La scattéromètrie requiert le calcul de la réponse optique de structures périodiques. Parmi les méthodes numériques de calcul électromagnétique de la diffraction par des réseaux, la méthode la plus couramment utilisée est la Méthode Modale de Fourier (FMM). Celle cis'avère peu efficace pour la caractérisation de structures très isolées ou très denses et peut même ne pas marcher du tout. L'objectif de cette thèse est de dépasser les limitations de la FMM. Nous restons dans le cadre des méthodes modales mais nous explorons de nouvelles voies en utilisant des bases de développement différentes qui ne présentent pas les inconvénients des bases de Fourier. Tout d'abord, nous avons introduit les fonctions B-spline qui sont le premier pas vers l'analyse multi-résolution avec les ondelettes splines. Nous avons formulé le problème de la diffraction par un réseau 1D comme un problème aux valeurs propres que nous avons résolu numériquement à l'aide de la méthode de Galerkin. Nous avons étudié en détail l'importance de la discrétisation par rapport aux discontinuités de la fonction permittivité. Ensuite, nous avons introduit les ondelettes et l'analyse à plusieurs niveaux de détails pour le problème de diffraction. La thèse contient une palette variée d'exemples numériques concernant des réseaux diélectriques et métalliques. Nous avons comparé soigneusement la convergence de nos méthodes avec celle d?autres méthodes, notamment avec la FMM. Nous avons montré que l'analyse multirésolution permet de traiter des cas pour lesquels la FMM échoue. / The scatterometry requires calculating the optical response of periodic structures. Among the numerical methods for calculating electromagnetic diffraction by gratings, the most commonly used is the Fourier Modal Method (FMM). This seems to be ineffective for characterizing structures very isolated or very dense and can even fail. The objective of this thesis is to overcome the limitations of the FMM. We remain within the framework of modal methods but we are exploring new ways of using different bases of development that do not have the drawbacks of Fourier bases. First, we introduced the B-spline functions which are the first step towards multi-resolution analysis with wavelet splines. We formulated the problem of diffraction by a 1D grating as an eigenvalue problem that we solved numerically using the Galerkin method. We studied in detail the importance of the discretization compared to the discontinuities of permittivity function. Then we introduced the wavelet analysis at multiple levels of detail for the diffraction problem. The thesis contains a diversity of numerical examples concerning dielectric and metal gratings. We have carefully compared the convergence of our methods with that of other methods, especially with the FMM. We showed that multiresolution analysis can deal with cases where the FMM fails.

Les éléments de diffraction sont largement utilises aujourd'hui dans un nombre grandissant d'applications grâce à la progression des technologies de micro-structuration dans le sillage de la microélectronique. Pour un design optimal de ces éléments, des méthodes de modélisation précises sont nécessaires. Plusieurs méthodes ont été développées et sont utilisées avec succès pour des réseaux de diffraction unidimensionnel de différents types. Cependant, les méthodes existantes pour les réseaux deux dimensionnel ne couvrent pas tous types de structures possibles. En particulier, le calcul de l'efficacité de diffraction sur les réseaux métalliques à deux dimensionnel avec parois verticales représente encore une grosse difficulté pour les méthodes existantes. Le présent travail a l'objectif le développement d'une méthode exacte de calcul de l'efficacité de diffraction de tels réseaux qui puisse servir de référence. La méthode modale développée ici - dénommée -true-mode" en anglais - exprime le champ électromagnétique sur la base des vrais modes électromagnétiques satisfaisant les conditions limites de la structure 2D à la différence d'une méthode modale où les modes sont ceux d'une structure approchée obtenue, par exemple, par développement de Fourier. L'identification et la représentation de ces vrais modes 'a deux dimensions restait 'a faire et ce n'est pas le moindre des résultats du présent travail que d'y avoir conduit. Les expressions pour la construction du champ sont données avec des exemples de résultats concrets. Sont aussi fournies les équations pour le calcul des intégrales de recouvrement et des éléments de la matrice de diffusion.

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de un Método Modal para resolver dos ecuaciones: la Ecuación de la Difusión de Neutrones y la de las Ordenadas Discretas del Transporte de Neutrones. Además, este método está basado en el Método de Volúmenes Finitos para discretizar las variables espaciales. La solución de estas ecuaciones proporciona el flujo de neutrones, que está relacionado con la potencia que se produce en los reactores nucleares, por lo que es un factor fundamental para los Análisis de Seguridad Nuclear. Por una parte, la utilización del Método Modal está justificada para realizar análisis de inestabilidades en reactores. Por otra parte, el uso del Método de Volúmenes Finitos está justificado por la utilización de este método para resolver las ecuaciones termohidráulicas, que están fuertemente acopladas con la generación de energía en el combustible nuclear. En primer lugar, esta tesis incluye la definición de estas ecuaciones y los principales métodos utilizados para resolverlas. Además, se introducen los principales esquemas y características del Método de Volúmenes Finitos. También se describen los principales métodos numéricos para el Método Modal, que incluye tanto la solución de problemas de autovalores como la solución de Ecuaciones Diferenciales Ordinarias dependientes del tiempo. A continuación, se desarrollan varios algoritmos del Método de Volúmenes Finitos para el Estado Estacionario de la Ecuación de la Difusión de Neutrones. Se consigue desarrollar una formulación multigrupo, que permite resolver el problema de autovalores para cualquier número de grupos de energía, incluyendo términos de upscattering y de fisión en varios grupos de energía. Además, se desarrollan los algoritmos para realizar la computación en paralelo. La solución anterior es la condición inicial para resolver la Ecuación de Difusión de Neutrones dependiente del tiempo. En esta tesis se utiliza un Método Modal, que transforma el Sistema de Ecuaciones Diferenciales Ordinarias en uno de mucho menor tamaño, que se resuelve con el Método de la Matriz Exponencial. Además, se ha desarrollado un método rápido para estimar el flujo adjunto a partir del directo, ya que se necesita en el Método Modal. Por otra parte, se ha desarrollado un algoritmo que resuelve el problema de autovalores de la Ecuación del Transporte de Neutrones. Este algoritmo es para la formulación de Ordenadas Discretas y el Método de Volúmenes Finitos. En concreto, se han aplicado dos tipos de cuadraturas para las Ordenadas Discretas y dos esquemas de interpolación para el Método de Volúmenes Finitos. Finalmente, se han aplicado estos métodos a diferentes tipos de reactores nucleares, incluyendo reactores comerciales. Se han evaluado los valores de la constante de multiplicación y de la potencia, ya que son las variables fundamentales en los Análisis de Seguridad Nuclear. Además, se ha realizado un análisis de sensibilidad de diferentes parámetros como la malla y métodos numéricos. En conclusión, se obtienen excelentes resultados, tanto en precisión como en coste computacional. / The main objective of this thesis is the development of a Modal Method to solve two equations: the Neutron Diffusion Equation and the Discrete Ordinates Neutron Transport Equation. Moreover, this method uses the Finite Volume Method to discretize the spatial variables. The solution of these equations gives the neutron flux, which is related to the power produced in nuclear reactors; thus, the neutron flux is a paramount variable in Nuclear Safety Analyses. On the one hand, the use of Modal Methods is justified because one uses them to perform instability analyses in nuclear reactors. On the other hand, it is worth using the Finite Volume Method because one uses it to solve thermalhydraulic equations, which are strongly coupled with the energy generation in the nuclear fuel. First, this thesis defines the equations mentioned above and the main methods to solve these equations. Furthermore, the thesis describes the major schemes and features of the Finite Volume Method. In addition, the author also introduces the major methods used in the Modal Method, which include the methods used to solve the eigenvalue problem, as well as those used to solve the time dependent Ordinary Differential Equations. Next, the author develops several algorithms of the Finite Volume Method applied to the Steady State Neutron Diffusion Equation. In addition, the thesis includes an improvement of the multigroup formulation, which solves problems involving upscattering and fission terms in several energy groups. Moreover, the author optimizes the algorithms to do calculations with parallel computing. The previous solution is used as initial condition to solve the time dependent Neutron Diffusion Equation. The author uses a Modal Method to do so, which transforms the Ordinary Differential Equations System into a smaller system that is solved by using the Exponential Matrix Method. Furthermore, the author developed a computationally efficient method to estimate the adjoint flux from the forward one, because the Modal Method uses the adjoint flux. Additionally, the thesis also presents an algorithm to solve the eigenvalue problem of the Neutron Transport Equation. This algorithm uses the Discrete Ordinates formulation and the Finite Volume Method. In particular, the author uses two types of quadratures for the Discrete Ordinates and two interpolation schemes for the Finite Volume Method. Finally, the author tested the developed methods in different types of nuclear reactors, including commercial ones. The author checks the accuracy of the values of the crucial variables in Nuclear Safety Analyses, which are the multiplication factor and the power distribution. Furthermore, the thesis includes a sensitivity analysis of several parameters, such as the mesh and numerical methods. In conclusion, excellent results are reported in both accuracy and computational cost. / El principal objectiu d'esta tesi és el desenvolupament d'un Mètode Modal per a resoldre dos equacions: l'Equació de Difusió de Neutrons i la de les Ordenades Discretes del Transport de Neutrons. A més a més, este mètode està basat en el Mètode de Volums Finits per a discretitzar les variables espacials. La solució d'estes equacions proporcionen el flux de neutrons, que està relacionat amb la potència que es produïx en els reactors nuclears; per tant, el flux de neutrons és un factor fonamental en els Anàlisis de Seguretat Nuclear. Per una banda, la utilització del Mètode Modal està justificada per a realitzar anàlisis d'inestabilitats en reactors. Per altra banda, l'ús del Mètode de Volums Finits està justificat per l'ús d'este mètode per a resoldre les equacions termohidràuliques, que estan fortament acoblades amb la generació d'energia en el combustible nuclear. En primer lloc, esta tesi inclou la definició d'estes equacions i els principals mètodes utilitzats per a resoldre-les. A més d'això, s'introduïxen els principals esquemes i característiques del Mètode de Volums Finits. Endemés, es descriuen els principals mètodes numèrics per al Mètode Modal, que inclou tant la solució del problema d'autovalors com la solució d'Equacions Diferencials Ordinàries dependents del temps. A continuació, es desenvolupa diversos algoritmes del Mètode de Volums Finits per a l'Estat Estacionari de l'Equació de Difusió de Neutrons. Es conseguix desenvolupar una formulació multigrup, que permetre resoldre el problema d'autovalors per a qualsevol nombre de grups d'energia, incloent termes d' upscattering i de fissió en diversos grups d'energia. A més a més, es desenvolupen els algoritmes per a realitzar la computació en paral·lel. La solució anterior és la condició inicial per a resoldre l'Equació de Difusió de Neutrons dependent del temps. En esta tesi s'utilitza un Mètode Modal, que transforma el Sistema d'Equacions Diferencials Ordinàries en un problema de menor tamany, que es resol amb el Mètode de la Matriu Exponencial. Endemés, s'ha desenvolupat un mètode ràpid per a estimar el flux adjunt a partir del directe, perquè es necessita en el Mètode Modal. Per altra banda, s'ha desenvolupat un algoritme que resol el problema d'autovalors de l'Equació de Transport de Neutrons. Este algoritme és per a la formulació d'Ordenades Discretes i el Mètode de Volums Finits. En concret, s'han aplicat dos tipos de quadratures per a les Ordenades Discretes i dos esquemes d'interpolació per al Mètode de Volums Finits. Finalment, s'han aplicat estos mètodes a diversos tipos de reactors nuclears, incloent reactors comercials. S'han avaluat els valor de la constat de multiplicació i de la potència, perquè són variables fonamentals en els Anàlisis de Seguretat Nuclear. Endemés, s'ha realitzat un anàlisi de sensibilitat de diversos paràmetres com la malla i mètodes numèrics. En conclusió, es conseguix obtenir excel·lents resultats, tant en precisió com en cost computacional. / Bernal García, Á. (2018). Development of a 3D Modal Neutron Code with the Finite Volume Method for the Diffusion and Discrete Ordinates Transport Equations. Application to Nuclear Safety Analyses [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/112422 / TESIS

Les éléments de diffraction sont largement utilisés aujourd'hui dans un nombre grandissant d'applications grâce à la progression des technologies de microstructuration dans le sillage de la micro-électronique. Pour un design optimal de ces éléments, des méthodes de modélisation précises sont nécessaires. Plusieurs méthodes ont été développées et sont utilisées avec succès pour des réseaux de diffraction unidimensionnel de différents types. Cependant, les méthodes existantes pour les réseaux deux dimensionnel ne couvrent pas tous types de structures possibles. En particulier, le calcul de l'efficacité de diffraction sur les réseaux métalliques à deux dimensionnel avec parois verticales représente encore une grosse difficulté pour les méthodes existantes. Le présent travail a pour objectif le développement d'une méthode exacte de calcul de l'efficacité de diffraction de tels réseaux qui puisse servir de référence. La méthode modale développée ici - dénommée ,,true-mode" en anglais - exprime le champ électromagnétique sur la base des vrais modes électromagnétiques satisfaisant les conditions limites de la structure 2D à la différence d'une méthode modale où les modes sont ceux d'une structure approchée obtenue, par exemple, par développement de Fourier. L'identification et la représentation de ces vrais modes à deux dimensions restait à faire et ce n'est pas le moindre des résultats du présent travail que d'y avoir conduit. Les expressions pour la construction du champ sont données avec des exemples de résultats concrets. Sont aussi fournies les équations pour le calcul des intégrales de recouvrement et des éléments de la matrice de diffusion / Diffractive elements are widely used in many applications now as the microstructuring technologies are making fast progresses in the wake of microelectronics. For the optimization of these elements accurate modeling methods are needed. There exists well-developed and widely used methods for one-dimensional diffraction gratings of different types. However, the methods available for solving two-dimensional periodic structures do not cover all possible grating types. The development of a method to calculate the diffraction efficiency of two dimensional metallic gratings represents the objective of this work. The one-dimensional true-mode method is based on the representation of the field inside the periodic element as a superposition of particular solutions, each one of them satisfying exactly the boundary conditions. In the developed method for the two-dimensional gratings the representation of the field within the grating in such way is used. In the present work, the existing modal methods for one-dimensional gratings can be used as the basis for the construction of the modal field distribution functions within two-dimensional gratings. The modal function distributions allow to calculate the overlap integrals of the fields outside the grating with those within the structure. The transition matrix coefficients are formed on the basis of these integrals. The final stage is the calculation of the scattering matrix based on two transition matrices. The equations for the field reconstruction are provided and accompanied by examples of results. Further equations used to calculate the overlap integrals and scattering matrix coefficients are provided

Les propriétés optiques des nanomatériaux, tels que les cristaux photoniques ou les métamatériaux, ont reçu beaucoup d’attention dans les dernières années [1–9]. La dérivation numérique de ces propriétés se révèle pourtant très compliquée, en particulier dans le cas des structures métallo-diélectriques, qui comportent des résonances plasmoniques. C’est pourquoi des méthodes numériques avancées et des modèles semi-analytiques sont nécessaires. Dans cette thèse, nous montrerons que le formalisme de la matrice de diffraction peut satisfaire ces deux aspects. La méthode de la matrice de diffraction est un concept très général en physique. Dans le cas des structures périodiques, on peut dériver la matrice de diffraction à l’aide de la méthode modale de Fourier [10]. Pour la description exacte des géométries planes, nous avons développé la méthode des coordonnées adaptées [11], qui nous donne un nouveau système de coordonnées, dans lequel les interfaces des matériaux sont des surfaces de coordonnées constantes. En combinaison avec la méthode de la résolution spatiale adaptative, la méthode des coordonnées adaptées permet d’améliorer considérablement la convergence de la méthode modale de Fourier, de telle sorte qu’on peut calculer des structures métalliques compliquées très efficacement. Si on utilise la matrice de diffraction, il est non seulement possible de dériver les propriétés optiques en illumination de champ lointain, comme la transmission, la réflexion, l’absorption, et le champ proche, mais aussi de décrire l’émission d’un objet à l’intérieur d’une structure et d’obtenir les résonances optiques d’un sytème. Dans cette thèse, nous présenterons une méthode efficace pour la dérivation des résonances optiques tridimensionnelles, utilisant directement la matrice de diffraction [14]. Si on connaît les résonances d’un système isolé, il est aussi possible d’obtenir une approximation des résonances dans le cas d’un système combiné à l’aide de notre méthode du couplage des résonances [15, 16]. Cette méthode permet de décrire le régime de couplage des champs lointain et proche, y compris le couplage fort avec les résonances Fabry-Perot, pour des systèmes qui se composent d’un empilement de deux structures planes et périodiques. Pour cette raison, on peut étudier efficacement le couplage de ces systèmes. Cette thèse est écrite de manière à donner une idée d’ensemble du formalisme de la matrice de diffraction et de la méthode modale de Fourier. En outre, nous décrivons notre généralisation de ces méthodes et nous montrons la validité de nos approches pour différents exemples. / The optical properties of nanostructures such as photonic crystals and metamaterials have drawn a lot of attention in recent years [1–9]. The numerical derivation of these properties, however, turned out to be quite complicated, especially in the case of metallo-dielectric structures with plasmonic resonances. Hence, advanced numerical methods as well as semi-analytical models are required. In this work, we will show that the scattering matrix formalism can provide both. The scattering matrix approach is a very general concept in physics. In the case of periodic grating structures, the scattering matrix can be derived by the Fourier modal method [10]. For an accurate description of non-trivial planar geometries, we have extended the Fourier modal method by the concept of matched coordinates [11], in which we introduce a new coordinate system that contains the material interfaces as surfaces of constant coordinates. In combination with adaptive spatial resolution [12,13], we can achieve a tremendously improved convergence behavior which allows us to calculate complex metallic shapes efficiently. Using the scattering matrix, it is not only possible to obtain the optical properties for far field incidence, such as transmission, reflection, absorption, and near field distributions, but also to solve the emission from objects inside a structure and to calculate the optical resonances of a system. In this work, we provide an efficient method for the ab initio derivation of three-dimensional optical resonances from the scattering matrix [14]. Knowing the resonances in a single system, it is in addition possible to obtain approximated resonance positions for stacked systems using our method of the resonant mode coupling [15, 16]. The method allows describing both near field and far field regime for stacked two-layer systems, including the strong coupling to Fabry-Perot resonances. Thus, we can study the mutual coupling in such systems efficiently. The work will provide the reader with a basic understanding of the scattering matrix formalism and the Fourier modal method. Furthermore, we will describe in detail our extensions to these methods and show their validity for several examples.

La production de carburants est possible à partir d’eau, d’énergie solaire et de CO2 par la voie de la photosynthèse artificielle. L’optimisation de ce processus est un thème de recherche de l’Institut Pascal. À la petite échelle contrôlant ce procédé, il est indispensable de déterminer les propriétés radiatives des microalgues photosynthétiques pour résoudre l’équation de transfert radiatif au sein des photobioréacteurs. La grande variété des micro-organismes liée à la forme, à l’élongation et aux paramètres de taille fait que la mise en œuvre des méthodes numériques existantes échoue pour des raisons de précision ou de capacité mémoire. De nombreuses communautés scientifiques se heurtent à ce problème d’électromagnétisme non encore résolu surtout pour les particules de grands paramètres de taille. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont consisté à résoudre ce problème par la méthode modale de Fourier, une méthode numérique a priori développée et optimisée pour modéliser les problèmes de l’optique électromagnétique. Dans cette méthode, chaque micro-organisme est approché par un empilement de couches ce qui revient à approcher son profil par des marches d’escalier. L’approche proposée a été validée par comparaison avec les résultats disponibles dans la littérature. Une validation expérimentale des calculs théoriques a également été faite dans le domaine des micro-ondes grâce à une collaboration avec l’équipe HIPE de l’Institut Fresnel (Marseille, UMR 7249). Les résultats obtenus montrent la pertinence de la méthode développée. / The production of fuels is possible from water, solar energy and CO2 through artificial photosynthesis. The optimization of this process is a research topic of Pascal Institute. At a small scale controlling this process, it is essential to determine the radiative properties of photosynthetic microalgae to solve the radiative transfer equation in photobioreactors. The wide variety of microorganisms related to the form, the elongation and size parameters make that the implementation of existing numerical methods fails because of lack of accuracy or memory. Many scientific communities face this problem of electromagnetism unresolved especially for particles of large size settings. The work achieved in this research is aimed at solving this problem by the Fourier modal method which is a numerical method first developed and optimized for modelling the electromagnetic optics problems. In this method, each microorganism is approached by a stack of layers which leads to replace the profile by the staircase approximation. The proposed approach was validated by comparison with results available in the literature. An experimental validation of theoretical calculations was also made in the microwave spectrum thanks to a collaboration with the HIPE team from Fresnel Institute (Marseille, UMR 7249). The results show the accomodation of the developed method.

Un composant électronique dissipe de la chaleur. L'optimisation « thermique » de la conception des systèmes électroniques ainsi que leur durée d'activation ou de désactivation devient alors nécessaire pour limiter les températures. Il faut donc pouvoir prédire finement et rapidement l'évolution thermique d'un composant pris dans son environnement pour différents scénarios d'utilisation. Les simulations classiques types éléments finis étant trop coûteuses en temps de calcul pour des ensembles complexes, il est nécessaire de réduire la taille du modèle. Les méthodes modales consistent à rechercher la solution sous la forme d'une somme pondérée de champs élémentaires, ces derniers étant appelés modes. Ces modes sont calculés en résolvant numériquement un problème aux valeurs propres. Si ces méthodes ont fait leur preuve pour des composants élémentaires, elles se révèlent inopérantes pour des systèmes comportant plusieurs dizaines de composants placés sur un circuit imprimé.La méthode de sous-structuration modale est une extension des méthodes modales classiques permettant de dépasser ces limitations. Il s'agit de décomposer le système en entités élémentaires (les sous-structures), de calculer les modes de chacune de ces entités, puis de les rassembler pour résoudre le problème d'origine. Des travaux préliminaires ont montré que cette approche est pertinente au premier niveau (composant électronique). On envisage lors de cette thèse d'étendre ces principes aux niveaux supérieurs.La finalité industrielle du présent travail est de simuler à l'aide d'un modèle réduit le comportement thermique d'une carte électronique (circuit imprimé et plusieurs composants implantés). Ce travail peut ouvrir la voie pour l'industriel à la modélisation de systèmes multi-modules. / An electronic component heats. Thermal optimization of the design of electronic packages and of their activation and de-activation duration is essential to cap the temperatures reached. Thus we have to be able to finely and quickly predict the thermal evolution of a component set in its surroundings for multiples scenarios of use. Classical simulations, like finite elements ones, ate too costly in terms of computing time for complex packages, we have to reduce the size of the model. Modal methods consist in seek the solution as a weighted sum of elementary fields, labelled modes. These modes are computed by solving eigenvalue problems. But these methods don't work for packaging containing dozens of components on a printed circuit board.The modal sub-structuring method is an extent of classical modal methods used to overcome their limitations. The principle is to disassemble the system into elementary entities (the sub-structures), to compute the modes of each of these entities and to reassemble them to solve the original problem. Preliminary work has shown the relevance of this method on the first level (electric component). The thesis is aimed to extend these principles to superior levels. The industrial purpose of this work is to simulate, thanks to a reduced model, the thermal behavior of an electronic card.Beside the industrial aspect, this work raises fundamental issues like the definition of the junction conditions between the sub-structures in the modal space and the adaptation of the reducing technique of the sub-structures in view of their pairing.The thesis will give answers to these questions using an electronic card as a study support.This work could pave the way of the industrial for the modeling of multi-modules systems.

La thèse s’inscrit dans les travaux du CEA LIST pour développer dans la plate-forme CIVA un module simulant le contrôle non-destructif (CND) par ondes ultrasonores guidées ; elle est dédiée au développement et à la validation de modèles simulant l’inspection de canalisations et se focalise sur le cas de canalisations comportant un ou plusieurs coudes. Pour prédire l’effet de la courbure sur les ondes guidées, une extension en coordonnées curvilignes de la méthode des éléments finis semi-analytiques est réalisée pour calculer les modes se propageant dans un coude, par résolution d’un système d’équations aux valeurs propres restreint à la section du guide. Ce développement a aidé à comprendre les effets de distorsion des champs ultrasonores et de décalage des fréquences de coupures dus à la courbure. La diffraction des ondes à la jonction entre un tube droit et un coude est ensuite calculée par raccordement modal donnant la matrice de diffraction de la jonction ; les éléments de la matrice s’obtiennent par évaluation numérique d’intégrales à la surface de la jonction. Les matrices de diffractions locales sont enfin combinées à des matrices de propagation pour rendre compte de la présence de plusieurs diffracteurs sur la canalisation, sous forme d’une matrice globale de diffraction. Le coût minimal de son calcul permet d’étudier l’influence des paramètres de contrôle et de les optimiser. Les modèles sont validés en comparant leurs prédictions avec des résultats numériques et expérimentaux de la littérature et des mesures faites au CETIM sur maquettes industrielles. Intégrés à la plate-forme CIVA, ils étendent les possibilités du module de simulation du CND par ondes guidées. / The thesis is in the framework of developments made at CEA LIST of a module of the CIVA platform to simulate nondestructive testing (NDT) by ultrasonic guided waves; it is dedicated to the development and the validation of models simulating the examination of pipelines and is focussed on the case of pipeline comprising one or several elbows. To predict effects due to the curvature on guided waves, an extension in curvilinear coordinates of the semi-analytic finite element method is worked out to compute modes propagating in an elbow, by solving an eigen system restricted to the guide section. This development allows us to better understand effects due to the curvature such as displacement field distortions or cut-off frequencies splits. The scattering of waves at the junction between a straight tube and an elbow is then computed by means of the mode-matching method, leading to the modal scattering matrix of the junction; matrix elements are obtained by numerical evaluation of integrals over the junction surface. Local scattering matrices are finally combined to propagation matrices to account for the presence of several scatterers in the pipeline, to form a global scattering matrix. Its minimal computation cost allows us to study the influence of the parameters of the testing configuration and to optimize them. Models are validated by comparing their predictions to numerical and experimental results of the literature and to measurements made at CETIM on industrial mock-ups. Integrated in the platform CIVA, the developed models extend the capabilities of the guided wave NDT module.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work, it is developed a study of the transverse vibrations of a system composed by two parallel strings of equal length, coupled by a viscoelastic element. The frequencies and mode shapes are obtained using modal analysis and a block matrix formulation for the system. The mode shapes are written by the dynamic basis, composed by the solution of a second order problem with impulsive initial conditions, and its first derivative. In the undamped case, different cases of the problem are considered by varying the parameters of the strings. The orthogonality of the mode shapes and the impulse response matrix are used to solve the undamped forced case. In the damped case, it is considered again the matrix formulation and use dynamic basis, and we present an uncoupled problem from simplifications of the system parameters. The damped forced vibrations are studied using the adjoint modal method, from which there is an orthogonality between the mode shapes of the original system and the mode shapes of the adjoint system associated, allowing the uncoupling and solvability of the system. The forced response is determined by using the matrix fundamental response. / Neste trabalho é realizado um estudo sobre as vibrações transversais de um sistema formado por duas cordas paralelas, de mesmo comprimento, acopladas através de um elemento viscoelástico do tipo Winkler. As frequêencias e os modos de vibração são obtidos utilizando-se a análise modal e uma formulação matricial em blocos para o sistema. Os modos de vibração são escritos através da base dinâmica, composta pela solução de um problema de segunda ordem com condições iniciais impulsivas, e sua primeira derivada. No caso não amortecido são considerados diferentes casos para o problema, variando-se os parãmetros das cordas. A ortogonalidade dos modos e a resposta impulso matricial são usadas para resolver o caso forçado sem amortecimento. No caso amortecido, é apresentado um problema desacoplado a partir de simplificações nos parâmetros do sistema. As vibrações forçadas com amortecimento são estudadas usando-se o método modal adjunto, a partir do qual, existe uma ortogonalidade entre os modos de vibração do sistema original e os modos de vibração do sistema adjunto, possibilitando o desacoplamento e resolução do sistema. A resposta forçada é determinada usando a resposta fundamental matricial.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work deals with active vibration control of flexible rotors. Vibratory control behavior of a horizontal rotor containing two disks and suported by bearings on its extremities was studies numericaly and experimentaly. Numerical simulations was perfomaded using Finite Element Method (FEM). The target control was to atenuate the vibration of first 4 bending modes by using of a Linear Quadratic Regualdor. A modal method was required to reduce the model size and make the model controllable. A state observer estimated the modal state coordenates necessary to model method. The control forces were applied over the structure by piezeletric stack actuators. These actuators were orthogonally arranged in control plane locatted in one of bearings bearings of the rotor. The experimental identification of stiffness of active bearings compoments and MEF model ajust was carrifully conducted. The sucsses of metholody was intrically related to this work part, that has allowed the accured calculation of the contol force. Experiments were carried out in a rotor test rig. Optimal modal Controller performance has been tested to various operation conditions and differents excitation forces, like rotor at rest, steady state rotation and transiente rotation. Numerical and experimental results attest the sucsses of control strategy and shows the potentiality of stack piezelectric actuators in the active vibration control to rotordynamics field. / Este trabalho trata do controle ativo de vibração de rotores flexíveis. Um rotor horizontal de dois discos apoiado em dois mancais em suas extremidades foi estudo no que tange o aspecto de controle, tanto no âmbito numérico como experimental. As simulações numéricas foram feitas empregando-se o Método dos Elementos Finitos (MEF). Um controlador ótimo do tipo Regulador Quadrático Linear foi utilizado para atenuar as vibrações dos 4 primeiros modos de flexão do rotor. Empregou-se um método modal para reduzir o tamanho modelo e torná-lo então controlável. O uso de tal método gerou a necessidade de se estimar os estados modais através de um observador de estados. O tipo de atuador escolhido para aplicar a força de controle sobre a estrutura foi um atuador piezelétrico do tipo pilha (piezeletric stack actuator). Os atuadores foram dispostos ortogonalmente num plano de controle localizado num dos mancais do rotor. A determinação experimental da rigidez dos elementos que componham o mancal ativo, onde se localizava os atuadores, e o ajuste destes valores no MEF foi etapa conduzida cuidadosa. O sucesso da metodologia de controle se atribui em grande parte a esta etapa que permitiu um cálculo preciso da força de controle. As simulações foram feitas numa bancada experimental devidamente instrumentada para os testes. A performance do controlador modal ótimo foi testada para diversas condições de funcionamento do rotor em questão e diferentes fontes excitação. A saber: Rotor em repouso, rotor em regime de rotação permanente, rotor em regime de rotação transiente. Os resultados obtidos, tanto numéricos como experimentais, mostram o sucesso da metodologia empregada e as potencialidades do uso do tipo de atuador aqui empregado para o campo do controle ativo de vibração de rotores. / Doutor em Engenharia Mecânica