Depuis un certain nombre d'années, les méthodes optiques s'imposent dans le domaine de la mesure. Plus particulièrement, la technique de stéréo-corrélation d'images est souvent utilisée en raison de sa facilité de mise en oeuvre, de son caractère non intrusif et de sa bonne resolution spatiale couplée à un suivi temporel. Dans cette thèse, nous mettons en application la technique de stéréo-corrélation pour différentes vitesses de sollicitation allant du quasi statique à la dynamique ultra-rapide, cette dernière étant appliquée dans le cadre d'expérience de détonique. Cette large gamme d'expérimentations nous impose de développer des outils spécifiques afin d'obtenir des résultats quantifiés. Ainsi, nous avons mis au point des méthodes de correction des distorsions optiques et de l'étalonnage. Nous avons également développé une nouvelle technique d'association capable de traiter des images de faible dimension. Afin d'améliorer l'association, des méthodes de correction des grands d'eplacements, basées sur l'image elle-même ou un calcul hydrodynamique prédictif, ont été élaborées. Afin de valider l'ensemble de notre approche, nous la mettons en application lors de divers essais : compression quasi statique sur un matériau composite, traction lente sur une plaque en tantale, traction rapide sur des échantillons en aluminium. Enfin, nous nous intéressons à nos applications principales de dynamique ultra-rapide : l'expansion et le relèvement de cylindre. Pour ce dernier point, un soin particulier est apporté à l'élaboration d'un cas de synthèse représentatif de nos expériences. Ceci, dans le but de caractériser les performances de notre approche dans des conditions expérimentales sévères. Dans tous les cas, nous donnons les incertitudes de reconstruction afin de quantifier au mieux la rugosité de la surface et, par conséquent, le phénomène de striction.

Depuis un certain nombre d'années, les méthodes optiques s'imposent dans le domaine de la mesure. Plus particulièrement, la technique de stéréo-corrélation d'images est souvent utilisée en raison de sa facilité de mise en oeuvre, de son caractère non intrusif et de sa bonne résolution spatiale couplée à un suivi temporel. Dans cette thèse, nous mettons en application la technique de stéréo-corrélation pour différentes vitesses de sollicitation allant du quasi statique à la dynamique ultra-rapide, cette dernière étant appliquée dans le cadre d'expérience de détonique. Cette large gamme d'expérimentations nous impose de développer des outils spécifiques afin d'obtenir des résultats quantifiés. Ainsi, nous avons mis au point des méthodes de correction des distorsions optiques et de l'étalonnage. Nous avons également développé une nouvelle technique d'association capable de traiter des images de faible dimension. Afin d'améliorer l'association, des méthodes de correction des grands déplacements, basées sur l'image elle-même ou un calcul hydrodynamique prédictif, ont été élaborées. Afin de valider l'ensemble de notre approche, nous la mettons en application lors de divers essais : compression quasi statique sur un matériau composite, traction lente sur une plaque en tantale, traction rapide sur des échantillons en aluminium. Enfin, nous nous intéressons à nos applications principales de dynamique ultra-rapide : l'expansion et le relèvement de cylindre. Pour ce dernier point, un soin particulier est apporté à l'élaboration d'un cas de synthèse représentatif de nos expériences. Ceci, dans le but de caractériser les performances de notre approche dans des conditions expérimentales sévères. Dans tous les cas, nous donnons les incertitudes de reconstruction afin de quantifier au mieux la rugosité de la surface et, par conséquent, le phénomène de striction.

Les chargements dynamiques extrêmes sont une cause importante des dommages des structures. Dans la nature, certaines plantes, particulièrement les arbres, résistent régulièrement à des chargements extrêmes comme lors de tempêtes. Pour ces structures vivantes, produits de l'évolution, dissiper efficacement l'énergie mécanique reçue lors de tels chargements conditionne leur survie et le mécanisme de leur amortissement est donc probablement optimisé. L'idée bio-inspirée défendue ici est que le branchement offre aux structures flexibles un mécanisme d'amortissement robuste et spécifique aux vibrations de grande amplitude. La dynamique en grands déplacements d'un modèle branché élémentaire ayant deux degrés de liberté est étudiée, mettant en évidence un transfert non linéaire d'énergie entre les modes propres. Ce transfert provient de non-linéarités géométriques et s'explique par une excitation centrifuge des branches par l'oscillation du tronc ; cette excitation est effective lorsque le rapport des fréquences des modes correspondants est approximativement de 2. Ce mécanisme, dénommé \mbox{"amortissement par le branchement"}, produit une dissipation spécifique qui augmente avec l'amplitude des vibrations. Il apparaît comme robuste vis-à-vis de la variété des sources possibles de dissipation de la structure, provenant, par exemple, de l'interaction avec un fluide environnant. En utilisant la méthode des éléments finis, l'analyse de la dynamique en grands déplacements d'un modèle branché continu constitué de poutres, excité par lâcher ou par forçage, montre l'applicabilité du mécanisme à des structures plus complexes. Une expérience met en évidence ce mécanisme d'amortissement par le branchement sur une structure flexible branchée et réglée en fréquence. Ces résultats ont permis de concevoir un absorbeur dynamique branché pour les systèmes en rotation, lequel offre des performances supérieures, dans une certaine gamme d'amplitudes, à celles d'un absorbeur dynamique classique équivalent. Enfin, l'analyse d'un modèle ramifié suggère que ce mécanisme est effectivement présent dans les arbres.

Il est important, pour la développement rapide et à moindre coût d'un produit, de considérer différentes contraintes liées à la conception, l'assemblage/ désassemblage (A/D), l'usinage, l'ergonomie, etc. L'utilisation des outils comme les systèmes de réalité virtuelle (RV) donne une nouvelle dimension en terme de développement efficace du produit. Cette thèse propose d'appliquer les technologies de RV à l'étude/ optimisation des systèmes mécaniques complexes et, en particulier, à la simulation d'A/D de composants flexibles. Afin de tenir compte d'un comportement complexe de ces pièces, une telle simulation est basée sur leur modélisation mécanique. Le modèle non-linéaire de poutres flexibles est utilisé, adapté à des spécificités de la RV, étudié et intégré dans un démonstrateur de simulation. Une telle modélisation permet de générer des informations réalistes (efforts, déformations, trajectoires d'A/D,...) et de les utiliser dans l'étude/ évaluation adéquate et rapide des opérations d'A/D en se basant sur la méthodologie proposée. Cette méthodologie tient compte des spécificités dues à la simulation mécanique temps réel, à la caractérisation des propriétés du matériau, aux interfaces de RV, aux problèmes des modèles CAO. Ainsi, les problèmes de stabilité numérique et de recherche rapide de solutions adéquates, la validation expérimentale, les contraintes d'interfaçage en RV, la caractérisation d'A/D à travers des expérimentations physiques et numériques, etc. sont considérés dans ce mémoire. De nombreux tests et exemples montrent l'intérêt de la démarche proposée vis-à-vis des besoins industriels.

Dans cette thèse, nous considérons des problèmes instationnaires en interaction fluide-structure. Nous nous plaçons en outre dans un cadre bidimensionnel. Dans un premier temps, nous nous attachons à étudier l'existence et l'unicité de solutions pour un problème d'élasticité en grands déplacements et petites perturbations. Nous introduisons ensuite ce modèle de structure dans un système de couplage avec un fluide visqueux: nous montrons l'existence de solutions pour ce problème. Par ailleurs, nous considérons des problèmes d'interaction fluide-structure en vue d'applications numériques. Ce travail est motivé par les écoulements sanguins dans un ventricule cardiaque artificiel. Nous effectuons deux approches distinctes: l'une à l'aide d'une méthode ALE simplifiée, et l'autre en utilisant la méthode de la frontière immergée. Concernant ce dernier point, nous abordons un problème de contrôle optimal par feedback.

La conception des turbomachines à haute densité énergétique nécessite de plus en plus la maîtrise d'un plus grand nombre de paramètres fonctionnels. La moindre défaillance d'un composant conduit quasi immédiatement la machine à la rupture. C'est en particulier le cas pour le comportement des composants à films minces.L'appellation "film mince" correspond à tout espace de très faible épaisseur situé entre le rotor et le stator de la turbomachine. Leur but est soit de limiter les fuites de manière à optimiser les performances intrinsèques de la machine, soit alors à supporter et stabiliser le rotor. Ces derniers cas sont plus appelés communément "joints lisses ou annulaires" et "paliers fluides".Lorsqu'un fluide circule dans un espace de très faible épaisseur, typiquement quelques centièmes de millimètres sur une distance très longue, son champ de vitesses, donc de pression, dépend fortement des phénomènes visqueux aux parois dont l'une est mise en rotation et l'autre est immobile. Les efforts fluides sur ces parois peuvent être alors importants et doivent être pris en compte dans le dimensionnement de la machine.La connaissance précise de ces écoulements très complexes est indispensable pour déterminer les efforts statiques et dynamiques appliqués au rotor de manière à pouvoir dimensionner un fonctionnement calme. / The design of high performance aerospace turbo pumps requires more control of an increasing number of functional parameters. Any component failure led almost immediately to a machine failure. This is particularly the case for the behavior of thin film lubricated components.The term "thin film" means any thin space between the rotor and the stator of the engine. Their goal is either to limit leakage to maximize the machine intrinsic performance, or to support and stabilize the rotor. These cases are more commonly called "smooth or annular seals" and "fluid film bearings".When a fluid flows in a space of very small thickness, typically a few hundredths of a millimeter, the velocity field, hence the pressure, are highly dependent on the walls viscous forces. Fluid forces on the walls (which one is rotated and the other is stationary) can then be important and should be taken into account in the design of the machine.The precise knowledge of these complex flows is essential to determine the static and dynamic forces applied to the rotor to ensure a quite functioning of the turbo pump.

Les vibrations des instruments de percussion non-linéaires (famille regroupant les gongs et les cymbales) présentent des comportements complexes et des caractéristiques propres aux systèmes non-linéaires en conditions normales de jeu. On peut notamment citer le spectre continu et à large bande en vibrations de grande amplitude et la sensibilité aux conditions initiales. Le but de cette étude est de fournir un début de modélisation de ces structures, en vue de comprendre les mécanismes de génération du son et de contribuer à l'établissement d'un modèle pour la synthèse sonore. Dans une première partie sont présentés des résultats expérimentaux conduits sur un tam-tam chinois, lorsque celui-ci est excité à l'une de ses résonances par une force harmonique. Cela permet d'identifier des phénomènes non-linéaires simples, comme une dépendance en l'amplitude des vibrations de la fréquence des oscillations libres, des résonances hystérétiques associées à des phénomènes de saut entre différents régimes de vibration, et des échanges d'énergie entre modes propres résultant de combinaisons de résonances. Une deuxième partie est consacrée à la modélisation des instruments de percussion par des plaques circulaires élastiques à bord libre, en grand déplacement et rotations modérées. Le modèle non-linéaire de Von-Karman est utilisé et son domaine de validité est discuté. Les équations non-linéaires aux dérivées partielles sont ensuite projetées sur la base des modes propres. Le cas particulier où la vibration n'est gouvernée que par un mode est étudié en détail: un modèle analytique de comportement est établi et validé par une étude expérimentale. Lorsque le mode considéré est asymétrique, le couplage entre les deux modes propres dégénérés est prédit quantitativement de façon très précise, au moyen d'un recalage du modèle. Dans une troisième partie, on étudie des systèmes à un degré-de-liberté, composés de barres élastiques articulées. Une interprétation physique des non-linéarités géométriques est tout d'abord proposée. Ces modèles permettent ensuite d'expliquer les comportements unimodaux du tam-tam. L'influence de la géométrie de la structure (à travers sa courbure et son épaisseur) sur l'incurvation des courbes de résonance et la distortion harmonique des signaux de vibrations est clairement établie.

Ce travail a pour cadre une collaboration entre le LMA et Thales Alenia Space. Nous nous intéressons au comportement des structures flexibles et plus particulièrement des mètres rubans qui ont la particularité de pouvoir, grâce à l'aplatissement de la section, s'enrouler ou développer des pliages localisés. Une première thèse a permis d'une part la mise au point d'un nouveau type de mètre ruban au déroulement maîtrisable thermiquement et d'autre part le développement d'un modèle plan de poutre à section flexible. Dans le travail de thèse présenté ici, nous proposons une version étendue de ce modèle adaptée à la simulation du comportement dynamique tridimensionnel des mètres rubans en grands déplacements et en grandes rotations. Ce modèle est dérivé de la théorie des coques et repose sur l'introduction d'hypothèses cinématiques et sthéniques adaptées. La déformation de la section est caractérisée par celle de sa ligne moyenne qui peut se déformer dans son plan par flexion et torsion mais non par extension, ainsi que hors de son plan par gauchissement de torsion. Les fortes variations de forme de la section dans son plan peuvent alors être décrites par une cinématique de type Elastica, tandis qu'une cinématique de type Vlassov est utilisée pour définir le gauchissement dans le repère local attaché à la section. Le modèle unidimensionnel est obtenu par intégration sur la section des expressions de la théorie des coques, une approche énergétique permet ensuite de formuler le problème associé qui est résolu grâce au logiciel de modélisation par éléments finis COMSOL.

Ce travail a pour cadre une collaboration entre le LMA et Thales Alenia Space. Nous nous intéressons au comportement des structures flexibles et plus particulièrement des mètres rubans qui ont la particularité de pouvoir, grâce à l’aplatissement de la section, s’enrouler ou développer des pliages localisés. Une première thèse a permis d’une part la mise au point d’un nouveau type de mètre ruban au déroulement maîtrisable thermiquement et d’autre part le développement d’un modèle plan de poutre à section flexible. Dans le travail de thèse présenté ici, nous proposons une version étendue de ce modèle adaptée à la simulation du comportement dynamique tridimensionnel des mètres rubans en grands déplacements et en grandes rotations. Ce modèle est dérivé de la théorie des coques et repose sur l’introduction d’hypothèses cinématiques et sthéniques adaptées. La déformation de la section est caractérisée par celle de sa ligne moyenne qui peut se déformer dans son plan par flexion et torsion mais non par extension, ainsi que hors de son plan par gauchissement de torsion. Les fortes variations de forme de la section dans son plan peuvent alors être décrites par une cinématique de type Elastica, tandis qu’une cinématique de type Vlassov est utilisée pour définir le gauchissement dans le repère local attaché à la section. Le modèle unidimensionnel est obtenu par intégration sur la section des expressions de la théorie des coques, une approche énergétique permet ensuite de formuler le problème associé qui est résolu grâce au logiciel de modélisation par éléments finis COMSOL. / This work was carried out within the framework of a collaboration between the LMA and Thales Alenia Space. We focus on the behaviour of flexible structures and more specifically of tape springs, whose particularity lies in their capacity to coil up or to form localized folds through the flattening of their cross-section. A first thesis led to the development of a new type of tape spring whose uncoiling is controlled thermically on one hand and of a planar rod model with a flexible thin-walled cross-section on the other hand. In this thesis, we offer an extended version of this model dedicated to the simulation of three-dimensional dynamic behavior of tape springs in large displacements and large rotations. This model is derived from shell theory and is based on the introduction of adapted kinematic and sthenic hypotheses. The deformation of the cross-section is characterized by that of its average line which can deform in its own plane by flexion and twisting but not by extension, as well as out of its plane through torsional warping. The large changes of the cross-section shape in its plane can then be described by an Elastica kinematics, whereas a Vlassov kinematics is used to define the warping in the local frame attached to the section. The unidimensionnal model is obtained by integration over the cross-section of the expressions of the shell theory, an energetic approach then allows to express the associated problem which is solved thanks to the finite element modeling software COMSOL.

L’objectif de ce travail porte sur le développement d’un modèle d’interaction fluide-structure adapté à la dynamique des éoliennes de grandes tailles avec des pales flexibles qui se déforment de manière significative sous l’effet de la pression exercée par le vent. Le modèle développé est basé sur une approche efficace d’IFS partitionnée pour un fluide incompressible et non visqueux en interaction avec une structure flexible soumise a des grandes transformations. Il permet de fournir une meilleure estimation de la charge aérodynamique et de la réponse dynamique associée du système (pales, mat, attachements, câbles) avec un temps de calcul raisonnable et pour des simulations sur des longues périodes. Pour la modélisation structurale, un élément fini de type solide 3D est développé pour l’étude dynamique des pales d’éolienne soumises à des grands déplacements et des grandes rotations. Une amélioration du comportement en flexion est proposée par l’introduction des degrés de liberté en rotation et l’enrichissement du champ de déplacements afin de décrire plus précisément la flexibilité des pales. Cet élément solide est apte de capter des modes de hautes fréquences qui peuvent s’avérer néfastes pour la stabilité du calcul. Deux techniques sont donc proposées pour les contrôler : la régularisation de la matrice masse et le développement des schémas d’intégration robustes de conservation et de dissipation d’énergie. Les chargements aérodynamiques sont modélisés en utilisant la Panel Method. Il s’agit d’une méthode aux frontières, relativement rapide par rapport à la CFD mais suffisamment précise pour calculer la distribution de la pression exercée sur la pale. Les modèles fluide et structure interagissent via un algorithme de couplage partitionné itératif dans lequel des considérations particulières sont prises en compte dans le contexte des grandes transformations. Dans un effort visant à instaurer un indicateur de fatigue dans la méthodologie proposée, des câbles précontraints sont introduits reliant le mat de l’éolienne au support. Une nouvelle formulation complémentaire en termes de contraintes est ainsi développée pour l’analyse dynamique des câbles 3D en comportement élasto-visco-plastique. Chaque méthode proposée a été d’abord validée sur des cas tests pertinents. Par la suite, des simulations numériques d’éoliennes avec des pales flexibles sont effectuées en vue d’affiner la compréhension de leur comportement dynamique et l’intérêt que la flexibilité des pales peut apporter à leur fonctionnement. / In this work, a numerical model of fluid-structure interaction is developed for dynamic analysis of giant wind turbines with flexible blades that can deflect significantly under wind loading. The model is based on an efficient partitioned FSI approach for incompressible and inviscid flow interacting with a flexible structure undergoing large transformations. It seeks to provide the best estimate of true design aerodynamic load and the associated dynamic response of such system (blades, tower, attachments, cables). To model the structure, we developed a 3D solid element to analyze geometrically nonlinear statics and dynamics of wind turbine blades undergoing large displacements and rotations. The 3D solid bending behavior is improved by introducing rotational degrees of freedom and enriching the approximation of displacement field in order to describe the flexibility of the blades more accurately. This solid iscapable of representing high frequencies modes which should be taken under control. Thus, we proposed a regularized form of the mass matrix and robust time-stepping schemes based on energy conservation and dissipation. Aerodynamic loads are modeled by using the 3D Vortex Panel Method. Such boundary method is relatively fast to calculate pressure distribution compared to CFD and provides enough precision. The aerodynamic and structural parts interact with each other via a partitioned coupling scheme with iterative procedure where special considerations are taken into account for large overall motion. In an effort to introduce a fatigue indicator within the proposed framework, pre-stressed cables are added to the wind turbine, connecting the tower to the support and providing more stability. Therefore, a novel complementary force-based finite element formulation is constructed for dynamic analysis of elasto-viscoplastic cables. Each of theproposed methods is first validated with differents estexamples.Then,several numerical simulations of full-scale wind turbines are performed in order to better understand its dynamic behavior and to eventually optimize its operation.