Une méthodologie générale de simplification de modèles éléments finis de structures à comportement de poutre est proposée dans ce mémoire. Elle concerne les structures mécaniques constituées de composants qui présentent un comportement dynamique global de poutre dans le domaine fréquentiel d'utilisation. C'est en particulier le cas des véhicules automobiles, dont l'ossature comporte des corps creux et des profilés modélisés finement par des éléments finis de type coque. Le principe de simplification mis en oeuvre consiste à remplacer le maillage fin de ces sous-structures par un modèle " équivalent " constitué d'éléments finis de poutre adéquats, réduisant ainsi de manière drastique la taille du modèle sans dégradation significative de sa précision. On propose une méthode originale permettant d'identifier de manière automatique tous les paramètres physiques à introduire dans le modèle équivalent, basé sur la formulation de Timoshenko et prenant en compte le couplage dynamique flexion-torsion. Les nombreux tests numériques présentés mettent en évidence les performances et la fiabilité de la stratégie élaborée. Son adaptation à des structures industrielles de forme complexe, ainsi que l'efficacité du logiciel d'application développé à cet effet, sont illustrées dans ce mémoire.

Ce travail de recherche est dédié à la simulation de la réponse transitoire des assemblages de poutres soumis à des chocs. De tels chargements entraînent la propagation d'ondes haute fréquence dans l'ensemble de la structure. L'énergie qu'elles transportent peut être dommageable pour son fonctionnement ou celui des équipements embarqués. Dans des études précédentes, il a été observé sur des structures expérimentales qu'un régime vibratoire diffusif tend à s'installer pour des temps longs. Le but de cette étude est donc de développer un modèle robuste de la réponse transitoire des assemblages de poutres soumis à des chocs permettant de simuler, entre autres, cet état diffusif. Les champs de déplacement étant très oscillants et la densité modale élevée, la simulation numérique de la réponse transitoire à des chocs peut difficilement être menée par une méthode d'éléments finis classique. Une approche utilisant un estimateur de la densité d'énergie de chaque mode de propagation a donc été mise en œuvre. Elle permet d'accéder à des informations locales sur les états vibratoires, et de contourner certaines limitations intrinsèques aux longueurs d'onde courtes. Après avoir comparé plusieurs modèles de réduction cinématique de poutre à un modèle de Lamb de propagation dans un guide d'ondes circulaire, la cinématique de Timoshenko a été retenue afin de modéliser le comportement mécanique haute fréquence des poutres. En utilisant ce modèle dans le cadre de l'approche énergétique évoquée plus haut, deux groupes de modes de propagation de la densité d'énergie vibratoire dans une poutre ont été isolés : des modes longitudinaux regroupant un mode de compression et des modes de flexion, et des modes transversaux regroupant des modes de cisaillement et un mode de torsion. Il peut être également montré que l''evolution en temps des densités d'énergie associées obéit à des lois de transport. Pour des assemblages de poutres, les phénomènes de réflexion/transmission aux jonctions ont du être pris en compte. Les opérateurs permettant de les décrire en termes de flux d''energie ont été obtenus grâce aux équations de continuité des déplacements et des efforts aux jonctions. Quelques caractéristiques typiques d'un régime haute fréquence ont été mises en évidence, tel que le découplage entre les modes de rotation et les modes de translation. En revanche, les champs de densité d'énergie sont quant à eux discontinus aux jonctions. Une méthode d'éléments finis discontinus a donc été développée afin de les simuler numériquement comme solutions d''equations de transport. Si l'on souhaite atteindre le régime diffusif aux temps longs, le schéma numérique doit être peu dissipatif et peu dispersif. La discrétisation spatiale a été faite avec des fonctions d'approximation de type spectrales, et l'intégration temporelle avec des schémas de Runge-Kutta d'ordre élevé du type "strong stability preserving". Les simulations numériques ont donné des résultats concluants car elles permettent d'exhiber le régime de diffusion. Il a été remarqué qu'il existait en fait deux limites diffusives différentes : (i) la diffusion spatiale de l''energie sur l'ensemble de la structure, et (ii) l'équirépartition des densités d'énergie entre les différents modes de propagation. Enfin, une technique de renversement temporel a été développée. Elle pourra être utile dans de futurs travaux sur le contrôle non destructif des assemblages complexes et de grandes tailles.

Ce travail de recherche est dédié à la simulation de la réponse transitoire des assemblages de poutres soumis à des chocs. De tels chargements entraînent la propagation d’ondes haute fréquence dans l’ensemble de la structure. L’énergie qu’elles transportent peut être dommageable pour son fonctionnement ou celui des équipements embarqués. Dans des études précédentes, il a été observé sur des structures expérimentales qu’un régime vibratoire diffusif tend à s’installer pour des temps longs. Le but de cette étude est donc de développer un modèle robuste de la réponse transitoire des assemblages de poutres soumis à des chocs permettant de simuler, entre autres, cet état diffusif. Les champs de déplacement étant très oscillants et la densité modale élevée, la simulation numérique de la réponse transitoire à des chocs peut difficilement être menée par une méthode d’éléments finis classique. Une approche utilisant un estimateur de la densité d’énergie de chaque mode de propagation a donc été mise en œuvre. Elle permet d’accéder à des informations locales sur les états vibratoires, et de contourner certaines limitations intrinsèques aux longueurs d’onde courtes. Après avoir comparé plusieurs modèles de réduction cinématique de poutre à un modèle de Lamb de propagation dans un guide d’ondes circulaire, la cinématique de Timoshenko a été retenue afin de modéliser le comportement mécanique haute fréquence des poutres. En utilisant ce modèle dans le cadre de l’approche énergétique évoquée plus haut, deux groupes de modes de propagation de la densité d’énergie vibratoire dans une poutre ont été isolés : des modes longitudinaux regroupant un mode de compression et des modes de flexion, et des modes transversaux regroupant des modes de cisaillement et un mode de torsion. Il peut être également montré que l’´evolution en temps des densités d’énergie associées obéit à des lois de transport. Pour des assemblages de poutres, les phénomènes de réflexion/transmission aux jonctions ont du être pris en compte. Les opérateurs permettant de les décrire en termes de flux d’´energie ont été obtenus grâce aux équations de continuité des déplacements et des efforts aux jonctions. Quelques caractéristiques typiques d’un régime haute fréquence ont été mises en évidence, tel que le découplage entre les modes de rotation et les modes de translation. En revanche, les champs de densité d’énergie sont quant à eux discontinus aux jonctions. Une méthode d’éléments finis discontinus a donc été développée afin de les simuler numériquement comme solutions d’´equations de transport. Si l’on souhaite atteindre le régime diffusif aux temps longs, le schéma numérique doit être peu dissipatif et peu dispersif. La discrétisation spatiale a été faite avec des fonctions d’approximation de type spectrales, et l’intégration temporelle avec des schémas de Runge-Kutta d’ordre élevé du type ”strong stability preserving”. Les simulations numériques ont donné des résultats concluants car elles permettent d’exhiber le régime de diffusion. Il a été remarqué qu’il existait en fait deux limites diffusives différentes : (i) la diffusion spatiale de l’´energie sur l’ensemble de la structure, et (ii) l’équirépartition des densités d’énergie entre les différents modes de propagation. Enfin, une technique de renversement temporel a été développée. Elle pourra être utile dans de futurs travaux sur le contrôle non destructif des assemblages complexes et de grandes tailles. / This research is dedicated to the simulation of the transient response of beam trusses under impulse loads. The latter lead to the propagation of high-frequency waves in such built up structures. In the aerospace industry, that phenomenon may penalize the functioning of the structures or the equipments attached to them on account of the vibrational energy carried by the waves. It is also observed experimentally that high-frequency wave propagation evolves into a diffusive vibrational state at late times. The goal of this study is then to develop a robust model of high-frequency wave propagation within three-dimensional beam trusses in order to be able to recover, for example, this diffusion regime. On account of the small wavelengths and the high modal density, the modelling of high-frequency wave propagation is hardly feasible by classical finite elements or other methods describing the displacement fields directly. Thus, an approach dealing with the evolution of an estimator of the energy density of each propagating mode in a Timoshenko beam has been used. It provides information on the local behavior of the structures while avoiding some limitations related to the small wavelengths of high-frequency waves. After a comparison between some reduced-order beam kinematics and the Lamb model of wave propagation in a circular waveguide, the Timoshenko kinematics has been selected for the mechanical modelling of the beams. It may be shown that the energy densities of the propagating modes in a Timoshenko beam obey transport equations. Two groups of energy modes have been isolated: the longitudinal group that gathers the compressional and the bending energetic modes, and the transverse group that gathers the shear and torsional energetic modes. The reflection/transmission phenomena taking place at the junctions between beams have also been investigated. For this purpose, the power flow reflection/transmission operators have been derived from the continuity of the displacements and efforts at the junctions. Some characteristic features of a high-frequency behavior at beam junctions have been highlighted such as the decoupling between the rotational and translational motions. It is also observed that the energy densities are discontinuous at the junctions on account of the power flow reflection/transmission phenomena. Thus a discontinuous finite element method has been implemented, in order to solve the transport equations they satisfy. The numerical scheme has to be weakly dissipative and dispersive in order to exhibit the aforementioned diffusive regime arising at late times. That is the reason why spectral-like approximation functions for spatial discretization, and strong-stability preserving Runge-Kutta schemes for time integration have been used. Numerical simulations give satisfactory results because they indeed highlight the outbreak of such a diffusion state. The latter is characterized by the following: (i) the spatial spread of the energy over the truss, and (ii) the equipartition of the energy between the different modes. The last part of the thesis has been devoted to the development of a time reversal processing, that could be useful for future works on structural health monitoring of complex, multi-bay trusses.

Les structures treillis constituées d'un nombre important de barres sont largement utilisées, notamment en génie civil. L'étude par éléments finis de telles structures se révèle très coûteuse dès que la maille répétitive du treillis est complexe. Il s'avère intéressant de réduire la taille du problème en définissant un milieu continu équivalent. L'objectif de la première partie de ce travail est de proposer, en se plaçant dans le cadre des méthodes d'homogénéisation des milieux périodiques, une poutre de Timoshenko équivalente à une structure périodique dont l'une des dimension est grande par rapport aux deux autres. Une des originalités réside dans l'étude de cellules de base non symétriques. Par ailleurs, on s'intéresse à la prise en compte de déformations libres (par exemple, d'origine thermique) apparaissant à l'échelle microscopique. La seconde partie est consacrée à l'étude de la structure axonémale du flagelle et des cils vibratiles. Il s'agit de proposer et valider un modèle pour cette structure biomécanique complexe et d'appliquer ensuite la méthode d'homogénéisation proposée

Les structures treillis constituées d’un nombre important de barres sont largement utilisées, notamment en génie civil. L’étude par éléments finis de telles structures se révèle très coûteuse dès que la maille répétitive du treillis est complexe. Il s’avère intéressant de réduire la taille du problème en définissant un milieu continu équivalent. L’objectif de la première partie de ce travail est de proposer, en se plaçant dans le cadre des méthodes d’homogénéisation des milieux périodiques, une poutre de Timoshenko équivalente à une structure périodique dont l’une des dimension est grande par rapport aux deux autres. Une des originalités réside dans l’étude de cellules de base non symétriques. Par ailleurs, on s’intéresse à la prise en compte de déformations libres (par exemple, d’origine thermique) apparaissant à l’échelle microscopique. La seconde partie est consacrée à l’étude de la structure axonémale du flagelle et des cils vibratiles. Il s’agit de proposer et valider un modèle pour cette structure biomécanique complexe et d’appliquer ensuite la méthode d’homogénéisation proposée / Lattice structures are widely used, especially in civil engineering. The finite element analysis of such structures might require a consequent amount of computational time when the periodical mesh of this lattice is complex. Defining an equivalent continuous medium in order to reduce the size of the problem appears to be interesting. The aim of the first part of this document is to apply a homogenization method in order to find a Timoshenko beam model macroscopically equivalent to a slender structure which is periodical in the longitudinal direction. One of the unusual aspects tackled reside in the study of structures with periodical cells having a longitudinal asymmetry. In addition, the case of periodical structures with free deformation (e.g. thermal dilatation) at microscopic scale is dealt. The second part is consecrated to the study of the axonemal structure of the biological cell flagella and Cilia. A shorten version of the axonemal structure is studied at first and homogenized afterward

Le travail de thèse porte sur de nouveaux compléments et améliorations pour la théorie de la péridynamique concernant la modélisation numérique de structures minces telles que les poutres et les plaques, les composites isotropes et multicouches soumis à un chargement dynamique. Nos développements ont principalement porté sur l'exploration des possibilités offertes par la méthode péridynamique, largement appliquée dans divers domaines de l'ingénierie où des discontinuités fortes ou faibles peuvent se produire, telles que des fissures. La procédure de généralisation de la méthode Peridynamics pour la modélisation des structures de poutres de Timoshenko et des structures de plaques de Reissner-Mindlin avec une large plage de rapport épaisseur sur longueur allant de structures épaisses à très minces est indiquée. Et un impact avec une faible vitesse simplifié basé sur le modèle péridynamique développé pour la poutre de Timoshenko et la plaque de Reissner-Mindlin a été proposé en utilisant une procédure de contact spécifique pour l'estimation « naturelle » de la charge d'impact. L’originalité de la méthode actuelle réside dans l’introduction avec deux techniques permettant de réduire le problème de blocage par cisaillement qui se pose dans les structures à poutres et à plaques minces, à savoir la méthode d’intégration réduite (ou sélective) et la formulation mixte. Le modèle péridynamique résultant pour les structures de poutre de Timoshenko et les structures de plaque de Reissner-Mindlin est efficace et ne souffre d'aucun phénomène de verrouillage par cisaillement. En outre, la procédure de généralisation de la méthode péridynamique pour la modélisation de structures composites minces renforcées par des fibres est introduite. L’approche péridynamique pour la modélisation d’une couche est d’abord validée en quasi-statique, ce qui inclut des problèmes de prévision de la propagation de fissures soumis à des conditions de chargement mécaniques. La méthode péridynamique a ensuite été étendue à l’analyse de structures composites minces renforcées par des fibres utilisant la théorie fondamentale d’une couche. Enfin, plusieurs applications impliquant des structures composites minces renforcées par des fibres et des résultats numériques ont été validées par comparaison à la solution FEM obtenue à l'aide d'un logiciel commercial ou à des solutions de référence de la littérature. Dans toutes les applications, Péridynamics montre que les résultats correspondent parfaitement aux solutions de référence, ce qui prouve son potentiel d’efficacité, en particulier pour la simulation de chemins de fissures dans les structures isotropes et composites. / This thesis introduces some new complements and improvments for the Bond-Based Peridynamics theory concerning the numerical modeling of thin structures such as beams and plates, isotropic and multilayer composites subjected to dynamic loading. Our developments have been focused mainly on exploring the possibilities offered by the Peridynamic method, which has been widely applied in various engineering domains where strong or weak discontinuities may occur such as cracks or heterogeneous media. The generalization procedure of the Peridynamics method for the modeling of Timoshenko beam structures and Reissner-Mindlin plate structures respectively with a wide range of thickness to length ratio starting from thick structures to very thin structures is given. And A simplified low velocity impact based on the developed Peridynamic model for Timoshenko beam and ReissnerMindlin plate has been proposed by using a specific contact procedure for the estimation of the impact load. The originality of the present method was the introduction for the first time of two techniques for the alleviation of the shear locking problem which arises in thin beam and plate structures, namely the reduced (or selective) integration method and mixed formulation. The resulting Peridynamic model for Timoshenko beam structures and Reissner-Mindlin plate structures is efficient and does not suffer from any shear locking phenomenon. Besides, the generalization procedure of Peridynamic method for the modeling of fiber-reinforced thin composite structures is introduced. The Peridynamic approach for the modeling of a lamina is firstly validated in the quasi-statics including a crack propagation prediction problems subjected to mechanical loading conditions and then the Peridynamic method was further extended to analyze fiber-reinforced thin composite structures using the fundamental lamina theory. Finally, several applications involving fiber-reinforced thin composite structures and numerical results were validated by comparison to the FEM solution obtained using commercial software or to reference solutions from the literature. In all applications, the Peridynamics shows that results are matching perfectly the reference solutions, which proves its efficiency potentiality especially for crack paths simulation in isotropic and composite structures.

Dans ce travail, différentes formulations d'éléments de poutres sont proposées pour l'analyse à rupture de structures de type poutres ou portiques en béton armé soumises à des chargements statiques monotones. La rupture localisée des matériaux est modélisée par la méthode à discontinuité forte, qui consiste à enrichir l'interpolation standard des déplacements (ou rotations) avec des fonctions discontinues associées à un paramètre cinématique supplémentaire interprété comme un saut de déplacement (ou rotation). Ces paramètres additionnels sont locaux et condensés au niveau élémentaire. Un élément fini écrit en efforts résultants et deux éléments finis multi-couches sont développés dans ce travail. L'élément de poutre d'Euler Bernouilli écrit en effort résultant présente une discontinuité en rotation. La réponse en flexion du matériau hors discontinuité est décrite par un modèle élastoplastique en effort résultant et la relation cohésive liant moment et saut de rotation sur la rotule plastique est, quant à elle, décrite par un modèle rigide plastique. La réponse axiale est suppposée élastique. Pour ce qui concerne l'approche multi-couche, chaque couche est considérée comme une barre constituée de béton ou d'acier. La partie régulière de la déformation de chaque couche est calculée en s'appuyant sur la cinématique associée à la théorie d'Euler Bernoulli ou de Timoshenko. Une déformation axiale additionnelle est considérée par l'introduction d'une discontinuité du déplacement axial, introduite indépendamment dans chaque couche. Le comportement du béton est pris en compte par un modèle élasto-endommageable alors que celui de l'acier est décrit par un modèle élastoplastique. La relation cohésive entre la traction sur la discontinuité et le saut de déplacement axial est décrit par un modèle rigide endommageable adoucissant pour les barres (couches) en béton et rigide plastique adoucissant pour les barres en acier. La réponse en cisaillement pour l'élement de Timoshenko est supposée élastique. Enfin, l'élément multi-couche de Timoshenko est enrichi en introduisant une partie visqueuse dans la réponse adoucissante. L'implantation numérique des différents éléments développés dans ce travail est présentée en détail. La résolution par une procédure d'«operator split» est décrite pour chaque type d'élément. Les différentes quantités nécessaires pour le calcul au niveau local des variables internes des modèles non linéaires ainsi que pour la construction du système global fournissant les valeurs des dégrés de liberté sont précisées. Les performances des éléments développés sont illustrées à travers des exemples numériques montrant que la formulation basée sur un élément multicouche d'Euler Bernouilli n'est pas robuste alors les simulations s'appuyant sur des éléments d'Euler Bernouilli en efforts résultants ou sur des éléments multicouche de Timoshenko fournissent des résultats très satisfaisants. / In this work, several beam finite element formulations are proposed for failure analysis of planar reinforced concrete beams and frames under monotonic static loading. The localized failure of material is modeled by the embedded strong discontinuity concept, which enhances standard interpolation of displacement (or rotation) with a discontinuous function, associated with an additional kinematic parameter representing jump in displacement (or rotation). The new parameters are local and are condensed on the element level. One stress resultant and two multi-layer beam finite elements are derived. The stress resultant Euler-Bernoulli beam element has embedded discontinuity in rotation. Bending response of the bulk of the element is described by elasto-plastic stress resultant material model. The cohesive relation between the moment and the rotational jump at the softening hinge is described by rigid-plastic model. Axial response is elastic. In the multi-layer beam finite elements, each layer is treated as a bar, made of either concrete or steel. Regular axial strain in a layer is computed according to Euler-Bernoulli or Timoshenko beam theory. Additional axial strain is produced by embedded discontinuity in axial displacement, introduced individually in each layer. Behavior of concrete bars is described by elastodamage model, while elasto-plasticity model is used for steel bars. The cohesive relation between the stress at the discontinuity and the axial displacement jump is described by rigid-damage softening model in concrete bars and by rigid-plastic softening model in steel bars. Shear response in the Timoshenko element is elastic. Finally, the multi-layer Timoshenko beam finite element is upgraded by including viscosity in the softening model. Computer code implementation is presented in detail for the derived elements. An operator split computational procedure is presented for each formulation. The expressions, required for the local computation of inelastic internal variables and for the global computation of the degrees of freedom, are provided. Performance of the derived elements is illustrated on a set of numerical examples, which show that the multi-layer Euler-Bernoulli beam finite element is not reliable, while the stress-resultant Euler-Bernoulli beam and the multi-layer Timoshenko beam finite elements deliver satisfying results. / V disertaciji predlagamo nekaj formulacij končnih elementov za porušno analizo armiranobetonskih nosilcev in okvirjev pod monotono statično obteˇzbo. Lokalizirano porušitev materiala modeliramo z metodo vgrajene nezveznosti, pri kateri standardno interpolacijo pomikov (ali zasukov) nadgradimo z nezvezno interpolacijsko funkcijo in z dodatnim kinematičnim parametrom, ki predstavlja velikost nezveznosti v pomikih (ali zasukih). Dodatni parametri so lokalnega značaja in jih kondenziramo na nivoju elementa. Izpeljemo en rezultantni in dva večslojna končna elementa za nosilec. Rezultantni element za Euler-Bernoullijev nosilec ima vgrajeno nezveznost v zasukih. Njegov upogibni odziv opišemo z elasto-plastičnim rezultantnim materialnim modelom. Kohezivni zakon, ki povezuje moment v plastičnem členku s skokom v zasuku, opišemo s togo-plastičnim modelom mehčanja. Osni odziv je elastičen. V večslojnih končnih elementih vsak sloj obravnavamo kot betonsko ali jekleno palico. Standardno osno deformacijo v palici izračunamo v skladu z Euler-Bernoullijevo ali s Timošenkovo teorijo nosilcev. Vgrajena nezveznost v osnem pomiku povzroči dodatno osno deformacijo v posamezni palici. Obnašanje betonskega sloja opišemo z modelom elasto-poškodovanosti, za sloj armature pa uporabimo elasto-plastični model. Kohezivni zakon, ki povezuje napetost v nezveznosti s skokom v osnem pomiku, opišemo z modelom mehčanja v poškodovanosti za beton in s plastičnim modelom mehčanja za jeklo.Striˇzni odziv Timošenkovega nosilca je elastičen. Večslojni končni element za Timošenkov nosilec nadgradimo z viskoznim modelom mehčanja. Za vsak končni element predstavimo računski algoritem ter vse potrebne izraze za lokalni izračun neelastičnih notranjih spremenljivk in za globalni izračun prostostnih stopenj. Delovanje končnih elementov preizkusimo na več numeričnih primerih. Ugotovimo, da večslojni končni element za Euler-Bernoullijev nosilec ni zanesljiv, medtem ko rezultantni končni element za Euler-Bernoullijev nosilec in večslojni končni element za Timošenkov nosilec dajeta zadovoljive rezultate.