Nous nous intéressons à des problèmes de transmission entre diélectriques et métamatériaux, milieux présentant des propriétés électromagnétiques inhabituelles comme des caractéristiques effectives négatives à certaines fréquences. Par exemple, ces milieux peuvent être construits comme des assemblages périodiques de microstructures résonantes et dans ce cas la théorie de l'homogénéisation permet de justifier mathématiquement ces propriétés effectives. En régime harmonique et dans des géométries à variables séparables, des calculs analytiques peuvent être menés. Ils révèlent dans des cas dits critiques des difficultés mathématiques: les solutions n'ont pas la régularité standard, voire le problème peut être mal posé.La première partie étudie ces problèmes de transmission en régime temporel pour lequel les métamatériaux sont modélisés par des modèles dispersifs (modèle de Drude ou de Lorentz). Les difficultés résident dans le choix d'un schéma de discrétisation mais surtout dans la construction de conditions absorbantes. La méthode retenue ici est celle des Perfectly Matched Layers (PMLs). Comme les PMLs classiques sont instables pour ces modèles du fait de la présence d'ondes inverses, nous proposons une nouvelle classe de PMLs pour lesquelles nous menons une analyse de stabilité. Cette dernière permet de construire des PMLs stables. Elles sont ensuite utilisées pour simuler le comportement en temps long d'un problème de transmission; nous illustrons alors le fait que le principe d'amplitude limite peut être mis en défaut en raison de résonances d'interface.La deuxième partie vise à pallier ces phénomènes d'interface en régime harmonique en revenant sur le processus d'homogénéisation classique, pour un milieu dissipatif. Pour des problèmes de transmission, il est connu que les modèles issus de cette méthode perdent en précision du fait de la présence de couches limites à l'interface. Nous proposons un modèle enrichi au niveau de l'interface. En combinant la méthode d'homogénéisation double-échelle et celle des développements asymptotiques raccordés, nous construisons des conditions de transmission non standards faisant intervenir des opérateurs différentiels le long de l'interface. Le calcul de ces conditions nécessite la résolution de problèmes de cellule et de problèmes non standards posés dans des bandes périodiques infinies. Une analyse d'erreur confirme l'amélioration de la précision du modèle. Des simulations numériques illustrent l'efficacité de ces nouvelles conditions. Enfin, cette démarche est reproduite formellement dans le cas des matériaux à fort contraste se comportant comme des métamatériaux. Nous montrons alors que ces nouvelles conditions permettent de régulariser le problème de transmission dans les cas critiques. / We are interested in transmission problems between dielectrics and metamaterials, that is to say media with unusual electromagnetic properties such as negative constants at some frequencies. These media are often made of periodic assemblies of resonant micro-structures and in this case the homogenization theory can justify mathematically these effective properties. A preliminary part deals with these problems in the harmonic domain and in geometry with separation of variables.Analytical computations are done and reveal in the so-called critical cases some mathematical diffculties: the solutions do not have the standard regularity and the problem can even be ill-posed.The first part examines these transmission problems in the time domain for which metamaterials are modelled by dispersive models (Drude model or Lorentz model for instance). The diffculties reside in the choice of a discretization scheme but especially in the construction of absorbing conditions. The method used here is the use of Perfectly Matched Layers (PMLs). Since classical PMLs are unstable for these models due to the presence of backward waves, we propose a new class of PMLs for which we conduct a stability analysis. The latter allows us to build stable PMLs. They are then used to simulate the long-time behaviour of a transmission problem; we illustrate the fact that the limit amplitude principle can be faulted because of interface resonances.The second part aims to overcome these phenomena by coming back to the classical homogenization in the harmonic domain, for dissipative media. For transmission problems, it is known that models resulting from this method lose accuracy due to the presence of boundary layers at the interface. We propose an enriched model at the interface: by combining the method of two-scale homogenization and that of matched asymptotic expansions, we build non-standard transmission conditions involving tangential derivatives along the interface (Laplace-Beltrami operators). This requires to solve cell problems and non-standardproblems in infinite periodic bands. An error analysis confirms the improvement of the accuracy of the model and numerical simulations show the effectiveness of these new conditions. Finally, this approach is formally reproduced in the case of high contrast materials which behave like metamaterials. We show that these new conditions regularise the transmission problem in the critical cases.

L'objectif de ce travail fut le développement de nouvelles méthodes pour aborder certainsproblèmes inverses en élasticité, en tirant parti de la présence d'un petit paramètre dans ces problèmespour construire des approximation asymptotiques d'ordre élevé.La première partie est consacrée à l'identification de la taille et la position d'une inhomogénéité$BTrue$ enfouie dans un domaine élastique tridimensionnel. Nous nous concentrons sur l'étude defonctions-co^uts $Jbb(Br)$ quantifiant l'écart entre $BTrue$ et une hétérogénéité ``test'' $Br$. Unetelle fonction-co^ut peut en effet être minimisée par rapport à tout ou partie des caractéristiques del'inclusion ``test'' $Br$ (position, taille, propriétés mécaniques ...) pour établir la meilleurecorrespondance possible entre $Br$ et $BTrue$. A cet effet, nous produisons un développement asymptotique de $Jbb$en la taille $incsize$ de $Br$, qui en constitue une approximation polynomiale plus aisée à minimiser. Cedéveloppement, établi jusqu'à l'ordre $O(incsize^6)$, est justifié par une estimation du résidu. Uneméthode d'identification adaptée est ensuite présentée et illustrée par des exemples numériques portant surdes obstacles de formes simples dans l'espace libre $Rbb^3$.L'objet de la seconde partie est de caractériser une inclusion microstructurée de longueur $ltot$, modéliséeen une dimension, composée de couches de deux matériaux alternés périodiquement, en supposant que les plusbasses de ses fréquences propres de transmission (TEs) sont connues. Ces fréquences sont les valeurs propres d'unproblème dit de transmission intérieur (ITP). Afin de disposer d'un modèle propiceà l'inversion, tout en prenant en compte les effets de la microstructure, nous nous reposons sur des approximationsde l'ITP exact obtenues par homogénéisation. A partir du modèle homogénéisé d'ordre 0, nous établissonstout d'abord une méthode simple pour déterminer les paramètres macroscopiques ($ltot$ et contrastes matériaux)d'une telle inclusion. Pour avoir accès à la période de la microstructure, nous nous intéressons ensuite àdes modèles homogénéisés d'ordre élevé, pour lesquels nous soulignons le besoin de conditions aux limitesadaptées. / The purpose of this work was to develop new methods to address inverse problems in elasticity,taking advantage of the presence of a small parameter in the considered problems by means of higher-order asymptoticexpansions.The first part is dedicated to the localization and size identification of a buried inhomogeneity $BTrue$ in a 3Delastic domain. In this goal, we focused on the study of functionals $Jbb(Br)$ quantifying the misfit between $BTrue$and a trial homogeneity $Br$. Such functionals are to be minimized w.r.t. some or all the characteristics of the trialinclusion $Br$ (location, size, mechanical properties ...) to find the best agreement with $BTrue$. To this end, weproduced an expansion of $Jbb$ with respect to the size $incsize$ of $Br$, providing a polynomial approximationeasier to minimize. This expansion, established up to $O(incsize^6)$ in a volume integral equations framework, isjustified by an estimate of the residual. A suited identification procedure is then given and supported by numericalillustrations for simple obstacles in full-space $Rbb^3$.The main purpose of this second part is to characterize a microstructured two-phases layered1D inclusion of length $ltot$, supposing we already know its low-frequency transmission eigenvalues (TEs). Thoseare computed as the eigenvalues of the so-called interior transmission problem (ITP). To provide a convenient invertiblemodel, while accounting for the microstructure effects, we then relied on homogenized approximations of the exact ITPfor the periodic inclusion. Focusing on the leading-order homogenized ITP, we first provide a straightforward method torecover the macroscopic parameters ($ltot$ and material contrast) of such inclusion. To access to the period of themicrostructure, higher-order homogenization is finally addressed, with emphasis on the need for suitable boundaryconditions.

Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'industrie automobile comme pièces de structure. Alliant légèreté et bonnes propriétés mécaniques, ils ont remplacé les métaux classiquement adoptés dans la fabrication de moyens de transport. Toutefois, l'emploi des matériaux composites doit tenir compte de leur comportement électromagnétique. En effet, les composites à fibres conductrices, généralement moins conducteurs que les métaux, engendrent une interaction avec les ondes électromagnétiques, différente de celle introduite par les alliages métalliques. Il s'avère donc important de développer des outils de modélisation permettant de mieux appréhender le comportement électromagnétique de matériaux composites, et d'éclairer les changements qu'apportent ces matériaux sur la distribution des champs, provenant d'une multitude de sources externes, au voisinage des systèmes mécatroniques. Par ailleurs, l'étude du comportement électromagnétique de matériaux composites permet de tirer parti de leurs propriétés mécaniques attractives afin d'alléger les boîtiers de blindage en gardant un niveau d'atténuation conforme aux normes de l'industrie. Cependant, la modélisation numérique de structures composites de grande taille, telles que les boîtiers de blindage, bien que classiquement adoptée pour les structures métalliques, est rendue complexe par le fait que les composites présentent des hétérogénéités à l'échelle microscopique, et que leurs mécanismes de blindage diffèrent de ceux des conducteurs homogènes. Le calcul numérique s'avère envisageable une fois le composite remplacé par un matériau homogène ayant une réponse identique face à une sollicitation électromagnétique. Ainsi, au travers de ce travail de thèse, nous proposons une technique d'homogénéisation permettant d'estimer les propriétés électriques équivalentes que nous appliquons aux composites à fibres conductrices unidirectionnelles et tissées. Les résultats obtenus sont utilisés pour la simulation numérique d'un boîtier de blindage. / Composite materials are widely used in the automotive industry as structural components. By combining lightness and robust mechanical properties, they are increasigly replacing the conventionnally used metallic alloys, for the manufacturing of vehicle parts. However, the use of composite materials is not without consequences on the electromagnetic behavior of these parts. Since carbon fiber reinforced composites are generally worse conductors of electricity than metals, they interact differently with the electromagnetic waves which surround them. It is therefore important to develop modeling tools to better understand the electromagnetic behavior of composite materials. This is to explain the changes that these materials bring to the distribution of waves, generated by a multitude of external sources, in the vicinity of mechatronic systems. On the other hand, the study of the electromagnetic behavior of composite materials makes it possible to determine the possibility of taking advantage of their attractive mechanical properties in order to further reduce the weight of electromagnetic shielding enclosures while maintaining a level of attenuation in accordance with the standards of the industry. However, numerical modeling of large composite structures, such as shielding enclosures, although conventionally adopted for metal structures, is hindered by the fact that composites exhibit heterogeneities at the microscopic scale. The numerical calculation becomes possible once the composite is replaced by a homogeneous material that exhibits an identical response to an identical electromagnetic solicitation. In this work, we present a homogenization technique, based on finite element simulation and an optimisation method, that computes an estimate of the equivalent electrical properties of unidirectional and woven fiber reinforced composites. The results are then used to simulate the shielding effectiveness of an enclosure constructed by combining composite materials and metallic alloys.

La prévision du comportement mécanique macroscopique de matériaux hétérogènes à partir des propriétés de leurs constituants est possible pour diverses classes de comportement (élastique, viscoélastique, etc) et ce, grâce à la théorie de l'homogénéisation. Néanmoins l'extension de cette théorie pour des matériaux possédant un comportement viscoélastique non linéaire (ou élasto-viscoplastique) reste une question ouverte à laquelle nous nous attaquons dans ce travail afin de prédire le comportement macroscopique des combustibles oxydes mixtes uranium-plutonium (MOX) utilisés dans les réacteurs nucléaires à eau sous pression (REP) français. Dans cette optique des solutions analytiques et purement nunériques ont été obtenues et le modèle retenu est utilisé pour simuler le comportement des combustibles / The prediction of the macroscopic mechanical behavior of heterogeneous materials from the properties of their constituents is possible for various classes of behavior (elastic, viscoelastic, etc.) thanks to the theory of homogenization. Nevertheless, the extension of this theory for materials with a non-linear (or elasto-viscoplastic) viscoelastic behavior remains an open question that we are tackling in this work in order to predict the macroscopic behavior of uranium-plutonium (MOX) mixed oxide fuels used in french pressurized water reactors (PWRs). From this perspective analytical and purely numerical solutions have been obtained and the model adopted is used to simulate the behavior of fuels.

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This study focuses on the numerical solution of a fourth-order cell problem obtained through a two- scale expansion approach applied to a higher gradient heat equation microscopic problem involving temperature distributions. The main objective is to investigate the temperature field within the macroscale domain and compute the effective conductivity using finite element methods. The research utilizes numerical techniques, specifically finite element methods, to solve the fourth-order cell problem and obtain the temperature distribution.

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The presence of prestrain can have a tremendous effect on the mechanical behavior of slender structures. Prestrained elastic plates show spontaneous bending in equilibrium—a property that makes such objects relevant for the fabrication of active and functionalmaterials. In this paperwe studymicroheterogeneous, prestrained plates that feature non-flat equilibriumshapes. Our goal is to understand the relation between the properties of the prestrained microstructure and the global shape of the plate in mechanical equilibrium. To this end, we consider a three-dimensional, nonlinear elasticity model that describes a periodic material that occupies a domain with small thickness. We consider a spatially periodic prestrain described in the form of a multiplicative decomposition of the deformation gradient.By simultaneous homogenization and dimension reduction, we rigorously derive an effective plate model as a Γ-limit for vanishing thickness and period. That limit has the form of a nonlinear bending energy with an emergent spontaneous curvature term. The homogenized properties of the bending model (bending stiffness and spontaneous curvature) are characterized by corrector problems. For a model composite—a prestrained laminate composed of isotropic materials—we investigate the dependence of the homogenized properties on the parameters of the model composite. Secondly, we investigate the relation between the parameters of the model composite and the set of shapes with minimal bending energy. Our study reveals a rather complex dependence of these shapes on the composite parameters. For instance, the curvature and principal directions of these shapes depend on the parameters in a nonlinear and discontinuous way; for certain parameter regions we observe uniqueness and non-uniqueness of the shapes. We also observe size effects: The geometries of the shapes depend on the aspect ratio between the plate thickness and the composite period. As a second application of our theory, we study a problem of shape programming: We prove that any target shape (parametrized by a bending deformation) can be obtained (up to a small tolerance) as an energy minimizer of a composite plate, which is simple in the sense that the plate consists of only finitely many grains that are filled with a parametrized composite with a single degree of freedom.