Ce travail de thèse a pour objectif l'élaboration et la caractérisation de composites Alumine/Zircone obtenus par voies conventionnelles, et dédiés à un usage orthopédique. Ces composites présentent une biocompatibilité prouvée, d'excellentes propriétés mécaniques ainsi qu'une grande stabilité. Ils sont plus résistants, plus fiables que l'alumine ou la zircone seules et permettent d'envisager des composants de tailles et formes plus exigeantes mécaniquement. Actuellement ces composites semblent les plus adaptés pour la réalisation de prothèses orthopédiques mais peuvent encore être optimisés via la modification des microstructures. La première partie de ce travail a concerné l'étude de la réalisation industrielle de composants de grande taille à partir d'une poudre. Les différentes étapes de l'élaboration sont traitées : pressage des composants, frittage et usinage. Cette première partie est majoritairement consacrée à l'étude des gradients thermique dans une sphère lors du frittage. Nous montrons qu'il est possible de modéliser et de mesurer les gradients thermiques dans le matériau de manière très réaliste, ainsi que d'obtenir des ordres de grandeur des contraintes mécaniques. On pourra ainsi envisager de tester numériquement les cycles de frittage en fonction de la géométrie des pièces frittées. Nous étudions par ailleurs la possibilité de réaliser un usinage des composants après un traitement de préfrittage, qui permettrait de diminuer les coûts et simplifier l'élaboration de composants de grande taille. La seconde partie de ce mémoire a permis de montrer que différents types de microstructures, présentant des propriétés mécaniques différentes, peuvent être obtenues par simple mélange de poudre. Ceci est possible par l'utilisation d'un traitement thermique adapté, la variation du taux de zircone et grâce à l'ajout de dopants (Si, Ca et Mg) jouant sur la mobilité des joints de grains d'alumine. Lors de l'utilisation de Ca ou Mg, le taux de zircone et la température ont un effet prépondérant sur l'aspect des microstructures, permettant d'obtenir des micro/micro-composites (< 16vol% de zircone et >1500°C) et nano/nano-composites (25vol% de zircone et T < 1500°C). Seul l'ajout conjoint de Si et de Ca pour des échantillons contenant 2,5vol% de zircone permet de conduire à des micro/nano-composites avec une grande proportion de zircone intragranulaire. Les observations sur des composites avec un taux de zircone proche du taux de percolation (16vol%) permettent de mettre en évidence l'ensemble des types de renforcement observés dans la littérature, en fonction de la température et des dopants utilisés. La variété des microstructures obtenues permet de progresser dans le contrôle des microstructures des composites alumine-zircone, mais aussi d'envisager d'autres applications de ces composites en fonction des mécanismes de renforcement observés et de leurs propriétés mécaniques et structurales.

Cette thèse est consacrée au développement d'outils pour FreeFem++ destinés à faciliter la résolution des problèmes d'optimisation. Ce travail se compose de deux parties principales. La première consiste en la programmation, la validation et l'exploitation d'interfaces permettant l¿utilisation de routines d'optimisation directement dans le logiciel. La seconde comprend le développement de solutions pour le calcul automatisé des dérivées, toujours au sein de FreeFem++, en exploitant les paradigmes de la différentiation automatique. FreeFem++ est un environnement de développement intégré dédié à la résolution numérique d¿équations aux dérivées partielles en dimension 2 et 3. Son langage ergonomique permet à l'utilisateur d'exploiter aisément ses nombreux outils de création de maillages, de résolution de systèmes linéaires, ainsi que ses bibliothèques d'éléments finis, etc... Nous introduisons les nouvelles routines d'optimisation désormais accessibles depuis la bibliothèque de modules du logiciel. En particulier, le logiciel libre d'optimisation sous contraintes IPOPT, qui implémente une méthode de points intérieurs très robuste pour l¿optimisation en grande dimension. Nous appliquons avec succès ces algorithmes à une série de problèmes concrets parmi lesquels la résolution numérique de problèmes de sur- faces minimales, la simulation de condensats de Bose-Einstein, ou encore un problème de positionnement inverse en mécanique des fluides. Une version prototypique de FreeFem++ contenant les outils de différentiation automatique est présentée, après avoir exposé les principes fondamentaux de cette méthode de calcul de dérivées pour le calcul scientifique.

Lorsqu'une onde acoustique se propage dans un milieu granulaire, elle est susceptible de provoquer la mobilité des grains, aussi infime soit-elle. Inversement, la mobilité d'un grain dans une matrice fluide peut induire un champ acoustique et dans les deux cas, l'énergie acoustique peut être transférée à la fois au travers des pores et des contacts entre grains. Nous avons mis au point un modèle original permettant de considérer ces deux modes de transfert d'énergie pour simuler la propagation d'ondes acoustiques dans les milieux granulaires immergés. Dans le cas des milieux granulaires secs, l'inertie du fluide est telle que l'énergie transférée dans l'air peut être négligée et le milieu modélisé avec des algorithmes de type "dynamique moléculaire". Au contraire, dans le cas de milieux immergés, l'énergie portée par le fluide ne peut pas être négligée et nous montrons que la méthode des domaines fictifs basée sur les multiplicateurs de Lagrange distribués permet de coupler les équations de la dynamique et l'équation d'onde. Nous utilisons la méthode des éléments finis pour propager l'onde dans le fluide, les grains étant modélisés en 2D par des sphères rigides et incompressibles afin de satisfaire les hypothèses de l'algorithme de dynamique moléculaire. Les résultats du modèle sur des expériences numériques simples mais pour lesquelles existent des solutions analytiques de l'acoustique mettent en évidence la validité du nouveau modèle. Nous en donnons une illustration pour l'étude des interactions subies par un empilement réaliste de multiples grains mobiles soumis à un signal acoustique.

Ce travail porte sur le problème des partitions minimales, à l'interface entre théorie spectrale et optimisation de forme. Une introduction générale précise le problème et présente des résultats, principalement dûs à B. Helffer, T. Hoffmann-Ostenhof et S. Terracini, qui sont utilisés dans le reste de la thèse.Le premier chapitre est une étude spectrale asymptotique du laplacien de Dirichlet sur une famille de domaines en dimension deux qui tend vers un segment. L'objectif est d'obtenir une localisation des lignes nodales dans la limite des domaines minces. En appliquant les résultats de Helffer, Hoffmann-Ostenhof et Terracini, on montre ainsi que les domaines nodaux des premières fonctions propres forment des partitions minimales.Le deuxième chapitre étudie les valeurs propres de certains opérateurs de Schrödinger sur un domaine plan avec condition au bord de Dirichlet. On considère des opérateurs qui ont un potentiel électrique nul et un potentiel magnétique d'un type particulier, dit d'Aharonov-Bohm, avec des singularités en un nombre fini de points appelés pôles. On démontre que les valeurs propres dépendent continuement des pôles. Dans le cas de pôles distincts et éloignés du bord, on prouve que cette dépendance est analytique lorsque la valeur propre est simple. On exprime de plus une condition suffisante pour que la fonction qui aux pôles associe une valeur propre présente un point critique. On utilise alors la caractérisation magnétique des partitions minimales pour montrer que l'énergie minimale est une valeur critique d'une de ces fonctions.Le troisième chapitre est un article écrit en collaboration avec Virginie Bonnaillie-Noël. Il porte sur une famille d'exemples, les secteurs angulaires de rayon unité et d'ouverture variable, dont on tente de déterminer les partitions minimales. On applique pour cela les théorèmes généraux rappelés dans l'introduction afin de déterminer les partitions nodales qui sont minimales. On s'intéresse plus particulièrement aux partitions minimales en trois domaines. En appliquant les idées du deuxième chapitre, on montre que pour certaines valeur de l'angle, il n'existe aucune partition minimale qui soit symétrique par rapport à la bissectrice du domaine. D'un point de vue quantitatif, on obtient des encadrements précis de l'énergie minimale.Le quatrième chapitre consiste en l'étude des partitions minimales de tores plats dont on fait varier le rapport entre longueur et largeur. On utilise une méthode numérique très différente de celle du troisième chapitre, basée sur un article de B. Bourdin, D. Bucur et É. Oudet. Elle consiste en une relaxation suivie d'une optimisation par un algorithme de gradient projeté. On peut ainsi tester des résultats théoriques antérieurs. Les résultats présentés suggèrent de plus la construction explicite de familles de partitions (en liaison avec des pavages du tore) qui donnent une nouvelle majoration de l'énergie minimale.Un dernier chapitre de perspectives présente plusieurs applications possibles des méthodes décrites dans la thèse.

Afin de surmonter les difficultés de la méthode des éléments finis (MEF) liées à la forte dépendance de la solution au maillage, des méthodes sans maillage ont été développées durant les 20 dernières années. Ces techniques ont l’avantage de procurer des approximations très régulières, capables de répondre de manière plus satisfaisante aux exigences croissantes des applications. Cependant, certaines caractéristiques intrinsèques à la plupart de ces approches rendent leur mise en œuvre difficile : souvent des techniques supplémentaires spécifiques doivent être mises en place pour imposer les conditions aux limites et traiter les discontinuités physiques. Récemment, la méthode des éléments naturels (MEN) est apparue, se basant sur les concepts de diagramme de Voronoï et de voisins naturels. C’est une approche capable d’associer les avantages d’une approximation très régulière propre aux méthodes sans maillage et une mise en œuvre quasiment identique à la MEF. Cette thèse porte sur l’étude et le développement de la MEN dédiée aux applications du génie électrique. Le but principal de ce travail exploratoire est l’étude des limitations ainsi que des avantages et du potentiel de la MEN et ses concepts sous-jacents. Les analyses de performances de la méthode sont présentées. Sur les points ouverts tels que l’intégration numérique, la montée en ordre et l’interpolation vectorielle, des développements originaux sont proposés. / In order to overcome the limitations related to the finite element method’s (FEM) narrow dependency of the solution on the mesh, meshless or meshfree methods were developed over the last 20 years. These techniques present the advantage of yielding very smooth approximations, being able to respond more adequately to the increasing demands of applications. However, some intrinsic features of most of these approaches make the implementation difficult, often requiring additional specific techniques for the imposition of the boundary conditions and the treatment of physical discontinuities. Recently, the natural element method (NEM) was developed. This approach, based on the Voronoi diagram and the “natural neighbors” concepts, combines the advantages of very smooth approximations and a FEM-like implementation. This thesis focuses on the study and development of the NEM, dedicated to electrical engineering applications. The main purpose of this exploratory work is the study of the limitations, benefits and the potential of the NEM and its underlying concepts. Several analyses of NEM’s performance are presented. As far as the numerical integration, higher order approximations and the vector interpolation are concerned, original developments are proposed.

Cette thèse concerne la modélisation du comportement mécanique de poudres ductiles au cours de leur mise en forme par le procédé de compression à froid. L’approche utilisée consiste à modéliser la poudre par un échantillon numérique de 50 particules sphériques distribuées aléatoirement. Chaque particule est maillée en éléments finis avec un comportement élasto-plastique et interagit par contact avec ses voisines. Sous l’effet du chargement, les particules se déforment et subissent de grandes transformations.La méthode développée consiste à imposer aux frontières de l'échantillon numérique des conditions aux limites en déplacement ou en force afin de simuler une réponse continue équivalente en termes de contrainte-déformation pour plusieurs chemins de chargement depuis les faibles valeurs de densité relative jusqu'aux fortes valeurs. Outre le fait que la méthode permet d’appliquer par la simulation des chemins de chargement inaccessibles aux techniques expérimentales, elle fournit de nombreuses indications sur la phénoménologie du comportement aux frontières de l'échantillon en relation avec la morphologie des particules déformées plastiquement et l’évolution des surfaces de contact inter-particules.Cette réponse obtenue sera étudiée au moyen des notions de l'élasto-plasticité classique, à savoir la surface de charge et la loi d'écoulement. L'accent est mis sur l’analyse de l’écoulement plastique et l'existence du potentiel plastique. Les résultats montrent que la direction d’écoulement est approximativement unique pour les états de contrainte éloignés du point de chargement. En revanche, la direction d’écoulement cesse d’être unique à proximité de point de chargement, ce qui révèle le caractère anisotrope de l’écrouissage. Ce comportement, propre aux poudres ductiles, est intimement lié à la déformation des grains. La dégradation anisotrope des propriétés mécaniques résultant du mécanisme de dilatance est également étudiée. / This thesis is concerned with the modelling of the mechanical behaviour of ductile powders during cold compaction process. A numerical method was implemented, in which a powder sample was assimilated to an assembly of 50 meshed particles in a cubic box which was submitted to compressive loadings simulated by means of the finite element method. Each particle was meshed and assigned an elastic-plastic constitutive behaviour. Particles interacted through mechanical, frictional contact and underwent large transformation during loading.The method developped in the thesis consisted in imposing boundary conditions as displacements or forces on the bounding walls of the numerical sample. The mechanical response of the sample was averaged to obtain the equivalent response of a continuum in terms of stress and strain. Various loading paths, including loading paths that are technically not attainable by experimental means, were applied up to different values of relative densities, from low (60%) to high values (98%). Much information on the phenomenological behaviour of the numerical sample could be obtained, in relation with the morphology of deformed particles and the evolution of contact surfaces.The results were interpreted based on the concepts of classical elasto-plasticity, i.e., yield surface and flow rule. The main focus of the study was the analysis of incremental plastic flow and the existence of a plastic potential. Results showed that the flow rule postulate, based in the plastic potential, could be considered as valid for stress states relatively far from the loading point. In the vicinity of the loading point, the direction of the plastic strain increment vector ceases to be unique. This behaviour, which is an original feature of ductile powders mechanical behaviour, was attributed to the anisotropic strain-hardening processes at stake, related to the anisotropic formation of contact surfaces between particles. The drop in mechanical properties related to dilatancy was also studied.

La thèse est décomposée en trois parties. Dans la première partie, les modèles de la CUF sont présentés. La CUF permet d’obtenir, dans un formalisme générale, de nombreux modèles qui diffèrent 1) selon l’ordre d’expansion dans l'épaisseur choisie pour les variables primaires; 2) selon le type de modèle: modèles couche équivalente (ESL) ou couche discrète (LW); 3) selon le principe variationnel : “Principle of Virtual Displacements” (raffinée) ou “Reissner’s Mixed Variational Theorem” (avancée). Des géométries cylindrique et à double courbure sont traités. La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'obtention des équations fondamentales en utilisant différentes méthodes: la méthode analytique de Navier et deux méthodes numériques approchées; la “Finite Element Method” (FEM) et la “Radial Basis Functions” (RBF). La méthode RBF est une méthode sans maillage “meshless” et peut être considérée comme une méthode alternative à la FEM. La FEM est la plus utilisée dans la littérature et le sujet principal de cette thèse.Dans la dernière partie, différents problèmes sont proposés. Navier est utilisé pour l’analyse thermomécanique de coques FGM, l’analyse de coques piézo-électrique et l’analyse dynamique de nanotubes de carbone. Un élément fini coque, présenté dans cette thèse, est utilisé pour l’analyse de coques composites et FGM. Les résultats obtenus démontrent la supériorité de cet élément par rapport aux éléments finis basés sur les théories classiques pour l’analyse des matériaux avancés. Enfin, la méthode RBF est utilisée pour l’analyse de coques composites, permettant d'illustrer l'avantage des méthodes sans maillage. / The dissertation is organized in three main parts. In the first part, the shell models contained in the CUF are presented. The CUF permits to obtain, in a general and unified manner, several models that can differ by 1) the chosen order of expansion in the thickness direction, 2) the equivalent single layer or layer wise approach and 3) the variational statement used: “Principle of Virtual Displacements” (refined models) or “Reissner’s Mixed Variational Theorem” (advanced models). Both the cylindrical and the double-curvature geometries are considered. The second part is devoted to the derivation of the governing equations by means of different methods: an analytical method, that is the Navier method, and two approximated numerical methods, that are the Finite Element Method (FEM) and the Radial Basis Functions (RBF) method. The RBF method is based on a meshless approach and it can be considered a good alternative to the FEM. The finite element method is the most common method used in literature and it is the main topic of this thesis. In the last part, different problems are analyzed. The thermo-mechanical analysis of FGM shells, the electromechanical analysis of piezoelectric shells and the dynamic analysis of carbon nanotubes are performed by means of the Navier method. Then, the CUF shell finite element, presented in this thesis, is tested and used for the analysis of composite and FGM shells. The superiority of this element in respect to finite elements based on classical theories is shown. Finally, the RBF method is combined with the CUF for the analysis of composite and FGM shells in order to overcome the numerical problems relative to the mesh that usually affect the finite elements.

L’os est un matériau vivant avec une structure hiérarchique complexe qui lui confère des propriétés mécaniques remarquables. L’os subit perpétuellement des contraintes mécaniques et physiologiques, ainsi sa qualité et sa résistance à la fracture évoluent constamment au cours du temps à travers le processus de remodelage osseux. La qualité osseuse est non seulement définie par la densité minérale osseuse mais également par les propriétés mécaniques ainsi que la microarchitecture. Dans le cadre de la présente thèse, on a développé une modélisation multiéchelle unifiée couplant à la fois les activités cellulaires au comportement mécanique de l'os tenant compte des différents niveaux hiérarchiques de l'os: de l’ultrastructure au remodelage osseux. Ce modèle permet d’étudier le comportement mécano-bibliologique de l’os et de prédire ses propriétés mécaniques apparentes à différentes échelles allant du nanoscopique au macroscopique en fonction des constituants élémentaires de l'os. Pour atteindre cet objectif, une démarche en quatre phases a été adoptée. La première phase consiste à décrire les constituants élémentaires de l’os. La deuxième phase avait pour objectif la modélisation multiéchelle de l'ultrastructure osseuse constituée de trois échelles nanoscopiques (microfibrille, fibrille et fibre) par la méthode des éléments finis et des réseaux de neurones. La troisième phase correspond à la modélisation des échelles micro-macroscopiques de l’os cortical (lamelle, ostéon, os cortical) en utilisant comme paramètres d’entrée les propriétés de la fibre déterminées dans la deuxième phase. Enfin, dans la dernière phase, on a développé un modèle mécano-biologique du remodelage osseux permettant de simuler le processus d'adaptation osseuse tenant compte explicitement des activités biologiques des cellules osseuses. Les propriétés mécaniques prédites par nos algorithmes multiéchelles ont servi pour alimenter le modèle de remodelage. Ce modèle a été implémenté au code de calcul d’éléments finis ABAQUS/Standard à travers sa routine utilisateur UMAT. Finalement, le modèle EF mécano-biologique multiéchelle du remodelage osseux a été appliqué pour simuler différents scénarii de remodelage sur des fémurs humains (2D et 3D). Différents facteurs ont été ainsi analysés tels que l'âge, le genre, l'amplitude des activités physiques, etc. Les résultats obtenus sont conformes (qualitativement) avec les observations cliniques et cohérents avec les différentes études expérimentales. En conclusion: (i) Les modèles unifiés ainsi développés (modèle multiéchelle, modèle mécano-biologique de remodelage osseux) contribuent à l'analyse fine du comportement de l'os humain. (ii) L'application des algorithmes a permis d'effectuer des essais virtuels pour analyser les effets combinés de nombreux facteurs caractérisant la qualité osseuse. / Bone is a living material with a complex hierarchical structure which entails exceptional mechanical properties. Bone undergoes permanent mechanical and physiological stresses, thus its quality and fracture toughness are constantly evolving over time through the process of bone remodeling. Bone quality is not only defined by bone mineral density but also by the mechanical properties and microarchitecture. The current thesis offers a multiscale modeling approach unifying the cell activity to the mechanical behavior, taking into consideration the hierarchical levels of bone, from the ultrastructure to bone remodeling. This model permits to study the mechanobiological behavior and to predict the mechanical properties of the bone at different scales from nano to macro depending on the elementary constituents of bone. To achieve the objective of the current work, an approach of four phases was adopted. The first phase is to describe the basic components of the bone. The second phase concerns the multiscale modeling of the three nanoscopic levels of bone ultrastructure (microfibril, fibril and fiber) by the finite element method and neural networks. The third phase aims to model the micro-macroscopic structures of cortical bone (lamella, osteon, cortical bone) using the fiber properties predicted from the second phase as input parameters. In the last phase, a mechano-biological model of bone remodeling was achieved to simulate the process of bone adaptation explicitly considering the biological activities of bone cells. Mechanical properties predicted by our multiscale algorithms were used to feed the remodeling model. This model has been implemented into the ABAQUS/Standard finite elements code as a user subroutine. Finally, the finite element mechano-biological multiscale model of bone remodeling was applied to simulate different scenarios on human femurs (2D and 3D). Hence, different factors such as: age, gender, physical activities, etc were analyzed. The obtained results are conformed (qualitatively) to clinical observations and consistent with the various experimental studies. In summary, (i) the models portrayed here (multiscale model, mechanical-biological model of bone remodeling) contribute by their unified approach to the realistic modeling of the response of human bone. (ii) The application of the algorithms permits to perform virtual experiments to scrutinize the combined effects of numerous factors dictating the bone quality.

Dans la première partie de cette thèse, nous avons considéré les équations de Maxwell en temps et construit une formulation discontinue de Galerkin (DG). On a montré que cette formulation est bien posée et ensuite on a établi des estimateurs a priori pour cette formulation. On a obtenu des résultats numériques pour valider les estimateurs a priori obtenus théoriquement. Dans la deuxième partie de cette thèse, des estimateurs d'erreur a posteriori de cette formulation sont établis, pour le cas semi-discret et pour le système complètement discrétisé. Dans la troisième partie de cette thèse, on considére les équations de Maxwell en régime harmonique. On a développé une formulation discontinue de Galerkin mixte. On a établi des estimations d'erreur a posteriori pour cette formulation. / In the first part of this thesis, we have considered the time-dependent Maxwell's equations in second-order form and constructed discontinuous Galerkin (DG) formulation. We have established a priori error estimates for this formulation and carried out the numerical analysis to confirm our theoretical results. In the second part of this thesis, we have established a posteriori error estimates of this formulation for both semi discrete and fully discrete case. In the third part of the thesis we have considered the time-harmonic Maxwell's equations and we have developed mixed discontinuous Galerkin formulation. We showed the well posedness of this formulation and have established a posteriori error estimates.

La plupart des ruptures des structures géotechniques sont associées aux phénomènes de localisation des déformations, qui s'accompagnent toujours d'un adoucissement de la résistance. De nombreuses observations expérimentales montrent que d’importants réarrangements et rotations de particules se produisent à l'intérieur des bandes de cisaillement. Cette thèse vise à étudier numériquement les phénomènes de localisation des déformations dans les matériaux granulaires. Considérant les problèmes de dépendance au maillage dans l'analyse par éléments finis dans le cadre de la modélisation continue classique, un modèle de sable basé sur l' état critique a été formulé dans le cadre de la théorie micropolaire. Un code d'éléments finis pour les problèmes bidimensionnels a été développé dans ce cadre. Ensuite, les simulations d'essais bi-axiaux ont permis d’étudier en profondeur les caractéristiques des bandes de cisaillement en termes d'apparition,d'épaisseur, d'orientation, etc. Dans le même temps, l'efficacité de l'approche micropolaire, en tant que technique de régularisation, a été discutée. L'analyse de l'instabilité dans un continuum micropolaire basé sur le travail du second-ordre a également été effectuée. Enfin,pour une application plus large dans la simulation des défaillances en ingénierie géotechnique, le modèle 2D a été étendu à un modèle 3D. Sur la base de l'étude, les modèles 2D et 3D ont démontré leurs capacités de régularisation pour éviter les problèmes de dépendance au maillage et reproduire raisonnablement les bandes de cisaillement dans les géostructures. / Most of the progressive failures of geotechnical structures are associated with the strain localization phenomenon, which is generally accompanied by strength softening. Many experimental observationsshow that significant rear rangements and rotations of particles occur inside the shear bands. The aim of this thesis is to investigate numerically the strain localization phenomena of granular materials. Considering the mesh dependency problems in finite element analysis caused by strains oftening within the classical continuum framework, a sand model based on critical-state has been formulated within the framework of the micropolar theory, taking into account the micro rotations, and implemented into a finite element code for two dimensional problems. Then, the simulations of the shearband in biaxial tests are comprehensively studied in terms of onset, thickness, orientation, etc. At the same time, the efficiency of the micropolar approach, as a regularization technique, is discussed. This is followed by an instability analysis using the second-order work based on the micropolar continuum theory. Finally, for a wider application in simulating failures in geotechnical engineering, the 2D model has been extended to 3D model. Based on the entire study, both the 2D and 3Dmodel demonstrate obvious regularization ability to relieve the mesh dependency problems and to reproduce reasonably the shear bands in geostructures.