Le domaine de l'interaction fluide-structure regroupe l'étude de tous les phénomènes présentant le couplage du mouvement d'une structure avec celui d'un fluide. La gamme des phénomènes étudiés est très étendue, allant de l'étude de cylindres vibrants dans des écoulements comme c'est le cas dans l'industrie nucléaire, à des structures vibrantes dans des écoulements turbulents, en passant par des phénomènes de surface libre dans des réservoirs. Cependant, la complexité des phénomènes étudiés se répercute par des coûts de calculs prohibitifs, ce qui nous amène à rechercher des modèles réduits dont le temps de calcul serait plus réaliste. Dans cette thèse, on va présenter les différents modèles d'interaction fluide-structure et on va mettre en avant le modèle adopté dans notre étude. La réduction du modèle ainsi que l'optimisation des structures vont être introduites dans un contexte de couplage. En introduisant les incertitudes, l'étude fiabiliste de même qu'une approche d'optimisation basée fiabilité vont être proposées. Les différentes méthodologies adoptées vont être validées numériquement et comparées expérimentalement / The domain of the fluid-structure interaction includes the study of all phenomena presenting the coupling of the motion of a structure with the one of a fluid. The range of the phenomena being studied is very extensive, going from the study of vibrating cylinders in the flow as is the case in the nuclear industry, to vibrating structures in turbulent flows, through the free surface phenomena in reservoirs. However, the complexity of the phenomena studied is reflected by the cost of the prohibitive calculations, which leads us to look for models with the computation time would be more realistic. In this thesis, we will present different models of fluid-structure interaction and we will put forward the model adopted in our study. Reducing the model as well as the optimization of the structures will be introduced into a coupling setting. By introducing uncertainties, the reliability study as well as an optimization based reliability approach will be proposed. The different methodologies adopted will be validated numerically and experimentally compared

Une nouvelle stratégie de calcul multiéchelle est développée pour l'analyse de structures hétérogènes. Elle inclut une procédure d'homogénéisation automatique en temps et en espace et devrait se substituer aux stratégies d'homogénéisation standards dans certains domaines d'application. L'étude de points clés conditionnant les performances de la stratégie a également conduit à l'élaboration de nouveaux outils. Il est proposé une méthode de discrétisation saine des quantités d'interface pour les méthodes de décomposition de domaine mixtes. Une technique d'approximation du problème homogénéisé basée sur l'introduction d'une troisième échelle est également introduite. Enfin, il est proposé une méthode d'approximation robuste d'équations d'évolution linéaires, basée sur le concept d'approximation radiale (décomposition en variables séparées), qui permet la construction a priori d'une base réduite pertinente de fonctions spatiales. Ces améliorations permettent d'envisager l'analyse de structures composites à grand nombre de cellules.

Les tubes à onde progressive (TOP) sont des dispositifs où une onde électromagnétique interagit avec un faisceau d'électrons le long d'une structure à onde lente. Ils sont de nos jours utilisés comme amplificateurs de signaux hyperfréquences, et constituent par ailleurs un outil particulièrement simple et robuste pour étudier l'interaction onde-particule.<br /><br />Le fonctionnement des TOP est aujourd'hui majoritairement simulé en utilisant une approche fréquentielle. Cette approche suppose que l'on ait défini a priori les fréquences qui entrent en jeu dans la dynamique du TOP, ce qui limite son application aux régimes stationnaires.<br /><br />Motivée par le besoin de simuler les régimes non-stationnaires des TOP, cette thèse propose de recourir à une approche en domaine temporel. Deux méthodes pour modéliser la structure à onde lente sont montrées : <br />1. L'utilisation d'un circuit équivalent.<br />2. L'utilisation d'une méthode de « réduction de modèle ».<br />Chaque méthode est étudiée, puis implémentée et essayée sur des exemples physiques.

Les disques aubagés, que l'on trouve dans les turbomachines, sont des structures complexes dont le comportement vibratoire est généralement déterminé par l'exploitation de conditions de symétrie dans leur configuration nominale. Cette symétrie disparaît lorsque l'on assemble plusieurs de ces disques pour former un rotor ou que l'on introduit une variabilité spatiale des paramètres mécaniques (on parle de désaccordage intentionnel ou non). Le raffinement des maillages, nécessaire à une évaluation correcte de la répartition des contraintes, conduirait à des modèles de rotor complet de taille prohibitive (plusieurs dizaines de millions de degrés de liberté). L'objectif de cette thèse est donc l'introduction de méthodologies de réduction qui par combinaison de calculs acceptables permettent d'étudier de façon fine la dynamique d'ensemble sur des modèles 3D fins multi-étages et potentiellement désaccordés. L'étude des transformations de Fourier séparées des réponses de chaque étage permet, dans un premier temps, de bien comprendre les effets de couplage inter-harmonique liés au couplage inter-disque et au désaccordage. A partir de ce constat, une première méthode utilise les résultats de calculs en symétrie cyclique et à secteur encastré pour construire un modèle de secteur exact pour certains modes dits cibles et de très bonne qualité pour les autres modes. Cette méthode est ensuite étendue au cas multi-étage en construisant des bases de réduction de secteur par combinaison de solutions mono-harmoniques. Les illustrations montrent que la méthodologie proposée permet le traitement de modèles de très grande taille, tout en restant compatible avec une grande richesse de post-traitements (calculs de modes, calculs de réponses forcées, analyses de leur contenu harmonique spatial, répartition d'énergie et effets de localisation...). La méthodologie est enfin étendue à la gestion de modèles paramétrés en vitesse de rotation. L'enrichissement des ensembles de modes cibles par des calculs à trois vitesses permet ainsi une reconstruction rapide de l'évolution des fréquences pour l'ensemble d'un intervalle.

Ce mémoire analyse et valide des applications possibles de méthodes de réduction de modèle pour la simulation directe, et la résolution de problèmes inverses d'estimation de paramètres sur des modèles complexes. Il se concentre sur la réduction par proper orthogonal decomposition (POD), et ses extensions. On démontre d'abord de nouvelles estimations a priori pour l'erreur de réduction sur des problèmes abstraits types (paraboliques et hyperboliques, linéaires ou avec non-linéarités lipschitziennes), validées dans de nombreux cas non linéaires. On évite notamment le problème de contrôle des termes d'ordre élevé par l'exploitation d'une suite spécifique de normes de projecteurs. Puis, pour couvrir les systèmes dépendant de paramètres, et par des résultats d'interpolation, on adapte la méthode précédente en réduction par multi-POD. On étend aussi, au prix d'un terme additif, les estimations a priori précédentes pour l'erreur maximum de réduction sur une plage paramétrique donnée. On illustre la puissance de la méthode sur le système électrophysiologique de FitzHugh-Nagumo, fortement sensible aux variations paramétriques. On valide enfin numériquement les versions réduites, toujours avec la réduction par multi-POD, de problèmes d'estimation de paramètres : de type variationnel avec le système de FitzHugh-Nagumo, et de type séquentiel (filtrage " kalmanien ") avec un modèle mécanique de coeur (multiéchelles, 3D, grandes déformations). En particulier, la méthode présente une efficacité et une robustesse similaires à celles obtenues pour les problèmes directs.

Cette thèse s'intéresse à la faisabilité de la mise en place de modèles d'ordre réduit pour l'étude des vibrations sous écoulement au sein de faisceaux tubulaires d'échangeurs de chaleur. Ces problématiques sont cruciales car les systèmes étudiés sont des éléments majeurs des centrales nucléaires civiles et des chaufferies embarquées dans les sous-marins.Après avoir rappelé le fonctionnement et les risques vibratoires existants au sein des échangeurs de chaleur, des calculs complets d'écoulement et de vibrations sous écoulement ont été effectués, d'abord pour un tube seul en milieu infini, puis pour un faisceau de tubes. Ces calculs ont été menés avec l'outil CFD Code_Saturne. La méthode de réduction de modèle POD (Proper Orthogonal De-composition) a été appliquée au cas des écoulements avec la structure laissée fixe.Les résultats obtenus montrent l'efficacité de la méthode pour ces configurations, moyennant l'introduction de méthodes de stabilisation pour l'écoulement au sein du faisceau. La méthode POD-multiphasique, permettant d'adapter la méthode POD à l'interaction fluide-structure, a ensuite été appliquée. Les grands déplacements d'un cylindre seul dans la zone d'accrochage (lock-in) ont été correctement reproduits par cette méthode de réduction de modèle. De même, on montre que les grands déplacements d'un cylindre en milieu confiné dans un faisceau de tubes sont fidèlement reconstruits.Enfin, l'extension de l'utilisation de la réduction de modèle aux études d'évolution paramétrique a été testée. Nous avons d'abord utilisé la technique considérant une base POD unique pour reproduire des écoulements à divers nombres de Reynolds autour d'un cylindre seul. Les résultats confirment la prédictivité bornée à une gamme de paramètres de cette méthode. Enfin, l'interpolation de bases POD pré-calculées pour une famille de paramètres donnés, utilisant les variétés de Grassmann et permettant de générer de nouvelles bases POD, a été testée sur des cas modèles.

Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution au domaine de l'analyse et de l'identification du comportement dynamique des structures non linéaires. Le premier objectif est la mise au point et la comparaison de quatre techniques de calcul des Modes Normaux Non linéaires (MNNs) : l'approche de Shaw et Pierre, l'approche de Bellizzi et Bouc, l'équilibrage harmonique et la méthode de tir. La combinaison des trois dernières méthodes avec la méthode de continuation permet de détecter les points de bifurcation et de trouver les nouvelles branches de solutions. Le deuxième objectif est l'identification des paramètres caractérisant le comportement dynamique des systèmes linéaires et non linéaires à partir des réponses libres ou des réponses au bruit ambiant. Les outils présentés sur le traitement du signal réel modulé en amplitude et en fréquence par la transformation en ondelettes continue permettent d'atteindre cet objectif. Le dernier objectif est l'extension de la méthode de sous-structuration linéaire de Craig-Bampton au cas non linéaire. Lorsque l'hypothèse de couplage faible entre les sous-structures est faite, le modèle réduit de la structure globale est obtenu par assemblage de modèles réduits de sous-structures avec interfaces de couplage fixe. Ces modèles réduits sont calculés en utilisant l'approche des MNNs de Shaw et Pierre. La robustesse et l'efficacité des méthodes présentées sont étudiées au travers d'exemples numériques ainsi que de tests réels.

Motivé par l'étude de tissus biologiques, ce travail contribue aux développements d'outils numériques permettant de prédire la réponse mécanique de matériaux hétérogènes non linéaires dans lesquels les énergies d'interfaces deviennent prépondérantes. Ainsi, une méthode d'homogénéisation multi échelle combinée à une technique de réduction de modèle basée sur la décomposition orthogonale aux valeurs propres est proposée dans un cadre thermique et hyperélastique. Les énergies d'interfaces entre les différentes phases des composites sont décrites par un modèle d'interface cohérent et prises en compte numériquement par une approche liant la méthode des éléments finis étendus et la méthode level-set. Une étude de l'étalement d'une cellule vivante entre deux lamelles fixes est ensuite réalisée. Les deux modèles utilisés pour les simulations montrent que l'assemblage cortex d'actine-membrane plasmique ne joue qu'un rôle minime dans la réponse mécanique cellulaire

Cette thèse présente un algorithme automatique pour la construction d’un modèle NURBS volumique à partir d’un modèle représenté par ses bords (maillages ou splines). Ce type de modèle est indispensable dans le cadre de l’analyse isogéométrique utilisant les NURBS comme fonctions de forme. Le point d’entrée de l’algorithme est une triangulation du bord du modèle. Après deux étapes de décomposition, le modèle est approché par un polycube. Ensuite un paramétrage surfacique entre le bord du modèle et celui du polycube est établi en calculant un paramétrage global aligné à un champ de direction interpolant les directions de courbure principales du modèle. Finalement, le paramétrage volumique est obtenu en se basant sur ce paramétrage surfacique. Dans le contexte des études paramétriques basées sur des paramètres de formes géométriques, cette méthode peut être appliquée aux techniques de réduction de modèles pour obtenir la même représentation pour des objets ayant différentes géométries mais la même topologie. / This thesis presents an effective method to automatically construct trivariate tensor-product spline models of complicated geometry and arbitrary topology. Our method takes as input a solid model defined by its triangulated boundary. Using cuboid decomposition, an initial polycube approximating the input boundary mesh is built. This polycube serves as the parametric domain of the tensor-product spline representation required for isogeometric analysis. The polycube's nodes and arcs decompose the input model locally into quadrangular patches, and globally into hexahedral domains. Using aligned global parameterization, the nodes are re-positioned and the arcs are re-routed across the surface in a way to achieve low overall patch distortion, and alignment to principal curvature directions and sharp features. The optimization process is based on one of the main contributions of this thesis: a novel way to design cross fields with topological (i.e., imposed singularities) and geometrical (i.e., imposed directions) constraints by solving only sparse linear systems. Based on the optimized polycube and parameterization, compatible B-spline boundary surfaces are reconstructed. Finally, the interior volumetric parameterization is computed using Coon's interpolation and the B-spline surfaces as boundary conditions. This method can be applied to reduced order modeling for parametric studies based on geometrical parameters. For models with the same topology but different geometries, this method allows to have the same representation: i.e., meshes (or parameterizations) with the same topology.

D'un point de vue industriel, la mise en place de nouvelles architectures de systèmes mécaniques nécessite un long processus de conception permettant de définir et d'anticiper le comportement. Dans le cas particulier des systèmes aéronautiques tels que les moteurs d'avions, un certain nombre de pièces sont particulièrement sensibles car elles doivent répondre à des impératifs stricts en termes d'encombrement, de performance et de tenue mécanique. Dans ce contexte, la prévision du comportement vibratoire revêt une importance particulière puisqu'elle permet d'évaluer le niveau des sollicitations cycliques appliquées sur le système et guide ainsi la détection en amont d'éventuels problèmes de fatigue des matériaux. La plupart du temps, des modèles numériques sont utilisés pour représenter les structures, et le comportement est simulé en résolvant un ensemble d'équations. Pour atteindre un niveau de détail répondant au besoin industriel, ces modèles peuvent être particulièrement gros, et la résolution des équations associées demande des ressources et des temps de calcul considérables. De plus, pour rendre compte au mieux des comportements observés expérimentalement, il est souvent nécessaire de prendre en compte des phénomènes non-linéaires, ce qui augmente encore la difficulté. Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent cette problématique du comportement vibratoire des structures non-linéaires et s'orientent autour de deux axes : la réduction de modèle et le calcul des solutions multiples. L'objectif du premier axe est de contribuer à la construction de modèles numériques non linéaires réduits utilisables en conception de systèmes industriels et de proposer des outils d'exploitation et d'interprétation de ces modèles. En particulier, on considère le cas des méthodes de projection de Galerkin et on montre qu'elles sont à même de construire des modèles réduits réalistes. Des méthodes complémentaires de réduction de modèles sont également présentées dans le cas particulier de la recherche de solutions par la méthode de la balance harmonique (HBM) : on s'intéressera en particulier à des méthodes de sélection d'harmoniques. Après avoir comparé les différentes méthodes proposées sur un exemple simple de poutre non-linéaire, elles sont appliquées à un modèle de structure industrielle représentant une aube d'hélice d'open rotor. Le second axe de ces travaux concerne le calcul de solutions multiples pour les systèmes dynamiques non-linéaires. Une particularité de ces systèmes est en effet de présenter plusieurs configurations stables pour un état de sollicitation donné. Il s'agira ici de proposer des méthodes de calcul permettant de dresser la liste exhaustive des solutions possibles. Le travail présenté se concentre sur la recherche de solutions périodiques par la méthode de la balance harmonique pour des systèmes possédant des non-linéarités polynomiales. Ces restrictions conduisent à la résolution de systèmes polynomiaux pour lesquels il existe des méthodes permettant de calculer l'ensemble des solutions. En particulier, on propose l'utilisation originale de méthodes basées sur le calcul de bases de Groebner pour la résolution de systèmes polynomiaux issus de la mécanique. Les différentes méthodes présentées sont illustrées et comparées sur des exemples simples. Les résultats montrent que même pour des systèmes simples, le comportement dynamique peut être très complexe. / In an industrial context, the design of new mechanical systems requires long design processes in order to define and to anticipate the behavior of all the constitutive parts. In the particular case of aeronautical structures such as plane engines, design is especially critical since they have to meet various and strict needs (life duration, performances . . .). Then, anticipating vibratory behavior is very important as this provides information about cyclic solicitations and fatigue. Most often, numerical models are used to mimic the structure and mechanical behavior is simulated by solving a set of differential equations. In the case of industrial structures, such models can be quite large and their resolution very time-consuming. Moreover, in order to model experimental behavior realistically, it is often necessary to take nonlinear phenomena into account and thus increase the required computational effort. The work presented in this PhD deals with the study of mechanical nonlinear systems. It focuses on two principal directions : model reduction and multiple solutions computation. The goal of the first direction is to contribute to the building of numerical reduced order models usable in industrial context and to propose tools to exploit an interpret them. Particularly, Galerkin projection methods are investigated in the context of nonlinear systems reduction, showing that those methods are, under certain conditions, able to give a reliable picture of full system behavior. In the case of the harmonic balance method, complementary methods are also proposed to reduce the size of the algebraic equations system by using harmonic selection techniques. The presented methods are firstly illustrated and compared on a simple nonlinear beam example ; they are then applied to an industrial model of open rotor blade. The second direction of this work deals with the computation of multiple solutions arising in nonlinear dynamical systems. Indeed, it has been shown that such systems can present different stable configurations for a given solicitation. The objective here is to provide tools for computing such multiple solutions. We only consider the case of periodic solutions for systems with polynomial nonlinearities, treated with harmonic balance method. These hypotheses enable one to search for multiple states as solutions of polynomial algebraic systems of equations, for which some methods exist to compute the entire set of solutions. In particular, we propose to use methods relying on Groebner basis computation, in order to compute the whole set of solutions. The proposed methods are illustrated and compared on simple examples, showing that even such simple systems can present very complex dynamical behavior.