La striction diffuse et localisée sont des phénomènes précurseurs à la rupture ductile et représentent l'une des principales causes de rebut des pièces métalliques au cours de leur mise en forme. La mise en œuvre d'outils théoriques et numériques capables de prédire l'apparition de ces défauts s'avère nécessaire pour des raisons économiques et environnementales. Ces outils nécessitent en partie l'intégration d'un modèle de comportement adéquat permettant de reproduire les phénomènes physiques mis en jeu. Un tel modèle de comportement est ensuite couplé à un indicateur d'instabilité plastique offrant la possibilité de prédire de manière fiable les phénomènes de striction diffuse et localisée. Dans ce travail de thèse, nous avons considéré certains modèles d'endommagement micromécaniques basés sur l'approche de Gurson, et qui ont été couplés à différents critères d'instabilités plastiques reposant sur l'Analyse de Bifurcation. L'implantation numérique des modèles retenus a été réalisée dans le code de calcul par éléments finis Abaqus/Standard. En ce qui concerne les modèles d'endommagement, plusieurs schémas d'intégrations ont été testés afin d'analyser leur performance et leur robustesse lorsque le comportement présente un effet adoucissant. L'approche combinant le modèle de comportement et les critères de striction a été utilisée pour prédire les limites de formabilité en striction diffuse et localisée de plusieurs matériaux métalliques. Les résultats obtenus ont permis de dresser une hiérarchisation théorique et numérique des critères de striction utilisés. / Diffuse and localized necking are precursors to ductile fracture, and represent one of the main causes of metal parts rejection during forming operations. The implementation of theoretical and computational tools to predict the occurrence of these defects turns out to be necessary for economic and environmental reasons. These tools require in part the introduction of an appropriate behavior model in order to reproduce the physical phenomena involved during forming operations. Such a behavior model is then coupled to a plastic instability indicator providing the ability to reliably predict diffuse and localized necking. In the present work, we considered a micromechanical damage models based on Gurson's approach, which were coupled to different plastic instabilities criteria, based on Bifurcation Analysis. The numerical implementation of these models was carried within the implicit finite element code Abaqus/Standard. With regard to the damage models, several integration schemes were tested to analyze their performance and robustness when the behavior exhibits softening effect. The approach combining the Gurson's damage model and necking criteria has been applied for the prediction of formability limits of several metallic materials. The obtained results allowed establishing a theoretical and numerical classification between the necking criteria used in this work.

Les travaux de thèse sont consacrés à l’étude numérique de l’application de macro-déformations successives alternées a la paroi d’un tube. La modification de l’écoulement du fait des déformations permet de modifier ses propriétés en termes de transfert thermique et de mélange. L’objectif de l’étude d’un tel dispositif est entre autre de l’appliquer pour des configurations d’échangeurs multifonctionnels, qui sont à la fois échangeurs de chaleur et réacteurs chimiques. L’étude s’intéresse principalement aux écoulements laminaires. Les calculs sont réalisés avec le code ANSYS Fluent. L’étude est tout d’abord consacrée à la caractérisation de l’écoulement secondaire créé par les déformations ainsi qu’à l’influence des différents paramètres de déformation. Afin d’améliorer le mélange dans l’écoulement, l’étude d’une configuration coaxiale déformée a été envisagée (cette géométrie correspond de plus à une configuration d’écoulement utilisée dans l’industrie). Deux configurations annulaires ont été considérées. Dans un premier temps, les déformations pariétales ont été appliquées aux tubes interne et externe : différents déphasages longitudinaux et angulaires entre ces deux déformations ont été étudiés pour optimiser les performances thermo-hydrauliques. La seconde configuration combine des déformations sur la paroi externe et un swirl sur la paroi interne de la géométrie. Cette configuration particulière permet en régime laminaire d’augmenter significativement le mélange du fait de l’apparition d’advection chaotique dans l’écoulement. Cette dernière géométrie est appliquée dans le cas d’un échangeur solaire à concentration et permet d’améliorer les performances par rapport à un tube lisse dans des conditions similaires. La dernière partie de l’étude est consacrée à une validation expérimentale des résultats numériques lorsque les déformations sont appliquées à une plaque. Des mesures par PIV et LDA ont été réalisées pour mesurer la vitesse locale de l’écoulement. / The work presented here is focused on the numerical study of specific successive wall deformations in alternate directions, applied to a tubular geometry. Those deformations help modifying the flow structure and thus its heat transfer and mixing properties. One of the main aims of the study is to apply those deformations to multifunctional exchangers which are heat exchangers and chemical reactors at the same time. The study is mainly focused on laminar flows and all the numerical calculations were performed using the CFD code ANSYS Fluent. The first step of the study is to assess the secondary flow created by the wall deformations. The influence of several deformation geometrical parameters has also been studied. In order to enhance the mixing in the deformed tube, the wall deformations have been applied to coaxial configurations (often used in the industry). Two kinds of annular configurations have been evaluated. At first, the wall deformations are applied to the external and internal walls of the coaxial tube. The effect on the heat transfer enhancement of the longitudinal and angular phase-shifting between the two deformations has been specifically assessed. The second configuration considered combines the alternate deformations on its external walls and a swirled internal wall. This particular annular configuration creates chaotic advection in laminar flows, therefore helping increasing the mixing. This geometry is used as a solar captor and helps increasing the global performances when compared with a smooth tube usually used. The last part of the presented work is focused on the experimental validation of the numerical results. Techniques such as PIV and LDA are used to measure local velocity fields in a plane duct with alternate deformations applied to its lower wall.

La turbine Pelton est une turbine hydraulique dont le fonctionnement se caractérise par l’interaction d’un jet d’eau avec les augets d’une roue. Cette étude a pour but de comprendre les phénomènes influençant le jet et son interaction avec les augets. Pour cela deux actions différentes ont été menées. Une première a visé à caractériser expérimentalement la fragmentation d’un jet de turbine Pelton. La seconde s’est attachée à développer une méthode numérique pouvant mener`à la simulation précise de jets réels de turbines Pelton. La partie expérimentale a permis de déterminer le mode de fragmentation de ces jets (atomisation turbulente), mais aussi l’influence de la rugosité des parois de l’injecteur sur les performances de la turbine. La participation de ce travail à un projet expérimental a permis de montrer l’influence de l’écoulement en sortie d’injecteur sur la fragmentation du jet. Les phénomènes physiques influençant principalement l’évolution du jet ont ainsi été déterminés. La partie numérique a eu pour but de mettre en place une méthode permettant de simuler l’évolution d’un jet de turbine Pelton (fragmentation) et son interaction avec un auget. Etant donnés les progrès de la méthode SPH-ALE pour la simulation d’impact de jets pour les turbines Pelton, il a été décidé d’adapter cette méthode pour les simulations visées. Ainsi une étude du choix de la vitesse des interfaces de problème de Riemann a permis de réaliser un modèle multiphase stable pour les forts rapports de densité (eau-air). Cette méthode s’est avérée garantir les propriétés de continuité de vitesse normale et de pression à l’interface entre les fluides. L’ajout des phénomènes de tension de surface s’est fait par l’adaptation du modèle CSF (Continuum Surface Force) et le développement d’un second modèle nommé Laplace Law Pressure Correction (LLPC).L’intégration du saut de pression dans le solveur de Riemann a nécessité une étude précise du calcul de la courbure et a permis d’améliorer la simulation de loi de Laplace. La méthode numérique a été ensuite validée sur les cas académiques d’onde gravitaire, de rupture de barrage et d’oscillation de goutte. Les ressources en mémoire et le temps de calcul associé à cette méthode ont nécessité la parallélisation du code de calcul. Le caractère lagrangien de la méthode a très largement influencé la méthode de découpe de domaine pour permettre une bonne répartition de la charge de calcul entre les différents processeurs. En conclusion les phénomènes physiques influençant la fragmentation de jets issus d’injecteurs de turbine Pelton sont désormais mieux connus et ils ont pu être introduits dans la méthode numérique. Les prochains développements porteront sur la simulation de jets dont la condition d’entrée s’attachera à être représentative des caractéristiques d’un écoulement en sortie d’un injecteur de turbine Pelton. / A Pelton turbine is characterized by a water jet which is impacting rotating buckets. The main goal of this study is to understand the phenomena which are impacting the jet and its interaction with the bucket. This study was considering two main works. One is considering experiments which allow determining the jet fragmentation. The second part considers development of a numerical code able to reproduce phenomena linked to Pelton jet fragmentation. The experimental part succeeds to associate Pelton jet behavior with mode of jet fragmentation (turbulent dispersion) and shows the impact of hydraulic roughness on Pelton turbine performances. The access to experimental results from a project involving this PhD work, demonstrates the role of the inlet velocity/turbulence profile on the jet fragmentation. The numerical part used the SPH-ALE (Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrange Euler) method to implement physical models linked with jet fragmentation. This choice was done because of its ability to predict pressure fields resulting of the interaction of a water jet and a rotating bucket. A multiphase model was developed based on a modification of the velocity of the interface of Riemann problem. This model does not diffuse the interface and recovers continuity of normal velocity and pressure at the interface between both fluids. Surface tension effect was implemented through an adaptation of the CSF (Continuum Surface Force) model and through amodel called LLPC for Laplace Law Pressure Correction. A study of the computational methods to determine the interface curvature was performed for the integration of the pressure jump in the Riemann solver. Validation was done on academicals test cases as gravity waves, dam breakor droplet oscillations. The numerical code was parallelized to perform large numerical simulations.To conclude, the numerical code integrates physical phenomena which were shown as important in the experiments. The developments will try to perform jet simulation with inlet condition which will be representative of flow conditions at the outlet of a Pelon turbine injector.

Alors que le rendu réaliste gagne de l’ampleur dans l’industrie, les techniques à la fois photoréalistes et basées sur la physique, complexes en terme de temps de calcul, requièrent souvent une étape de précalcul hors-ligne. Les applications en temps réel, comme les jeux vidéo et la réalité virtuelle, se basent sur des techniques d’approximation et de précalcul pour atteindre des résultats réalistes. L’objectif de ce mémoire est l’investigation de différentes paramétrisations animées pour concevoir une technique d’approximation de rendu réaliste en temps réel. Notre investigation se concentre sur le rendu d’effets visuels appliqués à des personnages animés par modèle d’armature squelettique. Des paramétrisations combinant des données de mouvement et d’apparence nous permettent l’extraction de paramètres pour le processus en temps réel. Établir une dépendance linéaire entre le mouvement et l’apparence est ainsi au coeur de notre méthode. Nous nous concentrons sur l’occultation ambiante, où la simulation de l’occultation est causée par des objets à proximité bloquant la lumière environnante, jugée uniforme. L’occultation ambiante est une technique indépendante du point de vue, et elle est désormais essentielle pour le réalisme en temps réel. Nous examinons plusieurs paramétrisations qui traitent l’espace du maillage en fonction de l’information d’animation par squelette et/ou du maillage géométrique. Nous sommes capables d’approximer la réalité pour l’occultation ambiante avec une faible erreur. Notre technique pourrait également être étendue à d’autres effets visuels tels le rendu de la peau humaine (diffusion sous-surface), les changements de couleur dépendant du point de vue, les déformations musculaires, la fourrure ou encore les vêtements. / While realistic rendering gains more popularity in industry, photorealistic and physically- based techniques often necessitate offline processing due to their computational complexity. Real-time applications, such as video games and virtual reality, rely mostly on approximation and precomputation techniques to achieve realistic results. The objective of this thesis is to investigate different animated parameterizations in order to devise a technique that can approximate realistic rendering results in real time. Our investigation focuses on rendering visual effects applied to skinned skeletonbased characters. Combined parameterizations of motion and appearance data are used to extract parameters that can be used in a real-time approximation. Trying to establish a linear dependency between motion and appearance is the basis of our method. We focus on ambient occlusion, a simulation of shadowing caused by objects that block ambient light. Ambient occlusion is a view-independent technique important for realism. We consider different parameterization techniques that treat the mesh space depending on skeletal animation information and/or mesh geometry. We are able to approximate ground-truth ambient occlusion with low error. Our technique can also be extended to different visual effects, such as rendering human skin (subsurface scattering), changes in color due to the view orientation, deformation of muscles, fur, or clothes

Cette thèse est située dans le cadre du projet FUI OASIS ayant comme objectif la modélisation d'un processus d'emboutissage optimisé. Le travail consiste essentiellement au développement des algorithmes de contact plus appropriés à ce type de mise en forme. Dans la littérature et pour plusieurs codes de calcul industriels, l'approche NTS (nœud à segment) demeure la plus utilisée pour la résolution d'un problème de contact. Dans certaine configuration, cette méthode présente des insuffisances et un manque de précision. On la remplaçant par l'approche mortier, on arrive à résoudre une gamme assez large de problèmes de contact. La méthode mortier, utilisée au initialement pour un calcul avec décomposition de domaine, a été le centre d'intérêt de plusieurs travaux de recherche pour la modélisation du contact. Dans ce travail, on va regrouper plusieurs méthodes de gestion du contact en les combinant avec l'approche mortier. L'algorithme de résolution, les éléments d'implémentation ainsi quelques exemples de validation présentant une critique des avantages et les limites de chaque techniques sont détaillés dans ce travail afin d'obtenir un support technique pour tous travail ultérieurs avec la méthode mortier. Le principal avantage de la méthode mortier se manifeste dans l'application des conditions de contact sous forme d'intégrale dans l'interface. Bien que cette méthode permette de réduire la différence des contraintes dans l'interface de contact d'un élément à un autre pour obtenir une meilleure continuité de la pression de contact, elle demeure insuffisante dans certaines applications en particulier pour les problèmes en grande déformation. Le lissage des surfaces de contact, qu'on peut appliquer par différentes techniques, présente une solution classique à ce genre de problème en mécanique de contact. L'originalité de ce travail, c'est la combinaison de l'utilisation des courbes B-Spline cubiques pour la description presque exacte de la surface de contact d'un côté avec une formulation avec l'approche mortier pour l'application des conditions de contact d'un autre côté. Cette combinaison forme un duo gagnant permettant de résoudre un problème de contact en grandes déformation. Les termes permettant l'implémentation des différentes techniques de lissage pour la résolution d'un problème de contact sont détaillés. Une attention particulière est accordée au lissage avec les B-Spline Cubiques.Tous les algorithmes détaillés dans ce travail sont implémentés dans un code maison FiEStA. C'est un code de calcul par éléments finis libre en langage C++. Certains développements concernant la loi de comportement hyper-élastique et l'intégralité du module du contact sont développés dans ce travail de thèse. / This thesis is situated in the FUI OASIS project which the objective is the modeling of an optimized stamping process. The work mainly involves the development of the most appropriate contact algorithms such formatting. In the literature and several industrial computing codes, the NTS approach (node to segment) remains the most used for the resolution of a contact problem. In certain configuration, this method has shortcomings and a lack of precision. We replacing it with mortar approach, we manage to solve a broad range of contact problems. The mortar method, used for the initial for calculation using domain decomposition, was the focus of several research projects for the modeling of the contact. In this work, we will consolidate multiple contact formulation methods in combination with mortar approach. The resolution algorithm, the elements of implementation and some examples of validation with a review of the advantages and limitations of each technique are detailed in this work in order to get technical support for subsequent work with the mortar method. The main advantage of the mortar method is in the application of the contact conditions in integral form in the interface. Although this method reduces the difference of the stresses in the contact interface of a component to another to obtain a better continuity of the contact pressure, it is still insufficient in some applications, particularly for large deformation problems. The smoothing of contact surfaces, which can be applied by various techniques, presents a classic solution to this problem in mechanical contact. The originality of this work is the combination of using cubic B-Spline curves for the almost exact description of the contact surface on one side with the use of the mortar approach to the application of the contact conditions on the other hand. This combination forms a winning combination for solving a contact problem in large deformation. The terms allowing the implementation of the different smoothing techniques for solving a problem of contact are detailed. Particular attention is paid to smoothing with Cu bic B-Spline. All algorithms detailed in this work are implemented in a house code 'Fiesta'. This is a free finite elements computer code in C ++. Some developments in the law of hyper-elastic behavior and completeness of the contact module are developed in this thesis.

Ce travail de thèse est consacré à l’étude des déformations d’interfaces liquides par l’action d’une onde laser continue. Nous démontrons que la diffusion élastique d'une onde laser dans un milieu turbide induit une force diffusive en volume qui donne naissance à des écoulements permanents au sein du fluide. Les contraintes visqueuses associées à ces écoulements, à l’approche d’une interface liquide molle, peuvent engendrer la déformation de celle-ci jusqu’à la déstabiliser et former un jet. Dans ce manuscrit, nous présentons une étude expérimentale de ce nouveau couplage lumière-fluide complétée par des simulations numériques. Nous présentons également une étude des déformations et instabilité d'interfaces par la pression de radiation optique, due au contraste d’indice de réfraction entre les deux phases liquides en coexistence, dans des milieux transparents. Nous avons enfin analysé la combinaison de ces deux couplages dans les milieux turbides, force diffusive et pression de radiation participant différemment à la déformation d’interfaces liquides. Pour ce faire, nous avons eu recours à différents systèmes fluides turbides et transparents, ayant pour particularité principale de présenter une tension interfaciale extrêmement faible. / This thesis work is dedicated to liquid interface deformations from a continuous laser wave. We demonstrate that elastic scattering of the incident wave in turbid medium induces a scattering force density giving birth to permanent bulk flows in the fluid. Near a soft interface, viscous stresses associated to these flows can deform the interface up to instability and produce a liquid jet. In this manuscript, we report an experimental study dedicated to this new light-fluid coupling in combination with numerical simulations. We also study interface deformations and instability induced by radiation pressure, due to refractive index contrast between the two liquid phases in coexistence, in transparent fluids. We finally analyzed the combination of both couplings in turbid media, scattering force and radiation pressure which differently operate for the interface deformation. To do this, we used different turbid and transparent fluids systems, which have the main particularity to present very low interfacial tension.

Les structures treillis constituées d’un nombre important de barres sont largement utilisées, notamment en génie civil. L’étude par éléments finis de telles structures se révèle très coûteuse dès que la maille répétitive du treillis est complexe. Il s’avère intéressant de réduire la taille du problème en définissant un milieu continu équivalent. L’objectif de la première partie de ce travail est de proposer, en se plaçant dans le cadre des méthodes d’homogénéisation des milieux périodiques, une poutre de Timoshenko équivalente à une structure périodique dont l’une des dimension est grande par rapport aux deux autres. Une des originalités réside dans l’étude de cellules de base non symétriques. Par ailleurs, on s’intéresse à la prise en compte de déformations libres (par exemple, d’origine thermique) apparaissant à l’échelle microscopique. La seconde partie est consacrée à l’étude de la structure axonémale du flagelle et des cils vibratiles. Il s’agit de proposer et valider un modèle pour cette structure biomécanique complexe et d’appliquer ensuite la méthode d’homogénéisation proposée / Lattice structures are widely used, especially in civil engineering. The finite element analysis of such structures might require a consequent amount of computational time when the periodical mesh of this lattice is complex. Defining an equivalent continuous medium in order to reduce the size of the problem appears to be interesting. The aim of the first part of this document is to apply a homogenization method in order to find a Timoshenko beam model macroscopically equivalent to a slender structure which is periodical in the longitudinal direction. One of the unusual aspects tackled reside in the study of structures with periodical cells having a longitudinal asymmetry. In addition, the case of periodical structures with free deformation (e.g. thermal dilatation) at microscopic scale is dealt. The second part is consecrated to the study of the axonemal structure of the biological cell flagella and Cilia. A shorten version of the axonemal structure is studied at first and homogenized afterward

Shape memory alloys (SMAs) exhibit the ability to absorb large dynamic loads and, therefore, are excellent candidates for structural components where impact loading is expected. Compared to the large amount of research on the shape memory effect and/or pseudoelasticity of polycrystalline SMAs under quasi-static loading conditions, studies on dynamic loading are limited. Experimental research shows an apparent difference between the quasi-static and high strain rate deformation of SMAs. Research reveals that the martensitic phase transformation is strain rate sensitive. The mechanism for the martensitic phase transformation in SMAs during high strain rate deformation is still unclear. Many of the existing high strain rate models assume that the latent heat generated during deformation contributes to the change in the stress-strain behavior during dynamic loading, which is insufficient to explain the large stress observed during phase transformation under high strain rate deformation. Meanwhile, the relationship between the phase front velocity and strain rate has been studied. In this dissertation, a new resistance to phase transformation during high strain rate deformation is discussed and the relationship between the driving force for phase transformation and phase front velocity is established. With consideration of the newly defined resistance to phase transformation, a new model for phase transformation of SMAs during high strain rate deformation is presented and validated based on experimental results from an austenitic NiTi SMA. Stress, strain, and martensitic volume fraction distribution during high strain rate deformation are simulated using finite element analysis software ABAQUS/standard. For the first time, this dissertation presents a theoretical study of the microscopic band structure during high strain rate compressive deformation. The microscopic transformation band is generated by the phase front and leads to minor fluctuations in sample deformation. The strain rate effect on phase transformation is studied using the model. Both the starting stress for transformation and the slope of the stress-strain curve during phase transformation increase with increasing strain rate.

La deformación permanente es una de las principales responsables del deterioro temprano de la capa asfáltica de carreteras. Este tipo de fenómeno, se ve impulsado en el país debido a la carga vehicular pesada y la variedad climática, en particular, las altas temperaturas. Se sabe que el comportamiento de la mezcla asfáltica, depende directamente de los materiales que la constituyen. Y ante condiciones desafiantes, estos materiales son insuficientes. En ese sentido, la presente investigación busca mejorar las propiedades de una mezcla asfáltica convencional mediante la adición de fibras de basalto y lignina, de tal manera que sea menos propensa a sufrir deformaciones permanentes. Para la parte experimental, se contó con agregados procedentes de la cantera Conchán, en Lima. Mediante la metodología de Marshall, se diseñaron dos mezclas asfálticas. La primera mezcla fue elaborada sin aditivos y en base a expedientes técnicos de la zona. La segunda mezcla se elaboró con los mismos componentes y con adición de 0.3% fibras de basalto y 0.3% de fibras de lignina. Las muestras fueron sometidas a ensayos de estabilidad y flujo, índice de rigidez, vacíos de agregado mineral y resistencia a la compresión. Los resultados de la investigación mostraron que al incorporar fibras de basalto y fibras de lignina se aumentan la estabilidad de la mezcla en 7%, el índice de rigidez de Marshall en 6%, el porcentaje de vacíos de agregado mineral en 2% y la resistencia a compresión en 4%. De lo anterior de infiere que la mezcla asfáltica propuesta tiene una mayor capacidad para distribuir la carga, mayor resistencia a la deformación por fluencia, mayor capacidad de expansión para contrarrestar las altas temperatura y, en consecuencia, mayor resistencia a las deformaciones permanentes. / Permanent deformation is one of the main causes of the early deterioration of the asphalt layer of roads. This type of phenomenon is driven in the country due to the heavy vehicle load and the climatic variety, in particular, the high temperatures. It is known that the behavior of the asphalt mixture depends directly on the materials that make it up. And in challenging conditions, these materials are insufficient. In this sense, the present research seeks to improve the properties of a conventional asphalt mixture by adding basalt and lignin fibers, in such a way that it is less prone to permanent deformation. For the experimental part, it was used aggregates from the Conchán quarry, in Lima. Using Marshall's methodology, two asphalt mixes were designed. The first mixture was made without additives and based on technical files in the area. The second mixture was made with the same components and with the addition of 0.3% basalt fibers and 0.3% lignin fibers. The samples were subjected to stability and flow tests, stiffness index, mineral aggregate voids and compressive strength. The results of the investigation showed that when incorporating basalt fibers and lignin fibers the stability of the mixture is obtained in 7%, the Marshall stiffness index in 6%, the percentage of voids of mineral aggregate in 2% and the resistance a compression in 4%. From the foregoing, it can be inferred that the proposed asphalt mix has a greater capacity to distribute the load, greater resistance to creep deformation, greater expansion capacity to counteract high temperatures and, consequently, greater resistance to permanent deformations. / Tesis

The work deals with a complex analysis of displacements and deformations of one bridge span of the railway bridge "Gagarin". The bridge structure was since 2009 annually measured. In addition to long-term monitoring of the bridge a 24-hour automatized monitoring was conducted in 2015 using robotic total station. The results of monitoring enables the analysis of displacements and deformations, analysis of measurement accuracy and also environmental influences on the structure - determination of the temperature dependence of deformations. Another part of the work is evaluating the long-term stability of the height reference frame that was used for geodetic epoch measuring of the bridge columns. The results of the work are the values of detected displacements and deformations, their graphical illustration, geometric interpretation and relevant characteristics of accuracy.