Jusqu'à la fin de la Renaissance le bois est resté le principal support pour la peinture, grâce à ses caractéristiques de relative légèreté, sa facilité de mise en œuvre, sa résistance mécanique (résistance spécifique du peuplier comparable à celle de l'acier), et sa durabilité dans le temps. Outre les aspects historico-artistiques des diverses œuvres, les problèmes techniques liés à la conservation et à la restauration des peintures sur bois sont restées - jusqu'à des temps récents - quasi secrets, par les ateliers de restauration. Depuis peu, ces derniers ont reconnu la nécessité d'une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu et travaillent maintenant en relation avec les scientifiques. Dans le cadre de cette thèse deux approches ont été envisagées. D'une part se trouve le dialogue avec les artisans de la restauration et de la conservation et la formulation de leurs attentes dans le but de leur proposer des solutions en adéquation avec leur besoin. D'autre part, les phénomènes à appréhender sont très complexes ce qui justifie en parallèle le développement d'outils spécifiques prenant en compte la mécanique des structures, l'humidité et les caractéristiques spécifiques du matériau bois. Un des objectifs est la prédiction du comportement des tableaux à long terme de par l'étude de leur état par le suivi de comportement in-situ par l'appareillage (mesures non destructives, éventuellement sans contact : mesures optiques) des tableaux en exposition ou de répliques. Pour cela, il a été nécessaire de développer des essais de caractérisation, des modèles de comportement matériau spécifiques au bois et de technique de couplage de codes ou de méthodes numériques dédiées pour simuler les couplages de structure et de matériau dans ce type de problématique. Les applications de cette étude ont porté sur l'analyse et la prédiction du comportement de la Monna Lisa [del Giocondo], le Couronnement d'épines de l'église saint-Didier en Avignon et de diverses techniques récentes de restauration (châssis à ressorts, par exemple).

Toute action naturelle crée de l’énergie perdue qui pourrait être exploitée pour alimenter nos appareils électriques et mobiles. Nos environnements physiques disposent d’un nombre élevé de micro-sources d’énergies ; certes chacune est de faible puissance, mais leur multiplicité pourrait s’avérer significative, notamment dans le cadre du fonctionnement de microsystèmes.C’est le principe précédent qui a conduit nos travaux sur la problématique de la conception de microsystèmes autonomes. Ainsi, pour être innovante, l’ingénierie de microsystèmes doit à la fois s’appuyer sur la culture de l’électronique, de la mécanique mais aussi de l’énergétique. Le processus de conception est fortement pluridisciplinaire et son efficacité réside dans la capacité à mettre en œuvre des méthodologies et des outils :- de conception collaborative,- de capitalisation des connaissances techniques, - d’ingénierie multi-physique,- d’ingénierie intégrée.Sur le base de ces fondamentaux, nous avons développé un outil d’aide à la conception. La méthodologie sous-jacente permet :1- l’analyse et la structuration d’un problème de conception d’un microsystème autonome : cette phase conduit l’identification, la description fonctionnelle et environnementale du système et de son environnement.2- la modélisation des connaissances : une analyse architecturale conduit à la description des composants et des interactions liées au microsystème (directement ou indirectement) puis à la modélisation des comportements,3- la qualification énergétique et le couplage physique : la réutilisation structurée des modèles de connaissances est pilotée pour coupler les modèles physiques et décrire les sources, les puits et les mécanismes énergétiques des environnements,4- la conduite de la recherche de concepts innovants : la base de connaissances, les critères de qualification et la description fonctionnelle préalablement construits sont agencés dans une seule méthode de conception virtuelle pour rechercher des concepts de solutions innovants,5- le pré-dimensionnement : tout en assurant l’intégration des outils spécialisés de simulation (méthode des éléments finis et simulation fonctionnelle), le pré-dimensionnement de microsystèmes autonomes est supportée selon un schéma synthétique, assurant un raisonnement abductif (ou bottom-up)La conjonction des raisonnements physiques, l’intégration des méthodes et des cultures métiers, l’exploration virtuelle des espaces de solutions et la modélisation constituent les bases d’un nouveau moyen d’aide à la conception de microsystèmes autonomes. Cette approche a été déployée pour la conception d’un capteur piézoélectrique autonome. / Any natural action creates lost energy which could be exploited to supply our electrical and mobile appliance. Our physical environments have a high number of micro-energy sources. Admittedly, each one provides low power but their multiplicity could be significant, in particular within the framework of the microsystem operation.The previous observation guided our works towards the problematic of autonomous microsystem design. Thus, to be innovative, microsystems engineering must lean on electronic, mechanical and energy domains. The design process is highly multidisciplinary and its efficiency depends on the ability to implement methods and tools:- of collaborative design- of capitalization of technical knowledge- of multiphysic engineering- of integrated design.Based on these fundamentals, we developed a design support tool. The underlying methodology enables:1- the design problem analysis and structuring of an autonomous microsystem: this phase leads to the identification and functional and environmental description of the system and its environment2- the knowledge modelling: an architectural analysis gives the description of components and interactions related to the microsystem (directly or indirectly). Then, it leads to a behaviour modelling.3- the energy qualification and physical coupling: the structured reuse of knowledge models is guided to couple physical models and describe the sources, sinks and the energy mechanism of the environment.4- the control of innovative concept search: the knowledge base, qualification criteria and functional description, previously constructed, are combined in an unique virtual design approach dedicated to search innovative concepts as a solution5- the predimensioning: this phase ensures the integration of specific simulation tools (finite elements method and functional simulation). The predimensioning of autonomous microsystems is supported by a synthetic scheme based on an abductive reasoning (bottom-up).The combination of physical reasoning, the integration of methods and engineering domains, the virtual exploration of solution spaces and the modelling represent a new way to support autonomous microsystem design. This approach was applied to the design of an autonomous piezoelectric sensor.

Le taux de déformation des matériaux est élevé pendant le soudage / formage à grande vitesse, le découpage, le sertissage, etc. Les propriétés des matériaux sous déformation à grande vitesse ne suivent pas la même loi que dans le cas de chargement quasi statiques. La caractérisation des matériaux à taux de déformation important est assez difficile et nécessite des équipements sophistiqués. Grâce au développement de la technologie de formage électromagnétique, le test d'expansion d'anneau électromagnétique présente un grand potentiel à utiliser pour caractériser les matériaux à haute vitesse de déformation. Pendant le test d’expansion de l’anneau électromagnétique, la pièce à usiner peut atteindre une vitesse d’expansion de l’ordre de 100m/s et une vitesse de déformation de 104 s-1. Par conséquent, ce test peut être utilisé pour prédire les paramètres du matériau, tels que la dureté et la ductilité à déformation à grande vitesse. Pour d’atteindre cet objectif, un modèle approprié décrivant le processus est nécessaire. Ce modèle doit contenir un couplage électromagnétique-mécanique-thermique pour bien décrire le problème multi-physique. Il existe deux méthodes principales de modélisation dans la littérature, viz. Les méthodes semi-analytiques et les méthodes des éléments finis (parfois combinées avec la méthode des éléments limitants). Les méthodes semi-analytiques nécessitent un temps de calcul court mais offrent une faible précision par rapport aux méthodes des éléments finis. Cependant, en raison de la complexité du couplage multi-physique, l’erreur de calcul est difficile à estimer. De plus, les déformations hétérogènes ainsi que les états de contrainte compliqués peuvent influencer l’identification. Dans ce sens, cette thèse s’est principalement concentrée sur les méthodes d’analyse et de modélisation du test d’expansion d’anneau électromagnétique, incluant les comportements locaux et les phénomènes dynamiques à l’aide des outils expérimentaux et numériques. Par ailleurs, cette thèse comprend aussi le développement d’un méthode semi-analytique permettant le couplage multi-physique, ce qui a été validé par un modèle numérique idéal et par des tests expérimentaux. Les résultats expérimentaux ont été obtenus à l’aide d’une caméra à grande vitesse et du vélocimétrie photovoltaïque Doppler (PDV) pour différents cas tests. Ils ont été utilisés pour déterminer les paramètres du processus et du matériau à l’aide des modèles numériques. Les modèles adaptés pour analyser les états de contrainte et de déformation durant le test d’expansion d’anneau montrent que ce dernier n’est pas un test de traction uniaxial pur comme revendiqué par les chercheurs. En outre, le phénomène de vibration qui se produise de la récupération élastique a été étudié par simulations multi-physiques et par systèmes PDV. Cette étude de récupération élastique permet de mieux comprendre les paramètres influençant du test, ce qui pourrait être utilisé pour contrôler le rebond dans d’autres processus électromagnétique. La méthode de modélisation semi-analytique pour le test d’expansion de l’anneau électromagnétique, qui comprend quatre parties de calcul (partie mécanique, thermique, force de Lorentz et courant de Foucault), a été analysée à l’aide de simulations numériques. Les résultats obtenus ressemblent étroitement aux résultats obtenus par un test idéal et un test expérimental. L’analyse d’erreur des différents aspects physiques permet d’améliorer la précision de calcul semi-analytique, ce qui pourrait être utilisé comme outil supplémentaire d’obtention rapide des paramètres de contrôle dans les tests. Il pourrait aussi être utilisé pour l’identification des paramètres des matériels à déformation à grande vitesse. / High stain rate material deformations are prevalent during high speed impacts, high speed forming/welding, cutting, crimping, blast etc. Characteristics of materials under high strain rate deformation do not follow the same as it occurs under the quasi-static loading conditions. However, characterization of materials under high strain rate deformation is always challenging and it requires sophisticated equipment. Thanks to the development in electromagnetic forming technology, the electromagnetic ring expansion test shows a great potential to be used to characterize materials under high strain rate conditions. During the electromagnetic ring expansion test, the workpiece can reach deformation velocities in the order of 100 m/s and a strain rate of up to 104 s-1. Consequently, this test can be used to predict the material parameters such as the strain rate hardening and ductility under extremely high strain rates (strain rates in the order of 103 – 104 s-1). In order to achieve this goal, an appropriate model is required to describe the process. The model should contain an electromagnetic-mechanical-thermal coupling to obtain the accurate multi-physics nature of the problem. There exist two main modeling methods in literature, viz., the semi-analytical methods and finite element methods (sometime combined with boundary element method). Normally, the semi-analytical methods require short calculation time while it provides lower accuracy in comparison with finite element methods. However, due to the complexity of multi-physics coupling, the calculation error is difficult to be analyzed. Moreover, errors in calculation and identification assumptions may also result from heterogeneous deformations or localized specific phenomena (such as local necking at multi points or electric current localization, skin effect, edge effect of Lorentz force etc.) that could influence identification work as well as stress and strain states. Therefore, this thesis mainly focused on the analysis and modeling methods of ring expansion test including local behaviors and dynamic phenomena with the help of experimental and numerical tools. Moreover, this thesis also includes a development of a semi-analytical method with multi-physics coupling capabilities, which has been validated using a theoretical model and experimental frameworks. Experimental measurements were obtained using high-speed cameras and photonic Doppler velocimetry (PDV) for various test cases are used together with numerical models to investigate the process and material parameters. The models used to analyze the stress and stain states during a ring expansion test show that the ring expansion test is not a pure uniaxial tensile test as claimed by researchers. Besides, another potential process behavior, the vibration phenomena that occurs during the elastic recovery was investigated using multi-physics simulations and PDV systems. This investigation of the elastic recovery helps to understand the potential influencing parameters of the test those are applicable and could be used to control the springback phenomenon during other electromagnetic forming processes. The semi-analytical modeling method for ring expansion test including four calculation parts (mechanical part, eddy current, Lorentz force calculation, thermal part) were analyzed with the help of numerical simulations. The results obtained from analytical work closely resemble with the numerical simulations for both theoretical model and an experimental case study. The error analysis of various physical aspects allows improving the accuracy of semi-analytical calculation that could be used as an additional platform to obtain rapid calculation of the test conditions. This semi-analytical method could be extended in the future to identify material parameters under high strain rate deformations.

In this doctoral work, we adress various problems arising when dealing with multi-physical simulations using a segregated (non-monolithic) approach. We concentrate on a few specific problems and focus on the solution of aeroelastic <p>flutter for linear elastic structures in compressible fl<p>ows, conjugate heat transfer for re-entry vehicles including thermo-chemical reactions and finally, industrial electro-chemical plating processes which often include<p>stiff source terms. These problems are often solved using specifically developed<p>solvers, but these cannot easily be reused for different purposes. We have therefore considered the development of a <p>flexible and reusable software platform for the simulation of multi-physics problems. We have based this<p>development on the COOLFluiD framework developed at the von Karman Institute in collaboration with a group of partner institutions.<p>For the solution of fl<p>uid fl<p>ow problems involving compressible <p>flows, we have used the Finite Volume method and we have focused on the application of the method to moving and deforming computational domains using the Arbitrary Lagrangian Eulerian formulation. Validation on a series of testcases (including turbulent flows) is shown. In parallel, novel time integration<p>methods have been derived from two popular time discretization methods.<p>They allow to reduce the computational effort needed for unsteady fl<p>ow computations.<p>Good numerical properties have been obtained for both methods.<p>For the computations on deforming domains, a series of mesh deformation techniques are described and compared. In particular, the effect of the stiffness definition is analyzed for the Solid material analogy technique. Using<p>the techniques developed, large movements can be obtained while preserving a good mesh quality. In order to account for very large movements for which mesh deformation techniques lead to badly behaved meshes, remeshing is also considered.<p>We also focus on the numerical discretization of a class of physical models that are often associated with <p>fluid fl<p>ows in coupled problems. For the elliptic problems considered here (elasticity, heat conduction and electrochemical<p>potential problems), the implementation of a Finite Element solver is presented. Standard techniques are described and applied for a variety of problems, both steady and unsteady.<p>Finally, we discuss the coupling of the <p>fluid flow solver with the finite element solver for a series of applications. We concentrate only on loosely and strongly coupled algorithms and the issues associated with their use and implementation. The treatment of non-conformal meshes at the interface between two coupled computational domains is discussed and the problem<p>of the conservation of global quantities is analyzed. The software development of a <p>flexible multi-physics framework is also detailed. Then, several coupling algorithms are described and assessed for testcases in aeroelasticity and conjugate heat transfer showing the integration of the <p>fluid and solid solvers within a multi-physics framework. A novel strongly coupled algorithm, based on a Jacobian-Free Newton-Krylov method is also presented and applied to stiff coupled electrochemical potential problems. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse traite du problème de l'écoulement d'un fluide dans des interfaces étroites entre des solides en contact sous un chargement normal, ce qui est important pour de nombreuses applications en tribologie, ingénierie et géophysique. Le traitement de ce problème nécessite de prévoir un couplage entre la mécanique des fluides et celle des solides. Les contraintes liées à la présence du contact, ainsi que les caractéristiques complexes de la géométrie de surface rajoutent un niveau de complexité significatif. Dans cette thèse, un solveur monolithique par éléments finis permettant la gestion du contact frottant, des écoulements visqueux incompressibles et du transfert des efforts induits par le fluide sur le solide est développé. De plus, la possibilité que le fluide se retrouve piégé dans des cavités délimitées par des zones de contact est prise en compte par l'élaboration d'un nouvel élément dit "de fluide piégé", qui utilise une loi de comportement compressible non linéaire. Le code résultant de cette méthode comprend des algorithmes d’analyse d’image permettant de distinguer les zones de contact, d’écoulement de fluide et de fluide piégé. En outre, le code convient aux approches de couplage uni- et bidirectionnel. Le cadre développé a été appliqué dans un premier temps à l'étude d'un fluide piégé entre un solide déformable présentant une surface de contact ondulée et un plan rigide. Pour un système soumis à une charge externe croissante, nous avons examiné l'évolution de la surface de contact et du coefficient de frottement global en fonction des propriétés du fluide et du solide, ainsi que de la pente du profil de surface. Nous avons ensuite étudié l’écoulement d’un fluide entre un plan rigide et un solide déformable avec une géométrie modèle ou une surface rugueuse. Nous avons obtenu une solution analytique approchée qui gouverne le flux de fluide à travers une interface de contact ondulée, et cette dernière a été comparée à nos résultats numériques. Enfin, nous avons montré pour un intervalle de paramètres physiquement pertinents, que le couplage unidirectionnel sous-estime, par rapport à une approche bidirectionnelle, la perméabilité de l’interface ainsi que la charge externe critique nécessaire à la fermeture de l’interface. Une loi phénoménologique raffinée de perméabilité macroscopique des interfaces de contact rugueuses a été proposée. Enfin, le cadre développé a été utilisé pour calculer l'évolution de la fuite de fluide à travers une interface de contact métal sur saphir en utilisant un comportement matériau élasto-plastique et des mesures réelles de la rugosité de surface. / This thesis deals with the problem of a thin fluid flow in narrow interfaces between contacting solids subject to a normal loading, which is relevant for a range of tribological and engineering applications, as well as for geophysical sciences. The treatment of this problem requires coupling between fluid and solid mechanics, further complicated by contact constraints and potentially complex geometrical features of contacting surfaces. In this thesis a monolithic finite-element framework for handling frictional contact, thin incompressible viscous flow and transfer of fluid-induced tractions to the solid is developed. Additionally, we considered fluid entrapment in "pools" delimited by contact patches and formulated a novel trapped-fluid element using a non-linear compressible constitutive law. This computational framework makes use of image analysis algorithms to distinguish between contact, fluid flow and trapped fluid zones. The constructed framework is suitable for both one- and two-way coupling approaches. First, the developed framework was applied to a study of a fluid trapped between a deformable solid with a wavy surface and a rigid flat. We showed how the contact area and the global coefficient of friction evolve under increasing external load, depending on fluid and solid properties and on the slope of the surface profile. Next, we studied a thin fluid flow between a rigid flat and a deformable solid with a model geometry or random surface roughness. An approximate analytical solution for the fluid flow across a wavy contact interface was derived and compared with numerical results. We showed that for a range of physically relevant parameters, one-way coupling underestimates the interface permeability and the critical external load needed to seal the interface, compared to the two-way approach. A refined non-local phenomenological law for macroscopic permeability of rough contact interfaces was proposed. Finally, the developed framework was used to calculate the evolution of the fluid leakage through a metal-to-sapphire contact interface using an elasto-plastic material behaviour and real measurements of surface roughness.