Le concept de « structure harmonique», SH, est une démarche mise en place pour répondre à la quête incessante pour obtenir une synergie entre la résistance et la ductilité dans les matériaux métalliques. Comprendre les relations entre la microstructure et les propriétés macroscopiques et les mécanismes de déformation sous-jacents est d'une importance cruciale pour optimiser la conception de la microstructure et la prévision quantitative des propriétés mécaniques. Bien que des efforts expérimentaux importants aient été faits, il s'avère que ces réalisations sont encore insuffisantes pour les besoins d'ingénierie pratique. Des observations expérimentales ont montré que différents matériaux structurés harmoniques présentent généralement des microstructures complexes différentes et en conséquence un comportement mécanique différent, induisant ainsi des mécanismes de déformation distinctifs. L'objectif de la présente thèse est de développer un modèle numérique multi-échelle en trois dimensions pour étudier le comportement mécanique dépendant de la microstructure de différents matériaux HS. Une méthode explicite auto-cohérente appelée ‘β-rule’ est introduite dans le modèle afin que le maillage direct d'un grand nombre de grains pour les matériaux structurés harmoniques soit évité et que la tâche de calcul gigantesque soit considérablement réduite. Un modèle 3D de plasticité cristalline pour les colonies lamellaires α+β est adopté à la place de la théorie générale de la plasticité cristalline car cette dernière nécessite de construire explicitement le maillage des détails fins des lattes alternées de la phase α et de la phase β. En outre, des simulations de modélisation haute fidélité sont effectuées pour fournir un aperçu des relations microstructure-propriété du Ti-6Al-4V avec une microstructure homogène conventionnelle ainsi que l'influence de l'effet de renforcement des interfaces de phase α/β. Le modèle développé est capable de prendre en compte l'influence des caractéristiques détaillées de la microstructure et des facteurs cristallographiques tels que l'anisotropie des forces de glissement, les distributions de phases, les textures 3D réalistes, la contrainte de cisaillement résolue critique dépendante de l'échelle de longueur en tenant compte de l'effet de renforcement des limites des grains et de l'obstacle pour faire glisser la transmission des interfaces de phase α/β ainsi qu'une large gamme d'orientations de grains aléatoires. Le modèle développé est ensuite implémenté dans un code FE Cast3M pour reproduire numériquement des tests expérimentaux en cisaillement simple 4 monotone ou cyclique des matériaux HS. Les résultats obtenus dans les simulations sont en bon accord avec les données expérimentales.