L'analyse sismique des structures de génie civil est une problématique majeure pour la sécurité des personnes et la pérennité des ouvrages. L'étude expérimentale permet de comprendre le comportement réel de la structure mais occasionne des problèmes de coût important et d'effet d'échelle souvent inévitable dû aux dimensions des structures. D'un autre côté, l'étude numérique propose une bonne approximation du comportement global mais la représentation précise des phénomènes locaux (fissuration, perte de matière, flambement, grands déplacements) dans les zones fortement endommagées est délicate et souvent insuffisante. Ce travail de thèse propose l'élaboration d'une technique de sous-structuration hybride pour coupler un modèle numérique à une plateforme expérimentale. Ainsi, la partie faiblement endommagée de la structure est modélisée numériquement tandis que la partie fortement endommagée est testée expérimentalement. Cette méthode permet de coupler le réalisme de l'expérimental avec le faible coût numérique sans toutefois perdre en précision. Après avoir élaboré une méthode de couplage hybride peu intrusive pour le code de calcul (Cast3m), un modèle d'endommagement anisotrope adapté aux chargement sismique (effet unilatéral, déformations permanentes) est développé dans le cadre de la thermodynamique des milieux continus. Afin de valider la méthode hybride, une étude expérimentale est menée sur une structure type en béton armé. La fissuration de la partie expérimentale est étudiée grâce à la corrélation d'images. Ce travail expose donc une alternative intéressante aux analyses classiques des structures importantes soumises à des sollicitations complexes.

Dans le cadre de l’amortissement passif de structure, les élastomères sont employés dans les industries du transport sous la forme de liaisons amortissantes. Ces matériaux ont un comportement dépendant de la fréquence, de la température et de l’amplitude d’excitation. Les modèles numériques associés peuvent être coûteux en temps de calcul, notamment en phase d’optimisation. Le but de cette thèse est de proposer un modèle réduit efficace de ces liaisons amortissantes, qui prenne en compte la dissipation viscoélastique et les précharges non-linéaires dans les liaisons. La première partie de ce mémoire se concentre sur la représentation de la dissipation par le modèle réduit. Une loi de comportement viscoélastique, basée sur un modèle rhéologique identifié expérimentalement, est utilisée avec la méthode des éléments finis pour obtenir un modèle numérique des liaisons amortissantes. Un premier modèle réduit prédictif, prenant en compte la dissipation en est dérivé en utilisant une extension originale des méthodes de sous-structuration. La deuxième partie traite de l’influence des précharges statiques non-linéaires sur le comportement dynamique et la dissipation dans les liaisons. Pour cela, une loi de comportement hyper-visco-élastique linéarisée autour d’un état précontraint statique non-linéaire est développée. Les méthodes de sous-structuration introduites dans la première partie sont alors enrichies afin de tenir compte de la dissipation et les non-linéarités géométriques dans les liaisons. Finalement, ces modèles réduits à 2 nœuds permettent des gains en temps de calcul d’un facteur 50 à 100 et sont facilement utilisables par l’ingénieur en phase de conception. / In the context of passive damping, various mechanical systems from the space, aeronautic or auto-mobile industry use elastomer components (shock absorbers, silent blocks, flexible joints...).These materials have frequency, temperature and amplitude dependentcharacteristics. The associated numerical models may become computationally too expensive during an optimization process.The aim of this work is to propose an efficient reduced model of rubber devices that account for the viscoelastic damping and the non-linear pre-stress in the dampers.The first part of this thesis is about how to include the viscoelasticdamping in the reduced model. It starts by using a viscoelastic constitutive relation, based on experimental identification, within the frame of the finite element method to obtain a numerical model of the rubber dampers. A first efficient reduced model is then derived from this FE model by using an original extension of sub-structuring methods in the case of viscoelastic damping.In the second part, the influence of non-linear static pre-stress overthe dynamic behavior and the dissipation in the dampers is studied. An hyper-visco-elastic constitutive relation, linearized in the neighbourhood of a pre-stressed state, is developed. The sub-structuring methods presented in the first part are then upgraded to account for the damping and the geometrical non-linearities in the dampers. Finally, these 2-node reduced models give access to greatly reduced computation times (50 to 100 times faster) and are easy to use for the engineer.

L'analyse sismique des structures de génie civil est une problématique majeure pour la sécurité des personnes et la pérennité des ouvrages. L'étude expérimentale permet de comprendre le comportement réel de la structure mais occasionne des problèmes de coût important et d'effet d'échelle souvent inévitable dû aux dimensions des structures. D'un autre côté, l'étude numérique propose une bonne approximation du comportement global mais la représentation précise des phénomènes locaux (fissuration, perte de matière, flambement, grands déplacements) dans les zones fortement endommagées est délicate et souvent insuffisante. Ce travail de thèse propose l'élaboration d'une technique de sous-structuration hybride pour coupler un modèle numérique à une plateforme expérimentale. Ainsi, la partie faiblement endommagée de la structure est modélisée numériquement tandis que la partie fortement endommagée est testée expérimentalement. Cette méthode permet de coupler le réalisme de l'expérimental avec le faible coût numérique sans toutefois perdre en précision. Après avoir élaboré une méthode de couplage hybride peu intrusive pour le code de calcul (Cast3m), un modèle d'endommagement anisotrope adapté aux chargement sismique (effet unilatéral, déformations permanentes) est développé dans le cadre de la thermodynamique des milieux continus. Afin de valider la méthode hybride, une étude expérimentale est menée sur une structure type en béton armé. La fissuration de la partie expérimentale est étudiée grâce à la corrélation d'images. Ce travail expose donc une alternative intéressante aux analyses classiques des structures importantes soumises à des sollicitations complexes. / The seismic analysis of civil engineering structures is a major problem for the safety of the persons and the sustainability of the structures. The experimental study allows to understand the real behavior of the structure but causes problems of important cost and often inevitable scale effect owed in dimension of the structures. On the other hand, the numerical study proposes a good estimate of the global behavior but the accurate modelling of the local phenomena (cracking, losses of material, buckling, large displacements) in the strongly damaged zones is delicate and often insufficient. This work of this thesis proposes the elaboration of a hybrid technique of sub-structuring to couple a numerical model with an experimental platform. So, the weakly damaged part of the structure is numerically modelled whereas the strongly damaged part is experimentally tested. This method allows to couple the precision and the realism of the experimental with the numerical moderate cost without losing however in precision. Having elaborated a few intrusive hybrid method of coupling for the code of calculation (Cast3m), a anisotropic damage model adapted for seismic load (unilateral effect, permanent strains) is developed within the framework of the thermodynamics of the continuous media. To validate the hybrid method, an experimental study is led on a typical reinforced concrete structure. The cracking of the experimental part is studied thanks to images correlation. This work thus exposes an interesting alternative to the classic analyses of the important structures subjected to complex loading.

Un composant électronique dissipe de la chaleur. L'optimisation « thermique » de la conception des systèmes électroniques ainsi que leur durée d'activation ou de désactivation devient alors nécessaire pour limiter les températures. Il faut donc pouvoir prédire finement et rapidement l'évolution thermique d'un composant pris dans son environnement pour différents scénarios d'utilisation. Les simulations classiques types éléments finis étant trop coûteuses en temps de calcul pour des ensembles complexes, il est nécessaire de réduire la taille du modèle. Les méthodes modales consistent à rechercher la solution sous la forme d'une somme pondérée de champs élémentaires, ces derniers étant appelés modes. Ces modes sont calculés en résolvant numériquement un problème aux valeurs propres. Si ces méthodes ont fait leur preuve pour des composants élémentaires, elles se révèlent inopérantes pour des systèmes comportant plusieurs dizaines de composants placés sur un circuit imprimé.La méthode de sous-structuration modale est une extension des méthodes modales classiques permettant de dépasser ces limitations. Il s'agit de décomposer le système en entités élémentaires (les sous-structures), de calculer les modes de chacune de ces entités, puis de les rassembler pour résoudre le problème d'origine. Des travaux préliminaires ont montré que cette approche est pertinente au premier niveau (composant électronique). On envisage lors de cette thèse d'étendre ces principes aux niveaux supérieurs.La finalité industrielle du présent travail est de simuler à l'aide d'un modèle réduit le comportement thermique d'une carte électronique (circuit imprimé et plusieurs composants implantés). Ce travail peut ouvrir la voie pour l'industriel à la modélisation de systèmes multi-modules. / An electronic component heats. Thermal optimization of the design of electronic packages and of their activation and de-activation duration is essential to cap the temperatures reached. Thus we have to be able to finely and quickly predict the thermal evolution of a component set in its surroundings for multiples scenarios of use. Classical simulations, like finite elements ones, ate too costly in terms of computing time for complex packages, we have to reduce the size of the model. Modal methods consist in seek the solution as a weighted sum of elementary fields, labelled modes. These modes are computed by solving eigenvalue problems. But these methods don't work for packaging containing dozens of components on a printed circuit board.The modal sub-structuring method is an extent of classical modal methods used to overcome their limitations. The principle is to disassemble the system into elementary entities (the sub-structures), to compute the modes of each of these entities and to reassemble them to solve the original problem. Preliminary work has shown the relevance of this method on the first level (electric component). The thesis is aimed to extend these principles to superior levels. The industrial purpose of this work is to simulate, thanks to a reduced model, the thermal behavior of an electronic card.Beside the industrial aspect, this work raises fundamental issues like the definition of the junction conditions between the sub-structures in the modal space and the adaptation of the reducing technique of the sub-structures in view of their pairing.The thesis will give answers to these questions using an electronic card as a study support.This work could pave the way of the industrial for the modeling of multi-modules systems.

Les études des phénomènes d'interaction sismique sol-structure pour le dimensionnement d'ouvrages en génie civil sont fondées sur deux hypothèses simplificatrices fortes : l'homogénéité latérale du sol sous la fondation, et la représentation du mouvement sismique par des ondes planes à incidences verticales ou inclinées. Pour de grands ouvrages reposant sur des radiers flexibles étendus, ces hypothèses ne sont plus valides, d'autant que les observations in situ des ondes sismiques font apparaître une variabilité spatiale importante même sur de courtes distances et indépendamment de l'effet du passage d'onde. Dans ce travail sont développés les outils de modélisation et d'analyse numérique permettant de tenir compte de cette variabilité ainsi que de celle des caractéristiques mécaniques du sol. Une approche probabiliste est retenue, et leur influence est directement reliée à la réponse de la structure au séisme par une formulation intégrale incorporant ces deux aspects simultanément. Pour une mise en oeuvre numérique efficace, la dimension aléatoire des fluctuations - grandes ou petites - aléatoires des caractéristiques mécaniques du sol est réduite par l'introduction du développement de Karhunen-Loeve de l'opérateur de raideur dynamique associé. Cette technique est aussi appliquée au champ sismique incident. Les résultats obtenus pour des cas complexes réalistes permettent de mettre en évidence certains phénomènes dont l'appréhension apparaît indispensable dans le cadre d'une étude industrielle. Ils donnent notamment quelques indications utiles sur la sensibilité de la réponse de la structure à la variabilité spatiale du mouvement sismique ou des paramètres du sol.

Dans un premier temps, on s'intéresse à la modélisation numérique du comportement thermo-mécanique des élastomères. Pour ce faire un modèle mécanique en grandes déformations est proposé et discuté. Il est basé sur les hypothèses classiques de l'état local et des matériaux standards généralisés, et s'appuie sur la notion d'états intermédiaires. On applique alors la méthode des éléments finis à ces équations. Le modèle éléments finis mécanique ainsi obtenu est alors associé, via un algorithme de couplage séquentiel à une formulation éléments finis des équations de la thermique écrites en configuration lagrangienne. Diverses simulations numériques, visant à valider d'une part le comportement mécanique, et d'autre part thermo-mécanique, sont présentées et confrontées à des résultats expérimentaux. Dans un second temps, l'objet du travail concerne la modélisation d'un assemblage de structures composites à matrice élastomère, une à une invariantes dans une même direction. La forte hétérogénéité des composants, rendant impossible la modélisation par homogénéisation périodique, contraint à user du couplage d'une technique de sous structuration classique et d'une méthode de sous structuration multi niveaux. La taille des calculs oblige à adopter pour les différents constituants un comportement élastique linéaire. Cependant, une première approche d'un terme de dissipation mécanique, dans le cas de sollicitations périodiques, est proposée en vue d'un éventuel couplage thermo-mécanique.

Le crissement de frein est une nuisance sonore classique dans l'automobile. L'augmentation des coefficients de friction et la réduction de la masse mènent aujourd'hui à de hauts niveaux vibratoires dans les fréquences auditives, et ces problèmes de qualité se traduisent par des pénalités économiques aux équipementiers, bien qu'il n'existe pas de méthode robuste de conception. La pratique industrielle repose donc sur de coûteuses phases de prototypage et d'ajustement. L'évolution de la puissance de calcul permet le calcul de grands assemblages mécaniques mais les études vibratoires non-linéaires restent généralement hors de portée. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est de fournir, dès les phases de conception, des outils de conception numérique d'aide à la résolution du crissement. Une méthode de réduction paramétrée utilisant comme base de Rayleigh-Ritz les modes réels du système assemblé permet la génération de modèles réduits très compacts, avec modes réels exacts. La méthode proposée d'ajustement des modes de composants utilise les modes libres de composants comme degrés de liberté explicites. L'étude des sensibilités et la réanalyse d'un assemblage en fonction de modifications à l'échelle d'un composant deviennent possibles. Les études temporelles non-linéaires sont rendues possibles par deux développements. Un schéma de Newmark non-linéaire modifié et un Jacobien fixe adapté aux vibrations de contact sont introduits. Le frein est réduit en un superélément avec modes réels exacts et une zone non réduite au niveau du contact. Un ensemble d'outils de conception est illustré sur un modèle industriel de frein. La stabilité instantanée et les trajectoires de modes complexes sont étudiées. Les interactions modales et les phénomènes non-linéaires au sein des cycles limites sont alors mieux compris. Des corrélations temps/fréquence sont obtenues par l'identification modale instantanée et une décomposition espace-temps. La grande utilité d'un modèle temporel d'amortissement modal est illustrée. Enfin, la modification d'un composant critique au crissement est testée et validée.

Afin de répondre aux besoins du marché de l’acier, le procédé de cokéfaction du charbon doit s’adapter. Cependant, changer les paramètres de cokéfaction du charbon, tels que la température du four, le temps de cuisson ou la composition de la pâte à coke enfournée, peut générer un endommagement prématuré de la maçonnerie des fours. En effet, la transformation du charbon en coke s’accompagne d’une poussée sur les parois du four fortement dépendantes d’un grand nombre de paramètres. Afin d’anticiper ce problème, un projet européen nommé « Swelling PRessure In a coke oven, Transmission on oven walls and COnsequences on wall » a été mis en place. Cette thèse s’inscrit dans ce programme et vise à déterminer la poussée maximale pouvant être admise par un piédroit de cokerie lors de la pyrolyse du charbon. Pour modéliser ces structures composées de plusieurs centaines de milliers de briques, le point de vue macroscopique est le plus approprié. La maçonnerie est remplacée par un matériau homogène équivalent dont le comportement varie en fonction de l’état d’endommagement de la maçonnerie, ramené localement à un état d’ouverture des joints de mortier. Afin de détecter ces ouvertures, un critère de type Mohr-Coulomb en contraintes est utilisé. Il repose sur la comparaison des limites à rupture d’un sandwich brique-Mortier déterminé expérimentalement à haute température avec les contraintes mésoscopiques issues de la simulation. Un protocole expérimental novateur a été développé pour caractériser la tenue en traction du sandwich brique / mortier / brique jusqu’à 1000°C. Les limites à rupture issues de cet essai de traction directe ont été comparées à celles obtenues par des essais de fendage réalisés à l’université de Leoben. Les résultats sont concordants et confirment l’importance de l’état de surface avant maçonnage. Selon l’état d’endommagement considéré, les contraintes mésoscopiques sont obtenues grâce à un tenseur de localisation ou grâce à une sous-Structuration. Cette étape de sous-Structuration consiste à simuler localement une cellule à l’échelle mésoscopique en lui appliquant le champ de déplacement macroscopique obtenu grâce à la simulation. L’outil numérique a été validé par confrontation avec un cas test de référence. Pour finir, l’outil numérique développé a été utilisé pour caractériser l’influence de différents paramètres tels que la prise en compte de la thermique, la mise en compression de la structure…. Enfin, la simulation de cuissons sur des piédroits complets (sains ou initialement endommagés) a été réalisée. L’importance de l’endommagement initial est clairement soulignée par les résultats. Enfin, un nouveau modèle, appelé « deux carneaux avec poutres», est proposé pour réduire le coût de calcul. Plus complet que le modèle « deux carneaux » utilisé au CPM, il donne accès à de très bons résultats pour un coût nettement moindre que celui du piédroit complet avec homogénéisation et sous-Structuration. / To face coke and steel market requirements, the coking process has to be more flexible. Changing process parameters such as coking temperature, blend composition and cooking time can damaged coke oven battery heating wall. Indeed, the coking process generates a swelling pressure on wall which depends on a lot of parameters. To study this point, a European project named « Swelling PRessure In a coke oven, Transmission on oven walls and COnsequences on wall » has been set up. This work is a part of it and aims to determine the admissible pushing pressure for the coke oven heating walls to prevent crack formation. To model large masonries composed of numerous bricks, a mesoscopic point of view is more appropriate. Bricks and mortar are replaced by a Homogeneous Equivalent Material (HEM) whose behaviour depends on the joint state. In order to represent joint opening mechanism, a Mohr-Coulomb criterion in stress is used. This criterion compares the level of stress to the ultimate tensile or shear stress at mesoscopic scale. Ultimate stresses are obtained thanks to an experimental campaign using a new protocol developed at PRISME Laboratory. The brick-Mortar behaviour is experimentally characterised at high temperature (20°C to 1000°C). To validate the tensile test developed, a second experimental campaign using “wedge splitting tests” has been done at Leoben University. Results are similar and confirm the importance of the brick surface state. Depending on the initial damage of the structures, mesoscopic stresses are obtained by localization tensor or by sub-Modelling. The sub-Modelling step aims to simulate a local part of the masonry at the mesoscopic scale. This step aims to simulate with a mesoscopic point of view a local part of the global model. This numerical tool has been validated thanks to a literature test. Finally, the numerical tool has been used to characterise the influence of some parameters (thermal, force due to the cross tie rod,..). Next, the simulation of the whole coke oven heating wall has been performed (undamaged or initially damaged masonry). These FE simulations show the influence of initial damage on the final masonry damage. Finally, a two flues model with beams is proposed to take into account compression due to cross tie rod and to limit computational cost. It permits to obtain better results than the existing two flues model used at CPM with a lower cost compared to the whole coke oven heating wall model.

Le désaccordage des roues aubagées est une thématique de recherche d’un intérêt tout particulier pour l’industrie aéronautique, en recherche constante d’outils de calcul toujours plus prédictifs et performants pour répondre aux exigences croissantes des organismes de certification. Si le phénomène est aujourd’hui relativement bien maîtrisé dans un cadre linéaire, la prise en compte des non-linéarités dans l’étude du désaccordage reste encore problématique, notamment en raison du manque de méthode adaptée pour mener ce type d’analyses sur des modèles industriels. L’objectif principal de ce travail de thèse est de proposer une nouvelle méthode de calcul permettant de déterminer efficacement la réponse forcée d’une roue aubagée désaccordée, en tenant compte de l’impact des non-linéarités sur la dynamique de la structure à l’échelle macroscopique. La méthode développée repose sur le concept de sous-structuration, et exploite la notion de mode complexe non-linéaire pour capturer les non-linéarités dans l’espace de réduction de chaque sous-structure. En adoptant une approche fréquentielle, les sous-structures sont représentées par des super-éléments non-linéaires, dont l’assemblage conduit au modèle réduit de la roue désaccordée. La résolution du système mathématique obtenu est ensuite réalisée numériquement par des techniques itératives. La méthode développée a pu être testée et validée sur différents systèmes soumis à des non-linéarités de frottement, allant du simple modèle phénoménologique à un modèle éléments finis de roue aubagée industrielle. Sur des modèles à paramètres concentrés de taille relativement faible, les performances très intéressantes de cette méthode permettent de conduire des études statistiques quantitatives sur l’impact du désaccordage en présence de non-linéarités. Les résultats obtenus suggèrent que le comportement du système non-linéaire face au désaccordage est susceptible d’être significativement différent du comportement de son homologue linéaire, d’où l’intérêt de mener ce type d’investigations. Les performances de cette méthode ont également pu être confirmées sur des modèles éléments finis de grande taille, en permettant de réaliser à un coût raisonnable des simulations de réponse forcée non-linéaire sur une roue industrielle désaccordée. / Mistuning of bladed disks has been a key topic of research for the aeronautics industry. To get accreditation for their engines, manufacturers must comply with evermore stringent requirements, and thus constantly seek for better simulation tools. Even though the phenomenon is well understood nowadays for linear systems, nonlinearities are still seldom taken into account when dealing with the mistuning of industrial structures, partly due to the lack of a dedicated method to tackle such a complex problematic. The main objective of this work is to develop a novel method allowing to compute efficiently the forced response of a mistuned bladed disk, while taking into account the impact of nonlinearities on the vibrations at a macroscopic scale. The method derived relies on a substructuring approach, and uses the concept of nonlinear complex modes to capture the nonlinearities in the reduction basis of each substructure. In the frequency domain, the substructures take the form of nonlinear superelements, which once assembled lead to the reduced-order model of the mistuned bladed disk. The resulting mathematical system is then solved by means of iterative solvers. This new method is tested and validated on different systems subjected to dry friction nonlinearities, from basic phenomenological models to large-scale finite element models of industrial structures. On lumped-parameter models, the performance of this method allows to investigate the statistical impact of mistuning in the presence of nonlinearities, by performing thousands of simulations. The results suggest that the behaviour of the nonlinear model can be significantly different from that of the linear one, hence the importance to carry out such investigations. The capabilities of the method have also been confirmed on large-scale models, by performing several forced response computations on a nonlinear and mistuned finite element model, at a reasonable cost

Une large classe de méthodes numériques possède une propriété d’échelonnabilité connue comme étant la loi d’Amdahl. Elle constitue l’inconvénient majeur limitatif du calcul parallèle, en ce sens qu’elle établit une borne supérieure sur le nombre d’unités de traitement parallèles qui peuvent être utilisées pour accélérer un calcul. Des activités de recherche sont donc largement conduites à la fois sur les plans mathématiques et informatiques, pour repousser cette limite afin d’être en mesure de tirer le maximum des machines parallèles. Les méthodes de décomposition de domaine introduisent une approche naturelle et optimale pour résoudre de larges problèmes numériques de façon distribuée. Elles consistent en la division du domaine géométrique sur lequel une équation est définie, puis le traitement itératif de chaque sous-domaine, séparément, tout en assurant la continuité de la solution et de sa dérivée sur leur interface de jointure. Dans le présent travail, nous étudions la suppression de la limite d’accélération en appliquant des itérations asynchrones dans différents cadres de décomposition, à la fois de domaines spatiaux et temporels. Nous couvrons plusieurs aspects du développement d’algorithmes asynchrones, de l’analyse théorique de convergence à la mise en oeuvre effective. Nous aboutissons ainsi à des méthodes asynchrones efficaces pour la décomposition de domaine, ainsi qu’à une nouvelle bibliothèque de communication pour l’expérimentation asynchrone rapide d’applications scientifiques existantes. / An important class of numerical methods features a scalability property well known as the Amdahl’s law, which constitutes the main limiting drawback of parallel computing, as it establishes an upper bound on the number of parallel processing units that can be used to speed a computation up. Extensive research activities are therefore conducted on both mathematical and computer science aspects to increase this bound, in order to be able to squeeze the most out of parallel machines. Domain decomposition methods introduce a natural and optimal approach to solve large numerical problems in a distributed way. They consist in dividing the geometrical domain on which an equation is defined, then iteratively processing each sub-domain separately, while ensuring the continuity of the solution and of its derivative across the junction interface between them. In the present work, we investigate the removal of the scalability bound by the application of the asynchronous iterations theory in various decomposition frameworks, both for space and time domains. We cover various aspects of the development of asynchronous iterative algorithms, from theoretical convergence analysis to effective parallel implementation. Efficient asynchronous domain decomposition methods are thus successfully designed, as well as a new communication library for the quick asynchronous experimentation of existing scientific applications.