Un modèle de trains planétaires est proposé afin de tenir compte de l'influence d'erreurs de position et d'excentricités en lien avec d'éventuels montages 'flottants' sur le comportement dynamique d'une transmission. La formulation théorique repose sur le formalisme des torseurs de déplacements infinitésimaux pour simuler à la fois les erreurs géométriques et les degrés de liberté du modèle. Une des propriétés principales de cette approche est que la géométrie des engrènements et les excitations correspondantes sont couplées aux degrés de liberté, conduisant ainsi à des excitations complexes présentant des modulations d'amplitude et de phase. Les résultats de simulation sont comparés avec des mesures sur banc d'essai et un très bon accord est obtenu en terme de partage de charge entre les satellites, validant ainsi le modèle de contact développé. Enfin, des résultats d'études paramétriques portant sur le rôle de certaines erreurs ainsi que sur l'apport éventuel de solaire et/ou satellites flottants dans des applications grandes vitesses concluent ce travail de thèse.

Les systèmes de transmission par engrenages sont largement utilisés pour transmettre de la puissance et adapter les vitesses de rotation entre organes moteurs et récepteurs. Dans ce contexte, les engrenages sont fréquemment les organes parmi les plus sensibles de la chaîne cinématique et peuvent être soumis à un grand nombre d'avaries (fatigue de contact, fatigue de flexion, usure...etc.) apparaissant lors du fonctionnement et dont les causes sont multiples. L'objectif de ce travail est, d'une part, de simuler l'usure abrasive et la fatigue de contact conduisant à de l'écaillage (pitting) et, d'autre part, d'analyser les interactions entre ces avaries et le comportement statique et dynamique de transmission par engrenages. A cette fin, un modèle dynamique tridimensionnel d'engrenages de fortes largeurs est couplé à des modèles d'usure et d'avaries de contact. L'usure est simulée en s'appuyant sur le modèle d'Archard modifié afin de tenir compte de l'influence du régime de lubrification. Les usures obtenues après un certain nombre de cycles de chargement sont considérées comme des écarts initiaux additionnels par rapport à la géométrie idéale du flanc de denture. Les phénomènes de fatigue de contact par pitting sont analysés en deux étapes; a) une période d'initiation de fissure simulée en s'appuyant sur plusieurs critères de fatigue multiaxiaux et b) une phase de propagation de fissure traitée par la mécanique linéaire élastique de la rupture. Les sollicitations dynamiques fournies par le modèle dynamique d'engrenages sont utilisées comme données d'entrée pour la simulation des périodes d'initiation puis de propagation. Un grand nombre d'exemples d'application sont présentés et les interactions entre comportement dynamique, usure et fatigue sur des engrenages cylindriques sont analysées.

La mousse de polyuréthane est un matériau cellulaire caractérisé par un spectre de propriétés mécaniques intéressant : une faible densité, une capacité à absorber l'énergie de déformation et une faible raideur.Elle présente également des propriétés telles qu'une excellente isolation thermique et acoustique, une forte absorption des liquides et une diffusion complexe de la lumière. Ce spectre de propriétés fait de la mousse de polyuréthane un des matériaux couramment utilisés dans de nombreuses applications phoniques, thermiques et de confort. Pour contrôler la vibration transmise aux occupants des sièges, plusieurs dispositifs automatiques de régulation et de contrôle sont actuellement en cours de développement tels que les amortisseurs actifs et semi-actifs. La performance de ces derniers dépend bien évidemment de la prédiction des comportements de tous les composants du siège et en particulier la mousse. D'une façon générale, il est indispensable de modéliser le comportement mécanique complexe de la mousse de polyuréthane et d'identifier ses propriétés quasi-statique et dynamiques afin d'optimiser la conception des systèmes incluant la mousse en particulier l'optimisation de l'aspect confort. Dans cette optique, l'objectif principal de cette thèse consiste à implémenter des modèles mécaniques de la mousse de polyuréthane fiables et capables de prévoir sa réponse sous différentes conditions d'essais. Dans la littérature, on retrouve les divers modèles développés tels que les modèles de mémoire entier et fractionnaire. L'inconvénient majeur de ces modèles est lié à la dépendance de leurs paramètres vis-à-vis des conditions d'essais, chose qui affecte le caractère général de leur représentativité des comportements quasi-statique et dynamique de la mousse polyuréthane. Pour pallier à cet inconvénient, nous avons développé des modèles qui, grâce à des choix judicieux de méthodes d'identification, assurent une représentativité plus générale des comportements quasi-statique et dynamique de la mousse polyuréthane. En effet, nous avons démontré qu'on peut exprimer les paramètres dimensionnels des modèles développés par le produit de deux parties indépendantes ; une regroupant les conditions d'essais et une autre définissant les paramètres adimensionnels et invariants qui caractérisent le matériau. Ces résultats ont été obtenus à partir de plusieurs études expérimentales qui ont permis l'appréhension du comportement quasi-statique (à travers des essais de compression unidirectionnelle) et dynamique (à travers des tests en vibration entretenue). La mousse, sous des grandes déformations, présente à la fois un comportement élastique non linéaire et un comportement viscoélastique. En outre, une discrimination entre les modèles développés particulièrement en quasi-statique a été effectuée. Les avantages et les limites de chacun y ont été discutés.

Le travail principal de cette thèse consiste à proposer une nouvelle procédure d'identification inverse appliquée aux situations de mise en forme et d'usinage des métaux, qui peut fournir un ensemble de paramètres appropriés pour toute loi constitutive elastoplastique suivant le modèle de plasticité de type J_{2} avec écrouissage isotrope, en évaluant la corrélation entre les réponses expérimentales et numériques. En premier lieu, un programme d'identification a été développé, en combinant l'algorithme de Levenberg-Marquardt et des méthodes de traitement de données pour identifier les paramètres constitutifs. En termes d'expérimentation, des essais de compression et de traction dynamiques ont été effectués. La forme finale déformée des spécimens, qui repose sur une analyse post-mortem, a été choisie comme quantité d'observation. Comme pour la simulation numérique, des modèles numériques de ces mêmes procédures expérimentales ont été construits en utilisant le code éléments finis Abaqus/Explicit afin de fournir des réponses numériques. Un algorithme numérique a été proposé pour l'implémentation de lois constitutives elastoplastiques définies par l'utilisateur dans Abaqus/Explicit. / The main concern of this thesis is to propose a new inverse identification procedure applied to metal forming and machining situations, which can provide an appropriate parameters set for any elastoplastic constitutive law following J_{2} plasticity and isotropic hardening, by evaluating the correlation between the experimental and numerical responses. Firstly the identification program has been developed, which combines the Levenberg-Marquardt algorithm and the Data processing methods to optimize the constitutive parameters. In terms of experimentation, dynamic compression and tensile tests have been conducted. The final deformed shape of specimens, which relies on a post-mortem analysis, has been selected as the observation quantity. As for the numerical simulation, the numerical models of the same experimental procedure have been built with the finite element software Abaqus/Explicit in order to provide numerical responses. A numerical algorithm has been proposed for the implementation of user defined elastoplastic constitutive laws in Abaqus/Explicit.

Un modèle de trains planétaires est proposé afin de tenir compte de l’influence d’erreurs de position et d’excentricités en lien avec d’éventuels montages ‘flottants’ sur le comportement dynamique d’une transmission. La formulation théorique repose sur le formalisme des torseurs de déplacements infinitésimaux pour simuler à la fois les erreurs géométriques et les degrés de liberté du modèle. Une des propriétés principales de cette approche est que la géométrie des engrènements et les excitations correspondantes sont couplées aux degrés de liberté, conduisant ainsi à des excitations complexes présentant des modulations d’amplitude et de phase. Les résultats de simulation sont comparés avec des mesures sur banc d’essai et un très bon accord est obtenu en terme de partage de charge entre les satellites, validant ainsi le modèle de contact développé. Enfin, des résultats d’études paramétriques portant sur le rôle de certaines erreurs ainsi que sur l’apport éventuel de solaire et/ou satellites flottants dans des applications grandes vitesses concluent ce travail de thèse. / A dynamic model of planetary gears is presented which accounts for planet position errors and eccentricities for either rigid mounts or floating members. The theoretical formulation relies on infinitesimal generalised displacement screws which can simulate both errors and deflections. A unique feature of this model is that mesh properties (geometry and excitations) are coupled with the degrees-of-freedom thus leading to complex frequency and amplitude modulated excitation sources. For a number of planetary gears, it is found that the simulated load sharing between the planets compare well with the experimental evidence thus validating the contact modelling strategy. Finally, the results of extensive parameter analyses are displayed which illustrate the role of certain errors along with the interest and drawbacks of floating sun-gears or planets in high-speed applications.

Ces travaux portent sur l'étude expérimentale et numérique de la rupture de structures soudées soumises à des sollicitations pyrotechniques telles que celles subies par les véhicules militaires sur le champ de bataille. Ce travail de thèse présente le développement de modèles éléments finis détaillés (à l’échelle mésoscopique) permettant de reproduire le comportement de ces assemblages lorsqu’ils sont sollicités par ces sollicitations dynamiques. Ils prennent en compte la géométrie locale des cordons de soudure et les différents matériaux. Pour paramétrer ces modèles, il est nécessaire de caractériser la soudure à l’échelle des matériaux constitutifs de l’assemblage. Ainsi des essais de caractérisation de leur comportement mécanique sont menés en se basant sur les vitesses de déformation relevées sur des modèles éléments finis de véhicule : quasi-statique jusqu’à 1000s-1. Pour l’analyse de la rupture, une large plage de triaxialité des contraintes est couverte au travers d’essais dédiés. Pour chaque matériau, une loi de comportement et un critère de rupture ont été déterminés par analyse inverse et validés sur des grandeurs globales et locales. Afin d’étudier la pertinence des modèles mésoscopiques, des essais au canon à gaz sont réalisés sur des assemblages soudés élémentaires en L et en T. Ils permettent de reproduire les principaux modes de rupture observés sur les pièces réelles. In fine, les simulations corrèlent les essais en termes de mode et de seuil d’apparition de la rupture. Ceci valide les lois de comportement identifiées et la modélisation mésoscopique proposée. / Finite element modeling is commonly used to design armored vehicles and to evaluate the strength of the structure against mine explosion. This study investigates experimental and numerical failure of welded structures submitted to such dynamic loadings. The goal is to develop detailed finite element models at meso-scale that allow to predict the behavior and failure of welded joints at intermediate strain rates. These models must take into account the local properties of the welded joint as the geometries as the mechanical behavior of the constitutive materials. Experimental characterizations of the material behavior are led on tensile specimens from quasi-static loading up to 1000s-1. This strain rates range results from analysis on vehicle finite element models. Dedicated tests are also conducted to study the material failure on a large range of stress triaxiality values. For each constitutive material, the hardening and failure parameters are identified through a reverse engineering approach. To validate the meso-scale models, gas gun tests are led on basic L and T welded assemblies. Modes and thresholds of failure are correctly replicated thanks to these finite element models. This validates the identified material behavior laws and the proposed meso-scale modeling.

Dans l’industrie manufacturière, la consommation d’énergie électrique est considérée comme l'un des problèmes majeurs qui est malheureusement liée systématiquement à l'émission de gaz contenant du dioxyde de carbone et amenant à l’effet de serre. Des études sur l’estimation de l’énergie électrique consommée par les machines outils sont développées par des chercheurs au cours des dernières décennie pour proposer des modèles d’estimation de cette énergie. Ces modèles sont soit empiriques soit théoriques et se limitent à tenir compte du comportement dynamique du système de coupe lors des opérations d’usinage. La contribution fondamentale de cette thèse de doctorat est la caractérisation du comportement non linéaire des efforts de coupe et du système de guidage lors de l’estimation de l’énergie consommée par une machine outil. La modélisation repose sur la détermination de l’effort de coupe et de l’effort des roulements qui sont variables en fonction du temps et qui sont déduites de l’écriture de l’équation de mouvement du système (broche ou machine-outil)discrétisé en éléments finis en utilisant la méthode de Newark couplée avec l’algorithme de Newton Raphson. Ces efforts de coupe et de roulements sont utilisés pour calculer la puissance puis l’énergie consommée par la table d’avance, la broche et par conséquent la machine outil. Afin de valider notre approche, la puissance et l’énergie obtenues à partir du modèle développé sont comparées avec la puissance et l’énergie obtenues avec un dispositif expérimental. Une étude paramétrique est réalisée pour mettre l’accent sur l’impact de la variation des paramètres de coupe sur la valeur de la puissance et de l’énergie consommées. On introduit par la suite des défauts d’usure et de montage au niveau des roulements et nous présentons leurs impacts sur le comportement énergétique de la machine. Une attention particulière a également été consacrée à développer un modèle d’optimisation des mouvement d’une machine outil globale minimisant à la fois l’énergie consommée, le temps de production, le coût et la rugosité de surface en respectant les consignes technologiques. / In manufacturing, the electrical energy consumption is considered as one of the major problems which are systematically related to the gas emission containing carbon dioxide and leading to the greenhouse effect. Studies based on the estimation of the machine tools energy consumption become the interest of researchers in recent decades.As a result, different models for energy estimating are developed in order to minimize the quantity of consumed energy. These models are either empirical or theoretical and are limited to taking into account the dynamic behavior of the cutting system during machining operations. The fundamental contribution of this doctoral thesis is the characterization of the nonlinear behavior of cutting and rolling forces during estimating the consumed energy by a machine tool. The developed approach is based on the determination of the variable cutting forces and bearings forces which are function of time. These forces are deduced by solving the equation of motion based on finite element method using Newark's method coupled with Newton Raphson's algorithm. These forces are used to calculate the power then the consumed energy by the axis feed, the spindle and therefore the machine tool. In order to validate our approach, the power and energy obtained from the model developed are compared with the power and energy obtained with an experimental device. A parametric study is carried out to focus on the impact of the variation of the cutting parameters on the value of the consumed power and energy. An interest is given for different types of defect (innerring spalling, outer ring spalling, eccentricity and unbalance) in order to study their impact on the spindle consumed power during approach and cutting phases under different rotating conditions. Particular attention has also been devoted to develop a global model for optimizing machine too lmovements that minimizes the consumed energy, the production time, the cost and the surface roughness with respect of the technological constraints.

Cette contribution à l'étude du comportement dynamique du procédé de rectification plane passe profonde est axée sur l'influence des paramètres d'usinage (formes géométriques, états de surface

Les bioréacteurs de grandes dimensions, en raison de phénomènes de transfert limitant, sont le siège d’hétérogénéités se traduisant par des gradients locaux de concentration et température. Les microorganismes circulant au sein de ces bioréacteurs subissent donc des fluctuations environnementales qui peuvent affecter leur comportement aux niveaux métaboliques et/ou moléculaires. La réponse microbienne est fonction de la nature, de l’intensité, de la fréquence et de la durée de la perturbation. L’objectif de ce travail est l’étude quantitative de l’impact de l’intensité, la fréquence et l’amplitude d’un stress nutritionnel sur le comportement dynamique d’Escherichia coli, à savoir des ajouts pulsés de glucose lors de cultures continues en régime permanent. Un effort particulier est consacré au développement et à la validation des outils expérimentaux indispensables pour une caractérisation rigoureuse des dynamiques de réponses transitoires sur des échelles de temps allant de secondes à quelques minutes. Pour permettre le suivi in situ et en temps réel des changements métaboliques et moléculaires, une souche bioluminescente est mise en œuvre. Les réponses transitoires sont caractérisées par les vitesses spécifiques, les rendements, les profils d’induction transcriptionnelle, les temps caractéristiques. Selon les différents scenarii réalisés, l’ajustement du métabolisme face aux hétérogénéités de substrat est quantifié selon des échelles de temps aux niveaux macroscopiques et/ou moléculaires ; ces résultats originaux contribuent ainsi à l’implémentation des connaissances sur les interactions dynamiques entre les phénomènes biologiques et les phénomènes physiques ; l’enjeu réside à terme en l’amélioration des processus d’optimisation et d’extrapolation des bioprocédés par l’identification et la quantification des dynamiques des phénomènes limitants / Ineffective mixing entailing heterogeneity issues within industrial bioreactors have been reported to affect microbial metabolisms at cellular and/or molecular levels. Substrate gradients inside large-scale bioreactors are common environmental fluctuations that microorganisms would have to encouter along with the bioprocess. Depending on intensity, frequency and duration of those fluctuations, microorganisms may respond in a different manner. The objective of this work is to study the impact of intensity, frequency and amplitude of glucose perturbations on the dynamics of Escherichia coli responses. An E. coli bioluminescent strain is used for in situ and real-time monitoring of both metabolic and transcriptional changes. For this purpose, short-term glucose excess was simulated, using pulse-based experiments into glucose-limited chemostat cultures. In addition, an important effort is devoted to the development and validation of technical and mathematical tools in order to acquire quantitative and kinetic data on time scales from seconds to minutes. The transient responses are characterized, using specific rates, yields, transcriptional induction profiles and characteristic response times, and are compared in the different defined perturbation scenarios. The results reflected the fact that short-term heterogeneities of substrate affect both cell metabolism and regulation at macroscopic and/or molecular levels. Quantitative understandings of the dynamics during transient responses to environmental perturbations can thus shed light on the bioprocess optimization

Les modèles de la biologie des systèmes visent à comprendre le comportement d’une cellule à travers un réseau biomoléculaire complexe. Dans a littérature, la plupart des études ne se sont intéressés qu’à la modélisation des parties isolées du réseau biomoléculaire com les réseaux métaboliques, etc. Cependant, pour bien comprendre le comportement d’une cellule, nous devons modéliser et analyser le réseau biomoléculaire dans son ensemble. Les approches existantes ne répondent pas suffisamment à ces exigences. Dans ce projet de recherche,nous proposons une plate-forme qui permet aux biologistes de simuler les changements d’état des réseaux biomoléculaires dans le but de piloter leurs comportements et de les faire évoluer d’un état non désiré vers un état souhaitable. Cette plate-forme utilise des règles, des connaissances et de l’expérience, un peu comme celles que pourrait en tirer un biologiste expert. La plate-forme comprend quatre modules : un module de modélisation logique, un module de modélisation sémantique, un module de simulation qualitative à événements discrets etun module d’optimisation. Dans ce but, nous présentons d’abord une approche logique pour la modélisation des réseaux biomoléculaires complexes, incluant leurs aspects structurels, fonctionnels et comportementaux. Ensuite, nous proposons une approche sémantique basée sur quatre ontologies pour fournir une description riche des réseaux biomoléculaires et de leurs changements d’état. Ensuite, nous présentons une méthode de simulation qualitative à événements discrets pour simuler le comportement du réseau biomoléculaire dans le temps. Enfin, nous proposons une méthode d’optimisation multi-objectifs pour optimiser la transitabilité des réseaux biomoléculaires complexes dans laquelle nous prenons en compte différents critères tels que la minimisation du nombre de stimuli externes, la minimisation du coût de ces stimuli, la minimisation du nombre de noeuds cibles et la minimisation de l’inconfort du patient. En se fondant sur ces quatre contributions, un prototype appelé CBN-Simulateur a été développé. Nous décrivons nos approches et montrons leurs applications sur des études de cas réels, le bactériophage T4 gene 32, le phage lambda et le réseau de signalisation p53. Les résultats montrent que ces approches fournissent les éléments nécessaires pour modéliser, raisonner et analyser le comportement dynamique et les états de transition des réseaux biomoléculaires complexes. / Systems biology models aim to understand the behaviour of a cell trough a complex biomolecular network. In the literature, most research focuses on modelling isolated parts of this network, such as metabolic networks.However, to fully understand the cell’s behaviour we should analyze the biomolecular network as a whole. Avail-able approaches do not address these requirements sufficiently. In this context, we aim at developing a platform that enables biologists to simulate the state changes of biomolecular networks with the goal of steering their be-haviours. The platform employs rules, knowledge and experience, much like those that an expert biologist mightderive. This platform consists of four modules: a logic-based modelling module, a semantic modelling module,a qualitative discrete-event simulation module and an optimization module. For this purpose, we first present alogic-based approach for modelling complex biomolecular networks including the structural, functional and be-havioural aspects. Next, we propose a semantic approach based on four ontologies to provide a rich description of biomolecular networks and their state changes. Then, we present a method of qualitative discrete-event simulation to simulate the biomolecular network behaviour over time. Finally, we propose a multi-objective optimization method for optimizing the transittability of complex biomolecular networks in which we take into account various criteria such as minimizing the number of external stimuli, minimizing the cost of these stimuli, minimizing the number of target nodes and minimizing patient discomfort. Based on these four contributions, a prototype called the CBNSimulator was developed. We describe our approaches and show their applicability through real cases studies, the bacteriophage T4 gene 32, the phage lambda, and the p53 signaling network. Results demonstrate that these approaches provide the necessary elements to model, reason and analyse the dynamic behaviour and the transition states of complex biomolecular networks.