La mise en place du pré-soutènement du tunnel au cours de la méthode conventionnelle en forage sonique peut engendrer des tassements et des mouvements de terrain majeurs. Ce processus manuel présente un danger pour le personnel et entraîne une augmentation du coût et de la durée des chantiers. Dans ce contexte, cette thèse présente des solutions dans le but de développer une nouvelle génération de machines de forage automatiques permettant de contourner ces problèmes. Dans un premier lieu, nous nous sommes intéressés au contrôle des vibrations axiales produites au cours du forage sonique afin d’optimiser le forage par la canalisation de l’énergie le long du train de tiges ainsi que la possibilité d’embarquer ultérieurement la tête de forage par un robot manipulateur. A cet effet, un modèle de vibrations à paramètres distribués, représenté par des EDP de type hyperbolique avec des conditions aux limites dynamiques a été établi. Ensuite, nous avons généré un modèle de référence sous une force d’entrée de percussion dont l’amplitude dépend d’une fréquence de rotation de résonance, permettant d’atteindre une amplitude maximale de l’outil de forage. Une fois ces deux modèles définis, nous nous sommes attaqués au contrôle des vibrations axiales. Premièrement, deux lois de contrôle frontières dépendant respectivement des déplacements axiaux du train de tiges au niveau de la tête et de l’outil pour assurer la poursuite des trajectoires de référence ont été proposées. La stabilité au sens de Lyapunov de ces deux commandes, développées à l’aide de la construction de la pseudo-énergie du système de forage a été prouvée. Ensuite, en vue d’améliorer ces résultats de stabilité, la méthode de platitude a été utilisée pour assurer une convergence exponentielle de l’état vers les références. En dépit de l’efficacité des lois de commande proposées en termes de simulations effectués, l’implémentation de ces contrôleurs sur une machine de forage réelle reste impossible car elle nécessite la connaissance des variables d’état (position, vitesse et accélération) au niveau de l’outil de forage, qui ne sont pas disponibles à la mesure, vue l’impossibilité de placer des capteurs au niveau de l’extrémité basse du train de tiges au cours du forage. Pour contourner ce problème, un observateur à paramètres distribués co-localisé a été proposé en utilisant le déplacement axial des vibrations au niveau de la tête. De ce fait, l’étude de l’existence et l’unicité des solutions de cet observateur en dimension infinie, en utilisant la théorie de semi-groupe, nous a permis d’assurer sa stabilité au sens de Lyapunov. Dans la deuxième partie, la thèse se concentre sur le processus d’injection fluidique permettant d’évacuer les déblais et d’éviter le bouchage au cours du forage. Une fois les phénomènes liés à l’injection fluidique, le débit issu de l’interaction de l’outil avec le sol, le système d’évacuation des déblais à travers l’espace annulaire et le mouvement de translation de la glissière ont été couplés, nous avons construit une commande basée observateur afin de stabiliser la pression au fond du trou. Dans la dernière partie, en vue d’effectuer des campagnes d’essais à l’aide d’une machine de forage sonique sur un sol de type connu, nous nous sommes intéressés à la conception d’un système d’acquisition et de contrôle en temps réel. Ensuite, une interface homme machine a été créée pour l’affichage et le stockage des données afin de pouvoir les réutiliser dans les analyses post-traitement. / The tunnel pre-reinforcement during the conventional tunneling method in sonic drilling can lead to subsidence and significant ground movement with important human and economic consequences. In this context, this thesis aims to present solutions for developing a new generation of automatic drilling machines to circumvent these problems. In the first place, we were interested in controlling axial vibrations produced during this process in order to optimize the drilling by channeling the energy along the drill-string and later the possibility of embedding the drill head by a robot. For this purpose, a distributed parameter model of axial vibrations, represented by hyperbolic PDEs with dynamic boundary conditions, has been established. Then, we generated a reference model under a percussion input force whose amplitude depends on a resonant rotation frequency to reach a maximum amplitude of the drill bit. Once these two models were defined, we tackled the control problem of axial vibrations. Firstly, an energy-based controllers have been proposed to ensure the convergence of both top and bottom axial displacements toward the references. Then, in order to improve these stability results, the flatness method was used to guarantee an exponential convergence of the error dynamics and a desired drilling dynamical behavior. In spite of the efficiency of the control laws proposed in terms of simulations carried out, the implementation of these controllers on a real drilling machine remains impossible. In fact, experimental validation requires knowledge of the drill-string variables at the down-hole (position, velocity and acceleration). Nevertheless, the down-hole system’s variables measurements, are unrealizable during drilling in underground tunneling. To circumvent this problem, a collocated boundary observer in infinite dimension has been proposed using the top axial displacement of vibrations. Therefore, the study of the existence and uniqueness of the solutions of this observer using the semigroup theory, allowed us to ensure the Lyapunov stability of this proposed distributed parameter observer. In the second part, we study the process of fluid injection allowing to remove the cuttings and to avoid the clogging during the drilling operation. Once the phenomena related to the fluid injection, the flow resulting from the interaction of the drill bit with the soil, the system for removing the cuttings through the annular space and the translational movement of the slide have been coupled , we constructed an observer based control to stabilize the downhole pressure. In the last part, with a view to carrying out test campaigns using a sonic drilling machine on a known type of soil, we were interested in the design of an acquisition and control system in real time. Next, a Human–computer interaction has been created for the display and storage of data so that they can be reused in post-processing analyzes.

Ingeniero Civil / En el trabajo de título se estudia el comportamiento de muros esbeltos sometidos a cargas axiales, y se analiza el papel que cumple el confinamiento en él, todo esto, basado en los daños observados en el último terremoto del 27 de febrero de 2010.Los elementos esbeltos buscan semejar los bordes de muros que durante un sismo son sometidos a cargas axiales. Para realizar lo anterior, se estudia experimentalmente el comportamiento de elementos (probetas) de borde de muros de hormigón armado sometidos a cargas axiales, analizando la influencia que tiene el tipo de confinamiento (estribos) en la respuesta global de los elementos, entre otros parámetros. Se construyeron 24 y se ensayaron10probetas de hormigón armado, de manera de comparar cada una de las respuestas obtenidas, para concluir sobre la influencia real del confinamiento en los elementos, en cuanto al aumento de ductilidad, y la restricción que proveen para evitar o controlar el pandeo de las barras longitudinales de refuerzo. Mediante el estudio experimental realizado, se determinó, en primer lugar, que al darle cierto confinamiento al elemento de hormigón armado, este es capaz de aumentar su capacidad de deformación, degradando más paulatinamente la resistencia a la compresión, y por ende, disipando una mayor cantidad de energía. Además, como las probetas no se restringieron para deformaciones fuera del plano para una carga de compresión pura, se produjo un pandeo global característico en las probetas con confinamiento, en su eje débil, reduciendo la capacidad del elemento. Por esto último, también se apreció un pandeo local del refuerzo longitudinal en forma de S , abarcando, en algunos casos, más de dos estribos consecutivos sin asegurar la relación de aspecto otorgada por ellos. Los ganchos con dobleces en 90º no fueron capaces de restringir el pandeo de las barras para deformaciones más allá del 1%. En general el comportamiento de las probetas tuvo un buen ajuste con el modelo predictivo escogido, presentando variaciones de menos de un 25% en todos las probetas de 1 metro de longitud.

Le développement de machines à forte vitesse spécifique et de taille réduite en régime subsonique suscite actuellement une forte demande dans de nombreux domaines industriels. Les machins à rotors contrarotatifs largement étudiées en aéronautique constituent une alternative efficace aux machines conventionnelles offrant de nombreux avantages : réduction de la vitesse de rotation, de l'encombrement radial et une grande flexibilité d'utilisation. Cependant, leur utilisation dans des applications subsoniques courantes nécessite une meilleure compréhension de leur fonctionnement et notamment de l'interaction inter-rotors pour mieux les concevoir. Ce travail a pour objectif d'étudier et de caractériser expérimentalement un étage contrarotatif fonctionnant en conduit, conçu avec le code de conception et d'analyse pour rotor et rotor-stator, MFT auquel on a implémenté une méthode de conception simple et rapide pour dessiner le rotor aval. On analyse en particulier l'effet de la distance axiale entre les rotors et l'effet du rapport de leur vitesse. Il met en évidence une nette amélioration des caractéristiques et du rendement global par rapport à une machine conventionnelle. Par ailleurs, plusieurs aspects de l'interaction entre les rotors sont constatés à travers des mesures locales à proximité des rotors. Le présent mémoire s'articule autour de quatre parties : conception d'un étage rotor-stator et d'un étage contrarotatif ; conception du dispositif expérimental normalisé, AERO²FANS pour les mesures de performances globales et locales instationnaires ; caractérisation et comparaison des deux étages et validation de la conception de MFT; enfin, étude des effets de la distance axiale et du rapport des vitesses sur les performances globales et locales.

Le développement de machines à forte vitesse spécifique et de taille réduite en régime subsonique suscite actuellement une forte demande dans de nombreux domaines industriels. Les machins à rotors contrarotatifs largement étudiées en aéronautique constituent une alternative efficace aux machines conventionnelles offrant de nombreux avantages : réduction de la vitesse de rotation, de l'encombrement radial et une grande flexibilité d'utilisation. Cependant, leur utilisation dans des applications subsoniques courantes nécessite une meilleure compréhension de leur fonctionnement et notamment de l'interaction inter-rotors pour mieux les concevoir. Ce travail a pour objectif d'étudier et de caractériser expérimentalement un étage contrarotatif fonctionnant en conduit, conçu avec le code de conception et d'analyse pour rotor et rotor-stator, MFT auquel on a implémenté une méthode de conception simple et rapide pour dessiner le rotor aval. On analyse en particulier l'effet de la distance axiale entre les rotors et l'effet du rapport de leur vitesse. Il met en évidence une nette amélioration des caractéristiques et du rendement global par rapport à une machine conventionnelle. Par ailleurs, plusieurs aspects de l'interaction entre les rotors sont constatés à travers des mesures locales à proximité des rotors. Le présent mémoire s'articule autour de quatre parties : conception d'un étage rotor-stator et d'un étage contrarotatif ; conception du dispositif expérimental normalisé, AERO²FANS pour les mesures de performances globales et locales instationnaires ; caractérisation et comparaison des deux étages et validation de la conception de MFT; enfin, étude des effets de la distance axiale et du rapport des vitesses sur les performances globales et locales. / Recently, the need for smaller axial fans with high specific speeds lead to the design of counter-rotating axial fans. The design of this kind of machines, which have promising aerodynamic performances, suffers from a lack of knowledge about their aerodynamics. Counter-rotating rotors, widely studied in aeronautics, are an effective alternative to conventional machines and offer many advantages: rotation ratio and diameter reduction, and high flexibility in use. However, a better understanding of their working and of the rotors interaction is required to enhance their design and to make them widely integrated in current applications. This experimental research work investigates on a ducted counter-rotating stage designed with a home code, MFT based on an inverse design method for rotors and rotor-stator stages, and to which a rapid and simple method is implemented to design the rear rotor. The study focuses on the effects of the rotation ratio and on the axial spacing between rotors. It highlights several aspects of the rotors interaction through global performance and local unsteady measurements. This dissertation is organized in four parts: rotor-stator and rotor-rotor stages design; design of the experimental facility, AERO²FANS allowing global performance and local unsteady measurements; comparison between the two stages and design validation; investigation on the effects of the rotation ratio and the axial spacing on the global and the local performances.

Les plans d'expérience pour mélanges traitent des cas où les propriétés du mélange sont dépendantes uniquement des proportions de ses composants. Dans un systèmes de mélanges à deux niveaux chaque composant principal (CP) est lui-même un sous-mélange de composants secondaires (CS). Ces systèmes sont classés en: mélanges de type A: les proportions des CP sont fixées et celles des CS sont variables, mélanges de type B: les proportions des CP et des CS sont toutes variables. Afin d'analyser les deux types de mélanges on propose des modèles additifs. Ce type de modèles est bien adapté pour l'expérimentation avec de nombreux composants car le nombre de paramètres est très inférieur au nombre de paramètres des modèles multiplicatifs proposés dans la littérature. On construit des plans vérifiant deux hypothèses, l'une d'orthogonalité à l'intérieur de chaque groupe de CS et l'autre d'équilibre entre sous-mélanges de CS par couple de CP. Pour la classe des plans orthogonaux-équilibré (OE) on déduit l'optimalité uniforme des plans composés de sous-mélanges purs. L'identification entre les plans orthogonaux factoriels et les corps purs permet d'obtenir des plans de taille restreinte pour certaines configurations de mélanges. L'identification entre les sous-mélanges purs et les expériences axiales est aussi établie, ceci donne une méthode pour la construction de plans OE où les proportions des CS et celles des CP sont non nulles. La modélisation conjointe de mélanges et facteurs externes est aussi considérée en utilisant des polynômes d'ordre un et des fractions orthogonales construites à partir d'un plan factoriel composé du rassemblement de CS, CP et facteur externe.

L'augmentation des performances des circuits intégrés s'est effectué durant les trentes dernières années par la miniaturisation du composant clé à savoir le transistor MOSFET. Cette augmentation de la densité d'intégration se heurte aujourd'hui à plusieurs verrous, notamment celui de la puissance consommée qui devient colossale. Il devient alors nécessaire de travailler sur de nouveaux composants, les transistors à effet tunnel, où les porteurs sont injectés par effet tunnel bande à bande permettant de limiter considérablement la puissance consommée en statique. Les nanofils semiconducteurs sont de bons candidats pour être intégrés comme canaux de ces nouveaux composants de part la possibilité de moduler leur gap et leur conductivité au cours de la croissance. Dans ce contexte, cette thèse traite de la croissance d'hétérostructures axiales Si/Si1-xGex élaborés par croissance VLS par RP-CVD. Tout d'abord, nous identifions les conditions de croissance pour réaliser des interface Si/Si1-xGex et Si1-xGex/Si abruptes. Les deux heterointerfaces sont toujours asymétrique quelle que soit la concentration en Ge ou le diamètre des nanofils ou des conditions de croissance. Deuxièmement, nous étudions les problématiques impliquées par l'ajout d'atomes dopants. Nous discutons de l'influence des paramètres de croissance (le rapport flux de gaz (Si / Ge), et la pression partielle de dopants) sur la morphologie des nanofils et la concentration de porteurs. Grâce à cette étude, nous avons été capable de faire croitre des hétérojonctions P-I-N. Troisièmement, nous présentons une technique basée sur la microscopie à sonde locale pour caractériser les hétérojonctions. / After more than 30 years of successful scaling of MOSFET for increasing the performance and packing density, several limitations to further performance enhancements are now arising, power dissipation is one of the most important one. As scaling continues, there is a need to develop alternative devices with subthreshold slope below 60 mV/decade. In particular, tunnel field effect transistors, where the carriers are injected by quantum band to band tunneling mechanism can be promising candidate for low-power design. But, such devices require the implementation of peculiar architectures like axial heterostructured nanowires with abrupt interface. Using Au catalyzed vapor-liquid-solid synthesis of nanowires, reservoir effect restrains the formation of sharp junctions. In this context, this thesis addresses the growth of axial Si and Si1-xGex heterostructured nanowire with controlled interfacial abruptness and controlled doping using Au catalyzed VLS growth by RP-CVD. Firstly, we identify the growth conditions to realize sharp Si/Si1-xGex and Si1-xGex/Si interfacial abruptness. The two heterointerfaces are always asymmetric irrespective of the Ge concentration or nanowire diameter or growth conditions. Secondly, we study the problematics involved by the addition of dopant atoms and focus on the different approaches to realize taper free NWs. We discuss the influence of growth parameters (gas fluxes (Si or Ge), dopant ratio and pressure) on NW morphology and carrier concentration. With our growth process, we could successfully grow p-I, n-I, p-n, p-i-n type junctions in NWs. Thirdly, we present scanning probe microscopy to be a potential tool to delineate doped and hetero junctions in these as-grown nanowires. Finally, we will integrate the p-i-n junction in the NW in omega gate configuration.

L'hybridation des méthodes numériques est l'une des nombreuses pistes dans la recherche de la rapidité et de l'efficacité et de la précision d'une modélisation électromagnétique des structures complexes associant des parties de formes régulières de grandes dimensions électriques et des parties de formes complexes de dimensions plus modestes. Au lieu d'une seule formulation globale, on cherche à appliquer l'hybridation de plusieurs méthodes numériques notamment la méthode variationnelle multimodale (MVM), la méthode des éléments finis (FEM) et les réseaux de neurones artificiels. Un nouveau schéma hybride original qui combine la MVM et la FEM a été proposé pour caractériser une discontinuité complexe dans un guide d'onde rectangulaire. Les résultats obtenus tout en étant conformes aux résultats fournis par les simulateurs commerciaux et les résultats expérimentaux, apportent une amélioration sensible quant au temps de calcul. Le schéma hybride a été étendu pour la caractérisation des discontinuités complexes en cascade et appliqué à la conception de filtres micro-onde présentant des discontinuités complexes permettant ainsi un gain de temps très important. L'hybridation des réseaux de neurones artificiels et les méthodes modales a amélioré le temps de calcul pour l'analyse des discontinuités simples dans les guides d'onde rectangulaires ce qui a permis d'améliorer l'optimisation des filtres à guides d'ondes nervurés. / Hybridization of numerical methods is one inventive way in the research of the rapidity, the efficiency and the precision of the electromagnetic modeling of complex structures joining straight and large elements with complex and small ones. Instead of a global and unique formulation, we hybridize many numerical methods which are the modal methods, the finite element methods and the artificial neural networks. A novel computer- ided design (CAD) tool of complex passive microwave devices in rectangular waveguide technology is suggested. The multimodal variational method is applied to the full-wave description in the rectangular waveguides while the finite element analysis characterizes waves in the arbitrarily shaped discontinuities. The suggested hybrid approach is successfully applied to the full-wave analysis of complex discontinuities with great practical interest, thus improving CPU time and memory storage against several full-wave finite element method (FEM) based CAD tools. The proposed hybrid CAD tool is successfully extended to the design of filters with cascaded complex discontinuities. The hybridization of modal methods and the artificial neural networks improved the CPU time in the analysis of simple waveguide discontinuities which enhanced the optimization of rectangular ridged waveguide filters.

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