Ces travaux de thèse sont consacrés à l’analyse des phénomènes ondulatoires se produisant dans les structures périodiques : des phénomènes comme les réflexions de Bragg ou les résonances locales qui émergent dans de telles structures permettent de contrôler la propagation des ondes, et ces structures présentent donc des propriétés spécifiques. Dans le premier chapitre, des outils numériques permettant de déterminer les relations de dispersion dans les structures périodiques sont présentées, et notamment la méthode de Floquet-Bloch qui sert de référence dans l’analyse des milieux périodiques. Cette technique consiste à résoudre le problème sur une cellule unitaire avec des conditions limites adaptées, cependant l’introduction d’amortissement dans les cas 2D et 3D n’est pas facile. Elle est mise en œuvre dans le deuxième chapitre pour étudier la propagation des ondes dans un méta matériau comprenant des performations rectangulaires, hiérarchiques et auxétiques (coefficient de poisson négatif). L’influence des paramètres géométriques de la cellule sur la dispersion et les propriétés mécaniques de la structure est investiguée en utilisant une méthode d’homogénéisation. Une validation expérimentale est effectuée sur un réseau en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) en utilisant un vibromètre3d à balayage. Dans le troisième chapitre, une alternative à la méthode de Floquet-Bloch pour étudier la propagation d’ondes dans des milieux dissipatifs est décrite : la méthode intitulée « Shift cell operator ». Elle est basée sur une reformulation du problème aux équations aux dérivés partielles, la périodicité étant incluse dans le comportement global de la structure et des conditions de continuité sur les bords de la cellule sont imposés. Cette stratégie permet de résoudre le problème quelle que soit l’évolution en fréquence de propriétés de la cellule. Des outils de post-traitement des diagrammes de dispersion avec amortissement sont proposés basés notamment sur une analyse de la vitesse de groupe. Dans le dernier chapitre, la démarche est appliquées sur une structure périodique amortie consistant en un guide d’ondes bidirectionnel infini mêlant aluminium et polymère hautement dissipatif. Les résultats obtenus sur une structure finie intégrant une interface composée d’un ensemble distribué de ces cellules unitaires confirment le caractère adaptatif du méta matériau ainsi conçu. Une confrontation de ces résultats à des résultats expérimentaux a permis de confirmer ce comportement. / The understanding of wave propagation in periodic structures is proposed in this work. Periodic structures exhibit very specific properties in terms of wave propagation. First, some numerical tools for dispersion analysis of periodic structures are presented. The classical Floquet-Bloch approach is first presented, as a reference. This technique uses proper boundary conditions on the unit cell, but dealing with damping is not easy for 2D or 3D cases. Secondly, a metamaterial with hierarchical, auxetic (negative Poisson ratio) rectangular perforations is presented using the Floquet-Bloch method as a reference. Some numerical eigenvalue tools are used for the dispersion analysis of this structure. A geometric parametric investigation of these rectangular perforations using a numerical asymptotic homogenisation finite element approach is done. The experimental validation is performed with a network based on polymethyl methacrylate (PMMA) using a 3D scanning vibrometer. Third, the Shift cell operator technique is described. It consists in a reformulation of the PDE problem by shifting in terms of wave number the space derivatives appearing in the mechanical behavior operator inside the cell, while imposing continuity boundary conditions on the borders of the domain. Damping effects can be introduced in the system. This strategy make it possible to solve the problem with an arbitrary frequency dependency of the physical properties of the cell. A focus is proposed on tools for the post-processing of dispersion diagrams in damped configurations like group velocity. Finally, an adaptive metamaterial based on the combination of metallic parts with highly dissipative polymeric interface is designed. In order to validate the design and the adaptive character of the metamaterial, results issued from a full 3D model of a finite structure embedding an interface composed by a distributed set of the unit cells are presented. After this step, a comparison between the results obtained using the tunable structure simulation and the experimental results is presented.

La thèse est une contribution aux domaines du contrôle du bruit et de la caractérisation dematériaux poreux. Nous avons travaillé sur la modélisation des matériaux poreux, lacaractérisation des paramètres physiques (mécaniques et de couplages) et l’étude de moussescomposites et auxétiques.Une stratégie peu utilisée actuellement sur la caractérisation de matériaux poreux estprésentée. Elle facilite la détermination des paramètres du modèle, épargne la mise en œuvred’essais expérimentaux compliqués, implémentés généralement pour chaque paramètre, cecipermettant d’économiser du temps de calcul.Nous avons également étudié des matériaux non-classiques comme une plaque microstructuréeet une mousse auxétique. Mieux comprendre ces matériaux est de grandeimportance, puisqu’ils peuvent être utilisés pour remplacer certains matériaux classiquesd’une manière plus performante.Le travail se place dans le cadre de la vibro-acoustique générale. Nous nous intéressons àla modélisation correcte des effets des matériaux poreux sans recourir à une description tropprécise des effets de chaque paramètre du modèle utilisé. L’objectif étant d’alimenter cemodèle de poreux placé dans un système complexe. / This PhD thesis is a contribution for the noise control field and parameters identification forporous materials models. We worded on a porous materials model. The identification ofmechanical and coupling modelling parameters, a composites foams study and a auxeticfoams study was conducted.A little currently strategy conduced in order to improve the identification of mechanical andcoupling modelling parameters is presented. This quite simple method of characterizationavoids placing complex experimental measures for each parameter.We also studied non-classical materials like a micro-structured plate and an auxetic foam.Better understand those materials is important, they can be used to replace classical materialsshowing better performances.The work forms part of a general vibro-acoustic study

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Verbindung zwischen der Mikrostruktur teilkristalliner Polymere und derer mechanischen Eigenschaften auf der Mikro- und Nanometerskala aufzubauen. Dazu wurden Methoden der Rasterkraftmikroskopie verwendet um sowohl orts- als auch zeitaufgelöst Kristallisations-, Deformations- und Diffusionsprozesse in der Mikrostruktur von elastomerem Polypropylen (ePP) abzubilden. Die mechanischen Eigenschaften wurden simultan mit Mikrozugversuchen bestimmt. So konnte beispielsweise ein Zusammenhang zwischen abnehmender Kristall-Kristall-Distanz und einem Ansteigen des Elastizitätsmoduls während der Kristallisation nachgewiesen werden. Weiterhin war es möglich die Veränderung der nano-mechanischen Eigenschaften während der Kristallisation einzelner kristalliner Lamellen in deren direkter Umgebung mit MUSIC-mode Rasterkraftmikroskopie zu untersuchen. Laterale Querexpansion (auxetisches Verhalten) konnte bei uniaxialen Zugversuchen für die Kreuzschraffur-Struktur elastomeren Polypropylens auf der Größenskala einiger Mikrometer nachgewiesen werden. Zusätzlich wurde eine Orientierungsabhängigkeit dieses Effekts beobachtet. Außerdem wurde die Diffusion einzelner Kristalle in der Mikrostruktur von ePP beobachtet. Die Heterogenität dieser Diffusion lässt auf eine kristallin-amorph Grenzschicht um alle Kristalle schließen.

La première réalisation de ce travail est la construction unifiée et automatique d’un milieu continu équivalent à un treillis de poutres, dans le domaine élastique, en adoptant un modèle de poutres de Bernoulli. Une extension a été réalisée au domaine plastique, selon un algorithme de suivi de la loi de comportement après écrouissage. Suivant l’ordre des développements asymptotiques choisi, on obtient pour le comportement élastique un milieu continu classique ou micropolaire. On se restreint dans ce dernier cas aux treillis à cellules élémentaires centro-symétriques. Les codes de calculs obtenus fournissent de façon automatique les lois de comportement effectives et les modules mécaniques homogénéisés. Une grande variété de treillis, existants ou originaux, a été étudiée. Les résultats ont été systématiquement comparés aux données de la littérature et vérifiés par des simulations éléments finis avec une bonne concordance. La méthode utilisée montre également une capacité à prédire et comprendre le comportement atypique de certains treillis dits auxétiques présentant des coefficients de contraction négatifs. L’homogénéisation dans le domaine plastique a été limitée aux treillis à dominante extensionnelle. Le domaine de résistance élastique a été construit pour différents treillis, et un algorithme d’évolution du comportement avec écrouissage, de type retour-radial a été conçu et implémenté dans un code dédié. Un modèle de poutre élastoplastique à écrouissage isotrope est utilisé. L’application de l’algorithme à une simulation de charge-décharge montre une bonne concordance entre le treillis homogénéisé et les simulations éléments finis / The first achievement of this work is to construct a unified and effective continuum equivalent to a lattice of beams, in the elastic domain, using a Bernoulli beam model. An extension has been done to calculate the elastic domain resistance of such lattices and to build an algorithm for monitoring the constitutive law taking into account work hardening. The choice of the asymptotic expansions leads to a classical continuous or to a micropolar elastic continuum. We restrict in this last case our study to lattices with centro-symmetric unit cells. The numerical codes developed provide the stress-strain relationship and the effective mechanical moduli. A wide variety of trusses has been studied, either existing or original, including typical geometries of foams and various auxetic lattices, exhibiting negative contraction coefficients. The results were systematically compared with data from literature and verified by finite element simulations with a good agreement. The homogenization in the plastic range has been limited to stretching dominated lattices. The equilibrium equations of the discrete asymptotic homogenization have been used to automatically obtain the elastic resistance domain for several trusses, and a return-mapping algorithm for the follow up of the stress-strain relationship including hardening has been conceived and implemented in a dedicated code. An isotropic hardening elastoplastic model of the beam has been used. The application of the algorithm to the simulation of a loading-unloading cycle shows a good agreement between the homogenized lattice and finite element simulations

This thesis deals with the design and manufacturing of custom-made immobilization orthosis for the upper limb. Emphasis is put on the digitization of the approach and integration of additive manufacturing in the workflow of splint production. The solution proposes automatic model construction based on a 3D scan. Such a model is further parametrized in order to provide splinting practitioners with customization abilities. Particular attention is paid to the changes of limb volume due to swell, where the use of auxetic structures is suggested.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Verbindung zwischen der Mikrostruktur teilkristalliner Polymere und derer mechanischen Eigenschaften auf der Mikro- und Nanometerskala aufzubauen. Dazu wurden Methoden der Rasterkraftmikroskopie verwendet um sowohl orts- als auch zeitaufgelöst Kristallisations-, Deformations- und Diffusionsprozesse in der Mikrostruktur von elastomerem Polypropylen (ePP) abzubilden. Die mechanischen Eigenschaften wurden simultan mit Mikrozugversuchen bestimmt. So konnte beispielsweise ein Zusammenhang zwischen abnehmender Kristall-Kristall-Distanz und einem Ansteigen des Elastizitätsmoduls während der Kristallisation nachgewiesen werden. Weiterhin war es möglich die Veränderung der nano-mechanischen Eigenschaften während der Kristallisation einzelner kristalliner Lamellen in deren direkter Umgebung mit MUSIC-mode Rasterkraftmikroskopie zu untersuchen. Laterale Querexpansion (auxetisches Verhalten) konnte bei uniaxialen Zugversuchen für die Kreuzschraffur-Struktur elastomeren Polypropylens auf der Größenskala einiger Mikrometer nachgewiesen werden. Zusätzlich wurde eine Orientierungsabhängigkeit dieses Effekts beobachtet. Außerdem wurde die Diffusion einzelner Kristalle in der Mikrostruktur von ePP beobachtet. Die Heterogenität dieser Diffusion lässt auf eine kristallin-amorph Grenzschicht um alle Kristalle schließen.

<p>Metamaterials are artificially structured materials which attain their unconventional macroscopic properties from their cellular configuration rather than their constituent chemical composition. The judicious design of this cellular structure opens the possibility to program and control the optical, mechanical, acoustic, or thermal responses of metamaterials. This Ph.D. dissertation focuses on scalable design and manufacturing strategies for optical and mechanical metamaterials.<br> <br> </p> <p>The fabrication of optical metamaterials still relies heavily on low-throughput process such as electron beam lithography, which is a serial technique. Thus, there is a growing need for the development of high-throughput, parallel processes to make the fabrication of optical metamaterials more accessible and cost-effective. The first part of this dissertation presents a scalable manufacturing method, termed “roll-to-roll laser induced superplasticity” (R2RLIS), for the production of flexible optical metamaterials, specifically metallic near-perfect absorbers. R2RLIS enables the rapid and inexpensive fabrication of ultra-smooth metallic nanostructures over large areas using conventional CO₂ engravers or inexpensive diode lasers. Using low-cost metal/epoxy nanomolds, the minimum feature size obtained by R2RLIS was <40 nm, facilitating the rapid fabrication of flexible near-perfect absorbers at visible frequencies with the capability to wrap around non-planar surfaces.</p> <p> </p> <p>The existing approaches for designing mechanical metamaterials are mostly <i>ad hoc</i>, and rely heavily on intuition and trial-and-error. A rational and systematic approach to create functional and programmable mechanical metamaterials is therefore desirable to unlock the vast design space of mechanical properties. The second part of this dissertation introduces a systematic, algorithmic design strategy based on Voronoi tessellation to create architected soft machines (ASMs) and twisting mechanical metamaterials (TMMs) with programmable motion and properties. ASMs are a new class of soft machines that benefit from their 3D-architected structure to expand the range of mechanical properties and behaviors achievable by 3D printed soft robots. On tendon-based actuation, ASMs deform according to the topologically encoded buckling of their structure to produce a wide range of motions such as contraction, twisting, bending, and cyclic motion. TMMs are a new class of chiral mechanical metamaterials which exhibit compression-twist coupling, a property absent in isotropic materials. This property manifests macroscopically and is independent of the flexible material chosen to fabricate the TMM. The nature of this compression-twist coupling can be programmed by simply tuning two design parameters, giving access to distinct twisting regimes and tunable onset of auxetic (negative Poisson’s ratio) behavior. Taking a metamaterial approach toward the design of soft machines substantially increases their number of degrees of freedom in deformation, thus blurring the boundary between materials and machines.</p>