Cette thèse s'intéresse à des méthodes de points intérieurs et de quasi-Newton en optimisation non linéaire et à leurs mises en oeuvre. On présente le code NOPTIQ utilisant les formules de BFGS à mémoire limitée pour résoudre des problèmes de grande taille. L'originalité de cette approche est l'emploi de ces formules dans le cadre des méthodes de points intérieurs. L'espace mémoire et le coût en opérations du calcul d'une itération sont alors faibles. Le code NOPTIQ est robuste et a des performances comparables avec les codes de références l-BFGS-B et LANCELOT. On présente aussi un algorithme non réalisable utilisant les méthodes précédentes pour résoudre un problème non linéaire avec contraintes d'inégalité et contraintes d'égalité linéaire. L'idée est de pénaliser le problème à l'aide de variables de décalage et d'une variante de la méthode big-M. La convergence q-superlinéaire des itérés internes et la convergence globale des itérés externes sont démontrées.

L'objectif de ce travail était d'une part de développer des méthodes numériques permettant d'estimer de manière satisfaisante les moments résultant, agoniste et antagoniste développés autour d'une articulation et, d'autre part, d'appliquer ces méthodes à l'analyse de la coordination pluri-articulaire d'un mouvement de piétinement. Le problème de la dynamique inverse est résolu à l'aide d'une méthode d'optimisation statique des accélérations qui permet d'estimer les moments résultants en accord avec toutes les mesures cinématiques et dynamiques, tout en respectant les conditions d'équilibre mécanique de chaque segment. Les moments musculaires agoniste et antagoniste sont estimés en conditions dynamiques à l'aide d'une méthode qui comprend une étape de calibration isométrique et une procédure d'optimisation numérique qui utilise les données cinématiques, dynamiques et électromyographiques en entrée. Le modèle tient compte du comportement mécanique des muscles et de leur fonction anatomique pour obtenir une estimation physiologiquement réaliste des moments et un indice de co-contraction fiable a chaque instant du mouvement. Ces modèles sont appliqués à l'étude de la coordination pluri-articulaire d'un mouvement de piétinement, perturbé par le port d'un système élastique à l'articulation du genou. La redondance du système musculo-squelettique permet de gérer localement la perturbation en accroissant la participation des muscles extenseurs au contrôle de la cinématique du genou. Cette stratégie permet de conserver la même cinématique du mouvement et ainsi préserve l'équilibre dynamique du piétinement.

La simulation des systèmes multicorps avec une dynamique non régulière trouve ses applications dans différents domaines comme l'aéronautique, l'automobile, le ferroviaire, la robotique, la réalité virtuelle et même l'industrie horlogère. Ces industries ont de plus en plus d'exigences sur la rapidité ainsi que la précision des méthodes utilisées pour calculer la dynamique. Par conséquent, la recherche dans le domaine de la mécanique non régulière est très active et a pour objectif constant de proposer des algorithmes plus robustes et plus rapides pour calculer la dynamique ainsi que de développer de meilleurs modèles pour le contact avec ou sans frottement. Les méthodes proposées doivent en plus bien gérer les sauts dans la vitesse et l'accélération des systèmes, ces sauts résultent de phénomènes tels que l'impact et le frottement. Dans ce manuscrit, quelques méthodes d'intégration d'équations différentielles algébriques d'index 3, 2 et 1 sont testées sur plusieurs mécanismes industriels avec contraintes unilatérales et bilatérales. Ces méthodes sont ensuite comparées sur la base de la satisfaction des contraintes bilatérales, de l'efficacité numérique et de leur capacité à gérer une dynamique raide. Cette étude a aussi permis d'apporter une réponse claire sur le choix de la méthode d'intégration pour un système mécanique connaissant ses caractéristiques (nombre de contacts, présence de contraintes bilatérales, dynamique raide...). La deuxième partie de ce travail traite certains problèmes qui sont fréquemment rencontrés dans la simulation des systèmes multicorps, notamment: le phénomène d'accumulation des impacts, la résolution du frottement, ainsi que la gestion des sauts qui peuvent être provoqués par la présence de singularités géométriques. Calculer la dynamique dans ces cas est particulièrement difficile dans le cadre des schémas event-driven. La solution proposée est un schéma d'intégration mixte "event-driven/time-stepping" dont le but est d'utiliser les avantages de chacune des familles d'intégration (event-driven et time-stepping). Notre algorithme est ensuite testé sur de nombreux exemples. / The applications of the nonsmooth multibody systems field cover several fields including aeronautics, automotive, robotics, railway, virtual reality and watch industry to cite a few. These industrial applications have ever more stringent requirements on both accuracy and speed of the numerical methods used for the computation of the dynamics. As a consequence, the research in the nonsmooth mechanics domain is very active, to provide better integration methods for the resolution of the equations of motions and to develop better models for the contact problems with and without friction. Since the nonsmooth mechanics framework allows for jumps in the velocity and in the acceleration of the mechanical systems, the resulting algorithms have to handle such non-smoothness. In this PhD, several numerical schemes for the resolution of index-3, index-2 and index-1 DAEs are compared on industrial benchmarks with bilateral and unilateral constraints. The aim is to improve the efficiency of the Ansys Rigid Body solver which is based on an event-driven integration strategy. Points of comparison include the enforcement of the bilateral constraints, time efficiency and handling the stiff dynamics. This study also aimed at having a clear idea on the choice of the most suitable integration method for a given mechanical system knowing its characteristics (number of contacts, presence of bilateral constraints, stiff dynamics...). The second part discusses several issues that frequently occur in the simulation of multibody systems, namely, the problem of accumulation of impacts, the resolution of friction and handling the jumps resulting from the presence of some geometrical singularities. Dealing with such issues is very difficult, especially in the framework of event-driven schemes. In order to handle these problems, a mixed event-driven/time-stepping scheme is developed which takes advantage of both integration families (event-driven and time-stepping). Several examples are used to validate our methodology.

Dans le cadre de la production d'électricité par énergie renouvelable, cette thèse a pour objectif de contribuer à l'amélioration des performances hydrodynamiques des hydroliennes à flux transverse conçues par HydroQuest. Pour y parvenir, deux axes d'étude principaux sont proposés. Le premier consiste à améliorer la compréhension de la performance de l'hydrolienne et de l'écoulement en son sein par voie numérique. L'influence du paramètre d'avance ainsi que celle de la solidité de l'hydrolienne sont étudiées. Les écoulements mis en jeux étant complexes, une méthode de type Simulation des Granges Échelles 3D est utilisée afin de les restituer au mieux. Le phénomène de décrochage dynamique, qui apparaît pour certains régimes de fonctionnement de l'hydrolienne, fait l'objet d'une étude à part entière sur un cas de profil oscillant.Le second axe se concentre sur les carénages de l’hydrolienne qui font l'objet d'une procédure d'optimisation numérique. Afin de pouvoir réaliser les nombreuses simulations requises en un temps réaliste, des méthodes de type Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes 2D moins coûteuses et fournissant une précision suffisante pour ce type d'étude sont utilisées. / Within the renewable electricity production framework, this study aims to contribute to the efficiency improvement of the Vertical Axis Hydrokinetic Turbines designed by HydroQuest. To achieve this objective, two approaches are used. The first consists in the improvement of the comprehension of the turbine efficiency such as the flow through the turbine by numerical means. The influence of the tip speed ratio such as the turbine soldity are investigated. The flow through the turbine is complex. A 3D Large Eddy Simulation type is thus used. The dynamic stall phenomenon which could occur in Vertical Axis Hydrokinetic Turbines is also studied in a oscillating blade configuration.The second approach consists in the numerical optimization of the turbine channeling device. To perform the high number of simulations required, a 2D Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes simulation type is used.

La caractérisation non-destructive de la variabilité spatiale et temporelle de la teneur en eau pour des milieux hétérogènes superficiels est un enjeu de taille pour la compréhension du fonctionnement hydrogéologique de certaines zones critiques.Pour répondre à ces besoins, une candidate potentielle est la méthode de Résonance Magnétique des Protons (RMP), technique géophysique récente qui permet d'imager la teneur en eau de la subsurface de façon directe. Ses déclinaisons opérationnelles en 2-D et en 3-D sont émergentes et nécessitent une étude exhaustive afin d'en comprendre les possibilités et les limitations.Le caractère intégrateur de la mesure RMP, en conjonction avec l'erreur expérimentale qui la contamine, limite la résolution de la méthode. Conséquence : la traduction d'un jeu de mesures sous la forme d'une distribution spatiale de teneur en eau n'est pas unique. Certaines sont plus désirables que d'autres, aussi des aprioris géométriques sont-ils utilisés pour limiter l'espace des solutions possibles. De ce fait, l'estimation qui est faite de la teneur en eau est biaisée (aprioris) et entachée d'incertitudes (bruit), jamais quantifiées à ce jour à plus d'une dimension.Afin de mettre à jour les processus qui vont influencer la résolution spatiale et l'estimation du volume d'eau, les propriétés du problème direct de l'imagerie RMP sont analysées au moyen d'outils non-biaisés telles que les corrélations.Le problème d'imagerie RMP inverse étant non-linéaire, ce travail de thèse propose une méthodologie de reconstruction d'images de la teneur en eau qui offre l'accès aux analyses des incertitudes, axée sur un algorithme d'échantillonnage inverse de Monte-Carlo (Metropolis-Hastings). Une étude intensive des biais introduits par l'apriori sur la reconstruction de différents volumes 3D est effectuée.Enfin, les possibilités d'imageries RMP sont illustrées sur deux cas d'applications réels en milieux hétérogènes karstiques ou thermo-karstiques, validés par comparaison avec d'autres sources d'informations. Le premier cas est une imagerie 2-D du conduit karstique de Poumeyssens, dont la cartographie est connue.Le deuxième cas est l'imagerie 3-D d'une poche d'eau sous-glaciaire dans le glacier de Têre-Rousse laquelle est explorée par de nombreux forages et d'autres méthodes géophysiques. / The non-destructive observation of the ground water content's variaiblity in time and space is a major issue to understand the hydrodynamical functioning of heterogeneous media.Although many geophysical methods derive the water content of the subsurface from intermediate physical parameters, the method of surface nuclear magnetic resonance (SNMR) provide a direct estimate of ground water content. For this method, 2-D or 3-D SNMR tomography applications are only emerging and an in-depth analysis is required to assess their possibilities and limitations.The general resolution of the method is limited because the measurement characterize an important volume and is contaminated by electromagnetic noise. Consequently, the translation of measurement into an image of water content admit many solutions. Among them, several are more desirable than others from a structural/geometrical stand point. Geometrical prior knowledge are used to limit the infinite solution space. The resulting water content estimate is necessarily biased (prior knowledge) and affected by uncertainties (noise). To date, those aspects have never been quantified for 2-D and 3-D SNMR data sets.The processes that are controlling the geometrical rendering and the estimated water volume, properties of the SNMR imaging problem are analyzed using correlations and linear regressions as they are unbiased tools for the data space analysis.As the MRS inverse problem is non-linear, this thesis proposes a monte carlo based methodology (Metropolis- Hastings) to provide water content and uncertainty estimates. As the geometrical prior expectations control the estimates, the resulting bias is explored and discussed for different water content configuration.Finally, the possibilities of MRS imaging are illustrated by means of two highly heterogeneous environments: thermo-karstic and karstic. The results of the MRS imagery are compared and validated with other types of knowledge. The first case is a 2-D imaging of the conduit Poumeyssens karst. The latter geometry is precisely known. The second case is the 3-D imaging of a internal cavity inside the french alp glacier Tete-Rousse, explored by multiple other destructive and non-destructive methods.

Le comportement mécanique d'un nouveau type de tôle sandwich métallique apte à la mise en forme est étudié. La couche cœur est composée de deux tôles gaufrées, brasées entre elles. Contrairement aux panneaux sandwichs conventionnels, ce type de tôle sandwich peut être mis en forme par les techniques traditionnelles de travail des métaux. Dans un premier temps, la géométrie de la structure gaufrée est optimisée afin d'obtenir la couche cœur présentant un rapport raideur au cisaillement - densité relative maximal. L'étude se concentre ensuite sur le comportement plastique de la structure sandwich " optimale " à l'aide de simulations par éléments finis d'expériences multiaxiales. On propose un modèle phénoménologique faisant appel à une loi d'écoulement associée et à un modèle d'écrouissage isotrope avec distorsion. Les paramètres du modèle sont identifiés par une approche inverse à partir d'un essai de traction uniaxial et d'un essai de flexion 4 points. Finalement, des simulations de pliage en U sont réalisées, utilisant un modèle détaillé d'une part et un modèle coque d'autre part. Pour différents outils de mise en forme, un bon accord entre les simulations est observé, validant en partie le modèle phénoménologique proposé.

La microscopie à éclairements structurés(structured illumination microscopy, SIM) permet de dépasser la limite de résolution en microscopie optique due à la diffraction, en éclairant l’objet avec un ensemble de motifs périodiques parfaitement connus. Cependant, il s’avère difficile de contrôler exactement la forme des motifs éclairants. Qui plus est, de fortes distorsions de la grille de lumière peuvent être générées par l’échantillon lui-même dans le volume d’étude, ce qui peut provoquer de forts artefacts dans les images reconstruites. Récemment, des approches dites blind-SIM ont été proposées, où les images sont acquises à partir de motifs d’éclairement inconnus, non-périodiques, de type speckle,bien plus faciles à générer en pratique. Le pouvoir de super résolution de ces méthodes a été observé, sans forcément être bien compris théoriquement. Cette thèse présente deux nouvelles méthodes de reconstruction en microscopie à éclairements structurés inconnus (blind speckle-SIM) : une approche conjointe et une approche marginale. Dans l’approche conjointe, nous estimons conjointement l’objet et les motifs d’éclairement au moyen d’un modèle de type Basis Pursuit DeNoising (BPDN) avec une régularisation en norme lp,q où p=>1 et 0<q<=1. La norme lp,q est introduite afin de prendre en compte une hypothèse de parcimonie sur l’objet. Dans l’approche marginale, nous reconstruisons uniquement l’objet et les motifs d’éclairement sont traités comme des paramètres de nuisance. Notre contribution est double. Premièrement, une analyse théorique démontre que l’exploitation des statistiques d’ordre deux des données permet d’accéder à un facteur de super résolution de deux, lorsque le support de la densité spectrale du speckle correspond au support fréquentiel de la fonction de transfert du microscope. Ensuite, nous abordons le problème du calcul numérique de la solution. Afin de réduire à la fois le coût de calcul et les ressources en mémoire, nous proposons un estimateur marginal à base de patches. L’élément clé de cette méthode à patches est de négliger l’information de corrélation entre les pixels appartenant à différents patches. Des résultats de simulations et en application à des données réelles démontrent la capacité de super résolution de nos méthodes. De plus, celles-ci peuvent être appliquées aussi bien sur des problèmes de reconstruction 2D d’échantillons fins, mais également sur des problèmes d’imagerie 3D d’objets plus épais. / Conventional structured illumination microscopy (SIM) can surpass the resolution limit inoptical microscopy caused by the diffraction effect, through illuminating the object with a set of perfectly known harmonic patterns. However, controlling the illumination patterns is a difficult task. Even worse, strongdistortions of the light grid can be induced by the sample within the investigated volume, which may give rise to strong artifacts in SIM reconstructed images. Recently, blind-SIM strategies were proposed, whereimages are acquired through unknown, non-harmonic,speckle illumination patterns, which are much easier to generate in practice. The super-resolution capacity of such approaches was observed, although it was not well understood theoretically. This thesis presents two new reconstruction methods in SIM using unknown speckle patterns (blind-speckle-SIM): one joint reconstruction approach and one marginal reconstruction approach. In the joint reconstruction approach, we estimate the object and the speckle patterns together by considering a basis pursuit denoising (BPDN) model with lp,q-norm regularization, with p=>1 and 0<q<=1. The lp,q-norm is introduced based on the sparsity assumption of the object. In the marginal approach, we only reconstruct the object, while the unknown speckle patterns are considered as nuisance parameters. Our contribution is two fold. First, a theoretical analysis demonstrates that using the second order statistics of the data, blind-speckle-SIM yields a super-resolution factor of two, provided that the support of the speckle spectral density equals the frequency support of the microscope point spread function. Then, numerical implementation is addressed. In order to reduce the computational burden and the memory requirement of the marginal approach, a patch-based marginal estimator is proposed. The key idea behind the patch-based estimator consists of neglecting the correlation information between pixels from different patches. Simulation results and experiments with real data demonstrate the super-resolution capacity of our methods. Moreover, our proposed methods can not only be applied in 2D super-resolution problems with thin samples, but are also compatible with 3D imaging problems of thick samples.

Dans l'industrie automobile, les réductions de masse permettent des économies de matières premières et des gains importants en performance. Cet allégement ne peut cependant pas se faire au détriment des exigences en matière de confort et de sécurité. Dans ce contexte, l'objectif de l'optimisation topologique est de déterminer, en amont des projets, les caractéristiques générales des pièces mécaniques. Les logiciels commerciaux actuels ne permettant pas l'intégration de toutes les contraintes déclinées sur les projets véhicules, notamment les contraintes vibro-accoustiques, nous proposons dans cette thèse une méthodologie et une solution logicielle associée, permettant la prise en compte d'un cahier des charges conforme à ceux utilisés chez Renault. Nous combinons pour cela la méthode d'optimisation topologique SIMP et l'algorithme d'optimisation numérique FSQP. Après avoir évalué notre méthode sur des cas de géométrie simple, nous montrons son potentiel sur le cas d'une face accessoires.

Plusieurs machines actuellement utilisées, moteurs à combustion interne en automobile ou centrales thermiques dans l'énergie, rejettent de grandes quantités de chaleur. Généralement cette chaleur est dissipée dans l'atmosphère et son énergie perdue. Nous nous sommes donc intéressés aux moteurs à apport de chaleur externe dont l'énergie primaire est de l'énergie thermique, et plus particulièrement aux moteurs Stirling. L'une de ses principales caractéristiques est d'utiliser de la chaleur produite extérieurement comme source d'énergie. Ceci lui permet d'être multi-carburant et même d'utiliser de l'énergie thermique naturelle.L'étude menée comporte deux parties. Tout d'abord un modèle numérique zéro dimension, trois zones en temps fini a été développé. Il prend en compte les échanges thermiques aux parois et les pertes de charge, mais ne préjuge ni des dimensions moteur, ni des conditions de fonctionnement. Ceci lui permet de rester flexible pour s'adapter à l'architecture spécifique du moteur à simuler. Ensuite nous avons réalisé des mesures expérimentales sur deux moteurs de taille et puissance différentes (quelques watts et 1 kW). Ces résultats ont permis de valider le modèle. Au final nous avons obtenu un modèle numérique traduisant l'influence de paramètres dimensionnels et fonctionnels sur la puissance du moteur Stirling.Un outil d'aide à la conception de moteur Stirling a été développé en ajoutant au modèle un algorithme d'optimisation. Il permet une ébauche des caractéristiques d'un moteur Stirling. En fonction de l'application souhaitée et des contraintes s'y appliquant, il agit sur les caractéristiques choisies par l'utilisateur pour maximiser les performances.

Ce travail de recherche est consacré à l'élaboration et le développement d'une nouvelle méthode d'estimation<br />et de reconstruction de signaux fortement non-stationnaires, modulés non-linéairement à la fois<br />en amplitude et en fréquence. L'estimation de tels signaux dans un contexte trés bruité est un problème<br />délicat et les méthodes existantes de la littérature présentent plusieurs inconvénients dans ce cas.<br />Nous avons montré comment une approche locale permet une meilleure adaptabilité du modèle à la<br />nature des variations locales des amplitudes et des fréquences instantanées. Les résultats de l'estimation<br />sont par conséquent améliorés. L'originalité de la méthode proposée tient à l'application de modèles paramétriques bien adaptés sur des segments temporels de courtes durées extraits du signal étudié. Nous<br />avons proposé une stratégie de segmentation puis une stratégie de fusion des segments estimés permettant<br />la reconstruction du signal dans la totalité de sa durée. L'approche proposée permet de s'affranchir d'un<br />modèle global du signal requérant un ordre d'approximation élevé.<br />La validation de l'efficacité de l'estimation a été effectuée au préalable sur un segment temporel court.<br />Le modèle considéré localement consiste en une approximation polynomiale de la fréquence et de l'amplitude<br />exprimée dans une base polynomiale discrète et orthonormale que nous avons calculée. Cette base<br />permet de réduire le couplage entre les paramètres du modèle. Nous proposons et comparons deux techniques<br />différentes pour estimer ces derniers. La première est fondée sur la maximisation de la fonction<br />de vraisemblance en utilisant la technique d'optimisation stochastique le recuit simulé. Tandis que la<br />deuxième se base sur une approche Bayésienne employant les méthodes MCMC simulées par l'algorithme<br />de Metroplois-Hastings.<br />Nous montrons, sur des simulations et également sur des signaux réels, que l'approche proposée fournit<br />de bons résultats d'estimation par comparaison à celles de la HAF.