A series of composite beam models are constructed for efficient high-fidelity beam analysis based on the variational-asymptotic method (VAM). Without invoking any a priori kinematic assumptions, the original three-dimensional, geometrically nonlinear beam problem is rigorously split into a two-dimensional cross-sectional analysis and a one-dimensional global beam analysis, taking advantage of the geometric small parameter that is an inherent property of the structure. The thermal problem of composite beams is studied first. According to the quasisteady theory of thermoelasticity, two beam models are proposed: one for heat conduction analysis and the other for thermoelastic analysis. For heat conduction analysis, two different types of thermal loads are modeled: with and without prescribed temperatures over the crosssections. Then a thermoelastic beam model is constructed under the previously solved thermal field. This model is also extended for composite materials, which removed the restriction on temperature variations and added the dependence of material properties with respect to temperature based on Kovalenoko’s small-strain thermoelasticity theory. Next the VAM is applied to model the multiphysics behavior of beam structure. A multiphysics beam model is proposed to capture the piezoelectric, piezomagnetic, pyroelectric, pyromagnetic, and hygrothermal effects. For the zeroth-order approximation, the classical models are in the form of Euler-Bernoulli beam theory. In the refined theory, generalized Timoshenko models have been developed, including two transverse shear strain measures. In order to avoid ill-conditioned matrices, a scaling method for multiphysics modeling is also presented. Three-dimensional field quantities are recovered from the one-dimensional variables obtained from the global beam analysis. A number of numerical examples of different beams are given to demonstrate the application and accuracy of the present theory. Excellent agreements between the results obtained by the current models and those obtained by three-dimensional finite element analysis, analytical solutions, and those available in the literature can be observed for all the cross-sectional variables. The present beam theory has been implemented into the computer program VABS (Variational Asymptotic Beam Sectional Analysis).

For a structure designed to interact with the surrounding fluid, structural deformation under loads induced by fluid flows is an important factor to consider, and one which is traditionally difficult to account for analytically. Coupling the finite element method for structural analysis with the finite volume method for the determination of fluid response allows for accurate simulation of the pressure and shearing loads applied by the fluid onto the fluid-structure interface, while also determining localized structural displacements that would cause changes to the geometry of the interface. This work seeks to simulate the behavior of cylinders with varying heights and stiffnesses under external flows with low Reynolds numbers. To address structural deformation accurately in the simulation, a morphing and remapping algorithm is applied to the fluid-structure interface. With additional consideration for anisotropy in the structure's elasticity, these analyses could potentially support the development of flexible components that deform in predetermined ways under anticipated fluid loads, allowing for simpler and more efficient solutions to control flow scenarios that traditionally require moving components and control surfaces.

Cette thèse est consacrée au développement d'outils de simulation numérique permettant d'appréhender les phénomènes multi-physiques complexes (thermique, mécanique des solides, mécanique des fluides et sciences des matériaux) mis en jeu lors d'opérations de soudage TIG (Tungsten Inert Gas) de tôles minces de type 316L utilisées dans l'industrie agroalimentaire. La fusion locale des éléments à assembler par soudage présente en effet l'inconvénient d'induire des déformations locales importantes qui compliquent le montage des pièces. Un autre désavantage est l'apparition de contraintes résiduelles qui impactent la durabilité de la structure soudée. Afin de prédire ces déformations et contraintes pendant la phase de conception, en vue par exemple de les minimiser en jouant sur des paramètres tels que la vitesse d'exécution et l'intensité du courant de soudage, des outils numériques prédictifs ont été développés dans le cadre de ce travail.Un modèle éléments finis 3D de couplage entre la thermique et la mécanique, dans les domaines transitoire et nonlinéaire,a notamment été programmé en langage APDL (Ansys Parametric Design Language) à l'aide du logiciel multi-physique ANSYS. La source mobile de chaleur par soudage a été représentée par un profil Gaussien dont les paramètres ont été calibrés de manière à optimiser la forme géométrique du cordon. Pour ce faire, la surface de réponse d'un plan d'expérience factoriel a été utilisée. Les résultats numériques obtenus sont tout à fait satisfaisants puisque les paramètres de la source de chaleur gaussienne identifiés à l'aide du plan d'expérience factoriel permettent une reproduction fidèle de la géométrie du cordon. La comparaison entre les valeurs expérimentales et calculées de la déviation montre par ailleurs une bonne cohérence avec un écart relatif inférieur à 5%. Afin d'étudier la tension et la conductibilité électrique lors de l'amorçage et du maintien de l'arc de soudure, un modèle axisymétrique bidimensionnel de l'arc électrique a été réalisé en utilisant le logiciel FLUENT. La géométrie réelle des composantes de la torche telles que le diffuseur de gaz, la buse et l'électrode a été prise en compte. Lemodèle intègre un couplage fluide-structure dans lequel les équations électromagnétiques et thermiques sont résolues dans la cathode solide. Les équations supplémentaires régissant l'écoulement sont considérées dans le domaine gazeux où l'arc est généré. Pour le maintien de l'arc, ces équations, qui ont été programmées en langage C++, permettent de s'affranchir de la conductibilité artificielle souvent utilisée dans la littérature. Le modèle permet d'obtenir les champs de température du plasma, les chutes de tension à l'anode et à la cathode de l'appareil de soudage, la tension dans l'arc ainsi que le rendement de l'apport d'énergie. Les résultats numériques indiquent que la température et la vitesse d'écoulement du plasma augmentent avecl'intensité du courant et avec la distance inter électrode. Il en va de même pour le potentiel électrique mais avec une influence plus forte de la distance inter électrode. Enfin, le débit de gaz ne joue aucun rôle sur la température et sur le potentiel électrique. Il influe par contre sur la vitesse d'écoulement du plasma. Plus le débit est élevé, plus la vitesse d'écoulement du plasma est faible. / This thesis is dedicated to the development of numerical simulation tools allowing to understand complex multi-physics phenomena (thermal, solid mechanics, fluid mechanics and sciences materials) involved in TIG (Tungsten Inert Gas) welding operations of 316L thin plate used in the food industry. The local fusion of the elements to be assembled by welding has indeedthe disadvantage of inducing significant local deformations that complicate the assembly of parts. Another The disadvantage is the appearance of residual stresses that impact the durability of the welded structure. In order to predict these deformations and constraints during the design phase, for example in order to minimize them in playing on parameters such as the speed of execution and the intensity of the welding current, digital tools Predictors have been developed as part of this work.A model finite elements 3D of coupling between the thermal one and the mechanics, in the transient and nonlinear domains,was programmed in Ansys Parametric Design Language (APDL) using the software multi-physics ANSYS. The mobile source of heat by welding has been represented by a Gaussian profile whose parameters have been calibrated to optimize the geometric shape of the cord. To do this, the surface of Response of a factorial experiment plan was used. The numerical results obtained are quite satisfactory since the parameters of the Gaussian heat source identified using the factorial experiment planallow a faithful reproduction of the geometry of the cord. The comparison between the experimental values ​​and Calculated deviation also shows good consistency with a relative difference of less than 5%. In order to study the voltage and the electrical conductivity during the priming and the maintenance of the welding arc, a Two-dimensional axisymmetric model of the electric arc was realized using FLUENT software. Geometry actual torch components such as the gas diffuser, the nozzle and the electrode were taken into account. The model integrates a fluid-structure coupling in which the electromagnetic and thermal equations are resolved in the solid cathode. The additional equations governing the flow are considered in the gaseous domain where the arc is generated. For the maintenance of the arc, these equations, which have been programmed in C ++, make it possible to overcome the artificial conductivity often used in the literature. The model allows to obtain the plasma temperature fields, the voltage drops at the anode and at the cathode of the welding, the voltage in the arc as well as the efficiency of the energy input. Numerical results indicate that plasma temperature and flow velocity increase with the intensity of the current and with the inter-electrode distance. The same goes for the electric potential but with a stronger influence of the inter-electrode distance. Finally, the gas flow plays no role on the temperature and on the electric potential. It influences the speed of flow of the plasma. The higher the flow, the higher the Plasma flow rate is low.

Wireless and mobile communications are already playing an important role in our lives, and this will can only grow more and more due to the predominant importance and use of modern smartphones, tablets and any kind of connected devices. With this is mind, the spectrum for wireless and mobile communications is becoming incredibly overcrowded, leading to increasing requirements for RF front-end filters. This progress has encouraged an impressive need for developing low-cost, high performance, mass-producible, small footprint, and highly integrated front-end solutions for microwave and millimeter-wave systems and applications including emerging 5G and future wireless platforms. In this context, high quality factor resonators are usually typical basic building blocks of many high performance passive and active circuits, and its design has become even more challenging in the last decade. As a result, Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology has attracted scientific community and industry attention as a very good candidate for developing such desired high-Q planar microwave devices. Recently, SIW is demonstrating to be a successful approach for implementing microwave and mm-wave filters with high Q-factor, easy integration with other planar circuits, and for mass-production manufacturing processes in many technologies (i.e. Printed Circuit Board (PCB) and Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) technologies among them). Its enormous similarity with waveguides is probably one of the main reasons why the development of SIW-based components and circuits is rapidly growing among the research community. Other potential features that, combined with the former advantages, could be of huge interest in a wide range of wireless and mobile applications are a lively set of research subjects, such as compactness, advanced filtering responses, and recently frequency-agility capabilities. These key features have been recently introduced in the design of microwave filters for the next-generation wireless systems. Taking into account the above-mentioned background, the work carried out during the course of this PhD Thesis has been directed towards a further study of SIW technology to propose, analyze and develop an innovative and original resonator topology. The proposed topology is based on the extension of the classical coaxial waveguide resonator to SIW technology, and must take advantage of the characteristics of SIW devices to allow the design of improved and innovative microwave resonator filters for advanced wireless systems. This PhD Thesis includes the latest improvements made on this topic, from the working principles of the basic coaxial SIW block, until different applications for the design of compact quasi-elliptic and reconfigurable microwave filters. The results are promising and demonstrate the validity of the proposed topology for the design of high-Q microwave filters, as well as its potential application to implement complex designs. The general knowledge gained from these cases of study can be considered a good base for further developing this technology, which can help to improve its EM performance, and also contribute to a more general use in the market. / Las comunicaciones inalámbricas y móviles juegan un papel importante en nuestras vidas, y esto sólo puede ir a más debido a su enorme importancia y al uso de los modernos teléfonos inteligentes (del inglés, smartphones), tabletas y toda clase de dispositivos inalámbricos. Con todo esto en mente, el espectro electromagnético para comunicaciones inalámbricas y móviles se está saturando cada día más, lo que conlleva un constante aumento de los requisitos para los filtros de radio-frecuencia usados en las cabeceras de dichos sistemas. Este progreso ha llevado a un creciente interés en desarrollar componentes de microondas de bajo coste, alto rendimiento, pequeño tamaño, que permitan implementar soluciones altamente integradas para sistemas de alta frecuencia (i.e. microondas y ondas milimétrica) y sus aplicaciones, incluyendo entre ellas la emergente conexión 5G y las futuras plataformas inalámbricas. En este contexto, los resonadores de elevado factor de calidad constituyen generalmente los bloques básicos para el diseño de muchos circuitos pasivos (entre ellos filtros) y activos de alto rendimiento. Su diseño se ha convertido por tanto en un reto aún mayor en la última década. Como resultado de ello, la tecnología de guía de ondas integradas en substrato (Substrate Integrated Waveguide, SIW) ha atraído la atención de la comunidad científica e industrial, al revelarse como una buena aproximación para el desarrollo de dispositivos planares de microondas con excelentes prestaciones eléctricas, y en particular para la implementación de filtros de microondas y onda milimétrica de bajas pérdidas y elevada integración con circuitos en tecnología planar. Además, su flexibilidad se caracteriza también por su adecuación a diferentes procesos de fabricación y producción en masa, en tecnologías tales como los circuitos impresos (Printed Circuit Board, PCB) o la tecnología de materiales cerámicos multi-capa co-sinterizados a baja temperatura (Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC) entre otras. Su enorme similitud con las ya largamente estudiadas guías de onda es, probablemente, una de las principales razones por las cuales el desarrollo de dicho circuitos está creciendo rápidamente entre la comunidad de investigadores. Cabe mencionar como, además de las anteriores ventajas, otras características de la tecnología SIW que podrían ser de gran interés en una amplia gama de aplicaciones inalámbricas y móviles son la miniaturización, la posibilidad de implementar respuestas avanzadas de filtrado y, recientemente, las capacidades de sintonía en frecuencia de los componentes de microondas. De este modo, el trabajo desarrollado a lo largo de esta Tesis Doctoral se ha orientado hacia el planteamiento, análisis y desarrollo de una topología de resonador innovadora y original. Dicha topología se basa en una extensión de las cavidades coaxiales en guía de onda metálica a una implementación integrada en substrato inspirada en la tecnología SIW. Esta Tesis Doctoral recapitula los últimos avances que se han producido sobre este tema, empezando desde la descripción de los principios fundamentales de funcionamiento de las estructuras, hasta la demostración de varias aplicaciones concretas útiles para el diseño de filtros de microondas muy compactos, con respuestas filtrantes avanzadas y reconfigurables. Los resultados que se van a mostrar a continuación son prometedores, y demuestran la validez de la topología propuesta. El conocimiento general obtenido de los diferentes prototipos fabricados y caracterizados experimentalmente puede considerarse una buena base para seguir desarrollando esta tecnología, lo que puede ayudar a mejorar su rendimiento electromagnético, así como a contribuir a un uso más extendido de estos dispositivos en el mercado. / Les comunicacions sense fils i mòbils juguen un paper important en les nostres vides, i això només pot anar a més a causa de la gran importància i l'ús dels moderns telèfons intel·ligents (de l'anglès, smartphones), tablets i tota classe de dispositius sense fil. Tenint en compte tot açò, l'espectre electromagnètic per a comunicacions sense fils i mòbils s'està saturant cada dia més, el que comporta un constant augment dels requisits per als filtres de radiofreqüència usats en les capçaleres d'aquests sistemes. Aquest progrés ha portat a un creixent interès en desenvolupar components de microones de baix cost, alt rendiment, volum reduït, que permeten implementar solucions altament integrades per a sistemes d'alta freqüència (ie. microones i ones mil·limètriques) i les seves aplicacions, incloent l'emergent connexió 5G i les futures plataformes sense fils. En aquest context, els ressonadors d'elevat factor de qualitat constitueixen generalment els blocs bàsics per al disseny de molts circuits passius (entre ells filtres) i actius d'alt rendiment. El seu disseny s'ha convertit per tant en un repte encara més gran en l'última dècada. Com a resultat d'això, la tecnologia de guia d'ones integrades en substrat (Substrate Integrated Waveguide, SIW) ha atret l'atenció de la comunitat científica i industrial, al revelar-se com una bona aproximació per al desenvolupament de dispositius planars de microones amb excel·lents prestacions elèctriques , i en particular per a la implementació de filtres de microones i ones mil·limètriques de baixes pèrdues i elevada integració amb circuits en tecnologia planar. A més, la seua flexibilitat es caracteritza també per la seua adequació a diferents processos de fabricació i producció en massa, en tecnologies com ara els circuits impresos (Printed Circuit Board, PCB) o la tecnologia de materials ceràmics multicapa co-sinteritzats a baixa temperatura (Low Temperature Co-Fired Ceramics, LTCC) entre d'altres. La seua enorme similitud amb les ja llargament estudiades guies d'ona és, probablement, una de les principals raons per les quals el desenvolupament d'aquests circuits està creixent ràpidament entre la comunitat d'investigadors. Cal destacar com, a més de les anteriors avantatges, altres característiques de la tecnologia SIW que podrien ser de gran interès en una àmplia gamma d'aplicacions sense fils i mòbils són la miniaturització, la possibilitat d'implementar respostes avançades de filtrat i, recentment, les capacitats de sintonia en freqüència dels components de microones. Aquestes característiques clau s'han introduït recentment en el disseny de filtres microones per als sistemes sense fils de pròxima generació, convertint-se en objecte prioritari d'estudi per part de la comunitat científica. D'aquesta manera, el treball desenvolupat al llarg d'aquesta tesi doctoral s'ha orientat cap al plantejament, anàlisi i desenvolupament d'una topologia de ressonador innovadora i original. Aquesta topologia es basa en una extensió de les cavitats coaxials en guia d'ona metàl·lica a una implementació integrada a substrat inspirada en la tecnologia SIW. Aquesta tesi doctoral recapitula els últims avanços que s'han produït sobre aquest tema, començant des de la descripció dels principis fonamentals de funcionament de les estructures, fins a la demostració de diverses aplicacions concretes útils per al disseny de filtres i microones molt compactes, amb respostes de filtrat avançades i reconfigurables. Els resultats que es mostraran a continuació són prometedors, i demostren la validesa de la topologia proposada. El coneixement general obtingut dels diferents prototips fabricats i caracteritzats experimentalment es pot considerar com una bona base per seguir desenvolupant aquesta tecnologia, el que pot ajudar a millorar el seu rendiment electromagnètic, així com a contribuir a un ús més estès d'aquests dispositius en el mer / Sirci, S. (2017). Substrate Integrated Coaxial Filters with Fixed and Tunable Responses [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/78838 / TESIS