Isogeometric analysis is aimed to mitigate the gap between Computer-Aided Design (CAD) and analysis by using a unified geometric representation. Thanks to the exact geometry representation and high smoothness of adopted basis functions, isogeometric analysis demonstrated excellent mathematical properties and successfully addressed a variety of problems. In particular, it allows to solve higher order Partial Differential Equations (PDEs) directly omitting the usage of mixed approaches. Unfortunately, complex CAD geometries are often constituted by multiple Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) patches and cannot be directly applied for finite element analysis.parIn this work, we presents a dual mortaring framework to couple adjacent patches for higher order PDEs. The development of this formulation is initiated over the simplest 4th order problem-biharmonic problem. In order to speed up the construction and preserve the sparsity of the coupled problem, we derive a dual mortar compatible C1 constraint and utilize the Bezier dual basis to discretize the Lagrange multipler spaces. We prove that this approach leads to a well-posed discrete problem and specify requirements to achieve optimal convergence. After identifying the cause of sub-optimality of Bezier dual basis, we develop an enrichment procedure to endow Bezier dual basis with adequate polynomial reproduction ability. The enrichment process is quadrature-free and independent of the mesh size. Hence, there is no need to take care of the conditioning. In addition, the built-in vertex modification yields compatible basis functions for multi-patch coupling.To extend the dual mortar approach to couple Kirchhoff-Love shell, we develop a dual mortar compatible constraint for Kirchhoff-Love shell based on the Rodrigues' rotation formula. This constraint provides a unified formulation for both smooth couplings and kinks. The enriched Bezier dual basis preserves the sparsity of the coupled Kirchhoff-Love shell formulation and yields accurate results for several benchmark problems.Like the dual mortaring formulation, locking problem can also be derived from the mixed formulation. Hence, we explore the potential of Bezier dual basis in alleviating transverse shear locking in Timoshenko beams and volumetric locking in nearly compressible linear elasticity. Interpreting the well-known B projection in two different ways we develop two formulations for locking problems in beams and nearly incompressible elastic solids. One formulation leads to a sparse symmetric symmetric system and the other leads to a sparse non-symmetric system.

The potential for high spatio-temporal resolution microwave measurements has urged the adoption of the signals of opportunity (SoOp) passive radar technique for use in remote sensing. Recent trends in particular target highly complex remote sensing problems such as root-zone soil moisture and snow water equivalent. This dissertation explores the continued open-sourcing of the SoOp coherent bistatic scattering model (SCoBi) and its use in soil moisture sensing applications. Starting from ground-based applications, the feasibility of root-zone soil moisture remote sensing is assessed using available SoOp resources below L-band. A modularized, spaceborne model is then developed to simulate land-surface scattering and delay-Doppler maps over the available spectrum of SoOp resources. The simulation tools are intended to provide insights for future spaceborne modeling pursuits.

Dans le domaine du génie civil et de la construction, ainsi que de l'industrie, les structures hétérogènes multicouches sont très utilisées. L'une des demandes formulées par les ingénieurs pour concevoir de telles structures est aussi la connaissance des charges limites qu'elles peuvent supporter. Des méthodes d'homogénéisation des plaques et poutres multicouches en analyse limite ont ainsi été développées. Elles conduisent respectivement à des cinématiques de Love-Kirchhoff ou d'Euler-Bernoulli pour la structure homogène équivalente. Afin de prendre en compte les effets de cisaillement, de nouveaux modèles de plaques et de poutres multiparticulaires ont été proposés et justifiés. Après une validation par éléments finis de ces modèles, on les applique au cas des poutres en béton armé renforcées. Ils permettent d'avoir une estimation rapide des chargements maximaux supportables et de construire ainsi un outil de dimensionnement à l'Etat Limite Ultime pour de telles structures.

Le propos de cette étude est la modélisation numérique de la guitare acoustique dans le domaine temporel. La méthode consiste en l'élaboration d'un modèle qui s'attache à décrire les phénomènes vibratoires et acoustiques mis en jeu depuis le pincer de corde jusqu'au rayonnement 3D du son. La corde est modélisée par une équation des ondes amortie 1D. Elle est couplée à la table d'harmonie via le chevalet. Le mouvement de la table est régi par le modèle de plaque mince amortie de Kirchhoff--Love pour un matériau orthotrope et hétérogène, percée d'un trou et encastrée sur son bord externe. Le reste du corps de la guitare (fond, bords, manche...) est supposé rigide. La table rayonne à l'intérieur et à l'extérieur de la cavité. La modélisation complète du champ acoustique rayonné est une approche originale comparativement aux études antérieures portant sur la guitare. On obtient un système d'équations aux dérivées partielles que l'on résout numériquement dans le domaine temporel. On utilise une méthode spectrale spécifique pour la résolution de l'équation de plaque dynamique de Kirchhoff-Love. Pour l'équation de corde et l'équation des ondes acoustiques, on utilise une méthode mixte standard pour l'approximation spatiale et des différences finies centrées en temps. Le problème d'interaction fluide-structure est résolu par une méthode de domaines fictifs qui permet d'approcher finement la géométrie de la guitare tout en utilisant un maillage cubique régulier pour le calcul du champ sonore 3D. L'originalité du schéma de résolution du modèle est un couplage stable entre une méthode de résolution exacte en temps et une méthode discrète. Un nombre important de simulations numériques est réalisées, montrant la validité de la méthode et les très riches potentialités d'une telle approche.

Cette thèse est consacrée au développement de méthodes numériques pour la simulation de plaques et coques fissurées. Pour ce problème, les méthodes classiques sont basées sur la Méthode des Elements Finis (MEF). En raison de la présence d'une singularité en fond de fissure, la MEF souffre de plusieurs défauts. Son taux de convergence n'est pas optimal. De plus, en cas de propagation de la fissure, le domaine doit être remaillé. Une nouvelle méthode d'éléments finis, introduite en 1999 et baptisée XFEM, permet de s'affranchir de ces inconvénients. Dans cette méthode, la base éléments finis est enrichie par des fonctions de forme spécifiques qui représentent la séparation du matériau et la singularité de fond de fissure. Ainsi, domaine et fissure sont indépendants et le taux de convergence est optimal. Dans cette thèse, on développe deux formulations XFEM adaptées à un modèle de plaques minces. Ces méthodes ont pu être implémentées dans la bibliothèque d'éléments finis Getfem++, et testées sur des exemples où la solution exacte est connue. L'étude d'erreur montre que la méthode XFEM possède un taux de convergence optimal, alors que la MEF montre une convergence plus lente. L'autre contribution de cette thèse concerne le calcul de Facteurs d'Intensité de Contraintes (FIC) : ces grandeurs indiquent le risque de propagation de la fissure. Nous proposons deux méthodes de calcul originales, basées sur nos formulations XFEM. La première méthode utilise l'intégrale-J, et la deuxième fournit une estimation directe, sans post-traitement.

Le développement de techniques de focalisation et d'imagerie à haute résolution pour les sources acoustiques et vibratoires à basse fréquence est l'un des enjeux de la recherche actuelle en acoustique, notamment pour exciter localement et analyser des structures vibroacoustiques complexes tout en conservant des propriétés de haute résolution. Ces propriétés sont nécessaires lorsque la taille des objets étudiés est plus petite que la longueur d'onde mise en jeu. Nous désirons une méthode flexible, rapide, précise, non invasive, et unifiée d'excitation et d'analyse. Celle-ci doit être applicable tant dans le domaine des vibrations dans les structures que dans le domaine des ondes acoustiques tridimensionnelles. Pour cela, nous nous basons sur la technique du puits à retournement temporel, qui n'a, à ce jour, été mise en oeuvre que pour la focalisation d'ondes de Lamb dans une cavité ergodique ou avec des ondes électromagnétiques. Aucune technique d'imagerie n'a, avant cette thèse, été dérivée du puits à retournement temporel. La méthode du puits à retournement temporel est adaptée pour la focalisation à basse fréquence. Elle permet d'exciter localement une structure avec une grande intensité, et possède des capacités de super-résolution. Malgré tout, nous démontrons que cette méthode est difficilement applicable en situation pratique, puisqu'elle fait perdre le caractère non invasif nécessaire à la plupart des applications. En revanche, nous présentons dans ce manuscrit une technique nouvelle d'imagerie de sources vibratoires et acoustiques, basée sur le puits à retournement temporel. Cette technique non invasive d'imagerie, utilisant des dispositifs de mesure similaires aux techniques de formations de voies ou d'holographie en champ proche, permet d'obtenir une image des sources vibratoires ou acoustiques à très haute résolution de manière rapide. L'approche de cette nouvelle méthode d'imagerie est décrite. Des applications à l'imagerie de sources d'impact sur une plaque encastrée, ainsi qu'à l'imagerie de sources acoustiques en champ libre et en milieu sous-marin profond sont proposées. Une application à l'imagerie de sources acoustiques à basse fréquence sur une guitare est développée. Ces résultats représentent les premières applications de l'imagerie par puits à retournement temporel numérique. Les limites, la théorie, et la mise en oeuvre de cette technique d'imagerie à haute résolution sont étudiées et détaillées. Il est démontré que cet outil possède des performances et des limites similaires à l'holographie en champ proche, tout en dépassant les capacités à basse fréquence des techniques classiques de localisation limitées en résolution couramment utilisées, comme le beamforming ou le retournement temporel.

Abstract This study focuses on the development of a plate-shell element using the vector form intrinsic finite element (VFIFE) method to analyze the structural behavior of thin shell structure subjected to various exerting forces. The shell element employed here is the flat three-node triangular shell element proposed by Bathe and Ho, which is obtained by superimposing CST (constant strain triangle) element with DKT (discrete Kirchhoff theory) triangular plate element. The nodal coordinates, displacements, rotations, and the motion equations of the structure are defined in a fixed global set of coordinates. The strains of the shell element, the element internal nodal forces and the element stiffness matrix are defined in terms of co-rotational coordinates, which are corresponding to the configuration of the shell element. Based on the co-rotational coordinate principle, the nodal displacement between two adjacent time steps can be separated into displacements induced from rigid body motion or deformation, and the incremental internal nodal forces can also be obtained. Finally, following the Newton's 2nd law, the equations of motion can be built to analyze the dynamic responses of thin shell structures. The theory derived in this study, were further verified to be able to simulate the behavior of thin shell structures subjected to both static and dynamic loadings. This new analytical model was proved to be an effective tool that can be an alternertive to traditional finite element procedure to solve for complicated engineering problems in thin shell structures.

Cette thèse est composée de deux parties indépendantes. La première est consacrée à l'étude de quelques problèmes elliptiques de type de Kirchhoff de la forme suivante : -M(ʃΩNul² dx) Δu = f(x, u) xЄΩ ; u(x) = o xЄƋΩ où Ω cRN, N ≥ 2, f une fonction de Carathéodory et M une fonction strictement positive et continue sur R+. Dans le cas où la fonction f est asymptotiquement linéaire à l'infini par rapport à l'inconnue u, on montre, en combinant une technique de troncature et la méthode variationnelle, que le problème admet au moins une solution positive quand la fonction M est non décroissante. Et si f(x, u) = |u|p-1 u + λg(x), où p >0, λ un paramètre réel et g une fonction de classe C1 et changeant de signe sur Ω, alors sous certaines hypothèses sur M, il existe deux réels positifs λ. et λ. tels que le problème admet des solutions positives si 0 < λ <λ. et n'admet pas de solutions positives si λ > λ.. Dans la deuxième partie, on étudie deux problèmes soulevés en dynamique des fluides. Le premier est une généralisation d'un modèle décrivant la propagation unidirectionnelle dispersive des ondes longues dans un milieu à deux fluides. En écrivant le problème sous la forme d'une équation de point fixe, on montre l'existence d'au moins une solution positive. On montre ensuite sa symétrie et son unicité. Le deuxième problème consiste à prouver l'existence de la vitesse, la pression et la température d'un fluide non newtonien, incompressible et non isotherme, occupant un domaine borné, en prenant en compte un terme de convection. L'originalité dans ce travail est que la viscosité du fluide ne dépend pas seulement de la vitesse mais aussi de la température et du module du tenseur des taux de déformations. En se basant sur la notion des opérateurs pseudo-monotones, le théorème de De Rham et celui de point fixe de Schauder, l'existence du triplet, (vitesse, pression, température) est démontré

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Resumo: No decorrer dos anos, alguns métodos de manutenção têm sido desenvolvidos para evitar que falhas em estruturas e maquinários possam ocorrer e desencadear paradas inesperadas ou desnecessárias. Os observadores de estado podem reconstruir os estados não medidos do sistema, desde que o mesmo seja observável, tornando possível, desta forma, estimar as medidas nos pontos de difícil acesso. A técnica dos observadores de estado consiste em desenvolver um modelo para o sistema em análise e comparar a estimativa da saída com a saída medida, a diferença entre os dois sinais presentes resulta em um resíduo que é utilizado para análise. Neste trabalho foi montado um banco de observadores associado a um modelo de trinca em placa de Kirchhoff de modo a acompanhar o progresso da mesma. Foram analisados quatro sistemas mecânicos contendo placas, sendo estes um sistema computacional de placa sobre elementos de molas e amortecimento, um sistema computacional de placa engastada livre com ausência ou presença de trinca, um sistema experimental de placa engastada livre com ausência ou presença de entalhe e um sistema experimental de placa engastada livre com ausência ou presença de massa extra. Novamente, o banco de observadores é utilizado para detecção da falha na estrutura. Os resultados obtidos através de simulações computacionais em uma viga engastada discretizada pela técnica dos elementos finitos e as análises experimentais realizadas foram bastante satisfatórios, validando a metodologia d... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

Thin and slender structures are widely occurring both in nature and in human creations. Clever geometries of thin structures can produce strong constructions while using a minimal amount of material. Computer modeling and analysis of thin and slender structures has its own set of problems stemming from assumptions made when deriving the equations modeling their behavior from the theory of continuum mechanics. In this thesis we consider two kinds of thin elastic structures; threads and plates. Real-time simulation of threads are of interest in various types of virtual simulations such as surgery simulation for instance. In the first paper of this thesis we develop a thread model for use in interactive applications. By viewing the thread as a continuum rather than a truly one dimensional object existing in three dimensional space we derive a thread model that naturally handles both bending, torsion and inertial effects. We apply a corotational framework to simulate large deformation in real-time. On the fly adaptive resolution is used to minimize corotational artifacts. Plates are flat elastic structures only allowing deflection in the normal direction. In the second paper in this thesis we propose a family of finite elements for approximating solutions to the Kirchhoff-Love plate equation using a continuous piecewise linear deflection field. We reconstruct a discontinuous piecewise quadratic deflection field which is applied in a discontinuous Galerkin method. Given a criterion on the reconstruction operator we prove a priori estimates in energy and L2 norms. Numerical results for the method using three possible reconstructions are presented.