Thèse des Formes de Grains Exotiques aux Structures Méta-Granulaires Intelligentes Étude Numérique de la Cohésion Géométrique dans les Assemblages de Grains en Forme d'Étoile en 3D H/F - 34

Établissement : Université de Montpellier
École doctorale : I2S - Information, Structures, Systèmes
Laboratoire de recherche : LMGC - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil
Direction de la thèse : Emilien AZEMA ORCID 0000000188313842
Début de la thèse : 2026-09-01
Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59

Les matériaux granulaires classiques, tels que les sols ou le béton, tirent leur cohésion des forces adhésives qui lient les grains entre eux, transformant le réseau de contacts en un système de contraintes de traction et de compression. Bien qu'efficace, ce mécanisme repose sur une adhérence irréversible et consommatrice d'énergie. Un nouveau paradigme fascinant a récemment vu le jour : la cohésion géométrique, c'est-à-dire l'émergence spontanée d'une cohésion macroscopique dans des assemblages de grains non convexes - enchevêtrés et imbriqués - sans aucune interaction adhésive. Ces matériaux métagranulaires peuvent former des structures autoportantes et résistantes qui présentent une résistance à la traction, une compliance et une stabilité induite par leur forme. Le projet ANR Exo2GeCo vise à explorer les origines de la cohésion géométrique et à identifier les conditions géométriques et mécaniques fondamentales qui la font naître. Pour y parvenir, le projet combine des simulations numériques et des investigations expérimentales afin d'établir un cadre unifié reliant la géométrie à l'échelle des grains, les réseaux de forces et la résistance macroscopique.

The first PhD, hosted at LMGC (Laboratoire de Mécanique et Génie Civil - Université de Montpellier), will focus on the numerical modeling of dense assemblies made of rigid, star-shaped meta-grains using the Discrete Element Method (DEM). The candidate will work with 3D periodic simulations to investigate how shape parameters-such as the number, length, and orientation of arms-influence the emergence of macroscopic cohesion under quasistatic shear. After an initial phase dedicated to bibliographic review and training on DEM simulation tools, the doctoral candidate will design and shear various assemblies of non-convex grains. Using existing numerical frameworks developed at LMGC, the candidate will extend post-processing routines to compute mechanical observables such as stress, strain, and contact network properties. The main objective of this first part of the PhD is to measure the effective cohesion (c) and friction angle () derived from Mohr-Coulomb envelopes, and to analyze their dependence on particle geometry, contact friction, and system size. This study will produce a database of 3D metagrain shapes and configurations that induce measurable geometric cohesion. In addition, the PhD candidate will conduct a complementary experimental validation on a selected subset of metagrains (identified through DEM). These simple proof-of-concept experiments-performed in collaboration with PhD2-will serve to test the robustness of the numerical predictions regarding the onset of geometric cohesion. This cross-disciplinary approach will provide the candidate with a broader understanding of both modeling and experimental methodologies within granular physics.