Cette thèse est dédiée au développement et à la validation d'un nouveau modèle d'endommagement anisotrope pour le béton dans le cadre d'applications dynamiques. Le modèle d'endommagement développé par Desmorat et al. (2007) reproduit l'anisotropie induite de l'endommagement du béton par l'intermédiaire d'une variable tensorielle d'ordre 2. Ce modèle est étendu à la dynamique par l'introduction d'un «effet retard» dans la loi d'évolution de l'endommagement afin de reproduire l'effet de la vitesse sur le comportement du matériau. Cette dépendance temporelle du comportement permet, dans une certaine gamme de vitesse de sollicitation, de régulariser la solution qui dépend pathologiquement du maillage pour les modèles (adoucissants) d'endommagement. L'influence de la vitesse de sollicitation sur la régularisation est étudiée, et les résultats sont comparés avec ceux obtenus par régularisation non-locale intégrale (avec et sans effet retard). L'état de sollicitation en dynamique est par nature fortement lié aux phénomènes de propagation et de reflexions d'ondes qui conduisent à des états de sollicitations alternées. La dissymétrie du comportement du béton impose que l'on y accorde une attention particulière. Le concept de désactivation des dommages (Souid 2008) est transposé à la dynamique et l'endommagement à effet retard. On établit l'expression de la dissipation intrinsèque due à l'endommagement ce qui permet d'estimer l'influence de l'effet retard sur l'énergie dissipée. Enfin, on prouve par la méthodes des perturbations, l'existence d'un nouveau type d'instabilité, inhérente à l'aspect induit de l'anisotropie. Une nouvelle écriture du modèle, qui ne modifie pas le comportement pour des sollicitations simples, est proposée, elle permet de stabiliser complètement le comportement. Des simulations numériques d'impacts et de souffle sur des structures 3D en béton armé montrent les capacités du modèles à mener ce type de calcul jusqu'à la ruine. La description continue de l'endommagement permet de représenter finement l'amorçage, la propagation, la coalescence, la bifurcation et l'embranchement de fissures. L'arrêt et le redémarrage d'une fissure est également représenté, et on peut estimer la vitesse de propagation des fissures, qui reste inférieure à la vitesse des ondes de Rayleigh dans le béton. Les résultats numériques des simulations d'impact sont comparés à ceux des essais sur tour de chute réalisés lors de cette thèse au Laboratoire d'Etudes de Dynamique du CEA Saclay. La nouveauté de ces essais est l'analyse par corrélation d'images des des films d'essais réalisés avec une caméra rapide (10000 images/secondes).

Ce mémoire est consacré à l'étude théorique et expérimentale de la dynamique rapide de l'aimantation dans des nanostructures de (Co3Å/Pt6Å)6 à forte anisotropie perpendiculaire. J'ai proposé d'assister le retournement de l'aimantation par un champ d'échange dans le plan de La nanostructure. Un modèle analytique a été développé dans l'approximation macrospin. Ce champ d'échange réduit significativement l'amplitude de l'impulsion du champ magnétique nécessaire pour le retournement, et ce à la fois si le champ appliqué est parallèle au champ d'échange ou perpendiculaire au plan de la nanostructure. Dans ce dernier cas, la ré-écriture directe est possible et la réduction du champ de retournement peut être utilisée pour augmenter de 24% la densité d'enregistrement sur disques durs en ayant recours à des matériaux à plus forte anisotropie magnétique. L'aspect expérimental comprend deux parties. La première concerne la conception, la réalisation et la caractérisation des échantillons. Après la définition des circuits hyperfréquences, quatre procédés technologiques pour leur microfabrication ont été testés et comparés. Les microcircuits incorporent une source de champ localisée, prenant la forme d'une microbobine ou d'une ligne coplanaire. Leur bande passante varie entre 14 GHz et 20 GHz. Les champs magnétiques typiques générés par la microbobine et la ligne coplanaire sont respectivement de 1.9 Oe/mA et 1.3 Oe/mA. Les mesures résolues en temps par effet Hall extraordinaire ont été réalisées pour sonder la réponse précessionnelle de l'aimantation induite l'impulsion du champ. La forte résistance DC de la multicouche Co/Pt a rendu difficile la détection de ce signal. Des mesures quasi-statiques de retournement avec une/plusieurs impulsions de durées autour de la nanoseconde assistées par un champ statique perpendiculaire ont été faites. L'impulsion du champ aide le retournement, vraisemblablement par nucléation. A titre d'exemple, il a été notamment montré qu'une impulsion de 32 mT et de durée 10 ns peut retourner l'aimantation de presque toute une nanostructure de 500´500nm2 si cette impulsion est assistée par un champ statique de 22 mT.

Dans le cadre de l'étude par éléments finis de structures aéronautiques soumises à l'impact, la prédiction des modes de ruine engendrés au sein ou au voisinage des assemblages rivetés, telle que la déchirure d'une tôle le long d'une ligne de rivets, s'avère, encore aujourd'hui, délicate. En particulier, une difficulté majeure est liée à l'incompatibilité de l'échelle de l'aéronef et de celle de l'assemblage riveté. En effet, alors que la modélisation EF fine de l'assemblage riveté est requise pour localiser l'initiation et la propagation de la rupture, le nombre d'éléments nécessaire pour mailler la structure devient irréaliste. Il est donc proposé de formuler un super-élément fini perforé, permettant de localiser les champs mécaniques dans une structure soumise à un chargement de dynamique rapide. Le premier chapitre, de nature bibliographique, introduit les méthodes numériques permettant la représentation des discontinuités, et les notions relatives à la formulation de super-éléments finis. Il permet l'introduction et le choix pour la poursuite des développements de l'élément fini de plaque perforé à 8 noeuds de Piltner. Le deuxième chapitre met en évidence les hypothèses liées à la formulation des fonctions d'interpolation de cet élément, ainsi que leur lien avec les équations de la mécanique des solides. De plus, l'étude numérique de ces fonctions (tronquées à l'ordre 4) fournit des résultats jugés suffisamment satisfaisants pour la poursuite des travaux. Le chapitre III met alors en évidence les hypothèses liées à la formulation du principe variationnel de cet élément. Il est conclu qu'il est restreint aux calculs élastostatiques, et qu'il ne permet pas la modélisation d'un assemblage riveté. Les résultats numériques fournis par la formulation de Piltner à 8 noeuds (élastostatique), issus d'une implantation dans ZéBuLoN, étant jugés suffisamment satisfaisants pour la poursuite des travaux, les hypothèses limitant l'élément de Piltner à l'élastostatique sont levées, puis la nouvelle formulation est adaptée aux calculs de dynamique rapide (chapitre IV).

Ce mémoire s’intéresse à la conception robuste de systèmes complexes dans le cadre de l’ingénierie système et de la méthode First Design. Ces travaux s’appliquent plus particulièrement aux prestations en choc frontal de véhicules de la gamme Renault. L’objectif principal de ces travaux est de proposer une méthode de conception robuste basée sur la modélisation numérique des prestations crash du véhicule. Cette stratégie vise à assurer la robustesse du produit dès la phase de conception, afin d’éviter des modifications de conception tardives et coûteuses, conséquences d’apparition de problèmes durant le cycle de validation ou la vie série du véhicule. Les spécificités du crash sont le coût important des simulations, la forte non linéarité du phénomène, ainsi que les bifurcations de comportement. Ces particularités rendent les méthodes classiques de conception robuste peu efficaces ou très couteuses. Afin de répondre à ce problème, nous développons une méthode originale, baptisée détection de défaillances, permettant d’identifier les problèmes de robustesse en crash, afin de les corriger dès le cycle de conception. Cette méthode est basée sur l’utilisation des techniques d’optimisation par les plans d’expériences. La méthode développée vise aussi à intégrer l’expertise des concepteurs crash afin de localiser rapidement les défaillances, ce qui permet de limiter le nombre de simulations nécessaires. La contrepartie d’une méthode de conception robuste reposant sur la simulation numérique est la nécessité d’avoir un bon niveau de confiance dans les résultats du modèle. On propose donc dans ce mémoire des améliorations des modèles éléments finis des véhicules Renault, afin d’améliorer la qualité de la simulation. Ces travaux vont dans le sens d’un remplacement des prototypes physiques par des prototypes numériques dans l’industrie, enjeu majeur permettant la réduction des coûts et des délais de développement. Cet enjeu est particulièrement important dans un secteur automobile très concurrentiel, où la survie d’un constructeur dépend de ses coûts et de sa réactivité face au marché. / This PhD thesis deals with robust design of complex products, within the framework of system engineering methods, such as First Design. This work focuses on frontal crashworthiness of Renault vehicles. The main goal of this PhD is to develop a robust design method based on crashworthiness numerical simulation. This method aims at ensuring the robustness of a vehicle crashworthiness right from the design stage of the product, in order to avoid costly design modifications, necessary when problems are found during the validation cycle or the life cycle of the product. Characteristics of crashworthiness phenomena are a high cost of numerical simulation, highly non-linear and bifurcative behaviour. Due to this behaviour, classic robust design methods would be unefficient or very expensive to use. In order to face this problem, we develop an original robust design method, based on optimization using design of experiments method. The goal of this method is to identify crash failures as soon as possible in the design stage, in order to correct them. This method also aims at integrating knowledge from the crash engineers, in order to find crash failures quickly, using as few simulations as possible. A challenge we meet when using numerical simulation of the crashworthiness is the need to trust the results of the model. This thesis also deals with improvements in the crash models at Renault. This work is well suited for a very competitive industry such as the automotive, where car manufacturers need to replace physical prototypes with numerical ones, in order to reduce design costs and be more reactive.

Dans l’industrie nucléaire, la simulation de transitoires accidentels à l’échelle d’un réacteur devient une composante d’importance croissante de la démonstration de sûreté à destination des agences de surveillance nationales. Elle permet ainsi de limiter le recours à des expériences complexes et coûteuses tout en facilitant l’évaluation des stratégies de mitigation. Cependant, les modèles mis en jeu sont inévitablement volumineux et construits avec une finesse de modélisation rendant difficile la prise en compte de détails géométriques locaux pourtant susceptibles d’influencer significativement la solution globale. Dans ce travail de thèse, on propose ainsi des approches multi-modèles pour l’intégration de tels détails dans un modèle global sans modification du maillage initial (on parle aussi de zoom numérique). Des techniques sont proposées aussi bien pour les structures que pour les fluides, avec un souci de démontrer la précision et la stabilité de la solution multi-modèles couplée comparée à une solution de référence à une seule échelle. Ce travail intègre deux spécificités propres, à savoir son adéquation avec les contraintes de la dynamique rapide avec intégration temporelle explicite et l’objectif de traiter simultanément la superposition de modèles et l’interaction fluide-structure. / In nuclear industry, simulating accidental transient sequences at full reactor scale is becoming an increasingly important feature of the safety demonstration towards national agencies. It thus allows limiting the number of complex and costly experiments, while simplifying and accelerating the evaluation of mitigation strategies. However, the implemented numerical models are inevitably heavy to build and maintain, with a global modelling scale making it difficult to account for local geometric details yet able to significantly influence the physical solution. To provide an answer to these problems, this PhD work is dedicated to multi-model approaches designed to integrate such details into bigger models with no modification at the global level (techniques often designated as numerical zoom techniques). Some methods are proposed for both structures and fluids, with special care given to the accuracy and stability of the coupled multi-scale solution compared to a single-scale reference solution. This work handles two very specific topics, namely its compatibility with numerical features imposed by fast transient dynamics with explicit time integration, and the general objective of simultaneously dealing with superimposed models and fluid-structure interaction.

Le besoin de prédire le comportement mécanique des structures industrielles en béton armé et d’évaluer leur niveau d’endommagement en conditions extrêmes sous l’action de chargements dynamiques violents nécessite de faire appel à la simulation numérique utilisant des modèles de matériaux fiables et robustes. Dans cette thèse, le modèle d’endommagement anisotrope induit utilisant une variable tensorielle d’ordre 2 est étendu aux cas de chargements peu confinés à l’aide d’un nouveau critère modulaire formulé en contraintes. Grâce au mécanisme de visco-endommagement, le modèle traite toute la gamme de vitesses de sollicitation envisagée pour des structures en béton armé. Le comportement cyclique avec refermeture des fissures est pris en compte et l’endommagement peut atteindre 1 exactement dans une ou plusieurs directions grâce à une nouvelle gestion de la rupture. Le calcul d’un tirant a montré que cette procédure est indispensable pour plastifier l’acier et éviter un endommagement généralisé du béton. Lors du volet expérimental de la thèse, des essais de caractérisation du béton et des essais d’arrachement ont été réalisés en coopération avec le Département Génie Civil de l’ENS Cachan, suivis des essais d’impact sur poutres sur la tour de chute Orion au laboratoire DYN du CEA à Saclay. Avec une prise en compte pragmatique de l'interface acier-béton, la comparaison des calculs et des essais a montré qu'il était nécessaire de disposer d’un modèle de liaison acier-béton pour éviter un endommagement trop important du béton au voisinage des armatures, de réduire les temps de calcul, d’améliorer la méthode de régularisation et de prendre en compte les déformations permanentes. / The need to predict the mechanical behavior of reinforced concrete industrial structures and assess their level of damage in extreme conditions under the action of dynamic loads requires the use of numerical simulations and develop reliable and robust material models. In this thesis, the model of induced anisotropic damage using a tensor variable of order 2 is extended to the case of low-level confined loads using a new modular criterion written with stresses. Through the mechanism of visco-damage, the model treats the entire solicitation rate range considered for reinforced concrete structures. The cyclic behavior with reclosing of cracks is taken into account and the damage can reach 1 exactly in one or more directions due to a new rupture management. The calculation of a tie-beam showed that this procedure is necessary to plasticize steel and prevent widespread damage concrete. During the experimental part of the thesis, characterization tests for concrete and pullout tests were conducted in cooperation with the Civil Engineering Department at ENS Cachan, followed by impact tests on beams on the Orion drop tower of DYN CEA Saclay laboratory. With a pragmatic consideration of steel-concrete interface, the comparison of calculations and tests showed that it was necessary to have a model of steel-concrete connection to avoid excessive concrete damage in the vicinity of reinforcements, as well as to reduce computing time, improve the regularization method, and take into account permanent deformations.

Cette étude aborde différents schémas d'intégration temporelle en calcul dynamique, et leur capacité à dissiper les hautes fréquences numériques introduites par les discrétisation temporelle et spatiale. La discrétisation temporelle d'un problème de dynamique peut être réalisée par la Méthode des Différences Finies ou celle des Eléments Finis et plus particulièrement la méthode de Galerkin - discontinue. Les résultats sont alors perturbés par des oscillations parasites d'origine purement numérique et issues des discrétisations temporelle et spatiale. Des méthodes permettent de les amortir en dissipant de l'énergie. Les schémas explicites amortissants de Tchamwa - Wielgosz et de Bonelli sont tout d'abord comparés au traditionnel Bulk-viscosity sur des cas 1D et 3D axi-symétriques. Un algorithme de pilotage de l'amortissement pour le schéma de Tchamwa - Wielgosz est ensuite développé de manière à obtenir une efficacité amortissante optimale tout au long des calculs sans pour autant observer une baisse trop importante de l'énergie. L'utilisation des méthodes amortissantes sur des exemples numériques issus d'essais expérimentaux (essais aux Barres de Hopkinson, impact transversal d'une tôle) est enfin étudiée. Des conclusions de cette étude, citons tout d'abord que l'utilisation des méthodes amortissantes s'avère très efficace pour filtrer les oscillations parasites mais en dissipant généralement trop d'énergie, ce qui a motivé le développement d'un pilotage original de l'amortissement. Une seconde innovation réside dans l'étude d'un schéma temporel explicite de type éléments finis permettant d'aboutir à des résultats se rapprochant de la solution théorique discrétisée.

Le besoin de prédire le comportement mécanique des structures industrielles en béton armé et d'évaluer leur niveau d'endommagement en conditions extrêmes sous l'action de chargements dynamiques violents nécessite de faire appel à la simulation numérique utilisant des modèles de matériaux fiables et robustes. Dans cette thèse, le modèle d'endommagement anisotrope induit utilisant une variable tensorielle d'ordre 2 est étendu aux cas de chargements peu confinés à l'aide d'un nouveau critère modulaire formulé en contraintes. Grâce au mécanisme de visco-endommagement, le modèle traite toute la gamme de vitesses de sollicitation envisagée pour des structures en béton armé. Le comportement cyclique avec refermeture des fissures est pris en compte et l'endommagement peut atteindre 1 exactement dans une ou plusieurs directions grâce à une nouvelle gestion de la rupture. Le calcul d'un tirant a montré que cette procédure est indispensable pour plastifier l'acier et éviter un endommagement généralisé du béton. Lors du volet expérimental de la thèse, des essais de caractérisation du béton et des essais d'arrachement ont été réalisés en coopération avec le Département Génie Civil de l'ENS Cachan, suivis des essais d'impact sur poutres sur la tour de chute Orion au laboratoire DYN du CEA à Saclay. Avec une prise en compte pragmatique de l'interface acier-béton, la comparaison des calculs et des essais a montré qu'il était nécessaire de disposer d'un modèle de liaison acier-béton pour éviter un endommagement trop important du béton au voisinage des armatures, de réduire les temps de calcul, d'améliorer la méthode de régularisation et de prendre en compte les déformations permanentes.

Ce travail de recherche s'inscrit dans le cadre de la sécurité du transport et de manutention des colis de confinement de déchets nucléaires. Le but est de développer un outil numérique capable de simuler le comportement global d'une structure en béton de fibres soumise à des sollicitations dynamiques. Il permet également d'accéder à des informations plus locales telle que la fissuration, tant en terme de trajet que d'ouverture de fissures. Pour ce faire, un ensemble d'essais mécaniques est réalisé afin de mieux comprendre les mécanismes d'endommagement et de fissuration du matériau sous sollicitations quasi-statique et dynamique. Le modèle capable de capturer à l'échelle globale les non-linéarités liées à la fissuration de la structure dans un cadre continu est détaillé. Les paramètres associés à la loi de comportement sont identifiés via une procédure d'identification basée sur les données expérimentales des essais conduits. La détermination de l'énergie de fissuration en dynamique est investiguée et la part inertielle structurelle de celle-ci est soulignée. Deux méthodes de post-traitement numérique des résultats des simulations numériques globales permettant d'accéder à des informations plus fines à l'échelle locale, en termes de trajet et d'ouverture de fissure, sont détaillées. Une étude d'une poutre en béton fibré soumis à un chargement de flexion 1-point dynamique post-traitée avec les deux approches est présentée. Les résultats du post-traitement numérique sont comparés à ceux obtenus expérimentalement par corrélation d'images numériques. / The research work falls within the framework of the transportation and handling safety of radioactive waste containment packages. The goal is to develop a numerical tool capable of simulating the overall behaviour of a fiber concrete structure subject to a dynamic loading. It also gives access to more local information such as cracking, both in terms of path and opening. To do this, a set of mechanical tests is carried out in order to better understand the mechanisms of damage and cracking of the material under quasi-static and dynamic loading. The model capable of capturing on a global scale the non-linearities related to the cracking of the structure in a continuous framework is detailed. The parameters associated with the material constitutive law are identified via an identification procedure based on the experimental data of the conducted tests. The determination of dynamic cracking energy is investigated and the structural inertial part of this is underlined. Two numerical methods used to post-process the results of the global numerical simulations, giving access to finer information at the local scale, in terms of path and crack opening, are detailed. The study of a fiber-reinforced concrete beam subjected to a dynamic 1-point bending loading, post-processed with the two approaches, is presented. The results of the numerical post-processing are compared with those obtained experimentally by correlation of digital images.

Cette thèse, intitulée "Assimilation de données et modélisation stochastique dans la réanalyse des données géomagnétiques satellitaires", propose de retrouver des informations sur l'état du noyau terrestre à la frontière noyau-manteau, en combinant, d'une part, des contraintes spatiales issues de modélisations numériques directes, et d'autre part, des informations temporelles provenant d'équations stochastiques.Cet objectif est réalisé grâce à l'utilisation de méthodes inverses, et à la construction d'un algorithme d'assimilation de données à état augmenté.L'algorithme répond à la double volonté d'être flexible, c'est-à-dire de pouvoir intégrer plusieurs sources de données ou d'informations, et simple d'utilisation, c'est-à-dire d'être peu coûteux en temps de calcul et facilement modifiable.Ce travail s'inscrit dans la continuité des études menées par la communauté en assimilation de données géomagnétiques, ainsi que dans l'opportunité d'utiliser les dernières données satellitaires provenant de la récente mission Swarm (2014-....).Il a été effectué en collaboration avec Julien Aubert (IPGP), qui a fourni les contraintes spatiales issues du modèle Coupled-Earth, ainsi qu'avec Christopher C. Finlay (DTU) et Magnus Hammer (DTU), qui ont fourni les données satellitaires et d'observatoires au sol.Les principaux aboutissements de cette thèse sont la conception d'un algorithme simple et fonctionnel, validé lors d'expériences jumelles synthétiques (publié), et appliqué tout d'abord aux coefficients de Gauss d'un modèle géomagnétique, avant d'être étendu vers les données satellitaires des missions CHAMP et Swarm.Mon algorithme est capable de retrouver de l'information sur les quantités mesurées du noyau mais également sur des quantités non-observées telles que les écoulements du fer liquide ou la diffusion magnétique.Ce travail amène également à la production d'un modèle de champ magnétique et de champ de vitesse à la frontière noyau-manteau qui n'est pas classiquement régularisé.Ce modèle géomagnétique montre des résultats globalement similaires au modèle de référence CHAOS-6, et est cohérent avec les autres travaux de la communauté.Ainsi, les cartes de champ magnétique et de vitesse obtenues à la surface du noyau attestent que le champ magnétique est majoritairement dirigé par l'advection, et confirment la présence persistante d'un gyre équatorial associé avec un hémisphère Pacifique plus calme mais plus dynamique pour le champ de vitesse.La diffusion magnétique retrouvée est concentrée sous l'Indonésie et l'Océan Indien.Fondamentalement, ma thèse démontre l'importance de la prise en compte des erreurs de modélisation dans l'assimilation de données géomagnétiques, avec l'apparition de biais importants et une sous-estimation des erreurs a posteriori lorsque ces erreurs sont négligées.Finalement, le travail présenté tout au long de ce manuscrit restant préliminaire, il ouvre la voie vers une utilisation accrue des mesures géomagnétiques, avec notamment la future publication d'un code libre qui permettra la comparaison systématique des résultats obtenus avec ceux de la communauté. / This thesis, entitled {sc Data Assimilation and Stochastic Modelling in Geomagnetic Satellite Data Reanalysis}, intends to retrieve information on the state of the Earth's core at the Core-Mantle-Boundary, by combining, first, spatial constraints coming from direct numerical simulations, and second, temporal information coming from stochastic equations.This purpose is achieved through inverse methods and a data assimilation augmented state algorithm.The proposed algorithm is designed to be flexible, textit{i.e.} able to integrate several types of data or constraints, and to be simple, textit{i.e.} with low computation time and easy to modify.This work fits in with the other studies on the geomagnetic data assimilation of the community, and with the opportunity to use the last satellite data from Swarm spacecraft (2014-....).We have worked in collaboration with Julien Aubert (IPGP), who has provided the spatial constraints from Coupled-Earth dynamo, and with Christopher C. Finlay (DTU) and Magnus Hammer (DTU), who have provided the satellites and ground observatories data.The major outcomes of this thesis are the design of a functional algorithm, validated through synthetic twin experiments (published), and applied, first, to the Gauss coefficients of a geomagnetic model, and second, to the measures of the CHAMP and Swarm missions.My algorithm is able to retrieve information, not only on the measured quantities, but also on the unobserved quantities like the core flows or the magnetic diffusion.This work has led to the production of a magnetic field and core flows model at the core surface which is not classically regularized.The geomagnetic field model shows results that are globally similar to the CHAOS-6 reference field model, and that are coherent with the other studies of the community.Thus, the maps of the magnetic field and the velocity field obtained, confirm that the dipole decay is principally driven by advection, and display the persistent presence of the Atlantic gyre associated with a Pacific hemisphere less energetic.The inverted magnetic diffusion is concentrated under Indonesia and Indian Ocean.Fundamentally, my thesis demonstrate the importance of taking into account the modelling errors in the geomagnetic data assimilation, which leads to strong biases and an underestimation of the textit{a posteriori} errors when those errors are neglected.Finally, the work presented in this manuscript is preliminary, and it paves the way toward an increased use of the satellite data, with in particular, the free release of my code in order to compared the results with the ones obtained by the community.