Hyperbolic conservation laws form a special class of partial differential equations. They describe phenomena that involve conserved quantities and their solutions show discontinuities which reflect the formation of shock waves. We consider one-dimensional systems of hyperbolic conservation laws and produce approximations using finite difference, finite volume and finite element methods. Due to stability issues of classical finite element methods for hyperbolic conservation laws, we study the discontinuous Galerkin method, which was recently introduced. The method involves completely discontinuous basis functions across each element and it can be considered as a combination of finite volume and finite element methods. We illustrate the implementation of discontinuous Galerkin method using Legendre polynomials, in case of scalar equations and in case of quasi-linear systems, and we review important theoretical results about stability and convergence of the method. The applications of finite volume and discontinuous Galerkin methods to linear and non-linear scalar equations, as well as to the system of elastodynamics, are exhibited.

The losses in an internal combustion engine are dominated by thermal and parasitic sources. The latter arises from mechanical inefficiencies inherent within the system, particularly friction in load bearing conjunctions such as the piston assembly. During idle and at low engine speeds, frictional losses are the major contributor to the overall engine losses as opposed to the dominant contribution of thermal losses under other driving conditions. Given the relatively small size and simple structure of the top compression ring, it has a disproportionate contribution to the total frictional losses. This suggests further analysis would be required to understand the underlying causes of compression ring behaviour throughout the engine cycle. The available literature on tribological analyses of compression rings does not account for the transient ring elastodynamics. They usually assume a rigid ring for film thickness and power loss predictions, which is not representative of the ring's dynamic response. A combined study of ring elastodynamic behaviour and its tribological conjunction is a comprehensive approach.

Le sujet de la thèse s’inscrit dans le cadre du développement de modèles pour la simulation du contrôle non-destructif (CND) par ultrasons. L'objectif à long terme est la mise au point, par une méthode de rayons, d’un outil complet de simulation des échos issus de la géométrie (surfaces d’entrée, de fond…) ou des structures internes des pièces inspectées. La thèse vise plus précisément à intégrer le phénomène de diffraction par les dièdres à un modèle existant dérivant de l’acoustique géométrique et qui prend uniquement en compte les réflexions sur les faces.Pour cela, la méthode dite des fonctions spectrales, développée initialement pour le cas d'un dièdre immergé, est développée et validée dans un premier temps dans le cas des ondes acoustiques pour des conditions aux limites de type Dirichlet ou Neumann. La méthode est ensuite étendue à la diffraction des ondes élastiques par des dièdres infinis à faces libres et d'angles quelconques, pour une incidence 2D puis pour une incidence 3D. Cette méthode est semi-analytique puisque les solutions recherchées s'écrivent sous la forme d'une somme d'une fonction singulière, qui est déterminée analytiquement à l'aide d'un algorithme récursif, et d'une fonction régulière, qui est approchée numériquement.Les codes correspondants sont validés par comparaison à une solution exacte dans le cas acoustique et par comparaison à d'autres codes (semi-analytiques et numériques) dans le cas élastique. Des validations expérimentales du modèle élastodynamique sont également proposées. / This thesis falls into the framework of model development for simulation of ultrasonic non-destructive testing (NDT). The long-term goal is to develop, using ray methods, a complete simulation tool of specimen echoes (input, back-wall surfaces...) or echoes of inner structures of inspected parts. The thesis aims more specifically to integrate the phenomenon of diffraction by wedges to an existing model derived from geometrical acoustics, which only accounts for reflections on the wedge faces.To this end, a method called the spectral functions method, which was initially developed for immersed wedges, is developed and validated as a first step in the case of acoustic waves with Dirichlet or Neumann boundary conditions. The method is then extended to elastic wave diffraction by infinite stress-free wedges of arbitrary angles, for 2D and 3D incidences. This method is semi-analytic since the unknown solutions are expressed as the sum of a singular function, determined analytically using a recursive algorithm, and a regular function which is approached numerically.The corresponding codes are validated by comparison to an exact solution in the acoustic case and by comparison to other codes (semi-analytic and numerical) in the elastic case. Experimental validations of the elastodynamic model are also proposed.

La problématique récente de la conception de métamatériaux a renouvelé l'intérêt dans les théories de l'homogénéisation en régime dynamique. En particulier, la théorie de l'homogénéisation élastodynamique initiée par J.R. Willis a reçu une attention particulière suite à des travaux sur l'invisibilité élastique. La présente thèse reformule la théorie de Willis dans le cas des milieux périodiques, examine ses implications et évalue sa pertinence physique au sens de quelques ``conditions d'homogénéisabilité'' qui sont suggérées. En se basant sur les résultats de cette première partie, des développements asymptotiques approximatifs de la théorie de Willis sont explorés en relation avec les théories à gradient. Une condition nécessaire de convergence montre alors que toutes les branches optiques de la courbe de dispersion sont omises quand des développements asymptotiques de Taylor de basse fréquence et de longue longueur d'onde sont déployés. Enfin, une nouvelle théorie de l'homogénéisation est proposée. On montre qu'elle généralise la théorie de Willis et qu'elle l'améliore en moyenne fréquence de sorte qu'on retrouve certaines branches optiques omises auparavant. On montre également que le milieu homogène effectif défini par la nouvelle théorie est un milieu généralisé dont les champs satisfont une version élastodynamique généralisée du lemme de Hill-Mandel / The recent issue of metamaterials design has renewed the interest in homogenization theories under dynamic loadings. In particular, the elastodynamic homogenization theory initiated by J.R. Willis has gained special attention while studying elastic cloaking. The present thesis reformulates Willis theory for periodic media, investigates its outcome and assesses its physical suitability in the sense of a few suggested ``homogenizability conditions''. Based on the results of this first part, approximate asymptotic expansions of Willis theory are explored in connection with strain-gradient media. A necessary convergence condition then shows that all optical dispersion branches are lost when long-wavelength low-frequency Taylor asymptotic expansions are carried out. Finally, a new homogenization theory is proposed to generalize Willis theory and improve it at finite frequencies in such a way that selected optical branches, formerly lost, are recovered. It is also proven that the outcome of the new theory is an effective homogeneous generalized continuum satisfying a generalized elastodynamic version of Hill-Mandel lemma

We introduce a mathematical framework for the inverse medium problem arising commonly in geotechnical site characterization and geophysical probing applications, when stress waves are used to probe the material composition of the interrogated medium. Specifically, we attempt to recover the spatial distribution of Lame's parameters ( and μ) of an elastic semi-infinite arbitrarily heterogeneous medium, using surface measurements of the medium's response to prescribed dynamic excitations. The focus is on characterizing near-surface deposits, and to this end, we develop a method that is implemented directly in the time-domain, is driven by the full waveform response collected at receivers on the surface, while the domain of interest is truncated using Perfectly-Matched-Layers (PMLs) to limit the originally semi-infinite extent of the physical domain. There are two key issues associated with the problem at hand: (a) the forward problem, namely the numerical simulation of the wave motion in the domain of interest; and (b) the framework and strategies for tackling the inverse problem. To address the forward problem, it is necessary that the domain of interest be truncated, and the resulting finite domain be forced to mimic the physics of the original problem: to this end, we introduce unsplit-field PMLs, and develop and implement two new formulations, one fully-mixed and one hybrid (mixed coupled with a non-mixed approach) that model wave motion within the, now PML-truncated, domain. To address the inverse problem, we adopt a partial-differential-equation-constrained optimization framework that results in the usual triplet of an initial-and-boundary-value forward problem, a final-and-boundary-value adjoint problem, and a time-independent boundary-value control problem. This triplet of boundary-value-problems is used to guide the optimizer to the target profile of the spatially distributed Lame parameters. Given the multiplicity of solutions, we assist the optimizer, by deploying regularization schemes, continuation schemes (regularization factor and source-frequency content), as well as a physics-driven simple procedure to bias the search directions. We report numerical examples attesting to the quality, stability, and efficiency of the forward wave modeling. We also report moderate success with numerical experiments targeting inversion of both smooth and sharp profiles in two dimensions. / text

This work is dedicated to the theoretical and numerical study of nonlinear phononic crystals. The studied nonlinearities are those due to the second (quadratic) and third (cubic) order elastic constants of the materials that constitute the crystals. Nonlinear effects are studied by the means of finite element methods, used to simulate the propagation of an elastic wave through the crystals. A first research project concerns the study of a bone structure, namely the dispersion of elastic waves in a structure composed of collagen and hydroxy apatite alternate constituent layers. Simulations showed that it exists a strong link between bones hydration and their ability to dissipate the energy. The second study relates to an elastic resonator. A structure composed of steel inclusions in a silica matrix shows a switch behavior when the cubic nonlinearities of steel are taken into account. This strong nonlinear effect appears when the amplitude of the incident wave reaches a threshold. A full analytical model is provided. The last study demonstrates the design of composite materials with both strong cubic nonlinearities and weak quadratic nonlinearities. The derivation of the mixing laws of the elastic parameters of a nonlinear material inside a linear one is performed up to order three. Equations show a strong amplification of the nonlinear parameters of the material for some concentrations. Numerical simulations allow to conclude that the above mentioned resonator can be produced. For this thesis, an innovative tool based on the Discontinuous Galerkin (DG) finite element method is developed for the simulation of elastic wave propagation, in linear and nonlinear systems and in finite and semi-infinite media. The implementation of this DG code for 2D and 3D simulations benefits from the efficient exploitation of modern computer infrastructure (GPU units, clusters) using the property of massive parallelization of DG algorithms. This thesis is part of a joint agreement for an international Ph.D. degree between École Centrale de Lille and the Materials Science and Engineering department of the University of Arizona at Tucson. Ce travail porte sur l'étude théorique et numérique des cristaux phononiques non-linéaires. Les non-linéarités étudiées sont celles dues aux constantes élastiques d'ordre deux (quadratiques) et trois (cubiques) des matériaux constituant les cristaux. Les effets non-linéaires sont étudiés grâce á des méthodes d'éléments finis en simulant la propagation d'une onde élastique á travers les cristaux. Un premier projet de recherche a porté sur l'étude d'une structure osseuse, et plus spécifiquement sur la dispersion des ondes élastiques dans une structure constituée d'une alternance de couches de collagène et d'hydroxy apatite. Les simulations montrent qu'il existe un lien étroit entre l'hydratation des os et leur capacité à dissiper l'énergie. La seconde étude réalisée concerne un résonateur élastique. Une structure constituée d'inclusions d'acier dans de la silice présente un comportement de commutateur (switch) lorsque les non-linéarités cubiques de l'acier sont prises en compte. Cet effet fortement non-linéaire apparaît lorsque l'amplitude de l'onde incidente dépasse un certain seuil. Un modèle analytique complet est fourni. La dernière étude réalisée montre la conception de matériaux composites possédant de fortes non-linéarités cubiques mais de faibles non-linéarités quadratiques. La dérivation des lois de mélange des paramètres élastiques d'un matériau non-linéaire dans un matériau linéaire est effectuée à l'ordre trois. Les équations montrent une forte amplification des paramètres non-linéaires du matériau résultant pour certaines concentrations. Les simulations permettent de conclure que le résonateur mentionné ci-dessus peut effectivement étre réalisé. Pour cette thèse, un outil numérique innovant basé sur la méthode des éléments finis de type Galerkin Discontinu (DG) est développé pour la simulation de la propagation d'ondes élastiques, dans des systèmes linéaires et non-linéaires et dans des milieux finis et semi-infinis. L'implémentation de ce code DG pour des simulations 2D et 3D tire parti des infrastructures de calcul actuelles (processeurs graphiques, clusters) grâce à la propriété de parallélisation massive des algorithmes DG. Cette thèse s'est déroulée dans le cadre d'une cotutelle entre l'École Centrale de Lille et le département de Science et ingénierie des matériaux de l'Université d'Arizona, à Tucson.

Many problems in continuum mechanics, especially in the theory of elastic materials, lead to nonlinear partial differential equations. The nonconvexity of their underlying energy potential is a challenge for mathematical analysis, since convexity plays an important role in the classical theories of existence and regularity. In the last years one main point of interest was to develop techniques to circumvent these difficulties. One approach was to use different notions of convexity like quasi-- or polyconvexity, but most of the work was done only for static (time independent) equations. In this thesis we want to make some contributions concerning existence, regularity and numerical approximation of nonconvex dynamical problems.

La théorie d'homogénéisation élastodynamique des matériaux hétérogènes initiée par J.R. Willis il y a environ une trentaine d'années a récemment reçu une très grande attention. D'après cette théorie qui est mathématiquement exacte, la loi constitutive homogénéisée est non locale en espace et en temps ; le tenseur des contraintes dépend non seulement du tenseur des déformations mais aussi de la vitesse ; la quantité du mouvement dépend à la fois de la vitesse et du tenseur des déformations, faisant apparaître en général une masse anisotrope. Ces propriétés constitutives effectives, qui pourraient être surprenantes d'un point de vue mécanique classique, se révèlent en fait très utiles pour la conception de métamatériaux acoustiques et de capes acoustiques. Ce travail de thèse consiste essentiellement à proposer et développer deux méthodes numériques efficaces pour déterminer les propriétés élastodynamiques effectives des matériaux périodiquement hétérogènes. La première méthode relève de la méthode des éléments finis alors que la deuxième méthode est basée sur la transformée de Fourier rapide. Ces deux méthodes sont d'abord élaborées pour une microstructure périodique 3D quelconque et ensuite implantées pour une microstructure périodique 2D quelconque. Les avantages et les inconvénients de chacune de ces deux méthodes sont comparés et discutés. A l'aide des méthodes numériques élaborées, la théorie de Willis est appliquée au calcul élastodynamique sur un milieu infini hétérogène et celui homogénéisé. Les différents cas d'homogénéisabilité et de non-homogénéisabilité sont discutés / The elastodynamic homogenization theory of heterogeneous materials initiated by J.R. Willis about thirty years ago has recently received considerable attention. According to this theory which is mathematically exact, the homogenized constitutive law is non-local in space and time; the stress tensor depends not only on the strain tensor but also on the velocity; the linear momentum depends on both the velocity and the strain tensor, making appear an anisotropic mass tensor in general. These effective constitutive properties, which may be surprising from a classical mechanical point of view, turn out in fact to be very useful for the design of acoustic metamaterials and acoustic cloaks. The present work is essentially to propose and develop two efficient numerical methods for determining the effective elastodynamic properties of periodically heterogeneous materials. The first method belongs to the finite element method while the second method is based on the fast Fourier transform. These two methods are first developed for any 3D periodic microstructure and then implanted for any 2D periodic microstructure. The advantages and disadvantages of each of these two methods are compared and discussed. Using the elaborated numerical methods, the Willis theory is applied to the elastodynamic computation over the infinite heterogeneous medium and the homogenized one. The various cases of homogeneisability and non-homogeneisability are discussed

La théorie d'homogénéisation élastodynamique des matériaux hétérogènes initiée par J.R. Willis il y a environ une trentaine d'années a récemment reçu une très grande attention. D'après cette théorie qui est mathématiquement exacte, la loi constitutive homogénéisée est non locale en espace et en temps ; le tenseur des contraintes dépend non seulement du tenseur des déformations mais aussi de la vitesse ; la quantité du mouvement dépend à la fois de la vitesse et du tenseur des déformations, faisant apparaître en général une masse anisotrope. Ces propriétés constitutives effectives, qui pourraient être surprenantes d'un point de vue mécanique classique, se révèlent en fait très utiles pour la conception de métamatériaux acoustiques et de capes acoustiques. Ce travail de thèse consiste essentiellement à proposer et développer deux méthodes numériques efficaces pour déterminer les propriétés élastodynamiques effectives des matériaux périodiquement hétérogènes. La première méthode relève de la méthode des éléments finis alors que la deuxième méthode est basée sur la transformée de Fourier rapide. Ces deux méthodes sont d'abord élaborées pour une microstructure périodique 3D quelconque et ensuite implantées pour une microstructure périodique 2D quelconque. Les avantages et les inconvénients de chacune de ces deux méthodes sont comparés et discutés. A l'aide des méthodes numériques élaborées, la théorie de Willis est appliquée au calcul élastodynamique sur un milieu infini hétérogène et celui homogénéisé. Les différents cas d'homogénéisabilité et de non-homogénéisabilité sont discutés / The elastodynamic homogenization theory of heterogeneous materials initiated by J.R. Willis about thirty years ago has recently received considerable attention. According to this theory which is mathematically exact, the homogenized constitutive law is non-local in space and time; the stress tensor depends not only on the strain tensor but also on the velocity; the linear momentum depends on both the velocity and the strain tensor, making appear an anisotropic mass tensor in general. These effective constitutive properties, which may be surprising from a classical mechanical point of view, turn out in fact to be very useful for the design of acoustic metamaterials and acoustic cloaks. The present work is essentially to propose and develop two efficient numerical methods for determining the effective elastodynamic properties of periodically heterogeneous materials. The first method belongs to the finite element method while the second method is based on the fast Fourier transform. These two methods are first developed for any 3D periodic microstructure and then implanted for any 2D periodic microstructure. The advantages and disadvantages of each of these two methods are compared and discussed. Using the elaborated numerical methods, the Willis theory is applied to the elastodynamic computation over the infinite heterogeneous medium and the homogenized one. The various cases of homogeneisability and non-homogeneisability are discussed

Unbounded domains often appear in engineering applications, such as acoustic or elastic wave radiation from a body immersed in an infinite medium. To simulate the unboundedness of the domain special boundary conditions have to be imposed: the Sommerfeld radiation condition. In the present work we focused on steady-state wave propagation. The objective of this research is to obtain accurate prediction of phenomena occurring in exterior acoustics and elastodynamics and ensure the quality of the solutions even for high wavenumbers. To achieve this aim, we develop higher-order domain-based schemes: Spectral Element Method (SEM) coupled to Dirichlet-to-Neumann (DtN ), Perfectly Matched Layer (PML) and Infinite Element (IEM) methods. Spectral elements combine the rapid convergence rates of spectral methods with the geometric flexibility of the classical finite element methods. The interpolation is based on Chebyshev and Legendre polynomials. This work presents an implementation of these techniques and their validation exploiting some benchmark problems. A detailed comparison between the DtN, PML and IEM is made in terms of accuracy and convergence, conditioning and computational cost.