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.

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.

The prediction of fracture in thin-walled structures is decisive for a wide range of applications. Modeling methods such as the phase-field method usually consider cracks to be constant over the thickness which, especially in load cases involving bending, is an imperfect approximation. In this contribution, fracture phenomena along the thickness direction of structural elements (plates or shells) are addressed with a phase-field modeling approach. For this purpose, a new, so called “mixed-dimensional” model is introduced, which combines structural elements representing the displacement field in the two-dimensional shell midsurface with continuum elements describing a crack phase-field in the three-dimensional solid space. The proposed model uses two separate finite element discretizations, where the transfer of variables between the coupled twoand three-dimensional fields is performed at the integration points which in turn need to have corresponding geometric locations. The governing equations of the proposed mixed-dimensional model are deduced in a consistent manner from a total energy functional with them also being compared to existing standard models. The resulting model has the advantage of a reduced computational effort due to the structural elements while still being able to accurately model arbitrary through-thickness crack evolutions as well as partly along the thickness broken shells due to the continuum elements. Amongst others, the higher accuracy aswell as the numerical efficiency of the proposed model are tested and validated by comparing simulation results of the new model to those obtained by standard models using numerous representative examples.

Cette thèse présente des travaux effectués dans le cadre de l'optimisation de forme de pièces mécaniques, sous critère dynamique, par approche isogéométrique. Pour réaliser une telle optimisation nous mettons en place dans un premier temps les éléments coque au travers des formulations Kirchhoff-Love puis Reissner-Minlin. Nous présentons une méthode permettant d'atteindre les vecteurs normaux aux fibres dans ces formulations au travers de l'utilisation d'une grille mixte de fonctions de base interpolantes, traditionnellement utilisées en éléments finis, et de fonction non interpolantes issues de la description isogéométrique des coques. Par la suite, nous détaillons une méthode pour le couplage de patch puis nous mettons en place la méthode de synthèse modale classique dans le cadre de structures en dynamique décrites par des éléments isogéometriques. Ce travail établit une base pour l'optimisation de forme sous critères dynamique de telles structures. Enfin, nous développons une méthode d'optimisation de forme basée sur le calcul du gradient de la fonction objectif envisagée. La sensibilité de conception est extraite de l'analyse de sensibilité au niveau même du maillage du modèle, qui est obtenue par l'analyse discrète de sensibilité. Des exemples d'application permettent de montrer la pertinence et l'exactitude des approches proposées. / Isogeometric method is a promising method in bridging the gap between the computer aided design and computer aided analysis. No information is lost when transferring the design model to the analysis model. It is a great advantage over the traditional finite element method, where the analysis model is only an approximation of the design model. It is advantageous for structural optimization, the optimal structure obtained will be a design model. In this thesis, the research is focused on the fast three dimensional free shape optimization with isogeometric shell elements. The related research, the development of isogeometric shell elements, the patch coupling in isogeometric analysis, the modal synthesis with isogeometric elements are also studied. We proposed a series of mixed grid Reissner-Minlin shell formulations. It adopts both the interpolatory basis functions, which are from the traditional FEM, and the non-interpolatory basis functions, which are from IGA, to approximate the unknown elds. It gives a natural way to define the fiber vectors in IGA Reissner-Mindlin shell formulations, where the non-interpolatory nature of IGA basis functions causes complexity. It is also advantageous for applying the rotational boundary conditions. A modified reduce quadrature scheme was also proposed to improve the quadrature eficiency, at the same time, relieve the locking in the shell formulations. We gave a method for patch coupling in isogeometric analysis. It is used to connect the adjacent patches. The classical modal synthesis method, the fixed interface Craig-Bampton method, is also used as well as the isogeometric Kirchhoff-Love shell elements. The key problem is also the connection between adjacent patches. The modal synthesis method can largely reduce the time costs in analysis concerning structural dynamics. This part of work lays a foundation for the fast shape optimization of built-up structures, where the design variables are only relevant to certain substructures. We developed a fast shape optimization framework for three dimensional thin wall structure design. The thin wall structure is modelled with isogeometric Kirchhoff-Love shell elements. The analytical sensitivity analysis is the key focus, since the gradient base optimization is normally more fast. There are two models in most optimization problem, the design model and the analysis model. The design variables are defined in the design model, however the analytical sensitivity is normally obtained from the analysis model. Although it is possible to use the same model in analysis and design under isogeomeric framework, it might give either a highly distorted optimum structure or a unreliable structural response. We developed a sensitivity mapping scheme to resolve this problem. The design sensitivity is extracted from the analysis model mesh level sensitivity, which is obtained by the discrete analytical sensitivity analysis. It provides exibility for the design variable definition. The correctness of structure response is also ensured. The modal synthesis method is also used to further improve the optimization eficiency for the built-up structure optimization concerning structural dynamics criteria.