La thèse présente une méthodologie pour construire des éléments finis de type " solide-coque " avec intégration réduite en vue des applications à la simulation de la mise en forme tel que l'emboutissage des tôles où ces éléments finis doivent présenter de bonnes aptitudes à modéliser la flexion mais également les situations de laminage de la tôle. A partir des éléments volumiques à 8 nœuds et 3 degrés de liberté par nœud (les 3 composantes du déplacement), un neuvième nœud est rajouté au centre de l'élément. Ce neuvième nœud n'est pourvu que d'un seul degré de liberté, le déplacement le long de la direction de l'épaisseur. Cette direction privilégiée a un nombre de points d'intégration supérieur ou égal à 3 mais l'intégration est réduite au centre de l'élément diminuant très sensiblement les temps CPU par rapport à une intégration complète. Un soin particulier a été pris pour contrôler tous les modes à énergie nulle dus à l'intégration réduite. Ce nœud supplémentaire permet une distribution linéaire de la déformation normale. Avec les lois de comportement complètement 3D ces nouveaux éléments solide-coque donnent des résultats similaires en flexion à ceux obtenus avec des éléments coques et état plan de contrainte. Le neuvième nœud joue le rôle d'un paramètre supplémentaire pour l'interpolation quadratique du déplacement dans la direction de l'épaisseur. Ce degré de liberté a une signification physique et un effort équivalent à une pression normale peut être prescrit. Dans les situations de pression normale et dans le cas du contact, la contrainte normale obtenue est physique ce qui n'est pas le cas de nombreux éléments solide-coque de la littérature. Le pincement ou le laminage des tôles est correctement modélisé. Pour valider ces éléments, un module d'emboutissage en U avec passage et laminage de la bande de tôle sur des rouleaux a été construit au laboratoire. La comparaison entre les efforts d'emboutissage calculés et mesurés est très bonne ainsi que la géométrie des bandes de tôle obtenue après retour élastique.

La simulation des procédés de mise en forme des composites à renforts tissés de type RTM est un enjeu majeur pour les industries de pointe mettant en œuvre ce type de matériaux. Au cours de ces procédés, la préforme tissée est souvent soumise à des déformations importantes. La connaissance et la simulation du comportement mécanique de la préforme à l'échelle macroscopique et à l'échelle mésoscopique s'avère souvent nécessaire pour optimiser la phase de conception de pièces composites formées par de tels procédés. Une analyse du comportement mésoscopique des préformes tissées de composites est d'abord proposée. Une loi de comportement hyperélastique isotrope transverse est développée, permettant de décrire le comportement mécanique de chacun des modes de déformation de la mèche : élongation dans la direction des fibres, compaction et distorsion dans le plan d'isotropie de la mèche, cisaillement le long des fibres. Une méthodologie est proposée pour identifier les paramètres de cette loi de comportement à l'aide d'essais sur la mèche et sur le tissu, et une validation par comparaison avec des essais expérimentaux est présentée. Une analyse du comportement macroscopique des renforts interlocks est ensuite proposée : une loi de comportement hyperélastique orthotrope est développée et implémentée. Cette loi, extension de la loi de comportement pour la mèche, est également basée sur une description phénoménologique des modes de déformation de la préforme. Une méthode d'identification des paramètres de cette loi de comportement est mise en œuvre, utilisant des essais expérimentaux classiques dans le contexte des renforts tissés (tension uniaxiale, compression, bias extension test, flexion). Cette seconde loi de comportement est validée par comparaison avec des essais de flexion et d'emboutissage hémisphérique.

Actuellement, un intense travail de recherche a lieu dans le domaine de la conception optique, tant au niveau industriel qu'académique. Cette thèse de doctorat s'incrit dans ce contexte général en abordant l'extension et l'utilisation de programmes commerciaux de conception optique dans de nouvelles branches de l'ingénierie optique, incluant l'optique intégrée, la mise en forme de faisceau et les sytèmes optiques hybrides diffractifs/conventionnels. Afin de modéliser ces nouveaux systèmes, j'ai développé de nouvelles techniques permettant de rendre leur analyse et leur conception plus "puissantes" que par les méthodes précédemment en usage, par la précision, la rapidité de calcul, la convivialité ou les degrés de liberté à la disposition du concepteur. Ces travaux ont parfois nécéssité la mise en place de nouvelles descriptions des phénomènes physiques mis en jeu, mais ils ont sutout été axés sur la recherche d'une mise en oeuvre efficace (usuellement basée sur le tracé exact de rayons) d'approches déjà connues...

Cette thèse concerne l'étude des effets de propagation subis par des impulsions lumineuses de faible intensité lorsqu'elles se propagent dans des systèmes atomiques soumis à des champs intenses. Nous explorons aussi bien le régime d'impulsions longues que courtes et nous analysons les phénomènes qui se produisent à ces échelles de temps différents. En régime d'impulsions ultracourtes, un système atomique à deux niveaux soumis à un champ intense présente des déplacements lumineux transitoires, et des transitions non adiabatiques se produisent entre ces états. Nous avons étudié une méthode qui permette de sonder en temps réel ces déplacements lumineux en propageant un champ sonde de faible intensité. Les déplacements lumineux enrichissent le spectre de la sonde qui se trouve ainsi modifiée. Un système à deux niveaux peut se comporter alors comme un dispositif de mise en forme et peut induire sur le profil temporel d'une impulsion ultra courte des oscillations à une échelle de temps plus courte que la durée de l'impulsion. Nous montrons aussi qu'en excitant le système avec deux impulsions intenses non résonantes et décalées dans le temps, les effets non adiabatiques peuvent être dépendant de la phase. Ceci conduit à un contrôle très sensible par la phase de la population excitée. Cet effet peut être utilisée pour créer de nouvelles techniques en interférométrie. En régime d'impulsions longues, nous présentons une nouvelle méthode de ralentissement de la lumière qui peut être réalisée dans un système à deux niveaux double interagissant avec deux impulsions de lumière polarisées orthogonalement et se propageant selon des axes différents. La dépendance spatio-temporelle de la polarisation totale induit un réseau dans la cohérence Zeeman du fondamental. Le champ le plus intense (champ de contrôle) est diffracté par ce réseau dans la direction du champ sonde de faible intensité compensant l'absorption de ce dernier. Une fenêtre de transparence est alors créée dans le spectre d'absorption de ce champ conduisant au ralentissement de la lumière. La fenêtre de transparence exhibe alors des caractéristiques similaires à ceux obtenus par la méthode EIT (electromagnetic induced transparency). Toutefois la différence importante avec la méthode EIT est que dans notre cas aucun état noir n'est créé dans le système. Ceci ouvre la voie à la possibilité de ralentir la lumière dans des systèmes plus complexes. D'autre part, quand l'absorption (linéaire) du système est éliminée, la réponse non linéaire devient plus importante. Dans la situation où les champs se propagent dans la même direction et ont même fréquence, deux régimes d'interactions ont été étudiés. Pour de faibles épaisseurs optiques, la susceptibilité effective se comporte comme chi_lin exp[2 i phi] (avec phi la différence de phase entre champs). Ceci rend alors possible le contrôle de la réponse du milieu par la phase. Le milieu peut se transformer d'un absorbant à un amplificateur avec une dispersion normale ou anormale en ajustant la phase relative phi . En régime de large épaisseur optique, la saturation de la phase se produit et la susceptibilité effective se trouve changée en chi_lin*, modifiant un absorbant en un amplificateur sans affecter la réponse dispersive.

Malgré des résultats prometteurs, les procédés de mise en forme à grande vitesse sont encore peu utilisés dans l'industrie du fait d'un manque de compréhension du phénomène de Bande de Cisaillement Adiabatique (BCA).Ce travail présente le développement d'outils numériques permettant la simulation adaptative et l'analyse de BCA dans des procédés 3D de mise en forme à grande vitesse. L'utilisation du modèle ALE-adaptatif séquentiel développé dans le logiciel Forge3 permet pour la première fois la simulation automatique de BCA 3D. L'étude des résultats numériques permet de proposer une description innovante du processus de formation de BCA. Les moyens de calcul requis s'avérant très importants, un nouveau code éléments finis hautement parallèle appelé Forge++ est développé. Ce dernier inclut de nouveaux algorithmes tels que le couplage thermomécanique implicite, la méthode de stabilisation RFB et un recouvrement par patch parallèle pour une meilleure simulation de BCA.

Les matériaux à transition de spin (TS) à base de Fe(II) et de ligands triazolepeuvent changer d’état de spin sous l’effet d’une perturbation extérieure telle que latempérature, la pression ou l’irradiation lumineuse. Si ces aspects sont bien connus, ce n’estque depuis quelques années que le design des particules à TS connait un véritable essor avecpour objectif principal de créer de larges gammes de tailles et de formes de nanoparticules.C’est dans ce contexte que nous avons rationnalisé, grâce à un examen scrupuleux de tousles paramètres expérimentaux, la synthèse par micelles inverses afin d’élaborer des particulesà TS de tailles et de morphologies contrôlées. Par exemple, dans des conditionsexpérimentales bien définies, nous pouvons désormais offrir un panel de tailles de particulesen forme de bâtonnet allant de 30 à 1000 nm pour le composé [Fe(Htrz)2(trz)](BF4). Enparallèle nous avons conduit la toute première exploration, pour les matériaux à TS, de lasynthèse par spray-drying. Des particules sphériques de tailles micrométriques présentant despropriétés différentes de celles observées habituellement ont alors été obtenues. L’un deschallenges actuels du design des particules à TS concerne le greffage de particules d’or. Al’encontre des résultats actuels de la littérature, nous proposons ici une méthode de greffagedirect de nanoparticules d’or sur celles à TS conduisant à des particules hybrides de typeTS@Au. Ce greffage apparaît plus efficace que ce qui était connu jusqu’à présent et, desurcroît, se révèle pertinent pour une large gamme de taille des particules d’or. / The spin-crossover (SCO) materials based on iron (II) and triazole ligands canchange their spin state under an external perturbation like temperature, pressure or lightirradiation. If these aspects are well known, it is only in the recent years that the SCO-particledesign has attracted attention of the scientific community with increasing interests notablyfocusing on the access to wide ranges of sizes and shapes of nanoparticles. In this context,we rationalized the reverse micellar synthesis, thanks to a scrupulous study of all experimentalparameters, to produce SCO particles with controlled size and shape. For example, underwell-defined experimental conditions, we can now offer rod-shaped particles with sizes rangingfrom 30 to 1000 nm for [Fe(Htrz)2(trz)](BF4). In parallel, we drove the first exploration byspray-drying for SCO materials. Spherical-micrometric particles with different properties, fromthose observed usually, were obtained. Within the design of SCO particles, one of the currentchallenges concerns the grafting of gold particles. In contrast to existing literature results, wepropose a method to graft directly gold nanoparticles on SCO particles leading to hybridparticles denoted SCO@Au. This grafting seems to be more effective than previous resultsand shows itself relevant for a wide range of size of gold particles.

Dans cette thèse, nous présentons le développement d'une méthode de nanoscopie optique superrésolue en trois dimensions pour résoudre des émetteurs quantiques uniques à température cryogénique. Cette méthode, appelée microscopie à saturation d'état excité (ESSat), est une technique d'imagerie confocale à balayage basée sur la saturation optique de la raie sans phonon de l'émetteur. Elle utilise un faisceau d’illumination structurée comprenant une zone d'intensité nulle au foyer de l'objectif de microscope, avec un gradient d'intensité important autour. En imageant des molécules fluorescentes aromatiques individuelles à 2 K, nous avons atteint une résolution de 28 nm dans la direction latérale et 22 nm dans la direction axiale, avec de faibles intensités laser d'environ dix kWcm-2, soit cinq ordres de grandeur inférieures à celles utilisées à température ambiante dans les méthodes de nanoscopie basées sur la déplétion par émission stimulée. Notre technique offre une opportunité unique de super-résoudre des molécules uniques séparées par des distances nanométriques et avec des résonances optiques qui se recouvrent. De plus, la méthode fournit une détermination directe de l'orientation des dipôles moléculaires à partir des images ESSat de fluorescence. La microscopie ESSat ouvre ainsi la voie à des études approfondies des interactions cohérentes dipôle-dipôle optiques entre émetteurs quantiques individuels, qui nécessitent des distances relatives nanométriques. En particulier, cette méthode permettra d'étudier les riches signatures spatiales et fréquentielles du système couplé et de manipuler leur degré d'intrication. / In this thesis, we present the development of a cryogenic super-resolution optical nanoscopy thatcan resolve molecules at nanometric distances, called the Excited State Saturation (ESSat)Microscopy.ESSat microscopy is a scanning confocal imaging technique based on the optical saturation of thezero phonon line of a single fluorescent molecule. It uses a patterned illumination beam thatcontains a ‘zero-intensity’ region at the focus of the microscope objective with a large intensitygradient around. We achieved a sub-10 nm resolution in the lateral direction and 22 nm resolutionin the axial direction with extremely low excitation intensities of few tens of kWcm-2. Comparedto other super-resolution imaging techniques, like STED, RESOLFT, etc., our technique offers aunique opportunity to super-resolve single molecules with overlapping optical resonances and thatare much closer than the diffraction limit. In addition, it is possible to determine the orientation ofmolecular dipoles from the fluorescent ESSat images. Since coherent dipole-dipole couplinginteractions between single quantum emitters have a very high coupling efficiency at short distancemuch smaller than the diffraction limit, it is important to resolve them well below it. ESSatmicroscopy thus paves a way to disclose the rich spatial and frequential signatures of the coupledsystem and to manipulate their degree of entanglement.

Les composites thermoplastiques préimprégnés suscitent un intérêt croissant pour l'industrie automobile grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques et leur procédé de fabrication rapide. Dans ce contexte, la modélisation et la simulation numérique des procédées de mise en forme de pièces composites à géométries complexes sont nécessaires pour prédire et optimiser les pratiques de fabrication. Cette thèse est consacrée à la modélisation et à la simulation du comportement de consolidation des composites thermoplastiques préimprégnés lors du processus de mise en forme. Un nouvel élément solide-coque prismatique à sept nœuds est proposé: six situés aux sommets et le septième situé au centre. Le champ de cisaillement transverse est supposé afin de réprimer le verrouillage de cisaillement transversal. La méthode de déformation renforcée supposée par addition d'un DOF de déplacement supplémentaire depuis le nœud central et un schéma d'intégration réduit sont combinées offrant un champ de déformation linéaire le long de la direction d'épaisseur pour contourner le verrouillage. De plus, une procédure de stabilisation de sablier est employée afin de corriger le défaut de rang de l'élément pour le pincement. Cet élément utilise un modèle de relaxation viscoélastique pour modéliser le comportement tridimensionnel de composites thermoplastiques préimprégnés avec effet de consolidation. Un modèle de contact intime est également utilisé pour prédire l'évolution de la consolidation et la microstructure du vide présente au sein du préimprégné. A l’aide d’une loi hyperélastique, plusieurs simulations ont été conduites en combinant le nouvel élément fini et les modèles de consolidation. La comparaison des résultats de simulation avec les essais expérimentaux montre l'efficacité de l’élément solide-coque face aux problèmes de déformations dans le plan et en flexion, mais également pour l'analyse du comportement de consolidation. De plus, le degré de contact intime fournit le degré de consolidation par conditions de procédé appliqué, ce qui est essentiel pour l'apparition de défauts dans la pièce finale de composite. / As the pre-impregnated thermoplastic composites have recently attached increasing interest in the automotive industry for their excellent mechanical properties and their rapid cycle manufacturing process, modelling and numerical simulations of forming processes for composites parts with complex geometry is necessary to predict and optimize manufacturing practices. This thesis is devoted to modelling and simulation of the consolidation behavior during thermoplastic prepreg composites forming process. A new seven-node prismatic solid-shell element is proposed: six located at the apexes and the seventh sited at the center. A shear stain field is assumed to subdue transverse shear locking, the enhanced assumed strain method by addition of an extra displacement DOF from the central node and a reduced integration scheme are combined offering a linear varying strain field along the thickness direction to circumvent thickness locking, and an hourglass stabilization procedure is employed in order to correct the element’s rank deficiency for pinching. This element permits the modelling of three-dimensional constitutive behavior of thermoplastic prepreg with the consolidation effect, which is modelled by a viscoelastic relaxation model. An intimate contact model is employed to predict the evolution of the consolidation which permits the microstructure prediction of void presented through the prepreg. Within a hyperelastic framework, several simulation tests are launched by combining the new developed finite element and the consolidation models. The comparison with conventional shell element and experimental results shows the efficiency of the proposed solid-shell element not only dealing with the in-plan deformation and bending deformation problems, but also in analyzation of the consolidation behavior, and the degree of intimate contact provides the level of consolidation by applied process conditions, which is essential for the appearance of defects in final composite part.

Le procédé de rétreint fait partie de la famille des techniques de mise en forme sans enlèvement de matière. La déformation du lopin est obtenue par chocs successifs d'un ensemble de matrices disposées autour de la pièce. Ce procédé est généralement utilisé pour la réduction de section de tubes ou de barres. Dans un contexte industriel, la maîtrise des paramètres procédé et la compréhension des phénomènes sous-jacents est indispensable pour non seulement limiter le temps de développement de nouveaux produits mais aussi diminuer le nombre de rebus des références qui posent problème. L'objectif de la thèse est de répondre à ces attentes en exploitant les possibilités offertes par la simulation numérique. Dans un premier temps, les alliages étudiés ont été caractérisés mécaniquement. En effet grâce à des essais de traction et d'impact de Taylor et à l'emploi d'une méthode d'identification par analyse inverse, les paramètres de la loi d'écoulement de Johnson-Cook ont été déterminés. Dès lors différents modèles, utilisant le code Abaqus/Explicit, ont été mis en place (du 2D axisymétrique au 3D en passant des modèles en reprenant que le quart de la pièce) et la validation s'est faite grâce à des campagnes d'essais réalisés sur site. Enfin, un progiciel développé en C++ sera livré à l'industrie. Il intègre différentes fonctionnalités comme la prédiction des efforts de forge par calcul analytique. Tous ces outils numériques et analytiques ont permis de mieux comprendre le procédé en termes de chemin d'écoulement de la matière, de distribution des contraintes et déformations et de profil d'évolution d'évolution de l'effort tout au long de la mise en forme. ABSTRACT : The shrinking process is part of the family of formatting techniques without removing material. / The shrinking process is part of the family of formatting techniques without removing material.

L'objectif de ce travail de thèse est de proposer un modèle numérique permettant de simuler la mise en forme de viroles métalliques par un procédé de formage incrémental. Ce procédé de mise en forme est particulièrement intéressant pour les industriels car il permet d'une part de réduire les pertes de matière première et d'autre part d'obtenir des pièces avec des propriétés mécaniques améliorées. La mise au point du procédé reste néanmoins une étape fastidieuse et le recours à l'outil numérique devient indispensable si l'on souhaite atteindre le meilleur rapport qualité/coût-délai. À cette fin, le comportement mécanique d'un acier faiblement allié a été étudié à travers divers essais de traction et de cisaillement. Les résultats de ces essais mettent en évidence que le matériau présente une faible anisotropie de comportement, une faible sensibilité à la vitesse de déformation et un écrouissage cinématique (effet Bauschinger). Cette base de données expérimentales a ensuite servi à l'identification de plusieurs modèles de comportement élastoplastique phénoménologique. Deux modèles numériques différents ont alors été développés au sein du code de calculs par éléments finis Abaqus afin de simuler le formage d'une pièce de référence et d'une étude de cas industriel. Les résultats de ces simulations montrent que le modèle tridimensionnel fournit une bonne représentation du procédé de formage a contrario du modèle bidimensionnel axisymétrique construit notamment afin de réduire les temps de calculs. Par ailleurs, une étude de la sensibilité du modèle éléments finis aux différents modèles de comportement identifiés a été menée. Les résultats de cette étude ont permis de mettre en évidence que la description du comportement plastique n'a qu'une faible influence sur la géométrie de la pièce déformée alors même que le comportement élastique joue un rôle bien plus important notamment au regard du calcul du retour élastique des pièces. Il a également été montré que le choix d'une forme particulière de géométrie de pièce permettait de réduire considérablement ce phénomène. Enfin, une étude sur la modélisation du comportement du matériau avec un modèle moins phénoménologique a été entreprise. Elle permet d'avoir un caractère plus générique avec un nombre de paramètres inférieurs aux modèles phénoménologiques en considérant les hétérogénéités du matériau. Elle ouvre la voie à l'utilisation de modèle de comportement prenant en compte des phénomènes physiques au sein d'un modèle éléments finis sur une opération de formage. / This Ph.D. thesis aims to propose a numerical model for modelling the incremental forming process of a metallic thin wall short tube. This process is especially interresting for manufacturer because it allows to reduce the material raw losses and to increase the mechanical properties of the part. The technical development of the process is a tedious step and the numerical simulation becomes necessary if the best ratio quality/cost-delay must be reach. To achieve this goal, the mechanical behaviour of a low-allow steel was studied with uniaxial and shear tests. The results of this tests highlight that the material has a low anisotropic behaviour, a low strain rate sensitivity and kinematic hardening (Bauschinger effect). Then, this experimental database was used to identify several elastic-plastic phenomenological behaviour laws. Two different numerical models were developed in the finite element code Abaqus to simulate the forming of a reference part and an industrial study. Results of simulation show that tridimensional model is a good representation of the forming process contrary to the bidimensional model built to reduce the CPU time. Furthermore, a finite element model sensibility study of the identifying behaviour models has been carried out. The results of this study highlight that plastic behaviour description has a low influence on the formed part geometry. However, the elastic behaviour has an important influence in particular on the calculated springback. Moreover, it was shown that the choice of a particular part geometry reduce in an important way this phenomenon. Finaly, a study about the material behaviour modeling with a less phenomenological model was done. This latter is a more generic model with a lower parameters number compared with phenomenological models taking into account material heterogeneities. This study innovates for the behaviour model taking account of physical phenomenon in finite elements model on a forming process.