Différentes architectures macromoléculaires sensibles à la température, des copolymères linéaires greffés et des hydrogels, ont été développées et leur structure, leurs propriétés rhéologiques ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été étudiées. Dans le cas des hydrogels, le phénomène de séparation de phase des segments thermosensibles conduit, en conditions isochores, à une augmentation de la rigidité et de l'élongation à la rupture ainsi qu'à de remarquables propriétés de fatigue. Ce renforcement est de plus totalement réversible en pilotant le processus d'association/dissociation des interactions avec la température. Nous montrons que la topologie des réseaux joue un rôle important sur les performances mécaniques des hydrogels et plus spécialement sur le mode de propagation de fissure au sein de la structure. A partir d'études structurales par diffusion de neutrons complétées par des expériences sous traction, différentes nanostructures sont proposées en fonction de la topologie. Enfin, ce concept de renforcement stimulable des propriétés mécaniques des hydrogels, induit par un mécanisme de micro-séparation de phase, a été élargi à d'autres réseaux polymères combinant des propriétés thermodynamiques de LCST et UCST. / Thermo-responsive linear graft copolymers and hydrogels with different topologies have been designed and their nanostructure, their rheological properties as well as their tunable mechanical properties have been investigated. In the case of hydrogels, the self-assembly of the thermo-responsive sequences, which serve as secondary interactions, induces in isochoric conditions a strong enhancement of both stiffness and elongation at break, including also remarkable fatigue properties. Specifically, this reinforcement is totally reversible by switching on/off the associations. It is clearly shown that the topology of the network displays a crucial influence on the mechanical performance of hydrogels, especially the resistance to fracture. After a careful investigation of the structure by 2-D neutron scattering and tensile experiments, different nanostructures are proposed according to the topology. Finally, this concept of thermo-toughening of hydrogels through a controlled microphase separation has been extended to other polymeric networks combining LCST and UCST type polymers.

Ce travail a porté sur l'étude des phases métastables de l'alliage à mémoire de forme CuAlBe sous différents types de sollicitations mécaniques et thermiques par diffraction des neutrons. Il a permis de définir un protocole expérimental de caractérisation des transformations des phases métastables caractéristiques de l'effet mémoire de forme et de la superélasticité. Après élaboration par filage à chaud suivi d'une trempe à l'eau, le matériau est entièrement austénitique β1. Sa microstructure est composée de grains de taille relativement importante, de l'ordre de 400 µm. Ce procédé de fabrication génère une texture cristallographique de type fibre partielle <001>. L'étude de la superélasticité lors d'un essai de traction à température ambiante a mis en évidence le comportement pseudoélastique de l'alliage. L'étude de l'évolution des microdéformations a permis de mettre en avant la forte hétérogénéité de comportement du plan (400). Le pic de diffraction de ce plan présente également un fort élargissement dû aux fautes d'empilements qui est directement à relier à la transformation de phase de l'austénite en martensite. La martensite β'1 de structure monoclinique 18R complexe a été affinée à l'aide d'un modèle de type 6M. Ce modèle permet de rendre compte au mieux de la faible périodicité des fautes d'empilement caractéristiques de cette phase métastable à notre échelle d'analyse caractéristique d'un volume de l'ordre du centimètre cube. Après déformation plastique, la texture cristallographique du matériau a fortement évoluée. Le laminage à froid fait disparaitre la fibre partielle <001>. Aux plus forts taux de déformation plastique par laminage à chaud, la fibre <111> apparait. Cette forte déformation affecte également l'orientation des lattes de martensite. D'autre part, les températures des transformations de phases ainsi que l'hystérésis sont modifiées. Cependant, la structure cristallographique de la martensite générée par déformation plastique est identique à celle obtenue par refroidissement pour notre échelle d'observation. L'étude du retour à l'équilibre des phases métastables après recuit à haute température suivi d'une trempe sur un échantillon déformé plastiquement a montré la disparition totale de la martensite et l'apparition des phases stables α et γ2 pour des températures de recuit entre 500°C et 600°C. Au-delà de 600°C, ces deux phases disparaissent au profit de la phase β. On observe alors un fort grossissement du grain. La texture cristallographique est de nouveau caractérisée par la fibre partielle <001>. / This work deals with the study of metastable phases of CuAlBe shape memory alloy under mechanical and thermal solicitations by neutron diffraction. It enables to define an experimental protocol of characterization of metastable phase transformation.The raw material is fully austenitic at room temperature. Its microstructure is composed by huge grain size, close to 400 µm. The crystallographic texture is characterized by a <001> partial fibber.The study of the superelasticity during a tensile test at room temperature demonstrated the pseudoelastic behaviour of this material. The evolution of microdeformations showed the heterogeneous behaviour, especially for the (400) plane in axial direction. The diffraction peak of this plane family also has an important increase of the width. This increase can be linked to the transformation of the austenite into martensite.The crystallographic structure of the monoclinic martensite β'1 has been refined using the 6M model. This model enables to report the relatively low periodicity of stacking faults characterizing the martensitic transformation.After plastic deformation, the crystallographic texture evolved. The <001> partial fibber disappears. For the larger deformation rates, the <111> fibber appears.This large deformation also affects the martensite variant orientation and modifies the temperature of phase transformation.The return into equilibrium of metastable phases after annealing treatments between 500°C and 600°C followed by a quenching at room temperature on a plastically deformed sample has shown the disappearance of martensite and the growth of α and γ2 stable phases. Beyond 600°C, the grains grow largely. The crystallographic texture is characterized by the <001> partial fibber.

Dans de nombreux domaines de la physique, la mesure de la position d'un objet dans l'espace-temps est faite par échange d'impulsions lumineuses. Dans cette thèse, nous étudions les limites quantiques dans l'estimation d'un paramètre à l'aide de la lumière, et nous nous intéressons à ces limites dans une mesure de distance à l'aide de peignes de fréquences optiques. Dans un premier temps, nous étudions les limites générales d'une estimation de paramètre données par la limite de Cramér-Rao quantique. En particulier, nous présentons la limite de sensibilité dans une estimation faite à l'aide d'états Gaussiens multimodes et démontrons qu'il est possible d'atteindre la limite théorique à l'aide d'un montage expérimental simple. Dans un deuxième temps, nous appliquons cette limite au problème de positionnement dans l'espace-temps à l'aide de peignes de fréquence. Dans un environnement contrôlé tel que le vide, nous montrons que la sensibilité optimale dépasse celle d'un montage interférométrique ou de temps de vol et peut être obtenue à l'aide de techniques de mise en forme d'impulsion. Nous démontrons expérimentalement la limite quantique standard dans une mesure de distance. Dans un dernier temps, nous étudions comment ce protocole optimal est affecté lorsque la dispersion de l'environnement, par exemple dans l'air, entre en jeu. Nous montrons que la perte d'exactitude due aux fluctuations de l'environnement peut être compensée au prix d'une diminution de la précision. Nous présentons un protocole expérimental pour une mesure en temps réel d'une distance insensible aux perturbations atmosphériques. / In many fields of physics, the determination of the space-time position of an object is performed at high levels of accuracy and precision by the exchange of light pulses. In this thesis, we investigate the quantum limits in a parameter estimation scheme using light in a practical point of view, and we study how these limits apply in a range-finding scheme using optical frequency combs. In a first part, we study the quantum limits in a general parameter estimation problem by the means of the quantum Cramér-Rao bound. We focus on schemes involving multimode Gaussian states and derive the limits of sensitivity in the estimation of any parameter encoded in such states. We show that a simple experimental setup allows to optimally measure the parameter carried by the light. In a second part, we study how these limits apply in a range-finding protocol using optical frequency combs. In a well-controlled environment such as vacuum, we show that there exists an optimal scheme, requiring pulse shaping techniques, which sensitivity is better than the usual phase interferometry and time-of-flight measurements. We present experimental results that exhibits the standard quantum limit in space-time positioning. In the last part, we study the limitations introduced to this optimal scheme when the environment is weakly dispersive, like in air. We demonstrate that the loss of accuracy caused by such environmental fluctuations can be compensated at the expense of a reduced sensitivity. We propose an experimental scheme that allows to perform a real-time ranging measurement immune from atmospheric perturbations, without any knowledge of the values of the environmental parameters.

L'objectif de cette thèse concerne l'analyse automatique d'images de façades de bâtiments à partir de descriptions formelles à priori de formes géométriques. Ces informations suggérées par un utilisateur permettent de modéliser, de manière formelle, des contraintes spatiales plus ou moins dures quant à la segmentation sémantique produite par le système. Ceci permet de se défaire de deux principaux écueils inhérents aux méthodes d'analyse de façades existantes qui concernent d'une part la coûteuse fidélité de la segmentation résultante aux données visuelles de départ, d'autre part, la spécificité architecturale des règles imposées lors du processus de traitement. Nous proposons d'explorer au travers de cette thèse, différentes méthodes alternatives à celles proposées dans la littérature en exploitant un formalisme de représentation d'à priori de haut niveau d'abstraction, les propriétés engendrées par ces nouvelles méthodes ainsi que les outils de résolution mis en œuvres par celles-ci. Le système résultant est évalué tant quantitativement que qualitativement sur de multiples bases de données standards et par le biais d'études comparatives à des approches à l'état de l'art en la matière. Parmi nos contributions, nous pouvons citer la combinaison du formalisme des grammaires de graphes exprimant les variations architecturales de façades de bâtiments et les modèles graphiques probabilistes modélisant l'énergie attribuée à une configuration paramétrique donnée, dans un schéma d'optimisation par minimisation d'énergie; ainsi qu'une nouvelle approche par programmation linéaire d'analyse avec à priori de formes. Enfin, nous proposons un formalisme flexible de ces à priori devançant de par ses performances les méthodes à l'état de l'art tout en combinant les avantages de la généricité de contraintes simples manuellement imposées par un utilisateur, à celles de la précision de la segmentation finale qui se faisait jusqu'alors au prix d'un encodage préliminaire restrictif de règles grammaticales complexes propres à une famille architecturale donnée. Le système décrit permet également de traiter avec robustesse des scènes comprenant des objets occultants et pourrait encore être étendu notamment afin de traiter l'extension tri-dimensionnelle de la sémantisation d'environnements urbains sous forme de nuages de points 3D ou d'une analyse multi-image de bâtiments / The aim of this work is to propose a framework for facade segmentation with user-defined shape priors. In such a framework, the user specifies a shape prior using a rigorously defined shape prior formalism. The prior expresses a number of hard constraints and soft preference on spatial configuration of segments, constituting the final segmentation. Existing approaches to the problem are affected by a compromise between the type of constraints, the satisfaction of which can be guaranteed by the segmentation algorithm, and the capability to approximate optimal segmentations consistent with a prior. In this thesis we explore a number of approaches to facade parsing that combine prior formalism featuring high expressive power, guarantees of conformance of the resulting segmentations to the prior, and effective inference. We evaluate the proposed algorithms on a number of datasets. Since one of our focus points is the accuracy gain resulting from more effective inference algorithms, we perform a fair comparison to existing methods, using the same data term. Our contributions include a combination of graph grammars for expressing variation of facade structure with graphical models encoding the energy of models of given structures for different positions of facade elements. We also present the first linear formulation of facade parsing with shape priors. Finally, we propose a shape prior formalism that enables formulating the problem of optimal segmentation as the inference in a Markov random field over the standard four-connected grid of pixels. The last method advances the state of the art by combining the flexibility of a user-defined grammar with segmentation accuracy that was reserved for frameworks with pre-defined priors before. It also enables handling occlusions by simultaneously recovering the structure of the occluded facade and segmenting the occluding objects. We believe that it can be extended in many directions, including semantizing three-dimensional point clouds and parsing images of general urban scenes

Les débats scientifico-éthiques relevant du bien-être animal en font une question socialement vive. Nous interrogeons son enseignement en formation agricole, envisagé au travers d'une éducation à l'empathie interspécifique. Nous questionnons les facteurs des éducations formelle, non-formelle et informelle susceptibles de le défavoriser. Notre recherche se fonde sur les discours de 7 élèves en formation relevant de l'élevage d'animaux de production ou d'animaux de compagnie, de 5 enseignants et de 108 auteurs de manuels scolaires du XIXe et XXe siècle. En début de formation, 6 élèves souhaitent créer une relation affective avec l'animal mais ne développent pas nécessairement une attitude empathique durant la formation. Les facteurs incriminés sont (1) le manque de confiance en soi de l'élève et les jugements qu'il subit de ses pairs, de l'enseignant ou de ses parents, (2) la conformation aux savoirs, pratiques et idéologies des parents, des professionnels ou de l'enseignant, (3) une conception et une motivation anthropocentrée et réifiante vis-à-vis de l'animal, (4) la dissociation de la dimension relationnelle et productive de l'élevage. Ils génèrent des mécanismes de défense préjudiciables à une pensée critique. Nous préconisons un enseignement professionnel fondé sur une réflexivité critique scientifico-éthique. Pourtant l'expression des émotions et des valeurs est évitée par les enseignants. Si les auteurs des manuels scolaires de 1830 à 1900 prennent en compte la question éthique du bien-être de l'animal avec une posture moraliste zoo- ou anthropocentrée, celle des auteurs contemporains est plutôt neutre, parfois engagée, voire contradictoire. / The scientific and ethical debates within the animal welfare make a socially acute question. We examine its trainability in agricultural training. We consider it through education interspecies empathy. We question the factors of formal, non-formal and informal education likely to disadvantage. Our research is based on the discourses of 7 students in training in animal production or pets breeding, 5 teachers and 108 textbook writers of the nineteenth and twentieth century. Beginning of training, 6 students want to create an emotional relationship with the animal, but does not necessarily develop an empathetic attitude during training. The incriminated factors are (1) lack of confidence of the student and the judgments he undergoes from his peers, teacher or parent, (2) conformation to knowledge, practices and ideologies of parents, professional or teacher, (3) a conception and motivation vis-à-vis the animal anthropocentric and reifying (4) the dissociation of the relational dimension and productive livestock. They generate defense mechanisms detrimental to critical thinking. We promote professional education based on scientific and ethical critical reflexivity. Yet the expression of emotions and values ​​is avoided by teachers. Authors of textbooks from 1830 to 1870 are taking into account the ethical question of the welfare of the animal with a moralistic posture zoo or anthropocentric. Contemporary authors are neutral, engaged and sometimes contradictory.

Les couches minces épitaxiales de Ni-Mn-Ga ont attiré une attention considérable, car ils sont des candidats prometteurs pour les capteurs et actionneurs magnétiques dans des microsystèmes électromécaniques. Des informations complètes sur les caractéristiques de la microstructure et de la cristallographie des films NiMnGa et leur relation avec les contraintes du substrat sont essentielles à l'optimisation des propriétés. Dans le présent travail, les couches minces épitaxiale de Ni-Mn-Ga ont été produites par pulvérisation cathodique magnétron à courant continu et ensuite caractérisées par la technique de diffraction des rayons X (XRD) et la diffraction d'électrons rétrodiffusés dans un microscope électronique à balayage équipé d’analyse EBSD (MEB-EBSD). Des couches minces épitaxiales avec NiMnGa de composition nominale Ni50Mn30Ga20 et d'épaisseur 1,5 µm ont été fabriquées avec succès sur le substrat monocristallin de MgO par pulvérisation cathodique magnétron DC, après l'optimisation des paramètres tels que la puissance de pulvérisation cathodique, la température du substrat et de la couche d'ensemencement dans le cadre du présent travail. Les mesures de diffraction DRX montrent que les couches minces épitaxiales NiMnGa sont composées de trois phases: austénite, martensite NM et martensite modulée 7M. Avec les géométries de mesure optimisées, le nombre maximum possible de pics de diffraction des phases relatives, en particulier compte tenu de la basse symétrie de la martensite 7M, sont acquis et analysés. Les constantes de réseau de l'ensemble des trois phases dans le cadre des contraintes du substrat dans les films sont entièrement déterminées. L’analyse SEM-EBSD en profondeur du film a permis en outre de vérifier la situation de coexistence de trois phases constitutives: austénite, 7M martensite et martensite NM. La martensite NM se trouve près de la surface libre du film, l'austénite au-dessus de la surface du substrat, et la martensite 7M dans les couches intermédiaires entre l'austénite et la martensite NM. La caractérisation de microstructure montre que la martensite 7M et la martensite NM ont une morphologie de plaque et sont organisées en deux zones caractéristiques décrites avec des bas et haut contraste en images d’électrons secondaires. Des plaques de martensite locales similaire en orientation morphologique sont organisées en groupes de plaques ou colonies ou variantes de colonies. Une caractérisation plus poussée en EBSD indique qu'il existe quatre plaques de martensite distinctes dans chaque colonie de variante à la fois pour la martensite NM et 7M. Chaque plaque de martensite NM est composée de variantes lamellaires majeures et mineures en termes d’épaisseurs appariées et ayant une interface interlamellaire cohérente, alors que chaque plaque de martensite 7M contient une variante d'orientation. Ainsi, il existe quatre variantes d'orientation de martensite 7M et huit variantes d’orientation de martensite NM dans une colonie de variantes. Selon l'orientation cristallographique des martensites et des calculs cristallographiques, pour la martensite NM, les interfaces inter-plaques sont constituées de macles de type composées dans des plaques adjacentes de martensite NM. La distribution symétrique des macles composées résulte dans des interfaces de plaques longues et droites dans la zone de contraste relatif faible. La répartition asymétrique conduit à la modification de l’orientation d'interface entre les plaques de la zone de contraste relativement élevé. Pour la martensite 7M, à la fois les interfaces de type I et de type II sont à peu près perpendiculaires à la surface du substrat dans les zones à faible contraste relatif. Les paires de macles de type-I apparaissent avec une fréquence beaucoup plus élevée, par comparaison avec celle des macles de type II. Cependant, il y a deux traces d’interface de macles de type II et une trace d’interface de macles de type I dans les zones de contraste relatifs élevés. [...] / Epitaxial Ni-Mn-Ga thin films have attracted considerable attention, since they are promising candidates for magnetic sensors and actuators in micro-electro-mechanical systems. Comprehensive information on the microstructural and crystallographic features of the NiMnGa films and their relationship with the constraints of the substrate is essential for further property optimization. In the present work, epitaxial Ni-Mn-Ga thin films were produced by DC magnetron sputtering and then characterized by x-ray diffraction technique (XRD) and backscatter electron diffraction equipped in scanning electron microscope (SEM-EBSD). Epitaxial NiMnGa thin films with nominal composition of Ni50Mn30Ga20 and thickness of 1.5 µm were successfully fabricated on MgO monocrystalline substrate by DC magnetron sputtering, after the optimization of sputtering parameters such as sputtering power, substrate temperature and seed layer by the present work. XRD diffraction measurements demonstrate that the epitaxial NiMnGa thin films are composed of three phases: austenite, NM martensite and 7M martensite. With the optimized measurement geometries, maximum number of diffraction peaks of the concerning phases, especially of the low symmetrical 7M martensite, are acquired and analyzed. The lattice constants of all the three phases under the constraints of the substrate in the films are fully determined. These serve as prerequisites for the subsequent EBSD crystallographic orientation characterizations. SEM-EBSD in film depth analyses further verified the co-existence situation of the three constituent phases: austenite, 7M martensite and NM martensite. NM martensite is located near the free surface of the film, austenite above the substrate surface, and 7M martensite in the intermediate layers between austenite and NM martensite. Microstructure characterization shows that both the 7M martensite and NM martensite are of plate morphology and organized into two characteristic zones featured with low and high relative second electron image contrast. Local martensite plates with similar plate morphology orientation are organized into plate groups or groups or variant colonies. Further EBSD characterization indicates that there are four distinct martensite plates in each variant groups for both NM and 7M martensite. Each NM martensite plate is composed of paired major and minor lamellar variants in terms of their thicknesses having a coherent interlamellar interface, whereas, each 7M martensite plate contains one orientation variant. Thus, there are four orientation 7M martensite variants and eight orientation NM martensite variants in one variant group. According to the crystallographic orientation of martensites and the crystallographic calculation, for NM martensite, the inter-plate interfaces are composed of compound twins in adjacent NM plates. The symmetrically distribution of compound twins results in the long and straight plate interfaces in the low relative contrast zone. The asymmetrically distribution leads to the change of inter-plate interface orientation in the high relative contrast zone. For 7M martensite, both Type-I and Type-II twin interfaces are nearly perpendicular to the substrate surface in the low relative contrast zones. The Type-I twin pairs appear with much higher frequency, as compared with that of the Type-II twin pairs. However, there are two Type-II twin interface trace orientations and one Type-I twin interface trace orientation in the high relative contrast zones. The Type-II twin pairs are more frequent than the Type-I twin pairs. The inconsistent occurrences of the different types of twins in different zones are originated from the substrate constrain. The crystallographic calculation also indicates that the martensitic transformation sequence is from Austenite to 7M martensite and then transform into NM martensite (A→7M→NM). [...]

La communauté des métamatériaux est entrée en effervescence depuis la publication de deux articles de Science en 2006 par Pendry et Leonhardt dans lesquels il est proposé de réaliser des systèmes exotiques tels que les capes d’invisibilité par transformation d’espace. En effet, l’invariance de forme des équations de Maxwell permet une équivalence entre géométrie déformée et présence d’un matériau aux propriétés particulières. Depuis, de nombreux exemples expérimentaux ont montré la faisabilité de tels systèmes transformés. L’invariance de forme se retrouve également dans d’autres phénomènes physiques et les transformations d’espace ont par ailleurs été appliquées à plusieurs disciplines telles que l’acoustique, l’élasto-dynamique ou la propagation d’ondes de surface. Nous présentons ici les transformations d’espace appliquées à l’équation de la chaleur. Au cours de notre étude, nous nous intéressons aux transformations menant aux capes d’invisibilité thermiques et aux concentrateurs thermiques. Ces systèmes sont constitués de matériaux anisotropes et hétérogènes ce qui les rend difficile à réaliser. Nous utilisons donc la théorie de l’homogénéisation à deux échelles qui permet d’approcher le comportement de ces systèmes par une alternance de couches de matériaux isotropes. Nous suivons une démarche systématique d’évaluation quantitative des performances de nos systèmes approchés dans une optique d’une ingénierie à haut niveau de métamatériaux thermiques. Un modèle de tapis thermique à 50 couches est proposé dont les résultats expérimentaux sont attendus. / The metamaterials community has been heavily excited since the publication of two articles by Pendry and Leonhardt in 2006 in which exotic devices such as invisibility cloaks are proposed to be implemented by space transformation. Indeed, the form invariance of the Maxwell equations allow for an equivalence between a deformed geometry and a material with specific properties. Since then, several experimental studies have shown the feasibility of such transformed devices. The form invariance is also found in other physical domains such and the space transformations were applied to mulitphyscial phenomena such acoustic wave propagation, elasto-dynamic wave and surface wave propagation. We present in this work the space transformation applied to the heat equation. Throughout our study, we focus on the transformations leading to thermal invisibility cloaks and thermal concentrators. Those transformed devices are made of anisotropic heterogeneous materials which make them difficult to practically design. Therefore, we make use of the two-scale homogenization theory allowing to approach the behavior of those devices with an alternate set of isotropic materials. We systematically try to evaluate quantitatively the performance of our approximate devices by defining an effectiveness criterion to achieve high level of mthermal metamaterials engineering. We present a the end a model of a 50-layer carpet cloak whose first results are to be expected.

La gestion et le contrôle des variations géométriques des produits pendant les processus de développement représentent une préoccupation importante pour la réduction des coûts, l’amélioration de la qualité et la compétitivité des entreprises dans un contexte de mondialisation. Pendant la phase de conception, les exigences fonctionnelles et les tolérances géométriques sont issues de l'intention de conception. La modélisation des formes et le dimensionnement des produits sont aujourd'hui largement supportés par des outils de modélisation géométrique. Toutefois, les variations géométriques ne peuvent pas être évaluées en utilisant intuitivement les outils de modélisation existants. En outre, les étapes de fabrication et de mesure sont les deux principaux générateurs de variations géométriques desquels découlent les deux axiomes bien connus de l'imprécision de la fabrication et de l'incertitude de la mesure. Une vision globale des spécifications géométriques des produits (GPS) devrait considérer non seulement le processus complet de tolérancement, la modélisation des tolérances, et la représentation des tolérances mais aussi les représentations des formes géométriques et les techniques de traitement appropriées ainsi que les algorithmes associés. GeoSpelling, solution considérée comme fondement des normes ISO GPS, offre un langage non ambigu et un cadre complet pour la modélisation et la description des variations géométriques sur le cycle de vie des produits. GeoSpelling s’appuie sur un ensemble de concepts forts dont celui du "Skin Model". Cependant, l’«opérationnalisation» de GeoSpelling n'a pas été réalisée et peu de recherches ont porté sur la génération du Skin Model. Le Skin Model, vu comme un modèle de forme discrète est l'objectif principal de cette thèse. Dans ce travail, les fondamentaux de la géométrie discrète sont appliqués à GeoSpelling, les techniques de simulation de Monte Carlo et les méthodes statistiques d'analyse de formes sont développées pour simuler et analyser les "formes réalistes" prenant en compte, les contraintes géométriques dérivées de spécifications fonctionnelles et de considérations de fabrication. En plus de cartographier les concepts fondamentaux et les opérations de GeoSpelling avec la géométrie discrète, ce travail propose un modèle de forme discrète intégrant les erreurs aléatoires et systématiques approchées du second ordre. Le concept d'un Skin Model moyen et ses statistiques robustes sont également développés. Une étude de cas plus complète, basée sur un embouti de tôle en forme de croix pour lequel le processus de fabrication est simulé avec des variations stochastiques, permet d’illustrer les résultats des simulations du skin model. Les performances de la méthode sont ensuite évaluées. / The management and the control of product geometrical variations during the whole development process is an important issue for cost reduction, quality improvement and company competitiveness in the global manufacturing era. During the design phase, geometric functional requirements and tolerances are derived from the design intent. Geometric modeling tools, now largely support the modeling of product shapes and dimensions. However, permissible geometrical variations cannot be intuitively assessed using existing modeling tools. In addition, the manufacturing and measurement stages are two main geometrical variations generators according to the two well know axioms of manufacturing imprecision and measurement uncertainty. A comprehensive view of Geometrical Product Specifications should consider not only the complete tolerancing process, tolerance modeling and tolerance representation but also shape geometric representations, and suitable processing techniques and algorithms. GeoSpelling as the basis of the GPS standard enables a comprehensive modeling framework and an unambiguous language to describe geometrical variations covering the overall product life cycle thanks to a set of concepts and operations based on the fundamental concept of the “Skin Model”. However, the “operationalization” of GeoSpelling has not been successfully completed and few research studies have focused on the skin model simulation. The skin model as a discrete shape model is the main focus of this dissertation. We investigate here discrete geometry fundamentals of GeoSpelling, Monte Carlo Simulation Techniques and Statistical Shape Analysis methods to simulate and analyze “realistic shapes” when considering geometrical constraints requirements (derived from functional specifications and manufacturing considerations). In addition to mapping fundamental concepts and operations to discrete geometry one’s, the work presented here investigates a discrete shape model for both random and systematic errors when taking into account second order approximation of shapes. The concept of a mean skin model and its robust statistics are also developed. The results of the skin model simulations and visualizations are reported. By means of a case study based on a cross-shaped sheet metal part where the manufacturing process is simulated using Finite Element Analysis considering stochastic variations, the results of the skin model simulations are shown, and the performances of the method are described.

Cette thèse étudie expérimentalement la possibilité de récupérer l'énergie thermique en utilisant un alliage à mémoire de forme (AMF) couplé à un matériau pyro-/piézoélectrique. Cette méthode est prometteuse pour récupérer les variations lentes et petites de température. Les premiers prototypes de récupérateurs d'énergie ont été fabriqués et ont démontré pouvoir produire une énergie spécifique intéressante. Les technologies de dépôt de couches d'AMF Ti-Ni-Cu micro-structurées ont été développées. Ce travail servira de base pour la future fabrication de micro-récupérateurs d'énergie thermique exploitant des AMFs. / This thesis experimentally studies the possibility of thermal energy harvesting using coupled shape memory alloy (SMA)and pyro-/piezoelectric material. This method is promising for harvesting slow & small temperature variations. First prototypes of energy harvesters were fabricated and their ability to produce a considerable amount of specific energy was shown. Technologies of Ti-Ni-Cu SMA thin layer deposition & patterning were developed. This work will serve as a base for future fabrication of chip-scale thermal energy harvesters exploiting SMAs.

La nature fournit une source d'inspiration intarissable pour les ingénieurs, soit en exhibant de nouvelles solutions à des problèmes d'ingénierie existants ou en les mettant au défi de développer des systèmes possédant de nouvelles fonctionnalités. Les progrès récents dans la caractérisation et la modélisation des systèmes naturels révèlent de nouveaux principes de conception, qui peuvent être de plus en plus imité par les ingénieurs grâce aux progrès dans la production et la modélisation de matériaux synthétiques. Dans cette thèse, nous sommes inspirés par des actuateurs biologiques (par exemple la pomme de pin) qui changent de forme en présence d'un stimulus externe variable en raison de leur architecture matérielle. Notre objectif est d'explorer l'espace de conception du morphing d'objets solides contrôlées par une distribution imposée des déformations inélastiques (eigenstrain). Nous nous concentrons sur des objets allongés ou minces pour lesquels une dimension est soit prédominante ou négligeable devant les deux autres (tiges et feuilles) et nous nous limitons au cadre de l'élasticité linéaire. Les motifs de changement de forme correspondent généralement à de grandes transformations, ce qui requiert de considérer une dépendance non-linéaire entre les déformations et les déplacements. L'utilisation de méthodes numériques permet de prédire ces motifs de morphing. Nous avons examiné la relaxation de ressorts, la minimisation d'énergie et les éléments finis. Ces motifs ont également été illustrés à l'aide des méthodes expérimentales telles que la pré-déformation, la dilatation thermique et le gonflement. Dans le contexte des tiges, deux morphers fondamentaux sont étudiés qui démontre la flexion et la torsion: flexeurs et torseurs. L'architecture d'eigenstrain standard du bilame à symétrie miroir peut être lissée afin de réduire la contrainte interfaciale d'un flexeur et modifiée afin de produire des flexeurs à gradient longitudinal ou hélicoïdaux. En assemblant des flexeurs en forme de nid d'abeille, la déflection relativement petite est amplifiée géométriquement et produit de relativement grands déplacements. Des simulations aux éléments finis démontre que l'architecture d'eigenstrain à symétrie de révolution proposée pour les torseurs induit une instabilité extension-torsion, laquelle est analysée en utilisant une approche énergétique. De même que pour les flexeurs, la torsion peut être variée longitudinalement en introduisant un gradient de propriétés le long du torseur. En combinant flexeurs et torseurs, une configuration arbitraire d'une tige peut être obtenue. Dans le contexte de feuilles, nous nous concentrons sur le morphing contrôlé par la diffusion, où l'eigenstrain est appliquée progressivement au lieu de instantanément, motivé par des résultats expérimentaux sur de bi-couches en polymères qui gonflent différemment en fonction de la température. Cela démontre l'enroulement selon le long côté de formes rectangulaires (au lieu de roulement côté court des flexeurs) et révèle un processus de morphing complexe en plusieurs étapes dans le cas de formes étoilés, où les bords rides et s'enroulent et l'étoile initialement plate prend un configuration trois-dimensionnelle (par exemple pyramidale). Grâce aux progrès récents dans la conception de nouveaux matériaux, les morphers présentés dans cette thèse peuvent être utilisés dans une pluralité de domaines, y compris la conception de structures macroscopiques en Architecture. / Nature provides an unlimited source of inspiration for engineers, either by exhibiting new solutions to existing problems or by challenging them to develop systems displaying new functionalities. Recent advances in the characterization and modeling of natural systems reveal new design principles, which can be increasingly mimicked by engineers thanks to the progress in the production and modeling of man-made materials. In this thesis, we are inspired by biological actuators (for example the pine cone) which change their shape under an external fluctuating stimulus as a result of their material architecture. Our goal is to explore the design space of the morphing of solid objects controlled by an imposed distribution of inelastic strain (eigenstrain). We focus on elongated and thin objects where one dimension is either much bigger or much smaller than the other two (rods and sheets) and restrict ourselves to the framework of linear elasticity. Patterns of shape change are usually induced by large transformations, which requires considering a nonlinear dependency between strain and displacements. This requires the use of numerical methods in order to predict the morphing patterns. We looked at relaxation of springs, energy minimization and finite-elements. These patterns were also illustrated using experimental methods such as pre-straining, thermal expansion and swelling. In the context of rod-like objects, two fundamental morphers are studied displaying bending and twisting respectively: benders and twisters. The standard mirror-symmetric bilayer eigenstrain architecture of benders can be smoothened in order to lower interfacial stress and modified in order to produce longitudinally graded or helical benders. By stacking benders in a honey-comb like manner, the relatively small mid-deflection of benders is geometrically amplified and produces relatively large displacements. According to finite-element simulations, the proposed rotationally-symmetric eigenstrain architecture of twisters displays a stretching-twisting instability, which is analyzed using energetical arguments. Similarly to benders, twisting can be varied along the longitudinal direction by grading the material properties along the twister. By combining benders and twisters, an arbitrary configuration of a rod can be obtained. In the context of sheets, we focus on diffusion-driven morphing, where the eigenstrain is applied progressively instead of instantaneously as motivated by experiments on thermo-responsive polymer bilayers. This leads to long-side rolling of rectangular shapes (instead of the standard short-side rolling of benders) and reveals a complex multi-step morphing process in the case of star shapes, where the edges wrinkle and bend and the initially flat star eventually folds into a three-dimensional structure (for example a pyramid). With the progress in designing new materials, the morphers presented in this thesis could be used in different fields, including the design of macroscopic structures for Architecture.