La femme enceinte, au même titre que n’importe qui, peut être amenée à utiliser une voiture pour se déplacer et est ainsi donc potentiellement victime d’un accident de la route. Si l’intégrité physique de cette personne est alors menacée, il en est de même pour celle de son enfant à naître. Les accidents de la route sont d’ailleurs la première cause de blessures du fœtus à la suite d’un traumatisme. La question de recherche inhérente à ce travail vise à clarifier les mécanismes de blessures du fœtus à la suite d’un accident de la route et à identifier une éventuelle relation entre ces mécanismes et les interactions qui peuvent exister entre la victime de l’accident et son environnement immédiat. Les résultats de ces travaux proposeront également des outils nécessaires au développement et à l’évaluation de dispositifs de protection spécifiques prenant en compte la morphologie particulière d’une femme enceinte afin de diminuer le risque de pertes fœtales à la suite d'un accident de la route. Dans un premier temps, un modèle de liquide amniotique a été développé, validé puis couplé avec un modèle éléments finis représentatif d’une femme enceinte. Cet outil numérique permet notamment la simulation de divers scénarios d’accidents afin d’en étudier les conséquences pour le fœtus. Dans un second temps, des mesures de la position de conduite des femmes enceintes au cours de la grossesse ont été effectuées afin d’être capable de simuler des accidents de la route dans des conditions réalistes. Enfin, des critères prédicteurs de blessures fœtales ont été développés afin de permettre l’évaluation de l’efficacité de nouveaux dispositifs de protection. / Road accidents are the leading cause of fetal injuries resulting from trauma. The aim of this work is to clarify the mechanisms of fetal injuries following a road accident and to identify a possible relationship between these mechanisms and interactions that may exist between the accident victims and its immediate environment. The results of this work will also propose tools for the development and the evaluation of specific protection devices taking into account the particular morphology of a pregnant woman in order to reduce the risk of fetal loss following a road accident. Firstly, an amniotic fluid model was developed, validated and then coupled with a finite element model representative of a pregnant woman. This computational tool allows to perform various car accident simulations to evaluate their consequences for the fetus. Secondly, measures of the driving position of pregnant women during pregnancy have been conducted to be able to simulate road accidents in realistic conditions. Finally, fetal injury predictors have been developed to allow assessment of the effectiveness of new protective devices. These predictors were associated to possible injuriy mechanisms.

Le dimensionnement des liaisons boulonnées représente une part non négligeable du travail des bureaux d’études des industries aéronautiques. En effet leur nombre peut varier de plusieurs milliers à plusieurs millions selon le type d’avion. À l’heure actuelle la mise au point de ce type d’attache se fait grâce à des éléments finis en trois dimensions. La complexité des phénomènes mis en jeux par ce type de connexion tels que le contact le frottement et les jeux entraînent des calculs non linéaires très chronophages.L’objectif des travaux de thèse a été de proposer un connecteur élément fini remplaçant l’ensemble de la discrétisation 3D d’un boulon pour les calculs numériques de dimensionnement en étant basé sur des paramètres liés au comportement mécanique.La mise au point d’un algorithme prenant en compte le contact afin de modéliser le comportement global des parties assemblées fut le point de départ de la réflexion.Cet algorithme a été implémenté au sein du logiciel Samcef à travers une routine codée en Fortran 77.Des tests de qualifications du comportement normal et tangentiel ont été effectués afin de valider l’algorithme mis au point.Une méthode d’identification des paramètres du connecteur est ici proposée : certains peuvent être déterminés de manière analytique et d’autres de manière numérique.Enfin des cas tests de validation sur des assemblages industriels ont été effectués afin de mettre en évidence un gain en temps de calcul conséquent tout en maintenant une qualité suffisante pour le dimensionnement. / The design of bolted connections represents a significant part of the work of research department of aeronautical industries. Indeed, their number can vary from several thousands to several millions depending on the aircraft type. At the present time, the development of this type of attachment is done with finite elements in three dimensions. The complexity of concerned phenomena by this type of connection as the contact friction and gaps requires nonlinear computations which are very time consuming.The aim of the thesis was to propose a finite element connector for replacing the whole 3D discretisation of a bolt during the design computations while being based on parameters related to mechanical behaviour.The development of an algorithm taking into account contacts to model the overall behaviour of the parts was the starting point of the reflexion.Then this algorithm was implemented in the SAMCEF software through a routine coded in Fortran 77.Normal and tangential behaviour qualification tests were performed to validate the algorithm developed.A method for identifying connector parameters is proposed here, some of these parameters can be determined using an analytical approach, others need a numerical one.Finally, validations on industrial test cases were carried out to prove a substantial cpu time savings while maintaining a good level of quality.

Le traitement thermique des aciers après chauffage par induction localisé est un procédé aujourd'hui répandu, notamment dans l'industrie automobile. Ce type de procédés a fait ses preuves dans le cadre de pièces massives, mais les distorsions générées sont encore parfois insuffisamment maîtrisées lorsqu'il s'agit de tôles minces. PSA-Peugeot-Citroën s'intéresse alors à l'étude et la compréhension des phénomènes en jeu ainsi qu'à la simulation numérique de tels procédés. C'est alors dans cette démarche et dans le cadre d'un partenariat entre le Cemef et PSA, que s'inscrit ce travail appliqué au traitement thermique d'un renfort de pied central. Un procédé aussi complexe nécessite la compréhension de la thermique, de la mécanique, de la métallurgie, de l'électromagnétisme, ainsi que de leurs interactions mutuelles au chauffage comme au refroidissement. Ce travail se trouve alors au carrefour de plusieurs disciplines comme la thermomécanique et l'électromagnétisme, ainsi que les méthodes numériques et l'étude expérimentale. Il fait suite à divers travaux réalisés au laboratoire concernant la thermique ou la mécanique, ainsi qu'une thèse précédente portant sur la modélisation numérique couplée de la trempe. Il constitue également la première approche 3D des procédés de chauffage par induction et des couplages multi physiques qui en découlent. La présentation de ce travail se décompose en 3 grandes parties. Premièrement, on décrit le contexte industriel, la problématique et l'historique de l'étude du procédé, pour en arriver aux études expérimentales réalisées dans ce travail : une porte sur le procédé industriel et l'autre sur un modèle simplifié que nous avons conçu pour une meilleure compréhension des phénomènes physiques qui génèrent les distorsions. Ces études expérimentales, riches en résultats, soulignent la nécessité d'un outil numérique pour aller encore plus loin dans la compréhension physique du procédé. Nous poursuivons alors sur trois chapitres présentant les modèles numériques par éléments finis, développés et utilisés dans le code de calcul pour simuler les problèmes couplés : thermique / électromagnétisme, mécanique / métallurgie et l'ensemble de la structure couplée. La troisième et dernière partie du rapport traite, d'une part, de la mise en donnée d'un cas semi-industriel ainsi que de la caractérisation des paramètres, et d'autre part, des résultats numériques obtenus et de leur comparaison avec les résultats expérimentaux. Le modèle développé permet d'estimer dans une première approche les distorsions subies par une structure mince lors de son traitement thermique localisé par induction. Le code de calcul actuel forme une base solide pour de futures évolutions permettant de simuler des problèmes industriels complexes.

La diminution des dimensions critiques dans l’industrie du semi-conducteur requiert l’utilisation de nouveaux matériaux fragiles qui dégradent la résistance mécanique des puces. On s’intéresse plus particulièrement aux étapes précédant la mise en boîtier, à savoir les tests paramétriques qui permettent de vérifier la fonctionnalité électrique de la puce, et les assemblages tels la connexion filaire qui ont pour but d’établir les connexions avec le boîtier. Durant ces opérations, des défaillances mécaniques sont observées dans les interconnexions situées sous le pad. Des techniques expérimentales (par ex : FIB/MEB) sont mises en œuvre une fois les tests ou les assemblages avec des fils d’or et de cuivre réalisés afin de mieux comprendre les raisons d’apparition de ces défaillances ainsi que leur localisation. Des plans d’expériences sont mis en place pour évaluer l’influence des divers paramètres de tests et d’assemblage et également celle des architectures de pad. En parallèle, une nouvelle méthode d’analyse basée sur la nanoindentation est utilisée pour comparer la robustesse mécanique de divers plots de connexion. D’autre part, plusieurs modèles éléments finis complexes, prenant en compte la gestion du contact entre la pointe de test et le pad ainsi que les effets inertiels associés, sont développés dans le but de reproduire les conditions de chargement sur les pads. Finalement, un ensemble d’outils adaptés à l’étude et l’optimisation des architectures de pad, dans une optique industrielle, est présenté de même que des règles de dessin permettant d’accompagner le développement technologique. / The diminution of the critical dimensions in the semiconductor industry and the introduction of new brittle dielectric materials raise questions on the mechanical resistance of the die and the pad architectures. Nowadays, pad structures are prone to crack. More precisely, the electrical wafer sort (EWS), which allows checking the electrical functionality of the die, and the assemblies such as the wire bonding to achieve the electrical connections with the packaging, are performed at the wafer level and introduce high levels of local mechanical stresses. Indeed, during these operations, failures in the oxide layers of the interconnections are observed. Experimental techniques (e.g. profilometry, FIB/SEM) are developed after EWS and bonding with gold and copper wires to gain insight on the root causes and localization of the failures. Some designs of experiments are set up to evaluate the influence of the test and process parameters and also of the various pad designs on the mechanical robustness of the structures. In addition, a novel analysis procedure, based on nanoindentation technique, is employed to compare various pads, which are complex multilayer systems. Moreover, several finite element models, using both explicit and implicit schemes are developed to mimic the EWS test. Indeed, these models have shown their ability to reproduce the loading conditions, the contact between the testing needle tip and the pad, and some inertial effect during the test. Finally, a comprehensive set of tools to evaluate and optimize the pad architectures is presented. Guidelines for pad layouts are also given, providing integration insights in the frame of the technology development.

Cette thèse de doctorat porte sur la réponse des fondations caisson dans du sable pour les éoliennes en mer soumises à des chargements monotones et cycliques combinés. Le processus de défaillance et l’enveloppe de rupture (diagramme de capacité portante) d’une fondation en caisson dans du sable soumise à des chargements monotones combinés sont premièrement étudiés à l’aide du modèle constitutif de Mohr-Coulomb. La méthode Lagrangian-Smoothed Particle Hydrodynamics Combinée (CLSPH) est adoptée pour prendre en compte les grandes déformations et les limites de l'approche sont mises en évidence. Une loi constitutive basée sur la notion de l’état critique pour le sable récemment mis au point (SIMSAND) est ensuite introduite et utilisée avec la méthode CLSPH. Des tests d’effondrement du sol dans un canal rectangulaire et d’une colonne granulaire en prenant en compte différentes géométries sont simulés afin de valider l’approche en termes de morphologie de dépôt final, des profils d’écoulement et de zones non perturbées. La méthode CLSPH et le modèle SIMSAND sont ensuite utilisés pour étudier le diagramme de capacité portante des fondations caisson dans du sable. Différents paramètres ayant une incidence sur la forme et la taille de l'enveloppe de rupture sont pris en compte, tels que la densité et la rigidité du sol, la résistance au frottement, la rupture des grains, la géométrie et les dimensions de la fondation. Une formule analytique est introduite pour décrire la surface de rupture 3D capable à reproduire les résultats numériques. Sur la base de la formule analytique proposée, un macro-élément pour des fondations caisson dans du sable soumises à des chargements monotones et cycliques est finalement développé dans le cadre de l'hypoplasticité. L’outil numérique proposé est validé avec des résultats expérimentaux. / This PhD thesis deals with the response of caisson foundations in sand for offshore wind turbines submitted to combined monotonic and cyclic loadings. First, the failure process and failure envelope (or bearing capacity diagram) of a caisson foundation in sand under combined monotonic loadings is investigated using the conventional Mohr-Coulomb constitutive model. A Combined Lagrangian-Smoothed Particle Hydrodynamics(CLSPH) method is adopted to consider large deformations and the limitations of the approach are highlighted. A recently developed critical state model for sand (SIMSAND) is then introduced and combined with the CLSPH method. Rectangular channel soil collapse tests and granular column collapse tests considering different aspect ratios are simulated to validate the approach in terms of final deposit morphologies, flow profiles and undisturbed areas.The CLSPH method and the SIMSAND model are then used to investigate the bearing capacity diagram of the caisson foundation in sand. Different parameters affecting the shape and size of the failure envelope are considered, as soil density and stiffness, friction strength, grain breakage, geometry and aspect ratio of the foundation. An analytical formula is introduced to describe the 3D failure surface reproducing the numerical results. Based on the proposed analytical formula, a macro-element for the caisson foundation in sand submitted to monotonic and cyclic loadings is finally developed within the framework of hypoplasticity. Validation is provided through comparison with experimental results.

Ce travail de recherche a été réalisé au sein du Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes de l’École Centrale de Lyon (FRANCE) en cotutelle avec l’Unité de Mécanique, Modélisation et Productique (U2MP) à l’École Nationale d’Ingénieurs de Sfax (TUNISIE) dans le cadre du projet européen "Mid-Frequency". La prédiction du comportement dynamique des structures est une tâche importante dans la phase de conception de tout produit mécanique. Le choix de l’outil ou de la méthode utilisée dépend de plusieurs facteurs. Pour un système dynamique, la bande de fréquence d’étude est l’un des paramètres essentiels étant donné qu’il existe des approches appropriées pour chaque domaine fréquentiel. Ces derniers seront rapidement inapplicables en changeant le domaine d’application. Par exemple, les méthodes dites hautes fréquences ou globales sont très limitées dans la partie basse du spectre. De même, les méthodes dites basses fréquences deviennent, numériquement, très lourdes et peu performantes si l’on monte en fréquence. Les moyennes fréquences représentent alors les hautes fréquences pour les méthodes globales et les basses fréquences pour les méthodes locales. Comme les incertitudes jouent un rôle important dans les comportements vibratoires en moyennes fréquences, le travail présenté de ce mémoire est une contribution à la recherche d’une approche peu coûteuse en temps de calcul permettant l’extension d’une méthode locale : la méthode des éléments finis ondulatoires, à cette bande de fréquence pour les systèmes à caractère non déterministe. Cette contribution consiste à tenir compte des incertitudes présentes dans le système étudié pour évaluer la dispersion des différents paramètres (spectraux, de diffusion, dynamiques, etc.) et leurs effets sur la réponse globale (cinématique et énergétique) de la structure. Le travail présenté peut être partagé en deux parties. La première concerne le développement des formulations explicites et directes des dispersions des différents paramètres. Cette partie se base sur l’utilisation de la méthode de perturbation à l’ordre un. La deuxième partie est une généralisation de la première. En effet, l’utilisant de la projection des variables aléatoires sur la base des polynômes de chaos permet une évaluation plus générale des effets des incertitudes sur la dynamique des structures périodiques en moyennes fréquences. / The prediction of dynamic behavior of structures is an important task in the design step of any mechanical product. There are many factors affecting the choice of the used methods. For a dynamic system, the frequency band under study is one of the important parameters since for each frequency range exists its appropriate approach which can be quickly inapplicable in other domains. For example, the high frequency methods are very limited in the lower part of the spectrum. Similarly, the so-called low-frequency methods become numerically inefficient if it goes up in frequency range. The mid-frequencies then represent the high-frequencies for global and low frequencies for local methods. Knowing that uncertainties play an important role on the vibro-acoustics behavior in mid-frequencies, the presented work is a contribution to the research approach, with inexpensive computing time, allowing the extension of a local method, called ’the wave finite element method’, in this frequency band. These contributions consist in taking into account uncertainties in the studied system to evaluate the dispersion of all parameters (spectral, diffusion, dynamics, etc.) and their effects on the global response (kinematic and energetic) of the structure. The presented work can be divided into two main parts. The first one involves the development of an explicit and direct formulation describing the dispersion of different parameters; this part is based on the first-order perturbation method. The second part is a generalization of the first one; indeed, using the chaos polynomial projection of all random variables allows a more general assessment of the effects of uncertainties on the dynamics of periodic structure in mid-frequency range.

Avec le remplacement des réseaux hydrauliques et pneumatiques à bord des aéronefs par des réseaux électriques, le nombre d'équipements embarqués pour assurer un bon fonctionnement augmentera. Le passage à un avion entièrement électrique permettrait de réduire les couts de production et fonctionnement, assurerait une meilleure fiabilité des systèmes, et réduirait l'impact écologique de la circulation d'un tel appareil. En effet, un tel avion serait plus léger qu'un avion actuel. Pour s'assurer de cela, il est nécessaire de réduire la masse des équipements embarqués servant à la gestion, la mise en forme, la distribution d'énergie électrique. Le dimensionnement et l'optimisation de la masse des équipements embarqués est donc une problématique fondamentale dans le développement de l'avion plus électrique. Cette masse est majoritairement fixée par les systèmes de refroidissement lorsque l'on considère des systèmes de conversion d'énergie. Parmi l'ensemble des systèmes de refroidissement disponibles et dédiés au refroidissement des convertisseurs statiques, deux grandes technologies ont été sélectionnées, dans l'objectif d'en produire des modèles dédiés à des routines d'optimisation. Les dissipateurs à ailettes droites en convection forcée, ainsi que les systèmes associant dissipateurs à ailettes et caloducs seront modélisés au cours de ces travaux de thèse. Des modèles analytiques de ces systèmes de refroidissement seront proposés, dans l'optique de pouvoir optimiser au mieux leur masse tout en assurant un bon fonctionnement thermique. Même si de nombreuses méthodes de dimensionnement et d'optimisation dédiées aux systèmes de refroidissement existent, notre choix de modélisation s'est porté sur une représentation analytique. En effet, ce type de modélisation est déduit d'une résolution exacte de l'équation de la chaleur pour représenter des configurations géométriques et thermiques simples. Les configurations sélectionnées correspondent à des configurations simples à modéliser analytiquement. L'avantage de tels modèles réside dans le fait que le comportement thermique de systèmes de refroidissement, i.e de la température de la source de chaleur à l'ambiant, est une fonction des paramètres géométriques, des matériaux et des conditions environnementales des systèmes de refroidissement. Ce sont donc des modèles très rapides d'exécution qui donnent une solution exacte du comportement thermique des dissipateurs modélisés. Ils présentent donc un réel intérêt dans l'optique d'optimiser la masse de ces systèmes. / The replacement of hydraulic and pneumatic network embedded in aircraft by electrical network will increase the number of embedded systems to ensure the effective functioning of the aircraft. The development of an electrical aircraft will allow the reduction of production and functioning costs. It will also help ensure a better reliability of systems and will reduce the ecological impact of the aircraft circulation. This kind of plane would be lighter than a usual one. To be sure of this, it is necessary to reduce weight of embedded equipment's dedicated to management, conversion and distribution of electrical energy. The sizing and the optimization of embedded equipment's weight is a critical issue in the development of more electrical aircraft. This weight is mostly defined by heat transfer systems, when we consider the sizing of energy conversion system A lot of heat transfer system exists and are dedicated to the cooling of power converters. We selected two of these heat transfer system, in order to produce models of them. These models will be used in optimization routines. Plate fin heat sink in forced convection, and system assembly, combining heat pipe and plate fin heat sink, will be modelled during this thesis. Analytical models of these heat transfer systems will be developed, to optimize their weight and ensure a good cooling of electrical systems. Even if lots of dimensioning and optimization methods exists, dedicated to heat transfer systems, we choose to use analytical modelling. This kind of models gives an exact solution to the heat equation, to describe simple geometric and thermic configurations. Selected heat transfer systems can be simply described. The main advantage of these models is that it represents the thermal behavior of the system as a function of its geometrical parameters, materials and environmental conditions. Execution of these models is very fast and gives a precise solution of the thermal parameters of the described configuration. There is then a real interest to use this type of models to optimize weight of heat transfer systems, and then power converter.

Dans le cadre de la prévention des pathologies osseuses, l'étude présentée a pour but de tester une nouvelle méthodologie d'évaluation du risque fracturaire de l'os spongieux de calcanéum humain. En s'appuyant i) sur des données cliniques (de densité minérale osseuse, de microstructure, DXA, Scanner X, Histomorphométrie) et ii) sur des techniques d'imagerie haute définition (IRM à 78 µm et tomographie à 10 µm), l'objectif est d'estimer les propriétés mécaniques de l'os spongieux (Module d'Young et contrainte maximale de compression). Deux types d'essais mécaniques ont été mis en œuvre : essais de compression sur échantillons cubiques d'os spongieux, essai de micro-flexion sur trabécules osseuses. Différents modèles par éléments finis (MEF) de ces essais ont été construits et permettent de déterminer les propriétés mécaniques du tissu trabéculaire. Le risque fracturaire pourrait être évalué par quantification de la charge de ruine et du degré de déformation de ce tissu. Les résultats de cette méthodologie sont alors confrontés aux méthodes classiques d'évaluation clinique du risque fracturaire.

Les travaux de thèse présentent une étude comparative d'actionneurs électromécaniques à course limitée régulant la position d'un obturateur dans une boucle d'air d'un moteur thermique. Les normes européennes sur la limitation des rejets polluants imposent de nouveaux besoins sur les performances dynamiques et mécaniques des actionneurs. Un état de l'art sur la boucle d'air des moteurs thermiques montre que deux topologies d'actionnements sont devenus majoritaires : l'une se compose d'un moteur à courant continu (MCC) à balais et d'une transmission de puissance par engrenage, l'autre est une machine sans balais à entraînement direct sur l'obturateur. La description de ces topologies montre une approche multiphysique utilisant la mécanique, l'électricité, le magnétisme, la thermique et l'automatique. À l'aide d'un cahier des charges, quatre architectures magnétiques de machines à entraînement direct ont été modélisées et optimisées en régime linéaire. Chaque machine est constituée d'aimants permanents au rotor et d'un circuit magnétique à dents polaires bobinées. De ces quatre machines, une d'entre elles est choisie sur le critère de la performance de couple par unité de volume en vu d'être optimiser sur le critère de la consommation minimale de l'énergie électrique. Pour jauger des résultats obtenus, la topologie MCC avec un réducteur à engrenage à deux étages de réduction est paramétrée et optimisée avec les mêmes contraintes et le même objectif. Les méthodes présentées associent les contraintes physiques et dynamiques sur le dimensionnement de l'actionneur et évoluent vers une optimisation de l'ensemble actionneur, électronique de puissance et loi de commande.

Dans ce rapport nous décrivons les nouvelles possibilités offertes par les algorithmes d'optimisation génétiques dans le domaine de l'électrotechnique. Après avoir analysé les différentes méthodes d'optimisation existantes, nous mettons en évidence leur points forts et leurs points faibles en les comparant sur différents cas tests. Les conclusions et les constations issues de ces confrontations nous ont guidé pour développer un algorithme d'optimisation perfonnant c'est-à-dire à la fois capable de localiser l'optimum global et peu coûteux en nombre d'évaluations de la fonction à optimiser. L'introduction d'infonnations supplémentaires concernant la "nature" des paramètres du problème traité s'est avérée fondamentale pour les algorithmes génétiques et ce point a été abordé car nous n'avons pas voulu limiter nos optimisations à un domaine bien particulier de l'électrotechnique. Les algorithmes d'optimisation mis au point ont été validés sur trois applications distinctes: - Optimisation de la forme d'un refroidisseur pour composant de puissance. - Optimisation de maillages tridimensionnels pour des logiciels éléments fInis . - Optimisation de la forme d'un dispositif électromagnétique composé de bobines supraconductrices.