L’utilisation de structures fines est croissante dans bon nombre d’industries. En ce sens, leur représentation mécanique et optimisation est un enjeu majeur de la recherche actuelle. De façon classique, l’optimisation s’effectue avec un critère de contrainte, obtenue à partir d’une modélisation éléments-finis en déplacements. L’idée de ces travaux est de construire un modèle éléments-finis mixte déplacements-contraintes et de développer des méthodes de réduction adaptées, de façon à améliorer l’efficacité des méthodes d’optimisation existantes. On construit d’une part deux modèles élément-finis mixtes déplacements-contraintes généralisées, pour des analyses dynamiques de structures “plaque” fines et épaisses. Ces derniers présentent l’avantage de donner des résultats identiques aux modèles classiques en déplacements, avec un meilleur temps de reconstruction des champs de contraintes. Cependant, ils s’avèrent être délicats pour plusieurs raisons : la taille des matrices associées, la difficulté de faire une analyse modale rapide, et un temps d’assemblage accru. C’est la raison pour laquelle nous développons par la suite des méthodes de sous-structuration et de double synthèse modale spécifiquement dédiées aux modèles mixtes. L’idée est d’utiliser des bases modales tirées du modèle équivalent en déplacements pour composer une nouvelle base mixte réduite. Dix méthodes sont implémentées, basées sur des modes encastrés, libres et de branche, parmi lesquelles certaines s’avèrent très efficaces pour réduire le nombre de degrés de liberté du système mixte, sans passer par ses modes propres. Enfin, nous intégrons les modèles mixtes sous-structurés sous forme de super- éléments mixtes dans un algorithme génétique, dans le but de mener une optimisation multi-objectif de structures “plaque” académiques sous chargement dynamique, avec critères de contrainte et paramètres d’épaisseur. Les modèles précédemment définis sont ainsi paramétrés en épaisseur, et ne nécessitent plus d’être ré-assemblés pour chaque configuration. Nous disposons désormais d’un modèle mixte “plaque”, qui conserve les avantages d’un accès direct aux contraintes, tout en étant affranchi de sa taille importante par le biais des méthodes de réduction, et de son assemblage grâce au paramétrage. Il en résulte des modèles mécaniques originaux et efficaces, permettant de réduire les coûts de calcul des algorithmes d’optimisation classiques. Ce type de méthode, couplé à de puissants algorithmes génétiques, permet d’avoir une bonne vue d’ensemble des solutions optimales, et laissent augurer des perspectives intéressantes pour une utilisation industrielle. / The use of thin structures is increasing in many industries. Their mechanical representation and optimization is therefore a major challenge in modern research. Usually, the optimization is done with a stress criterion which is determined through displacements finite-element model. The idea of this work is to build a mixed displacements-stresses finite-element model and to develop adapted reduction procedures, in order to improve the efficiency of existing optimization methods. On the one hand, we build two mixed displacements-generalized stresses finite element models, for thin and thick dynamic plate structures analysis. They afford the advantage of giving identical results as classical displacements models with a better computational time to re-build the stress fields. Nevertheless, they turn out to be tricky for some reasons : the bigger matrices size, the difficulty of modal analysis and an assembling time higher. That is the reason why we develop afterwards some sub-structuring methods and double modal synthesis specifically dedicated to mixed models. The idea is to use modal basis taken from the equivalent displacement model so as to build a new mixed reduced basis. Ten methods are implemented, based on fixed modes, free modes, and branch modes. Some of them turn out to be very efficient to drastically reduce the amount of degrees of freedom of the mixed model, without using its eigenmodes. Finally, we embed the sub-structured mixed model in the form of Mixed Super- Element in a genetic algorithm, with the aim of conducting a multi-objective optimization of academic plate structures under dynamic loads, with stresses criterion and thicknesses parameters. The models previously defined are configured with thicknesses as parameters, and therefore don’t need to be re-assembled for each configuration. We now dispose of a powerful thickness-parametrized mixed reduced plate finite element model : it keeps the advantages of an easy access to the stresses and is free of its important size thanks to the reduction method and of its assembling thanks to the parametrization. The result is an original and efficient mechanical model that reduces the computational cost of classical optimization algorithms. That type of model, coupled with powerful genetic algorithms, permits a global optimization with a good overview of the solutions and promises interesting perspectives for industrial uses.

L'intégration sur puce d'opérations successives d'un protocole plus ou moins complexe d'analyse biologique ou chimique et mettant en jeu la circulation de petits volumes d'échantillons et de réactifs dans des canalisations de taille micrométrique constitue le coeur des technologies microfluidiques. Les technologies de réalisation de micro canalisations sont aujourd'hui bien maîtrisées. Cependant, la manipulation des fluides et l'intégration technologique des éléments de contrôle comme les valves, les actionneurs, les mélangeurs dans les micro canalisations posent des problèmes essentiellement liés aux très faibles dimensionnalités. Des solutions originales et pratiques pour manipuler des volumes très faibles (entre 1nl et 10nl) doivent être développées pour déplacer, mélanger ou séparer ces liquides. Dans ce cadre, nous avons proposé un projet de recherche ANR Blanc (PYRACT) animé par le LAAS et associant des équipes de recherche des laboratoires LCC et IRMCP. Les travaux de thèse s'insérant dans le cadre du projet PYRACT, ont porté sur la conception, la simulation et la réalisation d'un micro actionneur à base de matériau énergétique pour la manipulation de faibles quantités de fluides (10-100nl). L'actionneur, tel que nous l'avons conçu, consiste en une plate-forme chauffante sur laquelle sont déposés en couche très mince un matériau énergétique et une membrane élastique permettant de faire l'étanchéité entre le gaz d'actionnement et le fluide. Le principe de fonctionnement est simple : lorsque le matériau énergétique atteint 225°C, sa décomposition exothermique (333J/g) génère des gaz (N2, H2O, O2) qui augmentent la pression sous la membrane fine élastique (30¼m). La pression ainsi générée et la déformation induite de la membrane élastique permettent d'actionner le fluide dans la micro canalisation. Ce concept simple d'actionnement présente l'avantage d'être compact, intégrable directement dans la canalisation contenant le fluide à actionner, biocompatible, bas c oût et nécessite seulement quelques mW (quelques V) pour générer des surpressions qui peuvent être réglées entre quelques dizaines de kPa et quelques centaines de kPa. Son caractère monocoup le rend adapté aux applications portables et jetables. Tout d'abord, un modèle multi physique a été développé sous COMSOL pour simuler le fonctionnement de l'actionneur intégré dans une micro canalisation. Ensuite, un modèle global de conception a été construit permettant de prédire les performances de l'actionnement (pression, déformation, volume et vitesse du fluide éjecté) en fonction des caractéristiques de l'actionneur et de la puissance électrique d'actionnement. Enfin, deux démonstrateurs ont été fabriqués : un actionneur de 1mm²×100¼m et un de 0.25mm²×100¼m. Un travail important a porté sur l'intégration technologique en utilisant des procédés compatibles MEMS et microfluidique des différents matériaux (énergétique et de structure) sur des surfaces très petites et nécessitant des traitements de surface particuliers. Le principe d'actionnement a été validé.

Les métallurgistes d'ArcelorMittal développent actuellement une nouvelle génération d'aciers " flat carbon" dédiés principalement au domaine automobile (aciers Dual- Phase ou DP). Afin d'augmenter la performance des aciers au carbone, ArcelorMittal développe une stratégie de production intelligente basée sur un contrôle non destructif en ligne de production en utilisant le capteur 3MA (Multi-Parameter Micro-Magnetic Microstructure and Stress Analyzis). Ce système a été développé par l'Institut Fraunhôfer IZFP ; il est dédié à divers domaines d'applications de contrôle non destructifs des aciers en ligne. L'objectif principal de cette recherche est de simuler le comportement magnétique du dispositif industriel 3MA via la méthode des éléments finis. La modélisation du système (dispositif CND et échantillon) présente des difficultés au niveau du maillage et du temps de calcul surtout avec la mise en œuvre du modèle d'hystérésis. En effet, le système présente une géométrie multi échelles spatiale et temporelle. Afin de palier à ces problèmes, une stratégie de calcul a été développée et validée en 2D, en séparant calcul haute fréquence (HF) et basse fréquence (LF). Cette méthode permet d'effectuer des calculs en plusieurs fois et prend moins d'espace mémoire. Le modèle d'hystérésis de Jiles-Atherton a été choisi pour sa précision et a été implémenté dans le code FEM Flux afin de décrire le comportement magnétique du matériau. Les résultats obtenus sont en accord avec les données expérimentales.

Dans les dernières années, les incendies majeurs dans les tunnels ont causé des dommages importants. Dans ces conditions extrêmes (la température dépasse rapidement 1200 °C), l'augmentation de pression dans les pores, la dilatation thermique empêchée, l'incompatibilité de dilatation thermique entre la pâte du ciment et des granulats, la déshydratation ... sont des principaux mécanismes de dégradation qui peuvent être à l'origine de l'écaillage. L'écaillage progressif pendant l'incendie se manifeste par le détachement de la surface du béton par petits morceaux réduisant ainsi la section résistante et pouvant conduire à une rupture prématurée de la structure. Dans cette thèse, un modèle éléments finis THM est enrichi par un modèle d'écaillage progressif en proposant un critère d'écaillage de type détachement-flambement. La partie thermo-hydrique du modèle THM est basée sur l'approche à trois fluides en milieux partiellement saturés. Le comportement mécanique est développé dans le cadre d'une approche thermo-poro-mécanique couplée à l'endommagement et à la plasticité adoucissante. Cette modélisation de l'écaillage conduit à un problème avec frontière et conditions aux limites évolutives. Une stratégie de résolution numérique sans remaillage a été développée pour transférer les conditions aux limites THM simultanément avec l'occurrence de l'écaillage. L'implémentation du modèle dans le code aux éléments finis CESAR-LCPC a permis de procéder à différentes études paramétriques et à des confrontations avec des essais pour évaluer les capacités opérationnelles du modèle à décrire l'occurrence de l'écaillage et identifier les paramètres majeurs qui la contrôlent

Pour optimiser les structures des aéronefs, il est maintenant nécessaire de concevoir le matériau au " juste-besoin ", de façon à diminuer le ratio masse/performances. Par une bonne gestion du procédé de fabrication et un choix judicieux des matériaux constitutifs, les composites à renfort tissé et à matrice organique ont ce potentiel. Mais pour l'exploiter pleinement, de nouvelles approches adaptées à ce type de matériau doivent être développées. Pour cela, une chaîne de calcul multimodèle est proposée, permettant de prévoir les propriétés mécaniques élastiques saines ou endommagées du matériau à partir de ses paramètres de conception. Cette chaîne est établie à l'échelle mésoscopique, pour pouvoir prendre en compte la géométrie du renfort. Une procédure spéciale de création de maillages de cellules mésoscopiques de composites tissés a été développée, de façon à faire le lien entre la déformée du renfort après mise en forme, obtenue par simulation EF, et les autres modèles de la chaîne (injection de résine, cuisson du composite, comportement mécanique). Le bon fonctionnement de l'approche est montré par l'étude de deux cas-tests, un renfort de quatre plis de taffetas et un renfort de quatre plis de satin de 5, chacun compactés à différents niveaux et selon plusieurs configurations d'imbrication de plis. Enfin, pour anticiper la validation de la chaîne de modélisation, une étude expérimentale comparative entre plusieurs composites tissés compactés à différentes épaisseurs a été menée. Ce travail se place dans le cadre de la construction future d'une chaîne multiéchelle plus globale qui, parcourue dans le sens inverse, permettra de concevoir le matériau sur-mesure en fonction des performances structurales locales désirées.

Pour optimiser les structures des aéronefs, il est maintenant nécessaire de concevoir le matériau au « juste-besoin », de façon à diminuer le ratio masse/performances. Par une bonne gestion du procédé de fabrication et un choix judicieux des matériaux constitutifs, les composites à renfort tissé et à matrice organique ont ce potentiel. Mais pour l’exploiter pleinement, de nouvelles approches adaptées à ce type de matériau doivent être développées. Pour cela, une chaîne de calcul multimodèle est proposée, permettant de prévoir les propriétés mécaniques élastiques saines ou endommagées du matériau à partir de ses paramètres de conception. Cette chaîne est établie à l’échelle mésoscopique, pour pouvoir prendre en compte la géométrie du renfort. Une procédure spéciale de création de maillages de cellules mésoscopiques de composites tissés a été développée, de façon à faire le lien entre la déformée du renfort après mise en forme, obtenue par simulation EF, et les autres modèles de la chaîne (injection de résine, cuisson du composite, comportement mécanique). Le bon fonctionnement de l’approche est montré par l’étude de deux cas-tests, un renfort de quatre plis de taffetas et un renfort de quatre plis de satin de 5, chacun compactés à différents niveaux et selon plusieurs configurations d’imbrication de plis. Enfin, pour anticiper la validation de la chaîne de modélisation, une étude expérimentale comparative entre plusieurs composites tissés compactés à différentes épaisseurs a été menée. Ce travail se place dans le cadre de la construction future d’une chaîne multiéchelle plus globale qui, parcourue dans le sens inverse, permettra de concevoir le matériau sur-mesure en fonction des performances structurales locales désirées. / In order to optimize aeronautic structures, the manufacturing process must be tailored to the structural needs, with the aim of reducing the density/performance ratio. Polymer composites with woven reinforcements offer a large flexibility due to a vast choice of constituent materials and manufacturing process parameters. However, to entirely exploit their potential, new design methods specifically adapted to this type of material have to be developed. For this purpose, a modeling chain is proposed, which is able to predict the elastic properties of the intact or damaged material, by incorporating the manufacturing process parameters. The chain is built at the mesoscopic scale, to take into account the reinforcement geometry. A special procedure to generate finite element (FE) meshes of mesoscopic representative unit cells of woven composites has been developed, which links the deformation of the reinforcement, obtained from FE calculations, to the other models of the chain (resin injection, curing, and mechanical behavior). Two materials are studied to show the potential of the modeling chain: A four ply lay-up of a plain weave and of a satin weave fabric are considered, each of them having several compaction ratios and different nesting between the plies. With the aim of a validation of the modeling chain, multi-instrumented experimental tests have been carried out on several multi-layer plain weave composites with different thicknesses. In future applications, the proposed strategy will be placed in a toolbox able to design optimum woven composite structures based on local performance requirements.

La prédiction des déformations différées est d'une très grande importance pour l'étude de la durabilité et de l'aptitude au fonctionnement à long terme des structures en béton (ponts, enceintes de confinement de bâtiments réacteurs des centrales nucléaires, etc.). En effet, elles peuvent être à l'origine de la fissuration, de pertes de précontrainte, d'une redistribution des contraintes et même, plus rarement, de la ruine de l'ouvrage.<br /><br />L'objectif de ce travail est alors de développer des outils de calcul numérique, capable de prédire le comportement différé de structures en béton. Pour cela, un nouveau modèle hydromécanique du béton est développé, intégrant la description des phénomènes de séchage, de retrait, de fluage et de fissuration. La modélisation du retrait de dessiccation est basée sur une approche unifiée du fluage et du retrait. Les modèles de fluage propre et de fluage de dessiccation sont basés sur des mécanismes physico-chimiques plausibles, se produisant à différentes échelles d'observation de la pâte de ciment. Le modèle de fluage propre est associé à la micro-diffusion de l'eau adsorbée entre la porosité interhydrates et intrahydrates et la porosité capillaire, et au glissement des feuillets de C-S-H à l'échelle des nanopores. Le fluage de dessiccation est induit par la micro-diffusion de l'eau adsorbée à différentes échelles de porosité sous l'effet d'une sollicitation mécanique et hydrique combinée. Le retrait de dessiccation résulte, en effet, de la déformation élastique et différée du squelette solide, sous les effets de la pression capillaire et de la pression de disjonction. Le comportement mécanique du béton fissuré est modélisé en utilisant le formalisme de l'élastoplasticité endommageable orthotrope. La combinaison de ces phénomènes est effectuée dans le cadre de la mécanique des milieux poreux non saturés, en s'appuyant sur le concept des contraintes effectives.<br /><br />Ce modèle a été incorporé dans un code de calcul aux éléments finis. L'analyse du comportement différé d'éprouvettes et de structures en béton et en béton précontraint, soumises à des sollicitations hydriques et mécaniques combinées, est alors présentée.

Que ce soit dans le domaine médical ou en contrôle non destructif, les systèmes d'imagerie ultrasonore sont devenus de plus en plus utilisés de nos jours. Leurs applications ne cessent de s'élargir et des performances toujours plus accrues sont vivement recherchées, afin d'améliorer la qualité des diagnostics réalisés. Nous sommes donc passés de l'utilisation de systèmes à base de transducteurs ultrasonores mono-élément à des systèmes utilisant des réseaux de transducteurs à une dimension (1D) et à deux dimensions (2D) composés d'éléments de plus en plus nombreux et petits. Néanmoins, un phénomène indésirable est fortement présent dans ces réseaux de transducteurs ultrasonores : il s'agit du couplage inter-éléments tendant à limiter leurs performances acoustiques et à modifier leur diagramme de rayonnement. Tout au long de ce travail de recherche, nous avons donc cherché à comprendre ce phénomène parasite et à apporter des solutions pour le réduire voire le supprimer. En se basant sur des modélisations éléments finis 2D et 3D et grâce à la fabrication de prototypes, nous avons d'une part, mis en évidence les différents types de couplages présents dans un réseau de transducteurs (acoustique, mécanique) et d'autre part, deux méthodes de correction basées l'une comme l'autre sur l'application de tensions convenables aux différents éléments du réseau ont été testées. La première méthode utilise les déplacements normaux moyens à la surface de chaque élément du réseau pour évaluer ces tensions, tandis que la deuxième fait appel aux courants motionnels parcourant chaque élément pour les déterminer. Les résultats numériques et expérimentaux concernant les déplacements et les diagrammes de rayonnement sont en bon accord. En outre, les deux méthodes s'avèrent particulièrement efficaces pour réduire le couplage inter-éléments.

L'objectif de cette thèse est de développer un cylindre instrumenté pour mesurer sa déflexion dans les applications médicales. Deux types de matériaux sont utilisés pour le cylindre : l'acier inoxydable et le NiTi. Des microjauges sont réparties le long du cylindre pour mesurer en temps réel sa déformation, permettant ainsi de guider le cylindre à sa destination envisagée dans un geste chirurgical. Plusieurs approches pour la mesure de déformation sont présentées et comparées, et la mesure de déformation par les microjauges piézorésistives semiconductrices intégrées sur le cylindre paraît la méthode optimale en tenant compte de la sensibilité, la compatibilité biomédicale et la faisabilité en microfabrication. Des analyses théoriques et par méthode d'éléments finis sont effectués pour analyser le comportement mécanique du cylindre en flexion mais aussi pour positionner et dimensionner les microjauges piézorésistives sur le cylindre. Un premier prototype a été réalisé et caractérisé pour vérifier la fonctionnalité de notre système.La réalisation des microjauges sur les cylindres se déroule par la microfabrication en salle blanche. Le germanium est utilisé comme le matériau piézorésistif. A cause de la spécificité géométrique des cylindres en tant que le substrat de la microfabrication, de nombreuses modifications sont apportées au procédé de fabrication 'standard' pour le dépôt et l'usinage des matériaux en surface du substrat métallique courbe. Le résultat de microfabrication est présenté, ainsi que l'analyse et les améliorations éventuelles du procédé actuel.

Les bandes de compression, couramment utilisées pour le traitement de l’insuffisance veineuse, appliquent une pression sur la jambe, appelée pression d’interface, qui est le principe actif du traitement. L'objectif était de mieux comprendre les mécanismes influençant la pression exercée par une bande de compression sur le membre inférieur.En lien avec des médecins et un industriel, l’approche biomécanique proposée était composée d’une part expérimentale (mesures de pression d'interface) et d'une part numérique (modélisation éléments-finis de la pose d'une bande). Deux études préliminaires, expérimentale et numérique, ont montré la limite de l'utilisation de la Loi de Laplace (standard actuel) pour le calcul des pressions d’interface. Ces études ont soulevé des interrogations concernant l'éventuel impact des propriétés de surface des bandes (coefficient de frottement bande-bande) sur la pression. Elles ont aussi montré l’importance des déformations des tissus mous de la jambe induite par l'application de la bande. Deux méthodes de caractérisation mécanique ont donc été mises en place pour l’identification personnalisée des propriétés mécaniques des tissus mous de la jambe et la mesure du coefficient de frottement bande-bande.Un nouvel outil de prédiction des pressions d’interface a été développé grâce à la combinaison de la simulation numérique de la pose d’une bande et de la paramétrisation géométrique de la jambe puis il a été confronté aux mesures expérimentales.Finalement, une étude clinique a été réalisée pour étudier la pression exercée par la superposition de deux bandes de compression (pratique clinique très courante pour le traitement de l'ulcère veineux). / Compression bandages are commonly used for the treatment of chronic venous insufficiency. They apply a pressure onto the leg, called interface pressure, which is one of the key aspects of the treatment. The objective was to better understand the mechanisms impacting interface pressure applied by compression bandage on the lower leg. In collaboration with clinicians and a medical devices manufacturer, a biomechanical approach was proposed. This approach was composed of experimental pressure measurements and the numerical simulation of bandage application. Two preliminary studies, experimental and numerical, showed the limitations of the use of Laplace’s Law (current standard) for interface pressure computation. These studies also questioned the possible impact of bandage surface properties (bandage-to-bandage friction coefficient) on interface pressure. They also showed the need to consider soft tissues deformation induced by bandage application. Two characterization methods were designed for the identification of patient-specific soft tissue mechanical properties and the measurement of bandage-to-bandage friction coefficient. A new methodology for the prediction of interface pressure was developed thanks to the combination of the numerical simulation of bandage application and the leg geometry parametrization. The results were then confronted to experimental measurements. Finally, a clinical study was designed to investigate the pressure applied by superimposed compression bandages (very common in clinical practice for the treatment of venous ulcers).