Les méthodes intégrales sont des méthodes particulièrement bien adaptées à la modélisation des systèmes électromagnétiques car contrairement aux méthodes par éléments finis elles ne nécessitent pas le maillage des matériaux inactifs tel que l'air. Ces modèles sont donc légers en terme du nombre de degrés de liberté. Cependant ceux sont des méthodes à interactions totales qui génèrent des matrices de systèmes d'équations pleines. Ces matrices sont longues à calculer en temps processeur et coûteuses à stocker dans la mémoire vive de l'ordinateur. Nous réduisons dans ces travaux les temps de calcul grâce au parallélisme, c'est-à-dire l'utilisation de plusieurs processeurs, notamment sur cartes graphiques (GPGPU). Nous réduisons également le coût du stockage mémoire via de la compression matricielle par ondelettes (il s'agit d'un algorithme proche de la compression d'images). C'est une compression par pertes, nous avons ainsi développé un critère pour contrôler l'erreur introduite par la compression. Les méthodes développées sont appliquées sur une formulation électrostatique de calcul de capacités, mais elles sont à priori également applicables à d'autres formulations.

Le frittage sélectif par laser (ou Selective Laser Sintering, SLS) des poudres polymères thermoplastiques est maintenant une technique répandue de fabrication additive. Néanmoins, ce procédé n'est industriellement mature que pour une seule famille de polymères, les polyamides. Pour que ce procédé soit employé dans la fabrication de pièces subissant des contraintes thermiques au-delà de 50 °C, il est ainsi nécessaire d'étendre la gamme des matériaux utilisables à des polymères hautes performances tels que les poly(aryl-éther-cétone) ou les poly(aryl-imide). Cette étude décrit la fabrication additive, couche par couche, de pièces aérospatiales complexes en polymères hautes performances. Pour cela, sept poudres en polymère ont été sélectionnées afin d'étudier l'influence de celles-ci sur les différentes phases du procédé et sur la qualité de la matière frittée/fondue. Ainsi, la morphologie de leurs particules, leurs microstructures ou encore leurs densités versées et tapées sont analysées, de même que leurs stabilités thermiques, leurs capacités à absorber l'eau ou à s'écouler. Dans un second temps, une étude paramétrique du procédé a été réalisée dans le but d'aboutir à la fabrication de pièces de bonne qualité matière, tout en portant un intérêt vis-à-vis des évolutions de la poudre cycle après cycle de fabrication. De plus, il est important, dans un souci d'optimisation, d'utiliser toutes les possibilités de forme qu'offre cette fabrication additive et d'en évaluer la résistance mécanique. C'est pourquoi une loi de comportement mécanique d'un polyamide 12 consolidé sélectivement par laser a été déterminée et implémentée dans un code de calcul par éléments finis (ZéBuLoN®). Cette loi de comportement, dans le domaine linéaire et non linéaire, représentative de l'anisotropie du matériau, a ensuite été validée expérimentalement sur des éprouvettes d'essais mécaniques et sur un démonstrateur aérospatial.

Cette thèse vise à définir une méthodologie de mise en œuvre d'applications performantes sur les processeurs embarqués du futur. Ces architectures nécessitent notamment d'exploiter au mieux les différents niveaux de parallélisme (grain fin, gros grain) et de gérer les communications et les accès à la mémoire. Pour étudier cette méthodologie, nous avons utilisé un processeur cible représentatif de ces architectures émergentes, le processeur CELL. Le détecteurde points d'intérêt de Harris est un exemple de traitement régulier nécessitant des unités de calcul intensif. En étudiant plusieurs schémas de mise en oeuvre sur le processeur CELL, nous avons ainsi pu mettre en évidence des méthodes d'optimisation des calculs en adaptant les programmes aux unités spécifiques de traitement SIMD du processeur CELL. L'utilisation efficace de la mémoire nécessite par ailleurs, à la fois une bonne exploitation des transferts et un arrangement optimal des données en mémoire. Nous avons développé un outil d'abstraction permettant de simplifier et d'automatiser les transferts et la synchronisation, CELL MPI. Cette expertise nous a permis de développer une méthodologie permettant de simplifier la mise en oeuvre parallèle optimisée de ces algorithmes. Nous avons ainsi conçu un outil de programmation parallèle à base de squelettes algorithmiques : SKELL BE. Ce modèle de programmation propose une solution originale de génération d'applications à base de métaprogrammation. Il permet, de manière automatisée, d'obtenir de très bonnes performances et de permettre une utilisation efficace de l'architecture, comme le montre la comparaison pour un ensemble de programmes test avec plusieurs autres outils dédiés à ce processeur.

Le frittage sélectif par laser (ou Selective Laser Sintering, SLS) des poudres polymères thermoplastiques est maintenant une technique répandue de fabrication additive. Néanmoins, ce procédé n'est industriellement mature que pour une seule famille de polymères, les polyamides. Pour que ce procédé soit employé dans la fabrication de pièces subissant des contraintes thermiques au-delà de 50 °C, il est ainsi nécessaire d'étendre la gamme des matériaux utilisables à des polymères hautes performances tels que les poly(aryl-éther-cétone) ou les poly(aryl-imide). Cette étude décrit la fabrication additive, couche par couche, de pièces aérospatiales complexes en polymères hautes performances. Pour cela, sept poudres en polymère ont été sélectionnées afin d'étudier l'influence de celles-ci sur les différentes phases du procédé et sur la qualité de la matière frittée/fondue. Ainsi, la morphologie de leurs particules, leurs microstructures ou encore leurs densités versées et tapées sont analysées, de même que leurs stabilités thermiques, leurs capacités à absorber l'eau ou à s'écouler. Dans un second temps, une étude paramétrique du procédé a été réalisée dans le but d'aboutir à la fabrication de pièces de bonne qualité matière, tout en portant un intérêt vis-à-vis des évolutions de la poudre cycle après cycle de fabrication. De plus, il est important, dans un souci d'optimisation, d'utiliser toutes les possibilités de forme qu'offre cette fabrication additive et d'en évaluer la résistance mécanique. C'est pourquoi une loi de comportement mécanique d'un polyamide 12 consolidé sélectivement par laser a été déterminée et implémentée dans un code de calcul par éléments finis (ZéBuLoN®). Cette loi de comportement, dans le domaine linéaire et non linéaire, représentative de l'anisotropie du matériau, a ensuite été validée expérimentalement sur des éprouvettes d'essais mécaniques et sur un démonstrateur aérospatial. / Selective Laser Sintering (SLS) of thermoplastic polymer powders is now widely used as a additive manufacturing technique. Nevertheless, this process is industrially mature for only one family of polymers : the polyamides. To use this process in manufacturing applications that are used above 50 °C, it is necessary to increase the range of useable powders to high temperature resistant families of thermoplastic such as poly(aryl-ether-ketone) or poly(aryl-imide). This study investigates the layer-by-layer additive manufacturing of complex parts by SLS from high temperature resistant thermoplastic powders. Seven polymers powders were selected to study their influences on the process steps and the quality of sintered/melted materials. To do so, morphology of theirs particles, microstructures or tapped and poured density are analysed, and also theirs thermal stabilities, capacities to absorb water or theirs flow abilities. In a second step, a study of the influence of process parameters has been carried out to obtain parts with good material quality, taking into account the evolution of the powder after each cycle of fabrication. Moreover, it is important to use all the possibilities of this process in terms of geometry. That is why a law for the mechanical behaviour of laser sintered polyamide 12 has been determined and implemented in a finite element code (ZeBuLoN®). This law, in its linear and non-linear domain, is representative of the material anisotropy and has been experimentally validated on tensile samples and one aerospace part.

Dans cette thèse, nous étudions les propriétés du transport de particules chargées de haute énergie dans des champs électromagnétiques turbulents.Ces champs ont été générés en utilisant le code magnétohydrodynamique (MHD) RAMSES, résolvant les équations de la MHD idéales compressibles. Nous avons développé un module pour générer la turbulence MHD, en utilisant une technique de forçage à grande échelle. Les propriétés des équations de la MHD font cascader l'énergie des grandes échelles vers les petites, développant un spectre en énergie suivant une loi de puissance, appelée zone inertielle. Nous avons développé un module permettant de calculer les trajectoires de particule chargée une fois le spectre turbulent établi. En injectant les particules à une énergie telle que l'inverse du rayon de Larmor des particules corresponde à un mode du spectre de Fourier dans la zone inertielle, nous avons cherché à mettre en évidence un effet systématique lié à la loi de puissance du spectre. Cette méthode a montré que le libre parcours moyen est indépendant de l'énergie des particules jusqu'à des valeurs de rayon de Larmor proches de l'échelle de cohérence de la turbulence. La dépendance du libre parcours moyen avec le nombre de Mach alfvénique des simulations MHD a également produit une loi de puissance.Nous avons également développé une technique pour mesurer l'effet de l'anisotropie de la turbulence MHD sur les propriétés du transport des rayons cosmiques, au travers le calcul de champs magnétiques locaux. Cette étude nous a montré un effet sur coefficient de diffusion angulaire, accréditant l'hypothèse que les particules sont plus sensible aux variations de petites échelles. / In this thesis, we study the transport properties of high energy charged particles in turbulent electromagnetic fields.These fields were generated by using the magnetohydrodynamic (MHD) code RAMSES, which solve the compressible ideal MHD equations. We have developed a module for generating the MHD turbulence, by using a large scale forcing technique. The MHD equations induce a cascading of the energy from large scales to small ones, developing an energy spectrum which follows a power law, called the inertial range.We have developed a module for computing the charged particle trajectories once the turbulent spectrum is established. By injecting the particles to energy such as the inverse of the particle Larmor radius corresponds to a mode in the inertial range of the Fourier spectrum, we have highlighted systematic effects related to the power law spectrum. This method showed that the mean free path is independent of the particules energy until the Larmor radius takes values close to the turbulence coherence scale. The dependence of the mean free path with the alfvénic Mach number produced a power law.We have also developed a technique to measure the anisotropy effect of the MHD turbulence in the cosmic rays transport properties through the calculation of local magnetic fields. This study has shown an effect on the pitch angle scattering coefficient, which confirmed the assumption that the particles are more sensitive to changes in small scales fluctuations.

Le besoin en calculs est toujours plus important et difficile à satisfaire, spécialement dans le domaine de l’informatique embarquée qui inclue les voitures autonomes, drones et téléphones intelligents. Les systèmes embarqués doivent respecter des contraintes fortes de temps, de consommation et de sécurité. Les nouveaux processeurs parallèles et hétérogènes comme le MPPA® de Kalray utilisé dans cette thèse, doivent alors combiner haute performance et basse consommation. Pour cela, le MPPA® intègre 288 coeurs, regroupés en 18 clusters à mémoire locale partagée, un réseau sur puce et des moteurs DMA pour les communications. Ces processeurs sont difficiles à programmer, engendrant des coûts de développement importants. Cette thèse a pour objectif de simplifier leur programmation tout en optimisant les performances finales. Nous proposons pour cela AOS, une librairie de communication et synchronisation haute performance gérant les mémoires locales distribuées des processeurs clustérisés. La librairie atteint 70% de la crête matérielle pour des transferts supérieurs à 8 KB. Nous proposons plusieurs outils de développement basés sur AOS et des modèles de programmation flux-dedonnées pour accélérer le développement d’applications parallèles pour processeurs clustérisés, notamment OpenVX qui est un nouveau standard pour les applications de vision et les réseaux de neurones. Nous automatisons l’optimisation de l’application OpenVX en faisant du pré-chargement de données et en les fusionnants, pour éviter le mur de la bande passante mémoire externe. Les résultats montrent des facteurs d’accélération super linéaires. / The growing need for computing is more and more challenging, especially in the embedded system world with autonomous cars, drones, and smartphones. New highly parallel and heterogeneous processors emerge to answer this challenge. They operate in constrained environments with real-time requirements, reduced power consumption, and safety. Programming these new chips is a time-consuming and challenging task leading to huge software development costs. The Kalray MPPA® processor is a competitive example for low-power super-computing on a single chip. It integrates up to 288 VLIW cores grouped in 18 clusters, each fitted with shared local memory. These clusters are interconnected with a high-bandwidth network-on-chip, and DMA engines are used to communicate. This processor is used in this thesis for experimental results. We propose the AOS library enabling highperformance communications and synchronizations of distributed local memories on clustered manycores. AOS provides 70% of the peak hardware throughput for transfers larger than 8 KB. We propose tools for the implementation of static and dynamic dataflow programs based on AOS to accelerate the parallel application developments onto clustered manycores. We propose an implementation of OpenVX for clustered manycores on top of AOS. OpenVX is a standard based on dataflow for the development of computer vision and neural network computing. The proposed OpenVX implementation includes automatic optimizations like data prefetch to overlap communications and computations, or kernel fusion to avoid the main memory bandwidth bottleneck. Results show super-linear speedups.

Les matériaux cimentaires sont utilisés de plus en plus dans le domaine de la construction civile. Plusieurs recherches expérimentales sont réalisées dans le but de mieux comprendre les mécanismes pilotant le comportement des bétons et d’identifier les facteurs responsables afin d’en assurer à la fois une meilleure durabilité et une bonne résistance. Or, les bétons dits de haute performance sont susceptibles à se fissurer depuis les premières heures suivant l’initiation de la réaction d’hydratation. La durabilité des bétons est ainsi affectée. Ceci constitue un défi d’actualité. C’est dans cette optique que la présente recherche a été initiée. Le terme jeune âge représente les premiers jours, voire les premières heures, suivant l’amorcement de la réaction d’hydratation des grains de ciments. À l’heure actuelle, il n’existe pas de procédure ni de montages expérimentaux « normalisés » permettant d’évaluer le comportement des bétons depuis le jeune âge. Le Centre de recherche sur les infrastructures en béton (CRIB) a développé un dispositif expérimental qui permet de simuler le comportement des bétons sous des conditions de restrictions des déformations. Le montage, appelé montage de retrait restreint à déformations différées (R2D2), a été amélioré dans le cadre de cette étude afin de permettre d’examiner l’influence de la température sur le comportement des bétons au jeune âge. Plusieurs bétons ont été formulés et testés en se basant sur trois types de ciments. Cinq rapports eau/ciment ont été testés et plusieurs profils thermiques ont été appliqués. L’influence du rapport eau/ciment, de la composition minéralogique et de la température sur le comportement ont été investis plus en profondeur. Le détail des résultats de cette étude expérimentale est présenté dans les sections qui suivent. / Cementitious materials are used increasingly in the field of civil construction. Several experimental investigations are conducted to better understand the mechanisms controlling the behaviour of concrete and identify the factors responsible to ensure both durability and strength. But the so-called high performance concretes are likely to crack in the first hours after the initiation of the hydration reaction. The durability of concrete is thus affected. This constitutes a challenge for today. This research has been initiated with this perspective in mind. The term young age represents the first days, even the first few hours following the initiation of the reaction of hydration of cement grains. Currently, there is no procedure or experimental setups standardized to assess the behaviour of concrete from an early age. The Research Center on Concrete Infrastructures (CRIB) has developed an experimental device that simulates the behaviour of concrete under conditions of restricted deformation. The assembly, called the assembly for restrained shrinkage deformations (R2D2) was improved as part of this study to help examine the influence of temperature on the behaviour of concrete at early age. Several concrete were formulated and tested based on three types of cements. Five water /cement ratios were tested and several thermal profiles were applied. The influence of the water /cement ratio, the mineralogical composition of cement and the effect of the temperature on the concrete behaviour have been investigated in more depth.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’une optimisation industrielle et économique des éléments de structure en BFUP permettant d’en garantir la ductilité au niveau structural, tout en ajustant la quantité de fibres et en optimisant le mode de fabrication. Le modèle développé décrit explicitement la participation du renfort fibré en traction au niveau local, en enchaînant une phase de comportement écrouissante suivie d’une phase adoucissante. La loi de comportement est fonction de la densité, de l’orientation des fibres vis-à-vis des directions principales de traction, de leur élancement et d’autres paramètres matériaux usuels liés aux fibres, à la matrice cimentaire et à leur interaction. L’orientation des fibres est prise en compte à partir d’une loi de probabilité normale à une ou deux variables permettant de reproduire n’importe quelle orientation obtenue à partir d’un calcul représentatif de la mise en oeuvre du BFUP frais ou renseignée par analyse expérimentale sur prototype. Enfin, le modèle reproduit la fissuration des BFUP sur le principe des modèles de fissures diffuses et tournantes. La loi de comportement est intégrée au sein d’un logiciel de calcul de structure par éléments finis, permettant de l’utiliser comme un outil prédictif de la fiabilité et de la ductilité globale d’éléments en BFUP. Deux campagnes expérimentales ont été effectuées, une à l’Université Laval de Québec et l’autre à l’Ifsttar, Marne-la-Vallée. La première permet de valider la capacité du modèle reproduire le comportement global sous des sollicitations typiques de traction et de flexion dans des éléments structurels simples pour lesquels l’orientation préférentielle des fibres a été renseignée par tomographie. La seconde campagne expérimentale démontre les capacités du modèle dans une démarche d’optimisation, pour la fabrication de plaques nervurées relativement complexes et présentant un intérêt industriel potentiel pour lesquels différentes modalités de fabrication et des BFUP plus ou moins fibrés ont été envisagés. Le contrôle de la répartition et de l’orientation des fibres a été réalisé à partir d’essais mécaniques sur prélèvements. Les prévisions du modèle ont été confrontées au comportement structurel global et à la ductilité mis en évidence expérimentalement. Le modèle a ainsi pu être qualifié vis-à-vis des méthodes analytiques usuelles de l’ingénierie, en prenant en compte la variabilité statistique. Des pistes d’amélioration et de complément de développement ont été identifiées. / This Ph.D. project has been prepared within the context of an industrial and economic optimisation of UHPFRC structural elements to ensure ductility at the structural level, while adjusting the amount of fibre and optimising the manufacturing process. The model developed explicitly describes the participation of local fibre reinforcement in tension, thanks to a hardening behaviour followed by a softening one. The constitutive law is a function of the local fibre content, of the fibre orientation with respect to tensile principal directions, of the fibre slenderness and other usual material parameters related to the fibres, the cementitious matrix and their interaction. The fibre orientation is taken into account using a normal probability distribution with one or two variables to reproduce any orientation either obtained from a representative simulation of casting fresh UHPFRC or informed by experimental analysis on prototypes. Lastly, the model reproduces the cracking of UHPFRC based on the principle of smeared rotating crack models. The constitutive law is implemented in a structural finite element software as a predictive tool of reliability and overall ductility of UHPFRC elements. Two experimental campaigns were carried out, one at Laval University in Québec and one at Ifsttar, Marne-la-Vallée. The first one is used to confirm the model ability to reproducethe overall behaviour under typical tensile and bending loads in simple structural elements for which the preferential fibre orientation was measured by microtomography. The second experimental campaign demonstrates the capabilities of the model, in an optimisation process, to help manufacture relatively complex ribbed triangular plates of industrial interest in which different manufacturing process and fibre volume have been considered. The identification of fibre distribution and orientation has been performed using mechanical tests on sawn samples. The model predictions have been compared to the global structural behaviour, and to the ductility demonstrated experimentally. The model could be qualified through comparison with conventional analytical engineering methods, taking into account the statistical variability. Improvement and additional developments have been identified.

L'objectif de cette thèse est de créer de nouveaux mélanges thermoplastiques présentant une processabilité accrue comparée à des matrices thermoplastiques hautes performances utilisées dans l'industrie aéronautique. Ces matériaux ont vocation à être intégrés en atmosphère avionique pressurisée. Afin de combler le cahier des charges imposé par le domaine aéronautique, le choix des matériaux s'est porté sur un mélange incompatible de polyétheréthercétone PEEK et de polymères à cristaux liquides LCP présentant une morphologie fibrillaire développée grâce à des conditions particulières d'écoulement lors de la mise en oeuvre.Dans un premier temps, les propriétés rhéologiques des matériaux sont caractérisées de manière à confirmer le respect des spécifications relatives à leur processabilité. La compréhension des phénomènes régissant la baisse de viscosité du mélange permet d'assurer la répétabilité et la reproductibilité des performances rhéologiques en vue d'un transfert industriel. L'étude se concentre ensuite sur les propriétés de cristallinité des mélanges, qui permettent de déterminer que la présence de deux matériaux semi-cristallins au sein d'une même structure ne perturbe pas leurs propriétés de cristallinité garantes de leurs performances thermomécaniques.Enfin, une campagne de caractérisation complète est effectuée afin de dresser une fiche matière et de la comparer aux spécifications exigées par l'industrie aéronautique. / The aim of this thesis is to create new thermoplastic blends exhibiting improved processability incomparison with high performance aeronautical thermoplastics. These materials are dedicated tointegrating pressurized avionic structures.To reach the specific aeronautical specifications, an incompatible polymer blend made ofpolyetheretherketone PEEK and liquid crystalline polymers LCP is chosen. The particular flow conditionsset for the compounding ensure the blend a fibrillar morphology.First, the material rheological properties are characterized so as to confirm that the processabilityspecifications are met. The viscosity drop causes are explained and grant the maintaining of therheological performances in any processing configuration.The study then focuses on the blend crystallinity properties in order to determine whether two interlinkedsemi-crystalline structures do not impede the thermomechanical performances.At last, a characterization campaign is led to compare the blend performances with the demandedaeronautical specifications.

Les systèmes de calcul actuels sont généralement des grappes de machines composés de nombreux processeurs à l'architecture fortement hiérarchique. Leur exploitation constitue le défi majeur des implémentations de modèles de programmation tels MPI ou OpenMP. Une pratique courante consiste à mélanger ces deux modèles pour bénéficier des avantages de chacun. Cependant ces modèles n'ont pas été pensés pour fonctionner conjointement ce qui pose des problèmes de performances. Les travaux de cette thèse visent à assister le développeur dans la programmation d'application de type hybride. Il s'appuient sur une analyse de la hiérarchie architecturale du système de calcul pour dimensionner les ressources d'exécution (processus et threads). Plutôt qu'une approche hybride classique, créant un processus MPI multithreadé par noeud, nous évaluons de façon automatique des solutions alternatives, avec plusieurs processus multithreadés par noeud, mieux adaptées aux machines de calcul modernes. / Modern computing servers usually consist in clusters of computers with several multi-core CPUs featuring a highly hierarchical hardware design. The major challenge of the programming models implementations is to efficiently take benefit from these servers. Combining two type of models, like MPI and OpenMP, is a current trend to reach this point. However these programming models haven't been designed to work together and that leads to performance issues. In this thesis, we propose to assist the programmer who develop hybrid applications. We lean on an analysis of the computing system architecture in order to set the number of processes and threads. Rather than a classical hybrid approach, that is to say creating one multithreaded MPI process per node, we automatically evaluate alternative solutions, with several multithreaded processes per node, better fitted to modern computing systems.