Pour rester à la pointe de l’innovation, les constructeurs automobiles s’intéressent au développement de châssis allégés dans l’objectif de diminuer la consommation de carburant et d’améliorer la conduite. Les procédés d’assemblages représentent une part importante du coût d’un châssis et les joints sont les zones les plus critiques d’un assemblage. Cette maitrise s’intéresse à la problématique du soudage dans le cadre de l’utilisation d’alliage d’aluminium pour des structures soumis à des sollicitations de fatigue. Ce travail est axé autour d’une méthodologie mise en place pour l’étude d’un joint générique provenant d’un châssis de véhicule automobile. Nous avons tout d’abord cherché à obtenir la courbe contrainte-déformation précise de l’aluminium 6061T6 utilisé pour le châssis par des essais de traction sur éprouvettes. Des essais de traction et de dureté ont également été réalisés afin de déterminer l’impact d’un cordon de soudure sur la tenue mécanique de l’assemblage. Nous avons ensuite étudié un joint particulier du joint. La méthodologie a été d’abord applique à un joint en acier afin de valider la démarche. Un gabarit a été conçu afin de reproduire le chargement réel subit par le joint ainsi qu’un modèle numérique de cet ensemble pour déterminer les valeurs de vérin a appliqué par les vérins du banc d’essai de fatigue. Cet essai a permis de valider la démarche qui a ensuite été appliquée au joint en aluminium. Cet essai a permis de valider la géométrie et le procédé d’assemblage utilisé pour le châssis en aluminium.

Cette recherche a pour but de faire la modélisation par éléments finis d'un toit d'hélicoptère, de comparer les données calculées aux données expérimentales et de déterminer si l'on peut appliquer un contrôle optimal sur le système. Le projet fait partie d'un programme visant à réduire le bruit et les vibrations dans une cabine d'hélicoptère. Il est fait en collaboration avec Bell Helicopter Textron Canada Limited, le Consortium de Recherche et d'innovation en Aérospatiale au Québec (CRIAQ) et le Groupe d'Acoustique de l'Université de Sherbrooke. La recherche commence par l'analyse du comportement vibratoire de l'ensemble toit-support de transmission d'un hélicoptère Bell 407. Les chemins de transfert primaires et secondaires ont été identifiés en plaçant des accéléromètres à 63 positions différentes sur le toit et en mesurant les vibrations à ces endroits. En second lieu, le modèle par éléments finis, réalisé avec FEMAP, est présenté ainsi que les paramètres de calculs. Pour valider les résultats, les spectres des chemins de transfert du modèle sont comparés aux chemins de transfert expérimentaux. Ensuite, les forces primaires équivalentes sont calculées. Elles sont appliquées sur le modèle afin de comparer le comportement du modèle à l'excitation primaire expérimentale mesurée sur le toit de l'appareil. Enfin, une simulation du contrôle actif optimal est effectuée sur les signaux expérimentaux et les données numériques. Différentes configurations de capteurs d'erreur ont été comparées. On souhaite connaître la configuration permettant de mieux contrôler les vibrations du toit. Par la suite, cette simulation vise à déterminer si le contrôle actif optimal est possible sur un toit d'hélicoptère se rapprochant de la production en fonction des différentes configurations.

Le bruit généré par les avions lors des phases de décollage et d'atterrissage est un sujet d'intérêt actuel dans l'industrie aéronautique. Il peut devenir critique avec l'urbanisation croissante des populations, celle-ci contribuant à l'augmentation du trafic aérien et le rapprochement des aéroports avec les zones habitées. Pour prévenir cette problématique, les centres de recherches et les industriels de l'aéronautique se regroupent pour développer des solutions technologiques communes. Dans le cadre général de ce projet sur la réduction du bruit global des avions civils, un système de réduction se base sur le principe du contrôle actif du bruit tonal d'interaction rotor/stator. Celui-ci est en effet, avec le bruit de jet, une des principales causes de nuisance sonore au décollage et à l'atterrissage. Pour cela, des sources d'anti-bruit sont placées à l'intérieur du conduit à proximité de l'interaction rotor/stator afin de l'annuler. L'objectif de ce projet de maîtrise est de modéliser une des sources d'anti-bruit utilisée dans le contrôle. Celle-ci est placée sur chaque aube composant la grille de stator. Elle est constituée d'une aube dans laquelle est inséré un actionneur piézoélectrique. Ce dernier est ensuite recouvert de plaques perforées permettant de garder une transparence acoustique et un profil aérodynamique, puis commandé électriquement. Le comportement vibratoire de l'aube instrumentée est simulé à l'aide du logiciel éléments finis COMSOL MULTIPHYSICS. Cela permet d'estimer le rayonnement acoustique de la source secondaire. Les paramètres du modèle sont ensuite ajustés par des mesures expérimentales puis les résultats obtenus validés expérimentalement. Cette caractérisation vibro-acoustique conduit au final à la modélisation de l'aube instrumentée par une source acoustique compacte, que l'on peut introduire dans un modèle analytique simplifié de turboréacteur afin de réaliser des simulations de contrôle.

Ce projet vise à implanter l'élastographie par résonance magnétique (ERM) multifréquentielle au Centre hospitalier universitaire de Sherbrooke (CHUS), dans le but de pouvoir acquérir des données expérimentales sur des fantômes qui reproduisent les propriétés mécaniques du cerveau. La réalisation d'une élastographie de qualité nécessite le développement d'un système d'actionnement précis et facile d'utilisation pour créer une onde de cisaillement harmonique induite dans le tissu étudié. L'information sur les propriétés mécaniques est obtenue grâce à l'utilisation de la méthode de reconstruction d'inversion non linéaire par sous-zones (NLI). Cette méthode nécessite l'utilisation de la méthode des éléments finis pour calculer les propriétés mécaniques et requiert donc un traitement des données tirées de l'appareil d'imagerie par résonance magnétique (IRM), notamment une discrétisation du domaine étudié. Ce mémoire présente toutes les étapes réalisées afin d'être en mesure de réaliser une ERM multifréquentielle en partant du système générant l'excitation à l'intérieur de l'IRM, jusqu'au traitement post-reconstruction permettant d'obtenir la cartographie des propriétés mécaniques recherchées. Un système d'actionnement permettant de réaliser une ERM sur des fantômes de tofu a été conçu. Il a comme principales caractéristiques de produire des ondes mécaniques harmoniques dans une plage fréquentielle de 10 à 70 Hz de façon répétable. Parallèlement à la conception et la fabrication de ce système d'actionnement, de nombreuses reconstructions multifréquentielles ont été réalisées sur des données acquises sur des cerveaux humains, afin de trouver les paramètres optimaux de l'algorithme de reconstruction. Ces nombreuses analyses ont permis de mieux comprendre les paramètres limitant la reconstruction élastographique multifréquentielle, mais aussi de trouver et corriger des erreurs s'étant glissées dans la programmation de cet algorithme. Dans le but d'être un jour capable de réaliser une élastographie multifréquentielle sur une plage fréquentielle allant de 1 à 70 Hz, l'élastographie avec excitation intrinsèque a aussi été implantée au CHUS. Une analyse préliminaire, présentée dans ce document, a été réalisée à partir des données acquises avec cette technique.

Les techniques sur la récupération d'énergie qui visent à permettre aux réseaux de capteurs sans fil (Wireless Sensor Network, WSN) de devenir autonomes, sont reconnues comme des élément cruciaux pour répondre aux futurs besoins des objets connectés portés par l'internet des objets (Internet of Things, IoT). C’est dans ce contexte que les matériaux fonctionnels piézoélectriques et magnétostrictifs, qui peuvent être utilisés dans une large gamme de systèmes de récupération d'énergie, ont un regain d’intérêt au cours de ces dernières années. Cette thèse porte sur la modélisation multiphysique de ces deux matériaux fonctionnels avec la méthode éléments finis et par la réduction de modèle pour les systèmes qui en résultent, sur la base de la décomposition propre généralisée (Proper Generalized Decomposition, PGD). La modélisation de ces matériaux fonctionnels reste difficile bien que la recherche dans ce domaine a été l'objet de plusieurs études depuis des décennies. Une multitude de difficultés existent, parmi lesquelles les trois suivantes qui sont largement reconnues. La première difficulté résulte de la description mathématique des propriétés de ces matériaux qui est compliquée ; ce qui est particulièrement vrai pour les matériaux magnétostrictifs pour lesquels leurs propriétés dépendent de facteurs environnementaux externes tels que la température, la contrainte et le champ magnétique d’excitation. La deuxième difficulté résulte des effets de couplage entre les champs électromagnétiques, élastiques et thermiques qui doivent être considérés mutuellement, ce qui est au-delà de la capacité de la plupart des outils de simulation existants. La troisième difficulté vient du fait que les systèmes deviennent de plus en plus compacts pour être intégrés et/ou embarqués. Dans ce cas la modélisation multi-échelle est nécessaire, ce qui signifie que des modèles numériques tridimensionnels (3D) doivent être employés. Le travail présenté ici fournit des solutions pour répondre aux difficultés mentionnées. Une modélisation multiphysique sur la base des formes différentielles est d'abord établie. Dans cette modélisation, les quantités sont discrétisés en utilisant les éléments de Whitney appropriés. Après la discrétisation, le système est résolu en un bloc unique, ce qui évite les itérations entre les solutions physiques différentes tout en conduisant à des convergences rapides. La formulation prend en compte, la loi de comportement linéaire des matériaux piézoélectriques, et une loi de comportement non linéaire pour les matériaux magnétostrictifs basée sur le principe de l’énergie libre exprimé par le modèle (Discrete Energy-Averaged Model, DEAM). La mise en œuvre de notre formulation permet de décrire les comportements des matériaux fonctionnels piézoélectriques et magnétostrictifs à des coûts numériques raisonnables. Suite à cela, deux algorithmes basés sur la PGD pour la réduction de modèle sont proposés. Ces deux algorithmes ont permis de réduire considérablement le problème dimensionnel des modèles multiphysiques tout en en conservant de très bonnes précisions. Les algorithmes proposés fournissent également des moyens pour gérer le couplage avec la non-linéarité d’une manière efficiente. L’ensemble de nos modèles sont vérifiés et validés par des exemples représentatifs. / The energy harvesting technology that aims to enable wireless sensor networks (WSN) to be maintenance-free, is recognized as a crucial part for the next generation technology mega- trend: the Internet of Things (IoT). Piezoelectric and magnetostrictive materials, which can be used in a wide range of energy harvesting systems, have attracted more and more interests during the past few years. This thesis focuses on multiphysics finite element (FE) modeling of these two materials and performing model reduction for resultant systems, based on the Prop- er Generalized Decomposition (PGD). Modeling these materials remains challenging although research in this area has been under- going over decades. A multitude of difficulties exist, among which the following three issues are largely recognized. First, mathematically describing properties of these materials is com- plicated, which is particularly true for magnetostrictive materials because their properties depend on factors including temperature, stress and magnetic field. Second, coupling effects between electromagnetic, elastic, and thermal fields need to be considered, which is beyond the capability of most existing simulation tools. Third, as systems becoming highly integrated whole-scale simulations become necessary, which means three dimensional (3D) numerical models should be employed. 3D models, on the other hand, quickly turns intractable if not properly built. The work presented here provides solutions in respond to the above challenges. A differential forms based multiphysics FE framework is first established. Within this frame- work quantities are discreted using appropriate Whitney elements. After discretization, the system is solved as a single block, thus avoiding iterations between different physics solutions and leading to rapid convergences. Next, the linear piezoelectric, and a free energy based nonlinear magnetostrictive constitutive model called Discrete Energy Averaged Model (DE- AM) are incorporated into the framework. Our implementation describes underlying material behaviors at reasonable numerical costs. Eventually, two novel PGD based algorithms for model reduction are proposed. With our algorithms, problem size of multiphysics models can be significantly reduced while final results of very good accuracy are obtained. Our algo- rithms also provide means to handle coupling and nonlinearity conveniently. All our methodologies are demonstrated and verified via representative examples.

Les composants face au plasma constituent la première paroi en contact avec le plasma dans les machines de fusion telles que Tore Supra et ITER. Ces composants doivent supporter des flux importants et donc des températures élevées. Ils sont composés d'un matériau de protection, le composite carbone/carbone, d'un matériau de structure, le cuivre chrome zirconium, et d'un matériau, le cuivre doux, qui sert de couche d'adaptation entre le composite carbone/carbone et le cuivre chrome zirconium. L'utilisation de matériaux différents entraîne l'apparition de fortes contraintes résiduelles de fabrication, dues à la dilatation différentielle entre les matériaux, et compromet le fonctionnement durable des machines de fusion puisque l'endommagement apparu à la fabrication peut se propager. L'objectif de la thèse est donc d'étudier l'endommagement du composite carbone/carbone et de la liaison composite/cuivre sous les sollicitations que peuvent subir les composants face au plasma au cours de leur vie. Les comportements mécaniques du composite carbone/carbone et de la liaison composite/cuivre ont donc été étudiés afin de mettre en place les modèles les mieux adaptés à la description de leur comportement. Avec ces modèles, des calculs thermomécaniques ont été réalisés sur les composants face au plasma avec le code éléments finis Cast3M. La fabrication de ces composants engendre des contraintes élevées qui endommagent le composite carbone/carbone et la liaison composite/cuivre. L'endommagement se propage lors des retours à température ambiante et non lors de l'exposition à un flux thermique. Des géométries alternatives pour les composants face au plasma ont été étudiées pour réduire l'endommagement. La relation entre l'endommagement du composite carbone/carbone et sa conductivité thermique a également été démontrée. / Plasma facing components consitute the first wall in contact with plasma in fusion machines such as Tore Supra and ITER. These components have to sustain high heat flux and consequently elevated temperatures. They are made up of an armour material, the carbon/carbon composite, a heat sink structure material, the copper chromium zirconium, and a material, the OFHC copper, which is used as a compliant layer between the carbon/carbon composite and the copper chromium zirconium. Using different materials leads to the apparition of strong residual stresses during manufacturing, because of the thermal expansion mismatch between the materials, and compromises the lasting operation of fusion machines as damage which appeared during manufacturing may propagate. The objective of this study is to understand the damage mechanisms of the carbon/carbon composite and the composite/copper bond under solicitations that plasma facing components may suffer during their life. The mechanical behaviours of carbon/carbon composite and composite/copper bond were studied in order to define the most suitable models to describe these behaviours. With these models, thermomechanical calculations were performed on plasma facing components with the finite element code Cast3M. The manufacturing of the components induces high stresses which damage the carbon/carbon composite and the composite/copper bond. The damage propagates during the cooling down to room temperature and not under heat flux. Alternative geometries for the plasma facing components were studied to reduce damage. The relation between the damage of the carbon/carbon composite and its thermal conductivity was also demonstrated.

Comme toute articulation fonctionnelle, l’articulation interphalangienne proximale(IPP) est la cible de lésions ou de pathologies pouvant compromettre les fonctions globales de la main. Les principaux objectifs d’une arthroplastie digitale sont de restituer la fonction et la stabilité de l’articulation et de réduire ou supprimer la douleur de manière durable. Le présent travail de thèse porte sur le développement et la modélisation de deux concepts prothétiques pour l’articulation IPP : une prothèse semi-contrainte en alliage de nickel-titane et une prothèse de resurfaçage. Outre le travail de dimensionnement, des essais de fatigue et d’usure sont conduits sur les deux implants. Des études complémentaires à chaque concept sont présentées. Celles-ci portent en premier lieu sur la mise en forme et les traitements thermiques de la prothèse semi-contrainte accompagnées d’une étude de relargage de nickel et une investigation sur les mécanismes mis en jeu. Enfin, une modélisation par éléments finis de l’interaction entre une prothèse articulaire et son environnement osseux est présentée de manière à évaluer la stabilité primaire des implants / As any functional joint, the proximal interphalangeal joint (PIP) is the target of hurts or of pathologies which can compromise the global functions of the hand. The main objectives of a digital arthroplasty are to restore the function and the stability of the joint and to reduce or suppress the pain in a long-lasting way. The present work of thesis concerns the development and the modeling of two concepts of PIP prostheses: a semiconstrained prosthesis made of nickel-titanium alloy and a resurfacing prosthesis. Besides the work of sizing, fatigue and wear tests are done on both implants. Additional studies are presented for each concept. First, we focus on the shaping and the heat treatments of the semi-constrained prosthesis accompanied with a study nickel ion release and an investigation on the involved mechanisms. Eventually, a finite element modeling of the interaction between the prosthesis and the surrounding bone is presented to estimate the primary stability of implants

Le traitement des sols à la chaux est une méthode couramment utilisée pour améliorer les propriétés mécaniques de sols aux performances insuffisantes. Cependant, ces améliorations mécaniques ne sont pas prises en compte dans les calculs de dimensionnement. Cette thèse propose une méthodologie pour pallier à ce problème. Un programme expérimental approfondi est réalisé afin de décrire avec précision le comportement mécanique d’un sol traité et les processus associés à la structuration introduite par le traitement. La composition chimique, et notamment la quantité de composés cimentaires hydratés, est déterminée par analyses thermogravimétriques et thermodifférentielles. Un couplage non-linéaire entre la quantité d’hydrates et la limite élastique se basant sur ces résultats expérimentaux est proposé. À partir de ces résultats, une nouvelle formulation a été développée afin de modéliser la dégradation de la structure en plasticité, et a servi au développement d’une nouvelle loi de comportement élasto-plastique basée sur le modèle de Cam Clay Modifié. Cette dernière a montré reproduire correctement les principaux traits de comportement spécifiques aux sols traités. Il est démontré que ce modèle est également adapté aux sols naturellement structurés. Afin de prendre en compte les effets du traitement et la présence de structure dans le dimensionnement, un programme basé sur la méthode des éléments finis, comprenant le pré- et le post-processing de la géométrie et des résultats du problème, a été développé. Une validation rigoureuse a confirmé l'implémentation correcte de la méthode et son potentiel pour l’optimisation du dimensionnement des ouvrages / The effects of lime treatment on the mechanical properties of soils are usually not accounted for in the design of geotechnical structures. As a result the potential of lime treatment has not been fully exploited. In this thesis, a comprehensive experimental program has been carried out to identity the key features of the mechanical behaviour of structured materials. The chemical modifications arising from lime treatment were quantified using thermal analysis methods. From these results a non-linear chemo-mechanical coupling was established between the concentration of cementitious compounds and the yield stress. Using these results, a new formulation to model the degradation of the structure at yield has been developed and implemented in a constitutive model for structured materials. This new model, developed in the framework of the Modified Cam Clay model, requires a limited number of additional parameters that all have a physical meaning and can all be determined from a single isotropic compression test. The model has proven to be successful in reproducing the key features of structured materials and for the modelling of the mechanical behaviour of lime treated specimens under various stress paths. Due to similarities in behaviour, it is shown that the formulation is also suitable for naturally structured soils. To account for a structured material in the design of geotechnical structures, a fully functional finite element program for elasto-plastic problems was developed including the pre- and post-processing of the results. A thorough validation has confirmed the good implementation of the finite element method and its suitability for the modelling of complex geometries involving structured materials

Pour relever les défis de l'observation de la Terre et de l'astronomie, les futurs observatoires spatiaux vont requérir des télescopes de plusieurs mètres de diamètre. Les différentes contraintes liées à l'environnement spatial vont induire des déformations et des désalignements des miroirs du télescope dégradant ainsi la qualité optique des observations. L'intégration de l'optique active, utilisée depuis la fin des années 80 pour l'alignement et le maintien de la qualité optique des télescopes au sol, devient donc nécessaire. Un tel système est constitué de trois éléments : un dispositif de mesure, une fonction de correction et une boucle de contrôle qui fait le lien entre les deux éléments précédents.Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire de doctorat s'attachent, d'une part, au développement d'un estimateur des perturbations minimisant le front d'onde résiduel dans le champ du télescope. L'analyse de cet estimateur et plus généralement des performances ultimes d'un système d'optique active spatial nous a permis de mettre en évidence l'impact des hautes fréquences spatiales sur la qualité optique. La présence de telles hautes fréquences dues à l'empreinte des supports du miroir primaire nous a poussés, d'autre part, à évaluer les possibilités de leur réduction dans le cas d'un miroir de grande dimension. A l'aide d'une modélisation éléments finis d'un tel miroir nous avons réalisé des modifications locales de la structure du miroir pour adapter ses déformations aux capacités de correction de l'optique active. / To meet the challenges of Earth observation and astronomy, future space observatories will require telescopes of several meters in diameter. The various space environment constraints will induce deformations and misalignments of the telescope mirrors, thus degrading the optical quality of observations. The integration of active optics, used since the late 80s for alignment and preservation of the optical quality of the ground telescopes, becomes mandatory. Such a system consists of three elements: a measuring device, a correction set-up and a control loop which links both previous elements.The research works presented in this PhD thesis focus, on one hand, on the development of a perturbations estimator minimizing the residual wave front in the telescope field of view. The analysis of this estimator and more generally of the ultimate performance of a space active optics system enabled us to highlight the impact of high spatial frequencies on optical quality. On the other hand, the presence of such high frequencies due to the primary mirror supports print through, urged us to evaluate the possibilities of their reduction in the case of large mirrors. Using a finite element model of such a mirror, we made local modifications of the mirror structure to adapt its deformation to the correcting capabilities of active optics.

Les palettes sont très largement utilisées pour le transport, le stockage et la manutention de marchandises. Une palette chargée de bouteilles d'eau (emballage tertiaire) est constituée : d'une palette en bois, des packs (emballages secondaires) contenant un ensemble de 6 bouteilles d'eau (emballages primaires) enveloppés par un film plastique, des intercalaires en carton ondulé, et d'une housse plastique rétractable ou étirable pour le maintien et la protection de la marchandise palettisée. L'objectif général de cette thèse est de modéliser et de simuler le comportement statique et dynamique d'une palette durant le transport routier à l'aide du logiciel Abaqus. La simulation détaillée des bouteilles, des packs et des intercalaires constituants la palette est très fastidieuse et complexe à mettre en œuvre. Nous proposons de réaliser l'homogénéisation sur les packs et les intercalaires pour diminuer largement le temps de préparation des géométries et des maillages, ainsi que le temps CPU. Un modèle d'homogénéisation de l'intercalaire en carton ondulé est proposé. Il consiste à calculer les rigidités globales pour une plaque homogène équivalente. Ce modèle d'homogénéisation analytique permet de calculer rapidement et correctement ces rigidités globales et leurs couplages. Le comportement suivant l'épaisseur de l'intercalaire a beaucoup d'influence sur le glissement des packs. Nous avons donc développé un modèle solide en trois couches pour prendre compte le comportement élasto-plastique suivant l'épaisseur. Le pack de 6 bouteilles d'eau a été homogénéisé en caractérisant son comportement global par des essais expérimentaux et des simulations par la méthode des éléments finis. Le remplacement des packs par des solides homogènes de forme simplifiée permet de diminuer largement le nombre d'éléments et d'éviter le traitement du contact bouteille-bouteille et bouteille-film. De nombreux essais expérimentaux et simulations numériques avec nos modèles d'homogénéisation ont été réalisés pour étudier le comportement statique et dynamique de palettes chargées de bouteilles d'eau. Les résultats obtenus par les essais expérimentaux et les simulations numériques sont comparés pour valider nos modèles d'homogénéisation. / Pallet systems are widely used for the transport, storage, stacking and handling of goods. A pallet charged with bottles of water (tertiary packaging) is composed of: a wooden pallet, packs (secondary packaging) containing a set of 6 bottles of water (primary packaging) wrapped with a plastic film, the cardboard sheet insert, and a plastic film for the maintenance and protection of the palletized goods. The aim of this thesis is to model and to simulate the static and dynamic behaviors of a charged pallet during the transport using the Abaqus software. The detailed simulation of the bottles, the packs and the cardboard sheet inserts constituting the pallet is very tedious and complex. We propose to homogenize the packs and cardboard inserts to largely reduce the time for the preparation of geometries and meshes, as well as the CPU time. A homogenization model for the cardboard inserts is proposed. It consists in calculating the global stiffness of the equivalent homogeneous plate. This analytical homogenization model allows calculating these global rigidities and their couplings quickly and correctly. The behavior in the thickness direction of the cardboard has a great influence on the sliding of the packs. We have developed a three layers solid model to take into account the elasto-plastic behavior through the thickness. The pack of 6 bottles of water is homogenized by characterizing its global behavior by experimental measurements and simulations with the finite element method. Replacing the packs by a simplified homogeneous solid permit to greatly reduce the number of elements and avoid the contact treatment between bottle-bottle and bottle-film. Many experimental tests and numerical simulations using our homogenization models have been achieved to study the static and dynamic behaviors of pallets. The results obtained by experimental tests and numerical simulations are compared to validate our homogenization models.