Ce travail concerne la résolution numérique du comportement dynamique de structures minces déformables couplées à des fluides lourds. La résolution numérique de ce type de problèmes d’interaction fluide/structure met en évidence des difficultés majeures liées à la force du couplage et au comportement mécanique de la structure souple. Le ratio entre la masse volumique de la structure et celle du fluide étant proche de l’unité, les effets de masse ajoutée sont significatifs. Les deux physiques sont fortement couplées et le schéma numérique de couplage doit être suffisamment fort pour garantir la stabilité de la procédure de couplage et la qualité de la solution numérique. La deuxième difficulté est liée aux grandes déformations de la structure mince. Sous chargements extérieurs, la structure peut subir des transformations importantes, modifiant ainsi significativement la forme du domaine fluide et de l’interface fluide/structure. La solution du problème d'interaction fluide/structure est évaluée au moyen d'un couplage partitionné itéré entre un solveur éléments finis (Abaqus/Standard), utilisé pour évaluer le comportement de la structure mince, et des solveurs potentiels s'appuyant sur une formulation en intégrales de frontière (solveurs BEM et Fast-BEM développés au cours ces travaux) utilisés pour évaluer la solution du problème fluide. Le couplage entre les solveurs structure et fluide est mis en place par le biais de l'interface de couplage SIMULIA Co-Simulation Engine. Le couplage fort est réalisé par une procédure itérative de type point fixe et l'utilisation d'une formulation en intégrales de frontière permet de contourner les difficultés liées aux grandes transformations de l'interface fluide/structure. / This work is devoted to the numerical resolution of the dynamic behavior of thin flexible structures coupled with heavy fluids. This kind of Fluid-Structure Interaction problems exhibits two major numerical difficulties due to the coupling force and to the structure behavior. Firstly, the added mass effect is significant due to the mass ratio close to one. Therefore the physical coupling is strong and the coupling procedure must be reliable in order to accurately compute the solution and to ensure that the coupling procedure is stable. Secondly, flexible structures can undergo large displacements under external loadings, inducing considerable changes to the fluid domain and the fluid-structure interface. The Fluid-Structure Interaction solution is computed using an iterative partitioned procedure between a Finite Element code (Abaqus/Standard), to assess the thin structure behavior, and in-house potential flow codes based on boundary integral formulations (standard BEM and Fast-BEM solvers) to assess the fluid solution and loadings at the fluidstructure interface. The coupling between the structure and fluid solvers is achieved by means of SIMULIA Co- Simulation Engine code coupling interface. The strong coupling is achieved using an iterative fixed point procedure and the difficulty due to large displacements of the fluid structure interface is circumvented by using a boundary integral description of the fluid.

La pénétration des ions chlorure est la principale cause de la dégradation des structures en béton, par corrosion des armatures, entraînant un impact sévère sur leur durabilité et leur durée de vie. La pénétration de ces agents agressifs pourrait être favorisée davantage par la présence de fissures. Dans cet thèse, nous avons utilisé la méthode des éléments finis (EF) pour résoudre l'équation de la loi de Fick couplée à la capacité de fixation d’ions chlorure afin de modéliser la diffusion des ions chlorure à l’échelle mésoscopique. Dans un premier temps, nous avons considéré une représentation 3D d’un matériau, sain, hétérogène biphasé (comme le béton) ou les inclusions (granulats) sont noyées dans une matrice de mortier. Le problème des interfaces (inclusion/matrice) a été résolu en utilisant la méthode E-FEM (Embedded Finit Element Method). Au niveau de ces interfaces, nous avons introduit une discontinuité faible du champ de concentration de chlorures. Une approche d’homogénéisation par moyennes spatiales se basant sur les travaux de Pouya est également utilisée pour prédire les tenseurs de diffusivité macroscopiques des matériaux biphasiques. La comparaison avec l'équation de Maxwell et des résultats expérimentaux a été réalisée pour montrer la précision de l’approche numérique proposée. Dans un second temps, l’approche méso-macro est représentée pour introduire un modèle numérique capable de fournir des informations macroscopiques (tenseur de diffusion moyen) intégrant le niveau d’ouverture de fissure, le chemin de fissuration et l’hétérogénéité des matériaux quasi fragiles tels que les matériaux cimentaires (béton, mortier, ….). Dans ce cas, des points clés du processus de fissuration comme l’évolution d’une fissuration répartie vers une fissuration localisée (macro-fissure(s)), la tortuosité de la fissure et son anisotropie sont intégrées naturellement dans la diffusivité macroscopique. En fin, le tenseur défini est ensuite utilisé afin d'estimer la durée de vie des structures en béton, y compris l'effet de l'endommagement et de la mésostructure interne. / The penetration of chloride ions has an essential responsibility in the degradation of concrete structures caused by reinforcement corrosion leading to a severe impact on the durability and service life of concrete structures. The problem becomes more critical with the existence of cracking which accelerate the penetration of chloride ions into concrete cover. In this work, the FE formulation for the numerical modelling of chloride ions diffusion accounting for chloride binding capacity in mesoscale concrete is introduced. The mesostructure is based on a twophase 3D representation of heterogeneous materials, such as concrete, where stiff aggregates are embedded into a mortar matrix. For this purpose, we turn to the Embedded Finite Element Method (E-FEM). This is performed by introducing a weak discontinuity in the chloride concentration field for finite elements where the physical interface is present. Numerical spatial homogenization experiments based on Pouya’s works are also performed on 3D mesostructures to compute macroscopic diffusivity tensors accounting for two-phase material. Comparison with Maxwell's equation and experimental results are carried out to show the accuracy of the proposed numerical approach. Finally, the meso-macro approach is presented to introduce a numerical model capable of providing macroscopic information (mean diffusivity tensor) integrating the level of crack opening, crack path and heterogeneity of materials in quasi-brittle concrete. The mesoscale coupling with the mass transport part is based on Fick’s Law with a modified diffusion coefficient taking into account crack opening and aggregates. The macroscopic diffusivity tensor integrates more complex features such as the cracking evolution process, tortuosity of the crack’s path, inducedanisotropy and presence of aggregates. The defined tensor is used afterwards in order to estimate the service-life of concrete structures, including the effect of the cracking and the internal mesostructure.

Le LASSO est une méthode de régression ajoutant à la méthode des moindres-carrés une contrainte ou une pénalisation sur la norme l1 du coefficient linéaire. Cette contrainte a un effet de sélection de variable et de régularisation sur l'estimateur. Un estimateur LASSO est défini comme étant la solution d'un problème pouvant être vu comme un programme quadratique. Cette thèse se base sur deux algorithmes dédiés à la résolution du LASSO publiés en 2000 par M. Osbourne et alii. L'un, une méthode par homotopie, a été reformulé en 2004 par J. Friedman et alii sous le nom de LAR-LASSO (ou LARS), s'imposant alors comme la méthode standard. Le second, présenté comme une méthode d'ensemble actif, fût largement ignoré, semble-t-il pour deux raisons: une application apparemment limitée à la formulation "contrainte", et une compréhension plus difficile de l'algorithme. Nous reformulons donc le principe général du second, que nous baptisons "Descente sur Ensemble Actif" (DEA) et sa dérivation sur le LASSO, ainsi que la méthode par homotopie que nous mettons en évidence comme directement dérivée de la DEA. La formulation simplifiée des deux méthodes permet d'en améliorer la compréhension, mais aussi l'efficacité en temps de calcul. Elle met en outre en évidence l'applicabilité de la DEA sur la formulation "pénalisée" du LASSO, donnant un algorithme plus simple encore. Enfin, elle conduit à une analyse et un traitement de cas limites dans lesquels ces algorithmes peuvent échouer. Nous proposons ensuite une application directe du LASSO sur un nombre infini de variables formant un espace multidimensionel, et étudions l'adaptation des algorithmes d'ensemble actifs dans ce cadre. / The LASSO is a regression method that adds a constraint or penalization of the l1 norm of the coefficient to the least-squares methodThe LASSO is a regression method that adds a constraint or penalization of the l1 norm of the coefficient to the least-squares method. This constraint has variable-selection and a regularization effects over the estimator. The LASSO estimator is defined as a solution to a minimization problem that can be seen as a quadratic program. This thesis is based on two algorithms designed for solving the LASSO, that were published in 2000 by Osbourne et alii. One, an homotopy method, was re-formulated and popularized in 2004 by J. Friedman et alii under the name of LAR-LASSO (or LARS). The second, presented as an active set method, was largely ignored, for two main reasons: its apparent limitation to the constrained formulation, and a more difficult understanding of the algorithm. We re-formulate its general principle, under the name of "Active Set Descent", and its derivation for the LASSO problem, as well as the homotopy method, that appears as a direct extension of ASD. The simplified formulation of both methods yields a better understanding, and also a lower complexity, in terms of computation time. It also shows the direct appliability of ASD to the penalized formulation of the LASSO, in a even simpler algorithm than for the constrained one. Finally, it facilitates the analysis and workarounds of degenerate situations in which the algorithms may fail. We then propose a direct application of the LASSO on an infinite number of variables forming a multidimensional space, and study the adaptation of active set algorithms on this framework.

Ce travail de thèse propose un modèle numérique complet pour l'écoulement transitoire des eaux souterraines dans les milieux poreux et fracturés et son application sur l’analyse de la stabilité des pentes sous l’effet d’une diminution du niveau de l’eau dans un réservoir. L’écouement de l’eau dans les milieux fracturés est complexe, en raison de la présence d'un grand nombre de fractures et de fortes variations dans les propriétés géométriques et hydrauliques de ces milieux.La thèse est organisée en six chapitres.Le premier chapitre pésente les problèmes abordés et les objectifs de la thèse. Le 2nd chapitre présente une synthèse des analyses numériques de l'écoulement dans les milieux fracturés et de ses effets sur la stabilité des pentes. Le 3ème chapitre présente le développment d’un modèle numérique d'écoulement transitoire saturé dans des milieux fracturés avec une surface libre en utilisant la méthode des éléments composites (CEM). Le 4ème chapitre présente un modèle numérique d'écoulement transitoire à saturation variable, dans les milieux fracturés à l'aide du CEM.Le 5ème chapitre présente une étude de la stabilité des pentes sous l’effet de variation des paramètres hydrauliques et de résistance des sols, et da géométrie des pentes.Le 6ème chapitre présente une étude paramétrique de l'influence des caractéristiques de fracture sur l'écoulement transitoire et la stabilité d’une pente soumise à des conditions de diminution. / This thesis presents a comprehensive numerical method for analyzing transient groundwater flow in porous and fractured media and its application to the analysis of the stability of soil and rock slopes subjected to transient groundwater flow induced by reservoir drawdown conditions. Compared to that of porous media, the analysis of flow in fractured media is relatively complex, due to the presence of a large number of fractures and strong variations in geometric and hydraulic properties.The thesis is organized in six chapters. Chapter 1 presents the issues to be addressed and the thesis objectives. Chapter 2 discusses basic theories related to the numerical analysis of groundwater flow in fractured media and its effects on slope stability.Chapter 3 develops the numerical model of transient, saturated flow in fractured media with a free surface using the composite element method (CEM). Chapter 4 presents the numerical model of transient, variably-saturated flow in fractured media using the CEM.Chapter 5 includes an investigation of the stability of homogeneous soil slopes under drawdown conditions, depending on the drawdown rate, hydraulic and strength parameters of soils, and slope geometry.The last chapter presents a parametric study on the influence of fracture characteristics on transient flow and stability of layered rock slope subjected to drawdown conditions.

L’interaction des ondes avec la microstructure des matériaux polycristallins a pour conséquence l’apparition d’un bruit dit "de structure" provenant à la fois de la diffusion simple (DS) mais aussi de la diffusion multiple (DM). L’acquisition de la matrice de transfert, K, mesurée à l’aide d’un réseau de transducteurs, a permis de mettre en évidence que les composantes DS et DM présentaient des comportements distincts. Aubry et al. ont proposé une méthode exploitant cette différence de comportement afin de séparer ces deux contributions et d'utiliser la composante DS pour imager le milieu. Cette méthode appelée MSF-DORT a été testée sur des matériaux industriels, au cours de la thèse de S. Shahjahan, et a permis de mettre en évidence son potentiel pour l'imagerie de défauts volumiques enfouis en milieu fortement diffusant. La première partie de cette thèse porte donc sur l'amélioration de MSF-DORT afin d'augmenter les performances en termes de détection de défauts et de repousser la profondeur maximale de détection de défauts volumiques. Une seconde partie aborde la possibilité d'étendre les applications de MSF-DORT à la détection de défauts dits "plans" (par opposition aux défauts volumiques) représentatifs des fissures. Cette thèse a permis de démontrer l'inefficacité de MSF-DORT pour la détection de ce type de défauts. Une troisième partie de ce travail a abouti à l'étude de la méthode FER-DORT (pour Focalisation en Emission et Réception - DORT). Cette dernière méthode présente des résultats très encourageants pour la détection de défauts plans. / The ultrasonic inspection of polycrystalline media remains a challenge. The high noise levels due to interaction between the wave and the microstructure limits the efficiency of classical ultrasonic techniques to detect a defect in a coarse grain structure. This noise comes from both single scattering (SS) and multiple scattering (MS). The acquisition of the transfer matrix, K, measured using a phased array probe, has shown that the SS and MS components have distinct behaviors. Aubry et al. proposed a method exploiting this difference in order to separate these two contributions and use the SS component for imaging the environment. This method called MSF-DORT was tested on industrial component, during the thesis of S. Shahjahan, and helped to highlight its potential for imaging bulk defects in strongly scattering medium. The first work presents in this thesis focuses on improving MSF-DORT to increase his performance in terms of defect detection and repel the maximum depth of volume defects detection. The second part deals with the possibility of extending MSF-DORT applications for the detection of known defects "planes" (as opposed to volume defects) representative cracks. This thesis has demonstrated the ineffectiveness of MSF-DORT for the detection of such defects. A third part of this work led to the study of FER-DORT method (for Focus on Making and Receiving - DORT). This last method shows very encouraging results for the detection of planes defects.

Thèse de doctorat en Sciences de l’Education présentée et soutenue publiquement par Gilles UBRICH Réalisée sous la direction de Monsieur le Professeur Jean HOUSSAYE 2011U.F.R. Psychologie, Sociologie, Sciences de l’Education Département des Sciences de l’Education Ecole Doctorale « Savoirs, Critique, Expertises » Laboratoire CIVIIC - EA 2657 / Submitted by David Antonio Costa (david.costa@ufsc.br) on 2014-12-09T00:43:47Z No. of bitstreams: 1 These-G-UBRICH.pdf: 1265163 bytes, checksum: 20c84c4029cf92198d34a7884e96908b (MD5) / Made available in DSpace on 2014-12-09T00:43:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 These-G-UBRICH.pdf: 1265163 bytes, checksum: 20c84c4029cf92198d34a7884e96908b (MD5) Previous issue date: 2011

Le combustible des réacteurs à eau sous pression (REP) est confiné par une première barrière appelée gaine combustible constituée d'alliages de zirconium. A ce jour, la plupart des gaines combustibles sont fabriquées en Zircaloy-4. En service, les tubes de gainages absorbent une fraction de l'hydrogène dégagée par la réaction de corrosion du métal. De nombreuses études ont démontré le caractère fragilisant des hydrures vis à-vis des propriétés mécaniques des tubes de gainage. Afin de garantir leur intégrité lors du maintien en service mais également une fois hors service (phases de transport et d'entreposage), il est nécessaire de pouvoir prédire le comportement des alliages de zirconium hydrurés en fonction de l'environnement dans lequel ils se trouvent (changements brusques de température, application d'une contrainte ... ). A ce jour il n'existe pas de modèle de précipitation permettant de rendre compte de la microstructure observée en présence d'une contrainte externe. Dans l'objectif de pallier au moins partiellement ce manque, une étude de caractérisation des hydrures a été menée en utilisant les techniques de la Microscopie Electronique en Transmission (MET). Elle a conduit à l'identification d'une nouvelle phase d'hydrure appelée <. A l'issue du travail de caractérisation, une modélisation de la précipitation de cet hydrure à l'échelle mésoscopique a été menée en utilisant un modèle de champ de phases développé au cours de ce travail. / Ln pile, zirconium alloys in contact with the primary medium are submitted to hydrogen absorption that has significant consequences on their thermodynamic, mechanical and corrosion behaviors. Therefore, hydrogen in solid solution or hydrides precipitation can affect Zirconium alloys behaviors during service but also in long term storage and in accidental conditions. For both fundamentals aspects and safety reasons it is important te understand the precipitation process and to predict the influence various parameters like temperature, stresses, cooling rates and microstructure may have. Numerical modeling at the mesoscopic scale is an appealing approach to describe the precipitation and the "phase field" method appears to be particularly weil suited. The achievement of a realistic mesoscopic modeling should take into account an accurate kinetic, thermodynamic and structural data base in order to properly describe hydride nucleation, growth and coalescence as weil as hydride interaction with externat stresses. Such a data base relies on experimental data that are not always available; this is the reason why an accu rate structural characterization was performed. Therefore transmission electron microscopy observations were carried out on Zircaloy 4 specimens with various H contents. From this study, a new hydride phase called <, coherent with the matrix, was identified.

Les lignes à grande vitesse sont considérées comme une source importante de perturbations environnementales qui sont de moins en moins tolérées par les habitants. Afin de comprendre la dynamique de ces systèmes, il est important de développer des modèles numériques pour simuler les problèmes de vibration véhicule/voie ferrée et comprendre les interactions de la voie ferrée et des composants du véhicule. Une nouvelle approche basée sur la mise à jour périodique de la configuration « Méthode PCU » est d’abord proposée pour l’évaluation de la réponse dynamique des poutres infinies continuellement supportées sous charges mobiles à grande vitesse. La méthode PCU est utilisée pour évaluer la réponse dynamique d’un système simplifié voie ferrée/sol dans lequel la fondation du rail est remplacée par une couche viscoélastique continue. D’autre part, une modélisation numérique 3D considérant le couplage dynamique mutuel complexe entre les composantes de la voie ferrée et la couche du sol est développée. Un schéma de maillage adaptatif est appliqué pour simuler l’effet des charges mobiles ; il est représenté par la création des nœuds mobiles attachés aux charges. Cette modélisation est appliquée avec succès dans la gamme de vitesses sub-Rayleigh et super-Rayleigh. Dans la dernière partie, la modélisation numérique 3D est utilisée pour calibrer les impédances dynamiques du modèle simplifié proposé dans le premier chapitre. Une procédure itérative d’ajustement de courbe est réalisée à l’aide de l’algorithme génétique. Des lois constitutives qui régissent le comportement dynamique des éléments discrets sont proposées aux différentes fréquences de chargement et gamme de vitesses. / The high speed lines are considered as an important source of environmental disturbance that are less and less tolerated by inhabitants. In order to understand the dynamics of these systems, it is important to develop numerical models to simulate the vibration problems vehicle/track and understand the interactions of the track and vehicle components. A new approach based on periodic configuration update “PCU method” is firstly proposed for the assessment of the dynamic response of continuously supported infinite beams under high speed moving loads. The PCU method is used to assess the dynamic response of a simplified track/ground system in which the rail foundation is replaced by a continuous viscoelastic layer. On the other hand, a 3D numerical modeling that considers the complex mutual dynamic coupling between the track components and the subgrade layer is developed. An adaptive meshing scheme is applied to simulate the moving loads effect; it is represented by the creation of load-attached moving nodes on the rail-beam. This modeling is successfully applied in the sub-Rayleigh and super-Rayleigh velocity range. In the last part, the 3D numerical modeling is used to calibrate the dynamic impedances of the simplified beam model proposed in the first chapter. An iterative curve fitting procedure is carried out using the genetic algorithm. Constitutive laws that govern the dynamic behavior of the discrete elements are proposed at different load frequency and velocity range.

Pour étudier les systèmes électromagnétiques, mécaniques ou thermiques, on a de plus en plus recours à la modélisation numérique. Pour la résolution des différents modèles mathématiques, la méthode des éléments finis est généralement utilisée. Dans le cas de couplages multi-physiques, les particularités de chacune des grandeurs étudiées impliquent l'utilisation d'un maillage commun le plus souvent important en termes de nombre d'éléments. L'objectif de ce travail est de proposer et de mettre en oeuvre une méthode de projection de grandeurs discrètes permettant l'utilisation de maillages dédiés pour chacun des domaines de la physique. Dans le premier chapitre, les modèles mathématiques décrivant les phénomènes de l'électromagnétisme, de la thermique et de la mécanique, ainsi que les espaces de discrétisation des différentes inconnues sont exposés. Dans la seconde partie, la méthode de projection est introduite à l'aide d'une interprétation géométrique de la méthode des éléments finis, puis est développée, tout d'abord dans le cas général, puis pour chacun des domaines de la physique étudiés. Des exemples académiques sont également traités dans cette partie afin de valider la démarche utilisée. Enfin, dans le troisième chapitre, la méthode de projection est employée pour modéliser des dispositifs électromagnétiques dans le cas de couplages magnétothermique et magnétomécanique. / To study electromagnetic, mechanical or thermal systems, numerical modelling is more and more used. Generally, to numerically solve the mathematical models, the finite element method is used. ln the case of multi-physical coupling, the properties of each of the studied quantities imply the use of a common meshing which is mostly important in terms of number of elements. The aim of this work is to propound and use a projection method for discrete quantities allowing using dedicated meshes for each phenomenon. ln the first chapter, the mathematical models describing the electromagnetic, thermal and mechanical phenomena, as well as the discretization spaces of each unknown are exposed. ln the second chapter, the projection method is presented through a geometrical interpretation of the finite element method, and then is developed in a general way and for every physical phenomenon. Academicals examples are also modelled to validate the method. Finally, in the third chapter, the projection method is used for the modelling of electromagnetic systems in the case of magnetothermal and magnetomechanical couplings.

La thèse présentée dans ce document concerne la caractérisation du comportement d’une hydrolienne à membrane ondulante. Ce dispositif novateur utilise les instabilités de flottement d’une membrane semi-rigide précontrainte dans un écoulement pour capter l’énergie des courants marins. À partir d’une certaine vitesse critique de l’écoulement, une onde se propage le long de la structure, ce qui actionne des convertisseurs linéaires fixés sur celle-ci. Un modèle expérimental à échelle réduite 1/20eme est développé et testé en bassin d’essai. Le système de conversion est simulé par des amortisseurs hydrauliques. Les mesures de trajectoire et d’efforts permettent d’analyser la dynamique de la membrane pour un grand nombre de configurations et d’aboutir à une étude paramétrique. Des conditions réalistes d’écoulement sont étudiées, notamment l’influence de la direction du courant et celle de la houle sur le fonctionnement du système. La caractérisation du sillage est effectuée par mesures de vélocimétrie laser en 2D. Les effets d’échelle sont présentés à travers une comparaison des essais en bassin et en mer. Un modèle analytique et un modèle numérique sont développés et comparés avec les résultats d’expériences. Le modèle analytique linéaire est basé sur la théorie des poutres de Euler-Bernouilli et la théorie des profils minces de Lighthill. Il est résolu dans le domaine fréquentiel et donne de bons résultats en termes de fréquence d’ondulation et de vitesse critique. Le modèle numérique est fondé sur le couplage fort entre un code fluide basé sur la méthode vortex et un code structure utilisant les éléments finis en corotationnel. Ce modèle est validé sur un cas expérimental. / The thesis presented in this document deals with the characterization of the behavior of an undulating membrane tidal energy converter. This kind of device uses the flutter instabilities occurring between a semi-rigid pre-strained membrane and a fluid flow in order to convert the sea currents energy. Above a certain critical flow speed, the structure undulates, thus activating the linear converters fixed on it. In order to study this system, an experimental model is developed and tested in a flume tank. The power conversion system is simulated by hydraulic dampers. The membrane’s dynamics is analyzed in many configurations through trajectory and force measurements, and leads to a parametric study. More realistic flow conditions are also studied, such as the impact of current direction influence and the influence of surface waves on the behavior of the system. Wake characterization is carried out with two-dimensional PIV measurements. Scale effects and confinement are also studied through a comparison with a bigger scale prototype tested in tank and at sea.In addition to the experimental study, an analytical model and a numerical model are developed and compared with experiments. The linear analytical model is based on Euler-Bernouilli’s beam theory and on Lighthill’s slender body theory. It is solved in the frequency domain and gives good undulation frequency and critical speed results. The numerical model uses strong interactions between a fluid code using the vortex method and a structure code based on corotationnal finite elements. This model is validated on an experimental case.