Dans beaucoup de problèmes de mécanique des solides, la prise en compte du contact avec frottement joue un rôle prépondérant. La bonne prédiction des effets du contact avec frottement devient un enjeu majeur pour les industriels. Malheureusement, très peu de problèmes peuvent être traités de manière analytique. Il est donc nécessaire de développer des méthodes numériques adaptées à ce type de problèmes. Dans ce travail, nous proposons une extension de la méthode du bi-potentiel, proposée par de Saxcé et Feng, pour l'analyse des problèmes d'impact entre plusieurs corps déformables dans le cadre des grandes déformations. Pour cela, nous optons pour un schéma d'intégration du premier ordre à la place d'un schéma plus classique du second ordre (Newmark, HHT, . . .). Ce choix permet de ne pas faire intervenir l'accélération, non définie au moment du choc, dans les calculs. Le modèle ainsi développé combine la méthode du bi-potentiel pour la résolution du problème du contact et un schéma du premier ordre pour la discrétisation temporelle. Ce travail a abouti au code de calcul par éléments finis FER/Impact. Les différentes applications numériques proposées mettent en évidence la validité et l'efficacité de la méthode. Une attention particulière est portée à la quantification de la dissipation d'énergie par frottement.

Le caoutchouc industriel est présent dans de nombreuses applications, de la plus basique à la plus technique. Son mode de défaillance prépondérant est la rupture due à la propagation de fissures par fatigue : les sollicitations mécaniques ainsi que l'atmosphère extérieure provoquent dans un premier temps l'apparition d'une amorce de fissure. Sous l'effet des sollicitations mécaniques, cette fissure se propage jusqu'à rupture de la pièce. L'objectif de ce travail est de faciliter la simulation numérique de la propagation de fissures dans les élastomères. Pour cela, on utilise la méthode des éléments finis étendus X-FEM. Cette méthode a été développée afin de limiter le recours au remaillage dans le cadre de la fissuration des métaux. En outre, elle permet d'enrichir l'approximation éléments finis par des fonctions provenant de la physique du problème. La première partie de ce travail consiste à adapter cette méthode à la mécanique non-linéaire de la rupture. On s'intéresse en particulier au choix de la formulation de résolution ainsi qu'à la recherche de fonctions d'enrichissement adaptées. Dans un deuxième temps, on s'intéresse à l'enrichissement des formulations mixtes pour la gestion de la contrainte d'incompressibilité. Des stratégies ont été développées afin de préserver la stabilité de ces formulations. Ces enrichissements permettent la vérification de la condition inf-sup dans le cas de trous, des inclusions et des fissures sous l'hypothèse des petites perturbations. Enfin, dans une troisième partie, on détaille l'application du concept de forces configurationnelles comme critère directionnel pour la propagation de fissures 2D et 3D.

Résumé : Les véhicules aériens et terrestres sont constitués de systèmes bâtis complexes. La structure principale est généralement composée de panneaux légers renforcés par des éléments rigides. Cette solution de conception est répandue parce qu’elle allie la force et un faible poids. Cependant, on sait qu’elle offre des résultats vibroacoustiques médiocres, c’est à dire que l’effet des perturbations externes qui touchent le système peut générer un niveau de bruit excessif à l’intérieur de la cabine des passagers. C’est une préoccupation majeure chez les fabricants, parce que ce niveau de bruit nuit sensiblement au confort ressenti par les clients et peut causer de la fatigue chez les conducteurs et les pilotes. Pour cette raison, les composants passifs constitués de matériaux dissipatifs assemblés en mode multicouche sont généralement intégrés à la structure. Ces assemblées bordées intègrent surtout des matériaux poroélastiques, qui sont plutôt répandus, grâce à l’agencement intéressant de bonnes propriétés d’isolation sonore et de faible poids. L’intégration en amont des traitements de contrôle du bruit au processus de conception est la clé de succès d’un produit. Pour ce faire, des outils pratiques numériques en mesure de capter le comportement dynamique des systèmes vibroacoustiques impliquant les structures, les cavités et les matériaux d’insonorisation sont requis. D’une part, la modélisation de ces systèmes couplés en utilisant des procédés à base d’éléments finis peut être, bien que précis, irréalisable pour des applications pratiques. D’autre part, les approches analytiques telles que la méthode de matrice de transfert sont souvent préférées grâce à leur facilité d’utilisation, même si elles manquent de précision en raison des hypothèses rigoureuses inhérentes au cadre analytique. Dans ce contexte, les procédures de structuration hybrides sont récemment devenues très populaires. En effet, les différentes techniques de modélisation sont généralement recherchées pour décrire les systèmes vibroacoustiques complexes arbitraires sur la plus large gamme de fréquences possible. L’objectif du projet proposé est de mettre au point un cadre hybride offrant une mé- thodologie simple pour tenir compte des traitements de contrôle du bruit dans l’analyse vibroacoustique par éléments finis. A savoir, le modèle de calcul qui en découle conserve la souplesse et la précision de la méthode des éléments finis en bénéficiant de la simplicité et de l’efficacité de la méthode de matrice de transfert pour obtenir une réduction de la charge de calcul pour la modélisation de composants acoustiques passifs. La performance de la méthode pour prédire la réponse vibroacoustique de structures planes homogènes avec des traitements acoustiques attachées est évaluée. Les résultats démontrent que la méthode hybride proposée est très prometteuse, parce qu’elle permet une réduction de l’effort de calcul tout en conservant suffisamment de précision par rapport à l’analyse complète par éléments finis. En outre, la méthode de matrice de transfert proposée de modélisation des traitements de contrôle des bruits est générale, comme on peut l’appliquer dans d’autres cadres outre l’application de l’élément fini considéré dans ce travail. // Abstract : Aerial and terrestrial vehicles consist of complex built-up systems. The main structure is typically made of light panels strengthened by stiffer components. Such design solution is widely used as it combines strength and low weight. However, it is known to give poor vibroacoustic performances, i.e. the effect of external disturbances acting on the system may generate an excessive noise level inside the passengers cabin. This is a main concern for the manufacturers, as it significantly affects the comfort experienced by the costumers and may fatigue drivers and pilots. For this reason, passive components consisting of dissipative materials assembled in a multilayer fashion are typically integrated within the structure. These lined assemblies mainly involve poroelastic materials, which are commonly used thanks to the appealing combination of good noise insulation properties and low weight. The early integration of noise control treatments in the design process is the key to a successful product. For this purpose, practical numerical tools able to capture the dynamic behavior of vibroacoustic systems involving structures, cavities and noise proofing materials are demanded. On the one hand, modeling such coupled systems using finite element based methods can be, albeit accurate, time consuming for practical applications. On the other hand, analytical approaches such as the transfer matrix method are often preferred thanks to their ease of use, although they suffer from a lack of accuracy due to the stringent assumptions inherent within the analytical framework. In this context, hybrid substructuring procedures have recently become quite popular. Indeed, different modeling techniques are typically sought to describe arbitrarily complex vibroacoustic systems over the widest possible frequency range. The aim of this thesis is to devise a hybrid framework providing a simple methodology to account for noise control treatments in vibroacoustic finite element analysis. Namely, the resulting computational model retains the flexibility and accuracy of the finite element method while taking advantage from the simplicity and efficiency of the transfer matrix method to obtain a reduction of the computational burden in the modeling of passive acoustic components. The performance of the method in predicting the vibroacoustic response of flat structures with attached homogeneous acoustic treatments is assessed. The results prove that the proposed hybrid methodology is very promising, as it allows for a reduction of the computational effort while preserving enough accuracy with respect to full finite element analysis. Furthermore, the proposed transfer matrix based methodology for noise control treatments modeling is general, as it can be used in alternative frameworks besides the finite element application considered in this work.

Ce travail de thèse concerne la mécanique numérique du contact entre solides déformables. Il s'agit de contribuer à l'amélioration de la performance, de la fiabilité et de la robustesse des algorithmes et des modèles numériques utilisés dans les codes éléments finis en particulier Code_Aster qui est un code libre développé par Électricité De France (EDF) pour ses besoins en ingénierie. L'objectif final est de traiter les problèmes industriels de grande dimension avec un temps de calcul optimisé. Pour parvenir à ces objectifs, les algorithmes et formulations doivent prendre en compte les difficultés liées à la mécanique non régulière à cause des lois de Signorini-Coulomb ainsi que la gestion des non linéarités dûes aux grandes déformations et aux comportements des matériaux étudiés. Le premier axe de ce travail est dédié à une meilleure compréhension de la formulation dite de " Lagrangien stabilisé " initialement implémentée dans le code. Il a été démontré l'équivalence entre cette formulation et la formulation bien connue de " Lagrangien augmenté ". Les caractéristiques mathématiques liées aux opérateurs discrets ont été précisées et une écriture énergétique globale a été trouvée. Une réflexion a été mise en oeuvre en vue de renforcer de manière faible la condition cinématique sur la normale dans la zone de contact via les techniques d'optimisation sans contraintes. La nouvelle formulation est dite de " Lagrangien augmenté non standard ". Trois nouvelles stratégies basées sur le Lagrangien augmenté ont été implémentées. Il s'agit de la méthode de Newton généralisée : c'est une méthode d'optimisation qui permet de résoudre toutes les non linéarités du problème en une seule boucle d'itérations. La méthode de Newton partielle est une méthode hybride entre la méthode historique du code appelée méthode de point fixe et la méthode de Newton généralisée. Enfin, on a mis en place une façon originale de traiter le cyclage : ce phénomène apparaît souvent au cours de la résolution du problème et il entraîne la perte de convergence des algorithmes. La stratégie nouvelle permet d'améliorer la robustesse des algorithmes.