Au cours de la dernière décennie, la méthode d’analyse isogéométrique (AIG) a attiré l’attention des chercheurs grâce à ses capacités supérieures à la méthode standard des éléments finis (MEF). Le concept AIG utilise les mêmes fonctions de base que celles utilisées dans la conception assistée par ordinateur (CAO) pour l’approximation des champs inconnus tels que les déplacements, pression interstitielle ou la température dans la solution des éléments finis d’un problème thermo–hydro–mécanique (éventuellement couplé). Parmi les caractéristiques les plus importantes d’AIG, la régularité, le taux de convergence et surtout sa continuité intrinsèque d’ordre supérieur représentent une nette amélioration par rapport à la méthode standard des éléments finis, permettant d’obtenir des avantages computationnels significatifs en termes de précision de la solution et de efficacité.Ce travail tente d’exploiter les caractéristiques d’AIG pour la résolution numérique des problèmes hydromécaniques (HM) couplés dans les géomatériaux de second gradient de type poro–élastoplastiques partiellement saturés. D’une part, le modèle second gradient appartenant à la théorie des milieux continus avec microstructure assure l’objectivité des résultats en présence de phénomènes de localisation de la déformation en termes d’indépendance de maillage de la solution numérique, ce qui ne peut être réalisé avec des modèles constitutifs classiques qui n’implique pas l’intervention d’une longueur interne. D’autre part, la continuité C1 réalisable au moyen de fonctions de base AIG permet une implémentation directe de tels modèles constitutifs d’ordre supérieur, dans une formulation HM dérivée de l’approche de mélange classique. De plus, la régularité des fonctions de base AIG s’est révélée très efficace dans la modélisation de processus couplés caractérisés par de forts gradients hydrauliques – comme la simulation de la propagation d’un front de saturation dans une pente partiellement saturée. Dernier point, mais non des moindres, il convient de noter que, par rapport aux approches existantes basées sur les multiplicateurs de Lagrange, la méthode AIG pour résoudre les problèmes hydromécaniques (HM) couplés dans les matériaux du second gradient saturé et partiellement saturé permet une réduction considérable du nombre de degrés de libertés requis pour atteindre le même niveau de précision. Cela entraîne non seulement une augmentation significative de l’efficacité de calcul, mais permet également d’étendre la formulation du second gradient à l’analyse de problèmes réalistes en 3D, dont la solution a été présentée pour la première fois dans ce travail.La formulation poro–élastoplastique du second gradient développée dans ce travail est mise en œuvre dans le code orienté vers la recherche GeoPDEs, un code IAG–MEF open source écrit en Matlab et développé à l’Université de Pavia. Sur la base des résultats obtenus dans une large série de problèmes aux limites en 2D et 3D analysées dans ce travail, on peut conclure que la combinaison de AIG et d’élastoplasticité du second gradient représente un outil puissant pour la simulation numérique de problèmes géotechniques caractérisés par de forts couplages multiphysiques, un comportement fortement non linéaire du sol, et des gradients de déplacement et de pression interstitielle fortement localisés. / During the last decade, Isogeometric Analysis (IGA) has drawn the attention of the Finite Element community to its superior capabilities over the standard Finite Element Method (FEM). The IGA concept uses the same basis functions used in Computed Aided Design (CAD) for the approximation of the unknown fields such as displacements, pore pressure or temperature in the Finite Element solution of a (possibly coupled) thermo– hydro–mechanical problem. Among the most relevant features of IGA, its smoothness, its convergence rate and particularly its intrinsic higher–order continuity between elements represent a definite improvement over the standard FEM, which allow to obtain significant computational advantages in terms of accuracy of the solution and computa- tional efficiency.This work attempts to exploit the characteristics of IGA for the numerical solution of coupled hydro–mechanical (HM) problems in saturated and partially saturated second gradient poro–elastoplastic geomaterials. On one hand, the second gradient model belonging to the theory of continua with microstructure ensures the objectivity of the results in presence of strain localization phenomena in terms of mesh independence of the numerical solution, which cannot be achieved with classical constitutive models without an internal length scale. On the other hand, the C1–continuity achievable by means of IGA basis functions allows a straightforward implementation of such higher order constitutive models, within a HM formulation derived from the classical mixture approach. In addition, the smoothness of the IGA basis functions proved to be very efficient in the modeling of coupled processes characterized by strong hydraulic gradients – such as the simulation of the downward propagation of a saturation front in a partially saturated slope subject to rainfall infiltration. Last but not least, it is worth noting that, as compared to the existing approaches based on Lagrange multipliers, the IGA approach to the solution of coupled hydro-mechanical (HM) problems in saturated and partially saturated second gradient materials allows a dramatic reduction in the number of degrees of freedoms required to achieve the same level of accuracy. This not only results in a significant increase of the computational efficiency, but also allows to extend the complete second gradient formulation to the analysis of realistic 3D problems, the solution of which has been presented in this work for the first time.The local second gradient poro–elastoplastic formulation developed in this work is implemented in the research-oriented code GeoPDEs, a Matlab open source IGA–FEM code developed at the University of Pavia. Based on the results obtained in a large series of representative 2D and 3D initial–boundary value problems analyzed in this work, it can be concluded that the combination of IGA and the second gradient elastoplasticity represents a powerful tool for the numerical simulation of geotechnical problems characterized by strong multiphysics couplings, highly nonlinear behavior of the soil, and strongly localized displacement and pore pressure gradients.

L’Analyse isogéométrique (AIG) est une méthode innovante de résolution numérique des équations différentielles, proposée à l’origine par Thomas Hughes, Austin Cottrell et Yuri Bazilevs en 2005. Cette technique de discrétisation est une généralisation de l’analyse par éléments finis classiques (AEF), conçue pour intégrer la conception assistée par ordinateur (CAO), afin de combler l’écart entre la description géométrique et l’analyse des problèmes d’ingénierie. Ceci est réalisé en utilisant des B-splines ou des B-splines rationnelles non uniformes (NURBS), pour la description des géométries ainsi que pour la représentation de champs de solutions inconnus.L’objet de cette thèse est d’étudier la méthode isogéométrique dans le contexte des problèmes hyperboliques en utilisant les fonctions B-splines comme fonctions de base. Nous proposons également une méthode combinant l’AIG avec la méthode de Galerkin discontinue (GD) pour résoudre les problèmes hyperboliques. Plus précisément, la méthodologie de GD est adoptée à travers les interfaces de patches, tandis que l’AIG traditionnelle est utilisée dans chaque patch. Notre méthode tire parti de la méthode de l’AIG et la méthode de GD.Les résultats numériques sont présentés jusqu’à l’ordre polynomial p= 4 à la fois pour une méthode deGalerkin continue et discontinue. Ces résultats numériques sont comparés pour un ensemble de problèmes de complexité croissante en 1D et 2D. / Isogeometric Analysis (IGA) is a modern strategy for numerical solution of partial differential equations, originally proposed by Thomas Hughes, Austin Cottrell and Yuri Bazilevs in 2005. This discretization technique is a generalization of classical finite element analysis (FEA), designed to integrate Computer Aided Design (CAD) and FEA, to close the gap between the geometrical description and the analysis of engineering problems. This is achieved by using B-splines or non-uniform rational B-splines (NURBS), for the description of geometries as well as for the representation of unknown solution fields.The purpose of this thesis is to study isogeometric methods in the context of hyperbolic problems usingB-splines as basis functions. We also propose a method that combines IGA with the discontinuous Galerkin(DG)method for solving hyperbolic problems. More precisely, DG methodology is adopted across the patchinterfaces, while the traditional IGA is employed within each patch. The proposed method takes advantageof both IGA and the DG method.Numerical results are presented up to polynomial order p= 4 both for a continuous and discontinuousGalerkin method. These numerical results are compared for a range of problems of increasing complexity,in 1D and 2D.

Cette thèse présente des travaux effectués dans le cadre de l'optimisation de forme de pièces mécaniques, sous critère dynamique, par approche isogéométrique. Pour réaliser une telle optimisation nous mettons en place dans un premier temps les éléments coque au travers des formulations Kirchhoff-Love puis Reissner-Minlin. Nous présentons une méthode permettant d'atteindre les vecteurs normaux aux fibres dans ces formulations au travers de l'utilisation d'une grille mixte de fonctions de base interpolantes, traditionnellement utilisées en éléments finis, et de fonction non interpolantes issues de la description isogéométrique des coques. Par la suite, nous détaillons une méthode pour le couplage de patch puis nous mettons en place la méthode de synthèse modale classique dans le cadre de structures en dynamique décrites par des éléments isogéometriques. Ce travail établit une base pour l'optimisation de forme sous critères dynamique de telles structures. Enfin, nous développons une méthode d'optimisation de forme basée sur le calcul du gradient de la fonction objectif envisagée. La sensibilité de conception est extraite de l'analyse de sensibilité au niveau même du maillage du modèle, qui est obtenue par l'analyse discrète de sensibilité. Des exemples d'application permettent de montrer la pertinence et l'exactitude des approches proposées. / Isogeometric method is a promising method in bridging the gap between the computer aided design and computer aided analysis. No information is lost when transferring the design model to the analysis model. It is a great advantage over the traditional finite element method, where the analysis model is only an approximation of the design model. It is advantageous for structural optimization, the optimal structure obtained will be a design model. In this thesis, the research is focused on the fast three dimensional free shape optimization with isogeometric shell elements. The related research, the development of isogeometric shell elements, the patch coupling in isogeometric analysis, the modal synthesis with isogeometric elements are also studied. We proposed a series of mixed grid Reissner-Minlin shell formulations. It adopts both the interpolatory basis functions, which are from the traditional FEM, and the non-interpolatory basis functions, which are from IGA, to approximate the unknown elds. It gives a natural way to define the fiber vectors in IGA Reissner-Mindlin shell formulations, where the non-interpolatory nature of IGA basis functions causes complexity. It is also advantageous for applying the rotational boundary conditions. A modified reduce quadrature scheme was also proposed to improve the quadrature eficiency, at the same time, relieve the locking in the shell formulations. We gave a method for patch coupling in isogeometric analysis. It is used to connect the adjacent patches. The classical modal synthesis method, the fixed interface Craig-Bampton method, is also used as well as the isogeometric Kirchhoff-Love shell elements. The key problem is also the connection between adjacent patches. The modal synthesis method can largely reduce the time costs in analysis concerning structural dynamics. This part of work lays a foundation for the fast shape optimization of built-up structures, where the design variables are only relevant to certain substructures. We developed a fast shape optimization framework for three dimensional thin wall structure design. The thin wall structure is modelled with isogeometric Kirchhoff-Love shell elements. The analytical sensitivity analysis is the key focus, since the gradient base optimization is normally more fast. There are two models in most optimization problem, the design model and the analysis model. The design variables are defined in the design model, however the analytical sensitivity is normally obtained from the analysis model. Although it is possible to use the same model in analysis and design under isogeomeric framework, it might give either a highly distorted optimum structure or a unreliable structural response. We developed a sensitivity mapping scheme to resolve this problem. The design sensitivity is extracted from the analysis model mesh level sensitivity, which is obtained by the discrete analytical sensitivity analysis. It provides exibility for the design variable definition. The correctness of structure response is also ensured. The modal synthesis method is also used to further improve the optimization eficiency for the built-up structure optimization concerning structural dynamics criteria.

<div>As physical testing does not always yield insight into the mechanistic cause of failures, computational modeling is often used to develop an understanding of the goodness of a design and to shorten the product development time. One common, and widely used analysis technique is the Finite Element Method. A significant difficulty with the finite element method is the effort required to generate an analysis-suitable mesh due to the difference in the mathematical representation of geometry CAD and CAE systems. CAD systems commonly use Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) while the CAE tools rely on the finite element mesh. Efforts to unify CAD and CAE by carrying out analysis directly using NURBS models termed Isogeometric Analysis reduces the gap between CAD and CAE phases of product development. However, several challenges still remain in the field of isogeometric analysis. A critical challenge relates to the output of commercial CAD systems. B-rep CAD models generated by commercial CAD systems contain uncoupled NURBS patches and are therefore not suitable for analysis directly. Existing literature is largely missing methods to smoothly couple NURBS patches. This is the first topic of research in this thesis. Fracture-caused failures are a critical concern for the reliability of engineered structures in general and semiconductor chips in particular. The back-end of the line structures in modern semiconductor chips contain multi-material junctions that are sites of singular stress, and locations where cracks originate during fabrication or testing. Techniques to accurately model the singular stress fields at interfacial corners are relatively limited. This is the second topic addressed in this thesis. Thus, the overall objective of this dissertation is to develop an isogeometric framework for parametric domain decomposition and analysis of singular stresses using enriched isogeometric analysis.</div><div><br></div><div>Geometrically speaking, multi-material junctions, sub-domain interfaces and crack surfaces are lower-dimensional features relative to the two- or three-dimensional domain. The enriched isogeometric analysis described in this research builds enriching approximations directly on the lower-dimensional geometric features that then couple sub-domains or describe cracks. Since the interface or crack geometry is explicitly represented, it is easy to apply boundary conditions in a strong sense and to directly calculate geometric quantities such as normals or curvatures at any point on the geometry. These advantages contrast against those of implicit geometry methods including level set or phase-field methods. In the enriched isogeometric analysis, the base approximations in the domain/subdomains are enriched by the interfacial fields constructed as a function of distance from the interfaces. To circumvent the challenges of measuring distance and point of influence from the interface using iterative operations, algebraic level sets and algebraic point projection are utilized. The developed techniques are implemented as a program in the MATLAB environment named as <i>Hierarchical Design and Analysis Code</i>. The code is carefully designed to ensure simplicity and maintainability, to facilitate geometry creation, pre-processing, analysis and post-processing with optimal efficiency. </div><div><br></div><div>To couple NURBS patches, a parametric stitching strategy that assures arbitrary smoothness across subdomains with non-matching discretization is developed. The key concept used to accomplish the coupling is the insertion of a “parametric stitching” or p-stitching interface between the incompatible patches. In the present work, NURBS is chosen for discretizing the parametric subdomains. The developed procedure though is valid for other representations of subdomains whose basis functions obey partition of unity. The proposed method is validated through patch tests from which near-optimal rate of convergence is demonstrated. Several two- and three-dimensional elastostatic as well as heat conduction numerical examples are presented.</div><div><br></div><div>An enriched field approximation is then developed for characterizing stress singularities at junctions of general multi-material corners including crack tips. Using enriched isogeometric analysis, the developed method explicitly tracks the singular points and interfaces embedded in a non-conforming mesh. Solution convergence to those of linear elastic fracture mechanics is verified through several examples. More importantly, the proposed method enables direct extraction of generalized stress intensity factors upon solution of the problems without the need to use <i>a posteriori</i> path-independent integral such as the J-integral. Next, the analysis of crack initiation and propagation is carried out using the alternative concept of configurational force. The configurational force is first shown to result from a configurational optimization problem, which yields a configurational derivative as a necessary condition. For specific velocities imposed on the heterogeneities corresponding to translation, rotation or scaling, the configurational derivative is shown to yield the configurational force. The use of configurational force to analyze crack propagation is demonstrated through examples.</div><div><br></div><div>The developed methods are lastly applied to investigate the risk of ratcheting-induced fracture in the back end of line structure during thermal cycle test of a epoxy molded microelectronic package. The first principal stress and the opening mode stress intensity factor are proposed as the failure descriptors. A finite element analysis sub-modeling and load decomposition procedure is proposed to study the accumulation of plastic deformation in the metal line and to identify the critical loading mode. Enriched isogeometric analysis with singular stress enrichment is carried out to identify the interfacial corners most vulnerable to stress concentration and crack initiation. Correlation is made between the failure descriptors and the design parameters of the structure. Crack path from the identified critical corner is predicted using both linear elastic fracture mechanics criterion and configurational force criterion. </div>

Le sujet de la thèse porte sur la mise en place d’approches numériques avancées pour la simulation et l’optimisation de structures mécaniques présentant une géométrie complexe. Il se focalise sur l’analyse isogéométrique (IGA) qui a reçu beaucoup d’intérêt cette dernière décennie dû à sa grande flexibilité, précision, et robustesse dans de nombreux contextes industriels comparé à la méthode des éléments finis (FEA) classique. En particulier, la technologie IGA fournit un lien direct avec les logiciels de CAO (les mêmes fonctions sont utilisées pour la représentation de la géométrie et l’analyse numérique) et facilite les procédures de maillage.Dans ce contexte, et comme première partie du travail, une méthode de vérification basée sur la dualité et le concept d’erreur en relation de comportement (ERC) est proposé. Il permet d’obtenir des estimateurs d’erreur a posteriori à la fois garantis et entièrement calculables pour les solutions numériques issues de simulation par IGA. Ces estimateurs, valables pour une large gamme de modèles linéaires ou non-linéaires en mécanique des structures, constituent donc des outils performants et utiles pour le contrôle quantitatif de la qualité numérique et pour la conduite de procédures adaptatives. Un intérêt particulier est porté sur la construction de champs équilibrés, qui est un point clé du concept ERC, et qui jusqu’à présent était essentiellement développée dans le cadre de la méthode des éléments finis. L’extension au contexte IGA nécessite d’aborder plusieurs problèmes techniques, liés à l’utilisation de fonctions de base B-Spline/NURBS. Le concept ERC est aussi mis en oeuvre avec les techniques d’adjoint pour faire de l’estimation d’erreur sur des quantités d’intérêt.Dans une seconde partie du travail, la technologie IGA est couplée avec une procédure de réduction de modèle pour obtenir des solutions certifiées, et en temps réel, de problèmes avec une géométrie paramétrée. Après avoir défini le paramétrage sur la transformation permettant de passer de l’espace paramétrique IGA à l’espace physique, un modèle réduit basé sur la technique PGD (Proper Generalized Decomposition) est introduit pour résoudre le problème multi-dimensionnel. Avec une stratégie hors-ligne/en-ligne, la procédure permet alors de décrire l’ensemble des solutions paramétrées avec un coût de calcul réduit, et de faire de l’optimisation de forme en temps réel. Ici encore, l’estimation a posteriori des diverses sources d’erreur venant de la discrétisation et de la réduction de modèle PGD est menée à partir du concept ERC. Cela permet de contrôler la qualité de la solution PGD approchée (globalement ou sur des quantités d’intérêt), pour toute configuration géométrique, et de nourrir un algorithme adaptatif qui optimise l’effort de calcul pour une tolérance d’erreur donnée.Le travail de recherche dans son ensemble fournit donc des outils pertinents et pratiques pour les activités de simulation en ingénierie mécanique. Le potentiel et les performances de ces outils sont montrés à travers plusieurs exemples numériques impliquant des problèmes académiques et industriels, et des modèles linéaires et non-linéaires (endommagement). / The topic of the PhD thesis deals with the construction of advanced numerical approaches for the simulation and optimization of mechanical structures with complex geometry. It focuses on the Isogeometric Analysis (IGA) technology which has received much attention of the last decade due to its increased flexibility, accuracy, and robustness in many engineering simulations compared to classical Finite Element Analysis (FEA). In particular, IGA enables a direct link with CAD software (the same functions are used for both analysis and geometry) and facilitates meshing procedures.In this framework, and as a first part of the work, a verification method based on duality and the concept of Constitutive Relation Error (CRE) is proposed. It enables to derive guaranteed and fully computable a posteriori error estimates on the numerical solution provided by IGA. Such estimates, which are valid for a wide class of linear or nonlinear structural mechanics models, thus constitute performing and useful tools to quantitatively control the numerical accuracy and drive adaptive procedures. The focus here is on the construction of equilibrated flux fields, which is key ingredient of the CRE concept, and which was until now almost exclusively developed in the FEA framework alone. The extension to IGA requires to address some technical issues, due to the use of B-Spline/NURBS basis functions. The CRE concept is also implemented together with adjoint techniques in order to perform goal-oriented error estimation.In a second part, IGA is coupled with model reduction in order to get certified real-time solutions to problems with parameterized geometry. After defining the parametrization on the mapping from the IGA parametric space to the physical space, a reduced model based on the Proper Generalized Decomposition (PGD) is introduced to solve the multi-dimensional problem. From an offline/online strategy, the procedure then enables to describe the manifold of parametric solutions with reduced CPU cost, and to further perform shape optimization in real-time. Here again, a posteriori estimation of the various error sources inheriting from discretization and PGD model reduction is performed from the CRE concept. It enables to control the quality of the approximate PGD solution (globally or on outputs of interest), for any geometry configuration, and to feed a robust greedy algorithm that optimizes the computational effort for a prescribed error tolerance.The overall research work thus provides for reliable and practical tools in mechanical engineering simulation activities. Capabilities and performance of these tools are shown on several numerical experiments with academic and engineering problems, and with linear and nonlinear (damage) models.

Lors de simulations numériques d’ordre élevé, la discrétisation sous-paramétrique du domaine de calcul peut générer des erreurs dominant l’erreur liée à la discrétisation des variables. De nombreux travaux proposent d’utiliser l’analyse isogéométrique afin de mieux représenter les géométries et de résoudre ce problème.Nous présenterons dans ce travail le couplage du schéma aux résidus distribués limité et stabilisé de Lax-Frieirichs avec l’analyse isogéométrique. En particulier, nous construirons une famille de fonctions de base permettant de représenter exactement les coniques et définies tant sur les éléments triangulaires que quadrangulaires : les fonctions de base de Bernstein rationnelles. Nous nous intéresserons ensuite à la génération de maillages précis pour l’analyse isogéométrique. Notre méthode consiste à créer un maillage courbe à partir d’un maillage linéaire par morceaux de la géométrie. Le maillage obtenu en sortie de notre procédure est non-structuré, conforme et assure la continuité de nos fonctions de base sur tout le domaine. Pour finir, nous décrirons les différentes méthodes d’adaptation de maillages développées : l’élévation d’ordre et le raffinement isotrope. Bien évidemment, la géométrie exacte du maillage courbe d’entrée est préservée au cours des processus d’adaptation. / During high order simulations, the approximation error may be dominated by the errors linked to the sub-parametric discretization used for the geometry representation. Many works propose to use an isogeometric analysis approach to better represent the geometry and hence solve this problem. In this work, we will present the coupling between the limited stabilized Lax-Friedrichs residual distributed scheme and the isogeometric analysis. Especially, we will build a family of basis functions defined on both triangular and quadrangular elements and allowing the exact representation of conics : the rational Bernstein basis functions. We will then focus in how to generate accurate meshes for isogeometric analysis. Our idea is to create a curved mesh from a classical piecewise-linear mesh of the geometry. We obtain a conforming unstructured mesh which ensures the continuity of the basis functions over the entire mesh. Last, we will detail the curved mesh adaptation methods developed : the order elevation and the isotropic mesh refinement. Of course, the adaptation processes preserve the exact geometry of the initial curved mesh.