Le domaine de la fusion par confinement magnétique et la technologie des tokamaks privilégient l'utilisation de câbles supraconducteurs pour la circulation de haute densité de courant (typiquement 70kA). Ces conducteurs se composent de milliers brins câblés sur plusieurs étages, insérés en conduite et refroidis à température cryogénique. Les chargements extrêmes d'origine thermique et électromagnétique appliqués sont susceptibles d'engendrer des déformations locales dégradant les qualités conductrices de ces câbles. Ces dégradations d'origine mécanique sont observées mais peu de modèles en décrivent le comportement. Dans le cadre de la modélisation des conducteurs de type câble-en-conduit (CICCs), nous proposons l'utilisation et l'adaptation d'un code élément fini de calcul de structures dédié aux milieux entremêlés: Multifil. Le problème du comportement mécanique global et local des câbles est posé sous la forme de la recherche d'équilibre d'un assemblage de poutres en grande déformation et en interaction de contact frottement sous différents chargements. Le développement de cette méthode numérique s'appuie sur un modèle de poutre à cinématique enrichie, intégrant notamment des déformations de sections et sur une résolution algorithmique implicite de type Newton-Raphson. Cette modélisation est largement basée sur les travaux déjà réalisés quant à l'étude de la mécanique interne de câble métallique et de textile où le traitement des contacts et primordiale. Pour ce qui est de l'application de Multifil aux modèles de CICCs, les adaptations et nouveaux développements du code de calcul ont été introduits lors de cette thèse.En premier lieu, la géométrie des câbles formés étant a priori inconnue, nous proposons une simulation du processus de mise en forme des conducteurs. Celle-ci consiste en une compaction d'une configuration théorique de câblage initiale au moyen d'outils rigides. Une partie importante de cette thèse a été dédiée au développement de conditions aux limites, dites pseudopériodiques, pertinentes face aux problématiques liées à la modélisation des câbles. Dans un deuxième temps et dans un effort de validation des modèles de câbles formés, nous présentons les résultats obtenus lors d'essais de traction/compression longitudinale et de compression transverse de câbles formés. Les comportements mécaniques des câbles en sollicitation axiale et transversale prédits par les modèles ont montré un bon accord avec les données expérimentales disponibles. Cela a été rendu possible grâce à l'identification des lois de comportements des brins sur des essais de traction cycliques et de pincement effectués au cours de cette thèse. L'observation au Microscope Electronique à Balayage de coupe de brins sollicités a permis de caractériser un critère de ruptures pour les micro-filaments Nb3Sn des brins. Des simulations complètes des conducteurs ITER en condition opératoire ont été réalisées avec succès pour différentes configurations de câbles. L'analyse des données fournies par le code de calculs a permis de mettre en lumière l'importante hétérogénéité des déformations axiales dans les conducteurs ainsi que la présence de déformations, dites critiques, susceptibles de pouvoir expliquer en partie les dégradations des propriétés supraconductrices des conducteurs d'ITER. Enfin les données fournies par Multifil ont été utilisées par deux codes de calculs électromagnétiques, CARMEN et JackPot, dans le but de décrire les propriétés électriques des conducteurs en fonction des déformations prédites par les modèles mécaniques.

En aquesta tesi es construeix un simulador numèric de la paret abdominal inferior, per tal de determinar la gènesis i les causes de les hernies inguinal humanes. Així, un model amb dades reals d'aquesta regió del cos humà (correctament discretitzades) ens permetrà reproduir les propietats dinàmiques de diferents elements de la regió permetent la simulació de la hernia en el moment que te lloc.La simulació muscular en general, ha tingut un paper secundari en la simulació numèrica, ja que en ocasions sols han interessat les propietats genèriques del múscul (per això es considera el múscul com un sol element) i no en un estudi detallat de les parts del múscul. El camp on la simulació ha estat més productiva ha estat la simulació cardíaca, a causa del constant interès en la creació de models del múscul cardíac i es per aquest motiu que sols es troben models detallats en aquest cas.La contracció de la fibra muscular va ser simulada fen servir el model reològic de Hill-Maxwell presentat per en J.Bestel en el que es regula la contracció muscular amb una funció de potencial d'activació u(t). Aquest model és el primer model dinàmic en dimensió u a nivell microscòpic de la contracció muscular.Actualment, existeixen moltes conjectures sobre les causes de les hèrnies, malgrat tot, no ha estat possible un estudi detallat sobre l'origen de les hèrnies. Per altra banda, és impossible captar el moment en que es genera una hèrnia, i per altra banda hi ha una carència de model prou detallats de la contracció muscular.En aquesta tesi es presenta un estudi dinàmic de la paret abdominal inferior amb els elements actius (els músculs) i els elements passius (fàscies, lligaments i altres teixits), és per això que es pot dur a terme un estudi amb varis aspectes físics i químics que intervenen a la gènesis de les hernies. El model reprodueix la dinàmica real del àrea tal i com A. Keith i W.J. Lytle varen conjecturar als inicis del segle passat i que són usualment acceptats per la comunitat de cirurgians.Aquest és el primer model que reprodueix la dinàmica real de la regió inguinal, prova la existència de dos mecanismes de defensa (el mecanisme de persiana i el mecanisme de esfínter a l'anell inguinal). Amb aquest model de contracció muscular podem estudiar diversos paràmetres que tenen un paper important a la gènesis de les hernies inguinals i podem dur a terme un estudi més detallat sobre els elements de risc. Aquests paràmetres ( el mòdul de Young, el coeficient de Poison o la pressió intraabdominal, per exemple) tenen un efecte hipotètic no provat en la gènesis de les hèrnies. Aquest treball, avalua l'efecte real de diversos paràmetres al model lineal i proposa una simulació no lineals per la simulació muscular.ABSTRACT / This PhD thesis aims to build a numerical simulator of the inferior abdominal wall, in order to determine the genesis and causes of the inguinal hernia. Thus, a model with real data on the region of human body (properly discretized) has been built that reproduces the dynamic properties of the various elements of the region allowing the simulation of the moment at which the hernia occurs. Muscular simulation in general, has became a secondary subjec regarding numerical simulation, because on many occasions the interest has been concentrated in the general properties of the muscle (so that the muscle is considered a single element) and not in a detailed study of each of the parts of the muscle. The field where simulation has possibly been more productive is the cardiac simulation because of the constant interest in creating models of the cardiac muscle and it is for this reason that the only detailed models that exist are those related to the cardiac muscle. The muscular fibre contraction was simulated using the Hill-Maxwell rehologic model presented by J. Bestel which it regulates the contraction and recovery by means of potential activation function u(t). This model is the first dynamic model in dimension one of a microscopic muscle level. Currently, there is much varying conjecture regarding the causes of hernias, despite this however, a detailed study of their genesis, has not been possible. This is because on the one hand, it is impossible to catch the moment in which a hernia is generated, and, on the other, there is a lack of sufficiently detailed models of the muscles involved. We present a dynamic model of the inferior abdominal wall with the active elements (the muscles) and the passive elements (fascias, ligaments and other tissues), so that a study can be made of the various physical and chemical aspects that generate hernias. The model reproduces the real dynamic of the area, as A. Keith and W.J. Lytle conjectured at the beginning of the past century and commonly accepted by surgery community. This is the first model which reproduces the real dynamic in the inguinal area, so that we can prove the existence of the two defence mechanisms (the shutter mechanism and the sphincter mechanism in the inguinal ring). With this muscular contraction model we can study several parameters that it have an important role in the inguinal hernia genesis and we can do an accurate study about risk elements in the hernia inguinal. This parameters (Young's modulus, Poison's coefficient or intraabdominal pressure, for instance) have an hypothetical and no proved effect in the genesis of inguinal hernias. This work, evaluate the real effect of several parameters in the lineal model and propose a non linear model for the muscular simulation.

This doctoral dissertation is structured in four chapters as follows. The first chapter contains a summary of formation flying projects that have been taken into consideration since few years ago. We specially focus on the missions that have been planned to be located in a libration point regime. For completeness, this chapter also contains a general state of the art about the main reconfiguration techniques for satellite formations. The main new contributions of the thesis are contained in chapters 2, 3 and 4. Chapter 2 introduces the general methodology that will be considered in all the dissertation. It is based on a discretization in time by means of a finite element approximation, and at the same time, is suitable to incorporate optimal control problems. In this chapter we study the reconfigurations using linearized equations about a nominal Halo orbit minimizing the functional given by the sum of the square of the magnitude of the maneuvers. This functional is not directly related to the fuel consumption, but has good properties concerning minimization and regularity. In chapter 3 we are still working with the linearized model about the nonlinear orbit, but the functional that we optimize, given by the sum of the modulus of the maneuvers, is directly related to fuel consumption. As a consequence, the methodology can be tuned in such a way that, if possible, the user can choose to converge to bang-bang optimal controls (when possible) or to low thrust trajectories in general situations. In this chapter, our objective is not only to study how the reconfigurations can be accomplished. We also consider the problem of obtaining good meshes for our finite element discretization, and up to a certain extent, to decide which is the best mesh for each kind of problem. Finally, in chapter 4, we deal with non-linear and perturbed problems. In a first step we consider reconfigurations in the Restricted Three Body Problem and in a second one with JPL ephemeris. This fact slightly changes the trajectories of the spacecraft with respect to the ones obtained in the previous chapters. To correct for such deviations we design and implement a methodology based on adding small corrective maneuvers on top of the nominal ones. We also study the magnitude of corrective maneuvers that will need to be applied in case of errors in the execution of the nominal ones. Finally, this chapter ends with some other applications that can be performed using the methodology we have developed. / Aquesta tesi doctoral està estructurada en quatre capítols. El primer capítol comprèn un resum dels projectes de vol en formació que s'han tingut en consideració els últims anys, especialment els que estan planejats de situar-se al voltant dels punts de libració. En aquest capítol també fem un estat de l'art de les principals tècniques de reconfiguració de formacions de satèl•lits. Les principals contribucions noves d'aquesta tesi es troben als capítols 2, 3 i 4. En el capítol 2 introduïm la metodologia general que s'utilitzarà en tota la dissertació. Aquesta metodologia està basada en una discretització del temps usant una aproximació en elements finits, que al mateix temps la fa factible d'incorporar en problemes d'optimització. En aquest capítol es consideren les equacions linealitzades al voltant d'una òrbita Halo. El problema d'optimització minimitza el funcional obtingut per la suma dels quadrats de les maniobres. Encara que aquest funcional no estigui directament relacionat amb el consum de combustible, es comporta bé a l'hora de minimitzar. En el capítol 3 es segueixen utilitzant les equacions linealitzades al voltant de l'òrbita Halo, però ara el funcional que es minimitza és la suma dels mòduls de les maniobres, que està directament relacionat amb el consum de combustible. Com a conseqüència, la metodologia permet que es pugui convergir a controls bang-bang en el cas que sigui possible, o a avanç continu en les altres situacions. En aquest capítol, el nostre objectiu no consisteix només en estudiar com fer les reconfiguracions, sinó que també considerem el problema d'obtenir una bona discretització per al nostre problema d'elements finits, i decidir quina és la millor malla per cada tipus de problema. Finalment, al capítol 4 considerem problemes no lineals i incloem perturbacions. Comencem considerant les reconfiguracions en el problema restringit de tres cossos, per després veure com es comporta usant les efemèrides JPL. Aquests nous models canvien una mica les trajectòries dels satèl•lits respecte les que havíem obtingut en els capítols anteriors. Per corregir aquestes desviacions implementem una metodologia basada en afegir petites correccions a les maniobres que estan donades. També estudiem la magnitud de les maniobres que cal aplicar quan es produeixen errors d'execució en les maniobres nominals. Finalment, aquest capítol acaba amb altres aplicacions que es poden dur a terme usant la metodologia que hem desenvolupat. / Esta tesis doctoral está estructurada en cuatro capítulos. El primer capítulo contiene un resumen de los proyectos de vuelo en formación que se han tenido en consideración en los últimos años, especialmente aquellos que están planeados de situarse alrededor de los puntos de libración. En este capítulo también se hace un estado del arte de las principales técnicas de reconfiguración de formaciones de satélites.Las principales contribuciones nuevas de esta tesis se encuentran en los capítulos 2, 3 y 4. En el capítulo 2 introducimos la metodología general que se usará en toda la disertación. Esta metodología está basada en una discretización del tiempo usando una aproximación en elementos finitos, que al mismo tiempo la hace factible de incorporar en problemas de optimización. En este capítulo, se consideran las ecuaciones linealizadas alrededor de una órbita Halo. El problema de optimización minimiza el funcional obtenido como la suma de los cuadrados de las maniobras. Aunque este funcional no está directamente relacionado con el consumo de combustible, tiene un buen comportamiento en la minimización.En el capítulo 3 se siguen usando las ecuaciones linealizadas alrededor de la órbita Halo, pero ahora el funcional al minimizar es la suma de los módulos de las maniobras, que está directamente relacionado con el consumo de combustible. Como consecuencia, la metodología permite que se pueda convergir a controles bang-bang en el caso de que sea posible, o a avance continuo en las otras situaciones.En este capítulo, nuestro objetivo no consiste únicamente en estudiar cómo hacer las reconfiguraciones, sino que consideramos el problema de obtener una buena malla para el problema de los elementos finitos, y decidir cuál es la mejor malla para cada tipo de problema.Finalmente, en el capítulo 4 se consideran problemas no lineales y se incluyen perturbaciones. Empezamos considerando las reconfiguraciones en el problema restringido de 3 cuerpos, y luego observamos qué pasa cuando usamos las efemérides JPL. Estos nuevos modelos cambian un poco las trayectorias de los satélites respecto las obtenidas en los capítulos anteriores. Para corregir estas desviaciones, se implementa una metodología basada en añadir pequeñas correcciones a las maniobras dadas. También estudiamos la magnitud de las maniobras que hace falta aplicar cuando se producen errores de ejecución en las maniobras nominales. Para finalizar, este capítulo acaba con otras aplicaciones que se pueden llevar a término con la metodología desarrollada.

This thesis is structured in four parts for a total of ten chapters. The first part, introduction and review (Chapters 1 to 4), presents an extensive state-of-the-art review of both symbolic and connectionist GI methods, that serves also to state most of the basic material needed to describe later the contributions of the thesis. These contributions constitute the contents of the rest of parts (Chapters 5 to 10). The second part, contributions on symbolic and connectionist techniques for regular grammatical inference (Chapters 5 to 7), describes the contributions related to the theory and methods for regular GI, which include other lateral subjects such as the representation oí. finite-state machines (FSMs) in recurrent neural networks (RNNs).The third part of the thesis, augmented regular expressions and their inductive inference, comprises Chapters 8 and 9. The augmented regular expressions (or AREs) are defined and proposed as a new representation for a subclass of CSLs that does not contain all the context-free languages but a large class of languages capable of describing patterns with symmetries and other (context-sensitive) structures of interest in pattern recognition problems.The fourth part of the thesis just includes Chapter 10: conclusions and future research. Chapter 10 summarizes the main results obtained and points out the lines of further research that should be followed both to deepen in some of the theoretical aspects raised and to facilitate the application of the developed GI tools to real-world problems in the area of computer vision.

La modelització numèrica és l'eina més potent per resoldre el problema directe de la prospecció elèctrica en models que presenten una distribución complicada de la resistivitat.En aquest treball es presenta el disseny d'un algorisme de modelització d'estructures bidimensionals per prospecció elèctrica en corrent continu. Les aplicacions de l'algorisme que es presenten cobreixen part del buit existent actualment en la modelització per al sondatge elèctric vertical amb dispositiu Schlumberger, que és, possiblement, el més utilitzat en la pràctica. 1) ALGORISME DE MODELITZACIÓL'algorisme de modelització que s'ha desenvolupat i el programa que s'ha construït a partir d'ell permeten l'estudi de qualsevol estructura bidimensional. L'algorisme es basa en el mètode dels elements finits i generalitza els anteriors algorismes existents basats en aquest mètode. Resol directament el problema pel potencial total i inclou la modelització d'estructures bidimensionals tant en presència d'elèctrodes de corrent lineals (problema bidimensional) com d'electròdes puntuals (problema tridimensional). A més, contempla diferents tipus possibles de condicions de contorn: condicions de Dirichlet, de Neumann i mixtes; en particular, unes mixtes basades en el comportament asimptòtic del potencial a grans distàncies de 1'elèctrode. Tanbé dóna solució a la problemàtica del càlcul pel potencial en direccions no perpendiculars a la de l 'estructura, en particular en la direcció paral.lela.L'estudi del problema tridimensional ha comportat la utilització del potencial espectral per tal d'eliminar la dependència del potencial amb la direcció de l'estructura ("strike direction"). A partir del potencial espectral es determina el potencial antritransformat. El potencial transformat s'ha estudiat en detall i s'han determinat criteris òptims per al seu càlcul numèric, que faciliten la resolució del potencial en la direcció paral.lela a l'estructura tridimensional. De l'anàlisi de les aproximacions incloses en l'algorisme i de les fonts d'errors inherents al propi mètode numèric, hem obtingut uns criteris metodològics per l'elecció de la xarxa de discretització. La validesa de l'algorisme i el correcte funcionament dels programes han estat comprovats pels models dels quals es disposa d'una solució analítica (models de control): model homogeni, models estratificats i un model dc contacte vertical entre dos medis. Pels models més complexos es realitza un estudi de la convergència i l'estabilitat de les solucions obtingudes numèricament. 2) APLICACIONSCom a aplicació de la modelització realitzada amb el nostre algorisme, es els casos més freqüents d'estructures bidimensionals, considerant a la vegada diferents configuracions del dispositiu electròdic. Aquests són:- L'estudi de l'anomalia creada per un cilindre resistitiu en un medi homogeni en 1'aproximació de potencial bidimensional i utilitzant el dispositiu gradient.- Utilitzant el dispositiu dipol-dipol s'afronta el problema de la detectabilitat d'un dic rectangular conductor en funció de les dimensions del dispositiu i de la fondària a la que es troba el dic.- S'ha dedicat especial atenció als diferents efectes i anomalies que es presenten en els sondatges elèctrics verticals amb dispositiu Schlumberger. Els models estudiats han estat:- Efectes d'inhomogeneitats a l'entorn dels elèctrodes de potencial.- Efecte d'un esglaó en la superfície.- Efectes laterals produïts per contactes verticals i desnivells.- Efectes laterals produïts per un "horst" en el basament.- Efectes topogràfics sobre medis estratificats.La resolució d'aquests models ha portat a l'elaboració d'un conjunt d 'àbacs que permeten mostrar la morfologia de les corbes de resistivitat aparent i observar la influència dels diferents paràmetres dels models. Aquests àbacs són de gran utilitat a l'hora de realitzar la interpretació i/o d'efectuar correccions d'aquests efectes.Els efectes depenen del model patricular considerat. Els resultats indiquen que aquests efectes no són en general menyspreables i s'han detenir en compte quan es fa la interpretación, tal com mostrem a l'exemple de la interpretació d'una estructura bidimensional (con és un horst) mitjancant un model unidimensional, on es tendeix a sobrevalorar la fondària del basament.Com a conclusió general es pot afirmar que s'ha donat una solució a cada problema específic de la modelització d'estructures bidimensionals per prospección elèctrica en corrent continu i que es disposa de la infrastructura per abordar cada problemàtica geològica concreta amb independencia de si és o no és aproximable al clàssic model estratificat. / In this work, an algorithm to direct current resistivity modelling for two-dimensional structures has been developed. The algorithm is based on the finite element method and it permits the use of different kinds of boundary conditions: Dirichlet conditions, Neumann conditions and mixed conditions, specially the ones using the assymptotical behaviour of the potential far to current electrode. Even though the resistivity distribution model is 2-D, due to the fact that source is a point, the problem is tridimensional and to avoid the dependence of the potential on the strike direction, the Helmholtz equation for the potential must be solved. We have studied the general behaviour of the potential's spectrum to find out some criteria to calculate the potential in any direction, in particular in the strike direction.The validity of the algorithm and the good working of the programs have been checked with models that have analytical solutions. We have studied for complex models the stability and the convergence of the numerical solution and we have made also an analysis of the different error sources and of the aproximations considered in the algorithm.Finally, we have used the algorithm to calculate apparent resistivity curves for VES over a stratified medium with several lateral and topographic effects (a hill, a valley, a step, small heterogeneities around the electrodes, a horst in the basement). We also presented other model curves for gradient array and dipol-dipol array. This systematic study can provide information about the general characteristics of the curves, the influence of the different parameters of the model and it allows have an insight to the situations where the lateral or the topographic effect must he taken into account.

En la presente tesis se han estudiado métodos de paso fraccionado para la resolución numérica de la ecuación de Navier-Stokes incompresible mediante el método de los elementos finitos; dicha ecuación rige el movimiento de un fluido incompresible viscoso. Partiendo del análisis del método de proyección clásico, se desarrolla un método para el problema de Stokes (lineal y estacionario) con iguales propiedades en cuanto a discretizacion espacial que aquel, explicando así sus propiedades de estabilización de la presión. Se da también una extensión del nuevo método a la ecuación de Navier-Stokes incompresible estacionaria (no lineal).En la segunda parte de la tesis, se desarrolla un método de paso fraccionado para el problema de evolución que supera un inconveniente del método de proyección relativo a la imposición de las condiciones de contorno.Para todos los métodos desarrollados, se demuestran teoremas de convergencia y estimaciones de error, se proponen implementaciones eficientes y se proporcionan numerosos resultados numéricos.

Se proponen nuevos elementos finitos para problemas en mecánica de sólidos en el marco de una formulación estabilizada novedosa en este ámbito. Esta formulación se basa en el método de las sub-escalas, y particularmente en el concepto de sub-escalas ortogonales OSGS (orthogonal sub-grid scales method) .Los elementos propuestos son elementos triangulares y tetraédricos para aplicaciones generales en deformaciones infinitesimales y en grandes deformaciones, tienen interpolaciones de desplazamientos y presión lineales y continuas, son aptos para aplicaciones generales y están exentos de problemas de bloqueo y de inestabilidad en aplicaciones cercanas al límite de incompresibilidad en mecánica de sólidos, tanto en elasticidad como en plasticidad J2.El método de estabilización desarrollado modifica la formulación mixta del problema de incompresibilidad, de manera que se logran eludir las restricciones que la condición de Babuska-Brezzi establece sobre las interpolaciones para garantizar comportamiento estable. Como se sabe, de acuerdo a ésta quedan descartados los elementos de la formulación mixta estándar con interpolaciones del mismo orden.La idea fundamental es concebir la solución exacta como compuesta por dos partes, una parte resoluble más otra parte que no es captada por la aproximación de elementos finitos, ésta es una componente de la solución en la denominada la sub-escala. La clave es buscar esta componente, complementaria a la parte resoluble, en el espacio ortogonal al espacio de elementos finitos. De acuerdo con esto, la componente en la sub-escala se puede considerar como función de la proyección del residuo sobre el espacio ortogonal al espacio de elementos finitos. Una expresión numéricamente calculable de esta proyección se obtiene si se considera en forma débil la diferencia entre el residuo y su proyección sobre el espacio de elementos finitos. La mejora de la solución se logra al quedar representado el efecto de la sub-escala mediante un término adicional o de estabilización en la ecuación del sistema.Los elementos propuestos son consistentes, tienen comportamiento estable y flexibilidad mejorada con respecto a elementos mixtos comparables tales como el Q1/P0 y otros elementos estabilizados por métodos, tales como el GLS. Se propone en el trabajo una aproximación al cálculo del parámetro de estabilización en problemas de elasto-plasticidad. La implementación de la formulación es particularmente apropiada para problemas no-lineales, tanto desde el punto de vista del material como del geométrico.

Le domaine de la fusion par confinement magnétique et la technologie des tokamaks privilégient l'utilisation de câbles supraconducteurs pour la circulation de haute densité de courant (typiquement 70kA). Ces conducteurs se composent de milliers brins câblés sur plusieurs étages, insérés en conduite et refroidis à température cryogénique. Les chargements extrêmes d’origine thermique et électromagnétique appliqués sont susceptibles d’engendrer des déformations locales dégradant les qualités conductrices de ces câbles. Ces dégradations d'origine mécanique sont observées mais peu de modèles en décrivent le comportement. Dans le cadre de la modélisation des conducteurs de type câble-en-conduit (CICCs), nous proposons l’utilisation et l’adaptation d’un code élément fini de calcul de structures dédié aux milieux entremêlés: Multifil. Le problème du comportement mécanique global et local des câbles est posé sous la forme de la recherche d’équilibre d’un assemblage de poutres en grande déformation et en interaction de contact frottement sous différents chargements. Le développement de cette méthode numérique s’appuie sur un modèle de poutre à cinématique enrichie, intégrant notamment des déformations de sections et sur une résolution algorithmique implicite de type Newton-Raphson. Cette modélisation est largement basée sur les travaux déjà réalisés quant à l’étude de la mécanique interne de câble métallique et de textile où le traitement des contacts et primordiale. Pour ce qui est de l’application de Multifil aux modèles de CICCs, les adaptations et nouveaux développements du code de calcul ont été introduits lors de cette thèse.En premier lieu, la géométrie des câbles formés étant a priori inconnue, nous proposons une simulation du processus de mise en forme des conducteurs. Celle-ci consiste en une compaction d’une configuration théorique de câblage initiale au moyen d’outils rigides. Une partie importante de cette thèse a été dédiée au développement de conditions aux limites, dites pseudopériodiques, pertinentes face aux problématiques liées à la modélisation des câbles. Dans un deuxième temps et dans un effort de validation des modèles de câbles formés, nous présentons les résultats obtenus lors d’essais de traction/compression longitudinale et de compression transverse de câbles formés. Les comportements mécaniques des câbles en sollicitation axiale et transversale prédits par les modèles ont montré un bon accord avec les données expérimentales disponibles. Cela a été rendu possible grâce à l’identification des lois de comportements des brins sur des essais de traction cycliques et de pincement effectués au cours de cette thèse. L’observation au Microscope Electronique à Balayage de coupe de brins sollicités a permis de caractériser un critère de ruptures pour les micro-filaments Nb3Sn des brins. Des simulations complètes des conducteurs ITER en condition opératoire ont été réalisées avec succès pour différentes configurations de câbles. L’analyse des données fournies par le code de calculs a permis de mettre en lumière l’importante hétérogénéité des déformations axiales dans les conducteurs ainsi que la présence de déformations, dites critiques, susceptibles de pouvoir expliquer en partie les dégradations des propriétés supraconductrices des conducteurs d’ITER. Enfin les données fournies par Multifil ont été utilisées par deux codes de calculs électromagnétiques, CARMEN et JackPot, dans le but de décrire les propriétés électriques des conducteurs en fonction des déformations prédites par les modèles mécaniques. / The ITER Cable-In-Conduit Conductors (CICC) are composed of an assembly of pure copper wires and composite superconducting strands (with embedded brittle Nb3Sn microfilaments) cabled together and inserted in a stainless steel jacket. If the current carrying capacities of individual ITER strand are clearly identified, by a dependence of the critical current on the applied strain and by a statistical quantification of possible microfilaments breakage, the characterization of cable-in-conduit is not yet fully achieved. What are the local strain values of the strands inside CICCs under operating conditions is still an open question. A deeper understanding of how local strains develop and where critical strains appear in complex cabled structures could help to optimize CICCs designs in term of the losses of conductivity.The present work aims at providing for a finite element model of conductors, able to predict local strains, especially the bending strain, at the scale of individual strands. The finite element software, Multifil, initially developed to model various kinds of entangled media, has been adapted to consider the specific issues related to the conductors. The Multifil’s main feature is basically to handle the evolution of contact-friction interactions between wires. In this study, the initial conductors’ geometry (trajectories of all individual wires), a priori unknown, is determined by a simulation of the shaping process by means of moving rigid tools. Starting from formed cables, both the thermal restraint and the transverse Lorentz loads are simulated through successive applications of proper loading. An important part of this thesis is dedicated to the implementation in the code of proper transverse boundary conditions that are relevant to the cable modelling. Moreover, the numerical work is supported by experiments performed at ECP regarding the characterization of the axial and transverse material constitutive law of the strands of the cable. The, experimental and numerical “Force/Displacements” curves, obtained on cables under standard axial and transverse loading, show good agreement. At last, the results of the full conductor simulations (from initial shaping to magnetic loading) are presented for various conductors design. Relevant information at the scale of strands (axial strains across and along the strands of the cable) can be retrieved from these simulations. The careful analysis of these data have led to highlight the high non-uniformity of the axial strains in loaded conductor with occurrence of localized critical strains that could explain the conductivity loss observed in ITER conductors. At last, the mechanical information provided by the Multifil have been put to good use by two different electromagnetic codes, CARMEN and JackPot in order to predict the superconducting properties of the conductor according to the axial strains measured along and across the strand.

This document presents a methodology that (using tunable finite element models) allow validating during the development phase of the project, the behavior that equipment and mechanical systems will have once they are installed in microgravity. To achieve this purpose, a general methodology is developed initially. It can be applied to any space system or equipment necessary to know the behavior of any engineering parameter in case this parameter is affected by the particular space conditions. Later, the general methodology in applied over the VIF System. Thus, a concrete methodology for a mechanical system (VIF System) is developed in order to analyze a set of mechanical parameters that allow predicting on ground the mechanical behavior of this system once it is in microgravity. Once defined the mechanical parameters that are required to be analyzed and characterized form the VIF System (forces, moments, velocities, accelerations, etc), then the test phase started. In this phase, test equipment is developed and the VIF System is installed on. The VIF System is externally excited and it is acquired the VIF System behavior, for different levels of excitement, using the appropriate sensors (accelerometers, strain gauges, position sensors, etc). In this way, it is obtained the characterization of VIF System on ground. Once the VIF system has been already characterized on ground, a finite element model (FEM) of the VIF System is performed. This model is properly characterized to achieve the same behavior that the VIF System showed during previous tests. Finally, the FEM model is modified applying a zero gravity condition. This allows getting the VIF System behavior under these particular microgravity conditions. / El present treball planteja una metodologia que, basant-se fonamentalment en models d’elements finits caracteritzables, permet analitzar, a la fase de desenvolupament del projecte, el comportament que equips i sistemes mecànics tindran un cop es trobin instal•lats en condicions de microgravetat. Per aconseguir aquest propòsit, inicialment es desenvolupa una metodologia general que permet ser aplicada a qualsevol equip o sistema espacial on sigui necessari conèixer el comportament de qualsevol paràmetre d’enginyeria que es trobi afectat per les particulars condicions de l’espai. Posteriorment, la teoria general es particularitza pel cas concret d’un sistema mecànic, el Sistema VIF, plantejant així una metodologia particular que permet predir a terra el comportament que tindran un seguit de paràmetres mecànics quan el Sistema VIF es trobi en condicions de microgravetat. Un cop definits els paràmetres mecànics que es volen analitzar i caracteritzar del Sistema VIF (forces, moments, velocitats, acceleracions, etc), s’inicia la fase de test. En aquesta fase es desenvolupa un equip de test on s’hi instal•la el Sistema VIF. L’excitació externa que s’efectua sobre el Sistema VIF permet recollir, usant els sensors adients (acceleròmetres, galgues extensomètriques, sensors de posició, etc), el comportament del Sistema VIF per diferents nivells d’excitació. D’aquesta manera, s’obté la caracterització del Sistema VIF a terra. Una vegada es disposa del Sistema VIF ja caracteritzat a terra, cal realitzat un model d’elements finits (FEM) del Sistema VIF. Aquest model es caracteritza adequadament per tal que assoleixi el mateix comportament que mostrava el Sistema VIF durant la fase de tests. Finalment, s’aplica sobre el model FEM la condició d’ingravidesa imposant un valor de gravetat nul•la. D’aquesta manera, s’obté el comportament del Sistema VIF en aquestes particulars condicions de microgravetat que proporciona l’espai.

La present tesi investiga l'ús de la modelització amb elements finits per a l'estudi de la biomecànica lumbar per a l'avaluació clínica. Els estudis bibliogràfics del capítol 1 mostren relacions funcionals clares entre les forces externes i les estructures i formes del teixit lumbar. Els estudis clínics demostraren que independentment del seu origen, el dolor lumbar pot veure's empitjorat per sobrecàrregues dels teixits. Les mesures experimentals són insuficients per descriure la distribució de càrrega entre els diferents teixits lumbars, és així que s'han utilitzat models d'elements finits. No obstant, la fiabilitat dels models a l'hora de predir les càrregues locals en els teixits no ha estat demostrada, essent aquest un dels objectes d'estudi.En el Capítol 2 s'elaborà un model bisegment de la columna lumbar. El model inicial es completà incloent el còrtex vertebral, una definició complerta de les juntes sinovials, les plaques terminals de cartílag i una descripció millorada de l'estructura de l'anell. Es van simular càrregues simplificades per als estudis in vitro per calcular les distribucions de tensions, deformacions i energia. El model bisegment és vàlid per interpretar les distribucions de càrrega funcionals a L3-L5 en el cas d'estructures conegudes de teixit, però el conjunt de la geometria L3-L5 necessitava ser millorat.Així al Capítol 3 es creà un model geomètric bisegment precís de L3-L5. El nou model incloïa les corregides: dimensions i formes, alçades de disc, localitzacions del nucli, formes posteriors de l'os, i distribució dels lligaments. Després de comparar a nivell biomecànic l'antiga geometria amb la nova, els resultats mostraren que els rols relatius dels teixits modelats depenen de la geometria. En general, les distribucions de càrrega predites eren més fisiològiques en el nou model. En canvi, ambdós models, reprodueixen rangs experimentals de moviment, així doncs la seva validació hauria de tenir en compte les transferències de càrrega locals.El Capítol 4 es centra en la variabilitat dels angles creuats del col·lagen de l'anell. Es crearen quatre models bisegment amb organitzacions d'anell fibrós basats en la bibliografia comparant-se sota diverses càrregues. A més es proposà un paràmetre d'estabilització de l'anell per analogia a un tub de parets gruixudes. La biomecànica del model depenia en gran mesura de l'organització de l'anell fibrós, però el paràmetre d'estabilització era soviet contradictori amb les tensions i forces predites. Així, s'assumí que la geometria de la columna i l'organització de l'anell fibrós estaven lligades. Les xarxes d'anell de col·lagen adaptades es poden determinar numèricament, però els models d'anell haurien d'estar bastats en relacions mecanobiològiques.Al Capítol 5 es presenta un model de disc artificial acoblat amb el model de L3-L5. Models bisegment amb i sense implant van ser comparats amb càrregues controlades per força o desplaçament, incloent o no l'aproximació del pes del cos. La rigidesa de la pròtesi alterava generalment les distribucions de càrrega i les rotacions controlades per desplaçament conduint a grans efectes adjacents. Incloent el pes del cos les condicions de contorn semblaven més fisòlogiques que sense. Malgrat la rigidesa del nou disc, aquest sembla més prometedor que altres dispositius comercials.En aquesta tesi s'han creat sis models nous elements finits de la columna lumbar osteoligamentosa. Les simulacions han mostrat que l'ús fiable dels models requereix d'una descripció precisa de les càrregues locals i respostes mecàniques de teixits. Les prediccions locals van estar limitades qualitativament degudes al desconeixement de les estructures de teixit tou, equacions constitutives i condicions de contorn. En canvi, els models poden ser emprats com a laboratoris in silico per superar aquestes limitacions. Basat en la informació numèrica i experimental, s'ha proposat un procediment jeràrquic per al desenvolupament qualitativament fiable de models elements finits de la columna lumbar. / This PhD thesis investigated the use of finite element modelling to study lumbar spine biomechanics for clinical assessment. Bibliographic studies reported in the first Chapter showed clear functional relations between external forces and lumbar spine tissue structures and shapes. Clinical research revealed that independently of its origin, low back pain may be worsened by altered tissue mechanical environments. Experimental measurements alone cannot truly describe the load distributions between the different lumbar spine tissues. Thus, finite element models have been used in the past. But model reliability in predicting local tissue loadings is still not manifest and has been explored in this thesis as described in the following chapters.In Chapter 2, a L3-L5 lumbar spine bi-segment model was built. An initial model was completed to include the vertebral cortex, a full definition of the facet joints, the cartilage endplates, and an improved description of the annulus fibre-reinforced structure. Simplified load-cases used for in vitro studies were simulated to calculate stress and strain energy distributions. Predictions within the L3-L5 lumbar spine bi-segment model could be interpreted in terms of functional load distributions related to known tissue structures, but the overall L3-L5 bisegment model geometry needed further update.Thus, in Chapter 3, a geometrically accurate L3-L5 lumbar spine bi-segment model was created. The new model included corrected L3 and L5 body shapes and dimensions, corrected disc heights and nucleus placements, corrected posterior bone shapes, dimensions, and orientations, and corrected ligament distributions. The new and old geometries were biomechanically compared. Results showed that the relative roles of modelled tissues greatly depend on the geometry. Predicted load distributions were generally more physiological in the new model. However, new and old models could both reproduce experimental ranges of motion, meaning that their validation should take into account local load transfers.Chapter 4 focuses on the variability of the annulus collagen criss-cross angles. Four bi-segment models with literature-based annulus fibre organizations were created and compared under diverse loads. Moreover, an annulus stabilization parameter was proposed by analogy to a thick walled pipe. Model biomechanics greatly depended on the annulus fibre organization, but annulus stabilization parameter was often contradictory with the predicted stresses and strains. Spine geometry and annulus fibrous organization were hypothesized to be linked together. Adapted annulus collagen networks may be numerically determined, but annulus modelling should be based on mechano-biological relationships.In Chapter 5, a case-study of a novel artificial disc design coupled with the L3-L5 lumbar spine model is presented. Bi-segment models with and without implant were compared under load- or displacement-controlled rotations, with or without body-weight like load. Prosthesis stiffness generally altered the load distributions and displacement-controlled rotations led to strong adjacent level effects. Including body weight-like loads seemed to give more realistic results. Although the novel disc substitute is too stiff, it is more promising than other existing commercial devices.In this thesis, six new osteoligamentous lumbar spine bi-segment finite element models were created. Simulations showed that reliable use of lumbar spine finite element models requires precise descriptions of local tissue loading and response. Local predictions were qualitatively mainly limited by a lack of knowledge about soft tissue structural organisations, constitutive equations, and boundary conditions. However, models can be used as in silico laboratories to overcome such limitations. A hierarchical procedure for the development of qualitatively reliable lumbar spine finite element models was proposed based on available numerical and experimental inputs.