Dans le domaine des transports maritimes de Gaz Naturel Liquide (GNL), une problématique majeure est le risque de rupture mécanique liée à une température trop froide des parois du méthanier. Ainsi le dimensionnement des navires nécessite la connaissance précise des champs de températures. L’obtention de ces champs de température peut nécessiter de nombreuses heures de calculs et encore plus en prenant en compte les phénomènes radiatifs. L’objectif de cette thèse est de présenter une méthode permettant la résolution de ce problème en quelques minutes en tenant compte des phénomènes de thermiques (conduction, convection et radiation). La méthode de réduction modale utilisée ici consiste à créer un modèle réduit composé de champs de température particuliers appelés modes. On a pu démontrer que la résolution est quasi instantanée pour une erreur minime sur une portion de navire et il est envisagé de développer la méthode à l’ensemble d’un navire. / In the sector of maritime transport of Liquid Natural Gas (LNG), a major issue is the risk of mechanical failure linked to too cold vessel walls. Thus, the design of LNG carrier requires precise expertise of temperatures fields. These are complex structures made up of a large number of enclosures. To obtain these fields it may require many hours of calculations,particularly if we take in account the radiations. The aim of this thesis is to present a method to solve in a few minutes all of thermal phenomena (conduction, convection and radiation) on a big structure and obtain transient temperature’s fields.The method of modal reduction used here consist to create a reduced model composed of individual temperature fields called modes allowing a very quick resolution with minor error. It has been shown the truth of the method on a vessel portion and there are plans to develop the method to the entire ship.

Les législations européennes imposent aux constructeurs automobiles que leurs véhicules ne dépassent pas un certain niveau de bruit. De plus, du point de vue économique, leurs clients ac- cordent de plus en plus d'importance aux aspects liés à la qualité acoustique lors de l'achat d'une voiture. Une des sources principales de bruit est le Groupe Moto Propulseur. Or, si des outils suc- cincts existent très en amont dans la conception, les concepteurs ne possèdent pas d'outils in- formatiques adaptés pour orienter la conception et ont donc peu de marge de manœuvre. Si le moteur s'avère bruyant en fin de projet, seules des solutions palliatives coûteuses et souvent mal adaptées peuvent alors être appliquées. L'objectif de cette thèse est par conséquent de permettre d'évaluer le bruit émis par le moteur plus tôt dans de cycle de conception grâce à des simulations numériques. Ces simulations doivent être effectuées sur des pièces de géométrie simplifiées conformément au niveau de connaissance à ce stade de la conception. De plus, des méthodes numériques rapides doivent permettre de com- parer plusieurs architectures moteur afin de privilégier la plus favorable par rapport à l'acoustique et aux vibrations. Pour y parvenir, nous avons déterminé les paramètres géométriques correspondant à un stade précoce de la conception qui doivent apparaître sur les pièces simplifiées afin d'obtenir des simu- lations représentatives vis-à-vis de la vibroacoustique. Dans ce but, nous avons mis en place une méthodologie de représentation simplifiée juste nécessaire correspondant à ces prestations. Elle a été évaluée en dynamique d'une part et en acoustique d'autre part. De plus, il est indispensable de disposer de nouvelles méthodologies de calcul du rayonne- ment acoustique, adaptées à la comparaison d'architectures. Pour cela, nous avons développé la Sous Structuration Soustractive (SDM) qui permet de décomposer un problème complexe de rayonnement acoustique en deux sous problèmes, l'un fini et l'autre infini. En choisissant de fa- çon adéquate cette décomposition lorsqu'on souhaite comparer plusieurs architectures moteur, cette méthode permet de conserver les résultats du calcul infini souvent traité avec les éléments de frontières. Les résolutions des sous problèmes finis résultants sont alors effectuées par une mé- thode éléments finis. Le calcul infini utilisant les éléments de frontière étant plus long à réaliser, nous avons également proposé une méthode appelée Sous Structuration Infinie ou Algorithme de clonage qui permet de traiter ce type de problème en utilisant les éléments finis. Enfin la SDM a été appliquée à un cas industriel. Les résultats numériques ont été comparés avec succés à ceux obtenus avec une méthode de référence.

Depuis quelques années dans le domaine du cyclisme de route, le confort des vélos est devenu un élément au moins aussi recherché que la performance. Le confort est une préoccupation majeure pour 90 % des cyclistes. Les cyclistes sur route passionnés enfourchent leurs vélos pendant plusieurs centaines d’heures chaque année. Ils souhaitent donc utiliser un vélo qui aura la capacité de réduire les vibrations générées par la route. Un sondage réalisé auprès de 320 cyclistes a montré que les vibrations transmises au niveau de la main sont considérées comme la plus grande source d’inconfort. Ce travail a permis de développer une approche permettant d’estimer le niveau de vibrations transmis au niveau de la main du cycliste par sous-structuration. Les méthodes de sous-structuration permettent de prédire le comportement dynamique d’un assemblage de structures par caractérisation de chacune des structures prise séparément. Bien que ces méthodes existent depuis des dizaines d’années, aucune étude n’avait investigué l’assemblage de deux structures par sous-structuration lorsqu’une d’entre elles est l’Humain. L’approche proposée consiste à mesurer la réponse biodynamique du système main-bras en posture cycliste et à prédire la puissance vibratoire au niveau de la main du cycliste à l’aide d’une méthode de sous-structuration. Cette thèse présente les éléments importants issus de ces travaux. Deux méthodes de couplage ont été identifiées et testées pour prédire l’influence du système main-bras sur le comportement dynamique de structures mécaniques simples. La variabilité de réponse du système main-bras de plusieurs sujets a été analysée. Des caractéristiques communes à plusieurs sujets ont été identifiées dans la réponse biodynamique de leurs systèmes main-bras. Finalement, l’importance relative du cycliste par rapport au vélo sur le comportement dynamique de l’assemblage vélo – cycliste au niveau de la main a conduit au développement d’une méthode de caractérisation de la réponse vibratoire des vélos seuls.

La maîtrise du calcul prévisionnel du comportement dynamique de structures mécaniques demeure un enjeu majeur pour l'amélioration de la conception en présence de facteurs mal maîtrisés. Dans ce document, nous présentons des méthodologies de conception permettant de prendre en compte dans le processus de décision, les incertitudes sur les paramètres de conception, les incertitudes sur les mesures ou encore l'impact des modifications. Dans la première partie, nous étudions le potentiel d'une méthode de synthèse modale basée sur l'utilisation des modes propres orthogonaux. Une méthodologie de vérification et d'optimisation de super-éléments est également présentée. Enfin, nous montrons qu'un algorithme génétique peut permettre une sélection optimale des coordonnées physiques dans les méthodes de réduction. La deuxième partie concerne l'identification paramétrique des structures mécaniques à partir d'observations incertaines et la quantification de l'information susceptible d'être obtenue grâce à des mesures expérimentales. Nous utilisons dans cette étude une formulation probabiliste des problèmes inverses. Une planification d'essais en vue d'un gain d'information est réalisée avec des plans d'expérience bayésiens. Dans la dernière partie, l'approche non-probabiliste info-gap est appliquée afin d'évaluer la robustesse aux incertitudes de deux méthodes de recalage. Cette méthode permet aussi de vérifier que, dans un environnement incertain et pour un critère de performance donné, il peut être préférable de choisir un modèle " satisfaisant" plutôt qu'un modèle optimal.

Le thème sous-jacent au travail de thèse est de réaliser des calculs implicites de structures, pour des chargements quasi-statiques et sous les hypothèses des petites perturbations, sur des ordinateurs à architecture parallèle. La méthode employée se classe dans la catégorie des méthodes de décomposition de domaine pour résoudre des problèmes de grande taille.<br />La méthode employée se propose de tirer parti du parallélisme intégré dans la Méthode A Grand Incrément de Temps (LATIN), proposée par Pierre Ladevèze et développée depuis plusieurs années au Laboratoire de Mécanique et Technologie de Cachan, couplée avec une méthode de décomposition de la structure en sous-structures et interfaces. Une première étude, restreinte au cas de l'élasticité plane, a permis de mettre en évidence que l'utilisation directe de cette approche, sans stratégie particulière, perd rapidement de son efficacité lorsque le nombre de sous-structures croît.<br />Le but du travail de thèse a été de montrer la faisabilité de l'intégration d'une stratégie multiéchelle (à 2 degrés de raffinement suivant une vision hiérarchique), pour pallier la difficulté précédente. L'adjonction d'un problème à grande échelle, global sur toute la structure, permet ainsi de prendre en compte les effets à grande longueur d'onde et de propager rapidement l'information parmi les sous-structures. Cette stratégie a été implantée dans le code de calcul de type industriel CASTEM2000 (maintenant Cast3M) de façon à pouvoir être portée sur différents calculateurs multiprocesseurs à mémoire distribuée. Un autre point clé est l'étude du choix des discrétisations des champs intervenant dans la méthode, pour ne pas complètement privilégier une approche en déplacement au détriment des quantités « statiques », en particulier pour les interactions entre les sous-structures et leur environnement, à savoir les interfaces qui leur sont connectées.

La méthode SEA (Statistical Energy Analysis) permet de prévoir les échanges d'énergie entre sous-systèmes d'une structure lorsque celle-ci est soumise à une excitation. La SEA est théoriquement très simple à mettre en place et permet de faire des variations paramétriques sur un modèle de la structure en phase de conception. Cette méthode est utilisée de manière pertinente dans le domaine du bâtiment mais peine à s'implanter dans le secteur des transports où les systèmes étudiés sont beaucoup plus complexes. Plusieurs difficultés apparaissent dans ces cas de figure et empêchent une modélisation correcte de la structure. La première difficulté vient de la nécessité de découper la structure en sous-systèmes respectant les hypothèses de la SEA. Ce découplage, presque trivial dans le bâtiment, devient particulièrement complexe dans le cas d'une caisse de voiture par exemple. L'estimation des puissances injectées par les sources dans la structure est une deuxième difficulté. En effet, les énergies des sous-systèmes sont directement proportionnelles à la puissance injectée. Ainsi, une mauvaise estimation de la puissance entraîne une erreur sur les échanges d'énergies. Le but de ce travail de thèse est double. Dans la première partie, une modèle de puissance injectée dans une plaque rectangulaire soumise à une couche limite turbulente (CLT) établie. Ce modèle simple permet de souligner l'influence des différents paramètres agissant sur la puissance injectée et d'estimer avec le temps de calcul très faible la puissance injectée par bande de fréquence. Une validation expérimentale est aussi exposée. Dans la deuxième partie, une méthode de sous-structuration automatique d'une structure en sous-systèmes SEA est proposée. Elle est basée sur l'analyse et la classification de fonctions de transfert énergétiques simulées par éléments finis. Un algorithme de classification permet de diviser la base de données en N sous-systèmes (N allant de 2 à Nmax). Un indice, validé sur des assemblages simples, indique la sous-structuration optimale pour une application SEA. Des applications industrielles, démontrant l'applicabilité de la méthode à des structures complexes, seront présentées.

Les structures mécaniques complexes résultent de l'assemblage de plusieurs composants, possédant souvent des propriétés mécaniques différentes, reliés à leurs interfaces par différents types de jonctions. L'hétérogénéité des comportements dynamiques de ces sous-structures et leurs sollicitations extérieures vont générer des efforts sur la structure principale et des accélérations importantes au niveau des équipements embarqués, affectant leur fonctionnement, leur fiabilité, leur sécurité. Il est alors nécessaire de les protéger en les isolant du reste de la structure.Ces travaux concernent la maîtrise des niveaux vibratoires et visent à fournir une méthode de caractérisation dynamique des interfaces entre différentes sous-structures. Celle-ci est ensuite intégrée dans une démarche visant à minimiser la puissance transmise entre des sous-structures sources et réceptrices.Une méthode de modes de flux de puissance a été développée, dont les valeurs et efforts propres fournissent, respectivement, des informations quantitatives et qualitatives sur les flux de puissance à l'intérieur d'une structure. Son application à l'étude de la puissance transmise entre deux sous-structures permet d'identifier les directions et les participations des principaux chemins de puissance transitant par les jonctions.Ces résultats ont été appliqués afin de proposer une méthodologie de conception robuste des interfaces de structures. Deux démarches d'optimisation ont été comparées visant à minimiser la puissance transmise par rapport aux paramètres de raideurs des jonctions. L'importance de considérer la robustesse de ces solutions a été soulignée par une approche complémentaire non-probabiliste.

Les structures mécaniques complexes résultent de l’assemblage de plusieurs composants, possédant souvent des propriétés mécaniques différentes, reliés à leurs interfaces par différents types de jonctions. L’hétérogénéité des comportements dynamiques de ces sous-structures et leurs sollicitations extérieures vont générer des efforts sur la structure principale et des accélérations importantes au niveau des équipements embarqués, affectant leur fonctionnement, leur fiabilité, leur sécurité. Il est alors nécessaire de les protéger en les isolant du reste de la structure.Ces travaux concernent la maîtrise des niveaux vibratoires et visent à fournir une méthode de caractérisation dynamique des interfaces entre différentes sous-structures. Celle-ci est ensuite intégrée dans une démarche visant à minimiser la puissance transmise entre des sous-structures sources et réceptrices.Une méthode de modes de flux de puissance a été développée, dont les valeurs et efforts propres fournissent, respectivement, des informations quantitatives et qualitatives sur les flux de puissance à l’intérieur d’une structure. Son application à l’étude de la puissance transmise entre deux sous-structures permet d’identifier les directions et les participations des principaux chemins de puissance transitant par les jonctions.Ces résultats ont été appliqués afin de proposer une méthodologie de conception robuste des interfaces de structures. Deux démarches d’optimisation ont été comparées visant à minimiser la puissance transmise par rapport aux paramètres de raideurs des jonctions. L’importance de considérer la robustesse de ces solutions a été soulignée par une approche complémentaire non-probabiliste. / Complex mechanical structures are composed of an assembly of several components, often exhibiting different mechanical properties and joined at their interfaces by different junction types. The various dynamic behaviours of these substructures and the applied external loadings generate important efforts on the main structure, resulting in high acceleration responses of the on-board equipments, affecting their performance, reliability and security. It is therefore necessary to protect them from these harsh conditions by isolating them from the rest of the structure.These researches are related to structural vibration control and aim at proposing a new method to dynamically characterize interfaces between different substructures. This method is then integrated to a robust design approach to minimize the power transmitted between a source and a receiver substructure. A power flow mode method has been developed, which allows determining eigenvalues and eigenvectors respectively representing qualitative and quantitative information on the power flowing inside the structure. This has been further applied to study the power transmitted at the interface, making it possible to identify the direction associated to the dominant power flow pattern and to quantify their contribution.These results have been applied to propose a robust design approach of structural interfaces. Optimization procedures have been implemented and compared to minimize the power transmitted between with respect to the interface stiffness parameters. The importance of considering the robustness of these solutions has been underlined by performing a complementary analysis based on a non-probabilistic approach.

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.

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.