The advent of additive manufacturing has opened up new frontiers in developing metal structures that can have complex geometries, composite structures made of dissimilar metals, and metal structures with embedded sensing and actuation capabilities. These types of structures are possible with ultrasonic additive manufacturing (UAM); a novel manufacturing technology that combines additive manufacturing through the ultrasonic welding of thin metal foils with computer numerical control (CNC) milling. However, the process suffers from a critical limitation, i.e., a range of build heights within which bonding between a foil and the substrate cannot be originated. <br>This work has two research objectives, the first is a fundamental understanding of the complex dynamic interaction between the substrate and ultrasonic horn, or sonotrode. Specifically, it focuses on the effects that specific modes of vibration have on the dynamic response of the substrate. The second objective is to utilize the UAM process to create metal structures with an embedded sensor that can detect contact or impact. In addressing the first objective, a semi-analytical model was developed to determine the response to three forcing descriptions that approximate the interfacial friction between the foil and substrate induced by sonotrode compression and excitation. Several observations can be seen in the results: as the height increases the dominant modes of vibration change, the modes of vibration excited also change during a single weld cycle as the sonotrode travels across the length of the substrate, and finally the three forcing models do not have a significant impact on the substrate response trends with height and during the weld cycle. <br>In addressing the second objective, three prototypes were created by embedding a triboelectric nanogenerator (TENG) sensor within an AL3003 metal-matrix. TENGs utilize contact electrification between surfaces of dissimilar materials, typically polymers, combined with electrostatic induction to generate electrical energy from a mechanical excitation. The sensors demonstrate a discernible response over a 1-5 Hz frequency range. In addition, the sensors have a linear relationship between output voltage and a mechanically applied load, and have the ability to sense contact through both touch and due to an impacting object.

>Magister Scientiae - MSc / There have been a number of attempts to measure the expansion rate of the Universe using age-dating of Luminous Red Galaxies (LRGs).Assuming stars in LRGs form at the same time, age-dating of two populations of LRGs at different redshifts can provide an estimate of the time difference associated with the corresponding redshift interval (dt/dz). This gives a direct estimate of the Hubble parameter at the average redshift of the two populations. In this thesis, we explore the validity of the assumptions in this method using LRGs identified in the Millenium Simulation.We study the properties of LRGs simulated using two semi-analytical models for galaxy evolution and discuss LRG selection criteria. We use stellar population modelling and spectral synthesis to estimate the errors on ages that can be expected and discuss optimization of an age-dating experiment.We find that H(z) using simulated galaxies from MS can be recovered with high accuracy. Using Single Stellar Populations (SSPs) to age -date LRGs is not sufficient for this experiment but if the star formation histories of galaxies are used, accurate ages are obtainable. We discuss an observing program to carry out this experiment using SALT (Southern African Large Telescope).

Lorsqu'un hélicoptère vol au dessus de l'eau le constructeur se doit d'anticiper l'amerrissage d'urgence (ditching) pour la sécurité de l'équipage. La solution adoptée consiste en des systèmes de flottabilités gonflables. Ces systèmes pour EUROCOPTER ont deux buts : amortir l'impact et assurer la flottabilité le temps que l'appareil soit évacué. Des normes définissent les limites du ditching en terme de vitesses d'impact et en terme d'état de mer. Lors du dimensionnement de l'appareil et des flottabilités pour l'impact des centaines de calculs sont a réitérer pour converger vers la solution optimale.Cette thèse s'inscrit dans un projet d'optimisation d'un logiciel maison voué au Ditching. Elle fait suite à celle de N.Malleron(2009) focalisée sur le cas vertical. Elle apporte des contributions à la compréhension de cette IFS complexe via différentes approches expérimentales et l'exploration de différents modèles que l'on tente de corréler avec les résultats expérimentaux. / When operating on offshore conditions, helicopters may encounteremergency situations during which an immediate sealanding isrequired. In this case, the aircraft may experience a water impact event.Floatability systems are inflated to cushion the impact and toensure that the floatation is maintained while the crew evacuates.The dimensioning procedure of helicopter's floatability systemsremains very challenging. In this process, accurate prediction of thebehavior and the global loads on the helicopters floaters during ditchingis crucial. To obtain a better understanding of the floatability system,and to be able to develop more accurate models, the hydrodynamicalcharacteristics of the floaters, as flexible bodies, need to be furtherinvestigated. Experiments assessing the hydrodynamics characteristicsof these particular types of deformable bodies are rare. To this aim, anexperimental campaign has been carried out to identify the nature ofloads (global and local) and potential deformations. Numericalinvestigations are proposed to complete our understanding ofphenomena observed during experimental tests.An academic experimental campaign have been led in the flume of Ecole Centrale de Marseille. A baloon was drop from 0.5 to 2.4m with various inner pressure. Deformations and kinematics are measured and analysed before comparisons with a semi-analytical modelisation. Some results with the in-house software DITCHER are also proposed in this thesys.

Le taux de déformation des matériaux est élevé pendant le soudage / formage à grande vitesse, le découpage, le sertissage, etc. Les propriétés des matériaux sous déformation à grande vitesse ne suivent pas la même loi que dans le cas de chargement quasi statiques. La caractérisation des matériaux à taux de déformation important est assez difficile et nécessite des équipements sophistiqués. Grâce au développement de la technologie de formage électromagnétique, le test d'expansion d'anneau électromagnétique présente un grand potentiel à utiliser pour caractériser les matériaux à haute vitesse de déformation. Pendant le test d’expansion de l’anneau électromagnétique, la pièce à usiner peut atteindre une vitesse d’expansion de l’ordre de 100m/s et une vitesse de déformation de 104 s-1. Par conséquent, ce test peut être utilisé pour prédire les paramètres du matériau, tels que la dureté et la ductilité à déformation à grande vitesse. Pour d’atteindre cet objectif, un modèle approprié décrivant le processus est nécessaire. Ce modèle doit contenir un couplage électromagnétique-mécanique-thermique pour bien décrire le problème multi-physique. Il existe deux méthodes principales de modélisation dans la littérature, viz. Les méthodes semi-analytiques et les méthodes des éléments finis (parfois combinées avec la méthode des éléments limitants). Les méthodes semi-analytiques nécessitent un temps de calcul court mais offrent une faible précision par rapport aux méthodes des éléments finis. Cependant, en raison de la complexité du couplage multi-physique, l’erreur de calcul est difficile à estimer. De plus, les déformations hétérogènes ainsi que les états de contrainte compliqués peuvent influencer l’identification. Dans ce sens, cette thèse s’est principalement concentrée sur les méthodes d’analyse et de modélisation du test d’expansion d’anneau électromagnétique, incluant les comportements locaux et les phénomènes dynamiques à l’aide des outils expérimentaux et numériques. Par ailleurs, cette thèse comprend aussi le développement d’un méthode semi-analytique permettant le couplage multi-physique, ce qui a été validé par un modèle numérique idéal et par des tests expérimentaux. Les résultats expérimentaux ont été obtenus à l’aide d’une caméra à grande vitesse et du vélocimétrie photovoltaïque Doppler (PDV) pour différents cas tests. Ils ont été utilisés pour déterminer les paramètres du processus et du matériau à l’aide des modèles numériques. Les modèles adaptés pour analyser les états de contrainte et de déformation durant le test d’expansion d’anneau montrent que ce dernier n’est pas un test de traction uniaxial pur comme revendiqué par les chercheurs. En outre, le phénomène de vibration qui se produise de la récupération élastique a été étudié par simulations multi-physiques et par systèmes PDV. Cette étude de récupération élastique permet de mieux comprendre les paramètres influençant du test, ce qui pourrait être utilisé pour contrôler le rebond dans d’autres processus électromagnétique. La méthode de modélisation semi-analytique pour le test d’expansion de l’anneau électromagnétique, qui comprend quatre parties de calcul (partie mécanique, thermique, force de Lorentz et courant de Foucault), a été analysée à l’aide de simulations numériques. Les résultats obtenus ressemblent étroitement aux résultats obtenus par un test idéal et un test expérimental. L’analyse d’erreur des différents aspects physiques permet d’améliorer la précision de calcul semi-analytique, ce qui pourrait être utilisé comme outil supplémentaire d’obtention rapide des paramètres de contrôle dans les tests. Il pourrait aussi être utilisé pour l’identification des paramètres des matériels à déformation à grande vitesse. / High stain rate material deformations are prevalent during high speed impacts, high speed forming/welding, cutting, crimping, blast etc. Characteristics of materials under high strain rate deformation do not follow the same as it occurs under the quasi-static loading conditions. However, characterization of materials under high strain rate deformation is always challenging and it requires sophisticated equipment. Thanks to the development in electromagnetic forming technology, the electromagnetic ring expansion test shows a great potential to be used to characterize materials under high strain rate conditions. During the electromagnetic ring expansion test, the workpiece can reach deformation velocities in the order of 100 m/s and a strain rate of up to 104 s-1. Consequently, this test can be used to predict the material parameters such as the strain rate hardening and ductility under extremely high strain rates (strain rates in the order of 103 – 104 s-1). In order to achieve this goal, an appropriate model is required to describe the process. The model should contain an electromagnetic-mechanical-thermal coupling to obtain the accurate multi-physics nature of the problem. There exist two main modeling methods in literature, viz., the semi-analytical methods and finite element methods (sometime combined with boundary element method). Normally, the semi-analytical methods require short calculation time while it provides lower accuracy in comparison with finite element methods. However, due to the complexity of multi-physics coupling, the calculation error is difficult to be analyzed. Moreover, errors in calculation and identification assumptions may also result from heterogeneous deformations or localized specific phenomena (such as local necking at multi points or electric current localization, skin effect, edge effect of Lorentz force etc.) that could influence identification work as well as stress and strain states. Therefore, this thesis mainly focused on the analysis and modeling methods of ring expansion test including local behaviors and dynamic phenomena with the help of experimental and numerical tools. Moreover, this thesis also includes a development of a semi-analytical method with multi-physics coupling capabilities, which has been validated using a theoretical model and experimental frameworks. Experimental measurements were obtained using high-speed cameras and photonic Doppler velocimetry (PDV) for various test cases are used together with numerical models to investigate the process and material parameters. The models used to analyze the stress and stain states during a ring expansion test show that the ring expansion test is not a pure uniaxial tensile test as claimed by researchers. Besides, another potential process behavior, the vibration phenomena that occurs during the elastic recovery was investigated using multi-physics simulations and PDV systems. This investigation of the elastic recovery helps to understand the potential influencing parameters of the test those are applicable and could be used to control the springback phenomenon during other electromagnetic forming processes. The semi-analytical modeling method for ring expansion test including four calculation parts (mechanical part, eddy current, Lorentz force calculation, thermal part) were analyzed with the help of numerical simulations. The results obtained from analytical work closely resemble with the numerical simulations for both theoretical model and an experimental case study. The error analysis of various physical aspects allows improving the accuracy of semi-analytical calculation that could be used as an additional platform to obtain rapid calculation of the test conditions. This semi-analytical method could be extended in the future to identify material parameters under high strain rate deformations.

Les modèles semi-analytiques (SAMs) constituent aujourd'hui le meilleur outils d'analyse et d'étude pour la formation et l'évolution des galaxies individuels mais également des regroupements de galaxies appelés amas. Alors qu'ils reproduisent avec succès les fonctions de masse stellaire, de corrélation à deux points, de luminosité des galaxies locales (z=0), ils échouent dans les prédictions des propriétés des galaxies plus jeunes, à plus haut décalage vers le rouge. Et ce d'autant plus que la masse stellaire est faible. Ces inconsistances entre les modèles et les observations démontrent que l'histoire de l'assemblage des ces galaxies, en relation avec l'accrétion de gaz, la formation stellaire et leurs halos de matière noire n'est pas bien comprise. Dans cette thèse, nous introduisons une nouvelle version du modèle semi-analytique GalICS et nous l'utilisons pour explorer l'impact, sur la formation stellaire des galaxies à faible masse, de la rétroaction des supernovae et des trous noirs supermassifs ainsi que des processus de photo-ionisation. Ces deux mécanismes sont communément utilisés pour réduire la formation de nouvelles étoiles dans les galaxies peu massives. Nous montrons que, même appliqué avec de très fortes efficacités, ces deux processus ne peuvent pas expliquer simultanément les fonctions de masse, de luminosité et la relation entre masse stellaire et masse des halos de matière noire pour les galaxies évoluant à grand décalage spectral. Suite à ce constat, nous introduisons deux recettes ad-hoc pour la formation stellaire. Dans un premier temps nous appliquons une forte modification de l'efficacité de formation stellaire en relation directe avec la masse de matière noire de leur halo hôte. Cette première approche conduit à de bons résultats, en particulier dans le régime des faibles masses stellaires mais il présente, par construction un profond désaccord avec la loi de formation stellaire observées par Kennicutt. Pour cela, nous introduisons une seconde modification, plus profonde, basée sur l'existence d'une composante de gaz, évoluant en périphérie des premiers disques galactiques, mais ne pouvant pas, pour des raisons encore mal comprises, former de nouvelles générations d'étoiles. Progressivement, ce gaz impropre à la formation stellaire est convertit, il alimente alors la formation d'étoile. L'introduction de ce nouveau réservoir, introduit un délai entre le moment ou le gaz s'effondre au centre du halo et le moment ou ce gaz. Ce nouveau modèle donne de très bons résultats mais il pose la question de l'origine de ce gaz impropre à la formation stellaire. Nous abordons dans cette thèse quelques piste de recherche dans le cadre de la formation des grandes structures peuplant notre Univers. / Semi-analytical models (SAMs) are currently the best way to understand the formation of galaxies and clusters within the cosmic web dark-matter structures. While they fairly well reproduce the local stellar mass function, correlation function and luminosity function, they fail to match observations at high redshift (z>3) in most cases, particularly in the low-mass range. The inconsistency between models and observations indicates that the history of gas accretion in galaxies, within their host dark-matter halo, and the transformation of gas into stars, is not well followed. In this thesis, we introduce a new version of the GalICS model and we use it to explore the impact, on the star formation and in the low-mass range, of supernovae feedback and photo-ionization. These two mechanisms are commonly used to limit the amount of gas available to form stars.We will show that, even with a strong efficiency, these two process cannot explain the observed stellar mass function, luminosity functions, and the stellar mass versus dark matter halo mass relation. We will thus introduce two ad-hoc modifications of the standard paradigm. We propose first a strong modification of the star formation efficiency as a function of the dark matter halo mass. This model produces good results, especially on the faint end of the stellar mass function, but is, by construction, in disagreement with the well known Kennicutt star formation law. We will thus introduce a deeper change, based on a no star-forming gas component, and a new gas distribution in the galaxy discs. The reservoir in which stays the no star-forming gas generates a delay between the gas accretion and star formation. This model is in very good agreement with a large set of observations. However, it poses the question of the origin of the no star-forming gas. We will discuss its origin in the framework of the large scale disturbed dynamic of high-redshift structures.