CABRI est un réacteur piscine conçu pour tester du combustible irradié dans des conditions accidentelles de type RIA, c'est à dire d'insertion intempestive de réactivité.Un circuit dédié de dépressurisation d'hélium 3, contenu dans les barres transitoires, permet d'injecter jusqu'à 4 $ de réactivité contrée majoritairement par l'effet Doppler quand la puissance atteint en quelques millisecondes jusqu'à 200000 fois la puissance initiale de 100 kW.La thèse présente les améliorations apportées à la prédiction des transitoires et les études d'incertitudes qui en découlent.Le calcul par cinétique ponctuelle couplée à la thermohydraulique 1D et échanges de chaleur des transitoires de puissance CABRI a été renforcé par l'ajout de métamodèles basés sur des analyses expérimentales et des calculs Best-Estimate de la dépressurisation d'hélium 3, des effets en réactivité et des paramètres cinétiques.L'amélioration de la modélisation des transitoires de puissance a eu un impact positif sur la prédiction des essais CABRI.Le code SPARTE, associé à la plate-forme URANIE, ont permis de propager les incertitudes expérimentales et de modélisation.Finalement, l'optimisation des transitoires pour améliorer la conception d'expériences dans CABRI est abordée. / CABRI is a pool type pulsed reactor designed for studying pre-irradiated nuclear fuel behavior under RIA (Reactivity Initiated Accident) conditions.The helium-3 depressurization from the transient rods system allows the insertion of up to 4 $ reactivity mainly countered by the Doppler effect when the power reaches in few milliseconds up to 200,000 times the initial 100~kW power.This thesis presents the improvements added to the power transients prediction and the associated uncertainties studies.The point kinetics calculation coupled with 1D thermal-hydraulics and heat transfer has been improved by the addition of surrogate models based on experimental analysis and Best-Estimate calculations of the helium-3 depressurization and of the reactivity effects and of the kinetics parameters.The power transients modeling improvements have a positiv impact on the CABRI tests prediction.The propagation of the experimental and of the modeling uncertainties was realized with the SPARTE code and the URANIE uncertainty platform.Finally, the power transients characteristics optimization is approached in order to improve the CABRI experiments designing.

La réduction de la consommation des véhicules est un enjeu majeur pour les constructeurs. Parmi les stratégies employées, l’utilisation de lois de levée de soupape variables est en voie de démocratisation.Le premier objectif de cette thèse est de présenter la recherche et le pré dimensionnement d’un mécanisme offrant à la soupape trois levées distinctes : une pour la pleine charge, une pour les faibles charges et une permettant de désactiver un ou plusieurs cylindres pour les charges intermédiaires. Le pré dimensionnement comprend notamment les conditions d’usinabilité des cames, le calcul des ressorts de distribution et la contrainte de pression de contact entre les cames et les poussoirs.Le mode de fonctionnement de ce mécanisme est piloté par la position de deux actionneurs électromagnétiques choisis pour leur temps de réponse faible. Le deuxième objectif de la thèse est de proposer une optimisation afin de réduire leurs dimensions et faciliter leur intégration. Cette optimisation nécessite une modélisation multi-physique (magnétique, électrique, mécanique) du comportement de l’actionneur et permet de définir le profil de commande et les ressorts.Compte tenu du nombre de paramètres d’entrée et du temps de calcul d’une itération, l’optimisation présente un coût de calcul important. Nous présentons donc deux algorithmes de création de modèles de substitution par krigeage. Le premier permet d’approximer une fonction fine dans tout le domaine d’étude à un coût limité. Le second est inclus dans une boucle d’optimisation et n’utilise le modèle fin que lorsque l’approximation n’est pas suffisamment fiable. Ils permettent tout deux de réduire le coût d’optimisation. / Abstract : As the constraint on vehicle consumption tightens, variable valve lift strategies are used to increase engines efficiency. This thesis focuses on issues related to the design of a three-stage electromagnetic valve tappet. First of all, the tappet has to fit inside the engine and has to offer three different valve lifts: a full lift for high speed and torque requirements, a low lift for small loads and a lift allowing cylinder deactivation for medium loads. The tappet dimensioning includes, for example, cams feasibility, spring parameters and contact pressure between cams and tappets. Valve lift selection is made by two electromagnetic actuators in order to obtain a short transition time. Their size, however, hinders their integration. Hence, we realize an optimization aiming to reduce its volume and define the command profile and its return springs. This optimization requires a multi-physics model (electric, magnetic and dynamic) to simulate the actuator behavior. Due to the parameter number and the computational time needed per iteration, the optimization is expensive. Hence we suggest two metamodels algorithms to be used in the optimization. The first algorithm, off-line, is able to create iteratively a predictor precise in the entire domain studied with a lesser cost than Latin Hypercube Sample. The second, in-line, refines the predictor inside the optimization loops and uses it when the predicted error is small.

Dans le contexte de la physique des réacteurs, l’analyse du comportement non stationnaire de la population neutronique avec contre-réactions dans le combustible et dans le modérateur se rend indispensable afin de caractériser les transitoires opérationnels et accidentels dans les systèmes nucléaires et d’en améliorer par conséquent la sûreté. Pour ces configurations non stationnaires, le développement de méthodes Monte-Carlo qui prennent en compte la dépendance en temps du système neutronique, mais aussi le couplage avec les autres physiques, comme la thermohydraulique et la thermomécanique, a pour but de servir de référence aux calculs déterministes.Ce travail de thèse a consisté à mettre en place une chaîne de calcul pour la simulation couplée neutronique Monte-Carlo, avec le code TRIPOLI-4, en conditions non stationnaires et avec prise en compte des contre-réactions thermohydrauliques.Nous avons d'abord considéré les méthodes cinétiques dans TRIPOLI-4, c'est-à-dire avec prise en compte du temps mais sans prise en compte des contre-réactions, en incluant une évaluation des méthodes existantes ainsi que le développement de nouvelles méthodes. Ensuite, nous avons développé un schéma de couplage entre TRIPOLI-4 et le code de thermohydraulique sous-canal SUBCHANFLOW. Enfin, nous avons réalisé une analyse préliminaire de la propagation des incertitudes au sein du calcul couplé sur un modèle simplifié. En effet, les fluctuations statistiques sont inhérentes à notre schéma de par la nature stochastique de TRIPOLI-4. De plus, les équations de la thermohydraulique étant non-linéaires, la propagation des incertitudes au long du calcul doit être étudiée afin de caractériser la convergence du résultat. / One of the main issues for the study of a reactor behaviour is to model the propagation of the neutrons, described by the Boltzmann transport equation, in the presence of multi-physics phenomena, such as the coupling between neutron transport, thermal-hydraulics and thermomecanics. Thanks to the growing computer power, it is now feasible to apply Monte Carlo methods to the solution of non-stationary transport problems in reactor physics, which play an instrumental role in producing reference numerical solutions for the analysis of transients occurring during normal and accidental behaviour.The goal of this Ph. D. thesis is to develop, verify and test a coupling scheme between the Monte Carlo code TRIPOLI-4 and thermal-hydraulics, so as to provide a reference tool for the simulation of reactivity-induced transients in PWRs.We have first tested the kinetic capabilities of TRIPOLI-4 (i.e., time dependent without thermal-hydraulics feedback), evaluating the different existing methods and implementing new techniques. Then, we have developed a multi-physics interface for TRIPOLI-4, and more specifically a coupling scheme between TRIPOLI-4 and the thermal-hydraulics sub-channel code SUBCHANFLOW. Finally, we have performed a preliminary analysis of the stability of the coupling scheme. Indeed, due to the stochastic nature of the outputs produced by TRIPOLI-4, uncertainties are inherent to our coupling scheme and propagate along the coupling iterations. Moreover, thermal-hydraulics equations are non linear, so the prediction of the propagation of the uncertainties is not straightforward.

L’objectif de cette thèse est l’étude des méthodes de couplage entre neutronique, thermique et mécanique. Après une revue générale des techniques de couplage, on s’est intéressé à la prise en compte de déformations mécaniques dans les simulations neutroniques. Les codes actuels de neutronique utilisant des méthodes déterministes ne sont généralement pas capables de traiter une géométrie déformée. Ce type de calcul a pourtant un intérêt fort pour la filière rapide et est un prérequis indispensable pour l’étude du couplage envisagée.Deux approches ont été identifiées et implémentées pour répondre à cette problématique, selon que l’on utilise un maillage de calcul mobile ou fixe. Elles ont été testées et confrontées sur les essais de gerbage du réacteur Phénix. Le couplage a été étudié ensuite, avec l’approche à maillage mobile, sur l’expérience Godiva qui présente un couplage à la fois conceptuellement simple et fort entre les physiques qui nous intéressent. Ces travaux ont permis de mettre en avant l’utilisation de la méthode de factorisation quasi-statique en neutronique qui permet de coupler efficacement un solveur de neutronique cinétique avec une autre discipline. Travail plus amont, le développement d’un solveur directement multiphysique a également été exploré. L’utilisation de l’algorithme de Newton sur les formes discrétisées des équations couplées a donné de bons résultats et semble être une approche généralisable à d’autres couplages.Cette thèse débouche ainsi à la fois sur une meilleure compréhension de la physique des cœurs déformés et sur des outils opérationnels pour leur simulation, mais aussi sur des recommandations très générales pour la mise en œuvre de calculs couplés. / The objective of this thesis is to study coupling techniques between neutron transport, heat transfer and mechanics. First, a very general review of coupling techniques in the literature was done. Then we worked on neutron transport simulations in wrapped cores. Most of current deterministic codes for neutron transport are not able to deal with deformed geometry. This kind of computations is however of special interest for fast neutrons reactors and is a prerequisite for our planned coupling study.Two approaches were identified and implemented to take into account core deformations, using respectively mobile and fixed meshing. They were tested and compared on the flowering tests of the reactor Phenix. The coupling itself was studied afterwards, on the Godiva experiment. It was chosen because of the direct, strong and time-dependent coupling it involves. On this case, the “quasi-static” factorization of neutron flux was shown to be an effective way to couple a space- and time-dependent neutron transport solver with another discipline. We also investigated the development of a unique multiphysics solver. The well-known Newton algorithm applied to the discretized forms of the coupled equations was shown to be an efficient tool, which could be generalized to other couplings.This thesis therefore leads, on the one hand, to a better understanding of the physics of deformed cores and to operational tools to simulate these effects, and on the other hand, to very general advices for multiphysics calculations.

L’analyse de sûreté des réacteurs nucléaires nécessite la modélisation fine des phénomènes y survenant et plus spécifiquement ceux permettant d’assurer l’intégrité des barrières de confinement. Les outils de modélisation et codes actuels favorisent une analyse fine du système réacteur par discipline dédiée, et couplée avec des modèles simplifiés. Néanmoins, le développement depuis plusieurs années d’une approche dite « Best Estimate », basée sur des calculs multiphysiques et multi-échelle, est en cours de réalisation. Cette approche permettra d’accéder au suivi et à l’analyse détaillée de problèmes complexes tels que l’étude des Réacteurs nucléaires en situation standard et accidentelle. Dans cette approche, les phénomènes physiques sont simulés aussi précisément que possible (selon la connaissance actuelle) par les modèles couplés. Par exemple, des codes disciplinaires existent et permettent la modélisation précise de la neutronique, de la thermohydraulique du cœur du réacteur ou de la thermohydraulique sur l'ensemble du système, de la thermomécanique du combustible ou des structures. Une approche « Best Estimate » consiste à coupler ces modèles afin de réaliser une modélisation globale et précise du système de réacteur nucléaire. Cette approche nécessite de bien définir les modèles qui sont utilisés afin de préciser exactement leurs limites, et donc préciser les incertitudes des résultats des modèles couplés afin de les assumer et de les optimiser.C’est dans ce contexte de travail que s’inscrit cette thèse. Elle consiste dans le développement d'un couplage multiphysique et multi-échelle « Best Estimate » afin d'obtenir une analyse précise des Réacteurs à Eau Légère en situations normale et accidentelle. Elle a consisté principalement en l’analyse des modèles et de leurs interactions et à la mise en œuvre d'un algorithme de couplage multiphysique entre une neutronique et une thermohydraulique exprimées à l'échelle du réacteur, ainsi qu’avec une thermomécanique fine à l'échelle élémentaire du crayon combustible. En outre, un travail spécifique a été effectué afin de préparer ou d'améliorer l’accés à l'information physique locale nécessaire à la mise en œuvre de modélisations couplées multi-échelles, à l'échelle du combustible. / The safety analysis of nuclear power plants requires a deep understanding of underlying key physical phenomena that determine the integrity of the physical containment barriers. At the present time, cutting edge models focus on a single aspect (discipline) of the physical system coupled with rough models of the other aspects needed to simulate the global system. But, safety analyses can be carried out based on Multiphysics and Multiscales modelling. This Best Effort approach would give a full and accurate (High Fidelity) comprehension of the reactor core under standard and accidental situations. In this approach, the physical phenomena are simulated as accurately as possible (according to present knowledge) by coupled models in the most efficient way. For example, codes exists that are accurate modellings of Neutronics, or modellings of thermal fluid mechanics inside the core, or modellings of thermal fluid mechanics over the whole system, or modellings of thermal mechanics of the fuel pin or over the whole device structure. A Best Estimate approach would couple these models in order to realize a global and accurate modelling of the Nuclear reactor. This approach requires to define well the models that are used in order to exactly specify their limits, and hence, specify uncertainties of the coupled model results in order to assume and optimize them.It is in this context that this PhD thesis work is being under taken. It consists in the development of a Multi-physics and multi-scale Best Estimate modelling in order to obtain an accurate analysis of Pressurized Water Reactor under standard and accidental operating situations. It mainly involves the understanding of each model and their interactions, followed by the implementation of multiphysics algorithms coupling Neutronics and Thermohydraulics at reactor scale to an accurate Thermomechanics at the elementary scale of the fuel pin. In addition, a work project has been carried out in order to prepare or improve the access to the local physical informations that are needed for the implementation of multiscale coupling scheme, at the elementary scale of the fuel pin.

La batterie lithium ion est la technologie de stockage d’énergie la plus répandue dans l'industrie automobile. Assurer sa haute efficacité, sa puissance, sa capacité, sa sécurité et son endurance présente un défi pour plusieurs chercheurs et industriels. En effet, une batterie est un système complexe renfermant plusieurs composants et soumis à divers risques de dégradations d’origines chimiques, mécaniques et électriques, se manifestant même dans les conditions normales de fonctionnement. Cependant, la batterie devrait assurer ses fonctions pour un grand nombre de cycles de charge et de décharge et continuer à servir sans que ces dégradations influencent sa performance globale. L’une des dégradations principales et inévitables est son gonflement qui induit une discontinuité électrique et une perte de sa capacité.En effet, le gonflement est un phénomène multi-physique qui fait intervenir l’électrochimie, la mécanique et la thermique. D’une part, une batterie lithium-ion est basée sur l’échange réversible de l’ion lithium entre une électrode positive et une électrode négative. Le processus d’insertion de l’ion dans les particules de l’électrode aboutit à un changement volumique significatif réversible de la batterie pour chaque cycle de charge/décharge. Cette variation de volume mène à la formation de contraintes quand la batterie est maintenue dans un pack rigide empêchant ou limitant sa déformation. D’autre part, la formation d’une couche à l’interface particule-électrolyte (SEI) suite aux réactions parasites se produisant à l’échelle de l’électrode constitue une cause principale d’un gonflement supplémentaire irréversible et de vieillissement de la batterie.Ainsi, le gonflement doit être pris en compte pendant la phase du dimensionnement mécanique de la batterie. Il est donc indispensable d’avoir un outil numérique fiable capable de prédire ce comportement mécanique pendant toutes les phases de fonctionnement de la batterie et de permettre aux concepteurs d’améliorer sa structure.Ce travail rentre dans le cadre d’une collaboration entre l’ENSTA ParisTech et le constructeur automobile Renault suite à un besoin industriel de comprendre et de maîtriser le gonflement des batteries utilisées dans les véhicules électriques et hybrides. Pour répondre à ce besoin, un modèle multi-physique et multi-échelle fondé sur la théorie de la thermodynamique des processus irréversibles, sur l’endommagement et sur la théorie de l’homogénéisation est développé. Il permet de décrire et de prédire la déformation d’une batterie lithium ion pendant son fonctionnement. Le modèle tient compte des phénomènes mécaniques, électrochimiques et thermiques qui se produisent à l’échelle locale des électrodes afin de calculer la déformation mécanique au niveau macroscopique de la batterie. / Lithium ion battery is the most popular energy storage technology in the automotive industry. Ensuring high efficiency, power, capacity, safety and endurance is a challenge for many researchers and manufacturers. Indeed, a battery is a complex system containing several components and subject to various risks of chemical, mechanical and electrical damage, manifesting even under normal operating conditions. However, the battery should perform its functions for a large number of charge and discharge cycles and continue to serve without these risks influencing its overall performance. One of the main and inevitable damage is its swelling, which induces an electrical discontinuity and a loss of its capacity.Indeed, swelling is a multi-physics phenomenon that involves electrochemistry, mechanics and heat. On the one hand, a lithium-ion battery is based on the reversible exchange of the lithium ion between a positive electrode and a negative electrode. The process of inserting the ion into the particles of the electrode results in a significant reversible volume change of the battery for each charge / discharge cycle. This variation in volume leads to the formation of stresses when the battery is held in a rigid pack preventing or limiting its deformation. On the other hand, the formation of a layer at the particle-electrolyte interface (SEI) following parasitic reactions occurring at the electrode scale is a major cause of irreversible additional swelling and aging of the drums.Thus, the swelling must be taken into account during the mechanical sizing phase of the battery. It is therefore essential to have a reliable numerical tool able to predict this mechanical behavior during all phases of battery operation and to allow designers to improve its structure.This work is part of a collaboration between ENSTA ParisTech and the car manufacturer Renault following an industrial need to understand and control the swelling of batteries used in electric and hybrid vehicles. To meet this need, a multi-physics and multi-scale model based on the theory of the thermodynamics of irreversible processes, mechanical damage theory and the homogenization theory is developed. It allows to describe and predict the deformation of a lithium ion battery during its operation. The model takes into account the mechanical, electrochemical and thermal phenomena that occur at the local scale of the electrodes in order to calculate the mechanical deformation at the macroscopic level of the battery.

Electric vehicles contain hundreds of high-energy density lithium-ion batteries. The crashworthiness of these vehicles can be improved by better understanding the response of these batteries in an event of an accident or abusive loads. These loads can induce short-circuit and thermal runways in extreme cases. Therefore, an efficient finite element model of a battery that can precisely predict the coupled multi-physics behavior of a cell in a real-world application is desired. This investigation incorporates detailed and homogenized multi-physics modeling of various form factors of lithium-ion batteries. In the first two chapters of this thesis, a multi-physics homogenized model of a pouch cell was developed and validated in a wide range of multi-disciplines of the battery. In contrast to other similar models described in the literature, which are only applicable in certain scenarios, this model has a much broader range of applications due to the innovative techniques developed for material calibration and cell modeling. In addition, due to the homogenized nature and computational cost efficiency of this technique, the developed model has significance in the crashworthiness analysis of battery packs and electric vehicles where hundreds of these batteries exist. In the final chapter, a detailed layered model of an 18650 cylindrical cell was developed. Component and cell-level tests were performed on the cell to calibrate the material properties and extract the geometries of all the components of the cell. This model is the first of its kind that precisely predicts the load-displacement response and shape of deformation in various loading scenarios. This developed model has crucial importance in the safety assessment of the batteries by providing insight into the sequence of deformation of the internal layers and components and their interplay during mechanical abuse loadings. Overall, the two developed models in this thesis provide battery-related industries with a tool to improve the safety of future electrified industries. / Mechanical Engineering

<p>  </p> <p>Electron emission plays a vital role in many modern technologies, from plasma medicine to heavy ion beams for fusion. An accurate theoretical model based upon the physics involved is critical to efficient operation of devices pushing the boundaries of complexity. The interactions between different electron emission mechanisms can severely alter device performance, especially when operating in extreme conditions. This dissertation studies electron emission from the perspectives of increasing geometric and physical mechanism complexities </p> <p>One half of this dissertation derives new relations for space-charge limited emission (SCLE) in non-planar geometries. SCLE is the maximum stable current that may be produced by electron emission before the electric field of the electrons themselves self-limits further emission. In planar devices, this is modeled by the well-established Child-Langmuir (CL) equation. The Langmuir-Blodgett (LB) equations remain the most commonly accepted theory for SCLE for cylindrical and spherical geometries after nearly a century; however, they suffer from being approximations based on a polynomial series expansion fit to a nonlinear differential equation. I derive exact, fully analytic equations for these geometries by using variational calculus to transform the differential equation into a new form that is fully and exactly solvable. This variational approach may be extended to any geometry and offers a full description of the electric field, velocity, and charge density profiles in the diode. </p> <p>SCLE is also an important mechanism for characterizing the operation of devices with an external magnetic field orthogonal to the electric field. This “crossed-field” problem decreases the limiting current as electrons travel longer, curved paths, effectively storing some charge in the gap (moving parallel to the emitter). At a critical magnetic field called the Hull cutoff, electron paths become so tightly curved that the circuit can no longer be completed, a condition called magnetic insulation. Crossed-field SCLE has been accurately modeled in planar devices by Lau and Christenson. Using the variational approach, I replicate their planar results and extend the calculation to cylindrical geometry, a common choice for magnetron devices. Further, I derive additional equations with simplified assumptions that, for the first time, provide an analytic description of experimental results below the Hull cutoff field. Following this I incorporate a series resistor: device resistance (or impedance) changes non-linearly with current and voltage, so I couple Ohm’s Law (OL) to all the models of crossed-field devices. For devices just below the Hull cutoff, I predict analytically and show in simulation novel bi-modal behavior, oscillating between magnetically insulated and non-insulated modes. With crossed-field device assessment, the variational calculus approach to space-charge may be used for numerous applications, including high power microwave sources, relativistic klystron devices, heavy ion beams, Hall thrusters, and plasma processing. </p> <p>The other half of this dissertation derives analytic theories to solve for emission current with three or more electron emission mechanisms simultaneously. In addition to the CL law, SCLE may also occur in neutral, non-vacuum diodes, modeled by the Mott-Gurney (MG) equation. These are the two limiting mechanisms I study; the other major modality of electron emission is direct electron production, the source of current in the device. Electrons are ejected when impelled by high temperature or electric field at the emission surface. These mechanisms are thermionic (or thermal) emission, modeled by the Richardson-Laue-Dushman (RLD) equation, and field emission, modeled by the Fowler-Nordheim (FN) equation, respectively. Additionally, just as I calculated the impedance of devices operating in a crossed-field configuration, all these models can be similarly coupled to OL. I derive models unifying FN, MG, and CL (with an extension linking OL, mentoring an undergraduate) and RLD, FN, and CL. These models are relevant for modern device design, especially as micro- and nano-scale devices seek to eliminate vacuum requirements and as space and military applications require higher temperature tolerances.</p> <p>While multi-physics models, like the ones described above, are important, the single-physics models (FN, RLD, MG, CL, OL) are still valid (and much easier to use) in their respective asymptotic limits. For example, a circuit behaves purely according to OL for very high resistances, according to MG for very high pressures, and so forth. Importantly, when devices operate in transition regions between these asymptotic limits, <em>none </em>of the asymptotic equations match the predictions of multi-physics models. Yet, intersections between the asymptotic equations are easily found, say for a certain set of voltage, gap distance, and pressure, CL=MG. Since both asymptotic equations give the same prediction, we may conclude that both must be inaccurate for those physical parameters! This gives rise to what I term “nexus theory:” solving two or more asymptotic equations simultaneously to rapidly and accurately predict sets of physical parameters at which multi-physics models (specifically, the physics leading to the “nexus point” parameters, points or curves at which nexus conditions are satisfied) are required for accurate device predictions. In fact, I show that multi-physics models are necessary within roughly one to two orders of magnitude from a nexus. In effect, nexus theory provides a simple, powerful tool to determine how complex a model is necessary for a particular device. Both nexus theory and multi-physics results in this dissertation have been successfully used to design devices to operate in specific transition regimes and identify the resulting device behavior.  </p>

Dans ce travail prospectif, nous proposons une modélisation intégrant un couplage thermo-chimio-mécanique pour les élastomères chargés et dissipatifs. En se basant sur les résultats et les observations de la littérature, nous avons développé un cadre thermodynamique général et proposé trois modèles phénoménologiques de comportement. Nos outils principaux sont la thermodynamique des processus irréversibles, la notion d'états intermédiaires, les matériaux standards généralisés. Une variable interne correspondant au degré de réticulation est introduite. L'évolution de cette variable prend en compte une influence thermique et mécanique à travers la pression hydrostatique. Il s'agit d'une des originalités de cette approche. Ce travail se place dans le cadre général des grandes transformations. Un schéma numérique de résolution monolithique des équations bilan par éléments finis est proposé. Ce schéma tient compte de l'hypothèse de faible compressibilité du matériau par un choix judicieux de relations faibles entre inconnues et par le choix des approximations pour ces dernières. La résolution en temps est traitée par un schéma d'Euler implicite associé à une technique de linéarisation de Newton-Raphson. Un modèle orienté objet du matériau thermo-chimio-mécanique est proposé et implémenté en langage Java dans le code FEMJava. Quelques exemples de simulation illustrent le potentiel de ces modèles en reproduisant de manière qualitative des observations expérimentales. / In this prospective study, we propose a new thermo-chemo-mechanical coupled model for dissipative filled rubber. This work is based on experimental observations and results from the literature. In this context, we have developed three phenomenological constitutive laws within a generic thermodynamical framework. The models enters the category of the thermodynamics of irreversible processes. Intermediate states are taken into account in the model which is build within the generalized standard materials framework. The degree of cure is introduced as an internal variable. The evolution of this variable takes into account the thermal influence and the mechanical influence via the hydrostatic pressure. This is one of the features making this model original. A finite strains approach is considered. A finite element model is applied to the global problem. A monolithic solution scheme is built based on an implicit Euler scheme associated to a of Newton-Raphson linearization technique. This scheme takes into account the weak compressibility of the material condition through, first, a judicious choice of weak relations between unknowns, and second, an adequate choice of approximations for the unknowns of problem to enforce the stability of the numerical scheme. An object-oriented model for the constitutive equations of the thermo-chemo-mechanical model is proposed and is implemented in Java into the FEMJava code. Some simulations illustrate the high potential of these models in qualitatively reproducing these experimental observations.

A finalidade inicial deste estudo foi desenvolver um modelo computacional multifísico de um acionamento eletrônico, composto por um motor de relutância 4/2 bifásico, um conversor eletrônico de potência, um controlador, os componentes mecânicos estruturais do motor e os acoplamentos entre os diferentes domínios físicos. Para a implementação do modelo proposto, foram utilizados recursos de simulações numéricas e acopladas do MEF (Método dos Elementos Finitos) em uma plataforma de simulação multifísica, de modo a realizar acoplamento entre três áreas do conhecimento: circuitos elétricos, campos eletromagnéticos e componentes mecânicos estruturais e de vibração. Uma vez desenvolvido o modelo multifísico, este foi associado a um procedimento de otimização dos ângulos de disparo que utiliza um modelo de algoritmos genéticos e, como um conjunto, estes foram aplicados na redução da vibração e da ondulação de torque do motor de relutância chaveado, resultando em uma nova metodologia para a abordagem desses problemas. De modo a comprovar os resultados obtidos nas simulações, foram realizados diversos ensaios experimentais para a validação de cada etapa do desenvolvimento, tais como levantamento das formas de onda de tensão e correntes, ensaios de vibração, etc. Os modelos desenvolvidos foram testados em função de modificações realizadas tanto nos parâmetros de controle do acionamento, como também em função de modificações mecânicas estruturais na geometria do rotor. / The initial purpose of this study was developing a multi-physical computational model of a power electronic motor drive, composed to a 2-Phase Switched Reluctance Motor (SRM) 4/2, a power electronic converter, a controller, motor mechanical and structural components and the coupling among different physical domains. For implementing of the proposed model, it was used FEM (Finite Element Method) coupled and numerical simulations resources in a multi-physic simulation platform, in order to accomplish the coupling among the three areas of knowledge: electrical circuits, electromagnetic fields and structural and mechanics components and vibration. Once finished the multi-physical model, it was associated with a optimization procedure of firing angles which uses genetic algorithm model and, as a whole, it was applied on the SRM vibration and torque ripple reduction, resulting in a new methodology to approaching these problems. In order to prove obtained simulation results, it was carried out several experimental tests to validate each development stage, such as the voltage and currents wave forms mapping, vibration tests, etc. The developed models were tested as much function of drive control parameters as the rotor geometry mechanical and structural modifications.