Les bétons sont des matériaux composites à la microstructure complexe et constitués de phases dont le contraste des propriétés physiques et mécaniques peut être très grand. Ces matériaux posent des difficultés aux approches macroscopiques lorsqu'il s'agit de maîtriser leurs comportements effectifs comme celui du fluage. Malgré ces difficultés, EDF doit se doter d'outils permettant de modéliser de façon prédictive l'évolution des bétons des ouvrages en service ou de prescrire lecahier des charges des bétons de nouvelles installations. Ayant pour objectif de contribuer à la résolution de ce problème, ce travail de thèse développe des méthodes numériques multi échelle pour le calcul des structures constituées de matériaux fortement hétérogènes élastiques ou viscoélastiques. Plus précisément, ce travail de thèse comporte trois parties. Dans la première partie, nous nous intéressons à un composite constitué d'une matrice élastique renforcée par des inclusionsélastiques dont les formes géométriques peuvent être quelconques et dont la fraction volumique peut être importante. Pour modéliser ce matériau composite, une première approche numérique consistant à combiner la méthode des éléments finis étendus (XFEM) standard et la méthode "level-set" (LS) classique est d'abord utilisée. Nous montrons que cette première approche numérique, qui apparaît naturelle, induit en fait plusieurs artefacts numériques non rapportés dans la littérature, conduisant en particulier à une convergence non optimale par rapport à la finessedu maillage. Par suite, nous élaborons une nouvelle approche numérique ($mu $-XFEM) basée sur la description des interfaces par des courbes de niveaux multiples et sur un enrichissement augmenté permettant de prendre en compte plusieurs interfaces dans un même élément. Nous démontrons au travers des comparaisons et exemples que la convergence est améliorée de manière substantielle par rapport à la première approche numérique. Dans la deuxième partie, nous proposons une nouvelle méthode pour calculer les déformations différées des structures composées de matériaux hétérogènes viscoélastiques linéaires. Contrairement aux approches proposées jusqu'à présent, notre méthode opère directement dans l'espace temporel et permet d'extraire de manière séquentielle le comportement homogénéisé d'un matériau hétérogène viscoélastique linéaire. Concrètement, les composantes du tenseur de relaxation effectif du matériau sont d'abord obtenues à partir d'un volume élémentaire représentatif et échantillonnées au cours du temps. Une technique d'interpolation et un algorithme implicite permettent ensuite d'évaluer numériquement la réponse temporelle du matériau par le biais d'un produit de convolution. Les déformations différées des structures sont enfin calculées par la méthode des éléments finis classique. Différents tests sont effectués pour évaluer la qualité et l'efficacité de la méthode proposée, montrant que cette dernière permet d'avoir un gain en temps de l'ordre de plusieurs centaines par rapport aux approches de type éléments finis multiniveaux. La troisième partie est consacrée à l'étude de la structure de l'enceinte de confinement d'un réacteur nucléaire. Nous prenons en compte les quatre niveaux d'échelles associés à la pâte deciment, au mortier, au béton et à la structure en béton précontraint par des câbles en acier. La méthode numérique d'homogénéisation élaborée dans la seconde partie est appliquée afin de construire les lois de comportement pour chacun des trois premiers niveaux. Les résultats obtenus présentent un intérêt pratique pour résoudre des problèmes posés par EDF / Concretes are composite materials having complex microstructure and consisting of phases whose physical and mechanical properties can exhibit high contrast. Difficulties arise when macroscopic approaches are used to evaluate their effective behaviors such as the creeping one. Despite thesedifficulties, EDF has to be endowed with tools allowing to model in a predictive way the evolution of concrete structures in service or to prescribe the specifications of concrete for new facilities. Aimed to contribute to solving this problem, this thesis develops multi-scale numerical methods for the computation of structures made of highly heterogeneous elastic or viscoelastic materials. More precisely, this thesis comprises three parts. In the first part, we focus on a composite consisting of an elastic matrix reinforced by elastic inclusions which may be of any geometric shapes and whose volume fraction can be significant. To model this composite material, a first numerical approach which combines the standard extended finite element method (XFEM) and the classical level-set method (LSM) is used. We show that this numerical approach, which appears natural, leads in fact to several numerical artefacts having not been reported in the literature, giving rise in particular to non-optimal convergence with respect to the fineness of the mesh. In view of this, we develop a new numerical approach based on the description of the interfaces with multiple level sets and augmented enrichment so as to account for multiple interfaces in a single finite element. We demonstrate through examples and benchmarks that the proposed method significantly improves convergence compared to the first numerical approach. In the second part, we elaborate a new method to compute the creeping of structures formed of linearly viscoelastic heterogeneous materials. Unlike the approaches proposed up to now, our method operates directly in the time space and allows to sequentially extract the homogenized properties of a linearly viscoelastic heterogeneous material. Precisely, the components of the effective relaxation tensor of the material is first obtained from a representative volume element and sampled over time. An interpolation technique and an implicit algorithm are then used to numerically evaluate the time-dependent response of the material through a convolution product. The creeping of structures is finally calculated by the classical finite element method. Various tests are performed to assess the quality and effectiveness of the proposed method, showing that it can give a gain of time of the order of several hundreds compared to approaches such as multi-level finite element. The third part of the thesis is devoted to the study of the structure of containment of a nuclear reactor. We consider four scale levels associated with cement paste, mortar, concrete and a pre-stressed concrete structure with steel cables. The numerical method of homogenization developed in the second part is applied to construct the constitutive equations for each of the first three scale levels. The results thus obtained are useful for solving some practical problems posed by EDF

Dans une première partie, nous étudions des schémas numériques utilisant la méthode des éléments finis pour discrétiser le système d'équations Oldroyd-B modélisant un fluide viscolélastique avec conditions de collement dans un domaine borné, en dimension deux ou trois. Le but est d'obtenir des schémas stables au sens où ils dissipent une énergie libre, imitant ainsi des propriétés thermodynamiques de dissipation similaires à celles identifiées pour des solutions régulières du modèle continu. Cette étude s'ajoute a de nombreux travaux antérieurs sur les instabilités observées dans les simulations numériques d'équations viscoélastiques (dont celles connues comme étant des Problèmes à Grand Nombre de Weissenberg). A notre connaissance, c'est la première étude qui considère rigoureusement la stabilité numérique au sens de la dissipation d'une énergie pour des discrétisations de type Galerkin. Dans une seconde partie, nous adaptons et utilisons les idées d'une méthode numérique initialement développée dans des travaux de Y. Maday, A. T. Patera et al., la méthode des bases réduites, pour simuler efficacement divers modèles multi-échelles. Le principe est d'approcher numériquement chaque élément d'une collection paramétrée d'objets complexes dans un espace de Hilbert par la plus proche combinaison linéaire dans le meilleur sous-espace vectoriel engendré par quelques éléments bien choisis au sein de la même collection paramétrée. Nous appliquons ce principe pour des problèmes numériques liés : à l'homogénéisation numérique d'équations elliptiques scalaires du second-ordre, avec coefficients de diffusion oscillant à deux échelles, puis ; à la propagation d'incertitudes (calculs de moyenne et de variance) dans un problème elliptique avec coefficients stochastiques (un champ aléatoire borné dans une condition de bord du troisième type), enfin ; au calcul Monte-Carlo de l'espérance de nombreuses variables aléatoires paramétrées, en particulier des fonctionnelles de processus stochastiques d'Itô paramétrés proches de ce qu'on rencontre dans les modèles micro-macro de fluides polymériques, avec une variable de contrôle pour en réduire la variance. Dans chaque application, le but de l'approche bases-réduites est d'accélérer les calculs sans perte de précision / In a first part, we study numerical schemes using the finite-element method to discretize the Oldroyd-B system of equations, modelling a viscoelastic fluid under no flow boundary condition in a 2- or 3- dimensional bounded domain. The goal is to get schemes which are stable in the sense that they dissipate a free-energy, mimicking that way thermodynamical properties of dissipation similar to those actually identified for smooth solutions of the continuous model. This study adds to numerous previous ones about the instabilities observed in the numerical simulations of viscoelastic fluids (in particular those known as High Weissenberg Number Problems). To our knowledge, this is the first study that rigorously considers the numerical stability in the sense of an energy dissipation for Galerkin discretizations. In a second part, we adapt and use ideas of a numerical method initially developped in the works of Y. Maday, A.T. Patera et al., the reduced-basis method, in order to efficiently simulate some multiscale models. The principle is to numerically approximate each element of a parametrized family of complicate objects in a Hilbert space through the closest linear combination within the best linear subspace spanned by a few elementswell chosen inside the same parametrized family. We apply this principle to numerical problems linked : to the numerical homogenization of second-order elliptic equations, with two-scale oscillating diffusion coefficients, then ; to the propagation of uncertainty (computations of the mean and the variance) in an elliptic problem with stochastic coefficients (a bounded stochastic field in a boundary condition of third type), last ; to the Monte-Carlo computation of the expectations of numerous parametrized random variables, in particular functionals of parametrized Itô stochastic processes close to what is encountered in micro-macro models of polymeric fluids, with a control variate to reduce its variance. In each application, the goal of the reduced-basis approach is to speed up the computations without any loss of precision

Se cree que la medicina in silico supondrá uno de los cambios más disruptivos en el futuro próximo. A lo largo de la última década se ha invertido un gran esfuerzo en el desarrollo de modelos computacionales predictivos para mejorar el poder de diagnóstico de los médicos y la efectividad de las terapias. Un punto clave de esta revolución, será la personalización, que conlleva en la mayoría de los casos, la creación de modelos computacionales específicos de paciente, también llamados gemelos digitales. Esta práctica está actualmente extendida en la investigación y existen en el mercado varias herramientas de software que permiten obtener modelos a partir de imágenes. A pesar de eso, para poderse usar en la práctica clínica, estos métodos se necesita reducir drásticamente el tiempo y el trabajo humano necesarios para la creación de los modelos numéricos. Esta tésis se centra en la propuesta de la versión basada en imágenes del Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM), una técnica para obtener de forma automática modelos a partir de imágenes y llevar a cabo análisis estructurales lineales de huesos, implantes o materiales heterogéneos. En la técnica propuesta, tras relacionar la escala de los datos de la imágen con valores de propiedades mecánicas, se usa toda la información contenida en los píxeles para evaluar las matrices de rigidez de los elementos que homogenizan el comportamiento elástico de los grupos de píxeles contenidos en cada elemento. Se h-adapta una malla cartesiana inicialmente uniforme a las características de la imágen usando un procedimiento eficiente que tiene en cuenta las propiedades elásticas locales asociadas a los valores de los píxeles. Con eso, se evita un suavizado excesivo de las propiedades elásticas debido a la integración de los elementos en áreas altamente heterogéneas, pero, no obstante, se obtienen modelos finales con un número razonable de grados de libertad. El resultado de este proceso es una malla no conforme en la que se impone la continudad C0 de la solución mediante restricciones multi-punto en los hanging nodes. Contrariamente a los procedimientos estandar para la creación de modelos de Elementos Finitos a partir de imágenes, que normalmente requieren la definición completa y watertight de la geometrá y tratan el resultado como un CAD estandar, con cgFEM no es necesario definir ninguna entidad geométrica dado que el procedimiento propuesto conduce a una definición implícita de los contornos. Sin embargo, es inmediato incluirlas en el modelo en el caso de que sea necesario, como por ejemplo superficies suaves para imponer condiciones de contorno de forma más precisa o volúmenes CAD de dispositivos para la simulación de implantes. Como consecuencia de eso, la cantidad de trabajo humano para la creación de modelos se reduce drásticamente. En esta tesis, se analiza en detalles el comportamiento del nuevo método en problemas 2D y 3D a partir de CT-scan y radiográfias sintéticas y reales, centrandose en tres clases de problemas. Estos incluyen la simulación de huesos, la caracterización de materiales a partir de TACs, para lo cual se ha desarrollado la cgFEM virtual characterisation technique, y el análisis estructural de futuros implantes, aprovechando la capacidad del cgFEM de combinar fácilmente imágenes y modelos de CAD. / Es creu que la medicina in silico suposarà un dels canvis més disruptius en el futur pròxim. Al llarg de l'última dècada, s'ha invertit un gran esforç en el desenvolupament de models computacionals predictius per millorar el poder de diagnòstic dels metges i l'efectivitat de les teràpies. Un punt clau d'aquesta revolució, serà la personalització, que comporta en la majoria dels casos la creació de models computacionals específics de pacient. Aquesta pràctica està actualment estesa en la investigació i hi ha al mercat diversos software que permeten obtenir models a partir d'imatges. Tot i això, per a poder-se utilitzar en la pràctica clínica aquests métodes es necessita reduir dràsticament el temps i el treball humà necessaris per a la seva creació. Aquesta tesi es centra en la proposta d'una versió basada en imatges del Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM), una técnica per obtenir de forma automàticament models a partir d'imatges i dur a terme anàlisis estructurals lineals d'ossos, implants o materials heterogenis. Després de relacionar l'escala del imatge a propietats macàniques corresponents, s'usa tota la informació continguda en els píxels per a integrar les matrius de rigidesa dels elements que homogeneïtzen el comportament elàstic dels grups de píxels continguts en cada element. Es emphh-adapta una malla inicialment uniforme a les característiques de la imatge usant un procediment eficient que té en compte les propietats elàstiques locals associades als valors dels píxels. Amb això, s'evita un suavitzat excessiu de les propietats elàstiques a causa de la integració dels elements en àrees altament heterogénies, però, tot i això, s'obtenen models finals amb un nombre raonable de graus de llibertat. El resultat d'aquest procés és una malla no conforme en la qual s'imposa la continuïtat C0 de la solució mitjançant restriccions multi-punt en els hanging nodes. Contràriament als procediments estàndard per a la creació de models d'Elements finits a partir d'imatges, que normalment requereixen la definició completa i watertight de la geometria i tracten el resultat com un CAD estàndard, amb cgFEM no cal definir cap entitat geométrica. No obstant això, és immediat incloure-les en el model en el cas que sigui necessari, com ara superfícies suaus per imposar condicions de contorn de forma més precisa o volums CAD de dispositius per a la simulació d'implants. Com a conseqüéncia d'això, la quantitat de treball humà per a la creació de models es redueix dràsticament. En aquesta tesi, s'analitza en detalls el comportament del nou métode en problemes 2D i 3D a partir de CT-scan i radiografies sintétiques i reals, centrant-se en tres classes de problemes. Aquestes inclouen la simulació d'ossos, la caracterització de materials a partir de TACs, per a la qual s'ha desenvolupat la cgFEM virtual characterisation technique, i l'anàlisi estructural de futurs implants, aprofitant la capacitat del cgFEM de combinar fàcilment imatges i models de CAD. / In silico medicine is believed to be one of the most disruptive changes in the near future. A great effort has been carried out during the last decade to develop predicting computational models to increase the diagnostic capabilities of medical doctors and the effectiveness of therapies. One of the key points of this revolution, will be personalisation, which means in most of the cases creating patient specific computational models, also called digital twins. This practice is currently wide-spread in research and there are quite a few software products in the market to obtain models from images. Nevertheless, in order to be usable in the clinical practice, these methods have to drastically reduce the time and human intervention required for the creation of the numerical models. This thesis focuses on the proposal of image-based Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM), a technique to automatically obtain numerical models from images and carry out linear structural analyses of bone, implants or heterogeneous materials. In the method proposed in this thesis, after relating the image scale to corresponding elastic properties, all the pixel information will be used for the integration of the element stiffness matrices, which homogenise the elastic behaviour of the groups of pixels contained in each element. An initial uniform Cartesian mesh is h-adapted to the image characteristics by using an efficient refinement procedure which takes into account the local elastic properties associated to the pixel values. Doing so we avoid an excessive elastic property smoothing due to element integration in highly heterogeneous areas, but, nonetheless obtain final models with a reasonable number of degrees of freedom. The result of the process is non-conforming mesh in which C0 continuity is enforced via multipoint constraints at the hanging nodes. In contrast to the standard procedures for the creation of Finite Element models from images, which usually require a complete and watertight definition of the geometry and treat the result as a standard CAD, with cgFEM it is not necessary to define any geometrical entity, as the procedure proposed leads to an implicit definition of the boundaries. Nonetheless, they are straightforward to include in the model if necessary, such as smooth surfaces to impose the boundary conditions more precisely or CAD device volumes for the simulation of implants. As a consequence, the amount of human work required for the creation of the numerical models is drastically reduced. In this thesis, we analyse in detail the new method behaviour in 2D and 3D problems from CT-scans and X-ray images and synthetic images, focusing on three classes of problems. These include the simulation of bones, the material characterisation of solid foams from CT scans, for which we developed the cgFEM virtual characterisation technique, and the structural analysis of future implants, taking advantage of the capability of cgFEM to easily mix images and CAD models. / Giovannelli, L. (2018). Direct creation of patient-specific Finite Element models from medical images and preoperative prosthetic implant simulation using h-adaptive Cartesian grids [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/113644 / TESIS