Les dernières décennies ont vu l’émergence de formes architecturales non standard. Les concepteurs se retrouvent généralement démunis face à la complexité géométrique de ces objets, dont la fabrication rime souvent avec complication. De plus, les outils utilisés dissocient forme et fonctionnement structurel,ce qui complexifie le processus de décision pour ingénieurs et architectes. Ce mémoire prend un point de vue fondé sur la notion d’invariance par transformation géométrique et étudie plusieurs strategies de génération de formes naturellement constructibles pour remédier à ces manques. Trois contraintes constructives ont été identifiées et correspondent à trois contributions indépendantes de cette thèse.La répétition des noeuds d’assemblage est étudiée via les transformations par maillages parallèles. Ces dernières sont utilisées pour créer une généralisation des surfaces de révolution. On retrouve par là un paramétrage particulier des surfaces moulures de Monge avec une grande répétition d’éléments, et notamment de noeuds d’assemblage.Les réseaux de cyclides sont ensuite utilisés pour dessiner des formes parametrées par leurs lignes de courbures. Cela permet la couverture par panneaux plans ainsi que l’offset des éléments structurels sans excentricité. L’apport de cette thèse est l’implémentation de plusieurs améliorations, notamment l’introduction de plis à double courbure, un algorithme permettant de généraliser les réseaux de cyclides à des topologies quelconques, et la génération de surfaces généralisant les surfaces canal à partir de deux courbes rail et une courbe profil.Finalement, une méthode innovante inspirée de la géométrie descriptive permettant la génération de formes courbes couvertes par des quadrilatères plans est proposée. La méthode, baptisée méthode marionnette, réduit ce problème à un système linéaire, ce qui permet une manipulation de ces forms constructibles en temps réel. Une étude comparative montre que cette technique peut être utilisée pour paramétrer des problèmes d’optimisation de forme de coques sans perte de performance par rapport aux paramétrages utilisés de façon classique. L’intégration des contraintes de fabrication dans le processus d’optimisation structurelle ouvre de nouvelles possibilités d’applications, comme des résilles gauches et des coques plissées. La pertinence de ces nouvelles solutions est démontrée par de multiples études de cas / The last decades have seen the emergence of non-standard architectural shapes. Designers find often themselves helpless with the geometrical complexity of these objects. Furthermore, the available tools dissociate shape and structural behaviour, which adds another complication. This dissertation takes the point of view based on invariance under geometrical transformations, and studies several strategies for fabrication-aware shape modelling. Three technological constraints have been identified and correspond to three independent contributions of this thesis.The repetition of nodes is studied via transformations by parallelism. They are used to generalise surfaces of revolution. A special parametrisation of moulding surfaces is found with this method. The resulting structure has a high node congruence.Cyclidic nets are then used to model shapes parametrised by their lines of curvature. This guarantees meshing by planar panels and torsion-free beam layout. The contribution of this dissertation is the implementation of several improvements, like doubly-curved creases, a hole-filling strategy that allows the extension of cyclidic nets to complex topologies, and the generation of a generalisation of canal surfaces from two rail curves and one profile curves.Finally, an innovative method inspired by descriptive geometry is proposed to generate doubly-curved shapes covered with planar facets. The method, called marionette technique, reduces the problem to a linear problem, which can be solved in real-time. A comparative study shows that this technique can be used to parametrise shape optimisation of shell structures without loss of performance compared to usual modelling technique. The handling of fabrication constraints in shape optimisation opens new possibilities for its practical application, like gridshells or plated shell structures. The relevance of those solutions is demonstrated through multiple case-studies

Cette thèse présente une approche globale d’optimisation vis-à-vis de la fatigue des matériaux et structures en alliages à mémoire de forme (AMF). Cette approche s’articule en trois étapes : i) Le développement d’une loi de comportement capable de prédire la réponse thermomécanique à l’état stabilisé d’une structure en AMF sous chargement cyclique multiaxial non proportionnel. On prend notamment en compte la dépendance de la déformation résiduelle par rapport à la température. Par ailleurs, la méthode LATIN à grand incrément de temps a été généralisée pour les AMF dans le cadre du modèle ZM. Ceci permet de résoudre les problèmes de convergence numérique rencontrés lorsque le processus de transformation de phase se produit avec une pente du plateau de transformation faible. ii) Le développement d’un critère de fatigue à grand nombre de cycles pour les AMF. Ce critère s’inscrit dans le cadre de la théorie d’adaptation à l’instar du critère de Dang Van pour les métaux élasto-plastiques. Le critère proposé permet de calculer en chaque point de la structure en AMF un facteur de fatigue indiquant son degré de dangerosité. iii) Le développement d’une approche d’optimisation structurale qui peut être utilisée pour améliorer la durée de vie en fatigue prédite par le critère proposé dans la deuxième partie. Des exemples numériques sont traités pour valider chaque étape. L‘approche globale a par ailleurs été testée et validée pour l’optimisation structurale d’un stent. / This thesis presents a comprehensive and effi cient structural optimization approach for shape memory alloys (SMAs) with respect to fatigue. The approach consists of three steps: First, the development of a suitable constitutive model capable of predicting, with good accuracy, the stabilized thermomechanical stress state of a SMA structure subjected to multiaxial nonproportional cyclic loading. The dependence of the saturated residual strain on temperature and loading rate is discussed. In order to overcome numerical convergence problems in situations where the phase transformation process presents little or no positivehardening, the large time increment method (LATIN) is utilized in combination with the ZM (Zaki-Moumni) model to simulate SMA structures instead of conventional incremental methods. Second, a shakedown-based fatigue criterion analogous to the Dang Van model for elastoplastic metals is derived for SMAs to predict whether a SMA structure subjected to high-cycle loading would undergo fatigue. The proposed criterion computes a fatigue factor at each material point, indicating its degree of safeness with respect to high-cycle fatigue. Third, a structural optimization approach, which can be used to improve the fatigue lifetime estimated using the proposed fatigue criterion is presented. The prospects of this work include the validation of the optimization approach with experimental data.

La thèse se concentre sur une recherche méthodologique sur l'optimisation structurelle catégorielle au moyen d'un apprentissage multiple. Dans cette thèse, les variables catégorielles non ordinales sont traitées comme des variables discrètes multidimensionnelles. Afin de réduire la dimensionnalité, les nombreuses techniques d'apprentissage sont introduites pour trouver la dimensionnalité intrinsèque et mapper l'espace de conception d'origine sur un espace d'ordre réduit. Les mécanismes des techniques d'apprentissage à la fois linéaires et non linéaires sont d'abord étudiés. Ensuite, des exemples numériques sont testés pour comparer les performances de nombreuses techniques d’apprentissage. Sur la base de la représentation d'ordre réduit obtenue par Isomap, les opérateurs de mutation et de croisement évolutifs basés sur les graphes sont proposés pour traiter des problèmes d'optimisation structurelle catégoriels, notamment la conception du dôme, du cadre rigide de six étages et des structures en forme de dame. Ensuite, la méthode de recherche continue consistant à déplacer des asymptotes est exécutée et fournit une solution compétitive, mais inadmissible, en quelques rares itérations. Ensuite, lors de la deuxième étape, une stratégie de recherche discrète est proposée pour rechercher de meilleures solutions basées sur la recherche de voisins. Afin de traiter le cas dans lequel les instances de conception catégorielles sont réparties sur plusieurs variétés, nous proposons une méthode d'apprentissage des variétés k-variétés basée sur l'analyse en composantes principales pondérées. / The thesis concentrates on a methodological research on categorical structural optimizationby means of manifold learning. The main difficulty of handling the categorical optimization problems lies in the description of the categorical variables: they are presented in a category and do not have any orders. Thus the treatment of the design space is a key issue. In this thesis, the non-ordinal categorical variables are treated as multi-dimensional discrete variables, thus the dimensionality of corresponding design space becomes high. In order to reduce the dimensionality, the manifold learning techniques are introduced to find the intrinsic dimensionality and map the original design space to a reduced-order space. The mechanisms of both linear and non-linear manifold learning techniques are firstly studied. Then numerical examples are tested to compare the performance of manifold learning techniques mentioned above. It is found that the PCA and MDS can only deal with linear or globally approximately linear cases. Isomap preserves the geodesic distances for non-linear manifold however, its time consuming is the most. LLE preserves the neighbour weights and can yield good results in a short time. KPCA works like a non-linear classifier and we proves why it cannot preserve distances or angles in some cases. Based on the reduced-order representation obtained by Isomap, the graph-based evolutionary crossover and mutation operators are proposed to deal with categorical structural optimization problems, including the design of dome, six-story rigid frame and dame-like structures. The results show that the proposed graph-based evolutionary approach constructed on the reduced-order space performs more efficiently than traditional methods including simplex approach or evolutionary approach without reduced-order space. In chapter 5, the LLE is applied to reduce the data dimensionality and a polynomial interpolation helps to construct the responding surface from lower dimensional representation to original data. Then the continuous search method of moving asymptotes is executed and yields a competitively good but inadmissible solution within only a few of iteration numbers. Then in the second stage, a discrete search strategy is proposed to find out better solutions based on a neighbour search. The ten-bar truss and dome structural design problems are tested to show the validity of the method. In the end, this method is compared to the Simulated Annealing algorithm and Covariance Matrix Adaptation Evolutionary Strategy, showing its better optimization efficiency. In chapter 6, in order to deal with the case in which the categorical design instances are distributed on several manifolds, we propose a k-manifolds learning method based on the Weighted Principal Component Analysis. And the obtained manifolds are integrated in the lower dimensional design space. Then the method introduced in chapter 4 is applied to solve the ten-bar truss, the dome and the dame-like structural design problems.

L’amplification optique large bande à base de SOA est devenue indispensable pour la montée en débit des systèmes de transmissions optiques et pour pouvoir exploiter au mieux la bande optique des fibres optiques. Ce travail présente une étude théorique et expérimentale d’un SOA large bande passante développé par Alcatel Thales III-V Lab dans le cadre des projets ANR AROME et UltraWIDE. Dans cette thèse, nous avons d’abord effectué une modélisation semi-phénoménologique du gain matériau et du coefficient de gain d’une structure à base de multi-puits quantiques avec un nombre réduit de paramètres. L’intégration de notre modèle dans un modèle de SOA déjà développé au laboratoire a montré son efficacité pour restituer quantitativement le comportement statiques (gain, facteur de bruit) des nouvelles structures SOA large bande sur une large plage de longueurs d’onde (> 110 nm), de courants d’alimentation et de puissances optiques. A l’aide de ce modèle, nous avons étudié l’influence de la structure du SOA sur la bande passante pour un gain cible en jouant sur la longueur, le nombre d’électrode et le courant d’alimentation du SOA. Nous avons mis en évidence qu’une structure bi-électrodes n’apportait pas d’amélioration de la bande passante optimisée par rapport au cas mono-électrode. En revanche, la structure bi-électrode permet d’optimiser la puissance de saturation et le facteur de bruit du SOA, sans sacrifier ni le gain maximal ni la bande passante optique. Nous avons aussi montré que, pour ce type de composants, une augmentation de la puissance optique injectée pouvait être compensée par une augmentation du courant d’alimentation pour maintenir une large bande passante optique. Nous avons également mis en place deux techniques d’élargissement de la bande passante optique de SOA à large bande. La première technique est fondée sur le filtrage en réflexion spectralement sélectif (ESOA). Le dispositif expérimental a permis d’amplifier simultanément 8 canaux CWDM dans une bande passante (définie à −1 dB) de 140 nm. La deuxième technique, basée sur un amplificateur hybride Raman-SOA, a fourni une bande passante optique (définie à −1 dB) de 89 nm avec un gain de 17 dB. Nous avons ainsi pu réaliser une transmission simultanée de 5 canaux CWDM allant jusqu’à 10 Gb/s sur 100 km. / SOA-based optical amplification became crucial for increasing optical system capacity and to benefit from the broad bandwidth of optical fibers. In this work we present both theoretical and experimental studies for a new broadband SOA developed by Alcatel Thales III-V lab in the framework of AROME and UltraWIDE ANR projects.We developed firstly a semi-phenomenological model for both the material gain and the gain coefficient of a multi-quantum well -based SOA structure with a reduced set of parameters. This material gain model has been integrated in an existing SOA model and proved its performance in reproducing steady state behavior of this new broadband SOA (gain and noise figure) for a wide range of wavelengths, input powers and bias currents. Thanks to this model, we studied the influence of the SOA geometrical structure on the optical bandwidth for a given target gain, by varying length, number of electrodes and bias current. We showed that two-electrode SOA structures do not provide any improvement of the bandwidth compared to the one-electrode case. However, the two-electrode structure allows the optimization of both the SOA saturation power and the noise figure, without sacrificing neither the maximum gain nor the optical bandwidth. We have also shown that for this kind of component, an increase in the injected optical power could be compensated by an increase in the supply current to maintain a wide optical bandwidth.We have also investigated two techniques to widen the optical bandwidth of our broadband SOA. The first one is based on a modification of the SOA structure by introducing a selective reflection filter (ESOA). Its experimental implementation allowed the amplification of an 8-CWDM-channel comb in a bandwidth (defined at -1 dB) of 140 nm. The second one, based on a hybrid Raman-SOA amplifier, provided an optical bandwidth (defined at -1 dB) of 89 nm with a gain of 17 dB. With this last technique, we were able to achieve a 5-CWDM-channel comb transmission up to 10 Gb/s over 100 km.