La mécanique linéaire de la rupture ne permet pas de représenter un des phénomènes physiques importants dans la propagation en fatigue : le concept de refermeture de fissure découvert par Elber. La propagation de fissure est un problème numérique complexe où remaillage et projection de champs sont quasi-inévitables. De nouvelles méthodes modélisant implicitement des discontinuités comme la méthode des éléments finis étendus sont apparues récemment. On propose de l'utiliser pour modéliser la refermeture de fissure. Il faut alors prendre en compte la plasticité et le contact le long de la fissure. Une nouvelle base d'enrichissement plastique couplée à une formulation Lagrangien augmenté adaptée aux éléments finis étendus le permet en intégrant la gestion de l'histoire. La comparaison des résultats de simulations numériques et d'essais expérimentaux, exploités par une technique de mesure de champs par corrélation d'image numérique, montre les potentialités de la méthode.

Les besoins industriels en simulation numérique de milieux granulaires sont de plus en plus conséquents pour des systèmes de grande dimension. Le cas d'interactions entre grains de type contact unilatéral avec frottement présente des difficultés supplémentaires pour de telles simulations. Dans ce mémoire une approche par décomposition de domaine est proposée. Les méthodes de sous structuration ont été initialement développées pour des milieux continus généralement discrétisés en mécanique des solides en éléments finis. La plateforme LMGC90 (Logiciel de Mécanique Gérant le Contact en Fortran 90) constitue le cadre d'implantation d'algorithmes dédiés. Ainsi des algorithmes de décomposition de domaine, reposant sur les méthodes LArge Time Increment et Gauss Seidel Non Linéaire, adaptés à un système de type granulaire sont définis, implantés et comparés.Pour exploiter le potentiel en calcul parallèle des méthodes ci-dessus, les procédures d'échange de message par MPI (Message Passing Interface) sont ajoutées au code. Ensuite, l'amélioration de l'extensibilité des approches multidomaines par l'ajout d'une échelle macroscopique est testée. Enfin, dans la perspective d'un dialogue entre modèles discret (échelle microscopique) et continu (échelle macroscopique), une version enrichie de la méthode GSNL-DD (Gauss Seidel Non Linéaire en Décomposition de domaine) est proposée. L'accélération de convergence attendue est ensuite étudiée théoriquement sur des exemples de taille réduite, avant quelques tests sur échantillons plus conséquents.

Cette thèse traite des aspects tribologiques et dynamiques de la perception tactile donnée par un doigt lors du balayage d'une surface. Une attention particulière est portée à l'analyse directe des spectres des vibrations induites par contact entre le doigt et la surface touchée, qui représente un nouveau champ de recherche. En fait, si le fait que les vibrations activent les afférentes tactiles et leur rôle essentiel pour la perception des textures fines est une chose acquise (duplex theory of tactile texture perception), le lien entre les caractéristiques de la surface, leur perception et les caractéristiques des spectres des vibrations induites est encore inconnu. Le travail de est animés par la volonté de contribuer à comprendre les mécanismes du toucher, élément clé de nombreuses applications touchant différents domaines : la quantification de la qualité des textiles, l'ergonomie des objets du quotidien (affectant grandement leur compétitivité commerciale), l'identification des imperfections de surface; la conception de dispositifs tactiles de communication , le développement de capteurs tactiles artificiels pour les prothèses intelligentes ou assistants robotisés, le développement des interfaces homme-machine pour l'interaction avec les réalités virtuelles ou des systèmes de télé-opération (télédiagnostic ou microchirurgie), ou encore le développement de tests d'évaluation de la sensibilité tactile lors d'un diagnostic. L'étude d'un doigt se déplaçant sur une surface, comporte plusieurs difficultés liées aux caractéristiques du contact et aux mesures mêmes. Ces problèmes ont fait que la première étape du travail présenté a été la conception d'un nouveau dispositif expérimental, baptisé TriboTouch, développé pour reproduire le balayage d'une surface par un doigt dans des conditions de contact réalistes (vitesse de balayage, charge normale, rugosité de surface, etc.) et surtout, en évitant la production de bruit. Le banc d'essai a été conçu pour garantir la reproductibilité des mesures et pour effectuer des mesures sans introduire de bruit parasite. Il permet de réaliser à la fois des mesures de la dynamique globale et des mesures de la dynamique locales (au niveau de la zone de contact) employant un doigt en silicone. L'analyse présentée s'intéresse au comportement de l'index de la main droite, en contact avec différentes surfaces (rugueuses périodiques ou isotropes et issues de textiles), analysé pour différentes vitesses de balayage et valeurs de la charge appliquée en soulignant le rôle des empreintes digitales. Un modèle numérique simple a été développé pour reproduire le comportement des vibrations induites lors du balayage de deux surfaces périodiques et les résultats sont comparés aux résultats expérimentaux. La correspondance de la distribution des fréquences de vibrations a mis en évidence le rôle clé des empreintes digitales dans les spectres de vibration et, en conséquence, pour la perception tactile. / This thesis deals with the tribological and dynamic aspects of tactile perception given by the scanning of the finger on a surface. The attention is focused on a direct analysis of the vibration spectrum characteristics, induced by the surface features that is a relatively new research field. In fact, it is accepted that vibrations activate the tactile afferents and their essential role for the perception of fine textures (duplex theory of tactile texture perception) but it is still unknown the link with the surface texture characteristics and the features of the induced vibration spectra. The work is aimed to contribute to a better understanding of the mechanisms of the tactile sense, that is basilar for manifold different applications: textile quality quantification, ergonomics of everyday objects (which largely affects their commercial competitiveness), identification of surface imperfections, the design of tactile communication devices, the development of artificial tactile sensors for intelligent prostheses or robotic assistants, the development of human-machine interfaces for interaction with virtual realities or teleoperation systems, such as for telediagnosis or microsurgery, reproducing real perception (virtual reality), increasing the human perception (augmented reality), development of tests for evaluation of tactile sensitivity during diagnosis or monitoring process in rehabilitation. The study of a finger that moves on a surface involves different difficulties that are related to the material characteristics and to the measurements themselves. For these reasons, a new experimental set-up, named TriboTouch, has been developed to reproduce the finger/surface scanning phenomena under real values of the contact feature (scanning velocity and amplitude, surface roughness, etc..), avoiding undesired vibrations. The test bench has been designed to guarantee the measurements reproducibility and to perform measurements without introducing external noise. The set-up permits to carry out both measurements of the global dynamics and local ones (at the contact zone) employing a silicone fake finger. In the presented analysis, the behavior of the right hand index finger scanning on the surface sample with periodical and isotropic roughness and on textiles has been investigated for different scanning speed, highlighting the role of fingerprints A simple numerical model have been developed for reproducing the behavior of the induced vibrations when sliding two periodical surfaces and the numerical results have been compared with the experimental ones. The presented work has shown the possibility to obtain objective indexes for the tactile perception characterization, by means of the friction induced vibration spectrum analysis, in agreement with the neurophysiological studies present in literature.

La validation du modèle de réponse globale des échantillons ou des structures présente des lacunes qui peuvent être surmontés par l'utilisation de techniques de mesure de plein champ. Les techniques de mesure plein champ offrent la possibilité d'acquérir une quantité importante de données expérimentales qui pourraient être utiles dans le cadre de l'identification des paramètres de la Loi de comportement. Parmi les techniques de mesure de champ complet, le plus populaire est la corrélation d'images mono et stéréo. Les stratégies existantes pour rendre l'utilisation des données de plein champ comme la méthode de champ virtuel, la méthode écart d'équilibre, la méthode de Gap équation Constitutive et la méthode de réciprocité ont été limitées à des applications 2D. Cependant, pour un échantillon d'épaisseur finie, les effets 3D doivent être remplis. Plus important encore, dans le cas de la plasticité, triaxialité du stress joue un rôle important. Son effet doit donc être inscrits dans la modélisation du comportement de la matière. Ainsi, dans cette thèse, nous proposons une méthode pour identifier les paramètres d'une loi de comportement élasto-plastique dans lequel le modèle mécanique peut comporter cinématique 3D. La stratégie s'est avérée être le bruit robuste, presque indépendamment de la conjecture de paramètre initial et de raffinement de maillage et permet de différencier les modèles de comportement avec la même réponse globale sur la base de l'erreur de corrélation moyenne. L'identification est avérée bon pour une ou plusieurs caméras. La validation de la stratégie est faite d'acier inoxydable. La réponse globale du déplacement de charge identifié de la stratégie avec la corrélation d'image mécanique mono et stéréo est très proche des expériences. Enfin, les paramètres du matériau ont été identifiés avec l’estimation initial très différents mais tous convergent vers les mêmes valeurs finales qui montrent la solidité de la stratégie proposée. / The objective of the thesis is to formulate a strategy that gives a robust identification of constitutive law from full-field measurements taking into account 3D effects. Model validation from global response of samples or structures has shortcomings that can be overcome by the use of full-field measurement techniques. Full-field measurement techniques offer the opportunity to acquire large amount of experimental data that might be useful in the context of identification of constitutive law parameters. Among the full field measurement techniques the most popular is digital and stereo image correlation. The existing strategies to make use of full-field data like the Virtual Field Method, the Equilibrium Gap Method, the Constitutive Equation Gap Method and the Reciprocity Method were limited to 2D applications. However, for a specimen with finite thickness 3D effects must be included. Most importantly, for the case of plasticity, stress triaxiality plays an important role. Its effect must therefore be accounted for in the modelling of the constitutive behaviour of the material. Thus in this thesis we propose a method to identify the parameters of an elasto-plastic constitutive law in which the mechanical model can have 3D kinematics. The strategy has been shown to be noise robust, almost independent of initial parameter guess and mesh refinement and allows differentiating between constitutive models with same global response on the basis of mean correlation error. The identification is shown to be good for both single and multiple cameras. The strategy validation is done for stainless steel. The global identified load displacement response of the strategy for mono and stereo mechanical image correlation is very close to the experiments. Lastly, the material parameters have been identified with very different initial guess but all converge to the same final values which show the robustness of the proposed strategy.

Les céramiques macroporeuses sont largement utilisées dans des applications telles que la filtration, l'isolation thermique, les scaffolds pour la croissance de tissus biologiques, les SOFC, ou encore les OTM. En plus d’une bonne stabilité mécanique, ces céramiques doivent généralement posséder une autre propriété fonctionnelle, comme une perméabilité élevée, une faible conductivité thermique, ou une biocompatibilité. Cependant, la résistance mécanique est généralement augmentée en diminuant le volume total des pores, même si cela peut dégrader d’autres propriétés fonctionnelles. Au-delà de la porosité, des paramètres morphologiques tels que la taille des pores, leur forme ou la tortuosité, peuvent devenir cruciaux pour maximiser les performances, tout en conservant une grande résistance mécanique. Une importante amélioration des propriétés mécaniques peut par exemple être obtenue par des structures anisotropes. Celles-ci renforcent les structures dans la direction de la contrainte principale, de manière similaire aux matériaux naturels tels que l'os trabéculaire, le liège ou le bois. Néanmoins, la plupart des techniques classiquement utilisées pour produire des céramiques macroporeuses ne proposent pas ce niveau de flexibilité. L’ ice-templating est une technique de mise en forme appropriée pour obtenir des matériaux macroporeux anisotropes. Elle est basée sur la congélation de suspensions colloïdales et la séparation ultérieure des particules par le front de solidification. Le solvant congelé est ensuite éliminé, en laissant des pores dont les morphologies sont une réplique des cristaux sublimés. Enfin, le matériau cru est fritté pour consolider la microstructure. Ce processus assure un contrôle indépendant de l'architecture des pores (volume des pores, la taille et la morphologie) à travers la fraction de solides initiale, la vitesse de refroidissement, ou les éventuels additifs. Par conséquent, une bonne compréhension de ces paramètres est essentielle afin d’établir un lien entre les procédés de mise en forme, la microstructure, et les performances de ce type de matériaux et d'étendre leur utilisation dans les applications mentionnées précédemment. L’objectif de ce travail est premièrement, d’adapter l'architecture des pores faits par l’ice-templating pour ensuite, déterminer les principaux paramètres des microstructures qui contrôlent la résistance à la compression, la fiabilité mécanique, et la perméabilité de ces matériaux poreux unidirectionnels. En outre, l'applicabilité des modèles de flux mécanistique et de flux de gaz sera discutée dans le contexte des morphologies de pores structurés. Enfin, nous allons fournir des lignes directrices pour produire des échantillons tubulaires produits par ice-templating. / Macroporous ceramics are widely used in applications such as filtration, thermal insulation, scaffolds for tissue engineering, SOFCs, or OTM’s. They must combine mechanical stability with at least one other functional property such as high permeability, low thermal conductivity, or biocompatibility. However, strength is usually increased by decreasing the total pore volume even though this may degrade the other functional properties. Beyond porosity content, morphological parameters such as pore size, shape, or tortuosity, can become crucial to maximize the performance while maintaining high strength. For example, a significant improvement can be achieved by engineering anisotropic structures to mechanically reinforce the direction of the main stress, similarly to natural materials such as trabecular bone, cork, or wood. Unfortunately, most of the techniques conventionally used to produce macroporous ceramics do not offer this level of flexibility. Ice-templating is a processing technique suitable to obtain anisotropic macroporous materials. It is based on the freezing of colloidal suspensions and the subsequent segregation of particles by the solidification front. After solidification, the frozen solvent is removed, leaving pores whose morphologies are a replica of the sublimated crystals. Finally, the green body is sintered to consolidate the microstructure. This process provides independent control of the pore architecture (pore volume, size, and morphology) through initial solids loading, cooling rate, or additives. Therefore, a good understanding of these parameters is essential to understand the relationship between processing, microstructure, and performance of this type of materials and extend their use in the aforementioned applications.The purpose of this work is first, tailor the pore architecture of specimens processed by ice-templating to then, determine the main microstructural parameters that control the compressive strength, mechanical reliability, and air permeability of unidirectional porous materials. Furthermore, the applicability of mechanistic and gas flow models will be discussed in the context of the structured pore morphologies. Finally, we will provide some guidelines to produce tubular ice-templated samples with controlled porosity.The purpose of this work is first, tailor the pore architecture of specimens processed by ice-templating to then, determine the main microstructural parameters that control the compressive strength, mechanical reliability, and air permeability of unidirectional porous materials. Furthermore, the applicability of mechanistic and gas flow models will be discussed in the context of the structured pore morphologies. Finally, we will provide some guidelines to produce tubular ice-templated samples with controlled porosity.

Nous développons une méthode de couplage entre un fluide compressible non-visqueux et une structure tridimensionnelle mobile. Nous considérons d'abord une structure rigide, puis déformable, et enfin avec fragmentation. Le couplage repose sur une méthode conservative de type frontières immergées en combinaison avec une méthode de Volumes Finis pour le fluide et une méthode d'Éléments Discrets pour la structure. La méthode de couplage assure la conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie totale du système. Elle présente également des propriétés de consistance, comme l'absence d'effets de rugosité artificielle sur une paroi rigide. La méthode de couplage est explicite en temps dans le cas d'une structure rigide, et semi-implicite dans le cas d'une structure déformable. La méthode semi-implicite en temps évite que des déformations tangentielles de la structure ne se transmettent au fluide, et la résolution itérative jouit d'une convergence géométrique sous une condition CFL non restrictive sur le pas de temps. Nous présentons des résultats numériques montrant la robustesse de la méthode dans le cas d'une sphère rigide mise en mouvement par une onde de choc, une poutre encastrée fléchie par une onde de choc et un cylindre se fragmentant sous l'action d'une explosion interne / We develop a coupling method between an inviscid compressible fluid and a three dimensional mobile structure. We consider first a rigid structure, then a deformable, and finally a fragmenting one. The coupling hinges on a Conservative Immersed Boundary method combined with a Finite Volume method for the fluid and a Discrete Element method for the structure. The method yields conservation of mass, momentum, and energy of the system. The method also exhibits consistency properties, such as the absence of numerical roughness on a rigid wall. The method is explicit in time in the case of a rigid structure, and semi-implicit when the structure is deformable. The time semi-implicit method avoids that tangential deformations of the structure impact the fluid, and the method converges geometrically with a non-restrictive CFL condition on the time step. We present numerical results showing the robustness of the method in the case of a rigid sphere lifted by a shock wave, a clamped beam flexed by a shock wave, and a cylinder undergoing fragmentation owing to an intern explosion

The thesis concentrates on a methodological research on categorical structural optimization by means of manifold learning. The main difficulty of handling the categorical optimization problems lies in the description of the design variables: they are presented in a discrete manner and do not have any orders. Thus the treatment of the design space is a key issue. In this thesis, the non-ordinal categorical variables are treated as multi-dimensional discrete variables, thus the dimensionality of corresponding design space becomes high. In order to reduce the dimensionality, the manifold learning techniques are introduced to find the intrinsic dimensionality and map the original design space to a reduced-order space. The mechanisms of both linear and non-linear manifold learning techniques are firstly studied. Then numerical examples are tested to compare the performance of manifold learning techniques. It is found that Principal Component Analysis (PCA) and Multi-dimensional Scaling (MDS) can only deal with linear or globally approximately linear cases. Isomap preserves the geodesic distances for non-linear manifold, however, its time consuming is the most. Locally Linear Embedding (LLE) preserves the neighbour weights and can yield good results in a short time. Kernel Principal Component Analysis (KPCA) works as a non-linear classifier and we proves the reason why it cannot preserve distances or angles in some cases.Based on the reduced-order representation obtained by Isomap, the graph-based evolutionary crossover and mutation operators are proposed to deal with categorical structural optimization problems, including the design of dome, six-story rigid frame and dame-like structures. The results show that the proposed graph-based evolutionary approach constructed on the reduced-order space performs more efficiently than traditional methods including simplex approach or evolutionary approach without reduced-order space.The Locally Linear Embedding is applied to reduce the data dimensionality and a polynomial interpolation helps to construct the responding surface from lower dimensional representation to original data. Then the continuous search method of moving asymptotes is executed and yields a competitively good but inadmissible solution within only a few of iteration numbers. Then in the second stage, a discrete search strategy is proposed to find out better solutions based on a neighbour search. The ten-bar truss and dome structural design problems are tested to show the validity of the method. In the end, this method is compared to the Simulated Annealing algorithm and Covariance Matrix Adaptation Evolutionary Strategy, showing its better optimization efficiency.In order to deal with the case in which the categorical design instances are distributed on several manifolds, we propose a k-manifolds learning method based on the Weighted Principal Component Analysis. The obtained manifolds are integrated in the lower dimensional design space. Then the two-stage search method is applied to solve the ten-bar truss, the dome and the dam-like structural design problems. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La déamidation est la modification post-traductionnelle de l'asparagine (Asn) et de la glutamine (Glu). Elle est communèment observée dans les peptides et les protéines. Il a été démontré que la déamidation limite la durée de vie de ces macromolécules. Dans ce travail, la déamidation de l'asparagine dans des petits peptides et dans l'enzyme triosephosphate isomérase a été modélisée. La déamidation dans la triosephosphate isomérase de mammifères a été observée sur deux sites distincts: Asn15 et Asn71. Asn71 a une vitesse de déamidation plus élevée que Asn15 et moins grande que pour un petit peptide. Il a été suggéré que la déamidation de Asn15 se produit sous l'influence de la déamidation de Asn71. Pour expliquer ces résultats expérimentaux, des simulations de dynamiques moléculaires classiques à l'échelle de la microseconde et des calculs d'énergie libre, de type umbrella sampling, à l'aide de méthodes combinées mécanique quantique/mécanique moléculaire ont été réalisés. Nous montrons que la déamidation séquentielle dans la triosephosphate isomérase est due à la fois à des effets locaux et globaux. Ces résultats apporte une nouvelle perspective sur l'impact de l'ordre structurel sur la vitesse de déamidation Nous avons également déterminé la voie la plus plausible de cette reaction ainsi que l'influence de la variation du pKa, dans la chaîne principale, de la partie amide du résidu adjacent de l'asparagine sur la vitesse de déamidation. En regard de l'importance des variations de pKa dans l'environnement protéique, nous avons élaboré un protocole informatique permettant d'évaluer de manière rapide et précise des pKa . Ce protocole a été appliqué à des petites molécules organiques et nous avons montré qu'il était également applicable à des études relatives à la prédiction de pKa dans les protéines / Deamidation is the posttranslational modification of asparagine (Asn) and glutamine (Glu) residues, which is observed in several proteins and peptides. It has been shown that deamidation limits the lifetime of these macromolecules. In this work, deamidation of asparagine in small peptides and in the enzyme triosephosphate isomerase has been modeled. Deamidation in mammalian triosephosphate isomerase has been observed at two distinct deamidation sites: Asn15 and Asn71. Asn71 deamidates faster than Asn15 and slower than a small peptide. It has been suggested that, deamidation at Asn15 occurs with the influence of deamidated Asn71. In order to explain these experimental findings, microsecond long classical molecular dynamics simulations and free energy calculations using quantum mechanics/molecular mechanics tools combined with umbrella sampling technique have been performed. The sequential deamidation in triosephosphate isomerase has been shown to be related with both global and local effects. These results bring a new perspective to the impact of the high-order structure on deamidation rate. The most plausible route of this reaction was also determined. The pKa shift of backbone amide of the residue adjacent to asparagine has been found to be one of the most crucial factor determining the rate of deamidation. Considering the importance of pKa shifts in protein environment, a computational protocol was suggested in order to obtain accurate and fast pKa predictions. This protocol was applied to small organic molecules, and it has been shown to be applicable to studies concerning aminoacid pKa predictions

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Hydro-Québec reçoit plusieurs demandes de la part de compagnies minières pour pouvoir utiliser la crête de leurs ouvrages en remblai comme route d'accès aux ressources naturelles. La problématique liée à ces demandes d'autorisation de passage est le fait que lors de la conception d'un barrage en remblai, la circulation des charges lourdes en crête n'est pas considérée. Il est donc pertinent de développer des outils décisionnels pour les gestionnaires des barrages de manière à ce qu'ils soient en mesure d'octroyer ou d'appliquer certaines restrictions sur les passages demandés. Ces critères décisionnels doivent être basés, entres autres, sur la déformation permanente subie par le noyau du barrage. Concrètement, des instruments de mesure de contraintes et de déformations ont été installés dans l'extrémité supérieure du noyau d'argile du barrage en remblai de St-Timothée. Les contraintes horizontales et verticales mesurées lors du passage de camions en crête permettent de reproduire le cheminement de contraintes en laboratoire lors des essais de déformations permanentes. L'échantillon d'argile recompacté en laboratoire est soumis à des contraintes déviatorique cycliques allant jusqu'à des valeurs très élevées par rapport à ce qui a été enregistré sur le terrain. La contrainte axiale cyclique à laquelle l'argile accumule une certaine déformation permanente suite à sa post-compaction est de 5 kPa et celle à laquelle l'instabilité du matériau est observée correspond à 55 kPa. La charge en crête de l'ouvrage qui engendre ces incréments de contraintes axiales au sein du noyau est déterminée avec les données enregistrées avec les instruments mis en place dans le barrage. Le nombre de passages nécessaire pour engendrer des déformations permanentes de 50 mm et 100 mm au sein du noyau peut être estimé en fonction de différentes charges circulant en crête du barrage. Ceci est effectué en considérant une variation de la profondeur dans le noyau sur laquelle la charge en crête contribue à sa déformation permanente.