Les effets de la foudre sur les lignes d'assemblage des avions peuvent s'avérer catastrophiques. L'un des phénomènes redoutés est l'étincelage au niveau d'une fixation bien souvent associé à un défaut sur les résistances de contact. Au vu des contraintes normatives, du manque de connaissance de cette problématique multi-physiques et de l'incapacité structurelle à avoir une approche uniquement expérimentale, les avionneurs se sont notamment tournés vers la modélisation. Dans ce manuscrit, on s'intéresse particulièrement à la modélisation des lignes d'assemblage pour le dimensionnement de la contrainte locale sur celles-ci. La méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD), couramment utilisée pour la problématique foudre en aéronautique, nous sert de méthode de résolution. De multiples modèles de fixations allant de modèles simplifiés, représentant par exemple la fixation par un fil résistif, à des modèles plus complexes, représentant l'ensemble des résistances de contact, sont développés et validés. Par ailleurs, pour répondre aux incertitudes associées aux résistances de contact des fixations, des modèles statistiques sont appliqués aux paramètres résistifs des modèles de fixation. Ces mêmes modèles statistiques découlent de l'étude d'une base de données issue d’une campagne de mesures menée par Dassault Aviation sur un ensemble d’éprouvettes tests. A l'aide de ces modèles, la contrainte sur les fixations d'un caisson représentant un réservoir de carburant d'un avion est étudiée de manière stochastique. / The lightning effects on the fastening assemblies of an airplane may be critical. One of the most critical phenomenon is the sparking effect around the fasteners. This effect is usually associated to the contact resistances. Due to the standards, the lack of knowledge about this multiphysics issue and the inability to follow only an experimental approach, the aircraft manufacturers have chosen a modelling way. In this manuscript, we model the fastening assemblies in order to understand the local constraint on these assemblies. The finite difference time domain (FDTD) method mostly used for the lightning issue in the aircraft industry is chosen as the solving method. Several fastener models are developed and validated. We present simplified models, as the resistive wire model for instance, up to complex one with all the contact resistance of the fastener. Furthermore, due to the large uncertainties from one fastener to the other one in the same family, the fastener models are supplemented with statistical models. Thanks to a data base measurement created from several measurement campaigns made by Dassault Aviation, distribution laws are established to characterize the lightning injection effects or the state after lightning injection on the fasteners. Using this statistical models, a stochastic study is presented in order to evaluate the uncertainties in a fuel tank modelling.

Ce travail porte sur la modélisation de la décharge négative dans les grands intervalles d'air soumis à des ondes de tension de type bi-exponentielles (foudre ou manœuvre) ou constantes. Ainsi, un modèle dynamique et autonome permettant de prédire l'ensemble des paramètres macroscopiques de la décharge négative et tenant compte des différentes phases de propagation (initiation de la première couronne, système pilote, formation des leaders d'électrode et spatiaux, jonctions et ré-illuminations, saut final) jusqu'à l'arc en retour, est présenté. Ce modèle est basé sur des schémas électriques équivalents dont les paramètres varient avec le temps en fonction des caractéristiques du canal et de la géométrie de la décharge, les lois de l'électromagnétisme et la théorie des gaz. Les propagations des leaders et des streamers sont basées sur des critères de champs électriques tenant compte de l'aspect aléatoire du trajet de la décharge.<br />Le modèle permet de déterminer les caractéristiques spatio-temporelles de la décharge telles que le courant du leader (canal principal), la charge correspondante, des trajectoires plausibles, sa vitesse instantanée, le gradient de potentiel et le rayon thermique du leader négatif d'électrode, la puissance et l'énergie injectées dans l'intervalle, l'instant et la tension d'amorçage ainsi que l'évolution de l'arc en retour. Il permet également, pour une configuration d'électrodes donnée, de déterminer la tension de claquage U50, constituant ainsi un outil appréciable pour le dimensionnement des structures isolantes. Les résultats issus de ce modèle sont en bon accord avec ceux obtenus expérimentalement.<br />Un modèle de foudre négatif a été également établi en se basant sur la grande similarité observée entre les grandes étincelles de laboratoire et les décharges atmosphériques. Les caractéristiques obtenues à partir de ce modèle ont été trouvées conformes aux mesures effectuées lors des décharges naturelles. L'environnement électromagnétique associé au précurseur de foudre a été ensuite caractérisé et les champs électriques et magnétiques obtenues sont aussi en bon accord avec celles relevées expérimentalement.

Lorsqu'elles se propagent dans l'air les impulsions laser ultrabrèves (fs) et de forte puissance forment des filaments ionisés sur de longues distances, où est produit un continuum de lumière blanche qui s'étend de l'ultraviolet (230 nm) à l'infrarouge (4,5 µm). Ce processus fortement non-linéaire résulte d'un équilibre dynamique entre deux effets dus au profil spatial du faisceau : la focalisation par effet Kerr, et la défocalisation par le plasma issu de l'ionisation multiphotonique de l'air. Mon travail de ces dernières années, présenté ici, est consacré à l'étude de cette propagation non-linéaire, et à ses applications pour la physique de l'atmosphère.<br />Une première catégorie d'applications, comme le Lidar à lumière blanche, repose sur l'exploitation du continuum de lumière blanche, par exemple pour réaliser une télédétection multi-composants dans l'air. Une seconde famille repose sur la capacité des filaments de délivrer à grande distance des intensités suffisantes pour induire in situ des effets non-linéaires à distance. Nous avons utilisé cette propriété pour identifier à distance des simulants d'aérosols biologiques ou des cibles solides. Enfin, l'ionisation de l'air dans le filament nous a permis de contrôler des décharges électriques de haute tension, ouvrant la voie vers un paratonnerre laser.

Ce travail présente un modèle de décharge autonome permettant de prédire le comportement d'un intervalle d'air soumis à une tension donnée (bi exponentielle pure ou oscillante). Ce modèle est basé sur un schéma électrique équivalent, ses paramètres variant avec le temps en fonction des caractéristiques du canal et de la géométrie de la décharge. La propagation du leader est basée sur un critère lié au calcul du champ à sa tête et où le caractère aléatoire du trajet de la décharge est pris en compte. Le modèle permet de déterminer l'évolution des courants (leader et arc en retour), la charge correspondante, le gradient de potentiel dans le canal, une trajectoire plausible de la décharge, sa vitesse instantanée, l'évolution temporelle de son canal thermique, la puissance et l'énergie injectée dans l'intervalle, l'instant et la tension d'amorçage. Aussi, pour une configuration donnée, ce modèle constitue un outil pour la détermination de la tension Us, (tension à 50 % d'amorçage). Ji permet également de simuler le convertisseur d'image en mode balayage ou image par image. Les résultats issus du modèle élaboré sont en bon accord avec ceux obtenus expérimentalement. Sur la base de la grande similarité, grande étincelle - décharge atmosphérique, un modèle de foudre positif a été élaboré. Les caractéristiques obtenues à partir du modèle sont aussi conformes à ces mesures effectuées lors des décharges naturelles. L'environnement électromagnétique associé au précurseur de foudre a été ensuite caractérisé. Les caractéristiques obtenues à partir du modèle sont aussi conformes aux mesures effectuées lors des décharges naturelles.

Thèse(D.Eng.)-- Université du Québec à Chicoutimi, 2002. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Thèse (D.Ing.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2005. / Bibliogr.: f. 133-137. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Dans un contexte industriel où l’utilisation de matériaux composites s’est généralisée jusqu’à atteindre les structures primaires, la menace foudre se révèle être une problématique majeure.Avec un coup de foudre en moyenne par an et par avion en service, les nouvelles structures composites, moins bonnes conductrices que leurs prédécesseurs en métal, doivent être protégées. Les protections mises en œuvre par les fabricants et les équipementiers sont des couches minces ajoutées à l’empilement composite, initialement choisi pour le compromis optimal qu’il offre entre résistance et légèreté. L’optimisation et le conseil concernant les protections foudre deviennent alors un enjeu industriel d’importance. Dans ce cadre, le travail de thèse a porté sur l’étude et la compréhension des dommages issus des chocs foudre sur des structures protégées dans le but ultérieur d’optimiser ou de créer des protections adaptées.Nous proposons une méthode qui permet de déterminer les caractéristiques d’un impact mécanique sur une plaque composite nue, équivalent à un choc foudre sur une structure protégée. Une campagne d’essais d’impacts avec un canon du laboratoire couplé à une campagne numérique ont permis de conclure que la stratégie et la méthode d’équivalence sont fondées, et permettent de prendre en compte les paramètres constitutifs de la protection de surface. Les modèles proposés permettront d’aborder les questions de conception des protections. / In an industrial context where more and more composite materials are integrated into primary structures, the lightning threat has become a major issue for aircraft manufacturers. As lightning strikes in service airplane about once a year, the new composite structures, with a lower electrical conductivity than their metallic predecessors, must be protected. The protections already integrated by manufacturers are mainly made of expanded metallic foil layered above the composite lay-up, thus adding weight on the low density structures and reducing the gain of weight. The optimization of such structures and counsel concerning lightning protection become a major industrial stake. In the scope of the PhD work, the proposed work focused on the study of the damage mechanisms due to lightning strikes on protected composite panels in order to optimize or offer adequate protections against this threat. A methodology is proposed to determine a mechanical impact on a bare composite plate equivalent to a protected and even painted structure submitted to a lightning impact. An experimental campaign of mechanical impacts using a canon gas gun coupled to a numerical plan is led and allows concluding on the strategy and its validity by taking into account the state surface of the lightning samples.

Cette thèse est consacrée à l’étude de la décharge positive dans les grands intervalles d’air. L’objectif initial est de se doter d’un modèle capable de déterminer la tension U50 ainsi que le facteur d’intervalle k, deux facteurs importants entrant dans le dimensionnement des ouvrages hautes tensions, dans des géométries complexes. Pour ce faire un bilan des modèles de la décharge disponibles dans la littérature a été fait. Notre choix s’est porté sur le modèle de type circuit développé par le groupe du professeur Beroual et appliqué aussi bien à la décharge positive qu’à la décharge négative. Ce modèle est basé sur un schéma électrique équivalent, ses paramètres variant avec le temps en fonction des caractéristiques du canal et de la géométrie de la décharge. La propagation du leader est basée sur un critère lié au calcul du champ à sa tête et où le caractère aléatoire du trajet de la décharge est pris en compte. Comme la plupart des modèles présents dans la littérature, ce modèle ne s’intéresse qu’à l’intervalle de type pointe-plan. Une partie de ce travail a consisté à étendre le domaine d’applicabilité de ce modèle aux intervalles de géométrie complexes. Une étude détaillée de la géométrie pointe-pointe nous a permis de valider notre modèle dans sa capacité à simuler un exemple d’intervalle complexe. De plus, des essais expérimentaux nous ont permis de comparer la valeur de la U50 déterminée à l’aide de notre modèle et celle issue des expériences pour cette géométrie pointe-pointe. Les résultats obtenus sont en bon accord avec une marge d’erreur inférieure à 5%. Au vu du bon accord résultant de la confrontation modèle - expérience de laboratoire et de la grande similarité, grande étincelle - décharge atmosphérique, un modèle de foudre positif a été élaboré. Ce modèle nous a permis d’utiliser pour la première fois le modèle circuit pour modéliser le processus d’attachement de la foudre. Les résultats obtenues permettent de valider la faisabilité de trouver, aux méthodes standards de protection contre la foudre, une alternative numérique basé sur une simulation de la foudre. Une estimation du champ rayonné par le canal du leader a été effectuée. Ce qui ouvre une voie à l’étude de l’interaction de ces champs rayonnés avec les systèmes d’ingénierie. / This thesis is devoted to the study of the positive discharge in large air gaps. The initial goal is to develop a model able to determine the voltage U50 and the k-factor, two important factors involved in the design of high voltage structures in complex geometries. To do this, a review of the discharge models available in the literature was done. We chose the circuit model developed by Professor Beroual’s group and applied to the positive discharge and also to the negative discharge. This model is based on an equivalent circuit diagram, his parameters varying with time according to the leader channel characteristics and the geometry of the discharge. The spread of the leader is based on a criterion related to the calculation of the field at its head and where the randomness of the discharge path is taken into account. As most of models found in the literature, this model applies only to the point-plane type interval. Part of this work was to extend the domain of applicability of this model to complex geometries. A detailed study of the rod-rod gap allowed us to validate our model in its ability to simulate an example of complex geometry. Moreover, experimental tests allowed us to compare the value of the U50 voltage determined using our model and the one from experiments for to this rod-rod geometry. The results are in good agreement with a margin of error of less than 5%. Given the good agreement resulting from the confrontation model - laboratory experience and the great similarity, large spark - atmospheric discharge, a positive lightning model was developed. This model allowed us to use for the first time the circuit model to model the lightning attachment process. The results obtained allow to validate the feasibility to find, to the standard methods of protection against lightning, digital alternative based on a simulation of lightning. An estimate of the field radiated by the leader channel was performed. This opens a way for the study of the interaction of these fields radiated with engineering systems.

Ce mémoire porte sur l'étude et l’optimisation du fonctionnement des extensomètres à corde vibrante pour la surveillance des constructions stratégiques. Ce travail se décompose en trois étapes.Premièrement, le fonctionnement du capteur en mode amorti et en mode entretenu est décrit. Un dispositif électronique de lecture à base de microcontrôleur est réalisé pour valider les développements. Deuxième, le comportement du capteur est étudié en établissant des modèles représentant les couplages magnéto-mécaniques entre la corde vibrante, la bobine d'excitation et la bobine de mesure. Les influences du mode d'excitation et des paramètres parasites sur la réponse du capteur sont analysées. Enfin, l'effet de la foudre est simulé en utilisant un simulateur de décharge électrostatique. La réponse du capteur est mesurée avant, pendant et après la décharge. Les résultats de ce travail peuvent se résumer en quatre points essentiels. Premièrement, le mode entretenu est préférable au mode amorti. Deuxièmement, la position d'excitation optimale est au centre de la corde. De plus, une excitation continue ou une excitation pulsée d'un grand nombre de cycles est préférable à une excitation pulsée d'un petit nombre de cycles. Troisièmement, la fréquence de résonance mesurée en mode entretenu diffère de celle mesurée en mode amorti à cause de deux paramètres : la force magnétique moyenne et le couplage mutuel entre les bobines. Quatrièmement, sous l'action des décharges, le champ magnétique résiduel est modifié, conduisant ainsi à une modification de la fréquence de résonance mesurée par le capteur. / This thesis focuses on the study and the optimization of the operation of vibrating wire sensors for strategic construction monitoring. This work is divided into three stages.Firstly, the sensor operation in damped mode and in sustained mode is described. To validate the developments, an electronic microcontroller-based reading device is realized. Secondly, the sensor behavior is investigated by establishing models representing the magneto-mechanical coupling between the vibrating wire, the excitation coil and the measurement coil. The influences of excitation mode and spurious parameters on the sensor response are analyzed. Finally, the effect of lightning is simulated using electrostatic discharge simulator. The sensor response is measured before, during and after discharge.The results of this work can be summarized in four main points. Firstly, the sustained mode is preferable to the damped mode. Secondly, the optimal excitation position is at the center of the wire. Furthermore, a continuous excitation or a pulsed excitation of a large number of cycles is preferable to a pulsed excitation of a small number of cycles. Thirdly, the resonant frequency measured in sustained mode differs from that measured in damped mode due to two parameters: average magnetic force and mutual coupling between coils. Fourthly, under the action of discharges, the remaining magnetic field is modified, thus leading to a variation in the resonant frequency measured by the sensor.

Dans ce mémoire, nous présentons une stratégie basée sur une approche hybridedans le domaine temporel, couplant une méthode de résolution des équations de Maxwelldans le domaine 3D (FDTD) avec une méthode de résolution des équations de ligne detransmission, afin de pouvoir simuler des problèmes électromagnétiques de grande échelle. Lemémoire donne les éléments d’hybridation pour deux cadres d’utilisation de cette approche :une approche multi-domaine et une approche multi-résolution ou d’échelle.L’approche multi-domaine est une extension de la méthode FDTD 3D à plusieurs sousdomainesreliés par des structures filaires sur lesquelles on résout une équation de lignes detransmission par un formalisme FDTD 1D. La difficulté est d’abord d’avoir une définitionimplicite du champ électromagnétique dans la théorie des lignes de transmission, et d’autrepart de prendre en compte les effets du sol sur les courants induits au niveau des lignes etsur les champs électromagnétiques.L’approche multi-résolution ou d’échelle est conçue pour étendre les capacités de la méthodeFDTD au traitement du routage de câbles complexes ayant une section plus petite quela taille de la cellule. Ce mémoire présente différentes techniques pour évaluer les paramètresde la ligne, basées sur la résolution d’un problème de Laplace 2D, ainsi qu’une méthode decouplage champs/câbles basée sur le courant de mode commun.L’ensemble de ce travail nous a permis de proposer une méthode numérique efficace pourcalculer les effets électromagnétiques induits par une source (type onde plane ou dipolaire)sur des sites de grande dimension, composés de plusieurs bâtiments reliés entre eux par unréseau de câbles. Dans ce cadre une application à la foudre a été réalisée. / In this thesis, we present a strategy based on a hybrid approach in the timedomain, by coupling 3D method (FDTD) with a multi-conductors transmission line (MTL)method, in order to simulate complex large scale electromagnetic problems. This reportgives the theoretical and numerical elements for coupling these approaches for two kindof problems, which are the multi domains approach and the multi scale approach. Themultiple domains approach is an extension of the classical FDTD method taking into accountseveral 3D subdomains, interconnected by a wire network, on which a 1D transmission lineformalism is used. The main issues are, on one hand to have an implicit expression ofthe electromagnetic field in the transmission line approach, and on the other hand to beable to take into account the ground effects on the induced currents, on the transmissionline parameters and on the electromagnetic field. The multi scale approach is developed toextend the capabilities of FDTD to deal with complex cables routing. We assume that thecross section of the cables are smallest than the cell size, and in these problems, the 1Dtransmission line problem is physically included in the 3D global computational domain.The work done in this thesis leaded to a new field to transmission line coupling based onthe common mode current, and an evaluation of the transmission. line parameters basedon a Laplace equation resolution in 2D. In this work, we have elaborated and proposedefficient numerical strategies for the computation of electromagnetic induced effects on largeand complex sites, composed of several interconnected distant buildings. An application tolightning problems have been done.