In der vorliegenden Arbeit wird eine Prozedur zur Ordnungsreduktion von Finite Elemente Modellen mikromechanischer Struktur mit elektrostatischem Wirkprinzip entwickelt und analysiert. Hintergrund der Ordnungsreduktion ist eine Koordinatentransformation von lokalen Finite Elemente Koordinaten in globale Koordinaten. Die globalen Koordinaten des reduzierten Modells werden durch einige wenige Formfunktionen beschrieben. Damit wird das Makromodell nicht mehr durch lokale Knotenverschiebungen beschrieben, sondern durch globale Formfunktionen, welche die gesamte Deformation der Struktur beeinflussen. Es wird gezeigt, dass Eigenvektoren der linearisierten mechanischen Struktur einfache und effiziente Formfunktionen darstellen. Weiterhin kann diese Methode für bestimmte Nichtlinearitäten und für verschiedene in Mikrosystemen auftretende Lasten angewendet werden. Das Ergebnis sind Makromodelle, die über Klemmen in Systemsimulatoren eingebunden werden können, die Genauigkeiten einer Finite Elemente Analyse erreichen und für Systemsimulationen typische Laufzeitverhalten besitzen.

1. Einführung in die Theorie dynamischer Analysen mit Creo Simulate 2. Modalanalysen (Standard und mit Vorspannung) 3. Dynamische Analysen einschließlich Klassifizierung der Analysen; einige einfache Beispiele für eigene Studien (eine Welle unter Unwuchtanregung und ein Ein-Massen-Schwinger) sowie etliche Beispiele größerer dynamischer Systemmodelle aus unterschiedlichsten Anwendungsbereichen 4. Feedback an den Softwareentwickler PTC (Verbesserungsvorschläge und Softwarefehler) 5. Referenzen / 1. Introduction to dynamic analysis theory in Creo Simulate 2. Modal analysis (standard and with prestress) 3. Dynamic analysis, including analysis classification, some simple examples for own self-studies (shaft under unbalance excitation and a one-mass-oscillator) and several real-world examples of bigger dynamic systems 4. Feedback to the software developer PTC (enhancement requests and code issues) 5. References

The lecture was presented on November 18, 1991. This presentation focused on the only two compositions for solo flute and orchestra by Ernest Bloch. Written during the last three years of the composer's life, the pieces are representative of his last style period. While Suite Modale is neobaroque in style, Two Last Poems is much more subjective. Together they represent a synthesis of many of the stylistic characteristics of Ernest Bloch. The musical parameters discussed included form, melody, texture, rhythm, harmony, and expressive devices.

Dans le monde industriel comme dans le monde scientifique, le développement de capteurs a toujours répondu à la volonté d’observer l’inobservable. La caméra rapide fait partie de ceux-là puisqu’elle permet de dévoiler des dynamiques invisibles, de la formation de fissure au vol du moustique. Dans un environnement extrêmement concurrentiel, ces caméras sont principalement limitées par le nombre d’images acquises par seconde. Le but de cette thèse est d’augmenter la capacité de dévoiler la dynamique invisible en enrichissant l’acquisition initiale par des modèles dynamiques. La problématique consiste alors à élaborer des méthodes permettant de relier en temps réel un modèle et la perception d’un système réel. Les bénéfices de cette utilisation offrent ainsi la possibilité de faire de l’interpolation, de la prédiction et de l’identification. Cette thèse est composée de trois parties. La première est axée sur la philosophie du traitement vidéo et propose d’utiliser des modèles élémentaires et génériques. Un algorithme d’estimation de grands mouvements est proposé mais l’approche actuellement proposée n’est pas assez générique pour être exploitée dans un contexte industriel. La deuxième partie propose d’utiliser des méthodes d’assimilation de données séquentielle basées sur la famille des filtres de Kalman afin d’associer un modèle avec des observations par caméras rapides pour des systèmes mécaniques. La troisième partie est une application à l’analyse modale expérimentale non linéaire. Deux schémas d’assimilation temps réel multicapteurs sont présentés et leur mise en œuvre est illustrée pour de la reconstruction 3D et de la magnification. / The development of sensors has always followed the ambition of industrial and scientific people to observe the unobservable. High speed cameras are part of this adventure, revealing invisible dynamics such as cracks formation or subtle mosquito flight. Industrial high speed vision is a very competitive domain in which cameras stand out through their acquisition speed. This thesis aims to broaden their capacity by augmenting the initial acquisition with dynamic models. This work proposes to develop methods linking in real time a model with a real system. Aimed benefits are interpolation, prediction and identification. Three parts are developed. The first one is based on video processing and submits to use kinematic elementary and generic models. An algorithm of motion estimation for large movements is proposed but the generic nature does not allow a sufficient knowledge to be conclusive. The second part proposes using sequential data assimilation methods known as Kalman filters. A scheme to assimilate video data with a mechanical model is successfully implemented. An application of data assimilation in modal analysis is developed. Two multi sensors real time assimilation schemes for nonlinear modal identification are proposed. These schemes are integrated in two applications on 3D reconstruction and motion magnification.

L’objectif de ce travail est de proposer une méthode d’analyse de vulnérabilité sismique adaptée à l’étude d’un patrimoine historique complet très étendu, indépendamment de la renommée de chaque bâtiment. En effet la grande vulnérabilité sismique du patrimoine ancien, très souvent en maçonnerie, impose, afin d’éviter tout dommage irréparable, de se donner les moyens d’intervenir en amont. Notre démarche doit donc répondre à trois impératifs principaux: développer des outils de choix à grande échelle afin de hiérarchiser les besoins, offrir une analyse pertinente du comportement sous séisme d'une structure historique maçonnée même en première approche, et trouver des méthodes pour gérer le nombre important d’incertitudes qui caractérise le diagnostic des édifices anciens. Pour ce faire, nous étudions les églises et chapelles baroques des hautes vallées de la Savoie française, témoignages d'une période particulièrement prospère dans l'histoire de la Savoie et d'un mouvement artistique unique dans un environnement hostile. Dans ce contexte nous avons donc développé ou adapté différents outils afin de pouvoir traiter les particularités des édifices anciens et utiliser pour des édifices anciens en maçonnerie rustique les potentialités des techniques proposées pour les édifices modernes : modélisations numériques non-linéaires dynamiques temporelles, mesures vibratoires in-situ, analyse multi modale non-linéaire. / The aim of this thesis is to propose a seismic vulnerability assessment method well suited to the study of a complete historical heritage, regardless of the prestige of each building. Indeed the great seismic vulnerability of the historical heritage, often in masonry, requires to act preventively in order to avoid irreparable damage. Our approach must tackle three main requirements: to develop large-scale tools of choice to prioritize the needs, to provide relevant analysis of seismic behavior on the structural scale even in the first study, and to manage the large number of uncertainties characterizing the old buildings structural assessment. To this aim, we study the baroque churches and chapels in the high valleys of the French Savoie. They witness to a particularly prosperous period in the history of Savoy and a unique artistic movement adapted to a harsh environment. In this context we have therefore developed or adapted different tools in order to handle the peculiarities of the old buildings. This way we can use the today proposed techniques for modern buildings to study these ancient buildings in rustic masonry: non-linear temporal dynamics numerical modeling, vibratory in situ measurements, non-linear multi modal analysis.

Lors de l'étude du comportement des systèmes mécaniques, les modèles mathématiques et les paramètres structuraux sont généralement considérés déterministes. Néanmoins, le retour d'expérience montre que ces éléments sont souvent incertains, dû à une variabilité naturelle ou manque de connaissance. La quantification de la qualité et la fiabilité du modèle numérique d'un assemblage industriel reste alors une question majeure en dynamique basse-fréquence. L'objectif de cette thèse est d'améliorer le dimensionnement vibratoire des assemblages boulonnés par la mise en place d'un modèle dynamique de connecteur prenant en compte différents types et sources d'incertitudes sur des paramètres de raideur, de manière simple, efficace et exploitable dans un contexte industriel. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du projet SICODYN, piloté par EDF R&D, visant à caractériser et quantifier les incertitudes sur le comportement dynamique des assemblages industriels boulonnés sous les aspects numérique et expérimental. Des études comparatives de plusieurs méthodes numériques de propagation d'incertitudes montrent l'avantage de l'utilisation de la théorie des méconnaissances. Une caractérisation expérimentale des incertitudes dans les structures boulonnées est réalisée sur un banc d'essai dynamique et sur un assemblage industriel. La propagation de plusieurs faibles et fortes incertitudes à travers différents modèles dynamiques d’assemblages mécaniques permet d'aboutir à l’évaluation de l'efficacité de la théorie des méconnaissances et son applicabilité en milieu industriel. / When studying the behaviour of mechanical systems, mathematical models and structural parameters are usually considered deterministic. Return on experience shows however that these elements are uncertain in most cases, due to natural variability or lack of knowledge. Therefore, quantifying the quality and reliability of the numerical model of an industrial assembly remains a major question in low-frequency dynamics. The purpose of this thesis is to improve the vibratory design of bolted assemblies through setting up a dynamic connector model that takes account of different types and sources of uncertainty on stiffness parameters, in a simple, efficient and exploitable in industrial context. This work has been carried out in the framework of the SICODYN project, led by EDF R&D, that aims to characterise and quantify, numerically and experimentally, the uncertainties in the dynamic behaviour of bolted industrial assemblies. Comparative studies of several numerical methods of uncertainty propagation demonstrate the advantage of using the Lack-Of-Knowledge theory. An experimental characterisation of uncertainties in bolted structures is performed on a dynamic test rig and on an industrial assembly. The propagation of many small and large uncertainties through different dynamic models of mechanical assemblies leads to the assessment of the efficiency of the Lack-Of-Knowledge theory and its applicability in an industrial environment.

La dynamique des structures assemblées est un sujet de recherche actuel. En particulier, une prédiction correcte de l'amortissement apporté par les liaisons vissés est devenu une condition essentiel pour un certain nombre d'applications, comme par exemple les avions et les véhicules spatiaux. En effet, pour ces applications, l’utilisation de matériaux avec un coefficient d'amortissement plus élevée, comme des matériaux visco-élastiques, est limité par les conditions de fonctionnement.Ces travaux apportent deux contributions principales. La première porte sur la phase de conception et modélisation, avec la création d'un système de connecteurs pour la reproduction des comportements normal et tangentiel d'une liaisons vissée. Cela est accomplie en considérant seulement les données physiques de la liaison et des surfaces en contact.La deuxième contribution concerne l’évaluation des propriétés dynamiques non-linéaires des assemblages. Un set d'outils de post-traitement utilisant le filtre de Kalman est développé pour réaliser une analyse modale non-linéaire pour les types d'essais les plus communs: les essais aux chocs, les essais en balayage sinus, et les essais en sinus aléatoire.Les méthodes développées ont été appliqués et évaluées sur une structure boulonnée réel, en soulignant les avantages et les inconvénients. Notamment, le filtre de Kalman permet une meilleure précision sur les paramétrés identifiés, mais le procédé d’initialisation du filtre est le problème principal. Une automatisation partiel de l’initialisation est prévu, ainsi que des conseils pratiques grâce à l’expérience acquise sur le sujet. / Bolted structures dynamics is an ongoing research topic. In particular, a correct prediction of the damping provided by bolted joints has became an essential requirement for a certain number of applications, such as aircrafts and space vehicles. In fact, for these applications, the use of materials with higher damping coefficients is limited by environmental conditions.This work provides two main contributions. The first one concerns the design and modeling phase, with the creation of a finite element connectors' system, that reproduces the bolted joint normal and tangential behaviors. The latter is accomplished only by taking into account readily available physical data, such as the bolted joint dimensions and the properties of the surfaces in contact. The second contribution regards the evaluation of assembled structures' nonlinear dynamic properties. A set of post-processing tools making use of the Kalman filter is developed to perform a nonlinear modal analysis for the most common types of experimental tests: impact hammer tests, sweep sine tests, and random vibration tests.The developed methods are then applied and evaluated on a real bolted structure, pointing out advantages and drawbacks. In particular, the Kalman filter allows for a higher accuracy in the determination of modal parameters, but the filter initialization is the main problem. A partial automation of the initialization task is provided, together with practical tips thanks to the experience gained on the subject.

L’industrie automobile fournie de plus en plus d’effort pour optimiser l’aérodynamique externe des véhicules afin de réduire son empreinte écologique. Dans ce cadre, l’objectif de ce projet est d’examiner les structures tourbillonnaires responsables de la dégradation de traînée et de proposer une solution de contrôle actif permettant d’améliorer l’efficacité aérodynamique d’un véhicule SUV. Après une étude expérimentale de la maquette POSUV échelle réduite, une analyse modale croisée permet d’identifier les structures périodiques corrélées de l’écoulement qui pilotent la dépression sur le hayon. Une solution de contrôle optimale par jets pulsés sur le parechoc arrière, est obtenue avec un algorithme génétique. Celle-ci permet de réduire la dépression du hayon de 20% et l’analyse croisée des résultats instationnaires avec contrôle montre un changement significatif de la distribution spectrale. Après deux études préliminaires sur la rampe inclinée à 25° et sur le Corps d’Ahmed à 47°, la simulation de POSUV à partir d’un solveur LES, en éléments finis, est validé par rapport aux résultats expérimentaux. L’approfondissement des résultats 3D permet de comprendre les pertes aérodynamiques. La simulation de l’écoulement contrôlé permet également d’identifier les mécanismes du contrôle d’écoulements. / The automotive industry dedicates a lot of effort to improve the aerodynamical performances of road vehicles in order to reduce its carbon footprint. In this context, the target of the present work is to analyze the origin of aerodynamic losses on a reduced scale generic Sport Utility Vehicle and to achieve a drag reduction using an active flow control strategy. After an experimental characterization of the flow past the POSUV, a cross-modal DMD analysis is used to identify the correlated periodical features responsible for the tailgate pressure loss. Thanks to a genetic algorithm procedure, 20% gain on the tailgate pressure is obtained with optimal pulsed blowing jets on the rear bumper. The same cross-modal methodology allows to improve our understanding of the actuation mechanism. After a preliminary study of the 25° inclined ramp and of the Ahmed Body computations, the numerical simulation of the POSUV is corroborated with experiments using the cross-modal method. Deeper investigations on the three-dimensional flow characteristics explain more accurately the wake flow behavior. Finally, the controlled flow simulations propose additional insights on the actuation mechanisms allowing to reduce the aerodynamic losses.

Le contrôle des tourbillons de sillages d'aéronefs permet de réduire leur dangerosité et d'augmenter par conséquent le débit de décollages et d'atterrissages dans les aéroports. Ce contrôle permettrait également d'agir sur la formation des rainées de condensation et des cirrus artificiels en haute atmosphère dans le but de réduire le forçage radiatif terrestre causé par l'aviation. Brion (2014) ont montré par analyse de stabilité modale que le dipôle de Lamb-Chaplygin, souvent utilisé comme un modèle représentatif des tourbillons de sillage en champ lointain, est bidimensionnellement instable à des nombres de Reynolds faibles. Nous étendons premièrement cette analyse de stabilité modale bidimensionnelle à des modèles de dipôles plus réalistes, pour une large gamme de rapport d'aspect, et obtenons, à faibles nombre de Reynolds, des instabilités de même nature (modes de déplacement) que pour le dipôle de Lamb-Chaplygin. Nous montrons cependant que la croissance des instabilités observées dépend fortement du rapport d'aspect du dipôle, et que cette croissance est fortement diminuée lorsque la diffusion du dipôle est prise en compte. Nous étudions ensuite la stabilité bidimensionnelle transitoire en champ lointain (dipôles) et en champ proche (nappes de vorticité), en atmosphères homogène et stratifiée. Dans tous les cas, les perturbations optimales sont des spirales de vorticité orientées à contre-cisaillement et situées en périphérie des tourbillons, qui conduisent in fine aux instabilités écrites par l'analyse modale grâce à un mécanisme de contamination du cœur des tourbillons, initialement identifié par Antkowiak & Brancher 2004 sur un tourbillon isolé. / Aircraft wake vortex control allows for reducing of their dangerousness and consequently improve airport take-off / landing requencies. Contrails and artificial cirrus clouds formation could also be influenced through this control of wake vortices and allow for reducing of terrestrial radiative forcing generated by aviation. Brion (2014) have shown by a modal stability analysis that the Lamb-Chaplygin dipole, often used as a far-field model for aircraft wake vortices, is unstable to two-dimensional perturbations at Iow Reynolds numbers. We first extend this twodimensional modal stability analysis to more realistic dipole models, for a Wide range of aspect ratios, and obtain, for Iow Reynolds numbers, instabilities of the same nature (displacement modes) as for the Lamb-Chaplygin dipole. However, we show that the growth of those modes depends greatly on the dipole aspect ratio, and that this growth is greatly diminished hen the dipole diffusion is taken into account. We then study two-dimensional transient growth for far-field models (dipoles) and near-field models (vorticity sheets), in homogeneous and stratified atmospheres. ln all cases, optimal perturbations are vorticity spirals oriented against shear and located at the periphery of the vortices, which eventually lead to development of the instabilities described in the modal analysis through a contamination mechanism of the vortex cores, initially identified by Antkowiak & Brancher (2004) for an isolated vortex.

Dans le cadre de la protection du bâti face au risque sismique, les techniques d’analyse simplifiées, basées sur des calculs quasi-statiques en poussée progressive, se sont fortement développées au cours des deux dernières décennies. Le travail de thèse a pour objectif d’optimiser une stratégie d’analyse simplifiée proposée par Chopra et al. (2001) et adoptée par les normes américaines FEMA 273. Il s’agit d’une analyse modale non linéaire découplée, dénommée par les auteurs UMRHA qui se caractérisent principalement par : des calculs de type pushover selon les modes de vibration dominants de la structure, la création de modèles à un degré de liberté non linéaire à partir des courbes de pushover, puis le calcul de la réponse temporelle de la structure en recombinant les réponses temporelles associées à chaque mode de vibration. Dans ce travail, la méthode UMRHA a été améliorée en investiguant les points suivants. Tout d’abord, plusieurs modèles à un degré de liberté non linéaire déduits des courbes de pushover modal sont proposés afin d’enrichir la méthode UMRHA originelle qui emploie un simple modèle élasto-plastique : autres modèles élasto-plastiques avec des courbes enveloppes différentes, le modèle de Takeda prenant en compte un comportement hystérétique propre aux structures sous séismes, et enfin, un modèle simplifié basé sur la dégradation de fréquence en fonction d’un indicateur de dommage. Ce dernier modèle à un degré de liberté privilégie la vision de la chute de fréquence au cours du processus d’endommagement de la structure par rapport à une description réaliste des boucles d’hystérésis. La réponse totale de la structure est obtenue en sommant les contributions non linéaires des modes dominants aux contributions linéaires des modes non dominants. Enfin, la dégradation des déformées modales, due à l’endommagement subi par la structure au cours de la sollicitation sismique, est prise en compte dans la méthode M-UMRHA proposée dans ce travail, en généralisant le concept précédent de dégradation des fréquences modales en fonction d’un indicateur de dommage : la déformée modale devient elle-aussi dépendante d’un indicateur de dommage, le déplacement maximum en tête de l’ouvrage ; l’évolution de la déformée modale en fonction de cet indicateur est directement identifiée à partir des calculs de pushover modal. La pertinence de la nouvelle méthode M-UMRHA est investiguée pour plusieurs types de structures, en adoptant des modélisations éprouvées dans le cadre de la simulation des structures sous séismes : portique en béton armé modélisé par des éléments multifibres pour le béton et les armatures, remplissage en maçonnerie avec des éléments barres diagonales résistant uniquement en compression, bâti existant contreventé (Hôtel de Ville de Grenoble) avec des approches coques multicouches. Les résultats obtenus par la méthode simplifiée proposée sont comparés aux résultats de référence issus de l'analyse temporelle non linéaire dynamique. / In the context of building’s protection against seismic risk, simplified analysis techniques, based on quasi-static analysis of pushover, have strongly developed over the past two decades. The thesis aims to optimize a simplified method proposed by Chopra and Goel in 2001 and adopted by American standards FEMA 273. This method is a nonlinear decoupled modal analysis, called by the authors UMRHA (Uncoupled Modal for Response History Analysis) which is mainly characterized by: pushover modal analysis according to the dominant modes of vibration of the structure, setting up nonlinear single degree of freedom systems drawn from modal pushover curves, then determining the history response of the structure by combining of the temporal responses associated with each mode of vibration. The decoupling of nonlinear history responses associated with each mode is the strong assumption of the method UMRHA. In this study, the UMRHA method has been improved by investigating the following points. First of all, several nonlinear single degree of freedom systems drawn from modal pushover curves are proposed to enrich the original UMRHA method, in which a simple elastic-plastic model is used, other elastic-plastic models with different envelope curves, Takeda model taking into account an hysteretic behavior characteristic of structures under earthquakes, and finally, a simplified model based on the frequency degradation as a function of a damage index. The latter nonlinear single degree of freedom model privileges the view of the frequency degradation during the structure damage process relative to a realistic description of hysteresis loops. The total response of the structure is obtained by summing the contributions of the non linear dominant modes to those of linear non dominant modes. Finally, the degradation of the modal shapes due to the structure damage during the seismic loading is taken into account in the new simplified method M-UMRHA (Modified UMRHA) proposed in this study. By generalizing the previous model of frequency degradation as a function of a damage index: the modal shape becomes itself also dependent on a damage index, the maximum displacement at the top of the structure; the evolution of the modal shape as a function of this index is directly obtained from the modal pushover analysis. The pertinence of the new method M-UMRHA is investigated for several types of structures, by adopting tested models of structures simulation under earthquakes: reinforced concrete frame modeled by multifibre elements with uniaxial laws under cyclic loading for concrete and steel, infill masonry wall with diagonal bars elements resistant only in compression, existing building (Grenoble City Hall) with multilayer shell elements and nonlinear biaxial laws based on the concept of smeared and fixed cracks. The obtained results by the proposed simplified method are compared to the reference results derived from the nonlinear response history analysis.