Cette thèse présente des travaux effectués dans le cadre de l'optimisation de forme de pièces mécaniques, sous critère dynamique, par approche isogéométrique. Pour réaliser une telle optimisation nous mettons en place dans un premier temps les éléments coque au travers des formulations Kirchhoff-Love puis Reissner-Minlin. Nous présentons une méthode permettant d'atteindre les vecteurs normaux aux fibres dans ces formulations au travers de l'utilisation d'une grille mixte de fonctions de base interpolantes, traditionnellement utilisées en éléments finis, et de fonction non interpolantes issues de la description isogéométrique des coques. Par la suite, nous détaillons une méthode pour le couplage de patch puis nous mettons en place la méthode de synthèse modale classique dans le cadre de structures en dynamique décrites par des éléments isogéometriques. Ce travail établit une base pour l'optimisation de forme sous critères dynamique de telles structures. Enfin, nous développons une méthode d'optimisation de forme basée sur le calcul du gradient de la fonction objectif envisagée. La sensibilité de conception est extraite de l'analyse de sensibilité au niveau même du maillage du modèle, qui est obtenue par l'analyse discrète de sensibilité. Des exemples d'application permettent de montrer la pertinence et l'exactitude des approches proposées. / Isogeometric method is a promising method in bridging the gap between the computer aided design and computer aided analysis. No information is lost when transferring the design model to the analysis model. It is a great advantage over the traditional finite element method, where the analysis model is only an approximation of the design model. It is advantageous for structural optimization, the optimal structure obtained will be a design model. In this thesis, the research is focused on the fast three dimensional free shape optimization with isogeometric shell elements. The related research, the development of isogeometric shell elements, the patch coupling in isogeometric analysis, the modal synthesis with isogeometric elements are also studied. We proposed a series of mixed grid Reissner-Minlin shell formulations. It adopts both the interpolatory basis functions, which are from the traditional FEM, and the non-interpolatory basis functions, which are from IGA, to approximate the unknown elds. It gives a natural way to define the fiber vectors in IGA Reissner-Mindlin shell formulations, where the non-interpolatory nature of IGA basis functions causes complexity. It is also advantageous for applying the rotational boundary conditions. A modified reduce quadrature scheme was also proposed to improve the quadrature eficiency, at the same time, relieve the locking in the shell formulations. We gave a method for patch coupling in isogeometric analysis. It is used to connect the adjacent patches. The classical modal synthesis method, the fixed interface Craig-Bampton method, is also used as well as the isogeometric Kirchhoff-Love shell elements. The key problem is also the connection between adjacent patches. The modal synthesis method can largely reduce the time costs in analysis concerning structural dynamics. This part of work lays a foundation for the fast shape optimization of built-up structures, where the design variables are only relevant to certain substructures. We developed a fast shape optimization framework for three dimensional thin wall structure design. The thin wall structure is modelled with isogeometric Kirchhoff-Love shell elements. The analytical sensitivity analysis is the key focus, since the gradient base optimization is normally more fast. There are two models in most optimization problem, the design model and the analysis model. The design variables are defined in the design model, however the analytical sensitivity is normally obtained from the analysis model. Although it is possible to use the same model in analysis and design under isogeomeric framework, it might give either a highly distorted optimum structure or a unreliable structural response. We developed a sensitivity mapping scheme to resolve this problem. The design sensitivity is extracted from the analysis model mesh level sensitivity, which is obtained by the discrete analytical sensitivity analysis. It provides exibility for the design variable definition. The correctness of structure response is also ensured. The modal synthesis method is also used to further improve the optimization eficiency for the built-up structure optimization concerning structural dynamics criteria.

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Le but de cette thèse était de modéliser la réponse mécanique de nanotubes de carbone à des champs électriques. Nous avons commencé par utiliser le potentiel AIREBO dans des simulations de dynamique moléculaire afin d'étudier l'élasticité non-linéaire et la limite de déformation en torsion de divers nanotubes, en fonction de leur longueur, rayon et chiralité. Nous trouvons notamment que le module d'Young effectif des tubes décroît d'autant plus vite que la chiralité est faible. D'autre part, nous montrons que la limite de l'énergie stockable par atome lors de la torsion d'un tube est d'autant plus grande que le diamètre est petit.<br><br>Nous modélisons ensuite, de façon atomistique, la distribution surfacique de charge électrique sur des nanotubes de carbone possédant une charge nette. Nous retrouvons notamment l'effet de pointe classique avec un très bon accord quantitatif avec des résultats expérimentaux obtenus par microscopie à force électrostatique.<br><br>Par combinaison des méthodes utilisées dans les études précédentes, nous simulons la déflection de nanotubes semi-conducteurs et métalliques par un champ électrique extérieur, dans une configuration de type interrupteur moléculaire. L'effet des caractéristiques géométriques des tubes et du champ sur cette déflection ont été systématiquement étudiés.<br><br>En outre, nous avons vu que des simulations de dynamique moléculaire avec le potentiel AIREBO permettent de retrouver quantitativement les énergies expérimentales d'adsorption du benzène, du naphtalène et d'anthracène sur le graphite. Ce type de simulation nous permet d'avancer sur la voie de la compréhension de la sélectivité de l'adsorption de certaines molécules surfactantes à plusieurs cycles benzéniques sur des nanotubes de chiralité donnée.

[pt] Os recentes avanços das técnicas de manufatura aditiva vêm ampliando a sua flexibilidade em fabricar peças complexas em escala cada vez menores. Neste contexto, o projeto de microestruturas porosas vem se destacando na comunidade científica devido a capacidade de se otimizar a topologia da célula para atender aos requisitos de projeto. No entanto, existem vários desafios que dificultam a fabricação de peças obtidas pelo método de otimização topológica multiescala, dentre eles, a conectividade das microestruturas. A otimização topológica multiescala consiste na otimização tanto da macroescala, estrutura global, quanto da microescala, microestrutura do material. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver um esquema eficaz para garantir a transição entre as diferentes microestruturas de material obtidas na otimização multiescala. As metodologias multiescala de otimização topológica simultânea de ambas as escalas e os procedimentos de homogeneização são descritos. Apresentam-se os principais aspectos numéricos e computacionais destes métodos, assim como exemplos ilustrativos. / [en] Recent advances in additive manufacturing techniques have increased their flexibility in making complex parts on a smaller scale. In this context, the design of porous microstructures has been standing out in the scientific community due to the ability to optimize the cell topology to meet the design requirements. However, there are several challenges that inhibit the fabrication of optimized parts obtained by the multi-scale topology optimization method, such as the connectivity of microstructures. The multiscale topological optimization consists of the optimization of both the macro-scale, global structure, and the micro-scale, microstructure of the material. The main objective of this work is to develop an effective scheme to guarantee compatibility in the transition between the different material microstructures obtained in multiscale optimization. The multiscale methodologies for simultaneous topological optimization of both scales and the homogenization procedures are described. The main numerical and computational aspects of these methods are presented, as well as representative examples to illustrate the capabilities of the proposed scheme.