Issu de l'activité biologique de l'arbre, le bois est un matériau composite aux propriétés fortement variables ; caractéristique importante qui limite son utilisation. Le travail de cette thèse se situe dans le cadre d'une approche déterministe visant à comprendre la variabilité observée sur les propriétés mécaniques et de retrait du bois de chêne en fonction de l'organisation de sa structure et des propriétés microscopiques de ses composantes (rayons ligneux, fibre). Réalisée à l'échelle de l'accroissement annuel, cette approche requiert deux grand types de données qui ont nécessité la mise en place d'une chaine d'outils spécifiques :<br /> la morphologie qui définit les éléments structuraux (rayons ligneux, fibres) et leur distribution spatiale au sein du volume représentatif du matériau. Cette description est obtenue grâce au développement d'un dispositif d'imagerie numérique basé sur le principe de l'atténuation d'un rayonnement X.<br /> les propriétés microscopiques des principaux éléments constitutifs du plan ligneux du chêne. Dans le cadre de cette étude, où les propriétés mécaniques et de retrait sont au centre de nos préoccupations, deux types d'échantillons microscopiques (quelques centaines de micromètres) sont préparés au sein de chacun des constituants :<br />- les premiers sont sollicités en traction grâce à une machine d'essai placée sous un microscope. La comparaison d'images de la structure à différents niveaux de stress permet d'accéder à des propriétés élastiques (modules d'Young, coefficients de Poisson) pour chacun des tissus considérés.<br />- les seconds sont disposés dans une chambre climatique placée au sein du dispositif d'imagerie X précédemment développé. La comparaison d'images réalisées à différents états hydriques permet, sans contact, d'accéder aux coefficients de gonflement des éprouvettes, simultanément dans deux directions.<br />Enfin l'utilisation d'un outil numérique d'homogénéisation, MorphoPore, permet d'assembler ces connaissances afin de calculer les propriétés macroscopiques d'accroissements annuels. Les images de la morphologie issues du banc d'imagerie X sont alors la base d'un maillage numérique ; les propriétés microscopiques des différents tissus qui y sont injectées étant issues essentiellement des mesures expérimentales.<br />Les potentialités de l'outil sont présentées au travers de quelques cas. En particulier, cette approche permet de distinguer les influences de paramètres génétiques tel que le plan ligneux, de ceux liés à la croissance de l'arbre tels que la sylviculture ou la station. A titre d'exemple, nous citerons la quantification de l'influence de la vitesse de croissance d'un arbre sur les propriétés mécaniques et de retrait du bois.

Les écoulements de mélanges de deux fluides incompressibles, miscibles et ayant des densités très différentes sont gouvernés par les équations de Navier-Stokes non-homogène, couplées à une équation de convection-diffusion décrivant l'évolution de la composition du mélange. Nous proposons un algorithme associant la méthode des caractéristiques, pour la discrétisation des termes de transport, à la méthode des éléments finis avec une adaptation automatique de maillage, et démontrons que la solution de cet algorithme converge vers la solution exacte lorsque les pas de discrétisation tendent vers zéro. La robustesse de cet algorithme permet d'obtenir les premiers résultats de simulations numériques directes d'écoulements d'échange à très forte différence de densité, et de les valider par comparaison avec des expériences. Des écoulements de nuages denses sur des pentes sont simulés, et permettent d'analyser l'influence de la différence de densité sur les écoulements d'avalanches.

Ce travail a été motive par la volonté d'obtenir rapidement des modèles fidèles du corps humain. Nous avons créé et implémenté un ensemble de méthodes permettant de générer des maillages éléments finis en se basant sur une imagerie sériée (coupes anatomiques, scanner, irm). La génération de maillages a été décomposée en trois grandes parties : extraction de contours, reconstruction 3d, maillage surfacique ou volumique. Les méthodes de détection de contours ont été choisies afin d'être applicables sur tout type d'imagerie sériée dans le but d'être d'un emploi le plus large possible. Les méthodes de reconstruction 3d et maillage sont originales et basées sur une décomposition octaédrique de l'espace. Elles génèrent directement des éléments quads et hexas. La validation de la chaîne de traitement et des modèles obtenus a été effectuée sur le segment céphalique. Divers autres segments ont aussi été abordés même si leur étude n'est ici aborde qu'en guise d'illustration.

This thesis is dedicated to the study of structural and petroleum geology problems. To this purpose, a frictional elastoplastic law based on the Van Eekelen criterion is formulated, which avoids the classical drawbacks of the Drücker Prager criterion. Also, a 2D automatic adaptive re-meshing algorithm is developed for complex multidomains configurations, in order to overcome the limitation of the Lagrangian mesh. Details of the hydromechanical formulation implemented in the LAGAMINE FE code in a large strain context are presented. Application cases (reproduction of sandbox simulation, study of a hydrocarbon trap) concentrate on the study of the strain localisation and potential fracturation using different criteria. In the first case, re-meshing technique allowed to reproduce successfully analogue experiment of thrusting propagation. In the second case, a detailed study based on different initial conditions has brought new insight to the reactivated origin of some faults and has allowed to obtain information on the potential fracturing of the hydrocarbon reservoir unit. As an academic case, the study of anorthosite diapirism is carried out, which confirms the validity of the petrological model of diapirism. Eventually, the hydromechanical coupling effects between a layered porous medium and a fault are illustrated on a simple case.

La présente étude vise à comprendre l'influence du comportement visco-élasto-plastique d'une matrice TP (PPS) et TD (Epoxy) sur le comportement en fatigue à haute température de composite tissés à fibres de carbone. Une analyse fractographique a permis de révéler le rôle déterminant des zones riches en matrice au niveau des plis à ±45° dans la chronologie d'endommagement et sur le comportement en fatigue de stratifiés à plis croisés et quasi-isotropes. Afin d'évaluer la contribution de la viscoélasticité et de la viscoplasticité de la matriceTP au comportement thermomécanique des stratifiés C/TP à T>Tg, un modèle viscoélastique de Norton généralisé ont été implémentés dans le code Eléments Finis Cast3m. Une technique de corrélation d'images numériques (CIN) a été mise œuvre pour tester la capacité du modèle à prédire la réponse du stratifié dans le cas de structures à forts gradients de contraintes.

On présente ici un ensemble de méthodes numériques performantes pour lasimulation micromagnétique 3D reposant sur l'équation de Landau-Lifchitz-Gilbert, constituantun code nommé feeLLGood. On a choisi l'approche éléments finis pour sa flexibilitégéométrique. La formulation adoptée respecte la contrainte d'orthogonalité entre l'aimantationet sa dérivée temporelle, contrairement à la formulation classique sur-dissipative.On met au point un schéma de point milieu pour l'équation Landau-Lifchitz-Gilbert quiest stable et d'ordre deux en temps. Cela permet de prendre, à précision égale, des pas detemps beaucoup plus grands (typiquement un ordre de grandeur) que les schémas classiques.Un véritable enjeu numérique est le calcul du champ démagnétisant, non local. Oncompare plusieurs techniques de calcul rapide pour retenir celles, inédites dans le domaine,des multipôles rapides (FMM) et des transformées de Fourier hors-réseau (NFFT). Aprèsavoir validé le code sur des cas-tests et établi son efficacité, on présente les applications àla simulation des nanostructures : sélection de chiralité et résonance ferromagnétique d'unplot monovortex de cobalt, hystérésis des chapeaux de Néel dans un plot allongé de fer.Enfin, l'étude d'un oscillateur spintronique prouve l'évolutivité du code.

Il n'existe pas de nos jours une approche modélisatrice satisfaisante de la fissuration des structures en béton de grandes dimensions, capable d'apporter à la fois des informations sur son comportement global et local. Il s'agit pourtant d'un enjeu important pour la maîtrise de la durée de vie des structures, qui s'inscrit pleinement dans le cadre du développement durable. Nous introduisons ainsi une nouvelle approche pour modéliser le processus de fissuration dans les grandes structures en béton armé, comme les barrages ou les centrales nucléaires. Pour ces types de structures, il n'est pas raisonnable, en terme de temps de calcul, de modéliser explicitement les armatures et l'interface acier-béton. Néanmoins, l'accès aux données sur la fissuration est impératif pour les problèmes d'analyse structurelle et de diffusion. Nous avons donc développé un modèle de fissuration macroscopique probabiliste basé sur une stratégie de simulation multi-échelles afin d'obtenir de linformation sur la fissuration dans la structure, sans avoir besoin d'utiliser des approches locales. La stratégie est une sorte de processus multi-étapes qui reprend toute la modélisation de la structure dans le cadre de la méthode des éléments finis, du maillage, à la création de modèles et l'identification des paramètres. Le coeur de la stratégie est inspiré des algorithmes de régression (apprentissage supervisé): les données à l'échelle locale | base de données d'apprentissage associées à la connaissance pratique du problème mécanique | aident à formuler le modèle macroscopique. L'identification des paramètres du modèle macroscopique probabiliste dépend du problème traité car elle contient des informations sur le comportement local, obtenues en avance à l'aide de l'expérimentation numérique. Cette information est ensuite projetée à l'échelle des éléments finis macroscopiques par analyse inverse. L'expérimentation numérique est réalisé avec un modèle validé de fissuration du béton et d'un modèle d'interface acier-béton, ce qui permet une description détaillée des processus de fissuration. Bien que la phase d'identification puisse ^etre relativement longue, le calcul structurel est ainsi très efficace en terme de temps de calcul, conduisant à une réduction importante du temps de calcul global, sans perte d'information / précision sur résultats à l'èchelle macroscopique / No modeling approach exists nowadays that can provide reliable information about the cracking process in large/complex reinforced concrete structures. However, this is an important issue for controlling the lifespan of structures, which is at the heart of the principal of sustainable development. In this work we introduce a new approach to model the cracking processes in large reinforced concrete structures, like dams or nuclear power plants. For these types of structures it is unreasonable, due to calculation time, to explicitly model the rebars and the steel-concrete bond. Nevertheless, access to data about the cracking process is imperative for structural analysis and diffusion problems. So in order to draw the information about cracking in the structure, without resorting to the use of local approaches, we developed a probabilistic macroscopic cracking model based on a multi-scale simulation strategy. The strategy is a sort of a multi-steps process that takes over the whole modelization of the structure in the framework of the finite element method, from meshing, to model creation, and parameter identification. The heart of the strategy is inspired from regression (supervised learning) algorithms: data on the local scale | the training data coupled with working knowledge of the mechanical problem | would shape the macroscopic model. The probabilistic macroscopic model's identification is case-specific because it holds information about the local behavior, obtained in advance via numerical experimentation. This information is then projected to the macroscopic finite element scale via inverse analysis. Numerical experiments are performed using a validated cracking model for concrete and a bond model for the steel-concrete interface, allowing for a fine description of the cracking processes. Although the identification phase can be relatively time-consuming, the structural simulation is as a result, very time-efficient, leading to a sensitive reduction of the overall computational time, with no loss in information/accuracy of results on the macroscopic scale

Afin de réduire le bruit dans les villes, il est nécessaire d’avoir une bonne compréhension de la propagation acoustique en milieu urbain. Il existe aujourd’hui des logiciels commerciaux qui permettent de modéliser des champs acoustiques urbains à des coûts de calcul raisonnables. Toutefois, ces outils sont basés principalement sur des approches énergétiques qui ne contiennent pas d’informations sur la phase. Pour cette raison, elles ne permettent pas la prise en compte d’effets d’interférence (par exemple, des résonances), nous offrant ainsi une description physique limitée du champacoustique. Inversement, des méthodes ondulatoires classiques (FEM, BEM, FDTD) permettent de prendre en compte ces effets. Or, en raison de la discrétisation et de la grande extension du domaine de propagation, leur utilisation est généralement limitée aux très basses fréquences.L’objectif principal de cette thèse est de développer des méthodes ondulatoires performants, dans le domaine fréquentiel et temporel, nous permettant de modéliser la propagation acoustique dans des zones urbaines étendues. L’approche proposée est basée sur une formulation mixte modale–éléments finis. L’idée clé de cette méthode estde considérer la rue comme un guide d’ondes ouvert, dont la base modale est composée de modes de fuite (modes qui rayonnent une partie de leur énergie en se propageant). Cette approche combine une description multimodale du champ acoustique dans la direction longitudinale et un calcul par éléments finis des modes propres transverses.L’approche a été mise en oeuvre précédemment à l’échelle d’une seule rue. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’extension de la méthode à l’échelle du quartier, afin de modéliser la propagation dans des milieux contenant un grand nombre de rues interconnectées. Une version simplifiée dans le domaine temporel, contenant uniquement lemode de propagatif le moins fuyant, est également développée.En nous basant sur ces approches, nous étudions des phénomènes ondulatoires qui peuvent apparaître dans des configurations urbaines particulières. Plus précisément, nous nous intéressons à l’interaction des modes de la rue avec des résonances dans une cour intérieure adjacente, ainsi qu’à la formation de bandes de fréquences interditesdans des réseaux périodiques de rues interconnectées. Le résultat principal de cette étude est que, malgré la forte présence de pertes par radiation dans le milieu, des effets de résonance importants peuvent encore se produire. Les résultats présentés dans ce manuscrit mettent en évidence l’importance d’une approche ondulatoire pour décrirecorrectement des champs acoustiques aux basses fréquences, et ils suggèrent l’usage potentiel de ces phénomènes afin de contrôler la propagation acoustique dans le milieu.Enfin, nous présentons une étude sur l’utilisation de métasurfaces (surfaces contenant un réseau de résonateurs) pour améliorer la performance des murs antibruit. Nous démontrons que, grâce à l’excitation des résonances locales sur la métasurface, il est possible d’obtenir des propriétés non conventionnelles, comme par exemple des angles de réflexion négatifs ou de l’absorption acoustique aux basses fréquences. / The improvement of the urban sound environment requires a good understanding of the acoustic propagation in urban areas. Available commercial softwares give the possibility to simulate urban acoustic fields at relatively low computational costs. However, these tools are mainly based on energy methods that do not contain information on the phase. Therefore, these tools are unable to capture interference effects (e.g., resonances), providing a limited physical description of the acoustic field. Conversely, classical wave methods such as FEM, BEM or FDTD give the possibility to model interference effects, but their use is often restricted to very low frequencies due to discretisation and the huge extension of the propagation domain.The main goal of this thesis is to develop efficient wave methods for the acoustic propagation modelling in extended urban areas, both in the frequency and time domain. The proposed approach is based on a coupled modal–finite elements formulation. The key idea is to consider the urban canyon as an open waveguide with a modal basis composedof leaky modes, i.e., modes that radiate part of their energy into the atmosphere as they propagate. The approach combines a multimodal description of the acoustic field in the longitudinal direction and a finite elements computation of the transverseeigenmodes. This coupled approach, which has been successfully implemented at the scale of a single street, is extended in the present manuscript at a larger scale (the neighbourhood scale), in order to model problems arising in propagation domains containing many interconnected streets. A time domain version of the method, containing only the least damped mode, is also proposed.Using these methods, we investigate wave phenomena arising in specific urban configurations, as forbidden frequency bands in periodic networks of interconnected streets, and resonances in inner yards. It is found that, despite the presence of significant radiative losses in the propagation medium, strong interference effects are still observed. Not only this result highlights the relevance of a wave approach to describe accurately urban acoustic fields at low frequencies, but it suggest the potential use of these phenomena to control the acoustic propagation in urban environments.The last part of this dissertation presents a preliminary study on the use of metasurfaces (surfaces decorated with an array of resonators) to improve the performance of noise barriers. It is shown that, exciting resonances in these structures, it is possible to achieve some unconventional behaviours, including negative angles of reflection and low frequency sound absorption.

La présente étude vise à comprendre l'influence du comportement visco-élasto-plastique d'une matrice TP (PPS) et TD (Epoxy) sur le comportement en fatigue à haute température de composite tissés à fibres de carbone. Une analyse fractographique a permis de révéler le rôle déterminant des zones riches en matrice au niveau des plis à ±45° dans la chronologie d'endommagement et sur le comportement en fatigue de stratifiés à plis croisés et quasi-isotropes. Afin d'évaluer la contribution de la viscoélasticité et de la viscoplasticité de la matriceTP au comportement thermomécanique des stratifiés C/TP à T>Tg, un modèle viscoélastique de Norton généralisé ont été implémentés dans le code Eléments Finis Cast3m. Une technique de corrélation d’images numériques (CIN) a été mise œuvre pour tester la capacité du modèle à prédire la réponse du stratifié dans le cas de structures à forts gradients de contraintes. / The present work was aimed at investigating the influence of the matrix visco-elastoplasticbehavior on the high-temperature fatigue behaviour of carbon woven-ply TP (PPS)-and TS (Epoxy)-based laminates. A fractography analysis showed that matrix-rich areas at the vicinity ±45° plies proved to be instrumental in modifiyng the damage chronology and the fatigue behaviour of angle-ply and quasi-isotropic laminates.In order to evaluate the contribution of viscoelasticity and viscoplasticity to the thermo-mechanical response of C/TP laminates at T>Tg, a linear spectral viscoelastic model and a generalized Norton-type viscoplastic model have been implemented int the Finite Elements code Cast3m. A digital image correlation technique has been used to validate the model's ability to predict the response of high gradient structures to various loading.

La simulation numérique est devenue un outil omniprésent dans les milieux industriels. En particulier, dans le domaine de l’ingénierie mécanique où l’objectif est de prévoir la réponse d'une structure à des sollicitations. La simulation est dans ce cas une aide au dimensionnement qui permet de réduire le développement de prototypes coûteux. Les systèmes étudiés en bureau d’études étant de plus en plus complexes, il est courant de traiter des structures comportant plusieurs composants déformables en interaction. Le contexte d’étude repose donc sur les équations de la mécanique des milieux continus avec prise en compte du contact. Cependant, l’obtention des solutions exactes de ce système d’équation aux dérivées partielles n’est en général pas envisageable. L’obtention d’une solution passe par l'utilisation d’une discrétisation du modèle. Ainsi le résultat obtenu est une approximation de la solution exacte du problème traité. En situation industrielle il est nécessaire de pouvoir contrôler la qualité de ce résultat approché, c’est à dire mesurer l’écart entre la solution exacte (inconnue) et la solution approchée (disponible), ce sont des outils de vérification. Il existe de nombreux travaux sur l’estimation d’erreur permettant d’évaluer l’écart entre les solutions exactes et approchées. Malgré cela, l’utilisation des outils de vérification (estimateur de l’erreur commise) reste encore peu répandue dans l’industrie (disponibilité dans les codes de calculs, fiabilité, coûts de calcul, difficulté d’utilisation …) Dans ce travail, nous proposons une méthode d’estimation d’erreur, basée sur le concept d’erreur en relation de comportement, parallélisable et permettant s’adapter aux contraintes industrielles (pertes d’information, problèmes mal connus …). De plus, afin de la rendre l’outil rapidement disponible en bureau d’étude, le choix a été fait de développer la méthode directement dans le code de calcul industriel SAMCEF lors du projet ANR ROMMA. / In the field of mechanical engineering, numerical simulation has become an indispensable tool to predict the response of a structure to mechanical load.The simulation allows to reduce conception costs using numerical models instead of costly prototypes.Engineers use increasingly complex structures; it is now common to treat structures composed of several deformable components interacting. The studies carried out in this work are based on the equations of continuum mechanics with contact.However, these numerical simulations involve a discretized version of a continuous mathematical model (finite element analysis). Therefore, they lead only to an approximation of the exact solution of the reference problem.In an industrial context, the results of a finite element calculation must satisfy certain quality requirements. The purpose of an error estimation is to evaluate the distance between the exact solution and an approximate solution of the problem.Methods for evaluating the global error due to the problem's discretization have been studied for several years. However the use of error estimation tools is still not widespread in industry (availability in industrial softwares , reliability, calculation costs, difficulty of use ...)The objective of this work is to propose a parallelized estimation method based on the concept of constitutive relation error, adapted to industrial constraints. Furthermore, to make it quickly available for design office, the choice was made to develop the method directly in the industrial software SAMCEF during the ANR project ROMMA.