Ce travail porte sur la modélisation des supraconducteurs à haute temperature critique (SHTC) et il est realisé dans le cadre du projet européen BIG–POWA. Ce projet réunit partenaires industriels et universitaires et a comme objectif la conception et l'exploitation de nouveaux câbles SHTC à base de fil OPIT Bi-2223, en particulier pour usage alternatif. Le but de ce travail est l'amélioration du modèle numérique supraconducteur récemment introduit dans le logiciel de calcul par éléments finis Flux3D®. Le modèle numérique utilise des modèles macroscopiques et permet accéder aux différentes grandeurs électromagnétiques. Pour faire évoluer le modèle on a integré le caractère anisotrope des phénomènes et on a pris en compte le caractère axisymetrique de certains dispositifs. Une approche expérimentale (mesures de pertes AC, études en régime de surintensité) permet de valider et de compléter la partie modélisation.

La méthode des éléments finis stochastiques (MEFS) a été développée pour modéliser l'aléa sous la forme de variables aléatoires de type quelconque dans le cadre de la mécanique linéaire élastique. Elle consiste à écrire les composantes de la réponse aléatoire du système sous la forme d'une série polynomiale de variables aléatoires (baptisée chaos polynomial), dont les coefficients sont obtenus par une méthode de type Galerkin. Le champ d'application de cette méthode étant limité, de nouvelles méthodes, dites non intrusives, permettant le calcul du développement de la réponse dans la base du chaos polynomial ont été recherchées.<br />Les méthodes MEFS et non intrusive ont été testées et comparées sur des exemples de mécanique élastique linéaire. Enfin les approches non intrusives ont été utilisées dans un cas de mécanique de la rupture non linéaire.

La méthode Symbolique Implicite Monte Carlo permet d'obtenir une approximation de la solution de l'équation du transport. Dans la méthode originelle, les fonctions d'approximation étaient choisies constantes par morceaux. On démontre qu'en prenant des fonctions linéaires par morceaux, cette méthode possède alors la limite diffusion, c'est à dire qu'en milieu diffusif, elle approche la solution de l'équation de diffusion même lorsque la taille des mailles est grande vis à vis du libre parcours, à condition que celle ci reste suffisante pour résoudre l'échelle de la diffusion. On montre que les conditions aux limites en milieu diffusif approchent, sous certaines hypothèses, les conditions aux limites exactes, ce qui autorise un traitement précis des couches limites sans devoir les mailler finement. On présente des tests numériques étayant cette analyse. On étudie également des schémas aux éléments finis linéaires discontinus et on explique pourquoi ces schémas possèdent la même limite diffusion ainsi que les mêmes conditions aux limites en milieu diffusif que la méthode Symbolique Implicite Monte Carlo.

Cette thèse a pour objectif d'étudier la modélisation et la résolution numérique de la macroségrégation pendant la solidification de lingots d'alliages métalliques binaires. La macroségrégation est une hétérogénéité de la concentration en éléments d'alliages à l'échelle du lingot. Ces changements de concentration affectent de manière importante les propriétés mécaniques et chimiques du matériau. Il est donc essentiel de pouvoir prédire ces hétérogénéités pour assurer la qualité des lingots. Après avoir décrit le contexte tant industriel que bibliographique de ce travail, nous préciserons les différents modèles implémentés dans le code de calcul THERCAST, un logiciel de solidification développé au CEMEF. La description des équations macroscopiques employées sera précédée d'une discussion sur la manière de valider la modélisation de la macroségrégation. Nous aborderons ensuite la théorie du remaillage adaptatif et nous décrirons les éléments essentiels de la stratégie de remaillage développée dans le cadre de cette thèse. Ces modèles seront appliqués à la simulation de la solidification de plusieurs lingots. La validation se fera sur un lingot de petite taille par comparaison avec des résultats expérimentaux et des simulations avec d'autres logiciels. Ensuite nous analyserons en détail les prédictions de THERCAST sur un lingot plan, un lingot 3D similaire à un lingot industriel et finalement un lingot plus petit qui nous permettra une étude numérique plus complète. Les limitations de notre modélisation et les phénomènes qu'elle a permis de mettre en évidence seront enfin discutés et permettront de définir quelques orientations intéressantes pour poursuivre cette étude de la macroségrégation.

Les propriétés des matériaux ferroélectriques proviennent principalement de l'influencedes conditions aux limites et des déformations sur la polarisation. Cette influence est encoreplus grande à de petites échelles ou des structures particulières de la polarisation apparaissent,comme les vortex dans les cubes quantiques ou des structures en rayures dans lescouches minces. Pour le calcul, à très basses échelles, de telles structures de polarisation, lesHamiltonien effectifs, basés sur les calculs ab-initio sont les plus utilisés. Parallèlement Lesmodèles continus sont préconisés à plus grandes échelles. Néanmoins, il n'existe pas de lienentre ces deux modèles. Le but de cette thèse est alors de construire une approche permettantde relier ces deux modèles et par cela même ces différentes échelles.Notre modèle se base sur un Hamiltonien effectif écrit pour le titanate de baryum enfonction de la polarisation et des déformations. Cet Hamiltonien est reformulé de façon àdécrire un milieu continu. Les difficultés de cette reformulation proviennent des interactionsnon locales. Le résultat est alors un système d'équations aux dérivées partielles, décrivantl'équilibre et les conditions aux limites. La température est ensuite introduite de façon effectivedans les coefficients de ces équations. Notre modèle ressemble fortement aux modèlesde Landau.Une telle approche est appliquée dans les cubes quantiques et les couches minces óu l'organisationdes domaines dépend de la taille. Les résultats montrent l'implication de la méthodedes éléments finis sur la précision. La formation de vortex dans les cubes quantiquesest bien reproduite. L'agencement en domaines de polarisation alternée dans les couchesminces est elle aussi bien reproduite pour les couches minces. De plus en augmentant l'épaisseurde ces couches minces, la périodicité de cet agencement alterné est modifié, comportementdécrit par la loi de Kittel qui est ici calculée et comparée aux résultats expérimentaux.

Lorsque ce travail a démarré en 1972, la méthode des éléments finis sous l'impulsion de P. Silvester et de l'équipe de Mc Gill commençait à pénétrer dans le domaine de l'électrotechnique. Elle était alors en concurrence avec la méthode des différences finies longuement étudiée par E.A. Erdelyi et ses chercheurs de l'Université du Colorado. Ces deux méthodes étaient cependant considérées comme des outils mathématiques destinés au calcul des champs magnétiques (ou électriques) dont la connaissance permettait alors d'accéder à d'autres grandeurs dont la connaissance est nécessaire à l'ingénieur. Nous avons d'abord orienté notre recherche dans ce sens en essayant toutefois de rechercher plus une méthode de modélisation de la machine qu'un outil de calcul des champs. C'est la raison pour laquelle nos travaux ont été orientés vers la définition d'éléments permettant une bonne représentation de la géométrie de la machine. Ce souci de réaliser des modèles facilement utilisables nous a toujours guidés dans la construction d'un programme de calcul interactif dont le maniement par l'ingénieur puisse être rendu aisé grâce à l'existence de certains modules de contrôle des données et d'observation des résultats. Le souci de conserver à ce programme un temps de réponse suffisamment performant pour justifier l'utilisation conversationnelle nous a fait optimiser les algorithmes de résolution. L'ensemble ainsi construit constitue le système FLUX maintenant opérationnel et dont l'existence d'un manuel d'utilisation ne justifiait pas l'insertion au sein de cette thèse. L'expérience que nous avons acquise au cours de nos travaux et l'évolution des recherches maintenant très nombreuses effectuées sur la méthode des éléments finis nous a conduits à considérer la méthode des éléments finis comme un véritable instrument de conception assistée par ordinateur des dispositifs électromagnétiques. Lorsque l'on réfléchit à l'utilisation de l'ordinateur dans l'analyse des systèmes physiques on est très vite frappé par le rôle fondamental joué dans tous les exemples étudiés par le principe de décomposition et méthodologie de l'approximation. C'est la raison pour laquelle nous avons au cours de notre premier chapitre replacé les méthodes numériques dans le cadre de l'étude des systèmes où elles constituent une étape particulière de la décomposition et s'appuient toujours sur une méthode d'approximation. Le souci d'adapter la méthode des éléments finis à la conception assistée des dispositifs électromagnétiques les plus généraux nous obligeait à la recherche d'une formulation aussi générale que possible de la fonctionnelle énergétique dont l'optimisation sera la base de l'application de la méthode des éléments finis. Nous avons développé cette fonctionnelle (dans le chapitre II) pour l'analyse des champs tridimensionnels dans des milieux non linéaires pouvant être le siège de courants de Foucault. La fonctionnelle construite il restait à définir la décomposition du domaine et l'approximation des grandeurs physiques elles mêmes sur ce domaine, c'est l'objet du chapitre III où nous développons la construction des éléments finis de références que nous appelons simplexes et dont la connaissance (forme et fonctions de base) permet la construction de familles d'éléments dont l'assemblage permet la modélisation de tous les domaines rencontrés dans les applications pratiques. Enfin, la modélisation et la simulation de tout convertisseur électromécanique ne pouvait se concevoir sans un travail de réflexion approfondi sur les forces de toute nature dont ce convertisseur est le siège et sur les moyens d'évaluer ces forces. La dualité qui existe au sein de la fonctionnelle entre la notion de potentiel vecteur et celle de déplacement permet d'appliquer directement le principe des travaux virtuels pour obtenir à partir de la fonctionnelle d'énergie une formulation originale des forces exercées sur tout élément de surface soumis à un déplacement. La conclusion de notre travail développera quelques unes des directions de recherches dans lesquelles nous souhaiterions voir s'engager les travaux à venir...

Le pliage est un procédé a priori élémentaire de mise en forme des tôles métalliques. La complexité des pièces techniques actuelles rend cependant pointues les opérations de pliage industriel. Le retour élastique apparaissant sur les pièces complexes après retrait des outils ne peut plus être anticipé simplement. Le problème posé est alors typique en mécanique : trouver la géométrie finale du flan en fonction des conditions aux limites imposées en forces et déplacements. Formellement, cela revient à résoudre un système d'équations différentielles dépendant du temps et des variables d'espace dont les conditions initiales sont données par les conditions aux frontières du volume. Le modèle de plasticité choisi pour le matériau et son identification sont déterminants pour la qualité de la solution. On réduit dans la mesure du possible la complexité du problème général par des hypothèses simplificatrices. L'intégration des équations réduites s'effectue alors analytiquement ou par une intégration numérique simplifiée. Toutefois les hypothèses nécessaires sont ici trop réductrices et limitent l'application à des cas d'école. Le pliage industriel ne peut finalement être modélisé qu'avec un code éléments finis. Celui-ci reproduit les phénomènes rencontrés lors d'un pliage industriel : courbure anticlastique, décalage de la fibre neutre, estampage... Une discussion est menée pour voir sous quelles conditions une simulation 2D diminuant les temps de calculs s'applique. Ces modèles fiabilisés sont utilisés couplés avec des méthodes d'analyses modales des défauts de forme pour optimiser les outillages.

Dans une première partie, on introduit des estimateurs d'erreur a posteriori pour l'équation de la chaleur<br />dans R^d, d=2,3 via une méthode d'éléments finis non conformes en espace et un schéma d'Euler implicite en temps. Pour cette discrétisation, on élabore un indicateur d'erreur résiduel spatial basé sur les sauts des dérivées normales et tangentielles de notre approximation, ainsi qu'un indicateur résiduel temporel basé sur le saut du gradient à chaque pas de temps. Les bornes inférieures et supérieures de la norme de l'erreur forment les résultats principaux de cette étude. En outre, on montre que ces estimateurs sont fiables et efficaces. Dans une seconde partie, on traite le problème de Stokes dynamique. L'élaboration des estimateurs a posteriori est également basée sur des estimateurs spatiaux et temporels. Une preuve de leur fiabilité et de leur efficacité est donnée. Finalement, les tests numériques et un algorithme adaptatif confirment les prévisions théoriques et le bon comportement de ces estimateurs.

La simulation numérique de correction chirurgicale de la scoliose peut apporter une aide précieuse à la planification d'une stratégie optimale pour un patient donné. Au cours des études précédentes menées au Laboratoire de Biomécanique, un premier modèle a été développé, et la faisabilité d'une telle simulation numérique personnalisée de chirurgie a été démontrée. Toutefois, l'extrême complexité et l'opérateurdépendance de ce modèle représentent un frein à son utilisation dans un cadre clinique. L'objectif de notre travail est, d'une part, de reprendre cette modélisation afin d'en améliorer deux éléments clefs pour une future utilisation clinique: l'automatisation de la personnalisation des propriétés mécaniques, et la robustesse (stabilité numérique et opérateur-indépendance) de la simulation de chirurgie. D'autre part, la modélisation de différents cas cliniques vise à évaluer la pertinence du modèle, et à mieux comprendre les mécanismes de correction. L'identification des propriétés mécaniques du rachis à partir de données in vivo (test clinique d'inclinaison latérale ou "bending"), a été automatisée en développant un algorithme d'optimisation guidée par de la connaissance a priori. La précision de cet outil a été évaluée sur des données in vivo issues des dossiers de trente patients scoliotiques. La simulation de chirurgie de correction de la scoliose a été rendue stable et opérateur-indépendante pour deux techniques différentes: par rotation de tige - instrumentation Cotrel- Dubousset ou CD - et par cintrage in situ ou CIS. En particulier, un algorithme spécifique définit et simule les séquences de cintrage in situ en accord avec l'expertise clinique. La cohérence de la simulation de chirurgie a été évaluée, tant au regard des données post-opératoires in vivo (issues des dossiers de vingt et dix patients scoliotiques pour les chirurgies respectives CD et CIS) que des mouvements vertébraux en per-opératoire (à partir de la littérature). Enfin, de multiples alternatives chirurgicales ont été envisagées, et différents concepts de correction ont été analysés sur le plan biomécanique. Notre travail ouvre des perspectives concrètes vers une utilisation en clinique de l'outil de simulation numérique personnalisée de chirurgie pour aider à la compréhension des mécanismes de correction, voire à la planification du geste chirurgical.

Le sujet de cette thèse est l'étude du spectre de l'opérateur de Koiter pour des coques minces en fonction de leur épaisseur. On se restreint au cas de coques minces axisymétriques et encastrées. L'opérateur de Koiter se décompose en un opérateur de membrane indépendant de l'épaisseur et un opérateur de flexion. Le spectre de l'opérateur de Koiter est discret alors que celui de la membrane contient du spectre essentiel. En utilisant la symétrie axiale du problème, on décompose les opérateurs en fonction de la fréquence angulaire k. Dans une démarche constructive, on cherche les solutions du problème aux valeurs propres comme séries formelles en puissances inverses de k. On obtient alors un théorème de réduction formelle général ramenant le problème à l'étude d'un problème scalaire. On s'intéresse ensuite au cas d'une coque cylindrique et on exhibe une famille de quasimodes correspondant aux plus petites valeurs propres. Lorsque l'on rajoute l'opérateur de flexion, on sélectionne alors un mode k dépendant de l'épaisseur et il apparaît des couches limites. On exhibe également des quasimodes dans ce régime. Des simulations numériques à l'aide de la librairie d'éléments finis Melina pour l'opérateur de membrane et pour le modèle sous-jacent de Lamé ont justifié nos résultats théoriques.