Cellular mechanical metamaterials (CMMs) are a special class of materials that consist of microstructural architectures of macroscopic hierarchical frameworks that can have extraordinary properties. These properties largely depend on the topology and arrangement of the unit cells constituting the microstructure. The material hierarchy facilitates the synthesis and design of CMMs on the micro-scale to achieve enhanced properties (i.e., improved strength, toughness, low density) on the component (macro)-scale. However, designing on-demand cellular metamaterials usually requires solving a challenging inverse problem to explore the complex structure-property relations. The first part of this study (Ch. 3) proposes an experience-free and systematic design methodology for microstructures of CMMs using an advanced stochastic searching algorithm called micro-genetic algorithm (μGA). Locally, this algorithm minimizes the computational expense of the genetic algorithm (GA) with a small population size and a conditionally reduced parameter space. Globally, the algorithm employs a new search strategy to avoid local convergence induced by the small population size and the complexity of the parameter space. What's more, inspired by natural evolution in the GA, this study applies the inverse design method with the standard GA (sGA) as a sampling algorithm for intuitively mapping material-property spaces of CMMs, which requires the selection of objective properties and stochastic search of property points within the property space. The mapping methodology utilizing the sGA is proposed in the second part of the study (Ch. 4). This methodology involves a robust strategy that is shown to identify more comprehensive property spaces than traditional mapping approaches. The resulting property space allows designers to acknowledge the limitations of material performance, and select an appropriate class of CMMs based on the difficulty of the realization and fabrication of their microstructures. During the fabrication process, manufacturing defects cause uncertainty in the microstructures, and thus the structural properties. The third part of the study (Ch. 5) investigates the effects of the uncertainty stemming from manufacturing defects on the material property space. To accelerate the uncertainty quantification (UQ) via the Monte Carlo method, this study utilizes a machine learning technique to bypass the expensive simulations to compute properties. In addition to reducing the computational expense of the simulations, the deep learning method has been proven to be practical to accomplish non-intuitive design tasks. Due to the numerous combinations of properties and complex underlying geometries of metamaterials, it is numerically intractable to obtain optimal material designs that satisfy multiple user-defined performance criteria at the same time. Nevertheless, a deep learning method called conditional generative adversarial networks (CGANs) is capable of solving this many-to-many inverse problem. The fourth part of the study (Ch. 6) proposes a new inverse design framework using CGANs to overcome this challenge. Given combinations of target properties, the framework can generate a group of geometric patterns providing these target properties. Therefore, the proposed strategy provides alternative solutions to satisfy on-demand requirements while increasing the freedom in the fabrication process. Besides, with the advances in additive manufacturing (AM), the design space of an engineering material can be further enlarged by multi-scale topology optimization. As the interplay between microstructure and macrostructure drives the overall mechanical performance of engineering materials, it is necessary to develop a multi-scale design framework to optimize structural features in these two scales simultaneously. The final part of the study (Ch. 7) presents a concurrent multi-scale topology optimization method of CMMs. Structures in micro and macro scales are optimized concurrently by utilizing sequential quadratic programming (SQP) with the Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) method and a numerical homogenization approach. / Doctor of Philosophy / Cellular materials widely exist in natural biological systems such as honeycombs, bones, and wood. Recent advances in additive manufacturing have enabled us to fabricate these materials with high precision. Inspired by architectures in nature, cellular mechanical metamaterials (CMMs) have been introduced recently as a new class of architected systems. The materials are formed by hierarchical microstructural topologies, which have a decisive influence on the structural performance at the macro-scale. Therefore, the design of these materials primarily focuses on the geometric arrangement of their microstructures rather than the chemical composition of their base material. Tailoring the microstructures of these materials can lead to several outstanding features, such as high stiffness and strength, low density, and high energy absorption. However, it is challenging to design microstructures that satisfy user-defined requirements for properties and material costs. This is mainly due to the trade-off between the accuracy and computing times of the optimization process. In the first part of this study (Ch. 3), a design framework is proposed to overcome this issue. The framework employs a global search algorithm called the genetic algorithm (GA). With a newly designed search algorithm, the framework reduces errors between target and optimized material properties while improving computational efficiency. Inspired by the algorithm behind the GA, the second part of the study (Ch. 4) employs a similar algorithm to identify a material property chart demonstrating all possible combinations of mechanical properties of CMMs. Each axis of the material property chart corresponds to a selected mechanical property, such as Young's modulus or Poisson's ratio, along different directions. The boundary of the property space helps designers understand material performance limitations and make informed decisions in engineering practices. In the fabrication process, unexpected material properties might be achieved due to defects and tolerances in additive manufacturing (AM), such as uneven surfaces, shrinkage of pores, etc. The third part of the study (Ch. 5) investigates the uncertainty propagation on mechanical properties as a result of these manufacturing defects. To investigate the uncertainty propagation problem efficiently, the study uses a deep learning method to predict the variations (stochasticity) of properties. Consequently, the material property space boundary also varies with the uncertainty of properties. In addition to their computational efficiency, deep learning methods are beneficial for solving many-to-many inverse design problems. Traditionally, the global and local search/optimization methods retrieve alternative optimal solutions in their Pareto front set, where each solution is considered to be equally good. A deep learning method called conditional generative adversarial networks (CGANs) can bypass the property calculation to accelerate the simulation process while obtaining a group of candidates with on-demand properties. The fourth part of the study (Ch. 6) employs CGANs to build a new inverse design framework to increase flexibility in the fabrication process by generating alternative solutions for the microstructures of CMMs. Besides, as fabrication technologies have advanced, designing engineering systems has become increasingly complex. Material design is now not only focused on meeting micro-scale requirements but also addressing needs at multiple scales. The interaction between the microstructure (small-scale) and macrostructure (large-scale) significantly influences the overall performance of engineering systems. To optimize structures effectively, there is a need for a design framework that considers these two scales simultaneously. Thus, the final part of the study (Ch. 7) introduces a method called concurrent multi-scale topology optimization. To obtain the extreme performance of a multi-scale structure, this approach optimizes its structure at both micro- and macro-scales concurrently, using gradient-based optimization algorithms with density-based property determination methods in the two scales.

The work of this master thesis is based on analyses of monthly precipitation data from 70 stations of the SMHI (Swedish Meteorological and Hydrological Institute) in Sweden, in the period 1860-2014, using the information for the year of introduction of the wind shield at each station. The primary goal is the calculation of correction factors which will be applied on the precipitation data in the period of measurements before the introduction of the wind shield. This correction will counterbalance the underestimation of the collected precipitation by the unshielded precipitation gauges due to the effect of the wind. The wind induced error, related to aerodynamical effects, increases with increasing wind speed. The stronger the wind, the more capable it is of deflecting the precipitation water droplets or snowflakes, falling towards the gauge orifice, away from it. In spite of the important efficiency of the wind shield which acts to diminish the wind error, the long-term effect of changing the measuring instrumentation at some time in the observations history is the production of inhomogeneous data in the measurements records. Inhomogeneous precipitation data are sources of errors in climatology and hydrology and result in misleading conclusions regarding the climate change and climate variations, hence they should be identified and corrected through a homogenization method. The analysis includes the comparison of the precipitation data of each station during two periods, one before and one after the introduction of the wind shield. This comparison leads to the calculation of ratios representing the increase in the catch between the two periods due to the introduction of the wind shield. Temperature data are also processed in order to estimate the type of precipitation (snow/rain) in each case. The monthly corrections ranged between 5 %, for rain, and 27 % for snow precipitation. The absolute value of the increase of the average annual precipitation due the implementation of the correction was 50 mm. The comparison of the corrected against the uncorrected precipitation time series indicated a less pronounced increase (0.74 mm/y) of the precipitation during the last 150 years, after the application of the correction, compared to the increase indicated from the uncorrected data (1.19 mm/y). / Kontinuerliga samt felfria nederbördsmätningar är av stor betydelse för geovetenskaper som klimatologi och hydrologi därför att nederbördsdata är en av de primära meteorologiska parametrarna för forskning om klimatförändringen. Att säkerställa felfria (homogena) nederbörds tidsserier betyder i stort sett att säkerställa homogenitet genom att identifiera och korrigera inhomogena data. Icke homogena data uppkommer på grund av förändringar i mätmetoder och mätförhållanden under observationstiden, sedan 1860-talet tills idag alltså. Denna studies syfte är att beräkna en korrektion som ska användas för att korrigera nederbördsmätningar som utfördes sedan 1860 utan vinskydd. Vindskyddet eller vindskärmen, en speciell utrustning som användas på nederbördsinsamlare, infördes gradvis under perioden 1900-1960 vid de svenska nederbördstationerna. Vindskyddet introducerades med avsikt att minska vindens påverka vid nederbördsinsamling. Men trotts den positiva effekten som vindskyddet ledde till, genom den ökade nederbördsmängden som samlades in, skapade denna förändring av mätarutrustningen inhomogena data. Bearbetningen skedde för månadsnederbördsdata från 70 stationer från SMHIs meteorologiska nätverk genom att jämföra nederbördsobservationer som genomfördes under perioderna tio år före och tio år efter införandet av vindskydd. Dessutom användes temperaturdata från samma stationer för att uppskatta nederbördslag (snö/regn). Skälet till detta är att vinskyddseffekten är olika mellan snö och regn. Beräkningarna och bestämningen av nederbördslag ledde till en 5 % respektive 27 % nederbörds ökning för regn och snö för de mätningarna som utfördes utan vindskydd. I genomsnitt har de korrigerade värdena, under perioden som vinskyddet saknades, ökat med omkring 50 mm.

In a first part, we study numerical schemes using the finite-element method to discretize the Oldroyd-B system of equations, modelling a viscoelastic fluid under no flow boundary condition in a 2- or 3- dimensional bounded domain. The goal is to get schemes which are stable in the sense that they dissipate a free-energy, mimicking that way thermodynamical properties of dissipation similar to those actually identified for smooth solutions of the continuous model. This study adds to numerous previous ones about the instabilities observed in the numerical simulations of viscoelastic fluids (in particular those known as High Weissenberg Number Problems). To our knowledge, this is the first study that rigorously considers the numerical stability in the sense of an energy dissipation for Galerkin discretizations. In a second part, we adapt and use ideas of a numerical method initially developped in the works of Y. Maday, A.T. Patera et al., the reduced-basis method, in order to efficiently simulate some multiscale models. The principle is to numerically approximate each element of a parametrized family of complicate objects in a Hilbert space through the closest linear combination within the best linear subspace spanned by a few elementswell chosen inside the same parametrized family. We apply this principle to numerical problems linked : to the numerical homogenization of second-order elliptic equations, with two-scale oscillating diffusion coefficients, then ; to the propagation of uncertainty (computations of the mean and the variance) in an elliptic problem with stochastic coefficients (a bounded stochastic field in a boundary condition of third type), last ; to the Monte-Carlo computation of the expectations of numerous parametrized random variables, in particular functionals of parametrized Itô stochastic processes close to what is encountered in micro-macro models of polymeric fluids, with a control variate to reduce its variance. In each application, the goal of the reduced-basis approach is to speed up the computations without any loss of precision

Cette thèse comporte deux volets distincts. Le premier, qui fait l'objet du chapitre 2, porte sur les modèles mathématiques en calcul de structures électroniques, et consiste plus particulièrement en l'étude des modèles de type Kohn-Sham avec fonctionnelles d'échange-corrélation LDA et GGA. Nous prouvons, pour un système moléculaire neutre ou chargé positivement, que le modèle Kohn-Sham LDA étendu admet un minimiseur, et que le modèle Kohn-Sham GGA pour un système contenant deux électrons admet un minimiseur. Le second volet de la thèse traite de problématiques diverses en homogénéisation. Dans les chapitres 3 et 4, nous nous intéressons à un modèle de matériau aléatoire dans lequel un matériau périodique est perturbé de manière stochastique. Nous proposons plusieurs approches, certaines rigoureuses et d'autres heuristiques, pour calculer au second ordre en la perturbation le comportement homogénéisé de ce matériau de manière purement déterministe. Les tests numériques effectués montrent que ces approches sont plus efficaces que l'approche stochastique directe. Le chapitre 5 est consacré aux couches limites en homogénéisation périodique, et vise notamment, dans le cadre parabolique, à comprendre comment prendre en compte les conditions aux limites et initiale, et comment corriger en conséquence le développement à deux échelles sur lequel repose classiquement l'homogénéisation, pour obtenir des estimations d'erreur dans des espaces fonctionnels adéquats / This thesis is divided into two parts. The first part, that coincides with Chapter 2, deals with mathematical models in quantum chemistry, and specifically focuses on Kohn-Sham models with LDA and GGA exchange-correlation functionals. We prove, for a neutral or positively charged system, that the extended Kohn-Sham LDA model admits a minimizer, and that the Kohn-Sham GGA model for a two-electron system admits a minimizer. The second part is concerned with various issues in homogenization. In Chapters 3 and 4, we introduce and study a model in which the material of interest consists of a random perturbation of a periodic material. We propose different approaches, either rigorous or formal, to compute the homogenized behavior of this material up to the second order in the size of the perturbation, in an entirely deterministic way. Numerical experiments show the efficiency of these approaches as compared to the direct stochastic homogenization process. Chapter 5 is devoted to boundary layers in periodic homogenization, in particular in the parabolic setting. It aims at giving a better understanding of how to take into account boundary and initial conditions, and how to correct the two-scale expansion on which homogenization is classically grounded, to obtain fine error estimates

Motivé par l'étude de tissus biologiques, ce travail contribue aux développements d'outils numériques permettant de prédire la réponse mécanique de matériaux hétérogènes non linéaires dans lesquels les énergies d'interfaces deviennent prépondérantes. Ainsi, une méthode d'homogénéisation multi échelle combinée à une technique de réduction de modèle basée sur la décomposition orthogonale aux valeurs propres est proposée dans un cadre thermique et hyperélastique. Les énergies d'interfaces entre les différentes phases des composites sont décrites par un modèle d'interface cohérent et prises en compte numériquement par une approche liant la méthode des éléments finis étendus et la méthode level-set. Une étude de l'étalement d'une cellule vivante entre deux lamelles fixes est ensuite réalisée. Les deux modèles utilisés pour les simulations montrent que l'assemblage cortex d'actine-membrane plasmique ne joue qu'un rôle minime dans la réponse mécanique cellulaire / Motivated by the study of biological tissues, this work contributes to developing numerical tools to predict the mechanical response of nonlinear heterogeneous materials in which the energies of interfaces can no longer be ignored. First, a computational homogenization strategy combined with a model reduction technique based on the proper orthogonal decomposition is implemented in the cases of large elastic deformations and highly nonlinear conduction. The interfaces between the different phases of a composite are described by means of a coherent interface model and taken into account numerically by an extended finite element method in tandem with a level-set technique. Finally, experimental results of single cell spreading between two fixed parallel microplates are exploited through finite element modelling. Our two models show that the bilayer membrane and the actin cortex do not play a significant role in the cell mechanical response

Two different soils may be generated from open-pit mining: lumpy soils with a granular structure and clay mixtures, depending on the length of the conveyor belt and the strength of the original soils. Lumpy soils may be created for a high strength of the excavated soils. They are dumped as landfills without any compaction, which permits the water and air flows via the inter-lump voids. As a result, a new structure consisting of the lumps and reconstituted soil within the inter-lump voids can be created. However, if the original soil has a low strength or a long transportation takes place, the material may disintegrate into small lumps and thoroughly mix soils from different layers. Landfills consisting of clay mixtures arise in this way. The stability and deformation of landfills are crucial for design of occupied area and landfill slopes. For this reason, three different landfill materials will be investigated in this thesis: (1) the lumpy granular soil from fresh landfills, (2) the lumpy composite soil corresponding to old landfills and (3) clay mixtures. Firstly, an artificial lumpy soil was investigated. It is a transition form between the reconstituted and natural lumpy soils. Compression, permeability and strength of lumpy materials have been evaluated based on oedometer and triaxial tests. The shear strength of the normally consolidated lumpy specimens lies approximately on the Critical State Line of the reconstituted soil. The reconstituted soil, which exists in the inter-lump voids, plays a crucial role in the behaviour of artificial lumpy materials. Similarly to the artificial lumpy soil, inter-lump voids of the natural lumpy soil are mainly closed above a relatively small stress level, which is induced by the rearrangement of the lumps. However, its limit stress state is located above the Critical State Line of the reconstituted soil, which may be caused by the diagenetic soil structure in the natural lumps. The structure transition of the lumpy granular material can be divided into three possible stages related to the stress level. Firstly, the compressibility of a fresh lumpy is relativity high due to the closure of the inter-lump voids within a low stress range. In this stage, the hydraulic conductivity is mainly controlled by the inter-lump skeleton due to the existence of macro drainage paths, while the shear strength is controlled by the reconstituted soil around the lumps. Afterwards, its compressibility decreases with the consolidation stress and the soil behaves similarly to an overconsolidated soil. The clayfill appears to be uniform visually in this stage, but its structure is still highly heterogeneous and the hydraulic conductivity is higher than that of the reconstituted soil with the same overall specific volume. Finally, the loading reaches the preconsolidation stress of the lumps, and the whole soil volume becomes normally consolidated. Isotropically consolidated drained triaxial shear tests were performed on artificially prepared specimens with parallel and series structures. The laboratory tests show that the specimens with the series structure have the same failure mode as the constituent with the lower strength; the specimens with the parallel structure have a failure plane which crosses both constituents. As a result, the shear strength of the series specimens is only slightly higher than that of the constituent with the lower strength and the strength of the parallel specimens lies between those of the constituents. Afterwards, the behaviour of an artificial lumpy material with randomly distributed inclusions is investigated using the Finite Element Method. The computation results show that the stress ratio, defined as the ratio of the volume-average stress between the lumps and the reconstituted soil within the inter-lump voids, is significantly affected by both the volume fraction and the preconsolidation pressure of the lumps under an isotropic compression path, while the volume fraction of the lumps plays a minor role under a triaxial compression path. Based on the simulation results and analysis of the two basic configurations, a homogenization law was proposed utilizing the secant stiffnesses. The compression behavior of the lumpy composite soil was analyzed within the homogenization framework. Firstly, the volume of the composite soil was divided into four individual components. The inter-lump porosity was introduced to account for the evolution of the volume fractions of the constituents, and it was formulated as a function of the overall porosity and those of its constituents. A homogenization law was then proposed based on the analysis of the lumpy structure together with a numerical method, which gives a relationship for tangent stiffnesses of the lumpy soil and its constituents. Finally, a simple compression model was proposed for the composite lumpy material, which incorporates both the influence of the soil structure and the volume fraction change of the reconstituted soil. Furthermore, a general framework for the consolidation behaviour of the lumpy composite soil was proposed based on the double porosity concept and the homogenization theory. To describe the behaviour of lumps with low stress level, a new failure line was proposed with help of the equivalent Hvorslev pressure and critical state concept. The structure effect was incorporated into the nonlinear Hvorslev surface within sensitivity framework and the generalized Cam clay model proposed by McDowell and Hau (2003) was adopted on the wet side of the critical state. A secant stiffness, defined as the ratio between the deviatoric stress and deviatoric strain, was used in the homogenization law. Finally, a simple model for the natural lumpy soil was proposed within the homogenization framework. The physical properties, compression behaviour and remolded undrained shear strength of clay mixtures were investigated by reproducing the soils artificially in the lab. Afterwards, the models for the compression and undrained shear strength of clay mixtures were proposed. The model for the strength of the clay mixture originated from simplifying the structure of a clay mixture, in which the elements of the constituents are randomly distributed in a representative elementary volume. By defining a water content ratio (the ratio of water contents between the constituents), the undrained shear strength of each constituent was estimated separately and then combined together with corresponding volume fractions. A homogenization law was proposed afterwards based on the analysis of the randomly arranged structure. A simple compression model considering $N$ constituents was proposed within the homogenization framework, which was evaluated by a mixture with two constituents. / In einem Tagebau können die feinkörnigen Böden in unterschiedlichen Zustandsformen entstehen. Dies sind zum einen klumpige Böden mit einer granular ähnlichen Struktur (Pseudokornstruktur) und einer hohen Konsistenzzahl und zum anderen Mischungen aus mehreren Tonen oder Schluffen mit niedriger Konsistenzzahl. Der Zustand wird dabei massgebend von dem Transport (z.B. Länge des Förderbandes) und dem Ausgangszustand (z.B. der Anfangsscherfestigkeit) beeinflusst. Klumpige Böden entstehen bei der Abbaggerung des natürlichen Materials auf der Abbauseite, welches eine hohe Festigkeit besitzt. Alle Böden werden normalerweise ohne Verdichtung verkippt, so entstehen bei der Verkippung von klumpigen Böden grosse Makro-Porenräume zwischen den Klumpen, welche sehr luft- bzw. wasserdurchlässig sind. Nach einiger Zeit entsteht eine neue Struktur aus den Klumpen und dem Material des sich von aussen auflösenden Klumpens, welches das Füllmaterial bildet. Wenn die Festigkeit des Ausgangsmaterials niedrig ist oder lange Transportwege stattfinden, zerfallen die Klumpen. Zudem werden die Böden von verschiedenen Schichten der Abbauseite unter einander gemischt, wodurch die Tongemische entstehen. Sowohl für die Dimensionierung und Berechnung der aus den Verkippungen entstehenden Tagebaurandböschungen sowie für eine spätere Nutzung des ehemaligen Tagebaugebietes ist die Kenntnisüber das Deformations- und Verformungsverhalten von Kippenböden notwendig. Daher wurden in dieser Arbeit Tagebauböden und ihr zeitlich veränderliches Verhalten untersucht. Dabei werden diese, bezugnehmend auf den Anfangszustand, in drei typische Materialien unterschieden: (1) der frisch verkippte klumpige Boden, (2) eine Mischung aus Klumpen und Füllmaterial, welche höhere Liegezeiten repräsentiert und (3) Mischungen von feinkörnigen Ausgangsböden. Zunächst wurden künstlich hergestellte klumpige Böden untersucht. Sie bilden eine Übergangsform zwischen aufbereiteten und natürlichen klumpigen Böden. Das Kompressions- und Scherverhalten sowie die Durchlässigkeit wurden an Ödometer und Triaxialversuchen bestimmt. Das Füllmaterial, welches die Makroporen zwischen den Klumpen füllt, spielt eine entscheidende Rolle für das Materialverhalten. Ähnlich wie bei den künstlich hergestellten klumpigen Böden schliessen sich auch bei den Böden im Tagebau die Makroporenschen bei niedrigen Spannungen. Dabei werden die Klumpen umgelagert. Allerdings befindet sich die Grenze des Spannungszustandes oberhalb der Critical State Line des Füllmaterials, was möglicherweise mit den unter Diagenese entstandenen Bodenstrukturen erklärt werden kann. Die Strukturänderung der klumpigen Böden kann aufgrund des Spannungsniveaus in drei mögliche Stufen unterteilt werden. Am Anfang ist die Kompressibilität der frischen verkippten Klumpen hoch, da sich die Makroporen bereits bei geringen Spannungen schliessen. Zu diesem Zeitpunkt sind auch die Durchlässigkeiten in erster Linie von den grossen Porenräumen der Makroporen, welche als Entwässerungspfade dienen, beeinflusst. Die Scherfestigkeit hingegen, wird durch die aufgeweichten Böden an den Oberflächen der Klumpen massgebend beeinflusst. Bei höheren Konsolidationspannungen sinkt die Kompressibilität und der Boden verhält sich wie einüberkonsolidierter Boden. Obwohl die Struktur aufgrund der veränderten Klumpenoberflächen zu diesem Zeitpunkt homogener wirkt, ist die Struktur noch heterogen und die Durchlässigkeit ist höher als bei einem aufbereiteten Boden mit gleichem spezifischem Volumen (Porenzahl). Letztendlich erreicht der aktuelle Spannungszustand den derüberkonsolidierten Klumpen und der gesamte Boden verhält sich wie ein normal konsolidierter Boden. Des Weiteren wurden isotrop konsolidierte drainierte Triaxialversuche an künstlich aus zwei Ausgangsmaterialien hergestellten Proben mit parallelen und seriellen Strukturen durchgeführt. Die Laborversuche zeigten, dass die Proben mit seriellem Aufbau dieselben Gleitflächen haben, wie der Ausgangsboden mit der niedrigeren Scherfestigkeit. Die Gleitfläche der Proben mit parallelen Strukturen verlief durch beide Materialien. Es wurde festgestellt, dass die Scherfestigkeit der seriell aufgebauten Proben geringfügig höher, als die des Bodens mit der niedrigeren Scherfestigkeit ist. Die Scherfestigkeit der parallel aufgebauten Proben liegt zwischen den beiden Ausgangsmaterialien. Danach wurde das Verhalten der künstlich erzeugten klumpigen Böden mit zufällig verteiltem Füllmaterial mit Hilfe der Finiten Elemente Methode verglichen. Die Simulationen zeigten, dass unter einer isotropen Kompressionsbelastung das Spannungsverhältnis, definiert aus dem Verhältnis der Spannung des Volumendurchschnitts zwischen den Klumpen und dem Füllmaterial, deutlich durch die Volumenanteile und die Vorkonsoliderungsspannung der Klumpen beeinflusst wird. Während das Volumenverhältnis eine untergeordnete Rolle in den in Triaxialzellen unter Scherung belasteten Proben spielt. Aus den Simulationsergebnissen und den Laborversuchen der beiden Grundkonfigurationen wurde ein Homogenisierungsgesetz abgeleitet, welches die Sekandensteifigkeiten verwendet. Das Kompressionsverhalten der Mischungen aus Klumpen und Füllmaterial wurde mit Blick auf die Homogenisierung analysiert. Zunächst kann das Volumen der Mischungen in 4 individuelle Komponentenanteile zerlegt werden. Die Makroporosität zwischen den Klumpen wurde zur Entwicklung der Volumenanteile des Füllmaterials eingeführt. Sie wurde als eine Funktion der totalen Porosität und der Materialien formuliert. Auf Grundlage einer theoretischen Analyse an klumpigen Böden und unter Zuhilfenahme einer numerischen Methode wird ein Gesetz zur Homogenisierung vorgeschlagen. Dieses enthält eine Beziehung zwischen der Tagentensteifigkeit der Klumpen und seinem Füllmaterial. Abschliessend wird ein einfaches Kompressionsmodel für die Mischung aus Klumpen und Füllmaterial vorgeschlagen, welches den Einfluss der Bodenstruktur und der Änderung des Volumenanteils des Füllmaterials berücksichtigt. Darüber hinaus wurde eine allgemeine Formulierung für das Konsolidationsverhalten der klumpigen Böden mit Füllmaterial vorgeschlagen, welche sich auf das Konzept der doppelten Porosität (Klumpen und Füllmaterial) und eine Homogenisierungstheoerie bezieht. Um das Verhalten der Klumpen bei niedrigen Spannungen zu beschreiben, wird eine neue Grenzbedingung unter Zuhilfenahme der äquivalenten Hvorslev-Spannung und des Criticial State Konzeptes vorgeschlagen. Der Struktureffekt für sensitive Böden wurde in die nichtlineare Hvorslev-Oberfläche eingebaut. Das allgemein gültige Cam-Clay-Model von McDowell und Hau (2003) wurde um die nasse Seite des Critical State Konzeptes erweitert. Eine Sekandensteifigkeit, definiert aus dem Verhältnis zwischen der Deviatorspannung und der Deviatordehnung, wurde für das Homogenisieurungsgesetz ebenfalls verwendet. Abschliessend wird ein Modell für natürliche klumpige Böden vorgestellt, welches auch eine Homogenisierung beinhaltet. Die physikalischen Eigenschaften, das Kompressionsverhalten und die undrainierten Scherfestigkeiten von aufbereiten Tongemischen wurden im Labor unter Herstellung künstlicher Bödengemische untersucht. Anschliessend wurde ein Kompressions- und Schermodell für aufbereitete Tongemische vorgeschlagen. Das Modell der Scherfestigkeit der Tongemische entstand aus der Vereinfachung der Tongemischstruktur, in welcher die Elemente der Ausgangsmaterialien zufällig in dem Einheitsvolumen verteilt sind. Werden Wassergehaltsverhältnisse (das Verhältnis der Wassergehalte der Ausgangsmaterialien) definiert, kann die undrainierte Scherfestigkeit für alle Bestandteile separat geschätzt werden und dannüber die Volumenanteile bestimmt werden. Ein Homogenisierungsgesetz wurde auf Grundlage der theoretischen Analyse von zufällig angeordneten Strukturen entwickelt. Ein einfaches Kompressionsmodell, welches N-Ausgangsmaterielien bzw. Tone und eine Homogenisierung enthält, wird vorgeschlagen, und an einer Mischung aus 2 Bestandteilen im Labor validiert.

Résumé : Ce projet de recherche s'inscrit dans une démarche d'éco-conception de matériaux architecturés à fort potentiel acoustique. On s'intéresse en particulier dans ce travail de thèse à la description des phénomènes de dissipation et de propagation des ondes acoustiques dans un milieu fibreux par une approche multi-échelle et multi-physique. Dans cette étude, il s'agit de décrire les propriétés acoustiques du milieu fibreux à partir d'une description de la géométrie à l'échelle locale de milieux fibreux. Le milieu fibreux est constitué de fibres d'asclépiades, qui sont typiquement des fibres végétales adoptant la forme de longs cylindres. Pour traiter ce problème, la méthodologie employée consiste en quatre étapes principales : (i) caractérisation et modélisation de la géométrie du milieu fibreux; (ii) calcul des paramètres de transport et acoustiques du milieu fibreux reconstruit; (iii) validation expérimentale de propriétés de transport et acoustiques; (iv) évaluation des évolutions de propriétés de transport en fonction des paramètres de la géométrie à l'échelle locale de matériau. En particulier, un modèle isotrope spatialement stationnaire de lignes droites (processus de Poisson) et le tenseur d'orientation angulaire correspondant, constituent des outils de modélisation de la géométrie aléatoire du milieu fibreux permettant de représenter les principales caractéristiques susceptibles d'influencer ses propriétés de transport. Il s'agit ensuite de résoudre les principaux problèmes aux limites gouvernant le comportement acoustique à l'échelle supérieure en appliquant une technique classique d'homogénéisation numérique. On montre dans un premier temps que la méthode développée permet de prédire le comportement en absorption d'un milieu fibreux aléatoire en se basant uniquement sur la description des caractéristiques géométriques du matériau fibreux réel (porosité, rayon de fibres, distributions des orientations angulaires) sans coefficient d'ajustement, validations expérimentales à l'appui. Sur la base de ce travail de reconstruction tridimensionnel, on étudie ensuite systématiquement l'ensemble des phénomènes de transport d'intérêt sur une large gamme de porosité et d'orientations angulaires, de manière à produire des lois qui peuvent être appliquées par la suite par d'autres utilisateurs sur une large gamme de milieux fibreux réels. Finalement, on examine plus particulièrement l'hypothèse classique selon laquelle un milieu fibreux peut être décrit à partir de la moyenne arithmétique du diamètre de ses fibres, afin de cerner les limites de cette approche et ses conditions d'applicabilité lorsque le milieu fibreux présente une distribution étendue de diamètres de fibres ou bimodale. / Abstract : This thesis is concerned with in an eco-design approach for architectured porous materials (fibers made) with high acoustic potential. The project particularly focuses on asclepias (vegetal) fibers and on the description of dissipation and propagation phenomena of sound waves using homogellization techniques. One begins with the characterization of the fibrous medium by scanning electron microscope images from horizontal and vertical cross-sections of a slab of porous sample. Three-dimensional unit cells of the fibrous samples under study are reconstructed with an isotropic model of straight lines (Poisson processes) and by making use of the concept of angular orientation tensor from the previously identified microstructure characteristics (porosity, fiber radii, angular orientation distributions). The transports and acoustic properties are obtamed from numerical computations of unit cell problems (Stokes flow, potential flow and heat conduction) with the Finite Element Method. Validations with experimental data based on permeability and impedance tube measurements are proposed and show a good agreement with the predictive models. The dependence of the effective properties with the geometrical characteristics of the porous microstructure is then analyzed on a large range of porosity (0.75 ÷ 0.09) and explicit relations are provided between the effective acoustic coefficients and the microstructural parameters. The last part of this work is dedicated to the determination of acoustic properties of random fibrous media with bi- and poly dispersed fiber distribution radii. The results are compared with a corresponding mono- dispersed fibrous material (with a single effective fiber radius) which show no significant difference with the initial distributions when the effective radius is small enough. The results of this thesis also point out that an equivalent mono-dispersed fibrous material fails to represent accurately the transport properties of a random fibrous structure when the latter one is described by a fiber distribution radii tending towards a log normal distribution.

Tails, fins, scales, and surface coatings are used by organisms for various tasks, including locomotion. Since millions of years of evolution have passed, we expect that the design of surface structures is optimal for the tasks of the organism. These structures serve as an inspiration in this thesis to identify new mechanisms for flow control. There are two general categories of fluid-structure-interaction mechanisms. The first is active interaction, where an organism actively moves parts of the body or its entire body in order to modify the surrounding flow field (e.g., birds flapping their wings). The second is passive interaction, where appendages or surface textures are not actively controlled by the organism and hence no energy is spent (e.g., feathers passively moving in the surrounding flow). Our aim is to find new passive mechanisms that interact with surrounding fluids in favourable ways; for example, to increase lift and to decrease drag. In the first part of this work, we investigate a simple model of an appendage (splitter plate) behind a bluff body (circular cylinder or sphere). If the plate is sufficiently short and there is a recirculation region behind the body, the straight position of the appendage becomes unstable, similar to how a straight vertical position of an inverted pendulum is unstable under gravity. We explain and characterize this instability using computations, experiments and a reduced-order model. The consequences of this instability are reorientation (turn) of the body and passive dispersion (drift with respect to the directionof the gravity). The observed mechanism could serve as a means to enhance locomotion and dispersion for various motile animals and non-motile seeds. In the second part of this thesis, we look into effective models of porous and poroelastic materials. We use the method of homogenization via multi-scale expansion to model a poroelastic medium with a continuum field. In particular, we derive boundary conditions for the velocity and the pressure at the interface between the free fluid and the porous or poroelastic material. The results obtained using the derived boundary conditions are then validated with respect to direct numerical simulations (DNS) in both two-dimensional and three-dimensional settings. The continuum model – coupled with the necessary boundary conditions – gives accurate predictions for both the flow field and the displacement field when compared to DNS. / Många djur använder sig av fjäll, päls, hår eller fjädrar för att öka sin förmåga att förflytta sig i luft eller vatten. Eftersom djuren har genomgått miljontals år av evolution, kan man förvänta sig att ytstrukturernas form är optimala för organismens uppgifter. Dessa strukturer tjänar som inspiration i denna avhandling för att identifiera nya mekanismer för manipulering av strömning. Samverkan mellan fluider och strukturer (så kallad fluid-struktur-interaktion) kan delas upp i två kategorier. Den första typen av samverkan är aktiv, vilket innebär att en organism aktivt rör hela eller delar av sin kropp för att manipulera det omgivande strömningsfältet (till exempel fåglar som flaxar sina vingar). Den andra typen är passiv samverkan, där organismer har utväxter (svansar, fjärdar, etc.) eller ytbeläggningar som de inte aktivt har kontroll över och som således inte förbrukar någon energi. Ett exempel är fjädrar som passivt rör sig i det omgivande flödet. Vårt mål är att hitta nya passiva mekanismer som växelverkar med den omgivande fluiden på ett fördelaktigt sätt, exempelvis genom att öka lyftkraften eller minska luftmotståndet. I den första delen av detta arbete undersöker vi en enkel modell för en utväxt (i form av en platta) bakom en cirkulär cylinder eller sfär. Om plattan är tillräckligt kort och om det finns ett vak bakom kroppen kommer det upprätta läget av plattan att vara instabilt. Denna instabilitet är i princip samma som uppstår då man försöker balansera en penna på fingret. Vi förklarar den bakomliggande mekanismen av denna instabilitet genom numeriska beräkningar, experiment och en enkel modell med tre frihetsgrader. Konsekvenserna av denna instabilitet är en omorientering (rotation) av kroppen och en sidledsförflyttning av kroppen i förhållande till tyngdkraftens riktning. Denna mekanism kan användas djur och frön för att öka deras förmåga att förflytta eller sprida sig i vatten eller luft. I den andra delen av avhandlingen studerar vi modeller av porösa och elastiska material. Vi använder en mångskalig metod för att modellera det poroelastiska materialet som ett kontinuum. Vi härleder randvillkor för både hastighetsfältet och trycket på gränssnittet mellan den fria fluiden och det poroelastiska materialet. Resultaten som erhållits med de härledda randvillkoren valideras sedan genom direkta numeriska simuleringar (DNS) för både två- och tredimensionella fall. Kontinuumsmodellen av materialet kopplad genom randvillkoren till den fria strömmande fluiden predikterar strömnings- och förskjutningsfält noggrant i jämförelse med DNS.

Die aus magnetisierbaren Partikeln und einer elastischen Matrix bestehenden magnetorheologischen Elastomere sind ein Verbundwerkstoff mit magnetisch steuerbaren Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wird ein kontinuumsmechanisches Modell zur Beschreibung der relevanten physikalischen Phänomene bereitgestellt. Die Lösung zugehöriger Randwertaufgaben basiert auf der erweiterten Finiten Elemente Methode. Zur Verifikation und Validierung des Modells werden analytische Referenzlösungen zweidimensionaler Problemstellungen herangezogen. Die Homogenisierung des magnetomechanischen Feldproblems erfolgt mit kleinen Deformationen. Aus einer Volumenmittelung der lokal inhomogenen Feldverteilungen ergeben sich makroskopische Variablen. Auf Basis dieser Größen lassen sich Aussagen über das effektive Verhalten ableiten. Somit ist neben den rein magnetischen und mechanischen Materialeigenschaften das gekoppelte magnetomechanische Verhalten analysierbar. Darunter sind aktuatorische Spannungen, magnetostriktive Dehnungen und der magnetorheologische Effekt zu verstehen. / Magnetorheological elastomers are composite materials consisting of magnetizable particles embedded in an elastic matrix. Their properties can be altered by an external magnetic field. In this work a continuum based formulation is applied to model relevant physical phenomena. Boundary value problems are solved by the extended Finite Element Method. For the purposes of verification and validation analytic solutions are provided. The homogenization of the magnetomechanical field problem is limited to small deformations. Macroscopic variables are obtained by volume averaging. In addition to macroscopic magnetic and mechanical properties the effective behavior is analyzed in terms of actuatoric stresses, magnetostrictive strains and the magnetorheological effect.

Qu’il s’agisse d’une signature monochrome ("tag"), de lettres rondes à deux couleurs ("throw-up") ou d’un enchevêtrement calligraphique multicolore ("piece"), les formes caractéristiques du graffiti hip-hop font aujourd’hui partie du paysage urbain des grandes villes du monde. Né aux États-Unis dans les années 1960 et diffusé à l’extérieur des frontières américaines dans les années 1980, le graffiti hip-hop peut être perçu comme un exemple à la fois de l’américanisation et de l’homogénéisation des pratiques culturelles des jeunes à travers le monde. À partir d'une comparaison entre des graffiteurs francophones de Montréal et des graffiteurs lusophones de São Paulo, cette thèse décrit le processus d'appropriation d'un mouvement culturel d’origine américaine et montre les similitudes et les différences retrouvées au niveau local de cette forme d'expression mondialisée. L’étude de l’appropriation culturelle proposée dans cette thèse se compose de deux niveaux d’analyse. Le premier – qualifié de micro – touche le domaine personnel et se penche sur le processus de production de graffitis de style hip-hop (type de graffitis d’origine new-yorkaise basé sur l’écriture de pseudonymes). Ce niveau d’analyse me permet de démontrer comment les mécanismes de l’imitation et de la transformation se mélangent et renvoient aux processus de l’apprentissage et de l’inventivité individuels. Pour l’analyse du second niveau – qualifié de macro –, je tiens compte de l’ensemble des forces qui, au plan de la collectivité, forge l’appropriation. Ceci me permet de tracer des liens causaux entre les particularités locales du graffiti hip-hop et certains paramètres relevant du politique, de l’économique, de l’histoire et du culturel. / I propose to examine the local appropriation of hip-hop graffiti, a transnational youth expression, that originated in the East-Coast of the United States, through a micro and a macro perspective applied to a multi-site ethnography of hip-hop graffiti in two cities of the Americas, Montreal (Canada) and São Paulo (Brazil), among, respectively, French and Portuguese speaking graffiti artists. The micro level analysis will focus on the creative process by which graffiti artists combine imitation and transformation; and the macro perspective will bring into relief the complex ensemble of dimensions which influences the appropriation process in a given locality. Based on this double-leveled analysis, I shall 1) describe the similarities and differences between the hip-hop graffiti scene in Montreal and São Paulo; 2) identify key elements of the process of cultural appropriation; and 3) reexamine the notion that globalization results in cultural homogenization.