Cette thèse porte sur l'utilisation de champs électriques pour faciliter l'élimination de l'eau coproduite avec le pétrole brut, sous la forme d'émulsions stables, lors des étapes d'extraction et de dessalement. Ce procédé, connu sous le nom d'électrocoalescence, s'appuie sur la capacité qu'ont les forces électrostatiques à promouvoir l'attraction et la coalescence de gouttelettes d'eau proches afin d'en augmenter la taille et ainsi d'en accélérer la sédimentation par gravité. Bien que les premières observations expérimentales datent déjà d'un siècle, de nombreuses zones d'ombres subsistent, notamment en ce qui concerne l'optimisation de l'efficacité des électrocoalesceurs de dernière génération. Dans ce contexte, une démarche, combinant simulation numérique multi-physique et expérimentation, a été mise en place pour étudier les phénomènes de mouvement, de déformation et d'instabilité d'interfaces eau-huile induit par la présence d'un champ électrique. La contribution la plus marquante concerne la modélisation et l'analyse de l'effet des forces électrostatiques sur le mécanisme d'amincissement du film d'huile séparant les gouttes. Les résultats numériques mettent en évidence la singularité du problème et l'inadaptabilité des modèles théoriques de lubrification classiquement adoptés pour représenter la coalescence dans les écoulements diphasiques. Une nouvelle expression asymptotique pour le calcul du temps de drainage entre les gouttelettes de l'émulsion est proposée et utilisée pour déduire un critère prédisant la probabilité d'électrocoalescence lors d'une collision dans un écoulement cisaillé. En parallèle, un dispositif sophistiqué, permettant de reproduire expérimentalement le phénomène et d'améliorer la représentativité du critère, a été construit. Enfin, en réponse à un point bloquant décelé lors de la phase de conception de ce dernier, une technique innovante d'injection à la demande de gouttes conductrices non chargées dans un liquide visqueux isolant, utilisant des impulsions électrostatiques, a été développé.

La myélopathie cervicale est une maladie chronique dégénérative de la moelle épinière dont la fréquence augmente avec l’âge. Elle est caractérisée par une compression mécanique menant à un endommagement de la structure médullaire et peut être source de handicaps sévères dégradant la qualité de vie. Néanmoins, la prise en charge clinique reste délicate.C’est pourquoi les travaux conduits dans le cadre de cette thèse se sont focalisés sur la compréhension des phénomènes biomécaniques à l’origine de cet endommagement (via des méthodes de simulation par éléments finis) et les conséquences microstructurelles pouvant être observées par IRM multi-paramétrique. Plus précisément, le but était d’établir un lien entre la cause mécanique et les conséquences structurelles menant aux déficits cliniques afin de mieux comprendre et prédire l’évolution de ces pathologies.Pour atteindre cela, une caractérisation de la morphologie et microstructure de la moelle épinière saine a été conduite par IRM, procurant à la fois une source de données normatives pour évaluer les atteintes chez patients mais aussi des données d’entrée pour raffiner les modèles numériques utilisés. D’un point de vue biomécanique, les phénomènes mécaniques observés lors d’une compression médullaire telle que pouvant être rencontrée dans une myélopathie cervicale ont été étudiés. Bien qu’à confirmer, les résultats obtenus au cours de ces travaux sont encourageants et posent une première pierre vers l’établissement de nouvelles méthodes permettant de mieux comprendre l’origine des déficits observés chez des patients souffrant de lésions médullaires en étudiant le lien entre mécanique, microstructure et fonction. / Cervical myelopathy is a chronic degenerative spinal cord pathology whose incidence increases with age. It is characterized by a mechanical compression leading to structural spinal cord damage. It can be at the origin of severe handicap hampering the quality of life. However, the clinical management remains challenging.This is why the work conducted in this thesis was focused on the comprehension of the biomechanics of the spinal cord damage (through numerical simulation finite element methods) and microstructural consequences that can be observed with multi-parametric MR imaging. More specifically, the final goal was to link the mechanical cause to the structural consequences at the origin of the clinical deficits in order to better understand and predict the pathology’s evolution.To reach that end, a characterization of the morphology and microstructure of the spinal cord was achieved using MRI, procuring on one side a normative database useful to study the alterations encountered in patients, and on another side to refine the numerical models employed. From a biomechanical perspective, the mechanisms of spinal cord compression as encountered in cervical myelopathy were studied using finite element analysis. The results obtained, which should be confirmed, are encouraging and represent a first stone towards the establishment of new methods in order to help in the clinical management of patients with spinal cord lesions by linking the mechanics, microstructure and function of the spinal cord.

Cette thèse porte sur l'utilisation de champs électriques pour faciliter l'élimination de l'eau coproduite avec le pétrole brut, sous la forme d'émulsions stables, lors des étapes d'extraction et de dessalement. Ce procédé, connu sous le nom d'électrocoalescence, s'appuie sur la capacité qu'ont les forces électrostatiques à promouvoir l'attraction et la coalescence de gouttelettes d'eau proches afin d'en augmenter la taille et ainsi d'en accélérer la sédimentation par gravité. Bien que les premières observations expérimentales datent déjà d'un siècle, de nombreuses zones d'ombres subsistent, notamment en ce qui concerne l'optimisation de l'efficacité des électrocoalesceurs de dernière génération. Dans ce contexte, une démarche, combinant simulation numérique multi-physique et expérimentation, a été mise en place pour étudier les phénomènes de mouvement, de déformation et d'instabilité d'interfaces eau-huile induit par la présence d'un champ électrique. La contribution la plus marquante concerne la modélisation et l'analyse de l'effet des forces électrostatiques sur le mécanisme d'amincissement du film d'huile séparant les gouttes. Les résultats numériques mettent en évidence la singularité du problème et l'inadaptabilité des modèles théoriques de lubrification classiquement adoptés pour représenter la coalescence dans les écoulements diphasiques. Une nouvelle expression asymptotique pour le calcul du temps de drainage entre les gouttelettes de l'émulsion est proposée et utilisée pour déduire un critère prédisant la probabilité d'électrocoalescence lors d'une collision dans un écoulement cisaillé. En parallèle, un dispositif sophistiqué, permettant de reproduire expérimentalement le phénomène et d'améliorer la représentativité du critère, a été construit. Enfin, en réponse à un point bloquant décelé lors de la phase de conception de ce dernier, une technique innovante d'injection à la demande de gouttes conductrices non chargées dans un liquide visqueux isolant, utilisant des impulsions électrostatiques, a été développé. / The present thesis deals with the electrostatically assisted removal of water coproduced with crude oil in the form of stable emulsions during recovery and desalting operations. This process, referred to as electrocoalescence, exploits the ability of electric forces to promote attraction and merging of adjacent water droplets to increase their size and related natural rate of sedimentation under gravity. Still, even one century after the first experimental observations, a lot of gray areas remain, particularly on the optimization of efficiency in state-of-the-art separators. To address this question, an approach combining multi-physics simulation and experiments has been used to investigate the phenomena of motion, deformation and instability of electrically influenced water-oil (droplets) interfaces. The main contribution concerns the modeling and analysis of the mechanism of oil film thinning between droplets approaching under the effect of electrostatic forces. Results from simulations highlight the strong singularity of the present problem and the inadequacy of existing theoretical lubrication models usually employed to represent coalescence events in two phase flows. For the small emulsified droplets, a new asymptotic expression for the drainage time is obtained and allows to deduce a criterion predicting the probability of electrocoalescence resulting from a shear flow induced collision. In parallel, a sophisticated setup, enabling to experimentally investigate the phenomenon and to improve the criterion relevance with regards to the actual processing conditions, has been assembled. At last and as an answer to an otherwise unfulfilled requirement defined in the design of the latter, an innovative actuation technique for the synchronous on-demand injection of two charge free conductive droplets in an insulating viscous liquid, relying on the application of a high electric field pulse, has been implemented.

Le principal défi auquel sont confrontés aujourd'hui les équipementiers aéronautiques est d'augmenter l'utilisation des systèmes électriques à bord de l'avion. De nos jours, le remplacement des systèmes hydrauliques par des actionneurs électriques conduit à placer les systèmes électriques dans un environnement hostile, par exemple dans la nacelle du moteur. L'équipement est soumis à des contraintes sévères telles que des températures élevées et basses, un cycle thermique étendu, une humidité élevée et une basse pression. En conséquence, des efforts doivent être faits pour réduire le poids et le volume du convertisseur de puissance sans perdre ses performances. Pour atteindre cet objectif, la conception de modules de puissance doit permettre un haut niveau d'intégration, d'efficacité et de fiabilité. On s’intéresse en particulier aux dommages causés par la fatigue qui ont une influence significative sur les performances électriques de ces modules. Les tests de performance liés à la fatigue restent des efforts coûteux pour l'équipement aéronautique. Un nombre fini de tests destructifs, par vieillissement accéléré, peut être effectué pour un nombre assez faible de configurations. Le but de ces tests est d'étudier les modes de défaillance apparaissant lors du vieillissement accéléré. Par conséquent, des simulations numériques ont été envisagées, facilement évolutives et utilisables pour un grand nombre de configurations, mais nécessitant des données d'essais expérimentaux. Dans ce manuscrit, quelques modes de défaillances sont étudiés. On propose une méthode numérique intégrant les contraintes principales dans les équipements, à savoir la simulation électrique, thermique et mécanique. Ces trois problèmes physiques ont des temps caractéristiques différents et sont fortement couplés avec un comportement non trivial. Pour optimiser l'utilisation des ressources et avoir une représentation pertinente du problème, un procédé couplé électrique 1D / thermique 3D / mécanique 3D a été implémenté sur un bus de cosimulation. Différents pas de temps, différents niveaux d'abstraction et différentes compétences sont utilisés pour fournir un modèle multiphysique de modules de puissance. / Today’s main challenge for aeronautical equipment manufacturers is to respond to the more electrical aircraft regulations. Moreover, there are many applications in aircraft area where high temperature technologies are needed. Nowadays, the replacement of hydraulic systems for electric ones leads to place the power inverters in a harsh environment, for example in the engine nacelle. The equipment is under high constraints such as high and low temperatures, wide temperature cycling, high humidity and low pressure. Combined to these environmental constraints, the new aircraft system is submitted to weight and operating cost reduction. As a consequence, efforts shall be done to reduce weight and volume of the power converter without losing its performance. To reach such a goal, the design of the converter must enable a high level of integration, efficiency and reliability. In particular, fatigue damage has a significant influence on such modules electrical power performance. And fatigue-related performance testing remains a costly endeavor for aeronautical equipment. A finite number of destructive tests can be carried out in specific facilities for a fairly low number of configurations. The purpose of these destructive tests is to investigate the failure modes appearing regarding this accelerated ageing. Therefore numerical simulations have been envisaged since non-destructive, easily evolving and usable for a high number of configurations, though needing data from experimental assays. In this study, we propose a method dealing with the main constraints for such equipment, i.e. electrical, thermal and mechanical simulation. Those three physical problems have different characteristic time and are strongly coupled with a non-trivial behavior. To optimize the resources usage and have a relevant representation of the problem, a 1D electrical / 3D thermal / 3D mechanical coupled method has been implemented over a co-simulation bus. Different time steps, different abstraction levels and different skills are used to provide predictions of the multiphysical fatigue behavior of power modules.

Les batteries lithium-ion s'affichent comme de bons candidats pour assurer le stockage réversible de l'énergie électrique sous forme électrochimique. Toutefois, elles sont à l'origine d'un certain nombre d'incidents aux conséquences plus ou moins dramatiques. Ces incidents sont souvent liés au phénomène d'emballement thermique. La sécurité des batteries Li-ion représente par conséquent un enjeu technique et sociétal très important. C'est dans ce contexte que vient s'inscrire ce travail de thèse dans le cadre d'une collaboration entre IFPEN, l'INERIS et le LISE. Une double approche de modélisation et expérimentation a été retenue. Un modèle 3D du comportement thermique a été développé à l'échelle de la cellule, couplant les phénomènes thermiques et chimiques, et prenant en compte le vieillissement par croissance de la SEI sur l'électrode négative. Le modèle a été calibré pour la chimie LFP/C sur deux technologies A123s (2,3 Ah) et LifeBatt (15 Ah), puis validé expérimentalement. Le modèle permet d'identifier les paramètres critiques d'emballement de cellules, il permet également de discuter l'effet du vieillissement sur l'emballement thermique. Grâce à l'expérimentation, les connaissances en termes d'amorçage et de déroulement d'un emballement thermique d'une batterie Li-ion, ont pu être enrichies, en particulier pour les cellules commerciales LFP/C cylindriques A123s, LifeBatt, et pour les cellules NMC/C prismatiques en sachet souple PurePower (30 Ah). Cette étude ouvre de nouvelles possibilités pour améliorer la prédiction des différents événements qui ont lieu lors de l'emballement thermique des batteries Li-ion, à différentes échelles. / Li-ion secondary batteries are currently the preferred solution to store energy since a decade for stationary applications or electrical traction. However, because of their safety issues, Li-ion batteries are still considered as a critical part. Thermal runaway has been identified as a major concern with Li-ion battery safety. In this context, IFPEN, INERIS and LISE launched a collaboration to promote a PhD thesis so called « understanding and modeling of thermal runaway events pertaining to new and aged Li-ion batteries ». To achieve this goal, a double approach with modeling and experimental investigation is used. A 3D thermal runaway model is developed at cell level, coupling thermal and chemical phenomena, and taking into account the growth of the SEI layer as main ageing mechanism on negative electrode. Advanced knowledge of cells thermal behavior in over-heated conditions is obtained particularly for commercial LFP / C cylindrical cells: A123s (2,3Ah), LifeBatt (15Ah), and NMC / C pouch cells: PurePower (30 Ah). The model was calibrated for LFP / C cells, and then it was validated with thermal abuse tests on A123s and LifeBatt cells. This model is helpful to study the influence of cell geometry, external conditions, and even ageing on the thermal runaway initiation and propagation. This study opens up new possibilities for improving the prediction of various events taking place during Li-ion batteries thermal runaway, at various scales for further practical applications for safety management of LIBs.

La faible exploitation de l'irradiation inter-rangée limite la production des modules photovoltaïques (PV). Le projet "Aleph" explore l'intérêt d'ajouter des réflecteurs plans entre les rangées pour augmenter la production, et dégage des règles claires permettant l'optimisation géométrique de l'ensemble. Ce travail présente une modélisation multiphysique du système, des simulations numériques de son comportement, et la comparaison avec des données expérimentales. Deux technologies de module PV sont considérées : silicium amorphe (a-Si) et silicium polycristallin (p-Si). Les mesures montrent des gains énergétiques importants grâce aux réflecteurs. Les gains sont plus importants pour les modules a-Si que p-Si. La modélisation associe un modèle optique de lancers de rayons par méthode Monté-Carlo sous EDStaR, un modèle photoélectrique sous SPICE, et un modèle thermique empirique. Le modèle complet est calibré avec des données expérimentales en utilisant un algorithme évolutif. Une fois calibré, le modèle démontre une bonne performance en simulant la puissance générée par les modules en fonction des données atmosphériques et radiatives. / The poor utilisation of the inter-row irradiation limits the production of photovoltaic (PV) modules. The "Aleph" project explores the potential of adding inter-row planar reflectors to increase the system yield, and defines clear rules for optimal settings of such systems in a given location and under a given climate. This work presents a multiphysics model of the system, numerical simulations of its behaviour, and the comparison with experimental data. Two PV module technologies are tested: amorphous silicon (a-Si) and polycrystalline silicon (p-Si). The experimental data show significant gains in produced energy brought by the reflectors. The gains are higher for a-Si modules compared to p-Si. The modelling work combines a Monte-Carlo ray-tracing optical model (EDStaR), a photo-electric model (SPICE), and an empirical thermal model. The complete model is calibrated with measurements using an evolutionary algorithm. Once calibrated, the model demonstrates good performance in predicting the module power output as a function of atmospheric and irradiance data.

Nous proposons d'exploiter la convection thermomagnétique, phénomène caractéristique des Ferro fluides, pour améliorer les transferts de chaleur dans les transformateurs. Les équations régissant le système se composent des équations de Navier-Stokes dans l'approximation de Boussinesq, de l'équation de la conservation de l'énergie et des équations de la magnétostatique. Les simulations sont menées avec notre code de recherche parallélisé SFEMaNS (Spectral/Finite Element for Maxwell and Navier-Stokes) pour des géométries axisymétriques, utilisant une décomposition spectrale dans la direction azimutale et des éléments finis de Lagrange dans le plan méridien. Afin de résoudre ce problème spécifique, divers développements sont apportés à SFEMaNS, tels que l'implémentation des forces magnétiques de Kelvin et de Helmholtz. Le code est d'abord appliqué au refroidissement d'un solénoïde dans une cuve cylindrique contenant de l'huile de transformateur ou un ferrofluide à base d'huile de transformateur. Les résultats montrent que l'utilisation du ferrofluide diminue la température maximale du système grâce à la convection thermomagnétique et au changement des propriétés thermophysiques du fluide. L'influence de différents paramètres (fraction volumique de nanoparticules, présence d'un cœur ferromagnétique, propriétés magnétiques des nanoparticules) est étudiée. En particulier, les simulations confirment l'intérêt des nanoparticules magnétiques à faible température de Curie. Nous montrons également sur cet exemple que deux densités de force magnétique égales à un gradient près, telles que les forces de Kelvin et de Helmholtz, donnent le même écoulement. Un bon accord qualitatif est trouvé entre les résultats numériques et expérimentaux utilisant de l'huile de transformateur ou du ferrofluide. Le code est ensuite appliqué au refroidissement d'un système proche d'un transformateur de 40 kVA (20 kV/400 V). Les résultats montrent à nouveau une réduction de la température maximale grâce au ferrofluide. / We propose to make use of thermomagnetic convection, a characteristic phenomenon of ferrofluids, to improve heat transfer in transformers. The governing equations consist in the Navier-Stokes equations under the Boussinesq approximation, the energy conservation equation and the magnetostatics equations. The simulations are performed with the in-house parallel code SFEMaNS (Spectral/Finite Element for Maxwell and Navier-Stokes) for axisymmetric geometries, using a spectral decomposition in the azimuthal direction and Lagrange finite elements in the meridian plane. In order to solve this specific problem, various developments are brought to SFEMaNS, such as the implementation of the Kelvin and Helmholtz magnetic forces. The code is first applied to the cooling of a coil in a cylindrical tank containing either transformer oil or transformer oil-based ferrofluid. The results show that the use of the ferrofluid reduces the maximum temperature in the system due to thermomagnetic convection and the change of the fluid thermophysical properties. The influence of different parameters (volume fraction of nanoparticles, presence of a ferromagnetic core, nanoparticle magnetic properties) is investigated. In particular, the simulations confirm the benefit of magnetic nanoparticles with a low Curie temperature. We also show on this example that two magnetic body forces equal up to a gradient, such as the Kelvin and Helmholtz forces, give the same flow. A good qualitative agreement is found between the numerical and experimental results using transformer oil or ferrofluid. The code is then applied to the cooling of an electromagnetic system close to a 40 kVA (20 kV/400 V) transformer. The results show again a reduction of the maximum temperature when using ferrofluid.

Un fait marquant et essentiel de la maladie neurodégénérative d’Alzheimer est la formation de plaques amyloïdes dans le cerveau, résultat de l’agrégation des protéines amyloïde-β (Aβ1-40/1-42). Le développement de nouveaux médicaments requiert la compréhension des mécanismes de formation des fibres amyloïdes et la connaissance de la structure et dynamique des oligomères métastables qui sont les vecteurs principaux de la neurotoxicité. Parce que les simulations atomistiques en solvant explicite ne peuvent pas être réalisées sur de grands systèmes pour des temps très longs, nous avons opté pour un modèle protéique gros grain (CG) avec un solvant implicite. Nous nous sommes intéressés dans ces travaux de thèse à clarifier le rôle d’interactions hydrodynamiques(HI) dans la dynamique de formation des agrégats du peptide Aβ(16-22), connu pour former également des fibres amyloïdes. Ces interactions sont essentielles pour modéliser,dans un solvant implicite, les processus se produisant dans des environnements cellulaires très encombrés. Notre approche est basée sur une méthode multi-échelle et multi-physique qui couple les techniques Lattice Boltzmann et de dynamique moléculaire(LBMD). Dans notre système, les interactions médiées par le solvant aqueux sont incluses naturellement. Pour le système moléculaire, nous avons choisi le modèle gros grain à haute résolution OPEP (Optimized Potential for Efficient Protein structure prediction). Pour la première fois, nous avons effectué des simulations quasi tout-atome pour de très grands systèmes contenant des milliers de peptides Aβ ( 16-22). Après avoir correctement réglé le paramètre clé de notre couplage afin d’obtenir la diffusivité expérimentale des monomères et des oligomères du peptide Aβ ( 16-22), nous avons démontré que les HI accélèrent le processus d’agrégation pour des systèmes de taille moyenne (100 Aβ (16-22) peptides) et grande (1000 Aβ (16-22) peptides). Une caractérisation détaillée de la taille des clusters et de l’organisation structurelle des peptides est présentée. Enfin,nous avons examiné comment la concentration affecte la première phase d’agrégation des peptides et leurs structures. / The self-assembly of misfolded amyloid-β (Aβ 1-40/1-42) proteins into insoluble fibrils is strongly linked to the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD). The development of new drugs requires the understanding of the mechanisms leading to fibril formation, and the knowledge of the dynamics and structures of the early metastable oligomers which are the main neurotoxic species. Because atomistic simulations in explicit solvent cannot be performed on very large systems for a significant time scale, we resort to a coarse grained (CG) protein model with an implicit solvent. Our investigation enlightens the role of hydrodynamic interactions (HI) in the kinetics of β-amyloidogenesis, interactions which are essential, when an implicit solvent is used, to model processes occurring in highly crowded like-cell environments, among others.Our approach is based on a multi-scale and multi-physics method that couples Lattice Boltzmann and Molecular Dynamics (LBMD) techniques. In our scheme the solvent- mediated interactions are included naturally. As a first step, we focus on Aβ (16-22) peptide, known to form amyloid fibril alone, and we adopt the high resolution CG OPEP (Optimized Potential for Efficient Protein structure prediction) model, developed in our laboratory. For the first time, we have performed quasi-all-atom simulations for very large systems containing thousands of Aβ (16-22) peptides. After the correct tuning of the key parameters of our coupling in order to obtain the experimental diffusivity of Aβ (16-22) monomer and small oligomers, we have demonstrated that HI speed up the aggregation process of medium (100 peptides) and large (1000 peptides) systems. A detailed characterization of the fluctuating clusters along the trajectories is presented in terms of their sizes and the structural organization of the peptides. Finally, we have investigated how changes in the concentration affect the early aggregation phase of the peptides and their structures.

La Fabrication Additive (FA) est un procédé de fabrication qui a commencé à se développer dans les années 80 et qui atteint actuellement une maturité qui lui permet d’être utilisé de manière rentable et fonctionnelle par les industriels. La fabrication additive est définie comme étant le procédé de mise en forme d’une pièce par ajout de matière, à l’opposé de la mise en forme traditionnelle par enlèvement de matière (usinage). Cette nouvelle technologie est une réelle révolution et permet de relever de nouveaux défis technologiques sans précédent. Que ce soit sur un axe matériau ou plus largement dans le cadre de l’usine du futur, la fabrication additive est un réel levier de croissance, mais de nombreux travaux de recherche sont encore à mener afin de perfectionner cette nouvelle technologie. C’est autour de cette problématique que les travaux de thèses se sont focalisés avec un accent sur l’intégration de matériaux électroactifs pour la réalisation de fonction mécatronique tirant profit des procédés de Fabrication Additive. Les actions de recherche montrent que la fabrication additive de matériaux électroactifs sera de plus en plus employée pour la réalisation de fonctions mécatroniques hybrides qui combineront à la fois la structure mécanique, des circuits intégrés en silicium, des pistes conductrices et des matériaux couplés imprimés, intégrant ainsi des fonctionnalités, telles que des capteurs, des affichages ou des sources d’énergie. Les travaux montrent le potentiel applicatif autour du contrôle de santé des structures en composites, mais aussi du contrôle de forme d’instrument pour la chirurgie. Pour arriver au développement de ces dispositifs, les points suivants ont été développés autour des matériaux électroactifs et de leurs règles d’intégrations et d’optimisation. / Additive Manufacturing (FA) is a manufacturing process that began to develop in the 1980s and is now mature enough to be used in a cost-effective and functional way by manufacturers. Additive manufacturing is defined as the process of shaping a part by adding material, as opposed to traditional shaping by material removal (machining). This new technology is a real revolution and enables us to meet new unprecedented technological challenges. Whether on a material axis or more widely as part of the plant of the future, additive manufacturing is a real growth driver, but many research work is yet to be conducted to perfect this new technology. It is around this issue that the work of theses focused with a focus on the integration of electroactive materials for the realization of mechatronics function taking advantage of Additive Manufacturing processes. Research shows that additive manufacturing of electroactive materials will be increasingly used for the realization of hybrid mechatronic functions that will combine both the mechanical structure, silicon integrated circuits, conductive tracks and printed coupled materials, integrating as well as features, such as sensors, displays or power sources. The work shows the potential application around the health control of composite structures, but also the instrument shape control for surgery. To arrive at the development of these devices, the following points have been developed around electroactive materials and their integration and optimization rules.

Cette thèse aborde la problématique de la modélisation multiphysique en génie électrique, avec une application à l’étude des vibrations d’origine électromagnétique des cages de développantes. Cette étude comporte quatre parties : la construction de la densité de courant, le calcul des forces locales, le transfert de solutions entre maillages et la résolution des problèmes couplés. Un premier enjeu est de correctement représenter les courants, cette opération est effectuée en deux étapes : la construction de la densité de courant et l’annulation de la divergence. Si des structures complexes sont utilisées, l’imposition du courant ne peut pas toujours être réalisée à l’aide de méthodes analytiques. Une méthode basée sur une résolution électrocinétique ainsi qu’une méthode purement géométrique sont testées. Cette dernière donne des résultats plus proches de la densité de courant réelle. Parmi les nombreuses méthodes de calcul de forces, les méthodes des travaux virtuels et des forces de Laplace, considérées par la littérature comme les plus adaptées au calcul des forces locales, ont été étudiées. Nos travaux ont montré que bien que les forces de Laplace sont particulièrement précises, elles ne sont pas valables si la perméabilité n’est plus homogène. Ainsi, la méthode des travaux virtuels, applicable de manière universelle, est préférée. Afin de modéliser des problèmes multi-physiques complexes à l’aide de plusieurs codes de calculs dédiés, des méthodes de transferts entre maillages non conformes ont été développées. Les procédures d’interpolations, les méthodes localement conservatives et les projections orthogonales sont comparées. Les méthodes d’interpolations sont réputées rapides mais très diffusives tandis que les méthodes de projections sont considérées comme les plus précises. La méthode localement conservative peut être vue comme produisant des résultats comparables aux méthodes de projections, mais évite l’assemblage et la résolution de systèmes linéaires. La modélisation des problèmes multi-physiques est abordée à l’aide des méthodes de transferts de solutions. Pour une classe de problème donnée, l’assemblage d’un schéma de couplage n’est pas unique. Des tests sur des cas analytiques sont réalisés afin de déterminer, pour plusieurs types de couplages, les stratégies les plus appropriées.Ces travaux ont permis une application à la modélisation magnéto-mécanique des cages de développantes est présentée. / The modeling of multi-phycics problems in electrical engineering is presented, with an application to the numerical computation of vibrations within the end windings of large turbo-generators. This study is divided into four parts: the impositions of current density, the computation of local forces, the transfer of data between disconnected meshes, and the computation of multi-physics problems using weak coupling, Firstly, the representation of current density within numerical models is presented. The process is decomposed into two stages: the construction of the initial current density, and the determination of a divergence-free field. The representation of complex geometries makes the use of analytical methods impossible. A method based on an electrokinetical problem is used and a fully geometrical method are tested. The geometrical method produces results closer to the real current density than the electrokinetical problem. Methods to compute forces are numerous, and this study focuses on the virtual work principle and the Laplace force considering the recommendations of the literature. Laplace force is highly accurate but is applicable only if the permeability is uniform. The virtual work principle is finally preferred as it appears as the most general way to compute local forces. Mesh-to-mesh data transfer methods are developed to compute multi-physics models using multiples meshes adapted to the subproblems and multiple computational software. The interpolation method, a locally conservative projection, and an orthogonal projection are compared. Interpolation method is said to be fast but highly diffusive, and the orthogonal projections are highly accurate. The locally conservative method produces results similar to the orthogonal projection but avoid the assembly of linear systems. The numerical computation of multi-physical problems using multiple meshes and projections is then presented. However for a given class of problems, there is not an unique coupling scheme possible. Analytical tests are used to determine, for different class of problems, the most accurate scheme. Finally, numerical computations applied to the structure of end-windings is presented.