences plus macroscopiques du MSSMat.
Participation à la modélisation des effets des hydrures dans le Zirconium (M. Clavel).
2
Bilan scientifique
2.1
Formation
Thèses soutenues
– Philippe ERIEAU, janvier 2003, « Etude expérimentale et analyse numérique de l’influence des hétérogénéités
induites par la déformation à froid sur la recristallisation primaire d’un acier IF »
– Seddik SEKFALI, Juin 2004, « Influence de la microstructure sur le comportement local des aciers 16MND5
» en cotutelle avec B. Marini (CEA/SRMA)
Thèses en cours
– Jérôme Delfosse (CIFRE ECP/SNECMA) collaboration C. Prioul et M. Clavel, « Influence du forgeage béta
sur la dispersion en fatigue du Ti17 »
– Maximilien Libert (CEA/ECP) en co-tutelle avec B. Marini (CEA/SRMA) et C. Berdin (ECP), « influence
de la plasticité cristalline sur la transition ductile-fragile des aciers faiblement alliés »
2.2
Collaborations
–
–
–
–
–
–
2.3
LLB : études de changement de phases à chaud par diffraction de neutrons
LCPES de Paris 11 : Thierry Baudin et Denis Solas (mise en forme/recristallisation)
CEA Saclay : SRMA : B. Marini (Thèses S. Sekfali et M. Libert) ; LM2S : O. Fandeur (Approches locales)
Snecma Moteurs : M. Mineur, N. Spath et C. Lecalvez (thèse de J. Delfosse)
ECP/SPMS : collaboration sur le thème élaboration comportement des céramiques
ECP/MSSMAT : C Berdin (rupture à froid), M. Clavel (MET sur le Ti17)
Publications
– P. Erieau ; C. Rey, 2004, Modelling of deformation and rotation bands and of deformation induced grain
boundaries in IF Steel aggregate during large plane strain compression, International Journal of Plasticity
20, pp1763-1788.
– S. Sekfali, C. Rey, B. Marini, (à paraı̂tre), Modeling of microstructural effects on the local mechanical fields
in tempered martensite and bainite microstructures, Second International conference on multiscale Materials
Modeling, MMM2 (octobre 2004), Los Angeles, CA USA.
– J. Delfosse J., C. Rey C., N. Spath, (2004),vol2,pp 1315-1322, Polycristalline modelling of forging in béta
phase field of Ti 17, Titanium 2003 juillet 2003 (Hambourg) Edited by G. Lütjering, J. Albrecht.
– P. Erieau, C. Rey, (2002), Finite Element simulation of the intragranular Reorientation and stored energy
Induced by Deformation in a IF-Steel Aggregate Submitted to Channel Die Compression, Material Science
Forum, vols.408-412 (2002) pp. 389-394, Textures of Materials, ICOTOM 13 (SEOUL August 2002)/
2.4
Moyens financiers
– Snecma et CEA
– Bourses MRT : l’une co-financée CEA ; l’autre financée sur fond propre.
Hétérogénéités et ruptures
Animateur C. B ERDIN
Participants D. AUBRY, P. B OMPARD, V. D JAFARI, S. B OURGEOIS, F. G ARNIER, E. P ERRIN, N. ROUBIER
Doctorants et Post-Docs : H. A DOUANI (04-07), J. B ELOTTEAU (04-07), V. C ALONNE (01), M.J. D ONG
(01), C. F UNFSCHILLING (02-05), M. H AJJAJ (02-05), P. H AU S̆ILD (99-02), A. L E P ÊCHEUR (04-07)
1
1.1
Objectifs
Certaines applications nécessitent de considérer les phases d’endommagement et de prévoir la rupture des structures pour optimiser les dimensionnements, comme c’est la cas pour les structures de sécurité ou dans le cadre de
la tolérance au dommage. Afin d’obtenir des prévisions fiables, on s’intéresse aux mécanismes d’endommagement des matériaux et on met l’accent sur la relation entres ces mécanismes et l’hétérogénéité des microstructures.
Les approches utilisées sont des approches locales couplées au comportement ou non. Le domaine d’étude des
mécanismes de rupture s’étend de la rupture fragile à la rupture ductile en sollicitation macroscopique monotone, de l’endommagement diffusà la création et l’extension d’une macro-fissure. Il s’ouvre sur l’endommagement
cyclique.
1.2
Transition ductile-fragile (thèse de P. H AU S̆ILD )La prévision de la ténacité dans le domaine de la transition
ductile-fragile reste un problème majeur car la dispersion des valeurs y est importante. Elle nécessite de modéliser
la rupture par clivage en compétition avec la rupture ductile. De précédents travaux menés dans le cadre de l’approche locale de la ruptureont permis de montrer que dans le bas de la transition, le modèle de Weibull identifié
sur la distribution de résilience prédit correctement la ténacité [119, 156]. Cependant dans ledomaine de la transition, laprise en compte de la déchirure ductile précédant la rupture par clivage (Figure 15.1)ne suffit pas pour
rendre compte des résultats expérimentaux. Elle permet par contre d’associer clairement la résilience à l’énergie
de déformation plastique qui accompagne la déchirure [69].Une étude précise de la microstructure du matériau et
des surfaces de rupture à l’aide de microscopies, d’EBSD et de stéréographie alliés à des calculs par E.F., indique
que les mécanismes de clivage changentlorsque la température augmente [150]. L’hypothèse jusqu’ici implicited’une seule population de défautsde clivage est alors levée en modifiant le modèle de Weibull [149]. La prévision
de la ténacité dans la transition est améliorée (Figure 15.1).Cependant, ces modifications qui sont encore d’ordre
phénoménologique doivent être appuyéespar une modélisation plus fine du matériau (voir perspectives).
Propagation et arrêt de fissure de clivage (thèse de M. H AJJAJ )Dans le cadre d’une ”défense en profondeur”
des structures, on est amené à supposerl’amorçage d’un défaut. Dans ce cas, on cherche à déterminer lesconditions
de propagation et d’arrêt de fissure. Le problème de la validité du concept de ténacité à l’arrêt est posé, ainsi
que celui de sa détermination. Différents types d’essais existent ; celui choisi ici est un choc thermique chaud
sur disquefissuré, proposé par l’Ecole des Mines de Paris et adopté par EDF. Les essais indiquent que lafissure
se propage à environ 600m.s−1 ; un ralentissement est noté avant l’arrêt. L’évaluationde la ténacité nécessite une
analyse thermomécanique de l’essai, ainsi que la prise en compte de la plasticité de la zone chaude, importante dans
cet essai. Il n’y a pas d’interaction onde-fissure en cours de propagation, contrairement à d’autres essais utilisés
pour évaluer la ténacité à l’arrêt [402].La fissure s’arrête en clivage, sans changement de mode de rupture. Une
zone de ”pré-arrêt” est cependant mise en évidenceavec la présence de zones de cisaillement entre grains(Figure
F IG . 15.1 – Macrographie de la surface de rupture d’une éprouvette de résilience, et modélisation de la déchirure
ductile par E.F. (modèle GTN) (gauche) ; Prévision de la ténacité en fonction de la température avec un modèle de
Weibull modifié (droite).
15.2) indiquant que le critère local de rupture n’est plus atteint sur tous les plans de clivage. Cependant, le front
d’arrêt est assez régulier, ce qui suppose une faible dispersion des résistances locales au clivage et un comportement
collectif des grains en propagation, contrairement à l’hypothèse du maillon le plus faible classiquement adopté pour
l’amorçage.
F IG . 15.2 – Zone de cisaillement reliant des zones de clivage (gauche) ;relief le long du chemin indiqué sur la
photographie obtenu par stéréographie (droite).
Endommagement d’un matériau viscoélastique à forte fraction de particules (thèse de C. F UNFSCHIL LING )L’endommagement des matériaux plastiques est largement étudié et représenté par les modèles deGurson ou Rousselier et leurs dérivés. On cherche ici à prédire le comportement jusqu’à la rupture d’un matériau
viscoélastiquecomportant des particules élastiques. L’étude est développée pour des matériaux dits ”énergétiques”
(propergols solides ou explosifs), mais peut s’appliquer à tout type de polymères chargés par des particulesde
taille au moins micrométrique et dont l’endommagement se produit par décohésion interfaciale desparticules et du
polymère. L’approche choisie est de type micromécanique afin d’obtenir une loide comportement dont le nombre
de paramètresphénoménologiques identifiés sur des essais macroscopiques soit le plus faible possible [400]. La
difficulté réside dans la non-linéaritéintroduite par l’évolution de l’endommagement. Par ailleurs, on souhaite à
terme mettre en oeuvre la loi dans un code de calcul par éléments finis, ce qui nécessite des choix adaptés à ces
méthodes numériques. Finalement la pertinence de ces choix est evaluée par des calculs de microstructures (volume
élémentaire représentatif).
Défauts et endommagement Dans l’étude des relations endommagement et microstructure, on a pu montrer :
– les grosses inclusions, bien qu’à l’origine de concentration de contraintes, ne favorisait pas le clivage [67,
150], contrairement à des idées avancées dans la littérature pour expliquer la dispersion des valeurs de
ténacité dans la transition. Cette dispersion a son origine dans l’évolution des micromécanismes de clivage
associés à la plasticité.
– La présence d’un réseau d’inclusions (liserés eutectiques des alliages de fonderie, précipités et hydrures
des Zircaloys) diminue considérablement la ductilité et modifient le mécanisme classique de croissance
coalescence des cavités au profit d’un mécanisme de charge limite locale [6, 35].
– La détermination des mécanismes d’endommagement par observation en surface nécessite une analyse
adaptée pour quantifier les résistances des phases en jeu. Ainsi, on montre que l’état de contraintes dans
une particuledépend de sa position vis-à-vis de la surface mais également de sa forme (Figure 15.2) [15]. Ce
résultat complète ceux de lalittérature, en introduisant les aspects géométriques.
F IG . 15.3 – Modélisation d’une inclusion sphérique en surface (gauche) ;rapport de la contrainte principale maximale pour des particules en surface ou en volume (droite).
1.3
Perspectives
Prévision du clivage
– Amorçage : comme indiqué ci-dessus, les conditions d’apparition du clivage dans la transition doivent
êtreprécisées et l’échelle macroscopique n’est pas suffisante. On étudie l’influence des hétérogénéités de
déformation à l’échelle cristalline sur les conditionsde développement du clivage. Ce travail s’inscrit dans le
cadre d’une collaborationavec l’OR de C. R EY.
– Propagation et arrêt de fissure : si la rupture par clivage intervient,on cherche à déterminer les conditions
de propagation et d’arrêt de tellesfissures à l’aide d’un critère intrinsèque ; ce travail doit conclure la thèse
de M. H AJJAJ.Des outils numériques seront développés pour prédire ces phénomènesdans une structure
industrielle de grande taille dans le cadre del’OR de B. T IE (thèse de H. A DOUANI), et on s’intéressera
aux propagationsde fissures dans des matériaux à gradients de propriétés (gradient d’irradiation, ZAT ou
ségrégations).
Endommagement ductile en présence de phénomènes de localisation On souhaite préciser les intéractions
entre vieillissement dynamique dans les aciers ferritiques,et rupture ductile. Il s’agit en particulier de prévoir la
ténacité dans lerégime du vieillissement dynamique (thèse de J. B ELOTTEAU).La détermination de l’échelle pertinente de description des phénomènes conduit à une collaboration avec l’OR de C. P RIOUL.
Endommagement cyclique par fatigue thermomécanique On souhaite mettre en place une « approche locale
» de l’amorçage du réseau de fissures par une meilleure description des états mécaniques en surface, aux différentes
échelles (thèse de A. L E P ÊCHEUR).
2
2.1
Bilan scientifique
Formation
thèses soutenues
– Petr H AU S̆ILD, sept. 2002, ”Transition ductile-fragile dans un acierfaiblement allié”.
thèses en cours
– Christine F UNFSCHILLING, (CIFRE SME, co-encadrement LMSSMat C. B ERDIN, D. AUBRY, début janv.
2003), ”Endommagement des élastomères chargés”,
– Méjido H AJJAJ, (CIFRE EDF, co-encadrement LMSSMat C. B ERDIN, P.B OMPARD, début sept. 2002), ”Propagation et arrêt de fissure dans les cuves REP”,
– Jeanne B ELOTTEAU, (CIFRE EDF, co-encadrement LMSSMat C. B ERDIN, C.P RIOUL et Centre des Matériaux,
ENSMP avec S. F OREST, début sept. 2004), ”Endommagement ductile en présence de vieillissementdynamique”,
– Haithem A DOUANI, (BDI co-financée EDF, co-encadrement LMSSMat C. B ERDIN,B. T IE, début sept.
2004), ”Modélisation de la propagation instableet limitée de fissure dans les zones locales fragiles”,
– Anne L E P ÊCHEUR, (BDI co-financée EDF, co-encadrement LMSSMat P. B OMPARD, M. C LAVEL, début
octobre 2004, ”fatigue thermomécanique des aciers inoxydables et prise en compte des états de surface”.
Post-doctorats
– Ming Jing D ONG, (collaboration LMSSMat/EDF, co-encadrement C. B ERDIN, P. B OMPARD), 1 an, janv.2002,
”Etude du pop-in”,
– Virginie C ALONNE, (collaboration LMSSMat/EDF, encadrement C. B ERDIN, 1 an, mars 2002, ”Prévision
des grandes déchirures dans les aciersausténo-ferritiques moulés”,
2.2
Collaboration
Industries
– EDF R&D, département MMC, modélisation et prévision de la rupture (thèses de P. H AU S̆ILD, M. H AJJAJ,
H. A DOUANI, J. B ELOTTEAU)
– Renault/DIMAT
– SME (thèse de C. F UNFSCHILLING)
Fédération F2M2SP
– Groupe d’étude ”Endommagement des matériaux et des structures”
– Groupe d’étude ”Comportement dynamique des matériaux etrupture dynamique des structures”
Groupes de travail
– ”Groupe de travail Charpy instrumenté” (SF2M) : étude numérique de la modélisation de l’essai Charpy dans
la transition ductile-fragile (EDF/MMC, CEA/SEMT, ENSMP/Centre des Matériaux et ECP/LMSSMat),
– ESIS (European Structural Integrity Society) : TC8, Committee on Numerical Methods.
2.3
– A. ROSSOLL, C. B ERDIN, C. P RIOUL, 2002, ”Determination of the fracture toughness of a low alloy steel
by the instrumented Charpy impact test”, Int. J. Fract., 115, 205-226.
– C. B ERDIN, P. H AU S̆ILD, 2002, ”Damage mechanisms and local approach to fracture, part. I, Ductile fracture”, in Transferability of fracture mechanical characteristics, eds Dloúhy, Kluwer academic publishers,
167-180.
– C. B ERDIN, A. O UGLOVA, R. D OGLIONE, V. D JAFARI, 2003, ”Secondary foundry alloy and particle fracture”, Mat. Sc. Eng., A357, 328-336.
– S. A RSENE, J. BAI, P. B OMPARD, 2003,”Hydride Embrittlement and Irradiation Effect on the Hoop Mechanical Properties of PWR and BWR Zircaloys Cladding Tubes”,Metal. Trans., 34A, 579-601.
2.4
Moyens financiers
Contrats CNRS, financement ministère
– 1 Bourse BDI co-financée EDF
– 3 Bourses CIFRE EDF
– 1 Bourse CIFRE SME
Contrats industriels EDF, Renault, SME
Fatigue et Fissuration
Animateur
Participants Sylvie P OMMIER
Valiollah D JAFARI, Michel C LAVEL, Claude P RIOUL
Ingénieurs, Techniciens : Françoise G ARNIER, Nicolas ROUBIER
Doctorants et Post-Doc : Antoine P HELIPPEAU, Arsène YAM ÉOGO, Marion R ISBET
1
1.1
Objectifs
La prévision de la fiabilité des structures en service reste difficile du fait d’une variabilité inhérente aux
matériaux employés qui se traduit par une variabilité des durées de vies en fatigue et d’autre part par une variabilité dans le temps des charges appliquées aux structures dont l’effet sur la propagation des fissures de fatigue
reste difficile à prévoir.
1.2
a) A ce jour, il existe des modèles de prévision de la durée de vie en fatigue multiaxiale mais pas de prévision de
la variabilité associée. Or l’amorçage de fissures de fatigue se produit dans les grains les plus sollicités et est donc
sensible à la distribution statistique des contraintes autour de la valeur moyenne et pas seulement à la moyenne.
Des calculs préliminaires ont montré que la distribution autour de la valeur moyenne des contraintes dans les grains
du matériau n’était pas constante mais dépendait de l’état de contrainte. L’objectif est maintenant de savoir prévoir
cette distribution en chargement multiaxial. Pour cela un programme expérimental et numérique a été mis en œuvre.
(b) Concernant la prévision de la propagation des fissures sous chargement d’amplitude variable, beaucoup de
travail a déjà été fait. La méthode des éléments finis permet de prévoir avec suffisamment de précision l’effet de
surcharges ou sous charges sur l’évolution des fissures. Cependant, la méthode reste difficile d’emploi et il serait
souhaitable de disposer d’une loi de comportement plus phénoménologique pour la propagation de la fissure. Pour
cela, un modèle est en cours d’élaboration qu’il faut comparer aux calculs complets par éléments finis et aux
résultats d’expériences. Un Post-Doc de dix mois avec la Snecma (Marion RISBET) et une thèse avec la SNCF
sont consacrés à ces développements.
2
2.1
Bilan scientifique
Formation
Thèses soutenues – Antoine Phelippeau, décembre 2003, Étude expérimentale du rôle de la microstructure et du
vieillissement sur les propriétés mécaniques des aciers perlitiques fortement déformés. (co-encadrement
Claude Prioul, Michel Clavel).
Thèses en cours – Arsène Yaméogo (co-encadrement École Centrale Lyon : Siegfried Fouvry), Modélisation de
l’amorçage de fissures de fretting dans les essieux axes ferroviaires (CIFRE SNCF).
Post Doc – Marion Risbet, Modélisation de la propagation de fissure sous chargement aléatoire (contrat SNECMA).
2.2
Collaboration
– Michelin : Propriétés mécaniques des aciers perlitiques fortement tréfilés.
– SNCF/Valdunes : Fissuration par fretting des essieux axes TGV.
– SNECMA : Fatigue à amplitude variable.
2.3
– Pommier S., A study on the relationship between variable amplitude fatigue crack growth and the cyclic
constitutive behaviour of an alloy., Int J Fatigue, 23, S111, S118, 2001.
– Pommier S, Plane strain crack closure and cyclic hardening., Engineering Fracture mechanics, 69, 1, 25, 44,
2002.
– Pommier S, ”Arching” effect in elastic polycrystals : Implications for fatigue crack initiation, Fatigue Fract
Engng Mater Struct, 25, 331, 348, 2002.
– Pommier S., Freitas M., Interactions between overloads, Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct., 25, 709, 722,
2002.
2.4
Moyens financiers : contrats industriels
– SNCF Valdunes (contrat CIFRE Arsène Yaméogo
– Michelin (Contrats CIFRE Antoine Phelippeau)
– SNECMA (Post-Doc Marion Risbet)
Modélisation en mécanique des matériaux
nano-micro structurés
Animateur T. Hoc
Participants S. Lefebvre (PhD), L. Henry (PhD), H. Troadec (Post doc-CEA DAM), E. Budyn (Post doc), P.
Aubert (MCF), D. Aubry(Pr), B. Devincre (LEM-ONERA), L. Kubin (LEM-ONERA), A. Meunier (B2OA),
D. Albrecht (PhD)
1
1.1 Objectifs
L’objectif de cette opération de recherche est de comprendre les phénomènes physiques gouvernant le comportement mécanique des matériaux et de les modéliser de manière quantitative à l’échelle locale. Cette activité
s’inscrit dans la thématique ” multiscale modelling ” avec un soucis majeur de développement de nouveaux outils
tant numériques qu’expérimentaux.
1.2
Développements d’outils
Mésoscope numérique ANAIS Le premier outil qui a été développé est basé sur l’intégration d’une loi cristalline dans le code éléments finis ABAQUS en grande Transformation (Lagrange Réactualisé). Les lois de comportement implémentées prennent en compte la cristallographie du matériau ainsi que son évolution (Rotation
cristalline, Ecrouissage...). Un des avantages de la formulation choisie est son adaptation extrêmement rapide aux
cristallographies les plus diverses.
Interaction Dynamique des dislocations Eléments finis Une des grandes difficulté du mésoscope numérique
est d’avoir des valeurs fiables des paramètres. Il est par exemple impossible de décrire la courbe à trois stades observées sur les matériaux CFC en utilisant des paramètres physiques. Dans ce contexte, la méthode de simulation
de la dynamique des dislocations (DD), initiée en France il y à 10 ans par G. Canova et L. Kubin, est aujourd’hui
le passage obligé pour la définition d’une approche multiéchelles de la plasticité reliant les aspects atomiques aux
aspects continus. Cette méthode permet par exemple d’obtenir des informations sur la forme des lois de comportements à prendre en compte pour décrire la plasticité du CFC. Ce travail mené en étroite collaboration avec le LEM
(B. Devincre, L.P. Kubin) a permis de faire interagir la DD et le mésoscope en s’attachant à décrire de manière la
plus physique possible (pas de paramètre ajustable) le comportement du monocristal CFC.
Méthode d’identification inverse à partir des champs locaux Dans le cas du polycristal de nombreuses propriétés mécaniques sont liées à l’environnement du grain. L’endommagement ou la recristallisation en passant par
la transformation de phase nécessite une connaissance parfaite de l’état mécanique local. Par l’intermédiaire de
ce travail une procédure numérique automatique visant à identifier les paramètres de la loi de comportement cristalline à partir des champs mécaniques locaux a été mise en place. Pour ce faire un agrégat cristallin est soumis
à un essais mécanique. Des techniques de marquage (microgrilles - LMS) permettent de calculer le champ de
déformation local (2 − 5µm) expérimental. La comparaison de ces champs expérimentaux aux résultats obtenus
par calcul Eléments finis donne accès à des valeurs de paramètres de la loi de comportement. Une des grandes
potentialités de la méthode est la richesse des informations expérimentales exploitées pour un seul essais macroscopique.
F IG . 17.1 – Design d’éprouvettes de traction et de flexion réalisées par nanolithographie dans l’usine de fabrication
d’Altissemiconductor
Mesure des champs de déplacements sous microscope optique et microtopographe Afin de pouvoir exploiter
la potentialité de la méthode d’identification inverse à partir des champs locaux, de nouveaux types de mesure de
champs ont été développé. Les méthodes proposées s’adressent aux matériaux non métalliques ou à microstructures
possédant un contraste suffisant en microscopie optique (Matériaux biologiques, mousses, biphasés...). Des essais
de compression sous microscope optique ont été développés afin d’avoir accès au champ de déformation avec une
base de mesure locale de l’ordre de la dizaine de micromètres. Dans le même temps, le même type d’expérience a
été développé sous un microtopographe qui permet de cartographier le relief de l’échantillon avec une résolution
verticale de l’ordre de 30 nanomètres.
1.3
Applications aux Semi-conducteurs
Dans un contexte industriel mondial très concurrentiel, l’industrie du semiconducteur miniaturise ses produits,
ce qui se traduit par une réduction des coûts, et a ainsi placé cette industrie au cœur de la croissance économique des
trente dernières années. A l’heure actuelle la taille des interconnections en cuivre qui relient les différents constituants électroniques sont de l’ordre de 130 nm avec pour objectif de descendre rapidement en dessous de 100 nm.
Cette réduction d’échelle pose beaucoup de problèmes technologiques et notamment de contraintes mécaniques
qui engendrent des problèmes de défaillance et de fiabilité (Stress Migration, Electromigration). La prise en compte
de ces champs de contraintes dès la conception est devenue un élément critique du développement des nouveaux
produits. Cet axe de recherche est principalement soutenu par ALTIS Semiconductor.
Essais mécaniques sur les interconnections Une des étapes clef de la modélisation en nano mécanique est
d’essayer d’obtenir des essais expérimentaux sur des éprouvettes de tailles nanométriques. Afin de réaliser des
essais de flexion trois points et des essais de traction un design particulier a été développé (voir figure ci dessus).
La sollicitation et la mesure du déplacement sont réalisées à partir de deux types de nanoindenteur : Collaboration
Evry système Hysitron, collaboration LTPCM système MTS.
Vers une compréhension de Hall Petch La diminution de taille des interconnections se traduit par une augmentation significative des contraintes mécaniques. Cette augmentation suit une loi expérimentale bien connue (loi de
Hall Petch) qui relie la contrainte à l’inverse de la racine de la taille de grain. Une des grandes difficultés liée à
la compréhension de cette loi de Hall Petch est d’être capable de simuler des matériaux polycristallins à l’échelle
discrète des dislocations. La DD dans sa version 3D est à l’heure actuelle encore trop coûteuse en temps de calcul.
Nous nous efforçons donc de développer une simulation de dynamique des dislocations à 2 dimensions prenant
en compte les effets de joints de grains. Cette simulation s’appuie sur les travaux de B. Devincre et de D. Garcia
(Univ seville).
Loi de comportement cristalline prenant en compte l’effet de taille Une loi de comportement prenant en
compte ces effets de taille a été introduite dans le code Anaı̈s. Pour cela, on s’est appuyé essentiellement sur les
F IG . 17.2 – Microstructure et champ de déformation d’un os cortical
résultats expérimentaux et sur les premiers résultas de dynamique des dislocations DD (2D). La validité de la loi
introduite a été testée sur le cas modèle du bicristal de cuivre (1 seul joint de grain). La comparaison à la fois
expérimentale et numérique des champs de déformation et de quelques points de mesures de contraintes obtenus
par diffraction des rayons X a été effectuée. Les contraintes sont obtenues avec la méthode développée à l’ENSAM
pour les mono cristaux en collaboration avec V. Ji.
1.4
Application aux sciences du vivant
Si la réduction de la masse minérale et les modifications structurales associées à l’ostéoporose sont responsables d’une augmentation importante de la fragilité osseuse, les relations qui lient ces paramètres ne sont pas encore complètement comprises. Une approche prenant en compte les différents niveaux d’organisation du matériau
osseux et de leurs interactions réciproques est donc nécessaire. L’objectif du projet est de caractériser le comportement de spécimens bovins aux différentes échelles structurales et de décrire le comportement mécanique local et
global de ce matériau. Ce travail s’appuie sur les techniques de mesures de champs locaux et d’identification par
méthode inverse.
Prédiction du risque fracturaire à partir de calcul de microstructure Certaines pathologies constitutives du
tissus en croissance comme l’ostéogénèse imparfaite induisent des microstructures et un contenu minéral anormaux entraı̂nant des risques fracturaires très élevés. La caractérisation clinique est actuellement basée sur la seule
connaissance des propriétés minérales macroscopiques (dual-energy Xray absorption : DEXA, Ultrason in-vivo)
qui ne sont pas suffisantes pour prédire le risque de fracture et nécessite une meilleure connaissance des tissus
et de leur évolution. Ce travail a pour objectif d’étudier des microstructures représentatives de la pathologie afin
de déterminer un critère de rupture. Il s’appuie essentiellement sur la simulation des microstructures à partir des
données obtenues expérimentalement par éléments finis. L’objectif final étant de comparer le volume élémentaire
représentatif ” critique ” aux mesures d’épaisseur de cortical effectuées sur des patients présentant un risque fracturaire important ou ayant déjà eut une fracture. Les premiers résultats de calcul de microstructures permettent de
reproduire l’hétérogénéité de l’os cortical observée expérimentalement.
Comportement mécanique de l’os de souris modifié génétiquement Le problème abordé ici est l’influence
des micro endommagements et de leurs accumulation avec l’augmentation de l’age. Un des meilleurs modèle pour
analyser cet effet est le modèle du petit animal. Cette étude est naissante et seul le protocole de faisabilité a été
effectué. Nous utilisons des souris transgéniques qui surexpriment le facteur de différentiation ostéoblastique. Ces
souris sont obtenues dans l’unité INSERM de MC De Vernejoul. Des essais de compression couplés au microscanner (Sky scan) sont effectués et des simulations obtenues sur des microstructures 3D expérimentales sont réalisées.
Les mesures de microscanner sont effectuées avec D. Chappard à ANGERS.
2
2.1
Bilan Scientifique
Formation
Thèses en cours
– Laurent Henry (Ministère) 2003-06 ” Approche multiéchelle du comportement mécanique de l’os cortical ”
– Sidonie Lefebvre 2003-06 (CIFRE Altis Semiconductor) co encadreement L. Kubin and B. Devincre ” Etude
du comportement mécanique des interconnections de cuivre ”
– David Albrecht 2004-07 (Ministère) ” Etude de matériaux diélectriques en couches minces ”
2.2
Collaborations
– B. Devincre, L. Kubin, Laboratoire ´élaboration de microstructures, CNRS, ONERA
– A. Meunier, L. Sedel, J.D. Laredo Laboratoire Biomécanique et biomatériaux ostéoarticulaires, CNRS, Faculté de médecine Lariboisière
– M. Verdier, Laboratoire de Thermodynamique et Physico-Chimie Métallurgiques, CNRS, INPG Grenoble
– P. Aubert, Laboratoire Multi couches nanométriques, Université d’Evry
– V. Geoffroy, M.C. De Vernejoul, Unité INSERM U606, Hôpital Lariboisière, Centre Viggo Petersen
– D. Chappard, Laboratoire d’Histologie-Embryologie (LHEA), Angers
– V. Ji, W. Seiler, LM3 CNRS, ENSAM Paris
– LMS, Polytechnique, Ecole Nationale supérieure des mines de St Etienne
fédération
– Animateur du projet nano 02- sept 04
– Acteur du projet Biomécanique
2.3
Publications
Les travaux ont fait l’objet de 43 publications dont 13 dans des revues. Les quatres publications principales
sont :
– Hoc T., Forest S. Polycristal modelling of IF-Ti steel under complex loading. International Journal of Plasticity 17, 65-85, 2001.
– HOC T. Rey, C. and Raphanel J. Experimental and numerical analysis of localization during sequential tests
for IF-Ti steel. Acta Mater 49 pp1835-1846,2001
– Hoc Th., Crepin J., Gelebart L., Zaoui A. A procedure for identifying the plastic behaviour of single crystals
fro : the local response of polycrystalsActa Mater Vol 51 pp 5479-5490, 2003
– Madec R. Kubin L. Devincre B. Hoc T. and Rodney D. The role of collinear interaction in dislocationinduced hardening Science Vol 301 2003
2.4
Moyens financiers
Contrat CNRS, Financement ministère Projet Matériaux programme interdisciplinaire du CNRS Bourse ministère Ecole Centrale Paris
Contrats industriels Usinor, Metaleurop, Altissemiconductor
Observation et identification de
nanomécanismes
Animateur M. CLAVEL
Participants ITA, post-doc : C. BERDIN, S. BOURGEOIS, F. GARNIER, P. HADGI,
A.L. HAMON, C. PRIOUL, C. REY, M. RISBET, G. CAILLETAUD (ENSMP),
X. FEAUGAS (Univ. La Rochelle), I. GUILLOT (Paris XII), C. GUILLEMER-NEEL (Univ. Picardie)
doctorants : C. LANGLADE, C. MAURY, A. PHELIPPEAU, B. BARLAS (ENSMP), M. RISBET (UTC)
1
1.1
Objectifs
Le changement d’échelle et la/les modélisations afférentes nécessitent une excellente compréhension des mécanismes physiques ainsi que du comportement mécanique. Cette OR s’attache à analyser le plus finement possible
les micromécanismes de déformation (dislocations, maclage, précipitation, etc) via la microscopie électronique
à transmission. Les renseignements recueillis au niveau microscopique sont incorporés dans les modélisations
micromécaniques : mésoscope, modèle polycristallin, etc. Cette démarche permet alors d’obtenir une base d’identification des modèles tant micro que macro affinant ainsi leur prédictivité.
1.2
Influence de l’état métallurgique et d’un gradient de contraintes sur le critère d’endurance (critère de
Dang Van) d’un superalliage à base nickel. La présence de concentration de contraintes au sein d’un alliage
métallique exerce une influence reconnue sur le critère d’endurance de Dang Van de ce matériau. Un moyen de
s’en affranchir est l’utilisation du critère exprimé à partir de paramètres mécaniques moyennés sur une certaine
épaisseur du matériau (couche critique). Le but initial était d’étudier l’influence sur la valeur de cette couche critique de modes de déformation plastique différents. A cet effet, un superalliage à base nickel (Waspaloy) est utilisé
sous deux états de précipitation différents (sous- ou sur-vieilli). Des calculs par éléments finis ont été associés à
des essais mécaniques d’endurance sur différentes géométries d’éprouvettes axisymétriques (lisses et entaillées),
avec une identification préalable de la loi de comportement des deux états du Waspaloy. Il a alors été montré que le
critère de Dang Van dépendait à la fois de la valeur du coefficient de concentration de contraintes Kt, et de l’état de
précipitation du matériau. Le comportement de l’alliage sous-vieilli soulève plusieurs questions vis-à-vis du critère
de Dang Van et de la couche critique. Nous avons donc été conduits à adopter une démarche axée sur le matériau,
et d’étudier plus particulièrement le comportement mécanique de cet état sous-vieilli. Une attention spéciale a été
portée sur l’amorçage des fissures en fatigue oligocyclique dans ce matériau, présentant une déformation plastique
fortement localisée. Les extrusions, sites d’amorçage préférentiels pour les fissures de fatigue, ont été caractérisées
par microscopie à force atomique. Ainsi, la déformation plastique irréversible locale accumulée en surface a pu être
quantifiée, cette quantité de déformation se révélant une condition nécessaire et non suffisante pour provoquer l’endommagement. Cette propriété intrinsèque au matériau a servi à proposer un modèle de durée de vie à l’amorçage,
exprimé en fonction de seuls paramètres microscopiques. Enfin, le rôle des contraintes internes est primordial pour
expliquer les différences de comportement cyclique en fatigue des états du Waspaloy Pour y remédier, nous proposons de construire un diagramme de Dang Van affranchi de la contrainte interne. De plus, l’hypothèse d’adaptation
est une condition sine qua non à la vérification du critère de Dang Van. Des calculs numériques à grand nombre
de cycles s’avèrent par conséquent une nécessité, si l’on désire déterminer correctement ce critère d’endurance en
présence d’un gradient de contrainte.
Etude du comportement et de l’endommagement en fatigue d’alliages d’aluminium de fonderie. Cette étude
a pour but de déterminer l’influence de la composition chimique, des procédés industriels et du traitement thermique d’alliages Al-Si sur leur comportement et leur durée de vie en fatigue. Il s’agit de diminuer le temps de
développement d’une pièce et donc son coût, en augmentant la part des simulations numériques dans le processus
de conception. On cherche donc à fournir un modèle unifié pour la classe des alliages d’aluminium de fonderie, à
application pour les culasses automobiles. Des essais mécaniques ont permis de définir les lois de comportement
et d’amorçage de quelques alliages représentatifs des différentes familles d’alliages, avec divers pourcentages de
Si, Cu, Mg et divers traitements thermiques. Ces essais sont de type fatigue isotherme, fatigue isothermique, microscopie électronique à transmission, en balayage et dureté. . . Le point névralgique de cette étude est le caractère
vieillissant de ces alliages, dû aux phénomènes de croissance/coalescence des précipités durcissants qui provoquent
un adoucissement rapide en température. Le comportement dépend de la nature et de la taille des précipités durcissants que contient la matrice. Une étude au MET et une simulation sur le logiciel Thermo-calc nous ont permis
de déterminer les domaines de stabilité des diverses phases durcissantes en fonction de la composition et de la
température de revenu et/ou de service. Les lois de comportement contrainte-déformation sont implantées dans
le code de calcul ZéBuLon. Le modèle de comportement élastoviscoplastique est issu du modèle de Lemaı̂tre
et Chaboche. Un paramètre de vieillissement identifié à l’échelle microscopique et dont l’effet est sensible au
point de vue macroscopique est ajouté à ce modèle. La variable interne a, qui modélise le vieillissement, porte
principalement sur la limite d’élasticité et l’écrouissage cinématique, elle permet de rendre compte de la chute
des propriétés mécaniques de l’alliage. Ceci complique les capacités de prédiction des modèles du type MansonCoffin ou Wöhler. Pour cette raison, on adapte à nos matériaux un modèle d’interaction fatigue-fluage proposé
par l’ONERA. Pour la prévision de la durée de vie, on utilise les données expérimentales en conditions stabilisées
pour identifier les lois d’amorçage par le biais d’un post-traitement. Le modèle d’amorçage introduit une interaction fatigue-fluage non-linéaire. On retrouve ainsi naturellement à basse température un mode de rupture dominé
par la fatigue et à haute température un effet prédominant du fluage. Ce modèle a été appliqué au calcul d’une
structure réelle (culasse diesel), dont le maillage a été fourni par Renault. La cartographie thermique, les champs
de contraintes et de déformations, ainsi que les champs de vieillissement permettent de comprendre les mécanismes
d’endommagement du pontet inter-soupapes en fatigue thermo-mécanique en fonction de la composition chimique
et du traitement thermique de l’alliage.
Etude expérimentale et numérique du rôle des mécanismes de déformation des alliages de magnésium sur le
comportement macroscopique. Etude Le but de ce travail est d’améliorer la connaissance des mécanismes de
déformation du magnésium et de ses alliages. Il s’agit de mener une approche cristallographique, apte à prendre en
compte les phénomènes très particuliers observés sur ces matériaux lorsqu’ils sont mis en forme par laminage ou
extrusion : dissymétrie de comportement en traction et compression, forme inhabituelle des boucles d’hystérésis
en cyclique en particulier. Ces effets sont liés à la combinaison, selon une proportion à caractériser, de glissement
cristallographique, de maclage et de glissement intergranulaire. Le matériau choisi est un magnésium pur à 99.5%,
extrudé. Ce processus de mise en forme conduit à une texture de fibre typique avec alignement des plans de base
parallèlement à la direction de mise en forme. Des éprouvettes d’essais mécaniques ont été prélevées dans la
direction d’extrusion. Le tableau 1 récapitule l’ensemble des essais réalisés. On retrouve bien l’asymétrie tractioncompression ainsi que la forme particulière des boucles de fatigue relatées dans la littérature. Les mécanismes
de déformation ont été observés au MET (Cf. Tableau18.1). De manière très générale, l’axe de sollicitation est
perpendiculaire à l’axe c des grains. Les facteurs de Schmid des glissements basal et prismatique sont donc peu
élevés. Néanmoins la faiblesse de la cission critique résolue du glissement basal (de l’ordre du MPa) rend celui-ci
facile à activer dans les grains les mieux orientés. Pour des contraintes plus élevées, d’autres modes de déformation
doivent entrer en jeu : maclage en compression et glissement dans les plans prismatiques et pyramidaux en traction.
Ceci explique ainsi l’asymétrie généralement observée en monotone et cyclique entre traction et compression. En
parallèle, un modèle multi-échelles à comportement homogène par phase a été développé. 343 grains ont extraits
de la texture expérimentale. Des lois types d’écoulement plastique par activation des systèmes de glissement sont
introduites au niveau des grains. Une analogie cristallographique est faite pour représenter le maclage. Le passage
de l’échelle macro à celle du grain s’effectue par une loi en bêta, en tenant compte de la fraction volumique
de chaque orientation cristallographique. Les résultats obtenus montrent que le modèle capture correctement la
différence traction-compression. Les chargements cycliques sont moins bien représentés, néanmoins l’asymétrie
traction-compression demeure correcte. Le modèle multi-échelle reste donc à améliorer afin de rendre compte
correctement de la forme des boucles. A l’heure actuelle, l’autorisation du démaclage est étudiée et le modèle est
TAB . 18.1 – Récapitulatif des essais mécaniques : contraintes positive et négative maximales obtenues pendant les
essais ; fraction de macles ; observations au MET
modifié afin de prendre en compte la déformation intense observée dans les macles sous forme de dislocations et
de maclage.
Ténacité d’alliages de zirconium hydrurés. Les assemblages combustibles utilisés dans le coeur des réacteurs
à eau pressurisée sont constitués d’alliages de zirconium. L’étude se porte en particulier sur les tubes de gainage
constitués de Zircaloy-4. Lors du fonctionnement, la réaction d’oxydation de ces alliages au contact de l’eau du
circuit primaire provoque un dégagement d’hydrogène dont une partie diffuse dans les gaines et précipite sous
forme d’hydrures de zirconium lorsque la limite de solubilité est atteinte. Cette seconde phase se présente sous la
forme de plaquettes dont la taille et la répartition sont fonctions de la microstructure (recristallisée ou laminée), de
la teneur en hydrogène, de la température, de la texture, des champs mécaniques dans les gaines... L’orientation
des plaquettes d’hydrure est préférentiellement circonférentielle en réacteur. Lors du séchage et du transport vers
le lieu d’entreposage des assemblages combustibles, les hydrures se réorientent perpendiculaires à la contrainte
circonférentielle qui s’exerce dans les tubes de gainages. Ces deux configurations des plaquettes altèrent de façon
plus ou moins prononcée les propriétés mécaniques des gaines. Afin de garantir leur intégrité à l’aval du cycle,
EDF doit être en mesure d’évaluer l’évolution de la résistance à la déchirure des gaines de combustible en fonction
de la distribution des plaquettes d’hydrure. La mise en oeuvre de l’essai de traction d’anneau entaillé initialement
proposé par Grigoriev et al. (1995) permet d’étudier la déchirure des gaines de Zircaloy-4. Les tiges de la machine
de traction sont liées à deux blocs en forme de demi-cylindres par des pivots (CF. Figure18.1). Ces derniers sont
liés entre eux par une pige. La translation de la traverse entraı̂ne la rotation des blocs autour de la pige, une
contrainte d’ouverture s’exerce alors sur les petites entailles de l’éprouvette tubulaire. Les essais de déchirure
sont réalisés pour des teneurs allant de 0 à 400 ppm d’hydrogène. En l’absence d’hydrures, la propagation de la
fissure est stable et pilotée par la déformation plastique. La rupture a lieu en biseau ce qui est caractéristique d’un
état de contraintes planes. En présence d’hydrures répartis de façon circonférentielle la propagation est pilotée
par la contrainte d’ouverture et l’amorçage de la fissuration est un peu plus précoce. En présence d’hydrures
circonférentiels et radiaux, la fissuration est quasi-fragile et la fissure se propage préférentiellement au travers
des hydrures orientés perpendiculairement à la contrainte d’ouverture. La rupture dans ces deux derniers cas est
plane. On note un effet marqué de la répartition des plaquettes d’hydrure et de leur orientation par rapport à la
contrainte d’ouverture. La suite du travail va consister à prendre en compte cette hétérogénéı̈té de la microstructure
du Zircaloy-4 hydruré dans un modèle éléments finis.
1.3
Perspectives
Enrichir l’approche microscopique. Pour ce faire, nous avons souhaité développer la modélisation atomique.
Plus exactement il s’agirait d’enrichir la connaissance des mécanismes de déformation des dislocations en utilisant
la dynamique discrète et la dynamique moléculaire voire les calculs ab-initio.
2
2.1
Bilan scientifique
Formation
Thèses soutenues Marion Risbet, 2002, Influence de l’état métallurgique et d’un gradient de contraintes sur le
critère d’endurance (critère de Dang Van) d’un superalliage à base nickel.
F IG . 18.1 – Montage de l”essai de déchirure
Bruno Barlas, 2004, Etude du comportement et de l’endommagement en fatigue d’alliages d’aluminium de
fonderie (co-encadrement G. Cailletaud (ENSMP)).
Thèses en cours
C. Langlade, Ténacité des alliages de zirconium en relation avec l’orientation des hydrures.
C. Maury, Etude et modélisation des propriétés mécaniques des aciers perlitiques fortement déformés (coencadrement C. Prioul)
2.2
Collaboration
Industries
EDF - Centre de Recherche des Renardières (DEA D. Gozlan, Thèse C. Langlade)
Montupet – Renault (thèse B. Barlas)
CETIM et Conseil Régional de Picardie (thèse M. Risbet)
Académies ENSMP – Collaboration G. Cailletaud, A.F. Gourgues (thèse B. Barlas et programme CNRS « Approches multi-échelles des propriétés macroscopiques des matériaux de structure » sur le magnésium)
2.3
Publications
– M. Risbet, X. Feaugas, C. Guillemer-Neel, M. Clavel, 2003, Use of atomic force microscopy to quantify slip
irreversibility in a nickel base superalloy, Scripta Metall., Vol. 49, pp. 533-538.
– N. Rupa, M. Clavel, P. Bouffioux, C. Domain, A. Legris, 2001, About the mechanisms governing the hydrogen effect on viscoplasticity of unirradiated fully annealed zircaloy 4, 13 th ASTM Int. Symp., Annecy.
– I. Guillot, X. Feaugas, M. Clavel, 2001, Dislocation hydride interactions at low plastic strain in titanium,
Scripta Metall., Vol. 44, pp. 1011-1017.
– C. Guillemer-Neel, X. Feaugas X., M. Clavel, 2000, Mechanical behaviour and damage kinetics in nodular cast iron : Part I : hardening versus heterogeneities and damage, Part II : damage mechanisms versus
microstructural heterogeneities, Met. Trans., Vol. 31A, pp. 3063-3083.
2.4
Moyens financiers
Contrats CNRS, Financement régional Projet Régional de Picardie
CNRS, programme CNRS « Approches multi-échelles des propriétés macroscopiques des matériaux de
structure »
Contrats industriels EDF, Montupet, Renault
Microscopie électronique en transmission
quantitative
Animateur Ann-Lenaig H AMON
Participants Thomas L AUDE (97-01), Bernard J OUFFREY
Visiteurs : Cécile H ÉBERT et Peter S CHATTSCHNEIDER (Université technologique de Vienne), Miroslav
K ARLIK (Université de Prague)
ITA : Paul HAGHI-ASHTIANI, Farida DJEBBARI
1
1.1
Objectifs
Cette OR regroupe des thèmes de recherche associés à l’échelle du nanomètre, essentiellement via la microscopie électronique en transmission. On retrouve ainsi des thèmes étroitement connectés avec d’autres O.R. du
laboratoire (les argiles, les nanotubes), mais que nous considérons du point de vue de la microscopie, ainsi qu’un
thème plus spécifique, lié à la spectrométrie par pertes d’énergie des électrons.
1.2
Spectrométrie par pertes d’énergie Non seulement cette technique permet d’obtenir des informations sur la
nature chimique des échantillons étudiés, mais elle peut encore donner des informations sur leur état de liaison.
Angle magique sur matériaux anisotropes Il s’agit d’un effet observé sur les seuils d’ionisation de matériaux
anisotropes comme le graphite, le nitrure de bore hexagonal. Ainsi pour le graphite, la transition du niveau K vers
les orbitales antiliantes donne deux pics σ∗ et π∗ distants d’environ 7 eV. En 1997, nous nous sommes aperçu
que la hauteur de ces pics varie en fonction de l’orientation de l’objet, des angles de collection et d’ouverture du
faisceau incident. À très petits angles, si l’orbitale libre π∗ est parallèle au faisceau d’électrons, la transition vers
cette orbitale est favorisée (hauteur du pic π∗ supérieure à celle du pic σ∗), alors que l’effet est inverse si l’angle
de collection est important. Un angle intermédiaire existe pour lequel l’orientation de l’échantillon n’a aucune
influence sur les hauteurs de pic. Cet angle, trouvé indépendamment par Menon et Yuan à Cambridge, a été baptisé
” angle magique ”. Il y a près de deux ans, des chercheurs de l’université de Leeds ont remis en cause ces calculs,
s’appuyant sur le fait que les expériences ne concordaient pas (différence d’un facteur 2 environ) mais ils ont proposé un modèle erroné auquel nous avons répondu [71]. Nous n’avons pu résoudre cette énigme que récemment :
l’origine de cet effet est relativiste, les électrons atteignant 0, 7c pour une haute tension accélératrice de 200 kV.
Nous avons repris le modèle de la thèse de C. Souche en ajoutant une correction relativiste plus complète selon
l’approche de Möller. Les interactions de l’électron rapide doivent être interprétées au travers d’une transformation de Lorentz dans la direction de l’axe du microscope [85] : les composantes parallèles et perpendiculaires ne
subissent pas les mêmes corrections relativistes. Ainsi la valeur de l’angle varie en fonction de la haute-tension
accélératrice et les valeurs de l’angle magique sont plus faibles. Pour un faisceau incident parallèle, cette valeur
est de 1,46 θe au lieu de 3,97 θe à 200kV, de 2,05 θe à 120 kV, 0,80 θe à 400 kV... où θe est l’angle caractéristique
de l’énergie considérée. Ces résultats ont été utilisés pour étudier la nature de films de carbone amorphe, plus
précisément le rapport entre atomes de carbone à quatre plus proches voisins (sp3 ), de type diamant et atomes de
carbone à trois plus proches voisins (sp2 ) de type graphite [66].
F IG . 19.1 – (Gauche) Variation du poids respectif des pics σ∗ et π∗ en fonction de l’angle d’orientation δ du plan
hexagonal de l’échantillon et de l’angle de collection α. On note la constance du rapport en fonction de δ pour un
α précis. (droite) Variation de l’angle magique (en unités θe ) avec l’énergie des électrons incidents
Effets de champs locaux dans le rutile (TiO2 ) Il s’agit de calculs ab initio du spectre de pertes d’énergie dans
le domaine d’énergie entre 0 et 60 eV, en particulier de l’excitation des niveaux de semi-cœur 3p. Nos résultats
expérimentaux ont été comparés avec succès aux calculs menés avec le code Dielectric Properties de L. Reining
et N. Vast du LCIS (École Polytechnique).Les effets de champ locaux sont cruciaux à ce niveau d’énergie et
induisent une anisotropie dans les transitions de semi-cœur, le pic de 41 eV est déplacé à 47 eV pour le modèle qui
correspond à l’expérience.
Problèmes de corrélation, canalisation et localisation des excitations Nous avons étudié la corrélation à
l’intérieur des plasmons dans l’aluminium en analysant les expériences d’holographie électronique de H. Lichte
et son équipe (Dresde). Cette longueur a été trouvée de l’ordre de 0,2 nm. Nous avons par ailleurs étudié le
développement du MDFF (Mixed Dynamical Form Factor) pour les interactions inélastiques. Des effets d’interférence ont été trouvés. Le MDFF contient des informations sur la densité spatiale et la cohérence des excitations. Nous avons montré comment le MDFF peut être au moins partiellement mesuré en changeant la géométrie
pour des expériences successives sur le même échantillon, notamment en se plaçant en position de canalisation des
électrons.
Séparation des effets de surface et de volume dans les interactions inélastiques Les effets de surface peuvent
être gênants et amener des interprétations difficiles des pics d’excitation. Nous avons développé une méthode pour
les séparer des excitations venant du volume de l’échantillon.
Effets d’orientations cristallines L’influence de l’orientation cristalline est maintenant tout à fait comprise.
On sait que le paramètre important est la projection au carré du vecteur de diffusion q sur l’échantillon ou les
orbitales libres. On a pu regarder l’effet des approximations utilisées (dipolaire, monopolaire...). En diffusion à
grand angle, on peut faire apparaı̂tre des transitions interdites par l’approximation dipolaire en faisant disparaı̂tre
expérimentalement les conditions de sa validité par l’intermédiaire du comportement du MDFF (q1 · q2 = 0).
Les argiles Ce travail a été mené en interaction avec l’OR THMPOR (S. Laribi). Débuté au cours de la thèse de
S. Laribi, l’étude se poursuit dans le cadre d’un contrat financé par EdF pour un regard à l’échelle nanoscopique, en
collaboration avec l’ENPC. Si les principes généraux des propriétés des argiles sont compris, il reste de nombreux
points à éclaircir à cette échelle, par exemple le type de certaines liaisons chimiques, la stœchiométrie, l’énergie
de cohésion, l’interaction des feuillets dans les argiles mouillantes ou non, le chemin de l’eau et les mécanismes
de cette pénétration, la taille des feuillets, l’origine de leurs glissements réciproques. Les résultats obtenus en microscopie haute résolution et spectroscopie par pertes d’énergie des électrons ont été comparés à ceux obtenus par
microscopie électronique à balayage. En particulier, une mise en perspective est faite entre l’échelle nanoscopique,
où l’argile est très anisotrope et les résultats à l’échelle macroscopiques, où l’argile est isotrope. La kaolinite, la
nacrite et une argile interstratifiée (illite 13 %, smectite 87 %) ont été observées. Cette dernière argile a été étudiée
par des méthodes complémentaires de la microscopie électronique par S. Laribi. Le premier problème a concerné la
F IG . 19.2 – (Gauche) Particule d’argile interstratifiée. Les feuillets ont une forme hexagonale et l’on visualise les
joints de grain. (Droite) Anisotropie des orbitales libres du calcium
préparation des échantillons. Nous avons utilisé plusieurs méthodes selon les informations que nous désirions obtenir. Une première méthode consiste, à partir d’un état donné de l’argile (teneur en eau, compression...) à réaliser
un échange d’ions par l’intermédiaire de solvants puis de polymérisation. Une seconde méthode consiste en un
dépôt sur un support de carbone et d’une dispersion dans différents types de solvants. Plus récemment nous avons
utilisé des méthodes de coloration négative par des sels lourds, approche bien connue des biologistes. Les clichés à
moyenne et haute résolution montrent que les aspects observés sont facilement reliés aux morphologies observées
à l’échelle du microscope à balayage. Un exemple d’image d’argile déformée est montré sur la figure 19.2 [82] :
on y distingue les feuillets de forme hexagonale orientés par région selon la contrainte locale. Ce type de cliché
regroupe les tailles et morphologies intéressant les mécaniciens. Sur des échantillons préparés par dispersion, la
spectroscopie par pertes d’énergie a bien détectés les éléments révélés par analyse macroscopique, en particulier
le rapport Si/Al dans la kaolinite, la nacrite et une smectite respectivement d’environ 1, 1 et 2. Le calcium est
également détecté. Les orbitales libres de cet élément, très anisotropes, sont essentiellement perpendiculaires aux
feuillets dans une smectite (cf. figure 19.2). L’oxygène est également un élément essentiel, et les structures fines
de cet élément ont été étudiées après divers traitements (purification, solvants...).
Les nanotubes Nous nous sommes historiquement intéressés aux nanotubes à travers les pertes d’énergie sur le
nitrure de bore hexagonal. La déformation de faisceaux de nanotubes de carbone avec la pointe d’un microscope
à force atomique (AFM) a permis d’évaluer le module d’Young des nanotubes. Pour cela un modèle prenant en
compte le nombre de faisceaux sollicités par la pointe a été élaboré par A.L. Hamon. Les valeurs obtenues vont
de 300 GPa à plus de 1 TPa. La relaxation d’un écheveau de nanotubes après compression pose un problème de
surface d’activation très intéressant lié aux questions de contact entre les nanotubes. L’idée, értudiée dans le cadre
de la thèse d’A. Allaoui est d’obtenir des informations sur les surfaces de contact entre nanotubes. Dans le cas de
nanotubes monofeuillets assemblés en faisceau, la possibilité d’un empilement régulier de nanotubes monofeuillets
sous une forme de contact graphitique ou pseudo-graphitique a été précisée par A.-L. Hamon dans sa thèse et fera
l’objet d’une publication détaillée précisant les énergies linéiques mises en jeu, de l’ordre de 65 meV.nm-1 lorsque
les deux nanotubes voisins ont leurs atomes dans une configuration graphitique autour de la ligne de contact.
1.3
Perspectives
Une comparaison entre les argiles et les ciments, également étudiés au sein du laboratoire, est envisagée.
2
2.1
Bilan scientifique
Thèses soutenues
– A.-L. Hamon, Contribution à l’étude des nanotubes : structure et contrastes en microscopie électronique,
enchevêtrements et comportement mécanique, thèse École Centrale Paris (2001).
– T. Laude, Nanotubes de nitrure de bore produits par chauffage laser non-ablatif : synthèse, caractérisation et
mécanismes de croissance, thèse École Centrale Paris (2001).
2.2
Collaborations
Au sein du laboratoire, les O.R. avec lesquelles nous sommes en connexion sont NANOTU pour les nanotubes
et de THMPOR pour les argiles. Au sein de la F2M2SP, A.-L. Hamon est responsable d’une action d’accompagnement sur l’utilisation du rayonnement synchrotron, technique complémentaire de la microscopie électronique
en transmission. L’essentiel des collaborations extérieures se regroupent autour de la spectroscopie par pertes
d’énergie des électrons, et se sont greffées autour du PICS par l’intermédiaire de l’organisation de colloques. Elles
concernent en premier lieu C. Hébert et P. Schattschneider de l’Université technologique de Vienne, L. Reining
et N. Vast du LSI (École Polytechnique), et D. Lamoen de l’Université d’Anvers où A.-L. Hamon a effectué son
stage post-doctoral.
2.3
Publications
– C. Hébert, B. Jouffrey, P. Schattschneider, Comment on ”Experimental and theoretical evidence for the
magic angle in transmission energy loss” by H. Dabniels, A. Brown, A. Scott, T. Nichells, B. Rand, R.
Brydson, Ultramicroscopy (2004) accepté.
– B. Jouffrey, P. Schattschneider, C. Hébert, The magic angle : a solved mystery, Ultramicroscopy, accepté.
– A.-L. Hamon, J. Verbeeck, D. Schryvers, J. Benedikt, R.M.C.M. Van den Sanden, ELNES study of carbon
K-edge spectra of plasma deposited carbon filmsamorphous carbon films, J. Mater. Chem. (2004) à paraı̂tre.
2.4
Moyens financiers
CNRS
SPM a contribué pour 7600euros H.T. en 2002 et 3000 en 2004. Par ailleurs le PICS avec l’équipe de P.
Schattschneider sur les sujets touchant à la spectroscopie par pertes d’énergie des électrons a été financé à hauteur
de 50 kF H.T. en 2001 et 7622euros en 2002.
EdF finance l’étude sur les argiles par l’intermédiaire du stage post-doctoral de S. Laribi.
Comportement des nanotubes et des
nanocomposites
Animateur J.B. BAI
Participants P. E VESQUE, D. D URVILLE, A.-L. H AMON, P. H AGHI
S. BAI, Q.H. YANG, L.J. C I,
A. A LLAOUI, Z.G. Z HAO
1
1.1
Objectifs
L’étude des nanotubes (NTC) est intéressante car ce sont des objets à échelle nanométrique, uni-dimensionnelle
et de composition chimique simple. Leur comportement sous différentes formes et leur interaction avec un environnement (matrice, fluide, gaz,...) constituent des problèmes d’intérêt fondamental présentant un très large spectre
d’applications. Leur étude révèle une absence d’outils permettant de décrire leur comportement, ils sont ainsi des
sujets de recherche idéaux pour la mise en place et les tests de ces outils. L’objectif de cette opération de recherche porte sur l’élaboration contrôlée des nanotubes et des micro/nanocomposites de haute performance, le
développement d’une approche multi-échelle et d’une mécanique des nano-milieux enchevêtrés. L’aspect du stockage de l’hydrogène sera aussi abordé.
1.2
Synthèse et caractérisation L’obtention des NTC de géométrie contrôlée et purs reste un problème ouvert. Au
laboratoire, un effort particulier a été consacré à la mise en œuvre et à l’amélioration de différentes méthodes
de synthèse (arc électrique, laser, sel-fondu, CVD), à la caractérisation structurale de produits par différentes
techniques (MEB, HRMET, EELS, AFM, Raman) [9, 12, 13] et à la caractérisation mécanique et physique. Les
résultats les plus significatifs sont l’obtention des SWNTs de très gros diamètres (jusqu’à 5,2 nm, par rapport au
diamètre le plus courant de1,4 nm) (Brève dans le J. CNRS 6-7/2003) et des nanotubes alignés et purs [137, 138,
139]. Nous travaillons principalement sur deux applications : les nanocomposites et le stockage de l’hydrogène.
F IG . 20.1 – NTC alignés et purs obtenus par un procédé CVD
Comportement mécanique et physique des milieux nanométriques Nous continuons notre effort en vue d’une
description du comportement mécanique et physique des milieux nanométriques. Nos expériences modèles sont
celles de compression d’un ensemble de NTC confinés dans une enceinte. La force et les propriétés diélectriques
en fonction du déplacement sont enregistrées au cours de l’essai. Cette expérience est simulée en parallèle analytiquement par nos propres modèles (thèse d’A. Allaoui) et numériquement. Nous avons concentré nos efforts sur :
a) l’identification de l’effet éventuel ’nano’, interaction atomiques entres les nanotubes, par rapport aux modèles
développés par Van Wyk (1946) et Toll (1998) pour les milieux micrométriques ; b) le développement d’un modèle
pour décrire le comportement électrique de ces milieux pour prendre en compte les effets de l’augmentation du
nombre de contacts entre NTC et de l’amélioration de la qualité de contact sous l’effet mécanique.
F IG . 20.2 – Contrainte et conductance en fonction de la fraction volumique au cours d’un essai de compression
uniaxiale d’un enchevêtrement de MWNTs
Recherche et développement des composites multi-échelles et multi-fonctionnels Malgré les propriétés très
intéressantes des NTC, jusqu’à présent, la plupart des résultats expérimentaux de leurs composites montrent un
effet de renforcement plutôt médiocre. Les composites comportant des renforts conventionnels (de dimension micrométrique) développés depuis quelques décennies n’ont pas eu d’applications très étendues. Une des raisons est
la faible interface entre les renforts et la matrice où il n’existe pas de liaison forte. [10, 11, 5] Nous avons développé
un nouveau concept qui a pour but de mettre en valeur et en oeuvre les effets de renforcement à différentes échelles
(nanométrique et micrométrique) et d’activer les mécanismes à l’échelle nanométrique (par exemple blocage du
mouvement de dislocation et de chaı̂nes moléculaires, amorçage de microfissures et de cavités) et à l’échelle micrométrique (propagation de fissuration et de cavitation). Il consiste à faire croı̂tre par la méthode de CVD les
renforts nano-échelles MWNTS ayant des liaisons et des morphologies optimisées sur les renforts conventionnels
micrométriques. Des composites à matrice polymère ou céramique ou métallique ont été préparés et testés. A travers ces études comparatives, nous avons pu mettre en évidence l’apport de ce nouveau concept dans le domaine
des composites en tant que matériaux de structure et fonctionnels. Il est à souligner que cette technique de croissance modulable de NTC sur les supports ouvre un large éventail d’applications potentielles pour des matériaux de
structure et de fonctionnalités nouvelles. Ils font l’objet de nombreux contacts avec les entreprises (aéronautique,
génie civil, automobile, électronique ’) et de deux brevets en cours.
Stockage de l’hydrogène Les résultats publiés sont à la fois très prometteurs et très controversés. Nos études
visent à améliorer les connaissances sur le stockage de l’hydrogène par adsorption dans les nanostructures carbonées sous pression. Les efforts porteront sur la synthèse des matériaux suivant divers procédés (CVD, solaire’),
leur caractérisation (structure, surface, texture), leur mise en forme et leur capacité d’adsorption (expérience et
simulation). Cette dernière sera systématiquement mesurée sur un banc unique afin d’éviter les problèmes de re-
F IG . 20.3 – NTC sur un renfort conventionnel et dans une matrice polymère
productibilité liés à l’utilisation de divers bancs. Nous avons mis en place des collaborations depuis la synthèse des
matériaux jusqu’à la compréhension des phénomènes de base.
2
2.1
Bilan scientifique
Formation
Thèses en cours
– Aissa A LLAOUI, sep 2001, « compactage des nanotubes de carbone », co- encadrement avec Pierre E VESQUE
et Damien D URVILLE.
– Zhi-gang Z HAO, sep 2003, « comportement des fils de nanotubes », thèse en cotutelle avec l’Institut de
recherche sur les métaux, Académie Chinoise des Sciences.
Collaborations (post-doc, prof. invités, ecp, fedlab)
– S. BAI, 2001, bourse post-doc de l’Ambassade de France en Chine
– Q.H. YANG, 2002, bourse post-doc du Ministère de la recherche
– L.J. CI, 2003/2004, bourse post-doc Wong KC, de l’Ambassade de France en Chine
– Z. YING, HT CONG, 2004, chercheurs invités, PRA MX-02-01
– Fédération francilienne mécanique des matériaux, structures et procédés (f2m2sp)
– GDR européen nanotubes
2.2
Publications
– L.J. Ci and J.B. Bai : Novel micro/nanoscale hybrid reinforcement : multi-walled carbon nanotubes on SiC
particles, Advanced Materials, 2004, (sous presse).
– Q.H. Yang, S. Bai, J.L. Sauvajol and J.B. Bai : Large diameter single-walled carbon nanotubes synthesized
by CVD, Advanced Materials, 2003, vol. 15, pp. 792-795.
– J.B. Bai, A. Allaoui : Effect of the length and aggregate size of MWNTs on the mechanical and electrical
properties of the nanocomposites, Composite Part A, 2003, vol. 34/8 , pp. 689-694. (top 3 des articles les
plus téléchargés de la revue depuis 2003).
– A. Allaoui, S. Bai, H.M Cheng, J.B. Bai :”Mechanical And Electrical Properties of a MWNT/Epoxy Composite”, Composites Science & Technology, Vol. 62, No. 15, 2002, pp.1993-1998.
2.3
Moyens financiers
Soutien ECP/MSSMAT 20% du SB par le labo en 2002 et achat d’une balance à suspension magnétique en
2004 par l’ECP
Contrats CNRS, Financement ministère
ACEnergie Stockage de l’hydrogène 2003-2006
Programme PRA MX-02-01 (avec l’IMR, CAS, Chine) 2003-2004
Bourse post-doc Wong KC et du Ministère de la recherche, bourse post-doc et bourse de thèse en alternance
de l’Ambassade de France en Chine,
IE2 CDD 18 mois et équipement associé par le CNRS
ingénieur et équipements par l’ANVAR en 2004
Contrats industriels Etudes exploratoires avec EADS, Soletanche Bachy, EDF
II.3 – C ENTRES DE RESSOURCES
Centre de ressources
Gestion
Animateur Jean-Marie F LEUREAU
Secrétariat Nadège OLS
Ingénieurs
Assistants Ingénieurs Stéphane PAGNAT
Techniciens
Agents techniques
1 Missions
1.1
Présentation succincte
Les principales tâches du Centre de Ressources ”Gestion” sont : - la gestion financière du laboratoire, la sauvegarde de la base de données financières, la liaison avec les services financiers du CNRS, de lÉcole et de CRSA et la
DSI du CNRS, - la gestion des commandes, - la gestion des missions, des dépenses au comptant, de la reprographie
(prises en charge par le Centre de Ressources), - l’archivage et la diffusion des documents
1.2
Faits marquants
Le travail du CR Gestion est marqué par la multiplicité des origines de crédits (Ecole Centrale, CNRS, Société
des Amis de lÉcole Centrale - pour certains investissements mi-lourds - et Centrale Recherche S.A pour les contrats
industriels), ainsi que par le nombre important dútilisateurs : 6 Centres de Ressources et 19 Opérations de Recherche. La gestion de cet ensemble particulièrement complexe est assurée par Stéphane PAGNAT au moyen du
logiciel XLAB.
Depuis 2001, on note une certaine décroissance des financements publics et une stabilisation des contrats
industriels(Figure 21.1).
1.3
Perspectives
Actuellement, le CR Gestion essaie de simplifier le fonctionnement administratif pour les utilisateurs. Ceci
est progressivement réalisé par la mise en place de circuits bien établis pour les commandes, les missions ou
F IG . 21.1 – Evolution des contrats industriels du laboratoire MSS-Mat entre 2000 et 2004
F IG . 21.2 –
lémbauche de personnels. Par ailleurs, l’amélioration de la circulation des informations relatives à láttribution, la
répartition ou l’utilisation des crédits contribue à rendre plus transparente la gestion financière des OR et des CR.
2
2.1
Bilan du CR ”Gestion”
Ressources humaines
Plusieurs personnes participent à la passation des commandes, mais la gestion et la comptabilité du laboratoire
sont assurées par Stéphane PAGNAT.
2.2
Moyens financiers
Soutien ECP/MSSMAT : environ 25 kEuros/an
Communication et Enseignement
Animateur Arézou M ODARESSI
Secrétariat Emanuelle B RUNOT, Nadège O LS
Ingénieurs Isabelle M ASSIP
Assistants Ingénieurs
Techniciens Françis A RMAND, Daniel K ERVERN
Agents techniques
1 Missions
1.1
Résumé
Ce centre de ressources est dédié à la communication et à l’enseignement. En ce qui concerne la communication, l’objectif est de gérer et d’animer les ressources matérielles et humaines afin d’améliorer la visibilité du
laboratoire vis-à-vis de l’extérieur que ce soit les élèves de l’école, la communauté scientifique ou les industriels,
de mettre à la disposition des chercheurs les moyens pour communiquer leurs recherches (préparation de posters,
gestion de matériel de présentation, site web) et de faciliter et promouvoir la communication interne (intranet,
séminaires). La partie enseignement a essentiellement concerné la gestion du matériel utilisé pour l’enseignement
(postes de TP, logiciels,. . ....).
1.2
Faits marquants
Communication La refonte totale du site web du laboratoire constitue un événement important de la vie du
laboratoire. Le choix du système SPIP, utilisé pour des éditoriaux de journaux, a permis de promouvoir et a facilité
l’utilisation de cet outil informatique comme moyen de communication au sein du laboratoire. Ce projet a été piloté
et animé par Damien Durville. Après avoir établi le plan du futur site, les membres du CR COM-ENS ont été aidés
par un comité de pilotage constitué de plusieurs membres du laboratoire comportant des ingénieurs, chercheurs,
thésards et techniciens (Maarten Arnst, Francis Armand, Sylviane Bourgeois, Régis Cottereau, Damien Durville,
Laurent Henry, Daniel Kervern, Fernando Lopez-Caballero, Isabelle Massip, Anne-Sophie Mouronval, Arézou
Modaressi, Nadège Ols,... ) pour enrichir et animé le site.
Une base de données FileMaker Pro a été créée. Elle regroupe maintenant les données du laboratoire. Elle va
être améliorée pour permettre, via des interfaces, de répondre rapidement aux nombreuses enquêtes et faciliter les
relations avec les divers logiciels de gestion (labintel...).
Enseignement Le recensement de toutes les formations dispensées par les membres du laboratoire a permis
d’envisager des collaborations éventuelles. Des visites du laboratoire pour des élèves de l’école et des visiteurs
externes ont été organisées.
Le laboratoire a été fortement impliqué dans plusieurs DEA. Dans le cadre de la réforme européenne des
systèmes diplômants universitaires, depuis septembre 2004, l’École Centrale est habilitée à délivrer le diplôme
de Master Recherche, mention : Matière, Structures, Fluides et Rayonnement sous la responsabilité de Philippe
Bompard. Cette mention intègre les spécialités suivantes :
Dynamique des Structures et Systèmes Couplés (DSSC) ; responsable : E. BALM ÈS. Les partenaires de l’École
dans cette spécialité sont :
– Laboratoire de Mécanique (EA 2545) de l’Université de Marne-la-Vallée, Institut Navier
–
–
–
–
Équipe « Calcul Scientifique » Conservatoire des Arts et Métiers
EA3196 Mécanique des Structures et des Systèmes Couplés du Conservatoire des Arts et Métiers
Laboratoire de Mécanique des Solides (LMS, centre commun École Polytechnique, ENPC, ENSMP)
Laboratoire d’Analyse des Matériaux et Identification (LAMI, centre commun ENPC-LCPC) de l’Institut
Navier
– Laboratoire Propagation des Ondes : Etude Mathématique et Simulation (UMR 2706 CNRS-INRIAENSTA)
– Laboratoire de Mécanique Physique - B2OA UMR CNRS 7052 de Paris XII
– Supméca - Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Mécaniques et des Matériaux (LISMMA - EA 2336)
Mécanique des Sols, Roches et Ouvrages dans leur Environnement (MSROE) ; Coordinateur à l’ECP : J.-L.
FAVRE. L’École Nationale des Ponts et Chaussées (ENPC), et l’Université Pierre et Marie Curie (Paris
6) constituent les établissements cohabilité de ce Master. Les autres partenaires sont :
– École Nationale Supérieure des Mines de Paris (ENSMP),
– École Polytechnique (X),
– Institut Français du Pétrole (IFP)
– Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM)
Dans le cadre de cette spécialité, profitant de la formation pluridisciplinaire à l’École Centrale, des cours
d’autres masters de l’École (mention matière, structures, fluide et rayonnement, spécialité DSSC, ainsi que
mention procèdes spécialité génie des procèdes) sont proposés aux élèves.
Mécanique pour les Structures et l’Énergie (MSE) ; responsable Ph. B OMPARD. Les établissements co-habilités
sont :
– École Polytechnique,
– École des Mines de Paris,
– Université Paris 11,
– Institut National des Sciences et Techniques Nucléaires(INSTN).
1.3
Perspectives
L’objectif est d’utiliser d’une manière optimisée les ressources en personnel et en matériels du laboratoire. Pour
ce qui est de la diffusion des connaissances, on envisage d’organiser des séminaires et des formations continues.
Un séminaire sur la thématique ” le développement durable ” est programmé pour les élèves de troisième année
dans le cadre d’Intergroupe. On continuera à promouvoir la communication interne et externe du laboratoire à
l’aide des outils modernes d’informatique. Pour ce qui est de la formation, nous réfléchissons à l’intégration de
e-learning en suivant l’évolution technologique des outils.
2
2.1
Bilan
Ressources humaines
Isabelle M ASSIP, assistante de la Direction, joue un rôle important quant au développement, au maintien du
site web et à la centralisation des informations. Emmanuelle B RUNOT, et depuis son départ pour cause de mutation,
Nadège O LS ont assuré le secrétariat de ce centre. Une grande partie de leur charge concerne la gestion logistique
des activités relatives au Master (ou DEA avant sept. 2004) ”Mécanique des Sols (Roches) et Ouvrages dans leur
Environnement” (MS(R)OE, une quarantaine d’étudiants) et à la filière Conception Développement Recherche
(CDR, une centaine d’élèves) de la troisième année de l’École. Daniel Kervern et Françis Armand assurent les
activités liées à la présentation (posters, photos, cartes, ...).
2.2
Équipements
Le centre gère tout le matériel audiovisuel (3 vidéo-projecteurs, appareil photo numérique, imprimante A3,. . ....)
ainsi que le matériel mécanique et informatique dédiés à l’enseignement (TP, TD, ...). Cette dernière tache, s’effectue en collaboration avec les centres de ressources ”Essais mécaniques” et ”Informatiques”.
2.3
Moyens financiers
– Soutien ECP (Recherche et Enseignement) : environ 25 keuro/an,
– Soutien CNRS : environ 6 keuro/an,
– Soutien OR : 2,7 keuro.
Essais Mécaniques
Animateur Claude PRIOUL
Secrétariat Fleur LITOUST
Ingénieurs Sylviane BOURGEOIS
Assistants Ingénieurs Martine PALECZNY, Eric PERRIN, Thomas REISS, Nicolas ROUBIER
Techniciens Gilbert LEGAL
Agents techniques Philippe LAMBERT
1
1.1
Missions
Résumé
Le Centre de Ressources Essais Mécaniques assure la gestion et le développement des moyens d’essais mécaniques
du laboratoire dans le domaine de la mécanique des matériaux et des sols. Ses compétences s’étendent également
aux essais physico-chimiques effectués en mécanique des sols dans le domaine de la dépollution. L’autre mission
principale concerne la conception mécanique et la fabrication des nouveaux dispositifs expérimentaux développés
au laboratoire, ainsi que les relations avec les sous-traitants
1.2
Faits marquants
La période 2001-2004 a permis de continuer les développements autour de la machine servo hydraulique
500kN, grande vitesse (1m/s). Trois dispositifs ont été conçus, réalisés et mis au point au laboratoire : un ensemble
de compression plane (chanel die) à température ambiante dans le cadre de la thèse de Philippe Érieau, un dispositif
de compression à chaud (1000◦ C) sur pions pour simuler le forgeage des alliages de titane (thèse de Jérôme Delfosse) et un montage de traction (Figure 23.1) avec extensométrie à chaud (1200◦ C) pour l’étude et la modélisation
de la distorsion des assemblages soudés (thèse Benoit Saint Germain). Dans le cadre du développement des activités concernant l’étude des barrières anti-pollution un pilote de dépollution des sols a été construit et mis au
point (thèse Benoit Courcelles). Différents dispositifs annexes, essais de compression in-situ (MEB, Microscopie
optique) sur tissus osseux, essais de traction aux températures cryogéniques sur machine électromécanique conventionnelle mais également sur machine in-situ dans un MEB, essais de ténacité sur tubes, ont été également conçus
et réalisés au laboratoire.
1.3
Perspectives
Le laboratoire poursuit sa démarche de sécurisation et de regroupement de ses moyens d’essais mécaniques,
surtout en ce qui concerne les machines servo-hydrauliques, qui restent installées de manière provisoire depuis de
nombreuses années. Un nouveau projet de réhabilitation des travées 6, 7 et 8 du bâtiment des laboratoires industriels
est à l’étude en liaison avec l’architecte conseil de l’école. L’ampleur du projet, qui dépasse les compétences
du laboratoire, conduit cependant à s’interroger sur les chances de le voir aboutir dans les délais souhaitables.
Par ailleurs, la promotion de Sylvie Pommier comme Professeur à l’ENS Cachan pose le problème de l’avenir
des recherches sur la fatigue des matériaux dont elle était la principale animatrice. Cette question est très liée à
l’avenir des moyens expérimentaux associés, essentiellement les machines servo hydrauliques, dont le nombre et
les capacités devront être adaptés aux choix scientifiques qui seront faits.
F IG . 23.1 – Dispositif de traction avec extensométrie à chaud (1200◦ C)
2
2.1
Bilan
Ressources humaines
La période récente a été marquée par une évolution importante des moyens humains attachés au centre de ressources. Le départ en retraite de Michel Pasquet a conduit au recrutement d’un Assistant Ingénieur en conception
mécanique et réalisation de prototypes (Éric Perrin) permettant ainsi de consolider nos capacités de conception et
réalisation de nouveaux dispositifs expérimentaux. La réussite de Sylviane Bourgeois au concours interne, assurant
sa promotion au grade d’Ingénieur d’Étude, a également conduit au recrutement de Thomas Reiss comme contractuel sur poste d’Assistant Ingénieur. Le laboratoire a obtenu un poste d’Assistant Ingénieur en physico-chimie
appliquée à la dépollution des sols sur lequel Martine Paleczny a été recrutée. L’ensemble de ces recrutements a
ainsi assuré un élargissement des compétences du laboratoire tout en améliorant les capacités de développement
dans le domaine expérimental.
2.2
Équipements récents
Extensométrie à chaud (1200◦ C), groupe hydraulique(100 l/mn), cellule triaxiale haute pression (140 Mpa),
porosimètre à mercure, pilote de dépollution des sols. Le centre de ressources a également investi pour renforcer
les moyens d’usinage par l’achat d’un tour et d’une fraiseuse d’occasion avec leur environnement d’outillage.
2.3
Moyens financiers
Soutien ECP/MSSMAT : environ 25 k’/an (hors investissements mi-lourds) Soutien OR : environ 20 k’/an sous
forme d’investissements
Microscopies
Animateur Michel C LAVEL et Ann-Lenaig H AMON
Secrétariat Isabelle M ASSIP
Ingénieurs Sylviane B OURGEOIS, Paul H AGHI -A SHTIANI
Assistants Ingénieurs Françoise G ARNIER
Techniciens
Agents techniques Farida D JEBBARI, Sokona KONATE
1
1.1
Mission du Centre de ressource Microscopies
Présentation succincte
Ce centre de ressource s’articule autour des appareils de microscopie électronique en transmission (M.E.T.),
historiquement dans le groupe de physique des matériaux de B. J OUFFREY, et de microscopie électronique à
balayage (M.E.B.) qui concernait davantage l’équipe matériaux. Il comporte également un microscope optique, et
un microscope à champ proche (A.F.M. et S.T.M.), ainsi que tout un équipement de préparation des échantillons
pour la microscopie.
La réunion de cet équipement en un même centre de ressource en 2003 a voulu préserver la répartition des
compétences techniques et scientifiques telles qu’elles étaient mises en place auparavant (V. D JAFARI et C. R EY
pour les M.E.B.), tout en centralisant la gestion budgétaire. Il est à noter que le départ à la retraite de V. D JAFARI
s’accompagnera d’une perte de compétence notable qu’il faudra surmonter.
1.2
Faits marquants
Le centre de ressource microscopie s’est efforcé de répondre au cours de ces dernières années aux nécessités des
opérations de recherche orientées vers le passage micro/macro. Pour ce faire, la microscopie électronique a étendu
son champ d’action à de très nombreux matériaux. Citons l’étude fine de la structure des argiles, la caractérisation
des modes de déformation de matériaux hexagonaux (titane, zirconium, magnésium), cubique centré (aciers de
cuve, perlite tréfilée) ainsi que les composites à matrice métallique renforcée par des nanotubes.
1.3
Perspectives
L’âge de l’équipement est très hétérogène, allant d’un M.E.T. JEOL de 1987 à un M.E.B. équipé d’un canon
à émission de champ (F.E.G.) de 2000. La vétusté d’une certaine partie des équipements grève lourdement le
budget alloué. Ainsi 14,8 kEuros HT ont été dépensés en 2003 pour des réparations sur le M.E.T. Jeol. En 2004, la
réparation d’une cuve de haute-tension sur le M.E.T. Philips, s’élevant à 17,7 kEuros HT, a nécessité le soutien de
l’École pour 6 kEuros. À court terme l’achat d’un nouveau microscope avec les derniers équipements permettant
de cumuler haute résolution, analyse et grand angle de tilt, est envisagé, mais les sources de financement, à hauteur
de 2 MEuros, restent à trouver. Si le CR a bénéficié en 2003 d’un crédit particulier de 50 kEuros HT alloué par
l’École Centrale pour de l’équipement (décapeur ionique - métalliseur), notre demande pour l’année 2004 (30
kEuros pour du matériel de préparation des échantillons) n’a pas abouti.
2
2.1
Bilan
Ressources humaines
Chercheurs JinBo BAI, Michel C LAVEL, Valoillah D JAFARI, Ann-Lenaig H AMON, Bernard J OUFFREY, Colette
R EY
IT M.E.T. Paul H AGHI -A SHTIANI, Farida D JEBBARI
IT M.E.B. Françoise G ARNIER
IT Microscopie optique Sylviane B OURGEOIS, Sokona KONATE
Secrétariat Isabelle M ASSIP
Il est à noter que Paul H AGHI -A SHTIANI a initialement été recruté sur un poste de technicien par l’ECP en
2001 avant d’être recruté sur concours sur un poste d’Ingénieur d’Études CNRS en 2002.
2.2
Équipements
– M.E.B. Philips XL30 DX4i avec analyse quantitative à sélection d’énergie, et dispositifs de traction et de
flexion in situ (1993) ;
– M.E.B. F.E.G. (LEO 1530) avec système d’analyse E.B.S.D. (NORD/TSL) (1999) et microanalyse X (IMIXPC de PGT) (2000) ;
– M.E.T. JEOL JEM 1200 EX (1987) ;
– M.E.T. Philips CM20 Ultratwin (1992) avec détecteur de pertes d’énergie ;
– Microscope optique métallographique LEICA ARISTOMET (1991) ;
– Analyse et traitement d’images VISILOG sur PC ;
– S.T.M. et A.F.M. Digital Instrument comprenant un Nanoscope 3A (1995) ;
– Microduromètre automatisé LECO (1993) ;
– Appareil de mesure du frottement intérieur des solides entre 6 et 900 K de 1 à 10 Hz ;
– Amincisseur ionique Ion Tech ;
– Métalliseur haute résolution et décapeur ionique ;
– Matériel d’ultrasons de transitoires ;
– Analyseur d’hydrogène ;
– Dilatométrie (amplification 104 ) entre 5 et 350 K ;
– Systèmes CVD d’élaboration de nanostructures de carbone (1999, 2000, 2003) ;
– Balance à suspension magnétique (2004) ;
– Fours hautes températures avec système de refroidissement rapide (2004).
2.3
Moyens financiers
Soutien E.C.P./MSSMat
Le budget alloué pour l’année 2003 a été de 21,8 keuros H.T. réparti entre des crédits ECP (14,2 kEuros) et des
crédits CNRS (7,6 kEuros). Celui de l’année 2004 est de 23,7 kEuros H.T. réparti entre des crédits ECP (12,4 kEuros) et des crédits CNRS (11,3 kEuros). L’E.C.P. a d’autre part financé en 2003 l’achat d’un métalliseur/décapeur
ionique d’un coût de 50 kEuros H.T.
Soutien O.R.
Ce budget s’avérant insuffisant pour entretenir tout le parc à disposition, il a également été fait appel aux O.R.
utilisatrices de l’équipement pour financer certaines réparations ou l’achat de nouvel équipement.
Centre de Ressources Informatiques
Animateur Damien D URVILLE
Secrétariat Nadège O LS
Ingénieurs (système) Denis M ARTIN, (calcul scientifique) Anne-Sophie M OURONVAL
Techniciens Daniel K ERVERN
Agents techniques
projet super-calculateur Didier C LOUTEAU
1
Mission
Le Centre de Ressources Informatiques (CRI) a pour mission de centraliser et d’optimiser au niveau du Laboratoire la gestion des ressources informatiques. Le parc informatique du Laboratoire comprend 160 ordinateurs de
bureau, 30 stations de travail , 15 imprimantes, et bientôt un super-calculateur parallèle.
Le CRI s’efforce d’assurer un bon fonctionnement de l’informatique au niveau global du Laboratoire en proposant des solutions homogènes, tout en cherchant à préserver la souplesse et l’autonomie au niveau de chaque
opération de recherche.
2
Réalisations majeures
En dehors de la gestion courante, faite de multiples tâches d’assistance aux utilisateurs, de commandes, d’installation et de configuration de matériels, on peut relever certaines réalisations plus marquantes.
Mise en place d’une charte d’utilisation des moyens informatiques Afin de sensibiliser et de responsabiliser
les utilisateurs du réseau informatique par rapport aux questions de sécurité, une charte d’utilisation des moyens
informatiques a été proposée au Laboratoire. Adoptée par le Conseil de Laboratoire, elle a été signée par tous les
utilisateurs et est communiquée à tous les nouveaux arrivants. Cette charte se veut simple et utile. Elle se réfère aux
chartes informatiques du CNRS et de l’École, rappelle les droits et obligations de chacun en matière d’utilisation
du réseau et des logiciels, et donne quelques consignes à appliquer par chacun pour garantir une bonne sécurité sur
le poste informatique qu’il utilise.
Inventaire des ressources informatiques du Laboratoire Afin d’avoir une connaissance précise et suivie du
parc informatique en vue d’une meilleure gestion prévisionnelle, un inventaire détaillé des matériels informatiques
a été effectué et entré dans une base de données. Il est maintenant possible d’avoir une vision synthétique des
postes informatiques.
Mise en place d’une nouvelle machine bastion sécurisée Une nouvelle machine bastion qui gère tous les
échanges réseau entre le Laboratoire et l’extérieur a été mise en place de manière sécurisée. Cette machine, placée
au niveau du Centre de Traitement Informatique de l’École, doit garantir la sécurité du réseau informatique du
Laboratoire, tout en permettant un accès sécurisé aux membres du Laboratoire depuis l’extérieur de l’École. Cette
machine héberge par ailleurs le serveur web du Laboratoire.
Développement d’un nouveau site web sous SPIP pour le Laboratoire En collaboration avec le Centre de
Ressources Communication-Enseignement, un nouveau site web a été mis en place au Laboratoire. Comme moteur
de ce site web, le logiciel libre de gestion de contenu SPIP a été retenu en raison de l’architecture dynamique et
largement participative qu’il propose. Ce site réserve une partie du contenu à un usage intranet.
Réalisation d’un dossier d’appel d’offres pour l’achat d’un super-calculateur parallèle Un appel d’offres a
été lancé pour remplacer le super-calculateur SGI Origin 2000 du Pôle de Calcul Île-de-France Sud auquel participe
le Laboratoire. Un dossier de tests, rassemblant des benchmarks à réaliser à l’aide des codes de calcul développés
au Laboratoire a notamment été réalisé afin d’évaluer les performances des matériels proposés dans différentes
configurations.
3
Moyens financiers
Hygiène, Sécurité, Formation
Animateur Sylviane B OURGEOIS [(IE) ACMO, correspondant de formation]
Secrétariat
Ingénieurs Philippe L AMBERT
Techniciens Gilbert L E G AL, ACMO
Agents techniques Sokona KONATE, Farida D JEBARRI
1
1.1
Missions
Résumé
Ce centre de ressources gère l’hygiène et la sécurité dans le laboratoire, l’entretien des locaux et la formation.
En matière d’hygiène et sécurité les objectifs sont d’améliorer les conditions de travail, de sécuriser les moyens
expérimentaux sans entraver le travail des chercheurs. Ce travail de sensibilisation aux risques des personnels, des
stagiaires et des élèves ainsi que la veille du respect des consignes de sécurité se fait en collaboration avec les deux
ACMO et les trois agents chargés de l’entretien des locaux. Les ACMO, correspondants de sécurité au niveau de
l’école sont l’interface entre le laboratoire et les services hygiène et sécurité de l’Ecole Centrale et de la Délégation
Régionale. Quant à la formation, le correspondant élabore annuellement le plan de formation. Une de ses missions
est d’accompagner les personnels dans leur recherche de formation et d’assurer la diffusion des stages auprès de
tous.
1.2
Faits marquants
L’identification des risques professionnels a été un des objectifs du laboratoire. La méthodologie employée a
été d’inventorier les risques dans toutes les pièces du laboratoire et d’élaborer sept fiches poste de travail types en
collaboration avec l’ingénieur de sécurité de l’Ecole Centrale. Cette démarche a révélé des risques pour certains
secteurs. La première mesure a été d’améliorer la signalétique de toutes les pièces concernées. Le secteur SOL
a réorganisé ses locaux et la ressource a financé les équipements de protections individuelles pour toutes les personnes exposées aux manipulations des matériaux granulaires et au port de lourdes charges.
Depuis 2002 malgré les mesures prises dans le secteur nanomatériaux on constate un accroissement des risques
sans pouvoir mettre en œuvre les réponses appropriées. L’installation provisoire du poste d’élaboration des nanotubes de carbone par hydrogène dans un local isolé et la participation régulière de stagiaires ou professeurs invités
chinois ne maı̂trisant pas la langue française posent d’importants problèmes.
Durant la période de 2001-2004 la sécurisation provisoire des flexibles sous haute pression reliant les machines
d’essais aux groupes hydrauliques a partiellement amélioré les conditions de travail en travée 7 mais le niveau
sonore reste trop important à proximité des postes de travail.
Dans les différents sites du laboratoire, le tri sélectif comprenant la récupération des piles, des cartouches imprimantes et des papiers a été bien suivi depuis sa mise en place en 2003.
En 2004 des crédits plus importants affectés à la ressource ont permis l’acquisition d’un réfrigérateur à cuve
sécurisée destiné au stockage des électrolytes.
Depuis 2003 dix personnes ont bénéficié d’une formation financée par les plans de formation 2003 et 2004.
1.3
Perspectives
Les sept fiches poste de travail types devront être validées par retour d’expérience.
L’amélioration acoustique et thermique de la travée 7 et l’installation sécurisée des manipulations nanomatériaux
seront des objectifs prioritaires.
Les chercheurs étrangers du secteur des nanomatériaux recevront une brochure en anglais présentant des risques
spécifiques à leur activité.
Afin de répondre à la demande de l’Ecole, le tri sélectif sera amélioré et élargi à la récupération des matériaux
granulaires.
La mise en ligne sur le site Internet du laboratoire des informations relatives à l’hygiène sécurité et à la formation
améliorera la communication.
2
Bilan
2.1
Ressources humaines
Les trois agents S. Konate, F. Djebarri et P. Lambert se répartissent l’entretien des locaux et jouent un rôle important de veille du respect des consignes de sécurité. S.Konate gère la distribution des équipements de protection
individuelle.
2.2
Equipements récents
Le centre de ressources a acquis un réfrigérateur à cuve sécurisée pour permettre le stockage correct des produits chimiques. Dans l’atelier un dispositif de protection a été acheté pour sécuriser le tour.
2.3
Moyens financiers
–
–
–
–
Soutien ECP (recherche) : 5100 euros
Soutien CNRS :1080 euros
Soutien CRSA : 3260 euros
PFU 1500 euros
II.4 – B ILAN QUANTITATIF
Personnel
1
Personnel du Laboratoire au 1/10/04
Chercheurs et Enseignants
Ingénieurs
Assistants-ingénieurs, techniciens, administratifs
Doctorants en cours de thèse
Post-Docs
Total
26
6
15
50
5
100
(5 CNRS et 4 de l’Université)
(4 CNRS, 1 CDD)
(1 CDD)
Accueil de la Société
(dont 8 CNRS)
SD Tools dirigée par Etienne Balmès : LECLERE Jean-Michel IR
2
Enseignants et chercheurs
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
3
ALLICHE Abdenour
AUBRY Denis
BAI Jin Bo
BALMES Etienne
BEN DHIA Hachmi
BERDIN Clotilde
BOMPARD Philippe
CLAVEL Michel
CLOUTEAU Didier
CORUS Mathieu
COTTEREAU Régis
DJAFARI Valliolah
DURVILLE Damien
EVESQUE Pierre
MC
Pr.
CR
Pr.
Pr.
MC
Pr.
Pr.
Pr.
CdT
A
A
CR
DR
Paris VI
15
16
17
18
14
19
20
21
22
23
24
25
26
FAVRE Jean-Louis
FLEUREAU Jean-Marie
GOUVENOT Daniel
HAMON Ann-Lenaig
EVESQUE Pierre
HATTAB Madhia
HOC Thierry
JOUFFREY Bernard
LOPEZ CABALLERO Fernando
MODARESSI Arézou
PRIOUL Claude
REY Colette
TIE Bing
Post-Docs
1
2
3
4
5
6
7
8
ADJEMIAN Florence
AL HUSSAINI Tahmeed
BUDYN Elisa
CALONNE Virginie
CHEBLI Hamid
CI Li-Jie
DITZEL Auke
ELMI Farhad
2004
2001/2002
2004/2005
2001
2002/2004
2003/2004
2001
2003/2004
9
10
11
12
13
14
15
LARIBI Saoussen
LECONTE Marc
OTHMAN Ramzi
RATEAU Guillaume
RISBET Marion
YANG Quan-Hong
ZHANG MingJing
2004/2005
2004/2005
2003/2004
2003/2004
2003/2004
2002
2001
Pr.
Pr.
Pr.
MC
DR
MC
MC
DREM
A
Pr.
Pr.
Pr.
CR
Univ. Metz
CRSA
Paris XIII
Paris XIII
4
Visiteurs
CONG H.T.
IVANOVA Alevtina A.
KARLÍK Miroslav
KOZLOV Victor
NEDBAL Ivan
SAOUD Siba
SCHATTSCHNEIDER Peter
YING Zhe
Institute of Metal Research, Shenyang
Perm State Pedagogical University
Université de Prague
Perm State Pedagogical University
Université de Prague
Université de Lattaquié, Syrie
Université Technique de Vienne
Institute of Metal Research, Shenyang
05-06/2004
02-06/2004
2 mois/an
02-06/2004
2 mois/an
2 mois/an
2 mois/an
06/2004-05/2005
5 Ingénieurs
BOURGEOIS Sylviane
GENESTOUX Maxime
HAGHI-ASHTIANI Paul
MARTIN Denis
MASSIP Isabelle
MOURONVAL Anne-Sophie
IE ECP
IE Valorisation CNRS à compter du 1/11/04
IE CNRS
IE CNRS
IE CNRS
IR ECP
6 Assistants-ingénieurs, techniciens et administratifs)
1
2
3
4
5
6
7
8
7
7.1
ARMAND Francis
DJEBBARI Farida
ETEVE Catherine
GARNIER Françoise
KERVERN Daniel
KONATE Sokona
LAMBERT Philippe
LE GAL Gilbert
CRSA
80%
20%
80%
9
10
11
12
13
14
15
LITOUST Fleur
OLS Nadège
PAGNAT Stéphane
PALECZNY Martine
PERRIN Éric
REISS Thomas
ROUBIER D’HEREMBAULT Nicolas
80%
Doctorants
Ayant soutenu leur thèse pendant la période 2001-2004
Soutenance
En 2001
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Carval Stéven
Daniélou Armelle
Desceliers Christophe
Dufour-Laridan Emmanuel
Fandeur Olivier
Fernandez Jose-Antonio
Frénois Stéphane
Gonzalez Mario
Hamon Ann-Lenaig
Laude Thomas
Leclère Jean-Michel
Robert-Bérat Laurence
Sadki Nadia
Vossoughi Kamran-Charles
5/12/2001
29/3/2001
29/1/2001
18/12/2001
14/12/2001
10/12/2001
17/12/2001
28/5/2001
14/11/2001
27/3/2001
6/12/2001
1/6/2001
23/1/2001
13/12/2001
En collaboration avec
ONERA
Univ. Madrid
CEA
CNAM
NIRIM, Tsukuba (Japon)
CEA Saclay
80%
CDD
Soutenance
7.2
En 2002
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Bobillot Adrien
Bortal Sonia
Giry Eric
Guillot Xavier
Haušild Petr
Marache Antoine
Mekkaoui Smaine
Pascal Serge
Raphael Wassim
Sauvage Olivier
Zarroug Malek
Wassim Raphael
5/12/2002
21/11/2002
18/12/2002
7/1/2002
30/9/2002
22/11/2002
7/3/2002
6/9/2002
19/12/2002
27/11/2002
28/6/2002
19/12/02
En 2003
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Adjemian Florence
Corus Mathieu
Elmi Farhad
Erieau Philippe
Foerster Evelyne
Hadiwardoyo Sigit
Jay Guillaume
Laribi Saoussen
Lopez Caballero Fernando
Onimus Fabien
Phelippeau Antoine
Rahayu Wiwik
Rateau Guillaume
Sayad Chahira
19/9/2003
12/9/2003
25/9/2003
28/1/2003
9/12/2003
9/12/2003
16/7/2003
6/10/2003
27/6/2003
8/12/2003
8/12/2003
27/6/2003
27/6/2003
30/6/2003
En 2004
1
2
3
4
5
Boullard Arnaud
Daudois Ludovic
Kergourlay Gérald
Mezher Nader
Sekfali Seddik
1/02/2004
20/6/2004
5/3/2004
23/06/2004
7/6/2004
Univ. Bordeaux
SETRA, Beyrouth (Liban)
PSA
SETRA, Beyrouth (Liban)
EDF
BRGM/DR/LGH
Univ. de Tunis
Univ. du Havre
ONERA/DDSS
En cours de thèse
Arrivée en 1999
Kouzaev Aidar
Lafargue Rémi
Perm State Pedagogical Univ.
Arrivée en 2000
Nini Robert
Salhi Lamiae
Selin Nikolai
Tchigrakov Nikolai
Yaméogo Arsène
Univ. Balamand (Liban)
Arrivée en 2001
Abbadi Zouhir
Allaoui Aissa
Catalao Stéphane
Delfosse Jérôme
Ishizawa Escudero Oscar
Lacaze Christophe
Larour Eric
Pham Tuan Anh
Zaiter Marie
Zammali Chokri
Arrivée en 2003
Arnst Maarten
Ben Mouhoub Khélifa
Courcelles Benoı̂t
Henry Laurent
Langlade Cédric
Lefèbvre Sidonie
Libert Maximilien
Mallat Amjad
Pitilakis Dimitris
Souli Hanène
Zhao Zhi-Gang
7.3
PSA Vélizy
Jet Prop Lab. Pasadena
Arrivée en 2002
Bouziri Soumia
Brunetaud Xavier
Coronado Garcia Octavio
Cottereau Régis
Funfschilling Christine
Graff Stéphanie
Hajjaj Mejido
Hamadi Kamel
Nguyen The Dien
Obrembski Christophe
Ranger Vieillard Julie
Sahadevan Vijayakumar
Saint-Germain Benoı̂t
Arrivée en 2004
Adouani Haithem
Albrecht David
Belotteau Jeanne
Costa d’Aguiar Sofia
Florens Corine
Le Pécheur Anne
Maury Cécile
EDF
SPMS
EDF
LCPC
Ecole des Mines Paris
LISMMA/ISMCM
LISMMA/ISMCM
ONERA
EDF
Michelin
Récapitulatif des thèses soutenues et en cours pendant la période 2001-2004
8
Conseil de Laboratoire
Membre de droit : Denis Aubry, Directeur
Membres élus
Chercheurs
Clotilde Berdin
Didier Clouteau
Pierre Évesque
Jean-Marie Fleureau
Bing Tié
ITA
Sylviane Bourgeois
Gilbert Le Gal
Isabelle Massip
Stéphane Pagnat
Doctorants
Jérome Delfosse
Maarten Arnst
Membres nommés et/ou invités
Michel Clavel
Damien Durville
Daniel Gouvenot
Ann-Lenaig Hamon
Arezou Modaressi
Claude Prioul
Denis Martin
Octavio Coronado Garcia
9
Organigramme
Moyens Matériels
1
Études Microstructurales
– M.E.B. Philips XL30 DX4i avec analyse quantitative à sélection d’énergie, et dispositifs de traction et de
flexion in situ (1993) ;
– M.E.B. F.E.G. (LEO 1530) avec système d’analyse E.B.S.D. (NORD/TSL) (1999) et microanalyse X (IMIXPC de PGT) (2000) ;
– M.E.T. JEOL JEM 1200 EX (1987) ;
– M.E.T. Philips CM20 Ultratwin (1992) avec détecteur de pertes d’énergie ;
– Microscope optique métallographique LEICA ARISTOMET (1991) ;
– Analyse et traitement d’images VISILOG sur PC ;
– S.T.M. et A.F.M. Digital Instrument comprenant un Nanoscope 3A (1995) ;
– Microduromètre automatisé LECO (1993) ;
– Appareil de mesure du frottement intérieur des solides entre 6 et 900 K de 1 à 10 Hz ;
– Amincisseur ionique Ion Tech ;
– Métalliseur haute résolution et décapeur ionique ;
– Matériel d’ultrasons de transitoires ;
– Analyseur d’hydrogène ;
– Dilatométrie (amplification 104 ) entre 5 et 350 K ;
– Systèmes CVD d’élaboration de nanostructures de carbone (1999, 2000, 2003) ;
– Balance à suspension magnétique (2004) ;
– Fours hautes températures avec système de refroidissement rapide (2004).
2
Modélisation et Calcul
– Acquisition d’un super-calculateur parallèle pour remplacer le serveur de calcul en partenariat avec l’ENS
Cachan : Origin 2000, 64 processeurs depuis 1999.
– Stations Silicon Graphic - Stations HP/APOLLO - Stations de travail SUN, en réseaux.
3
Essais Mécaniques
– Machines de fatigue traction compression asservissement hydraulique type MTS :
Bâti 500 kN pour essais dynamiques (1m/s) four haute température 1200◦ C,
Trois bâtis 100 kN, deux bâtis de 500kN,
Gamme de force 25kN, 60kN, 100kN, 200kN,
Gamme de température d’essais de 6K à 1500K
Extensométrie longitudinale jusquà 1200◦ C et transversale jusquà 800◦ C.
– Machines de traction compression asservissement électromécanique type INSTRON :
Trois bâtis 100 kN, Gamme de force 1kN, 5kN, 100kN,
Gamme de température d’essais de 6K à 1200K,
Extensométrie longitudinale et transversale.
– Presse élaboration composites.
– Platine traction compression FONDIS in situ MEB microscope optique gamme de force 5000N ; gamme
température d’essais 20 à 600◦ C
– Platine traction compression conçue au laboratoire
Gamme de force 5000N,
Gamme température d’essais 77K à 300K.
– Traitements thermiques deux fours 750 et 1150◦ C.
– Mouton pendule de Charpy.
– Microduromètre automatisé LECO (1993).
– Dispositifs d’essais triaxiaux automatisés 15 MPa/80◦ C et 60 MPa/200◦ C,
5 dispositifs d’essais triaxiaux automatisés à faible contrainte.
– Appareil de mesure du frottement intérieur des solides entre 6 et 900 K et de 1 à 10 Hz.
– Oedomètre haute pression.
– Dispositif d’étude de diffusion multiple d’ondes ultrasonores dans un milieu granulaire pour l’étude des
déplacements locaux de grains constitué :
- 1 émetteur-récepteur Sofranel à impulsion carré (réf. 5077PR), avec 1 pré-ampli de réception (500Hz2MHz) (ref : 5660C/220), 1 traducteur ultrasonore 0.5MHz (ref : V318SU), 1 hydrophone Hydrophone
(type PVDF-Z44-1000)
- 1 carte géné NI-5411 (40MS/s) Nat. Instrument, 1 carte oscillo NI5402, 2 voies, 20MS/s, 1 carte multifonction de pilotage de presse et l’ampli, 1 PC, 1 licence labview et 1 licence labview builder.
-1 amplificateur/générateur Hotek Technologies pour Ultrasons (300W, 50Ω, 20kHz-10MHz avec « blanking »), ref AG1006
– Table vibrante + colonne granulométrie.
– 2 bancs de mesure de très faibles perméabilités.
– Pilote de dépollution des sols.
– Moyens d’usinage : deux tours et une fraiseuse.
– Conception : un poste CAO 3D.
Formation par la Recherche
1
DEA et Masters
– DEA ”Mécanique des Sols et des Ouvrages dans leur Environnement”, Jean-Louis Favre, responsable de la
formation, qui comprend en outre :
- Université Pierre et Marie Curie (Paris VI)
- École Nationale des Ponts et Chaussées
- École Polytechnique
– DEA ”Mécanique & Matériaux”, Philippe Bompard responsable de la formation.
Autres participants co-habilités :
- Université Paris-Nord
- École Nationale Supérieure des Arts et Métiers
- École Nationale Supérieure des Mines de Paris
- École Normale Supérieure de Cachan
– DEA ”Métallurgie Spéciale et Matériaux”, en co-habilitation avec :
- Université Paris-Sud (responsable de la formation)
- École Nationale Supérieure des Mines de Paris
- INSTN (CEA Saclay)
- École Nationale Supérieure de Chimie de Paris
– DEA ”Dynamique des Structures et des Systèmes Couplés”, Denis Aubry, responsable de la formation, qui
comprend en outre :
- École Nationale des Ponts et Chaussées
- École Nationale Supérieure des Techniques Avancées
- Conservatoire National des Arts et Métiers
- Université Paris 12
- Université de Marne la Vallée
– DEA ”Physique des Solides” d’Orsay (École Doctorale de Physique de la Région Parisienne)
- Option ”Atomes, Défauts, Nanostructures, et Microscopies”, B. Jouffrey, responsable (1999-2003).
2
Thèses soutenues
(référencées dans la Prodution scientifique du Laboratoire page XX)
2001
1. Daniélou A., Etude du développement de la plasticité et des fissures courtes en fatigue, dans des aciers sans
interstitiel. ECP 2001
2. Dufour-Laridan E. Propriétés mécaniques des sols en petites déformations ; étude expérimentale d’un sable
silteux. ECP, 2001
3. Fandeur O. Etude expérimentale et modélisation mécanique de la corrosion sous contrainte des gaines en
Zircaloy-4. ECP 2001
4. Frénois S. Modélisation polycristalline du comportement mécanique du tantale. Application à la mise en
forme par hydroformage. ECP 2001
5. Gonzalez M.A. Relation structure-propriétés des alliages d’aluminium et leur composites. ECP 2001
6. Hamon A.-L. Contribution à l’étude des nanotubes : structure et contrastes en microscopie électronique,
enchevètrements et comportement mécanique. ECP 2001
7. Laude T. Nanotubes de nitrure de bore produits par chauffage laser non-ablatif : synthèse, caractérisation et
mécanismes de croissance. ECP 2001
8. Leclère J.-M. Modélisation parallèle de la propagation d’ondes dans les structures par éléments finis adaptatifs. 2001
9. Robert-Bérat L. Influence de la Zircone sur le comportement en fluage des gaines de combustible en Zircaloy
4. ECP 2001
10. Sadki N. Faisabilité de modèles de terrain en offshore. ECP 2001
11. Vossoughi K. C. Etude numérique du comportement des ouvrages de soutènement à la rupture. ECP 2001
2002
1. Abdelkader Khattab S. Comportement mécanique d’une argile gonflante stabilisée à la chaux. 2002
2. Bobillot A. Méthodes de réduction pour le recalage. Application au cas d’Ariane 5. ECP 2002
3. Bortal S. Approche discrète de l’injection de suspensions de ciment dans les milieux poreux pulvérulents.
ECP 2002
4. Giry E. Prise en compte des interactions de contact-frottement entre fils d’armures pour la modélisation
éléments finis d’un pipeline flexible en grandes transformations. ECP 2002
5. Guillot X. Couplage entre propriétés microscopiques et comportement mécanique d’un matériau argileux.
ECP 2002
6. Hadiwardoyo S. Caractérisation des matériaux routiers - Application à la modélisation du comportement des
chaussées souples. ECP 2002
7. Hausild P. Transition ductile-fragile des aciers de cuves nucléaires. ECP 2002
8. Mekkaoui S. Modélisation de l’incertain sur les essais triaxiaux en grande déformation sur sols remaniés.
ECP 2002
9. Pascal S. Etude du comportement thermomécanique de composites mortier-polymère. ECP 2002
10. Risbet M. Influence de l’état métallurgique et d’un gradient de contraintes sur le critère d’endurance (critère
de Dang Van) d’un superalliage à base nickel. 2002
11. Zarroug M. Eléments mixtes de contact frottant en grandes transformations et applications. ECP 2002
2003
1. Adjemian F. Stick-slip et transition de broutage dans les essais triaxiaux sur billes de verre. 2003
2. Corus M. Amélioration de méthodes de modification structurale par utilisation de techniques d’expansion et
de réduction de modèle. 2003
3. Elmi F. Détermination des propriétés des sols marins par reconnaissance géophysique et géotechnique :
Intégration totale des données. 2003
4. Erieau Ph. Etude des hétérogénéités de déformation et leur lien avec la recristallisation d’alliages industriels.
2003
5. Jay G. Modélisation de la déchirure de structures de type fuselage - Méthodes adaptatives en maillage et en
modèle. ECP 2003
6. Laribi S. Etude des propriétés physico-chimiques et rhéologiques de deux argiles bentonitiques. 2003
7. Lopez Caballero F. Influence du comportement non linéaire du sol sur les mouvements sismiques induits
dans des géo-structures. 2003
8. Onimus F. Approche Expérimentale et Modélisation Micromécanique du Comportement des Alliages de
Zirconium Irradiés. 2003
9. Phelippeau A. Etude expérimentale du rôle de la microstructure et du vieillissement sur les propriétés
mécaniques des aciers perlitiques fortement tréfilés. 2003
10. Rahayu W. Comportement mécanique des tourbes. 2003
11. Rateau G. Méthode Arlequin pour les problèmes mécaniques multi-éhelles - applications à des problèmes
de jonction et de fissuration de structures élancées. 2003
12. Sayad Ch. Ecoulements dans les milieux poreux peu perméables saturés et non saturés, 2003
2004
1. Barlas B. Etude du comportement et de l’endommagement en fatigue d’alliages d’aluminium de fonderie.
2004
2. Boullard A. Propagation des ondes dans les coques simples ou en nid d’abeilles soumises à des charges
mobiles. Application au lanceur Ariane. ECP 2004
3. Kergourlay G. Mesure et prédiction vibroacoustique de structures viscoélastiques - Application à une enceinte acoustique. ECP, 2004
4. Mezher N. Modélisation et quantification de l’effet sismique site-ville. ECP, 2004
5. Sekfali S. Influence de la microstructure sur le comportement local dans les aciers 16MND5. ECP 2004
3 Thèses en cours
Début en 2001
1. Abbadi Zouhir - Modélisation préventive de l’amortissement des vibrations dans une caisse automobile. En
collaboration avec PSA Vélizy.
2. Allaoui Aissa - Identification du comportement d’un ensemble de nanotubes de carbone.
3. Catalao Stéphane - Etude de l’interaction entre plasticité et fluage pour les aciers austénitiques par une
approche micromécanique.
4. Delfosse Jérôme - Étude des conditions de formation des domaines cristallographiques dans le Ti17 forgé,
en vue d’améliorer les propriétés mécaniques en fatigue.
5. Ishizawa Escudero Oscar - Étude de la propagation des ondes en milieux aléatoires : application ˆ la sismologie et ˆ la dynamique des sols.
6. Lacaze Christophe - Comportement de référence de quelques sols naturels. Qualification des essais, erreurs
de mesures et erreur de modèles.
7. Larour Eric - Modélisation de la rupture des icebergs. Relation avec les observations satellites par interférométrie radar. En collaboration avec Jet Prop Lab. Pasadena.
8. Pham Tuan anh - Assimilation des données interférométriques radar et géomécaniques.
9. Zaiter Marie - Barrières perméables réactives de rétention de l’arsenic : conception, expérimentation,
modélisation.
10. Zammali Chokri - Contribution à la modélisation mécanique et numérique de la dynamique des structures
sous contact.
Début en 2002
1. Bouziri Soumia - Étude des mécanismes de déformation dans les argiles surconsolidées.
2. Brunetaud Xavier - Étude de l’influence de différents paramètres et de leur combinaison sur la cinétique et
l’intensité de la réaction sulfatique interne au béton. En collaboration avec le LCPC.
3. Coronado Garcia Octavio - Étude du comportement mécanique de matériaux routiers non saturés en petites
déformations et sous chargements répétés.
4. Cottereau Régis - Modélisation stochastique en interaction dynamique sol-structure.
5. Funfschilling Christine - Modélisation de l’endommagement d’un explosif soumis ˆ un chargement dynamique.
6. Hajjaj Mejido - Modélisation de la propagation et de l’arrêt de fissure dans les structures soumises à un
choc thermique : application aux cuves des réacteurs à eau pressurisée.
7. Hamadi Kamel - Analyses t’eoriques et numériques des facteurs déclenchant le glissement de terrains.
8. Nguyen The dien - Comportement des matériaux et des structures de barrages.
9. Obremski Christophe - Contribution à la modélisation numérique en dynamique non linéaire stochastique
couplée en interaction sol-structure.
10. Ranger Vieillard Julie - Modélisation des structures intelligentes. En collaboration avec ISMCM.
11. Sahadevan Vijayakumar - Contrôle santé des structures composites. En collaboration avec ISMCM.
12. Saint-Germain Benoı̂t - Optimisation de la distorsion des assemblages soudés.
Début en 2003
1. Arnst Maarten - Identification et inversion de modèles probabilistes de champ : application aux ondes en
milieu aléatoire.
2. Ben Mouhoub Khélifa - Fiabilité des écrans de soutènement.
3. Courcelles Benoı̂t - Étude des mécanismes de colmatage de filtres (Type Barrières Perméables Réactives).
4. Henry Laurent - Approche multiéchelle du comportement mécanique d’un tissu osseux cortical.
5. Langlade Cédric - Étude de la ténacité d’alliage de zirconium hydrurés.
6. Lefebvre Sidonie - Étude du comportement mécanique des interconnections cuivre dans le semi conducteur.
7. Libert Maximilien - Étude expérimentale et numérique des effets des mécanismes de plasticité sur la transition ductile fragile des aciers faiblement alliés.
8. Mallat Amjad - Étude des phénomènes de dégradation des monuments anciens. Matériaux et techniques de
réhabilitation.
9. Pitilakis Dimitris - Influence du comportement non-linéaire du sol sur l’analyse d’intéraction sol structure.
10. Zhao Zhi-gang - Comportement mécanique et électromagnétique des fils composés de nanotubes de carbone.
En collaboration avec IMR, CAS, Chine.
Début en 2004
1. Adouani Haithem - Modélisation de la propagation instable et limitée des fissures dans les zones locales
fragiles.
2. Belotteau Jeanne - Modélisation des effets du vieillissement dynamique sur le comportement mécanique et
la rupture des aciers au carbone manganèse du circuit secondaire des REP. En collaboration avec EDF.
3. Florens Corine - Modélisation du comportement viscoélastique d’un panneau composite en vue d’un contrôle
actif vibroacoustique. En collaboration avec l’ONERA.
4. Le Pécheur Anne - Compréhension des mécanismes et prévision de l’amorçage en fatigue thermique des
aciers austénitiques, prenant en compte l’état de surface et le caractère multi-axial du chargement.
5. Maury Cécile - Étude et modélisation des propriétés mécaniques des aciers perlitiques fortement déformés.
En collaboration avec Michelin.
6. Souli Hanène - Études physico-chimique et hydromécanique de deux argiles gonflantes en vue de les utiliser
comme barrière anti-pollution.
4 Habilitations à Diriger des Recherches
1. Clouteau D. - Propagation en milieu hétérogène et aléatoire : applications en mécanique, 19 octobre 2001,
Université J. Fourier.
Jury : D. Aubry, M. Campillo, F. Darve, F. Sanchez-Sesma, C. Soize, J. Wolf
2. Pommier S. - Contribution à l’étude de la fatigue des matériaux métalliques, 18 juin 2002.
Jury : R. Billardon, M. Clavel, K. Dang Van, R. Fougères, A. Pineau (Président), G. Rousselier, F. Sidoroff.
3. Alliche A. - Contribution à l’étude du comportement mécanique des matériaux à matrice cimentaire, 26
Novembre 2003, Université Pierre et Marie Curie (Paris 6).
Jury : P. Acker, R. Billardon, O. Coussy, A. Dragon, J. M. Fleureau, D. François, J. Mazars
4. Modaressi A. - Modélisation des milieux poreux sous chargements complexes, 9 mai 2003.
Jury : D. Aubry, R. Charlier, O. Coussy, F. Darve, P.-Y. Hicher, B. Schrefler
Relations Extérieures
1
Relations internationales
1.1
Animation de la communauté scientifique internationale (responsabilités dans des
sociétés savantes, organisation de congrès...)
– Bai J.B., Membre du comité technique int. de l’IFAMST (France, Troyes 2004).
– Ben Dhia H., Membre du conseil scientifique du Congres Marocain de Mecanique, depuis 2003.
– Ben Dhia H., Membre du comité scientifique du TAM-TAM (Trends in Applied Mathematics, Tunisia, Algeria, Marocco.
– Ben Dhia H., Membre des comités d’évaluation du Laboratoire de Génie Mécanique de Monastir (Tunisie) et
du Laboratoire de Mathématique et de Simulation Numérique des Problèmes de l’Ingénieur (Ecole Nationale
des Ingénieurs de Tunis).
– Bompard Ph., Membre du Comité d’Organisation de Charpy Centenary Conference (CCC2001) Poitiers.
– Évesque P., Coordinateur du groupe d’experts (Topical Team) vibrations et microgravité pour l’ESA
– Évesque P., Membre du groupe d’experts (Topical Team) « Fluides critiques en apesanteur »
– Évesque P., Coordinateur du projet d’expérience spatiale sur les fluides hétérogènes vibrés (ESA)
– Évesque P., Co-coordinateur du projet des expériences sur la chimie physique près des points critiques et
dans le domaine supercritique les fluides critiques
– Évesque P., Comité scientifique du congrès Powders & Grains 2001 au Japon (Sendai-Mai 2001)
– Évesque P., Président de l’AEMMG (Association pour l’Etude de la Micro-mécanique des milieux granulaires
– Évesque P., Membre pour la France de la Commission Technique TC 35 « micro-mécanique » du Comité
International de Mécanique de Sols et Travaux de Fondations
– Fleureau J.-M., Membre du Comité Français de Mécanique des Sols et de Géotechnique
– Fleureau J.-M., responsable du benchmark « Perméabilités » du GdR ForPro CNRS-ANDRA.
– Gouvenot D., Membre du groupe Fondations du Comité International des Grands Barrages.
– Gouvenot D., Membre du groupe d’Amélioration des Sols du Comité International de Mécanique des Sols
et de Géotechnique.
– Jouffrey B., Membre du comité scientifique de Micron and Microscopica Acta
– Jouffrey B., Membre du comité scientifique de EPJ Applied Physics.
– Jouffrey B., Membre du bureau du journal Acta Microscopica.
– Prioul C., Membre du Comité d’Organisation de Charpy Centenary Conference (CCC2001) Poitiers.
1.2
Visiteurs et stagiaires étrangers
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Arriguib N. (Tunisie : Institut National de la Recherche Scientifique)
Bali A. (Algérie : Ecole Nationale Polytechnique d’Alger - Coop. CMEP)
Bai S. (Chine : Académie des Sciences à Shenyang, IMR, 6-12/2001)
Bao G., (USA : Johns Hopkins University, professeur invité du MENRT, mars-juin 1998)
Belkacemi S. (Algérie : Ecole Nationale Polytechnique d’Alger - Coop. CMEP)
Boudia M. (Algérie : Université des Sciences et de la Technologie d’Oran - Coop. CMEP)
Caicedo Hormaza B. (Colombie : Université des Andes, Bogota)
Cheng H.M (Chine : Académie des Sciences à Shenyang, IMR, CNRS/CAS, PRA, 2001, 2002, 2003, 2004)
Cong HT (Chine : Académie des Sciences à Shenyang, IMR, PRA, 2002, 2004)
De Azevedo R. (Brésil : Universidade Federal de Viçosa - invité par l’École Centrale)
Doglione R. (Italie, Polytechnique de Turin)
Du J.H. (Chine : Académie des Sciences à Shenyang, IMR, CNRS/CAS, 2004)
Gomes Coreia A. (Portugal : Instituto Superior Técnico - Coop. CNRS - ICCTI)
Hachichi A. (Algérie : Université des Sciences et de la Technologie d’Oran - Coop. CMEP)
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Hadef B. (Algérie : Université d ?Annaba)
Hébert Cécile (Autriche : Université Technologique de Vienne)
Huergo P.J. (Belgique : Université Libre de Bruxelles - Coop. CNRS - Comm. Fr. de Belgique)
Ivanova A. (Perm, Russie)
Karlı́k M. (République Tchèque : Université Technique de Prague)
Kettab R. (Algérie : Ecole Nationale Polytechnique d’Alger - Coop. CMEP)
Kheirbek-Saoud S. (Syrie : Université Tichrine, Lattaquié)
Kozlov V. (Perm, Russie)
Ktari M. (Tunisie : ENI Gabès)
Laradi N. (Algérie : Université H. Boumédiène, Alger - Coop. CMEP)
Liu M (Chine : Académie des Sciences à Shenyang, IMR, PRA, 2001, 2004)
Maier M. (Autriche : Université Technique de Vienne)
Morsli M. (Algérie : Ecole Nationale Polytechnique d’Alger - Coop. CMEP)
Nedbal I. (République tchèque, Université Technique de Prague)
Saoud A. (Syrie : Université Tichrine, Lattaquié)
Schattschneider P. (Autriche : Université Technologique de Vienne)
Sica S. (Università degli Studi di Napoli Federico II, Facoltà di Ingegneria)
Soemitro R. (Indonésie : Institut Teknologi Surabaya)
Soepandji B. (Indonésie, Université d’Indonésie, Jakarta)
Stöger M. (Autriche : Université Technologique de Vienne)
Strnadel B. (République tchèque, École des Mines d’Ostrava)
Trabelsi-Ayadi M. (Tunisie : Faculté des Sciences de Bizerte)
Verbrugge J.C. (Belgique : Université Libre de Bruxelles et Faculté Universitaire des Sciences Agronomiques de Gembloux - Coop. CNRS - Comm. Fr. de Belgique)
– Weichselbaum S. (Autriche : Université Technologique de Vienne)
– Yang Q.H. (Chine : Académie des Sciences à Shenyang, IMR, 12/2001- 11/2002)
1.3
Séjours à l’étranger
– Autriche : Université Technologique de Vienne. Phelippeau A. dans le cadre du PICS (2 semaines) mars
2002.
– Belgique : Université d ?Anvers. Hamon A.-L. dans le cadre d’un stage post-doctoral (un an) janvier-décembre
2002.
– Chine : Bai J.B., Académie des Sciences à Shenyang, IMR (1 semaine) août 2001, 2002, 2004.
– Japon : Jouffrey B. NIRIM à Tsukuba et Université de Kyushu dans le cadre de l’accord CNRS/JSPS, (3
semaines) février 2001.
Laude T. NIRIM Tsukuba dans le cadre de sa thèse en cotutelle (1997-2001).
– République Tchèque : Prioul C., TU Prague (Programme BARRANDE), (1 semaine) octobre 2001, (1 semaine) oct-nov. 2002.
– Tunisie : École Nationale des Ingénieurs de Tunis.
1.4
Relations universités, écoles, organismes de recherche
– Algérie : Université des Sciences et de la Technologie d’Oran (A. Hachichi, M. Boudia), Université des
Sciences et de la Technologie H. Boumédiene, Alger (N. Laradi), Ecole Nationale Polytechnique d’Alger
(Pr. A. Bali, S. Belkacemi, M. Morsli, R. Kettab), Université d ?Annaba (N. Hadef)
– Autriche : Université Technologique de Vienne (P. Schattschneider, Professeur invité ECP, 1994 - ; C. Hébert).
Étude de spectres de pertes d’énergie en vue de l’analyse chimique d’échantillons. Influence de la structure
cristalline sur les sections efficaces. Problèmes de convolution-déconvolution. Comptage des électrons.
– Belgique : Université Libre de Bruxelles (Pr. J.C. Verbrugge & Pr. P.J. Huergo), Faculté Universitaire des
Sciences Agronomiques de Gembloux (Pr. J.C. Verbrugge), Université Catholique de Louvain (laboratoire
de Génie Civil), Université d’Anvers (Pr. D. Schryvers et Dr. D. Lamoen) pour la spectroscopie par pertes
d’énergie des électrons.
– Brésil : Universidade Federal de Viçosa (Pr. E. Minette & R.F. de Azevedo)
– Cameroun : ENSTP de Yaoundé
– Chine : Académie des Sciences à Shenyang, IMR (Prof. Cheng)
– Colombie : Universidad de los Andes, Santiago de Bogota (Pr. B. Caicedo)
– Europe : COST P4, Physique de la mécanique non linéaire
– Grèce : Université de Thesaloniki (Z. Pitilakis), École Polytechnique d’Athènes (D. Pantelis), étude des
assemblages céramique-métal (Programme PLATON)
– Indonésie : Université d’Indonésie, Jakarta (Pr. B.S. Soepandji), Institut Technique Sepuluh Nopember, Surabaya (Indarto & R. Soemitro)
– Israel : Technion (Prof. I. Bucher)
– Italie : Università degli Studi di Padova, Padoue (C. Meisina), Université de Naples, Polytechnique de Turin
(Prof. R. Doglione), Università degli Studi di Napoli Federico II, Facoltà di Ingegneria, (F. Vinale)
– Japon : Université de Kyushu, Méthode de calcul de Facteur d’intensité des contraintes (Y. Murakami).
– Liban : Université Saint Joseph ; Ecole Supérieure d ?Ingénieur de Beyrouth (F. Geara, E. Rahhal).
– Mexique : Universidad Autonoma de Queretaro (Pr. A. Perez Garcia)
– Portugal : Instituto Superior Técnico, Lisbonne (Pr. A. Gomes Correia, M. de Freitas), Universidade do
Minho (Pr. A. Gomes Correia)
– République Tchèque : Institut de Recherche sur les Métaux de Prague (M. Karlı́k) pour la fabrication de
monocristaux d’alliages d’aluminium et les alliages intermétalliques, Université Technique de Prague (Prof.
I. Nedbal) pour la fractographie quantitative en microscopie électronique à balayage, étude par MET de la
transition ductile fragile des aciers, échange d’étudiants.
– Royaume-Uni : Département de Métallurgie de l’Université de Cambridge (C. Humphreys, G. Botton) sur
les problèmes généraux de spectres de pertes d’énergie, Imperial College.
– Roumanie : Universite Technique de Construction de Bucarest
– Russie : Perm state Un., Perm, (Prof. Lyubimov), Perm Pedagogical Un., Perm, (Prof. Kozlov)
– Suisse : École Polytechnique Fédérale de Lausanne (P. Stadelmann) sur les problèmes de simulations d’images
à haute résolution et de diagrammes de diffraction en faisceaux convergents et (Ph. Buffat et P. Stadelmann)
sur les images filtrées caractéristiques dans le nitrure de bore. Effets angulaires. Conservation des contrastes
dans des images filtrées sur la perte d’énergie des plasmons dans les alliages d’aluminium-cuivre, Ecole
Polytechnique Fédérale de Lausanne, sur l’infiltration de préformes fibreuses (V. Michaud)
– Tunisie : Institut de Génie Civil de Nabeul (M. Benchikha), Faculté des Sciences de Bizerte (Pr. M. TrabelsiAyadi), Ecole Nationale de Ingénieurs de Tunis, Laboratoire de Mathématique et de Simulation des problèmes
de l ?Ingénieur, (J. Ben Abdallah), sur les problèmes de contact.
1.5
Contrats internationaux
– Amadeus (Action intégrée franco-autrichienne du Ministère des Affaires Étrangères, n◦ 97021), sur la
modélisation de l’infiltration et la solidification d’un métal dans une préforme fibreuse, responsables : A.
Modaressi (ECP), H.P. Degischer (TU Wien, Autriche).
– Barrande (Action intégrée franco-tchèque du Ministère des Affaires Étrangères, n◦ 02878RE) Influence de
la distribution de particules de seconde phase sur la ténacité d’un acier faiblement alliée. responsables :
Ph. Bompard et C. Prioul (ECP) et I. Nedbal et M. Karlik (Université Technique de Prague, République
Tchèque) 2000-2002.
– ENV4-CT96-0255, EuroSeisMod, Development and validation of numerical models for earthquake engineering, Responsable : D. Aubry, A. Modaressi
– ENV4-CT97-0392, SeiGroDi, Seismic ground displacements as a tool for town planning, Contrat Européen,
responsables : D. Aubry, A. Modaressi
– Pessoa (Action intégrée franco-portugaise du Ministère des Affaires Étrangères) sur la mise au point d’un
outil de calcul pour les voies ferrées à grande vitesse, responsables : J.-M. Fleureau (ECP) et A. Gomes
Correia (IST et Université de Minho)
– PICS 913 (Programme International de Coopération Scientifique du CNRS), sur l’amélioration de l’interprétation des structures fines près des seuils en pertes d’énergie des électrons (ELNES), responsables :
B. Jouffrey (ECP) et P. Schattschneider (Université technologique de Vienne, Autriche) (2000-2002).
– PRA MX02-01 : Synthèse des nanostructures de carbone et stockage de l’hydrogène (2003-2004). Responsables : J.B. Bai (ECP) et H.M. Cheng (IMR, Académie des sciences de Chine).
– Tournesol (Action intégrée franco-belge du Ministère des Affaires Étrangères) sur la géotechnique de l’environnement, responsables : J.-M. Fleureau (ECP) et J.-C. Verbrugge (ULB et FUSAGx)
2
Coopérations nationales
2.1
Animation de la communauté scientifique nationale
– Aubry D., Membre des comités scientifiques du Laboratoire de Mécanique et Acoustique de Marseille, du
Laboratoire de Mécanique des Solides de l’École Polytechnique, du Département de Génie Civil et Bâtiment
de l’ENTPE de Lyon, du Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes de l’École Centrale de Lyon.
– Aubry D., Membre du Comité des Experts MENRT.
– Ben Dhia H., Présidence du Comité d ?organisation du 5ème Colloque National de Calcul des Structures.
Vice-Président du Comité Scientifique du même Colloque.
– Ben Dhia H., Membre du Comité Scientifique du Colloque National de Calcul des Structures (2001, 2003,
2005).
– Ben Dhia H., Membre du Conseil d ?Administration de l ?Association Mécanique de Calcul des Structures
(depuis 2001), co-responsable des Journées Thématiques de l’Association. Membre du Groupe « Mécanique
du Contact (depuis sa création en 2001).
– Bompard Ph., Membre du Conseil d’Administration et responsable de la commission « Manifestations scientifiques » de l’Association française de Mécanique des Matériaux (Mécamat).
– Évesque P., Président de l’Association pour l’Etude de la Micro-mécanique des Milieux Granulaires (AEMMG).
– Évesque P., Editeur de Poudres et Grains.
– Favre J.-L., Membre du Comité Français de Mécanique des Sols et de Géotechnique. Membre de sa Commission Technique
– Gouvenot D., Membre de la Commission Exécutive du Comité Français des Grands Barrages.
– Gouvenot D., Président de la Commission Géotechnique de la Fédération Nationale des Travaux Publics.
– Gouvenot D., Président de la Commission Nationale de Normalisation en Génie Civil.
– Jouffrey B., Membre du bureau de la SF2M.
– Jouffrey B., Membre du comité scientifique de la Revue de Métallurgie.
– Jouffrey B., Membre du comité scientifique de Spectra Analyse.
– Tié B., Fédération F2M2SP : Groupe d’étude 3 ”Modélisation numérique multi-échelles espace-temps”.
2.2
Coopération scientifique nationale
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ANDRA
ANTEA, Orléans, Département Stockages
BRGM, Groupe Risques Naturels, Marseille ; Direction de la Recherche, Orléans
CEA, Service SESD, Saclay
CEA-DAM, Bruyères-le-Châtel (sismique, impacts)
CEA, Service SBT, Grenoble (D. Beysens)
CEA, Contrat Cadre de Recherche CEA/ECP : comportement des alliages de zirconium, transition ductile
fragile des aciers faiblement alliés, fatigue des aciers inoxydables austéno ferritiques.
CEA (Saclay, Valduc, Cadarache) Comportement endommagement et rupture des aciers de cuve, des aciers
austéno-ferritiques, du tantale et des alliages de zirconium. Modélisation du soudage.
CEA, DEN/SRMA, Saclay : Rôle de la microstructure sur le comportement d ?aciers faiblement alliés. Comportement à froid des aciers faiblement alliés, clivage, transition ductile/fragile.
CEA, Identification de lois de comportement à partir de champ mécanique locaux (L. Gelebart).
CEA, Analyse de mélanges gazeux (F. Willaime).
CEMES-LOE Déformations in situ programmées (D. Caillard, A. Couret).
CEMES-LOE du CNRS à Toulouse Problèmes expérimentaux de filtrage des électrons (G. Zanchi, Y. Kihn).
CENG, Problèmes d’effets d’orientations cristallines et images filtrées en énergie (J. Thibault).
Centre de Géologie Appliquée, Université de Bordeaux I (J. Riss)
Centre des Matériaux de l’École des Mines de Paris (A. Pineau, G. Cailletaud, S. Forest, J.L. Strudel, L.
Henry...)
Centre de Recherche sur la Matière Divisée, CNRS & Université d’Orléans (F. Berghaya, M. Al Mukhtar)
CNRS-ONERA pour l’analyse des nitrures de bore préparés par bombardement laser (G. Hug). (CEA, F.
Willaime) de mélanges gazeux.
CP2M, (Centre Pluridisciplinaire de Microscopie Électronique et de Microanalyse, A. Charaı̈). Spectrométrie
des pertes d’énergie des électrons.
DGA (Mme C. Lévy)
Ecole Nationale Supérieure de Géologie de Nancy, LAEGO (F. Masrouri).
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2.3
Ecole Normale Supérieure, rue d’Ulm (S. Fauve)
Ecole Normale Supérieure (Lyon) (E. Falcon)
ESPCI (P.G. de Gennes)
ESPCI (J.Y. Laval, A. Dubon, C. Delamarre, C. Cabanel) pour l’utilisation du microscope Philips CM20-UT
de l’École Centrale.
Faculté de Pharmacie, Université d’Orsay (Prof. G. Couarraze & Prof. P. Tchoreloff)
IFMA ? Université de Clermont Ferrand (A. Mohamed : Fiabilité des murs de soutenements)
IFREMER (J. Meunier : Comportement des sédiments « grande profondeur »)
INRIA Rocquencourt (D. Chapelle)
Institut de Chimie de la Matière Condensée, Université de Bordeaux (Y. Garrabos)
Institut de Physique du Globe : Equipe modélisation numérique
Institut Français du Pétrole (J.F. Nauroy : Comportement des sédiments « grande profondeur »)
IRPHE, Institut de Mécanique des Fluides, Université de Marseille (B. Roux)
Laboratoire de Génie Civil de l’Université Catholique de Louvain.
Laboratoire de Géophysique Interne, Université de Grenoble.
Laboratoire de Mécanique et de Technologie de l’ENS Cachan (M. Billardon, F. Hild, P. Ladevèze)
Laboratoire de Mécanique de l’Université des Sciences et Techniques du Havre (S. Taibi)
Laboratoire de Mécanique des Solides, École Polytechnique, Modèle affine en grande transformation (F.
Auslender, R. Masson, A.Zaoui, M. Bornert). Identification de lois de comportement à partir de champ
mécanique locaux (J. Crepin, A.Zaoui).
Laboratoire des Solides Irradiés, École Polytechnique (L. Reining, N. Vast). Simulation ab initio.
Laboratoire de Meudon-Bellevue (D. Imhoff), Université Paris VI (M. Froment, F. Pillier). Utilisation du
microscope Philips CM20-UT de l’École Centrale.
Laboratoire de Microscopie Ionique de l’Université de Rouen (A. Bigot, P. Auger, et D. Blavette) sur la
détermination de la répartition du cuivre dans une zone de Guinier-Preston (Al-Cu 1,7% at.). Étude de la
solution solide, comparaison avec la haute résolution.
Laboratoire de Recherches du Centre National d’Étude des Télécommunications à Bagneux (F. Glas et G.
Patriarche). Couches minces de semiconducteurs, interfaces.
Laboratoire LAEGO, Ecole Nationale Supérieure de Géologie de Nancy (Pr. F. Masrouri)
Laboratoire SRMP/DECM du CEA (L. Boulanger). Nano-indentations.
LCPC ? Paris : (Ph. Reiffsteck : Comportement des sols naturels des petites aux grandes déformations).
LCPES (Paris 11) Couplage mise en forme /recristallisation
LLB : Etude du changement de phase à chaud du Ti17 par diffraction de neutrons
LLB/SRMA/ECP : Texture par diffraction de neutrons de matériaux bainitique et martensitique
LPMM - Université de Metz : (M. Hattab : Comportement des sédiments « grande profondeur »)
LPMTM Université Paris 13.
LRO, Université de médecine Lariboisière (A. Meunier) Etude du comportement mécanique de l’os cortical.
ONERA LEM, Modèles mésoscopiques de comportement des dislocations (B. Devincre, L. Kubin). Etude
expérimentale du monocristal de cuivre (L. Bresson).
ONERA-OM (A. Loiseau, G. Hug). Travail commun avec G. Hug sur les structures fines des pertes d’énergie
(BN) ; (M. Parlier), interfaces BN fibres de SiC ;(L. Kubin) Modèles mésoscopiques de comportement des
dislocations.
PECM, Ecole des mines de St Etienne, Etude expérimentale du monocristal de cuivre (J. Lecoze).
SESO (M. Vaultier, Rennes), fabrication de BN par chimie douce.
Actions spécifiques de recherche (PPF, GdR...)
– Bai J.B., ACEnergie PR 17 ”Stockage de l ?hydrogène” retenue pour 2003-2006 (coordinateur : P. Bernier)
avec Institut de Science et Génie des Matériaux et Procédés (IMP, UPR 8521), Laboratoire de Thermodynamique et Physico-Chimie Métallurgiques (LTPCM, UMR 5614), Laboratoire d’Ingénierie des Matériaux et
des Hautes Pressions (LIMHP, UPR 1311)
– Balmes E., Corus M., ACI Constructif
– Berdin C., Groupes de travail de l’ESIS : TC8.
– Bompard Ph., Berdin C., Prioul C., Groupe Charpy Instrumenté (Groupe Fragilité Rupture).
– Evesque P., GDR MIDI
– Evesque P., GDR Phénomènes de Transport et Transitions de Phases en Micropesanteur, GDR 2258 CNES/
CNRS
– Fleureau J.-M., responsable du benchmark « Perméabilités » du GdR ForPro CNRS-ANDRA
– Hamon A.-L., Jouffrey B., Marraud A., Action Incitative Ultimatech, programme ”Nanostructures” en relation avec A. Loiseau (ONERA-OM) et P. Bernier (Université de Montpellier 2) sur les propriétés mécaniques
de nanotubes de carbone.
– Hamon A.-L., Bai J.B., Jouffrey B., Marraud A., Allaoui A., Participation au GDR Nanotubes (européen
depuis 1/01/2004).
– Participation au GDR PMMH.
– Prioul C., Rey C., Contrat de Programme de Recherche CNRS/CEA/EDF : Simulation des Métaux des
Installations et Réacteurs Nucléaires (SMIRN) Modélisation multicristalline du comportement mécanique
des aciers de cuve. Étude et modélisation de la viscoplasticité des alliages de zirconium.
3
Relations industrielles
– Aérospatiale : Infiltration de préformes fibreuses, déchirure de fuselages, recalage de modèles dynamiques
et propagations d’incertitudes Ariane 5.
– ALTIS : Etude du comportement mécanique de nanomatériaux utilisés dans les semi-conducteurs
– BRGM, (réseau de suivi de subsidence urbaine et Ministère) ”Assimilation des données d’interférométries
et géomécaniques et identification des cavités souterraines”.
– CEA (Saclay, Valduc, Cadarache) Comportement endommagement et rupture des aciers de cuve, des aciers
austéno-ferritiques, du tantale et des alliages de zirconium. Modélisation du soudage.
– CNES, (Pôle ”Chocs Pyrotechniques”), ”Propagation de chocs d’origine pyrotechnique dans Ariane 5”.
– Coynes et Bellier : méthodes numériques en mécanique des sols.
– EDF Chambéry (CIH) : Comportement sismique de barrages en terre
– EDF Clamart : Dynamique, vibrations, contact, comportement sismique des installations.
(Groupe MMN, puis departement AMA)
– EDF Renardières : Accord de Partenariat entre le Département EMA et MSS-Mat (ECP),
Fatigue des aciers inoxydables, vieillissement dynamique des aciers, comportement des alliages de zirconium, transition ductile fragile des aciers faiblement alliés, étude du gonflement des argiles à l’échelle nanoscopique.
– EDF R&D : Propagation instable et limitée de fissure.
– Fugro-France : Intégration totale des données ? Projet ESPADON
– Géodia
– Géolabo : Comportement de matériaux gelés
– Institut Français du Pétrole (L. Normand) pour les analyses en pertes d’énergie sur le nickel et les aciers ;
– pour les études sur les risers flexibles ; pour la sismique de puits.
– IRSID : Fatigue des aciers IF pour l’automobile.
– ISL-ANDRA : Remblayage des galeries de stockage de déchets
– Laboratoire d’Électronique Philips (G. Wallis, LEP). Sur les caméras CCD pour électrons.
– Michelin : Propriétés mécaniques des aciers tréfilés pour pneumatiques. Mécanique interne des assemblages
câblés.
– Péchiney : déchirure d’alliages pour fuselages.
– Pechiney, (réseau Allègement des structures aéronautiques), ”Déchirure de structures de type fuselage.
– PSA : Acoustique et vibration des véhicules, comportement au crash, rupture dynamique d’alliages d’aluminium.
– PSA Peugeot Citroën : Etude des phénomène de propagation des ondes.
– Renault : Mise en forme de profilés en aluminium, emboutissage de tôles d’aciers, endommagement d’alliages de fonderie.
– Rhodia : comportement mécanique et durabilité d’alliages mortier-polymère.
– SETRA (J.A. Calgaro : fiabilité des structures en béton armé vis à vis du fluage à long terme)
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amortis.
– SNECMA MOTEUR : Etude du forgeage à chaud du Ti 17
– Soletanche-Bachy : tenue sismique d’ouvrages, déformations du terrain, infiltrations, fiabilité ?
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II.5 – P RODUCTION S CIENTIFIQUE
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[432] E. Balmès and J.M. Leclère. Structural dynamics toolbox 5.1 (for use with MATLAB)., 2003. CDRom.
[433] D. Beysens and P. Evesque. Vibrational phenomena in near critical fluids and granular media., 2004.
[434] S. Bortal-Nafaa. Critères d’injectabilité dans les milieux poreux pulvérulents., 2001. Rapport FNTP - Mars.
[435] M. Corus, E. Balmès, and B. Billet. Amélioration de méthodes de modification structurale par utilisation de
techniques d’expansion et de réduction d’interface., 2001. Rapport EDF HT-61/01/022.
[436] H. Ben Dhia, P. Massin, and M. Zarroug. Eléments de contact dérivés d’une formulation continue., 2003.
[437] H. Ben Dhia, C. Zammali, and S. Lamarche. Formulation hybride du contact en dynamique et éléments
bibliographiques., 2002. Note EDF/R&D HT62/02/030/A.
[438] D. Durville. Modélisation de conditions de périodicité au sein d’une nappe dans Multifil., 2001. Contrat
Michelin - Janvier.
[439] F. Elmi. Modélisation de l’expansion d’une cavité cylindrique par la méthode des éléments finis., 2001.
Contrat Fugro-France.
[440] F. Elmi and J.L. Favre. Modélisation de l’essai pénétrométrique., 2002. Contrat Fugro-France.
[441] J.L. Favre and P. Chauvet. Analyse spatiale des sédiments ”grande profondeur”., 2004. Contrat FugroFrance.
[442] J.L. Favre and F. Elmi. Détermination des propriétés des sols marins par reconnaissance géophysique et
géotechnique : Intégration totale des données., 2003. Contrat Fugro-France.
[443] J.L. Favre and F. Hachi. Modèle continu des grandes aux petites déformations., 2002. Contrat Fugro-France.
[444] J.L. Favre and M. Hattab. Propriétés des sédiments ”grandes profondeurs”., 2004. contrat IFREMER.
[445] J.L. Favre and K. Ben Mouhoub. Optimiser les écrans de soutenement par leur fiabilité., 2004. Contrat
FNTP - FIABECRAN.
[446] J.M. Fleureau and S. Hadiwardoyo. Mesure des propriétés élastiques d’échantillons de plâtre., 2002. Contrat
CEA-DAM - Avril.
[447] J.M. Fleureau and S. Kheirbek-Saoud. Caractérisation du matériau de la digue de Kembs., 2002. Contrat
EDF - Avril.
[448] J.M. Fleureau and A. Saoud. Utilisation de l’argilite excavée comme remblai de galerie dans un stockage
en formation géologique profonde., 2002. Contrat ISL-ANDRA - Septembre.
[449] G. Jay. Modélisation de la déchirure de structures de type fuselage., 2001. Rapport d’avancement pour le
contrat Pechiney - Ministère de l’Industrie.
[450] G. Jay. Modélisation de la déchirure de structures de type fuselage., 2002. Rapport d’avancement pour le
contrat Pechiney - Ministère de l’Industrie.
[451] H. Masoumi. Modélisation de la propagation des ondes dans une plaque en nids d’abeille., 2003. DEA
DSSC (ECP).
[452] A. Modaressi and F. Lopez-Caballero. Seismic ground displacements as a tool for town planning, design
and mitigation., 2001. Final Repport, ECC Project ENV4-CT97-0392, January.
[453] T.-A. Pham. Assimilation entre données interférométriques radar et modélisation géomécanique., 2002.
Rapport d’avancement de thèse - Septembre.
[454] E. Rekik. Modélisation des grandes déchirures ductiles (DEA S3M)., 2002.
[455] N. Sadki and J.L. Favre. Modèle de précision de la cohésion non drainé Cu à partir de la résistance de pointe
Qt., 2002. Contrat Fugro-France.
[456] S. Sakellariou. Corrélations entre le pénétromètre statique au piézocône et les essais de laboratoire., 2002.
Contrat Fugro-France.
[457] B. Tie and D. Aubry. Analyse de la propagation d’ondes dans les strutures automobiles., 2002. Rapport
contrat CRSA/PSA - Février.
[458] B. Tie and D. Aubry. Propagation d’ondes dans une plaque sous charges mobiles pyrotechniques., 2002.
Rapport d’avancement pour le Pôle Chocs Pyrotechniques - Décembre.
[459] K.C. Vossoughi. Eudes et calculs à la rupture d’ouvrages géotechniques (application de l’Eurocode 7).,
2001. Contrat FNTP - Février.
[460] M. Zaiter. Etudes de traitements par rétention sur des matériaux poreux, des cyanures et de l’arsenic présents
dans l’eau sous formes dissoutes., 2002. Contrat Soletanche-Bachy/CRSA - Juillet.
6
Thèses soutenues
[461] F. Adjemian. Stick-slip et transition de broutage dans les essais triaxiaux sur billes de verre. PhD thesis,
2003.
[462] B. Barlas. Etude du comportement et de l’endommagement en fatigue d’alliages d’aluminium de fonderie.
PhD thesis, 2004.
[463] A. Bobillot. Méthodes de réduction pour le recalage. Application au cas d’Ariane 5. PhD thesis, ECP, 2002.
[464] S. Bortal. Approche discrète de l’injection de suspensions de ciment dans les milieux poreux pulvérulents.
PhD thesis, ECP, 2002.
[465] A. Boullard. Propagation des ondes dans les coques simples ou en nid d’abeilles soumises à des charges
mobiles. Application au lanceur Ariane. PhD thesis, ECP, 2004.
[466] F. Lopez Caballero. Influence du comportement non linéaire du sol sur les mouvements sismiques induits
dans des géo-structures. PhD thesis, 2003.
[467] M. Corus. Amélioration de méthodes de modification structurale par utilisation de techniques d’expansion
et de réduction de modèle. PhD thesis, 2003.
[468] A. Daniélou. Etude du développement de la plasticité et des fissures courtes en fatigue, dans des aciers sans
interstitiel. PhD thesis, ECP, 2001.
[469] E. Dufour-Laridan. Propriétés mécaniques des sols en petites déformations ; étude expérimentale d’un sable
silteux. PhD thesis, ECP, 2001.
[470] F. Elmi. Détermination des propriétés des sols marins par reconnaissance géophysique et géotechnique :
Intégration totale des données. PhD thesis, ECP, 2003.
[471] P. Erieau. Etude des hétérogénéités de déformation et leur lien avec la recristallisation d’alliages industriels.
PhD thesis, 2003.
[472] O. Fandeur. Etude expérimentale et modélisation mécanique de la corrosion sous contrainte des gaines en
Zircaloy-4. PhD thesis, ECP, 2001.
[473] S. Frénois. Modélisation polycristalline du comportement mécanique du tantale. Application à la mise en
forme par hydroformage. PhD thesis, ECP, 2001.
[474] E. Giry. Prise en compte des interactions de contact-frottement entre fils d’armures pour la modélisation
éléments finis d’un pipeline flexible en grandes transformations. PhD thesis, ECP, 2002.
[475] M.A. Gonzalez. Relation structure-propriétés des alliages d’aluminium et leur composites. PhD thesis,
ECP, 2001.
[476] X. Guillot. Couplage entre propriétés microscopiques et comportement mécanique d’un matériau argileux.
[477] S. Hadiwardoyo. Caractérisation des matériaux routiers - Application à la modélisation du comportement
des chaussées souples. PhD thesis, ECP, 2002.
[478] A.-L. Hamon. Contribution à l’étude des nanotubes : structure et contrastes en microscopie électronique,
enchevètrements et comportement mécanique. PhD thesis, ECP, 2001.
[479] P. Hausild. Transition ductile-fragile des aciers de cuves nucléaires. PhD thesis, ECP, 2002.
[480] G. Jay. Modélisation de la déchirure de structures de type fuselage - Méthodes adaptatives en maillage et
en modèle. PhD thesis, ECP, 2003.
[481] G. Kergourlay. Mesure et prédiction vibroacoustique de structures viscoélastiques - Application à une
enceinte acoustique. PhD thesis, ECP, 2004.
[482] S. Abdelkader Khattab. Comportement mécanique d’une argile gonflante stabilisée à la chaux. PhD thesis,
2002.
[483] S. Laribi. Etude des propriétés physico-chimiques et rhéologiques de deux argiles bentonitiques. PhD thesis,
2003.
[484] T. Laude. Nanotubes de nitrure de bore produits par chauffage laser non-ablatif : synthèse, caractérisation
et mécanismes de croissance. PhD thesis, ECP, 2001.
[485] J.-M. Leclère. Modélisation parallèle de la propagation d’ondes dans les structures par éléments finis
adaptatifs. PhD thesis, 2001.
[486] S. Mekkaoui. Modélisation de l’incertain sur les essais triaxiaux en grande déformation sur sols remaniés.
[487] N. Mezher. Modélisation et quantification de l’effet sismique site-ville. PhD thesis, ECP, 2004.
[488] F. Onimus. Approche Expérimentale et Modélisation Micromécanique du Comportement des Alliages de
Zirconium Irradiés. PhD thesis, 2003.
[489] S. Pascal. Etude du comportement thermomécanique de composites mortier-polymère. PhD thesis, ECP,
2002.
[490] A. Phelippeau. Etude expérimentale du rôle de la microstructure et du vieillissement sur les propriétés
mécaniques des aciers perlitiques fortement tréfilés. PhD thesis, 2003.
[491] NINI R. Cartographie de la susceptibilité aux grands glissements au Liban. PhD thesis, ECP, 2004.
[492] W. Rahayu. Comportement mécanique des tourbes. PhD thesis, 2003.
[493] W. Raphael. Etude fiabiliste du fluage des structures en béton armé et pré-contraint. PhD thesis, ECP, 2002.
[494] G. Rateau. Méthode Arlequin pour les problèmes mécaniques multi-éhelles - applications à des problèmes
de jonction et de fissuration de structures élancées. PhD thesis, 2003.
[495] M. Risbet. Influence de l’état métallurgique et d’un gradient de contraintes sur le critère d’endurance
(critère de Dang Van) d’un superalliage à base nickel. PhD thesis, 2002.
[496] L. Robert-Bérat. Influence de la Zircone sur le comportement en fluage des gaines de combustible en
Zircaloy 4. PhD thesis, ECP, 2001.
[497] N. Sadki. Faisabilité de modèles de terrain en offshore. PhD thesis, ECP, 2001.
[498] C. Sayad. Ecoulements dans les milieux poreux peu perméables saturés et non saturés. PhD thesis, 2003.
[499] S. Sekfali. Influence de la microstructure sur le comportement local dans les aciers 16MND5. PhD thesis,
ECP, 2004.
[500] K.C. Vossoughi. Etude numérique du comportement des ouvrages de soutènement à la rupture. PhD thesis,
ECP, 2001.
[501] M. Zarroug. Eléments mixtes de contact frottant en grandes transformations et applications. PhD thesis,
ECP, 2002.
A NNEXES
Formation Permanente
Sylviane B OURGEOIS (Correspondant de formation)
1
Bilan 2001-2004
Depuis 2003 les plans de formation ont été élaborés en s’appuyant sur le projet scientifique du laboratoire pour
prendre en compte les besoins et les évolutions du laboratoire tout en s’efforçant de répondre aux besoins exprimés
par les personnels. La priorité a été donné à la formation des agents nouvellement recrutés afin qu’ils puissent
s’adapter le plus rapidement aux besoins du laboratoire. Tous les personnels : ITA, enseignants chercheurs et doctorants ont accès aux propositions de formations via le courriel et récemment sur le nouveau site du laboratoire.
En plus des stages proposés par la délégation, les personnels ont la possibilité d’accéder à une base d’information
constituée par les réseaux des mécaniciens et électroniciens, l’Institut du Développement et des Ressources en
Informatique Scientifique (IDRIS) basé à Orsay et le CNRSFormation. L’Ecole Centrale offre aux personnels non
enseignants des formations sur site portant sur la bureautique, la technologie de l’information et de la communication, la formation générale, la linguistique et des formations hygiène et sécurité.
Les personnels ITARF peuvent s’inscrire aux stages « Les universités d’automne » organisés par la formation
continue des personnels techniques des établissements d’enseignements L’école doctorale incite les doctorants à
participer à des stages (valorisation du parcours professionnel.)
Une première analyse des formations sur les quatre dernières années présentée sur la figure 32.1 met en
évidence une augmentation des stages individuels, des formations type tutorat et des participations aux écoles
thématiques. Cette période correspond à une mobilité importante des personnels, due aux mutations, à la réussite
aux concours et à la réorganisation du laboratoire en centres de ressources. Elle correspond aussi à la mise en place
du plan de formation de l’unité.
2
Détail des formations suivies par domaine d’activité
La figure 32.2 représente la répartition par domaine d’activité du nombre total de personnes formées pour la
période 2001 2004
2.1
Gestion et bureautique
Dans le domaine de la bureautique on note une participation annuelle stable de 4 à 5 personnes aux formations
Word, Excel et PowerPoint. Les départs de l’administrateur Xlab et de la secrétaire du directeur du laboratoire
ont provoqué une réorganisation du service. L’adjoint administratif (ECP) qui assure la fonction d’administrateur
XLab participe tous les ans à la journée Xlab.
F IG . 32.1 – Bilan des formations suivies
F IG . 32.2 – Nombre de personne formées par domaine sur la période 2001-2004
– Formations individuelles suivies
2004 EXCEL niveau 1
WORD
POWER POINT
2003 EXCEL niveau 1
WORD
POWER POINT
2002 Nomenclature des marchés publics
Xlab
EXCEL niveau 1et niveau 2
2001 WORD
2.2
[ECP]
[ECP]
[CNRS]
[ECP]
[ECP]
[ECP]
[CNRS]
[CNRS]
[ECP]
[ECP]
1 agt, 1 tech ECP
1 tech ECP
1 AI ECP
2 agt ECP
3 agt ECP
1 agt, 2adjt ECP
1 adjt et 2 agt admin ECP
1 Adjoint et 2 agents administratifs ECP
3 agts, 1 AI ECP
1 agt ECP
Actions scientifiques techniques : Essais mécaniques et instrumentation
La généralisation de la numérisation des données dans l’environnement Labview sur les machines d’essais,
la maı̂trise des techniques de soudage et l’apprentissage de la DAO pour les personnes chargée de la fabrication
étaient des objectifs à atteindre.
2004 Techniques De Soudage TIG »
[entreprise Castolin]
1 technicien ECP
2001 Instrumentation sous Labview
[université d’automne] 1 assistant-ingénieur ECP
– Formation tutorale
En 2004 un assistant ingénieur a formé 2 personnes au logiciel DAO ( Solidege) à raison d’une demi journée
par semaine pendant deux mois.
2.3
Actions scientifiques techniques : Microscopie
A son arrivée en 2002 l’ingénieur d’étude (CNRS) responsable du microscope électronique à transmission
(MET) a suivi deux formations proposées par CNRSFormation. La maı̂trise des logiciels d’acquisition, de traitement et d’analyse des images numériques était un objectif prioritaire.
2004 Photoshop
[CNRS]
1 tech (ECP)
2003 Photoshop
[CNRS]
1 IE (CNRS)
2002 MET « Aspects fondamentaux et interprétation»
[CNRS]
1 IE (CNRS)
MET « Appl. à la caractérisation des matériaux »
[CNRS]
1 IE (CNRS) et 1 doctorant
2001 Photoshop
[CNRS]
1 AI (ECP)
Analyse d’image
[univ. d’automne MEN] 1 AI (ECP)
Chaque année un enseignant et une technicienne ont participé aux journées Microscopie organisées par le Groupement national microscopie électronique balayage et microanalyse.
2.4
Informatique
En 2004 la priorité était de compléter la formation initiale du nouvel Ingénieur de recherche ECP rattaché au
pole de modélisation.
2004 Langage C
[IDRIS] IR ECP
Fortran F90/95 [IDRIS] IR ECP
A son retour de formation FORTRAN, l’ingénieur de recherche (ECP) a organisé pour six personnes, un Atelier
présentant les nouveautés de Fortran 90/95 par rapport à Fortran 77.
Communication
Un des objectif de la ressource communication et informatique était de réaliser le site du laboratoire.
2004 ILLUSTRATOR initiation [CNRS] adjt ECP
Concepteur de page WEB [CNRS] adjt et tech ECP
2003 Concepteur de page WEB [CNRS] IE (CNRS)
En 2003 l’assistante de direction IE (CNRS) a formé six personnes au logiciel de base de données (FileMaker
Pro) pendant deux demi journées.
– Formation collective financée par le plan de formation 2003.
Le choix du Système de Publication pour l’Internet a requis la mise en place d’une formation collective SPIP sur
site pour six personnes. La somme de mille euros attribuée par le PFU 2003 a financé l’intervenant.
2.5
Hygiène Sécurité
Tous les nouveaux arrivants exposés à des risques ont suivi le stage «sensibilisation aux risques professionnels». Dans le cadre de l’école doctorale un stage de sensibilisation aux risques et de manipulation des extincteurs
est proposé à tous les nouveaux doctorants.
2004 Secourisme remise niveau
[ECP]
1 agt ECP
Sensibilisation Risques professionnels
[CNRS]
2 AI
2003 Journée radio protection
[CNRS de Gif] 1 IE CNRS
Secourisme
[ECP]
1 agt ECP
Secourisme remise niveau
[ECP]
1agt ECP
Port de lourdes charges
[ECP]
1 agt ECP
Sensibilisation Risques professionnels
[CNRS]
1 agt ECP, 1 IE CNRS
2.6
Culture générale et langue
2004 anglais [ECP] 2 agt, ECP
2003 anglais [ECP] 2 agt, 2 adjt, 1 techt ECP et 1 contractuel
En 2003 un agent contractuel a suivi un stage d’expression écrite et de remise à niveau en mathématiques, à raison
d’une demi journée par semaine pendant 6 mois.
2.7
Nouveaux arrivants
Tous les nouveaux entrants ont suivi une journée formation d’accompagnement à la prise de fonctions.
2.8
Ecoles thématiques
La participation aux écoles thématiques n’est recensée que depuis 2003.
2.9
Formation Individuelle (P.I.F)
Aucune demande n’a été formulée pendant les quatre années.
3
Moyens financiers
Dans le cadre du PFU le crédit de 1000 euros alloué en 2003 a permis de mettre en place une formation
collective (SPIP) pour six personnes. Le stage Castolin 2004 a été financé pour moitié par l’Ecole Centrale et par
le budget de la ressource hygiène et formation du laboratoire. Les crédits du PFU 2004 d’un montant de 1500 euros
financent la formation d’un doctorant au code de calcul ABAQUS et de deux chercheurs CNRS (CR et I.E ) aux
risques des nanomatériaux.
4
Conclusion
Les personnels sont demandeurs de formation et jugent globalement utiles celles auxquelles ils ont participé.
Quatre vingt pour cent des personnes qui avait exprimé un v ?u de formation l’ont finalisé. Il est à noter que les ITA
recherchent des formations plus techniques pour acquérir de nouvelles compétences et envisager une évolution de
carrière. L’augmentation des stages tutorats indique une volonté de transmission des connaissances et des savoirs
faire complémentaire au transfert de savoir faire individuel déjà existant. (Ingénieur et assistant ingénieur vers
technicien, agent et adjoint). Les moyens financiers plus importants ont permis à dix personnes de suivre une
formation.
5
Analyse des besoins 2005
Le plan annuel 2005 répondra aux besoins du laboratoire. Il favorisera le développement de compétence et le
transfert des savoirs faire nécessaire à la carrière des agents. La formation des nouveaux arrivants et des jeunes
chercheurs sera une priorité de l’unité. Pour recenser les besoins 2005, une enquête a été menée auprès de tous les
personnels ITA, les chercheurs et doctorants. En parallèle les responsables des opérations de recherche (OR) et des
centres de ressources ont été interrogés afin d’établir une priorité des besoins de compétence à développer pour les
quatre années à venir.
5.1
Détail des formations demandées par domaine d’activité
Gestion
Dans le domaine de la bureautique cinq formations sont souhaitées
– Formations individuelles
EXCEL niveau 2
1 agent administartif
POWERPOINT
1 adjoint
ACCESS
1 assistant ingénieur
LateX et Création formulaire sur Internet ingénieur étude (CNRS)
Informatique modélisation
Le responsable de la ressource mentionne les besoins de formation de ingénieur de recherche EN pour tout ce
qui relève du parallélisme du supercalculateur parallèle de type cluster, en particulier dans les domaines suivants.
architecture Open MP, bibliothèques parallèles. Pour la partie programmation une formation de base solide en
C++ est à prévoir. Les formations qui relèvent du parallélisme pourraient être suivies à l’IDRIS Ces formations
gratuites pour la plupart seront aussi proposées aux doctorants Le nouvel outil (CORELMANU) logiciel permettant
de réaliser des mesures de déformation par corrélation d’image exige une bonne connaissance de MATLAB.
MATLAB-initiation
2 assistant ingénieurs
ABAQUS - Application langage Python 2 doctorants
Sécurité informatique (SIARS)
1 ingénieur système
– Stages collectifs
FEMLAB initiation pour un groupe de 6 chercheurs, doctorants et ITA (à financer)
Essais mecaniques instrumentation
La maı̂trise de Labview est un objectif à poursuivre conjointement à des formations complémentaires en techniques instrumentales (vide, spectroscopie) et soudage L’arrivée du nouveau technicien recruté par le CNRS dans
la BAP C impliquera des formations complémentaires qui dépendront de sa formation initiale.
LABVIEW 7 avancé
3
Technique du vide (SFV)
1 technicien
Techniques de spectroscopie
1 assistant ingénieur
Techniques de soudage (l’arc et au chalumeau)
1 agent
– Stage tutorat L’assistant ingénieur responsable du Bureau d’étude et de l’usinage poursuivra la formation
tutorat DAO SOLIDEGDE. Le technicien et l’agent du pole fabrication suivront cette formation à raison
d’une demi journée par semaine.
Microscopie
Les techniques d’imagerie - acquisition, traitement d’images, gestion de l’information dans des bases de
données occupent une place de plus en plus importante dans le laboratoire. Deux agents redemandent une formation PHOTOSHOP
Communication, valorisation de la recherche
Pour les années à venir, le laboratoire souhaite renforcer ses moyens vidéo et développer des compétences sur
les logiciels associés. Des demandes de formation aux logiciels de montage vidéo en temps réel.
FLASH (Macromédia) 1 technicien et 1 adjoint
ADOBE PREMIERE
1 technicien et 1 adjoint
AFTER EFFECT
1 technicien et 1 adjoint
– Formation collective par un intervenant extérieur
Un stage rédaction d’articles scientifique en anglais méthodologie et stratégie pour un groupe de 6 chercheurs
et doctorants est demandé. (à financer)
La formation de sensibilisation aux risques professionnels sera proposée à chaque nouvel arrivant. En fonction
des risques pointés sur la fiche poste type des formations complémentaires seront proposées.
– Formations collectives Dans le cadre de l’interdisciplinarité biomécanique une formation aux risques biologique destinée au doctorants et chercheurs sera affichée. (à financer) Une demi-journée portant sur la
responsabilité civile et pénale dans le travail est à programmer pour 2005.
Formation Individuelle (P.I.F)
Dans le cadre d’un plan individuel de formation un ingénieur étude CNRS s’est inscrit au CNAM au stage
«Communication écrite dans la vie professionnelle ».
Ecoles Thématiques
L’inscription de quatre personnes à une école thématique est à ce jour recensée.
5.2
Récapitulatif des demandes de budget
Pour 2005 il a été recensé 41 demandes de formations individuelles Le budget provisionnel est indiqué en
fonction du nombre de jours de formations :
– 4 jours pour la formation de deux doctorants à ABAQUS 4 journées pour les intervenants extérieurs de trois
stages collectifs
– 4 jours pour le stage de Soudage
La priorité est donnée aux deux demandes de stage ABAQUS et aux Formations collectives déjà formulée en
2004.
Sylviane B OURGEOIS (ACMO)
1
Fonctionnement de la structure
Deux ACMO ont pour mission de veiller à la sécurité et aux respects des consignes. Ce travail se fait en
collaboration avec les agents de la ressource. L’objectif est de sensibiliser toutes les personnels ITA, doctorants,
stagiaires et chercheurs aux risques, de les responsabiliser afin qu’ils deviennent acteur de leur propre sécurité. Les
problèmes de sécurités sont signalés au directeur du laboratoire lors des réunions mensuelles des responsables des
centres de ressources et au conseil du laboratoire. Il n’existe pas de comité hygiène et sécurité à l’Ecole Centrale
et l’ingénieur de sécurité rencontre trimestriellement les correspondants de sécurité.
2
Identification et analyse des risques
En mai 2004 l’évaluation des risques professionnels a conduit à l’élaboration de fiche de synthèse correspondant à sept postes de travail type. La méthodologie employée a été d’inventorier les risques dans chaque pièce du
laboratoire. Les postes travail identifiés et leurs risques spécifiques associés sont présentés sur la figure 33.1.
F IG . 33.1 –
2.1
Problèmes particuliers
Les locaux inadaptés en travée 7 Dans ce secteur les flexibles sous haute pression reliant les machines d’essais aux groupes hydrauliques ont été temporairement fixés au sol. Le port de protection auditive est fortement
recommandé aux postes de travail pour lesquels la proximité des groupes engendre un niveau sonore supérieur à
85 dB. Un autre point à souligner l’opérateur est souvent en situation de travailleur isolé. Un second téléphone a
été installé à proximité des machines. L’aménagement de ces locaux est demandé depuis de nombreuses années.
Etude nanomatériaux Les risques liés à l’élaboration et la manipulation des nanotubes de carbone sont toujours
existants. Les salles de préparation situées au second étage ne sont pas équipées de hotte et sont éloignées de la
salle d’élaboration située au rez-de-chaussée. Dans cette salle l’utilisation d’une bouteille d’hydrogène à proximité
de four s’ajoute au risque du manipulateur en situation de travail isolé. Le recrutement de stagiaire et de professeur
étranger ne maı̂trisant pas la langue française ne facilitent pas la communication. Une signalétique en anglais et
l’installation d’une armoire équipée d’un détecteur de fuite H2 amélioreront la situation existante. Le responsable
de cette opération de recherche et le nouvel ingénieur de valorisation suivront une journée « maı̂trise des risques
nanomatériaux »
Etudes biomécaniques Lors du démarrage d’une étude transversale portant sur la biomécanique, l’assistance de
Mme Wybier, Inspecteur régional d’hygiène et de sécurité a été demandée. Les manipulations d’os bovin congelé
plusieurs fois ne nécessitent pas de poste de travail spécifique mais pour éviter une éventuelle contamination
bactérienne des produits adaptés ont été mis en place sur les paillasses.
3
Dispositions mises en œuvre
Le règlement intérieur du laboratoire élaboré en 2002 mentionne les conditions d’accès aux locaux, les plages
horaires et définit les conditions de travailleur isolé. Une évaluation des risques et l’élaboration de fiches « postes
de travail type » est en cours d’évaluation.
Formation nouveaux arrivants Tous les nouveaux arrivants sont présentés à l’ACMO responsable de la ressource qui leur indique les risques liés à leur fonction et les informe des ressources documentaires. Les arrivants
ITA participent à deux journées de stage « sensibilisation aux risques professionnels. » Les doctorants en première
année de thèse participent à une demi journée organisée par l’ingénieur de sécurité de l’Ecole Centrale
Formations spécifiques En fonction des risques pointés sur la fiche poste type, des formations complémentaires
sont proposées par exemple port de lourde charge, risque biologique, risque chimique. Une formation collective
d’une demi-journée destinée aux chercheurs et doctorants portant sur la responsabilité civile et pénale dans le
travail est prévue en 2005 Le Cahier d’hygiène et sécurité pour noter les dysfonctionnements, les observations est
mis à la disposition de tous les personnels. Depuis 2002 les incidents et accidents de services sont saisis dans la
base de donnée AIE. Base d’Information Une base d’information est mise à la disposition de tous les personnels,
elle comprend des fiches INRS, la revue Prévention Infos, les pictogrammes, le livret du Nouvel Entrant et d’autres
références Web.
Le local de stockage des produits chimiques d’accès limité est géré par un des agents. En 2004 l’Ecole Centrale
a mis en place le tri sélectif des déchets.
Le contrôle périodique des appareils tels que les hottes, les générateurs de rayons X, les appareils sous pression,
est fait par les services hygiène sécurité de l’Ecole Centrale
Gestion des moyens de protection Les équipements de protections individuelles adaptées aux risques sont
placés à proximité des postes de travail et sont mis à disposition des tous les personnels et élèves. Des vêtements de
protections et des chaussures de sécurité sont remis aux personnes exposées Le budget important accordé à la ressource a permis l’achat d’un réfrigérateur à cuve sécurisée pour la salle de préparation du Microscope Electronique
à Transmission. Il est prévu d’équiper aussi la salle de préparation métallographie.
4
Bilan des Accidents et Incidents
Le nombre d’accidents par année est faible. En 2001 Deux accidents dus l’un à la manutention et l’autre à un
contact chaud.
En 2002 Un accident provoqué par un heurt à l’œil.
En 2003 Un accidents du à un port de charges a provoqué un arrêt de travail de cinq jours.
En 2004 Aucun d’accident.
5
Conclusion
Les personnels consultent volontiers les ACMO avant la mise en place de nouvelles expérimentations et les informent des incidents. Au laboratoire la sécurité est vécue positivement. La diversité des taches accomplies dans un
laboratoire ne simplifie pas la définition de poste type dans le document d’évaluation des risques. Néanmoins cette
opération a permis de consolider les moyens de préventions initialement mis en œuvre, d’améliorer la signalétique,
de sensibiliser les doctorants et de mettre à la disposition de tous les personnels des équipements de protections
individualisées. Les moyens financiers attribués en 2004 ont permis de mener à bien des projets d’équipements
formulés depuis plusieurs années.

Operation de recherches endommagement et

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