Les travaux de thèse portent sur l'évaluation et la robustesse des stratégies adaptées pour la simulation de grandes structures avec non-linéarités non équitablement réparties, tels le flambage local, et des non-linéarités globales dans les structures aéronautiques. La stratégie dite de « relocalisation non-linéaire » permet l'introduction de schémas de résolution non-linéaire par sous-structure au sein des méthodes de décomposition de domaine classiques.Dans un premier temps, les performances et la robustesse de la méthode sont présentées sur des exemples de structures représentatives des cas industriels. Dans un second temps, la stratégie est complètement parallélisée et des études de « speed-up » et de « extensibilité » sont menées. Enfin, la méthode est testée sur des structures réalistes et de grandes tailles. / The thesis work focus on the evaluation and the robustness of adapted strategies for the simulation of large structures with not equitably distributed nonlinearities, like local buckling, and global nonlinearities on aeronautical structures. The nonlinear relocalization strategy allows the introduction of nonlinear solving schemes in the sub-structures of the classical domain decomposition methods.At a first step, the performances and the robustness of the method are analysed on academic examples. Then, the strategy is parallelized and studies of speed-up and extensibility are carried out. Finally, the method is tested on larger and more realistic structures.

Les travaux de thèse portent sur l'évaluation et la robustesse des stratégies adaptées pour la simulation de grandes structures avec non-linéarités non équitablement réparties, tels le flambage local, et des non-linéarités globales dans les structures aéronautiques. La stratégie dite de " relocalisation non-linéaire " permet l'introduction de schémas de résolution non-linéaire par sous-structure au sein des méthodes de décomposition de domaine classiques.Dans un premier temps, les performances et la robustesse de la méthode sont présentées sur des exemples de structures représentatives des cas industriels. Dans un second temps, la stratégie est complètement parallélisée et des études de " speed-up " et de " extensibilité " sont menées. Enfin, la méthode est testée sur des structures réalistes et de grandes tailles.

Dans cette thèse, nous nous intéressons d’abord à de possibilités d’application des structures déployables en architecture et dans l’industrie de construction. Le thème principale de la recherche a été l’étude des structures subissant de grandes déformations et en passent par état d’instabilité au cours d’un programme de chargement. Le but était la description générale du comportement mécanique d’un système modèle d’une structure antiprismatique, auto-déployablée proposée par Hegedus. La plus grande importance a été mis sur exploitation du comportement de la structure au cours de son emballement, de qui a été examine en considérant différentes possibilités de contrôle de procédure. En utilisant des simulations numériques, dont les résultats ont été vérifiés par les approches analytiques, on a clarifié le comportement mécanique du système anti prismatique, et on a donné des formules simple permettant d’évaluer de principaux paramètres géométriques et mécaniques pour facilité le pré-dimensionnement de la structure. L’importance de l'influence de l’intensité et de la fréquence du déplacement relatif interne généré brusquement au cours d’emballement a été également étudiée. Dans le cadre de la thèse on a analysé également les caractéristiques mécaniques d’une système différent de la structure d’origine. Pour les deux différent systèmes structuraux on a préparé des modèles physiques expérimentaux, dont les résultat ont conduit aux nouveaux types des structures, lesquelles sont les structures spatiales pliables á plat. On a proposé alors quelques idées et schémas pour la possibilité d’application architecturale de systèmes treillis antiprismatiques. / In this thesis, an extensive review on different transformable systems used in architecture and civil engineering is given. After the review, structures undergoing large displacements and instability phenomenon were highlighted. The main goal of the dissertation was to investigate the general behavior of a specific, immature self-deploying system, the antiprismatic structure proposed by Hegedus. The emphasis was mainly taken to the analysis of the packing behavior. First, a simplified planar model was identified sharing similar, highly nonlinear packing behavior. For both the 2D and the 3D structures numerical simulation of the packing was performed with different type of controls and the results were confirmed by analytical investigations. The research clarifies the mechanical behavior of the chosen system, provides tools to simulate the packing of the structure, options for control, and gives very simple approximations for main mechanical characteristics of the antiprismatic system in order to facilitate preliminary design and verification of the numerical results. The significance of snap-back behavior, occurring at the force-displacement diagram during packing was analyzed. Within the framework of the thesis a novel type of system, slightly deviating from the original one was also investigated. For the specific systems, small physical models were built and presented in this work, which led to the proposal of a novel type of expandable tube. An attempt was given to provide ideas for application of antiprismatic structures by combining the investigated system and different learnt existing systems from the architectural review.

Cette thèse s’intéresse au rapport entre la forme et la géométrie d’un objet. Elle s’articule autour de 3 chapitres. Dans le premier, nous utilisons des "polymères électro-actifs", des systèmes capables de se déformer dans le plan lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique,pour mimer une sorte de croissance biologique. Nous avons regardé comment une croissance inhomogène pouvait déclencher une instabilité de flambage dans une plaque électro-active.Nous avons ensuite cherché à contrôler de manière locale la croissance, dans l’espoir d’obtenir des objets capables de changer de forme sur commande. Dans le deuxième chapitre, nous nous avons étudié un problème inverse : au lieu de chercher à donner une nouvelle forme naturelle à l’objet, nous le forçons à adopter une forme qui ne lui est pas naturelle. Nous avons aplati des coques élastiques hémisphériques. La transformation d’une sphère en plan n’étant pas isométrique, cette opération crée des contraintes dans l’objet. Il se produit alors une instabilité mécanique que nous avons étudiée. Enfin, nous nous sommes penchés sur le problème des "lentilles de contact" en nous demandant si l’on pouvait coller l’une sur l’autre deux portions de sphères ayant des courbures différentes. Ici encore, la différence de courbure de Gauss entre les deux surfaces conduit à des motifs d’instabilités dans la coque élastique / From a general point of view, my thesis deals with the links between the geometry and the shape of an object. It is composed of three main chapters. In the first one, we use "electro-active polymers", systems that undergo planar expansion when submitted to an electric field, to mimic a kind of biological growth. We looked at how an inhomogeneous growth can trigger buckling instability in this electro-active plate. We then tried to control locally this growth, hoping to create objects that can change shape on command. In the second chapter, we studied the opposite problem: instead of giving it a new natural shape, we force the object in adopting a non natural shape. We squashed hemispherical elastic caps. Changing a sphere into a plane is not an isometrical transformation, this operation thus creates strains in the object. We studied the mecanical instability hence produced. Finally we focused on the "contact lens" problem by wondering if it is possible to stick two spherical caps having different curvature. Here again, the mismatch of Gaussian curvature leads to patterns of instability in the elastic shell

Le projet VERTEX, dans lequel s'inscrivent ces travaux, a pour objectif de valider des modèles composites par essais statiques multi-axiaux sur des éprouvettes à l'échelle des détails structuraux. Le positionnement à cette échelle nécessite de développer de nouveaux outils d'instrumentation et de dialogue essais/calculs, qui sont au cœur de cette thèse. Compte-tenu de la complexité de ce type d'essai, nous nous intéressons ici à la Stéréo Corrélation d'Images Numériques (SCIN) puisqu'elle permet d'accéder à un champ de déplacement 3D à la surface du spécimen. Néanmoins, si l'on s'en tient à des approches classiques, il est difficile de faire une comparaison quantitative entre un champ mesuré et un champ simulé par Éléments Finis (EF). Ainsi dans ce travail, un formalisme est développé pour réaliser une mesure par SCIN dans l'espace physique en se basant sur un modèle EF (calibration de modèles non-linéaires de caméra, mesure de forme EF, mesure de champs EF). Cette méthode donne accès à un champ de déplacement expérimental directement exprimé dans les repère et support EF de la simulation, ce qui simplifie considérablement la validation. Pour valider un modèle à l'échelle des détails structuraux, la question des conditions aux limites est fondamentale. Cette question est d'autant plus complexe que la mesure cinématique se limite à la surface visible. En plus de cette mesure surfacique, il est envisagé ici d'estimer les conditions aux limites dans l'épaisseur en s'appuyant sur un modèle de type plaque/coque (classique ou volumique) et en y accordant plus ou moins de confiance (approches régularisée ou intégrée dans tout ou partie de l'éprouvette). La méthodologie est implémentée dans un logiciel académique et est appliquée sur des essais synthétiques. Une instrumentation adaptée au banc VERTEX a également permis l'analyse des essais réalisés dans le projet. / VERTEX Project, to which this thesis belongs, aims to validate composite models by multi-axial static tests on specimens at the level of structural details. The positioning on this scale requires the development of both new instrumentation techniques and tools for the test/simulation dialogue, which are at the heart of this thesis. Given the complexity of this type of experiments, we focus here on Stereo Digital Image Correlation (SDIC) since it yields 3D displacement fields on the surface of the specimen. However, if we stick to conventional approaches, it is difficult to make quantitative comparisons between a measured field and a Finite Element (FE) simulated field. Thus, in this work, a framework is developed to make a measurement by SDIC in the physical coordinate system based on an FE model (calibration of non-linear camera models , FE shape measurement, FE field measurement). This method gives access to experimental displacement fields directly expressed both in the coordinate system and support of the FE simulation, which considerably simplifies validation. To validate a model at the scale of structural details, the question of boundary conditions is fundamental. This question is even more complex since the kinematic measurement is limited to the visible surface. In addition to this surface measurement, it is here envisioned to estimate additionally the boundary conditions in the thickness of the specimen relying on a plate/shell-like model (classic or volume). Different approaches are considered depending on the confidence giving to this model. This methodology is implemented in an academic software and is applied to synthetic tests. The development of a dedicated instrumentation also allowed the analysis of tests performed on the VERTEX bench.

Les structures en forme de tige sont omniprésentes dans le monde aujourd'hui. Désormais, prédire avec précision leur comportement pour l'ingénierie et les environnements virtuels est indispensable pour de nombreuses industries, notamment l'infographie, l'animation par ordinateur et la conception informatique. Dans ce mémoire, nous explorons un nouveau modèle de calcul pour les tiges élastiques qui exploite les données de simulation pour reproduire les effets de coque et de solide présents dans les tiges qui brisent les hypothèses de la théorie classique de la tige de Kirchhoff, présentant ainsi une voie d'amélioration possible pour de nombreux états de l'art techniques. Notre approche consiste à prendre un ensemble de données de simulations à partir de solides volumétriques ou de coques pour former un nouveau modèle d'énergie définie positive polynomiale d'ordre élevé pour une tige élastique. Cette nouvelle énergie élargit la gamme des comportements des matériaux qui peuvent être modélisés pour la tige, permettant ainsi de capturer une plus large gamme de phénomènes. Afin de proposer et tester ce modèle, nous concevons un pipeline expérimental pour tester les limites de la théorie linéaire des tiges et étudier les géométries d'interface entre les cas coque à tige et volume à coque pour observer les effets d'un modèle de matériau non linéaire et une section transversale non elliptique dans la déformation de la tige. Nous étudions également la relation entre la courbure de la tige et la déformation de la section transversale et la courbure pour introduire une modification sur le terme de flexion de l'énergie. Cela nous permet de reproduire à la fois le comportement de flexion asymétrique présent dans les poutres volumétriques minces et les poutres à coque avec des sections transversales non convexes. Des suggestions pour de nouvelles améliorations des modèles et des techniques expérimentales sont également données. / Rod-like structures are ubiquitous in the world today. Henceforth accurately predicting their behavior for engineering and virtual environments are indispensable for many industries including computer graphics, computer animation, and computational design. In this thesis we explore a new computational model for elastic rods that leverages simulation data to reproduce shell and solid-like effects present in rods that break the assumptions of the classical Kirchhoff rod theory, thus presenting a possible improvement avenue to many states-of-the-art techniques. Our approach consists of taking a data set of simulations from both volumetric solids or shells to train a novel high-order polynomial positive-definite energy model for an elastic rod. This new energy increases the range of material behaviors that can be modeled for the rod, thus allowing for a larger range of phenomena to be captured. In order to propose and test this model, we design an experimental pipeline to test the limits of the linear theory of rods and investigate the interface geometries between the Shell-Rod and Volume-Shell cases to observe the effects of a nonlinear material model and a non-elliptical cross-section in the rod deformation. We also investigate the relation between rod curvature and deformation of the cross-section and curvature to introduce a modification on the bending term of the energy. This allows us to reproduce both the asymmetric bending behavior present in thin volumetric solid and shell beams with non-convex cross-sections. Suggestions for further improvements in models and experimental techniques are also given.