Soutenance de thèse de Valentin PAUME

Les milieux granulaires sont omniprésents dans notre société. Que ce soit dans la nature (éboulis rocheux, dunes de sable, riz...) ou dans l'industrie (activité minière, génie civil, agroalimentaire...) nous y sommes quotidiennement confrontés. Cependant notre compréhension du comportement de ces matériaux n'est pas à la hauteur de notre familiarité avec eux, et la question de la manière dont s'écoule %l'écoulement d' un milieu granulaire reste un sujet de recherche prépondérant. Les avancées récentes dans ce domaine ont permis une caractérisation de la rhéologie frictionnelle de tels milieux, en particulier par une description %des écoulements granulaires associée à un milieu continu. Des études ont illustré la pertinence de ces lois dans des cas d'écoulements typiques, tel la vidange d'un silo ou un écoulement sur plan incliné. L'étude des forces s'exerçant sur un objet en mouvement dans un milieu granulaire s'inscrit dans cette lignée, et apporte de nombreuses applications industrielles comme outil de dimensionnement et d'optimisation. Cette thèse textit{CIFRE} est le fruit d'une collaboration avec textit{Safe Metal}, qui est une entreprise internationale de fonderie d'acier produisant des pièces pour les marchés de travaux publics et mining, de transport ferroviaire ou encore d'engins agricoles. Une volonté de textit{Safe Metal} est d'accompagner ses clients dans une démarche de co-conception des produits grâce à leur service Recherche et Développement%R$&$D , notamment sur les outils de pénétration pour godets d’excavatrices et de chargeuses. Car en réalité le choix du modèle de dent, la taille et leur nombre sur un godet est très souvent guidé de manière empirique par l’expérience du conducteur de la machine. Le but de cette thèse est d'amener une plus grande compréhension physique des mécanismes mis à l'oeuvre lors du processus de remplissage du godet pour permettre une optimisation du design des dents et godets. À cette fin, nous nous proposons d’étudier la pénétration d’objets dans un milieu granulaire par une approche expérimentale modèle à l'échelle du laboratoire. Avant de nous lancer dans l'étude des formes fignolées des dents de godets, nous étudierons les efforts de pénétration d'objets de formes basiques en configuration simple. Nous commencerons dans un premier temps par étudier la pénétration d'intrus à fonds plats en configuration verticale. Nous verrons que la force suit une loi d'Archimède modifiée mais que des effets de taille finie apparaissent lorsque les grains sont gros. %ne permet pas de définir le comportement du milieu granulaire simplement par une description continue. Ensuite, nous mettrons en évidence l'influence de l'angle de pénétration de l'intrus ainsi que l'effet de l'inclinaison de la surface libre sur la force. De plus, nous nous intéresserons aux effets de forme de l'intrus notamment en présence d'embouts en pointe conique. %, et discuterons de l'influence de son angle de zénith selon la présence d'effets de taille finies. Nous analyserons finalement l'interaction entre plusieurs objets pénétrant côte à côte, avec notamment des formes se rapprochant du design actuel des lames de godets.

Granular medias are ubiquitous in our society. As much in the nature (rocky scree, sand dunes, rice…) or in the industry (mining activity, civil engineering, food-processing…) we are daily facing them. However, our understanding of this material behaviour is not up to our familiarity with them, and many questions are still open concerning the flow of granular medias. Recent progress in this domain allowed a frictional rheology characterization of such materials, particularly through a continuum-associated description. Studies illustrated the relevance of these laws in many classic flow configurations, such as silo discharge or inclined-plate flow. The question of the forces applied on a moving object into a granular media is the continuity of these studies and brings a lot of new industrial applications as a designing and optimizing tool. This CIFRE PhD is born from a collaboration with Safe Metal, which is a global steel foundry company producing parts for public work activity, rail transport or even agricultural machines. One of the wills of Safe Metal is to accompany its clients with a co-conception procedure of their products thanks to a strong Research and Development department, especially for ground engaging tools such as excavator’s bucket tips. In reality, the choice of the size, model and number of tips on a bucket is made empirically by the experience of the driver of the machine. The goal of this PhD is to bring a much larger understanding of the physics during the filling of the bucket in order to optimize the design of the tips and the whole bucket. To this end, we study the penetration of objects into a granular media thanks to a model experimental approach at the scale of the laboratory. Before we get into the complex shapes of real bucket tips, we will start by studying the penetration force of flat-bottomed intruder in vertical configuration. We will see that the force follows a modified Archimede’s law, but that of finite-size effects appears when the intruder size becomes close to the grains size. Then, we will put some lights on the impact of the penetration angle as well as the angle of the pile on the force. Moreover, we will also study the influence of the shape of the intruder by adding a conical tip in front of our cylinders. We will finally discuss about the interactions between several objects penetrating side by side, with design beginning to get closer to the actual design of excavator’s buckets.