Les méthodes d'optimisation de forme s’industrialisent progressivement, elles permettent la conception automatisée de structures aux propriétés optimales. Elles constituent aussi un outil d'exploration majeur pour la conception de nouveaux matériaux.Dans une première partie nous utilisons ces méthodes afin de générer des matériaux architecturés aux propriétés thermoélastiques effectives cibles et extrêmes. En plus de proposer différentes solutions, nous répertorions les différents mécanismes œuvrant au contrôle des ces propriétés. Dans ce contexte nous proposons aussi de prendre en compte l'influence des interfaces comportant un gradient de propriétés sur les architectures obtenues.Nous étudions ensuite les procédés de fabrication pouvant être utilisés afin de réaliser ces matériaux. Les méthodes de fabrication additive, considérées comme le vecteur d'une prochaine révolution industrielle, constituent une piste que nous considérerons tout particulièrement. Nous proposons plusieurs solutions pour prendre en compte les limitations et les effets collatéraux de ces procédés de fabrication au sein de processus d'optimisation de forme. Nous traitons le problème de la prise en compte des propriétés induites par la méthode de fabrication Fiber Deposition Molding (FDM), à savoir des propriétés anisotropes orientées. Nous proposons ensuite une approche pour traiter le problème des dépôts en porte-à-faux à l'aide d'un critère mécanique.Enfin, nous abordons la prise en compte des non-linéarités géométriques au sein de calculs d'optimisation de forme et discutons de leurs apports ainsi que de leurs limitations. Nous présentons plusieurs applications pour la conception automatisée d'actuateurs non linéaires. / Shape optimization methods are promising methods and are gradually becoming industrialized. They provide the ability to automatically design structures with optimal behavior. They are outstanding tools for exploration and design of new materials.We use these methods to generate architectured multi-phased materials with prescribed thermoelastic properties. We first propose several solutions and we classify them by the mechanisms they rely on in order to control the effective properties. We also propose to evaluate the influence of an interface with a gradient of properties on the obtained architectures.Eventually we focus on the plausible manufacturing solution to produce our architectured materials. In this context, additive manufacturing methods (often considered as the support of an incoming industrial revolution) is our main option. We introduce several strategies to circumvent some limitations and side effects of these manufacturing methods during optimization process. We particularly focus on Fiber Deposition Molding, which induce an important mechanical anisotropy in processed parts. Then we consider the problem of overhangings features in design and propose a way to handle them prior to additive manufacturing using a mechanical criteria.Finally we take into account geometrical non linearities in optimization process. We highlight the pros and cons of this new modeling by presenting several applications of non linear actuators design.

Les systèmes multicouches à base de LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) et d’or sont largement utilisés dans l’élaboration de composants multi-matériaux pour applications radiofréquences civiles et militaires. Cette technologie présente un fort potentiel de développement car elle constitue une solution de packaging des puces électroniques. Lors du processus d’élaboration de ces composants multi-matériaux (céramique-métal), la phase de co-frittage est une étape clé et critique, car elle est source d’endommagement du fait des potentiels différentiels de coefficients de dilatation et de cinétiques de retrait. Ainsi, ce travail vise le développement d’un modèle numérique simulant fidèlement le comportement thermomécanique des composants au cours de l’étape de co-frittage. A cet effet, les comportements thermomécanique et au frittage des matériaux céramiques et métalliques sélectionnés ont été finement caractérisés. Les lois de comportement ainsi identifiées ont été implémentées dans le code de calcul par éléments finis Comsol Multiphysics. La robustesse du modèle développé a été analysée par confrontation à des essais expérimentaux conduits grâce à la mise en place d’un dispositif original de suivi in situ de la déformation par ombroscopie. Ainsi, les cambrures générées lors du frittage contraint d’un bicouche à base de LTCC et lors du co-frittage d’un bicouche LTCC-or ont été caractérisées et comparées aux simulations numériques. / LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) and gold multilayers systems are extensively used in the development of multi-materials components for civil and military radio-frequency applications. This technology presents a high potential of development because it provides a packaging solution for electronic chips. During the process of drafting of these multi-materials components (ceramic metal), the co-sintering step is a key and critical one, indeed it leads to damages because of potential thermal expansion coefficients and shrinkage kinetics differentials. Thus, the aim of this work is to develop a numerical model able to faithfully simulate the components thermomechanical behavior during the co-sintering stage. To achieve this, the sintering and thermomechanical behavior of the selected ceramic and metal materials have been carefully characterized. The behavior laws so identified have been implemented in the software based on the finite elements method Comsol Multiphysics. The developed model robustness has been analyzed by confrontation with experimental tests driven by the establishment of an original shadowscopy apparatus which allows the in situ strain recording. Thus, the generated curvatures during the constrained sintering of a LTCC bilayer and during a gold-LTCC bilayer co-sintering have been characterized and compared with the numerical simulations.

Un grand nombre de systèmes thermomécaniques industriels se trouve confronté à des régimes transitoires plus ou moins rapides suivant la fréquence de fonctionnement. L'amélioration de leurs performances nécessite l'utilisation de nouvelles structures du type multimatériaux ou barrière thermique. En effet, ces matériaux peuvent être de type multicouche en associant plusieurs couches rangées de façon à améliorer le comportement mécanique et thermique d’un système ou alors constitués d’un substrat revêtu d’une succession de couches minces obtenues par projection thermique par exemple.Dans un système donné, ces matériaux subissent généralement des sollicitations cycliques qui peuvent être d’origine thermique et/ou mécanique. Il est donc nécessaire de mieux connaître leur comportement thermomécanique en régimes élastique et plastique. Ainsi, l'étude présentée dans ce travail, limitée ici à des conditions périodiques uniquement d’origine thermique, traite de l'évolution de l'endommagement d'un matériau sous une ou plusieurs formes de fatigue thermique.L'origine de la sollicitation imposée provient d'une condition de flux périodique (sous forme d’échelon, de triangle ou de sinus) prenant en compte les pertes par convection. Sur le plan mécanique, le matériau est supposé fixe sur l’une de ses deux extrémités et libre de se déformer sur l’autre. Les contraintes et les déformations mécaniques dans le matériau proviennent essentiellement des différences des coefficients de dilatation thermique et des gradients de température dans le matériau. La nature variable et transitoire du comportement thermique du matériau permet de suivre l’évolution de la distribution des contraintes et des déformations au sein du matériau.L’étude de son endommagement est menée selon les cas, soit sur des modèles établis directement à partir du comportement thermo élastique soit sur des modèles nécessitant l’étude thermo-élastoplastique. Dans les deux cas, comme la plupart des modèles d’endommagement (Lemaître et Chaboche) rencontrés dans la littérature ne sont valides que sur des matériaux uniformes et homogènes, une recherche de matériau équivalent du multi-matériau étudié était nécessaire. L’équivalence entre le matériau réel et le matériau équivalent repose sur un critère d’équivalence thermique. Les modèles étudiés fournissent dans les deux cas, l'évolution de l'endommagement du matériau, en fonction des paramètres géométriques et aussi de la forme des sollicitations thermiques imposées telles que le coefficient d'échange par convection, l’amplitude et la période du flux imposé.Une application de ces modèles sur un exemple de moteur à combustion interne est proposée à la fin de ce mémoire. Elle montre une prédiction du nombre de cycles (durée de vie) du cylindre moteur en fonction des conditions de fonctionnement utilisées. / A great number of industrial thermo-mechanical systems are facing today transitory regimes with different speeds according to the functioning frequencies. Enhancing their performance imposes the use of new materials of different types; multimaterials is a good example. In fact, these new materials may be constituted of different layers where the layers are associated together in a way to enhance the mechanical and thermal behavior of the system. They may be also constituted of a substrate dressed by a succession of slim layers obtained by thermal projection.In a given system, the constituting materials are generally subject to cyclic thermal or mechanical solicitations. It is very important to know at best their thermomechanical behavior in elastic and plastic regimes. Therefore, the study done during this thesis work, limited here uniquely to periodical solicitations resulting from thermal sources, deals with the evolution of the damage of these materials under multiple forms of thermal fatigue in plastic and elastic functioning regimes.The imposed solicitations are obtained from a periodical thermal source (rectangular, triangular and sinusoidal form). The thermal loss resulting from the convection is also considered. On the mechanical side, the material is considered fixed on one of its extremities and free on the other one (subject to strain). The mechanical stress and strain in the material come essentially from the differences between the coefficients of thermal dilation and the gradient of temperature in the material. The transitory and variable thermal behavior of the material permits to track the evolution and the distribution of the stress and strain in the material.The study of the damage is performed according the given case, either using models directly established from the thermomechanical elastic behavior, or using models that need a thermo-elastoplastic study. In the two cases, and because the majority of damage models (Lemaître and Chaboche) seen in the literature are valid and can be applied only to uniform and homogeneous materials, a research of an equivalent material to the studied multi-material was necessary. The equivalency between the real material and the equivalent one is based mainly on thermal equivalent criteria. The study provides in the two cases the damage evolution in the multimaterial function of the geometric parameters, depending on the form of the imposed thermal solicitations such as the heat transfer coefficient, the amplitude, the period and the shape of the imposed thermal flow.An application of these models to an internal combustion engine is proposed at the end of this thesis. It gives a prediction of the number of cycles (lifetime) of the cylinder of the engine depending on the used functioning conditions.

La structure amorphe des verres métalliques leur confère à la fois des propriétés mécaniques élevées à température ambiante, de hautes duretés et limites élastiques, un grand domaine de déformation élastique, mais aussi des capacités de mise en forme intéressantes, dans leur domaine de liquide surfondu. Du fait de leur état hors d'équilibre, une cristallisation peut se développer lors d'un traitement thermique et conduire à la formation d'un composite, verre/cristallites, dont les propriétés sont modifiées. On s'intéresse dans cette thèse à la famille des verres métalliques massifs base Mg, principalement dans le système Mg-Cu-TR (TR = Terre Rare) : depuis leur élaboration par injection dans un moule de cuivre, en passant par leur caractérisation structurale, par DSC, diffraction de rayons X et microscopie, leur caractérisation mécanique, principalement par compression, dans leur état amorphe et partiellement cristallisé, jusqu'à leur mise en forme par extrusion. Des échantillons sont obtenus sous la forme de barreaux et présentent une structure amorphe sur des diamètres atteignant les 9mm. A température ambiante, malgré un comportement macroscopique fragile, des limites à rupture en compression supérieures à 800MPa peuvent être mesurées. Aux alentours de la température de transition vitreuse, soit vers 150°C, une grande capacité de mise en forme est mise en évidence, associée à des écoulements Newtoniens et des viscosités faibles. D'une manière générale, la cristallisation détériore les propriétés mécaniques du verre, notamment par une fragilisation à température ambiante et par une dégradation progressive des capacités de mise en forme à haute température. La grande stabilité thermique du verre permet tout de même de conserver un état amorphe lors des opérations de mise en forme et autorise la création de multi-matériaux verre métallique/alliage léger.

Ce travail de thèse porte sur l'extension et l'analyse d'un solveur volumes finis eulérien, co-localisé avec capture d'interfaces pour la simulation des écoulements multi-matériaux non miscibles. Les extensions proposées s'inscrivent dans la volonté d'élaborer un outil de simulation multi-physiques. Dans le cadre de ce mémoire, le caractère multi-physiques recouvre les champs que nous allons détailler. Nous traitons le cas des écoulements radiatifs modélisés par un système à deux températures qui couple les phénomènes purement hydrodynamiques aux phénomènes radiatifs. Nous proposons un solveur permettant la prise en compte des effets de tension superficielle à l'interface entre deux fluides. Nous développons un solveur implicite permettant la simulation précise d'écoulements faisant intervenir de faibles nombres de Mach par le biais d'une méthode de renormalisation de la diffusion numérique. Enfin, les effets tri-dimensionnels sont considérés ainsi que la possibilité d'étendre le schéma de base aux écoulements à un nombre quelconque de matériaux. A chaque étape, les solveurs développés sont validés sur des cas-tests.

Un grand nombre de systèmes thermomécaniques industriels se trouve confronté à des régimes transitoires plus ou moins rapides suivant la fréquence de fonctionnement. L'amélioration de leurs performances nécessite l'utilisation de nouvelles structures du type multimatériaux ou barrière thermique. En effet, ces matériaux peuvent être de type multicouche en associant plusieurs couches rangées de façon à améliorer le comportement mécanique et thermique d'un système ou alors constitués d'un substrat revêtu d'une succession de couches minces obtenues par projection thermique par exemple.Dans un système donné, ces matériaux subissent généralement des sollicitations cycliques qui peuvent être d'origine thermique et/ou mécanique. Il est donc nécessaire de mieux connaître leur comportement thermomécanique en régimes élastique et plastique. Ainsi, l'étude présentée dans ce travail, limitée ici à des conditions périodiques uniquement d'origine thermique, traite de l'évolution de l'endommagement d'un matériau sous une ou plusieurs formes de fatigue thermique.L'origine de la sollicitation imposée provient d'une condition de flux périodique (sous forme d'échelon, de triangle ou de sinus) prenant en compte les pertes par convection. Sur le plan mécanique, le matériau est supposé fixe sur l'une de ses deux extrémités et libre de se déformer sur l'autre. Les contraintes et les déformations mécaniques dans le matériau proviennent essentiellement des différences des coefficients de dilatation thermique et des gradients de température dans le matériau. La nature variable et transitoire du comportement thermique du matériau permet de suivre l'évolution de la distribution des contraintes et des déformations au sein du matériau.L'étude de son endommagement est menée selon les cas, soit sur des modèles établis directement à partir du comportement thermo élastique soit sur des modèles nécessitant l'étude thermo-élastoplastique. Dans les deux cas, comme la plupart des modèles d'endommagement (Lemaître et Chaboche) rencontrés dans la littérature ne sont valides que sur des matériaux uniformes et homogènes, une recherche de matériau équivalent du multi-matériau étudié était nécessaire. L'équivalence entre le matériau réel et le matériau équivalent repose sur un critère d'équivalence thermique. Les modèles étudiés fournissent dans les deux cas, l'évolution de l'endommagement du matériau, en fonction des paramètres géométriques et aussi de la forme des sollicitations thermiques imposées telles que le coefficient d'échange par convection, l'amplitude et la période du flux imposé.Une application de ces modèles sur un exemple de moteur à combustion interne est proposée à la fin de ce mémoire. Elle montre une prédiction du nombre de cycles (durée de vie) du cylindre moteur en fonction des conditions de fonctionnement utilisées.

Dans le cadre de la simulation du procédé de consolidation de pièces céramiques ou composites CerMet par frittage, cette thèse se propose de modéliser et de simuler deux aspects particuliers du frittage. Le premier consiste à prendre en compte l'effet d'éléments dopants sur l'évolution microstructurale d'un élément volumique représentatif d'un compact de poudre. Pour cela les chemins de diffusion tels que la diffusion volumique et de surface sont pris en compte. Le second aspect est en relation avec l'élaboration de matériaux composites à dispersoïdes et l'étude de l'évolution de leur microstructure par simulation numérique selon les caractéristiques des inclusions ne participant pas au processus de frittage. Ces simulations reposent sur le développement de la méthode Level-Set qui permet de suivre tous les changements de topologie qui interviennent au cours du frittage à l'échelle des grains.Des résultats concluants ont été obtenus à partir de la simulation de l'effet du dopage, dans le cas particulier de l'alumine dopée magnésie, puis généralisés au cas du codopage. Pour les multimatériaux, la première étape de la modélisation a consisté à considérer des inclusions ayant le même type de loi de comportement que la matrice céramique, à savoir élastique, linéaire et isotrope. Cependant, les propriétés des matériaux seront différentes. Du point de vue numérique, la complexité du problème a consisté à bien gérer les deux phases solides, et en particulier leur interface commune en vue de la résolution de l'équilibre mécanique par éléments finis, en utilisant plusieurs fonctions Level-Set.

Ces travaux de thèse portent sur la synthèse et purification de matériaux vitreux utilisés pour le développement de fibres optiques à profils opto-géométriques variés, adaptées à la génération de supercontinuum (SC) entre 1 et 5 μm.Concernant la purification, plusieurs pistes ont été suivies, le meilleur résultat étant obtenu pour la purification du système vitreux TeO2-ZnO-Na2O au moyen du fluorure de zinc. Les mesures d'atténuation sur fibre mono-indice révèlent l'élimination presque complète des absorptions liées aux groupements OH entre 3 et 4 μm (taux d'impuretés OH dans la matrice inférieur à 1 ppm massique). Ces verres purifiés sont utilisés pour la fabrication de fibres optiques microstructurées (FOMs). Un élargissement spectral couvrant la fenêtre 0.6 μm - 3.3 μm est obtenu dans une fibre effilée à coeur suspendu. Aussi, une source compacte basée sur la génération de SC dans une FOM en tellurite est développée et appliquée à la détection de gaz (du méthane) entre 2 et 3 μm. Cependant un phénomène de vieillissement, lié à une interaction du coeur de la fibre avec la vapeur d'eau atmosphérique via la microstructure, et entraînant une augmentation des pertes optiques entre 3 et 4 μm, est mis en évidence dans ces fibres à coeur suspendu. Pour pallier ce problème, des fibres tout-solide à saut d’indice sont développées. La méthode de fabrication des préformes en verre, combinant les techniques de built-in casting et de rod-in-tube, est alors adaptée aux techniques de purification. Une fibre à saut d'indice à petit coeur en verres TNaGZ et TZNF purifiés a notamment été étirée et utilisée pour la génération d’élargissements spectraux dans différents régimes de dispersion. / This PhD thesis work focuses on the synthesis and purification of vitreous materials used for the development of waveguides with varied profiles, dedicated to supercontinuum (SC) generation between 1 and 5 μm.Concerning the purification of tellurite glasses, several leads were followed, but best results are obtained for the purification of the TeO2-ZnO-Na2O glassy system by the means of zinc fluoride. Attenuation measurements performed on several meter-long single-index fiber samples reveal the nearly complete elimination of water-related absorptions between 3 and 4 μm (OH ions concentration lower than 1 ppm mass.). Such water-purified glasses were firstly dedicated to microstructured optical fibers (MOFs) fabrication for SC generation. Spectral broadening between 0.6 and 3.3 μm is obtained in a suspended-core taper. Moreover, a compact source based on supercontinuum generation in tellurite MOFs is developed for a gas detection application in the 2-3 μm domain. However an aging process, due to water contamination and leading to the apparition of additional optical losses between 3 and 4 μm, has been identified in those suspended-core fibers. In order to avoid such transmission degradation, all-solid step-index fibers are developed. The preforms fabrication method, which combines the built-in casting and the rod-in-tube, is adapted to the purification techniques. An all-solid small-core waveguide made from purified TNaGZ and TZNF glasses is fabricated and moreover used for spectral broadening experiments in different dispersion regimes.

On s’intéresse à la simulation d’écoulements compressibles multi-matériaux et, notamment, aux interactions fluide/structure dans les régimes transitoires et en dynamique rapide. Le but est de pouvoir décrire l’évolution de matériaux de lois de comportement très différentes à l’aide d’un modèle unique. Les milieux sont seulement différenciés par leurs équations d’état et sont séparés par une interface dite sharp. Les matériaux peuvent être des fluides ou des solides élastiques et sont soumis à de grandes déformations. Le modèle est écrit dans le formalisme eulérien. Le schéma numérique est résolu sur des grilles cartésiennes pour des simulations en trois dimensions.Une extension du modèle permet de décrire les déformations plastiques des solides. / We are interested in the simulation of compressible multimaterial flows and especially influid/structure interactions in transient states and fast dynamics. We aim to describe the evolution of materials of very different constitutive laws with an unified model. The materials are only differentiated by their own constitutive laws and are separated by a sharp interface. They can be as well fluids or elastic solids and under go large de formations. The model is written in the Eulerian framework. The numerical scheme is solved on Cartesian grids for simulations in three dimensions. An extension of the elastic model is added to describe the plastic deformations of solids.

L’allégement des structures aéronautiques conduit à associer par stratification les composites aux métaux : on parle alors de multi-matériaux. L’assemblage mécanique des empilages nécessite au préalable des opérations de perçage qui s’effectuent majoritairement sur Unité de Perçage Automatique (UPA). L’objectif des travaux présentés dans ce mémoire est d’optimiser les opérationsde perçage effectuées sur UPA dans des multi-matériaux CFRP-7175-TA6V. Trois axes de recherche ont ainsi été étudiés. Le premier concerne l’optimisation de l’outil. L’utilisation d’une méthode de conception adaptée a conduit vers plusieurs pistes d’améliorations de la géométrie d’un foret. Le deuxième axe traite de la modélisation du perçage vibratoire. Cette méthode consiste à ajouter un mouvement de vibration axiale, au mouvement de coupe. Le dernier axe développe la technique du perçage auto-adaptatif. Une nouvelle méthode est proposée pour identifier les différents matériaux constituants l’empilage. / The weight reduction of aero structures has led to use composite materials combined to metallicparts to form multilayer materials. Stacked materials are drilled in one-shot during the assemblyprocess. The objective of this work is to find optimised parameters to drill efficiently CFRP-7175-TA6Vmaterial stack using Automatic Drilling Units (ADU). Three research areas have been explored. Thefirst one concerns drill bit optimisation. A customized functional analysis had led to several toolimprovements. The second area focuses on vibration-assisted drilling. This method consists in addinga reciprocating axial displacement. Formerly under ribbon form, the chips become well broken withthe vibrations and their evacuation gets better. At last, the self-adaptive drilling technique is studied.A new methodology for real-time material identification is proposed.