Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第16375号 / 工博第3456号 / 新制||工||1523(附属図書館) / 29006 / 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 / (主査)教授 岡 二三生, 教授 勝見 武, 准教授 木元 小百合 / 学位規則第4条第1項該当

Les matériaux semi-conducteurs sont très utilisés, notamment dans le domaine de l'électronique. Pourtant leur fonctionnement intime reste mal connu du fait du manque de techniques de mesures directes de leur distributions de charges. Les distributions de charges, qui sont à la base des propriétés électriques du matériau, sont en effet encore déterminées à l'aide de modèles et de mesures électriques globales ou destructives. Ainsi les nouveaux matériaux, sans modèle éprouvé, sont difficiles à analyser.L'utilisation d'un couplage élasto-électrique local (méthode de l'onde de pression) permettrait de palier à ce problème et ainsi de faciliter l'analyse des nouveaux matériaux pour la micro-électronique. Ce couplage agit en effet directement sur les charges à mesurer de manière non destructive.Dans ce mémoire de thèse le couplage élasto-électrique est modélisé dans des structures à semi-conducteurs et des métaux. Le signal induit par la propagation d'une onde élastique est calculé analytiquement ou numériquement selon la situation de la structure testée. Les résultats analytiques et numériques sont validés par des mesures expérimentatales avec la méthode de l'onde de pression appliquée à différentes structures contenant des matériaux semi-conducteurs et des métaux en variant les paramètres de mesure. / Semiconductor materials are widely used in electronic industry but their electrical behaviour remains elusive due to a lack of direct space charge distribution measurement methods. Charge measurements in those materials are indeed still indirectly estimated through a model of the studied materials or destructively obtained. Therefore new semiconductor materials, without a good model, are very complex to analyse. This problem may be solved by using an elasto-electric coupling (pressure wave propagation method) to directly and non-destructively characterize electrical properties of semi-conductor structures. This coupling acts directly and non-destructively on the charges to be measured. In this thesis the elasto-electric coupling is modelled in semiconductor structures and metals. The signal induced by the propagation of an elastic wave in the structure is calculated analytically or numerically depending on the studied structure. Analytical and numerical results are validated by experimental results of the pressure wave propagation method applied to various semiconductor structures and metals by varying the measurement conditions.

Cette thèse a visé à comprendre et à recréer artificiellement un mécanisme d'auto-assemblage présent dans la soie d'araignée. Les gouttes de glue microniques qui existent sur la soie d'araignée dîte de capture servent à fournir à la toile ses propriétés adhésives. Ces gouttes jouent pourtant un autre rôle : elles améliorent grandement les propriétés mécaniques de la soie, et permettent de préserver l'intégrité structurelle de la toile. La localisation de l'instabilité de flambage au sein des gouttes de glue, site de surcompression par les ménisques capillaire, implique que ce système de gouttes sur fibre se comporte sous compression comme un liquide, alors que sous tension il possède un régime solide. Les araignées ont donc trouvé un moyen de créer des hybrides mécaniques liquide-solide.La première partie de ma thèse fut dédiée à la caractérisation d'échantillons naturels, qui a permis dans la seconde partie de construire un système entièrement artificiel qui reproduit la soie d'araignée de capture, grâce à des microfibres flexibles longues de plusieurs centimètres. Une simple goutte de liquide mouillant permet la création efficace d'un système semblable aux échantillons naturels. La caractérisation fine de ces systèmes de gouttes sur fibre enroulables a mené à un très bon accord entre les résultats expérimentaux, les simulations numériques et une analogie avec les transitions de phase, notamment pour des propriétés telles que le seuil d'activation, l'existence d'une hystérésis ou encore la morphologie de l'enroulement. Ces résultats ont permis la conception de techniques non conventionnelles dans des domaines tels que les méta-matériaux et la micro-fabrication. / This PhD work aimed to understand and recreate artificially a self-assembling mechanism involving capillarity and elasticity present in spider silk. The primary function of the micronic glue droplets that exist on spider capture silk is to provide the spider web with adhesive properties. These droplets play yet another role: the dramatic enhancement of silk mechanical properties, as well as the preservation of the integrity of the web structure. The localization of the buckling instability within the glue droplets, site of over-compression due to the capillary meniscii implies that under compression this special drop-on-fibre system behaves like a liquid, whereas under tension it has a classical elastic spring regime. Spiders have thus found a way to create liquid-solid mechanical hybrids.The first part of my thesis aimed to the characterization of natural samples, which allowed in the second part to build a completely artificial system that mimics the natural samples, through fabrication of centimeter-long micronic soft fibres. The simple addition of a wetting liquid droplet made for an effective system with mechanical properties quantitatively close to that of spider capture silk.Fine characterization of the created drop-on-coilable-fibre systems yielded very good agreement between experimental results and predictions from numerical simulations and a analogy with phase transition, especially for properties such as the threshold for activation, the existence of an hysteresis and the coiling morphology. All those results added up to the design of unconventional techniques in field such as metamaterials and micro-fabrication.

Ce travail présente une méthode générale fournissant des bornes garanties de l'erreur de discrétisation sur une quantité locale issue d'un calcul éléments finis. Formulée dans un cadre général, la méthode est illustrée sur un cas 2D d'élastoplasticité. Le cadre non-linéaire de cette implémentation a soulevé des problèmes d'un type nouveau au sein de la thématique de vérification. Après avoir défini les problèmes miroir et central, nous proposons des solutions pour les résoudre.La mise en place de l'outil introduit est détaillée. Ainsi, des bornes garanties de l'erreur locale sur une composante de la déformation plastique sont calculées. Une première étude sur des cas académiques est présentée avant de s'intéresser à un cas plus complexe. Enfin une amélioration de la méthode est introduite, permettant l'obtention de bornes plus pertinentes. / This work presents a general method providing good control on the discretization error on a local quantity of a finite element solution. Formulated using a general formulation, this method is illustrated in a 2D case of elastoplasticity. Nonlinear part of this implementation has raised issues of a new type in the subject of verification. Mirror and the central problems are defined, and we offer solutions for both.The implementation of this tool is introduced in detail. Thus, the guarantees bounds of the local error on a component of plastic deformation are calculated. An initial study on academic case is presented before focusing on a more complex one. Finally an improved method is introduced, allowing the calculation of more relevant bounds.

Cette thèse vise à proposer des outils innovants pour le calcul de structures aéronautiques évoluant à haute température. En effet, les régimes de fonctionnement des moteurs actuels conduisent à des évolutions élasto-viscoplastiques généralisées dans les pièces métalliques et l’utilisation de modèles simplifiés (élastiques) n’est plus totalement satisfaisante en terme de précision, même en phase de préconception. De même, la géométrie complexe permettant le refroidissement continu des pièces (micro-perforations) doit être prise en compte de manière exacte. Les techniques de calcul standard pour ce genre de problème conduiraient à des simulations lentes et peu flexibles (la moindre modification entraînant une remise en œuvre complète de la chaîne de calcul). Plus précisément, cette thèse étend les méthodes de type global/local non-intrusives au cas de la viscoplasticité généralisée en utilisant deux échelles de temps et d'espace, chacune adaptée aux phénomènes locaux et globaux à capturer. La méthode est ensuite étendue au calcul de nombreux cycles complexes de chargement, par des techniques de saut de cycles. Le schéma de couplage en temps permet alors une adaptation locale du pas de temps par sous-domaine. Des techniques d’accélération de convergence sont proposées, à l’échelle d’un incrément puis à celle de la succession de cycles (sauts de cycles). Ces développements permettent d’obtenir rapidement et précisément une estimation du cycle limite qui alimente un modèle de durée de vie. Le couplage non-intrusif est réalisé dans un script de programmation pilotant un code commercial (dans notre cas le langage Python et Abaqus/Standard). La méthode a été appliquée sur des plateformes de calculs industrielles, en réutilisant directement des maillages et les mises en données issues de modèles intervenant plus tôt dans la chaîne de calcul. Un cas métier, issu d’un bureau d’études de Safran Aircraft Engines, a pu être traité. / This thesis consists in developing innovating tools destined to the simulation of aeronautical structures evolving at high temperature. Indeed, working rates of current engines lead to an elasto-viscoplastic evolution generalized in metallic parts and the use of simplified models (linear elastic) are no longer totally satisfying in term of accuracy, even in initial design process. Likewise, the complex geometry allowing the continuous cool down process of parts (micro-perforations) has to be exactly taken into account. The standard computation techniques dedicated to this kind of models would lead to slow simulations with a lack of flexibility (the slightest modifications leading to restart the whole design process of the computation chain).More precisely, this thesis extends the noninvasive global/local methods to the framework of viscoplasticity generalized to the whole structure, using two scales in time and space, each one adapted to global and local phenomena to capture. The method is then extended to the computation of high number of complex load cycles, by skipped cycles techniques. The time coupling scheme lets then a local adaptation of time steps per subdomain. Convergence acceleration techniques are also set up, first for one time step and then through several load cycles (skipped cycles). These developments conduct to obtain quickly an evaluation of the limit cycle providing data to a lifetime expectancy model.The noninvasive coupling is realized in a programming language script managing the commercial software (respectively in our case Python and Abaqus/Standard). The method has been applied on industrial computational platforms, by reusing directly meshes and data from previous engineering tasks appearing earlier in the computational chain. A genuine test case from a Safran Aircraft Engines design office, was performed successfully.

The passive particle separation method of elasto-inertial microfluidics have greatpotential in the field of physics, biology and chemistry. The objective of thisdegree project was to understand particle behavior in curved microchannels fornon-Newtonian fluids. This in order to optimize the separation of 1 µm and 2 µmparticles where the end goal is to create an efficient sample preparation method fordiagnosing sepsis. Fluorescent beads were spiked into PEO solutions of differentconcentrations and used in microfluidic PDMS-glass chips with various radii toexamine the influence of curvature and elasticity as well as the flow rate. Theresult indicated an independence of both curvature and elasticity. Reynoldsnumber and Dean number are dependent on the flow rate which results in atrade-off between a high and low flow rate. A low Reynolds number is not enoughto create Dean vortices that can be used to separate particles while a highReynolds number creates strong Dean vortices that can obstruct the focusing. Later, microfluidic silicon-glass chips were used to separate 1 µm and 2 µm beads.The 2 µm particles were able to focus in two different PEO concentrations whereasthe 1 µm particles did not have time to focus entirely. This makes it possible toseparate 2 µm particles along with some 1 µm particles towards one outlet whileleaving another outlet with only 1 µm particles. This is a promising start butfurther optimization is required before being applied to real bacteria separation. / Den passiva partikelseparationsmetoden elastisk tröghetsmikrofluidik har storapotential inom fysik, biologi och kemi. Målet med examensarbetet var att förståpartiklars förflyttning i krökta mikrokanaler för icke-newtonska vätskor. Dettagjordes för att optimera separering av 1 µm och 2 µm partiklar där slutmålet är attskapa en effektiv provberedningsmetod för att diagnostisera sepsis. Fluorescerandepartiklar tillsatta i PEO-l¨osningar av olika koncentrationer anv¨andes imikrofluidiska PDMS-glas chip med olika radier för att undersöka inverkan avkrökning och elasticitet samt flödeshastigheten. Resultatet indikerade ettoberoende av både krökning och elasticitet. Reynolds nummer och Deans nummerär beroende av flödeshastigheten vilket resulterar i en avvägning mellan en hög ochlåg flödeshastighet. Ett lågt Reynolds nummer är inte tillräckligt för att skapaDean virvlar vilket kan utnyttjas för att separera partiklar medan ett högtReynolds nummer framkallar starka Dean virvlar vilket kan hindra fokuseringen. Sedan användes mikrofluidiska kisel-glas chip för att separera 1 µm and 2 µmpartiklar. 2 µm partiklarna lyckades fokusera i två olika PEO-koncentrationermedan partiklarna av 1 µm inte fokuserade fullt ut. Detta gör det möjligt attseparera 2 µm partiklar tillsammans med ett antal 1 µm partiklar mot ett utloppsamtidigt som ett annat utlopp endast innehåller 1 µm partiklar. Det är enlovande start men ytterligare optimering krävs innan det kan tillämpas på faktiskbakterieseparation.

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Le présent travail est consacré à l'étude du comportement thermo-hydro-mécanique linéaire et non linéaire des roches poreuses de type argilites par approche de changement d'échelle. A partir des observations microstructurales de ces matériaux, un modèle conceptuel a été proposé. Dans ce modèle, le volume élémentaire représentatif du milieu hétérogène est composé d'une phase matricielle argileuse contenant des inclusions sphériques de minéraux de quartz et de calcite et des inclusions ellipsoïdales aplaties représentant l'espace poreux. Dans un premier temps, le procédé de la modélisation a été exploité par la détermination des propriétés effectives isotropes et isotrope transverses des argilites : la conductivité thermique et les propriétés thermo-hydro-mécanique croisées. En outre, de nombreuses études numériques ont mis en évidence l'influence de la morphologie de l'espace poreux, de la minéralogie et des schémas d'estimation sur les résultats prédictifs. Dans un deuxième temps, nous avons modélisé le comportement mécanique non linéaire (élasto-plastique, élasto-viscoplastique) des roches argileuses. La comparaison entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux disponibles (essai de compression triaxiale, essai de fluage) a confirmé la validation du modèle développé / The present work deals with the linear and non-linear thermo-hydro-mechanical behaviour of porous rocks such as the argillite by the multiscale modelling approach. Based on microstructure observations, a conceptual model was proposed. In this model, the representative elementary volume of a heterogeneous medium is composed of an argillaceous matrix containing spherical inclusions of minerals quartz and calcite and ellipsoidal inclusions representing the pore space. In a first step, the process of modelling has been exploited by determining the isotropic and transversely isotropic effective properties of the argillite: thermal conductivity and thermo-hydro-mechanical properties. Furthermore, many numerical studies have highlighted the influence of the morphology of the pore space, of the mineralogy and of the estimate schemes to the predictive results. In a second step, we modelled the non linear mechanical behaviour (elasto-plastic, elasto-viscoplastic) of argillaceous rocks. The comparison between numerical simulations and available experimental results (triaxial compression test, creep test) confirmed the validation of the model developed

Neste trabalho, propõe-se uma formulação não linear baseada no método dos elementos de contorno, para representação de domínios poro-elasto-plásticos reforçados. Esta formulação é apresentada para os casos saturado e não saturado. Para o problema poroso enrijecido um acoplamento com o método dos elementos finitos é empregado, e a técnica de mínimos quadrados permite a regularização dos deslocamentos e do vetor de forças de superfície ao longo das interfaces de acoplamento. São empregadas expressões analíticas para o tratamento das integrais de contorno e de domínio presentes na formulação do método dos elementos de contorno. A formulação de Biot é empregada para a descrição de meios porosos saturados e uma formulação energética baseada nos trabalhos de Coussy é adaptada para a extensão ao caso não saturado. Neste caso, a pressão capilar e energia das interfaces são levadas em consideração. O nível de saturação é descrito pelo modelo de Van Genuchten e o comportamento do esqueleto é descrito ou pelo modelo de Drucker-Prager ou pelo modelo de Cam-Clay modificado. O problema não linear obtido por uma descrição temporal associada a discretização espacial é resolvido pelo método de Newton-Raphson. No caso saturado, o operador tangente consistente é definido e utilizado para obtenção da solução do sistema. Exemplos numéricos são apresentados para validar a formulação proposta. / In this work a nonlinear formulation of the boundary element method (BEM) is proposed to deal with saturated and unsaturated poro-elasto-plastic 2D reinforced domains. To model reinforced porous domains a BEM/FEM (Finite Element Method) modified coupling technique is employed. The coupling is made by using the least square method to regularize the displacement and traction distributions along the interfaces. Analytical expressions have been derived for all boundary and domain integrals required for the formulation. The Biot formulation is used for the description of the saturated porous environments and an energetic consistent formulation based on work of Coussy is adopted for its extension to the framework of unsaturated porous media. In this case, the capillar pressure and the interface energy are taken into account. The Van Genuchten model is used for the determination of saturation level in non-saturated poro-elasto-plastic problems. The Drucker-Prager modified model if used for the saturated poro-elasto-plastic problems and the modified Cam-Clay model for the representation of non-saturated poro-elasto-plastic problems. For the saturated case, the consistent tangent operator is derived and employed inside a Newton procedure to solve non-linear problems. Numerical solutions are presented to validate the proposed models.