Les microcommutateurs MEMS ohmiques comportent un contact électrique sous très faible force, très sensible à des paramètres difficiles à maîtriser. Ce contact a été l'objet d'une méthode de modélisation développée précédemment au LAAS-CNRS, dont le principe consiste à effectuer une simulation par éléments finis du contact mécanique avec les données AFM puis évaluer analytiquement la résistance électrique. Cette thèse a pour objectif d'évaluer les possibilités d'extension de cette méthode à des simulations multiphysiques.La thèse comporte une partie dédiée à la validation de la simulation mécanique par éléments finis par rapport à des résultats expérimentaux obtenus précédemment.Des simulations multiphysiques sont alors réalisées et les résultats en termes de résistance électrique sont comparés avec des résultats expérimentaux. On observe une très forte sous estimationde la résistance électrique, et donc des élévations de température. Ce constat est attribué à la présence de films isolants en surface d'une au moins des surfaces de contact.Enfin, des modèles qui incluent un film isolant sont développés avec une géométrie simplifiée d'aspérité. Les modèles les plus intéressants incluent des "nanospots": le film isolant est parsemé de zones conductrices, de très faibles dimensions. Les résultats permettent de cerner les caractéristiques typiques possibles de la géométrie dans cette configuration.

Bladed disks are critical structural components in jet engines and other turbomachinery. The nominal design for a bladed disk is typically assumed to have identical blades. However, there are always small, random variations in the blade properties due to manufacturing tolerances, material defects, and operational wear. These blade-to-blade discrepancies, called mistuning, can have a dramatic effect on bladed disk vibration. In particular, mistuning can cause localization of the response in a small region of the bladed disk, leading to higher blade stress and high-cycle fatigue concerns. While comprehensive analytical and computational studies of mistuning have been performed, relatively few experimental investigations have been conducted. The primary objective of this research is to experimentally investigate the fundamental structural dynamics of mistuned bladed disks, and to achieve a physical understanding of mistuning effects by accounting for the influence of important phenomena that have been largely neglected in previous mistuning models and system identification algorithms. First, a systematic experimental approach is presented to validate a new mistuning identification and model updating algorithm for single-piece bladed disks, or blisks. It is shown that only a few system response measurements taken at resonant frequencies are required to identify the blade stiffness mistuning parameters and the model updating parameters referred to as cyclic modeling error. By incorporating a model updating procedure, the accuracy of the mistuning identification results are significantly improved. Second, an alternative approach for vibration testing of many mistuning patterns is proposed and validated. In particular, varying the external forcing function provided to the blades is used to mimic the influence of structural blade property mistuning on the vibration response. Since it is much easier and more efficient to vary the external excitation than to physically alter the blades, this work opens the possibility of running an experimental analogue of a Monte Carlo simulation. Finally, the mistuning identification method is extended to also identify the forcing amplitude and phase applied to each blade. This approach shows promise as a powerful tool for accelerating calibration procedures, as well as for improving the accuracy and capability of experimental methods for bladed disks.

La carbonatation est une pathologie du béton armé qui peut engendrer la corrosion des armatures et à terme de la fissuration. Dans le cadre de la gestion des déchets radioactifs, les structures et les conteneurs seraient soumis simultanément à un échauffement (exothermie des déchets), au CO2 atmosphérique, ainsi qu'à un séchage important. Afin de rendre compte de leur évolution à l'échelle séculaire, les données actuelles relatives à la carbonatation à température ambiante doivent être complétées, d'une part par une description de la phénoménologie en température, et d'autre part, par la prise en compte de l'impact des transferts hydriques en température (séchage) sur la carbonatation en insaturé. Le travail présenté se focalise sur l'étude de la durabilité de quatre pâtes de ciment différentes dont deux sont directement dérivées des formulations de référence sélectionnées par l'Andra (CEM I et CEM V) et un mélange baspH. Le premier volet est dédié à l'étude des transferts hydriques reposant sur la conduite d'essais de désorption. Il a notamment permis la caractérisation des isothermes de désorption en température (20, 50et 80°C). L'impact thermique modifie les isothermes : la teneur en eau à l'équilibre chute avec la température et le point d'amorçage de la condensation capillaire est déplacé. Une phase de modélisation a conjointement été conduite en support aux expérimentations. L'utilisation de l'équation de Clausius-Clapeyron a permis de décrire l'effet de la température sur les isothermes (par la détermination de la chaleur isostérique d'adsorption de chacun des matériaux). Bien que l'impact de la température sur la microstructure des pâtes de ciment soit avéré, la prise en compte du déplacement des équilibres thermodynamiques suffit à restituer cet effet thermique sur les isothermes. La détermination des perméabilités intrinsèques par exploitation des cinétiques de désorption (par analyse inverse) a montré la thermoactivation du transport d'eau. La contribution de l'évolution de la microstructure en température ne peut-être négligée sur la perméabilité des matériaux.Le deuxième volet exploratoire, est consacré à l'étude de la carbonatation en température. Il repose sur la mise en place d'un dispositif de carbonatation spécifique (fonctionnement en température) et la conduite d'essais de carbonatation à HR et température contrôlées. La campagne de caractérisation (DRX et ATG)a conduit à l'obtention de profils de carbonatation caractéristiques de chaque couple (HR, Température).Les évolutions minéralogiques (décomposition des hydrates, distribution polymorphique du carbonate de calcium précipité) mises en évidence en température se rapprochent de celles identifiées à température ambiante. En revanche, il ressort que les conditions environnementales influencent significativement les proportions polymorphiques : plus l'HR est faible, plus les teneurs en phases métastables (vatérite,aragonite) sont élevées. Les réactions de dissolution-précipitation mises en jeu dans la transformation polymorphique (des états métastables vers la calcite) sont inhibées à faible HR, par manque de milieu réactionnel. La cinétique de carbonatation, également impactée par les conditions environnementales, est régie par la concurrence de l'effet thermique sur les transferts hydriques et sur la solubilité rétrograde des réactifs. Les profondeurs carbonatées sont maximales aux points d'amorçage de la condensation capillaire propres aux différents matériaux et à chaque température. Les profondeurs carbonatées augmentent avec la température jusqu'à une température limite, caractéristique de la formulation, au-delà de laquelle la solubilité rétrograde des réactifs deviendrait le facteur limitant.Cette phase de compréhension des mécanismes mis en jeu dans la carbonatation en température et de leur niveau de couplage effectuée, les modèles prédictifs de carbonatation en insaturé pourront être étendus à l'application en température. Les résultats de ce travail fournissent les données d'entrées et de validation nécessaires à la validation des simulations numériques.

Dans l'industrie, l'objectif est de remplacer certains essais expérimentaux très coûteux par des simulations numériques. Cependant, peut-on faire confiance à la simulation numérique? C'est l'objet de la thématique de recherche appelée "vérification". Elle a pour but d'estimer l'erreur commise entre la solution du modèle mathématique et celle fournie par un modèle numérique. De plus, pour le dimensionnement de structures, l'ingénieur requiert que cet estimateur d'erreur soit garanti, c'est à dire qu'il majore l'erreur réelle, et qu'il soit pertinent, c'est à dire qu'il soit proche de l'erreur réelle. Les travaux présentés ici consistent tout d'abord à prouver la faisabilité de la méthode d'obtention de bornes garanties de l'erreur sur une quantité d'intérêt dans le cadre de la dynamique transitoire. Cette méthode est basée sur le concept d'erreur en relation de comportement et la résolution d'un problème adjoint. Dans un deuxième temps, différentes stratégies sont développées afin d'améliorer la pertinence de l'estimateur d'erreur locale. Enfin, cette méthode est étendue aux quantités d'intérêt ponctuelles. La difficulté majeure réside dans la résolution du problème adjoint dont le chargement est singulier. Pour cela, nous avons choisi de décomposer la solution en une partie analytique, déterminée à partir des fonctions de Green de dynamique, et d'une partie numérique, déterminée à l'aide de la méthode des éléments finis et d'un schéma d'intégration temporel. Tous ces aspects visant à mettre en place les premières bornes garanties et pertinentes de l'erreur sur une quantité d'intérêt en dynamique, sont illustrés et validés sur des exemples numériques en 2D.

L'enjeu de cette thèse était de proposer un modèle de prévision de la fissuration (trajet et vitesse) par fatigue sous chargement complexe, afin de définir les pas d'inspection de structures industrielles. Dans le cas des métaux, il est reconnu que la plasticité au voisinage de l'extrémité de la fissure a des effets majeurs sur la vitesse et la direction de fissuration. La simulation par éléments finis non-linéaire permet de comprendre et de modéliser ces effets, mais le traitement de problèmes industriels par cette méthode (fissures tridimensionnelles se propageant pendant plusieurs millions de cycles en non-linéaire) reste toujours hors de portée. Pour réduire les temps de calcul, une démarche de changement d'échelle a été mise en place, afin d'identifier un modèle de comportement élasto-plastique en mode mixte non-proportionnel, non pas local, mais relatif à la région en pointe de fissure. Ce modèle, qui condense tous les effets liés à la plasticité confinée en pointe de fissure, peut alors être utilisé dans un calcul de structure linéaire pour simuler la fissuration par fatigue en mode mixte, à amplitude variable, sous des millions de cycles en quelques minutes. La méthode et les hypothèses de changement d'échelle, d'abord appliquées à des simulations numériques, ont ensuite été validées expérimentalement sur des éprouvettes cruciformes fissurées en s'appuyant sur la mesure optique du champ de déplacement à l'extrémité de la fissure. Enfin, une campagne d'essais, visant à caractériser le comportement en fissuration de l'acier S355NL en fatigue, a été réalisée. Les résultats expérimentaux et de simulation sont en bon accord en mode I et en mode mixte.

Lors de leur construction, les structures massives (ex. les enceintes de confinement des centrales nucléaires) sont soumises à des déformations dues à l'hydratation du béton. En effet, d'une part la réaction chimique du ciment avec l'eau est exothermique et thermo activée, ce qui induit des déformations de dilatation puis de contraction. D'autre part une dépression capillaire étant créée par la consommation d'eau due à l'hydratation du ciment, des déformations de contraction se produisent. Lorsqu'elles sont empêchées par la partie de la structure déjà construite, ces déformations volumiques induisent des contraintes de compression puis de traction pouvant causer une fissuration traversante augmentant alors sensiblement la perméabilité du béton. Mon travail de thèse a consisté à caractériser le comportement au jeune âge du matériau que l'on utilise (basé sur la formulation utilisée lors de la construction d'une enceinte) puis à mettre au point un essai permettant d'étudier la fissuration d'une éprouvette de béton soumise à des déformations empêchées lors de son durcissement. Ce nouvel essai est en fait une évolution de l'essai à l'anneau de retrait gêné permettant de prendre également en compte les déformations d'origine thermique. Les essais de caractérisation concernent essentiellement, d'un point de vue macroscopique, le retrait (endogène et thermique), le fluage (propre et thermique transitoire) et l'évolution des caractéristiques mécaniques (résistance à la compression, à la traction et module d'élasticité). La campagne d'essais réalisée avec ce nouveau dispositif, appelé essai à l'anneau thermique actif, et l'analyse numérique de ces essais par des simulations aux éléments finis (basées sur un modèle viscoélastique endommageable introduisant un couplage entre le fluage et l'endommagement) a permis d'évaluer ce couplage, d'identifier la diminution de résistance en traction due à une reprise de bétonnage et de quantifier l'effet des armatures sur le comportement du béton. Des mesures de transfert d'air sec à travers une éprouvette fissurée ont également été réalisées sur ce dispositif. Finalement, des simulations numériques d'ouvrages massifs ont mis en exergue l'influence des conditions de restriction du retrait sur le faciès d'endommagement et l'influence du couplage fluage fissuration sur le calcul des ouvertures de fissures.

Le vieillissement du parc aéronautique, mais aussi la volonté de prolonger le cycle de vie des appareils, impose aux techniques de maintenance des exigences de contrôle accrues en termes de fiabilité et de rapidité. Les principaux enjeux étant la détection, et surtout la caractérisation des micro-fissures pouvant apparaitre dans les pièces sensibles des appareils. Cette caractérisation pouvant aller jusqu'à la reconstruction qualitative, voire quantitative du profil des fissures, ce qui suppose la résolution du problème inverse consistant, à partir des signaux mesurés, à remonter à certaines caractéristiques de la pièce inspectée, notamment géométriques, qui en sont en partie la cause.Ce manuscrit présente une approche originale de conception de sonde d'imagerie par courants de Foucault. Cette approche, ici appliquée à l'imagerie de pièces aéronautiques cylindriques, consiste à concevoir la sonde de façon à satisfaire la double contrainte d'une instrumentation performante et d'une résolution possible du problème inverse. Ainsi, la conception de la sonde est-elle faite de manière à ce que d'une part les signaux mesurés, résultant de ses interactions avec la pièce contrôlée, soient d'amplitude la plus élevée possible, et d'autre part, a n que ces interactions soient modélisables au moyen d'un modèle qui se prête bien à l'inversion.Dans un premier temps, une méthodologie de conception de sonde est présentée, qui vise à optimiser le dimensionnement et l'agencement de ses éléments en se fixant des contraintes de sensibilité et de résolution. Un prototype, conçu d'après cette méthodologie, est réalisé, mis en œuvre et caractérisé. Les résultats expérimentaux obtenus, qui s'avèrent en accord avec une modélisation par éléments finis, offrent une validation du fonctionnement de la sonde, celle-ci permettant effectivement de mettre en évidence les défauts types (micro-fissures) recherchés dans la pièce inspectée. Dans un second temps, la configuration des interactions sonde-pièce inspectée, choisie à dessein, est mise à profit pour élaborer un modèle direct. Celui-ci repose sur l'hypothèse selon laquelle, les défauts étant de faibles dimensions, il est possible de considérer que la perturbation de signal qu'ils engendrent est équivalente à celle que génèreraient des sources virtuelles de courants localisées uniquement dans le volume du défaut. Outre sa simplicité, cette modélisation offre l'avantage d'être adaptée à une mise en œuvre au moyen de la méthode des points sources distribués. Or celle-ci permet de formuler le problème direct sous forme matricielle ce qui constitue une base de nature à faciliter la résolution du problème inverse.C'est à ce problème qu'est consacrée la dernière partie du mémoire. Des méthodes d'inversion y sont proposées, visant à traiter progressivement la complexité du problème. Ainsi un algorithme d'inversion mono-fréquence est-il proposé, qui se montre efficace pour reconstruire des défauts sur de faibles profondeurs. Pour une meilleure reconstruction en profondeur, des algorithmes multifréquence faisant appel à des méthodes de régularisation sont ensuite conçus et appliqués à des signaux correspondant à des défauts de géométries diverses.

Le phénomène d'induction est découvert par le danois Hans Christian Oersted en 1820. Celui-ci constate qu'un courant traversant un fil à proximité d'une boussole dévie l'aiguille de cette boussole. De nombreuses expériences et théories sont proposées jusqu'en 1821 où l'anglais Michael Faraday crée le premier moteur électrique. Dix ans plus tard, grâce à des travaux américains sur les bobines de cuivre, Faraday crée les prémices de l'alternateur et c'est ainsi qu'il devient le père de l'électromagnétisme. Ces travaux sont la base de la première machine électrique à induction en 1832, par André-Marie Ampère et de la loi énoncée en 1833 par Heinrich Lenz qui précise le sens du courant induit dans la seconde bobine. Ce n'est qu'en 1841 que James Prescott Joule énonce la loi portant son nom après avoir observé le phénomène sur de l'eau dans laquelle passait un conducteur. Le chauffage par induction est une application directe de deux lois physiques, la loi de Lenz et l'effet Joule : tout corps conducteur d'électricité plongé dans un champ magnétique variable voit apparaître des courants induits à l'intérieur qui échauffent la pièce par effet Joule. L''induction se veut être la meilleure technologie disponible de chauffage de solides dans les industries agro-alimentaires et en métallurgie (traitement thermique des métaux et fusion). Cette technique recèle encore des possibilités importantes de progrès technologiques. Ainsi le concept " d'inducteur universel " qui vise à développer des couples générateurs / inducteurs permettant une plus grande adaptabilité à la charge, rend les équipements beaucoup plus génériques, donc moins chers et aptes à de nouvelles applications. Ce travail de recherche s'inscrit dans le projet ISIS, Innovative Solution for Induction System, financé par l'Agence Nationale de la Recherche pour tenter de répondre à la problématique proposée par le programme Efficacité Energétique et réduction des émissions de CO 2 dans les Systèmes Industriels (EESI). Ce projet rassemble 7 partenaires : EDF R&D, FIVES-CELES, ATYS Consultants, ARMINES-CEP, CNRS-CRISMAT, CNRS-SIMAP, et nous-mêmes INPT-LAPLACE. Par ailleurs, le paquet énergie-climat adopté par l'Union Européenne le 23 janvier 2008 fixe comme objectif une amélioration de 20% de l'efficacité énergétique et de la réduction des émissions de CO 2 à l'horizon 2020. L'industrie consomme actuellement près de 28 % de la production énergétique totale en France et représente environ 23 % des émissions de CO 2 , soit 30 Mt/an [48][49]. Près de 70 % de l'énergie finale, consommée par le secteur industriel, est destinée à couvrir des besoins de chaleur. Le gisement potentiel d'économies d'énergie dans le secteur industriel est estimé à 20 % de l'énergie consommée. Dans ce contexte, le programme EESI a pour objectif de pouvoir conjointement améliorer l'efficacité énergétique industrielle et réduire les émissions de CO 2 [47]. Le projet ISIS vise à favoriser la pénétration de l'induction dans les différents secteurs industriels où elle peut s'avérer particulièrement performante. Le travail aborde trois angles complémentaires : - La recherche technico-économique des potentiels de pénétration de la technique de chauffage par induction, - L'amélioration des performances de la conversion électrothermique des équipements de chauffage par induction, - La récupération de l'énergie fatalement perdue et sa réutilisation de préférence dans la ligne de fabrication. Avec la participation de EDF R&D et FIVES-CELES, nous sommes en charge de la tâche n°2 de ce projet qui cherche à concevoir et mettre en œuvre une alimentation multi-bobines auto- adaptative. Tout d'abord, le développement d'un système multi-inducteurs doit permettre d'assurer un chauffage multi-zones. Différentes solutions, mécaniques ou électriques, sont aujourd'hui candidates pour assurer la souplesse d'utilisation requise pour s'adapter à des charges différentes par les produits à chauffer ou leurs dimensions. Ce travail s'inscrit dans une thématique de recherche plus large du groupe CODIASE du LAPLACE, qui vise à définir des méthodes de commande d'actionneurs (ici des inducteurs) couplés. Des travaux antérieurs menés au sein de l'entreprise EDF R&D ont mené vers la réalisation d'un prototype de chauffage de plaque fine à trois inducteurs sur lequel des études théoriques et expérimentales ont montré la possibilité de maîtriser la température de la pièce par la maîtrise des courants à l'intérieur des inducteurs. Nos travaux cherchent donc à asservir ces courants, en amplitude et en phase, à une référence optimisée, en vue d'une maîtrise de la température à la surface de la tôle, malgré les couplages entre les inducteurs et entre les inducteurs et la tôle, malgré les variations paramétriques dues à la température et/ou une erreur d'identification des paramètres du système. Nous les présentons ici en trois grandes étapes. La première d'entre elles modélise le système d'un point de vue électrique selon trois représentations différentes. Elle propose également une amélioration de l'optimisation des courants dans les inducteurs à partir de [8], en intégrant désormais une dimension multi-critères avec recherche d'amélioration de l'efficacité énergétique par la commande, basée notamment sur l'évaluation des pertes. Dans un second temps, nous proposons des outils permettant une validation théorique et semi- expérimentale des lois de commande qui sont mises en place. Pour ce faire, nous avons construit un simulateur analogique émulant le comportement des grandeurs électriques du système, commandé par une carte dSPACE. Nous proposons également un schéma de principe d'une commande rapprochée, étape indispensable et moins évidente qu'il n'y paraît de prime abord, pour passer des grandeurs de commande en sortie des correcteurs résonants aux ordres de commande des interrupteurs des onduleurs à résonance. Enfin, le dernier chapitre traite de la synthèse en discret de deux lois de commande que nous proposons comme solution aux problèmes, un retour d'état et des correcteurs résonants. Différentes simulations et applications au simulateur analogique ainsi que des premiers résultats expérimentaux sur la maquette EDF de 30 kVA sont présentés.

Cette thèse traite l'étude de la fiabilité et de la durabilité des systèmes photovoltaïques (PV). Face à l'absence de retour d'expériences, réaliser une telle étude sous-entend, à la fois, de proposer des procédures expérimentales de qualification basées sur des essais accélérés conduits sur les composants critiques des systèmes PV, et de développer des outils de simulation de la fiabilité de l'assemblage de ces composants constituant un système considéré complexe. Ainsi dans un premier temps, nous nous sommes consacrés à l'étude de la fiabilité des modules PV. Une méthodologie originale basée sur les essais de dégradation accélérée nous a permis d'estimer la fiabilité de ces composants sous leurs deux modes prédominants de défaillance que sont la corrosion et la décoloration de l'encapsulant. L'originalité réside dans la prise en compte des variabilités des conditions environnementales et sur le couplage des essais accélérés et de dégradation. Un outil a été développé à cet effet. Dans un second temps, nous nous sommes placés à l'échelle des systèmes PV. Nous avons proposé de simuler certains paramètres caractérisant leur sûreté de fonctionnement en s'appuyant sur une représentation du système avec ces différents modes de fonctionnement et de dysfonctionnement (défaillances et dégradation) à l'aide de plusieurs Réseaux de Petri Stochastiques imbriqués sur plusieurs niveaux afin de se situer, pour chaque composant, aux échelles pour lesquelles les modes de défaillance pouvaient être saisis et formulés. Notre travail de thèse permet finalement de donner les bases méthodologiques et les outils de simulations pour qualifier et garantir la durée de vie de systèmes PV.

La connaissance précise des champs électromagnétiques rayonnés par les dispositifs hyperfréquences nécessite des outils instrumentaux permettant la mesure directe ou indirecte de ces champs. La technique du scan champ proche fait partie de ces outils. Ce manuscrit décrit les travaux de caractérisation des sondes électromagnétiques pour une plate-forme de scan champ proche développée au laboratoire LAPLACE. L'accent a été mis sur la simulation électromagnétique des dispositifs de test utilisés dans le travail de déconvolution du facteur d'antenne des sondes de champs magnétiques ou électriques. Ces dispositifs comprennent aussi bien des structures planaires telles que des interconnexions en ligne micro ruban que des composants en guide d'ondes tels que des guides ouverts de formes rectangulaire ou circulaire. Pour analyser ces structures des logiciels commerciaux basés sur la méthode des différences finis ont été utilisés. Dans le cas des structures rayonnantes un programme basé sur la méthode de l'opérateur transverse a été développé, permettant la détermination de l'admittance de rayonnement et les champs rayonnés en zones proche et lointaine. Les résultats obtenus ont été validés par des simulations avec des outils commerciaux, et par des mesures réalisés au laboratoire.