De nos jours, les évolutions technologiques imposent aux ingénieurs de modéliser desphénomènes toujours plus multiphysiques et complexes tout au long du processus dedéveloppement d’un système : le cycle en V. Pour cela, il est primordial d’avoir à disposition desoutils adaptés et performants, afin de réduire les temps de mise sur le marché, tout en obtenantdes produits plus matures et plus économes en énergie. Les travaux présentés ici décrivent lamise en place d’une plate-forme de prototypage virtuel et l’intérêt d’intégrer des considérationsénergétiques dans toutes les étapes de la modélisation. Cette approche permet, par exemple, dequantifier l’efficacité d’un système et de ses composants, et donc d’optimiser au plus tôt le coûténergétique d’une solution technique. Nous avons, dans un second temps, souhaité répondre àla problématique du « modèle le plus adapté ». Après analyse des différentes méthodes deréduction de modèles, nous avons décidé de développer la méthode PEMRA permettant depallier les limitations de la méthode MORA, introduite par Louca et al. en 1997. Les variables depuissance et d’énergie introduites précédemment sont utilisées pour calculer deux nouveauxcritères dans le processus de réduction de modèles, permettant de converger vers un modèleréduit plus simple et plus précis qu’avec la méthode MORA. Nous montrons enfin qu’enchoisissant judicieusement le signal d’excitation et un critère dit de précision temporelle adapté, ilest possible, par une approche innovante à la fois énergétique et fréquentielle, de trouver unmodèle réduit mieux adapté aux exigences imposées par l’utilisateur. / Nowadays, technological evolutions are leading engineers to model increasingly multiphysic andcomplex phenomena throughout the systems design process: the V-cycle. Adapted and efficientsystems design tools are therefore necessary in order to reduce time-to-market, while stillensuring fully developed and energy-saving products. First, this work describes the set-up of avirtual prototyping platform and highlights the interest of integrating energetic aspects in allmodelling stages. For example, this approach enables to quantify the system and components’efficiency, and therefore to optimise earlier in the process the energy consumption of a technicalsolution. Secondly, the problematic of the “Proper Model” has been addressed. After the study ofthe model reduction methodologies, we decide to develop PEMRA in order to compensate forlimitations of the MORA methodology, introduced by Louca et al. in 1997. The previous powerand energy variables are then used to compute two new model reduction criteria, in order toobtain a simpler and more accurate reduced model than with MORA methodology. Finally, weshow that a well-defined excitation signal and a new adapted temporal validation criterion willlead, with this innovative energy- and frequency-based approach, to a better suited reducedmodel.

Les mécanismes dynamiques et de transport mis en jeu dans le plasma d'arc et le bain de fusion d'une opération de soudage à l'arc sont nombreux et fortement couplés. Ils produisent un milieu dont les grandeurs présentent des variations temporelles rapides et des gradients très marqués qui rendent toute analyse expérimentale complexe dans cet environnement fortement perturbé. Dans ce travail, on s'intéresse aux procédés TIG et MIG. Une plateforme expérimentale a été développée pour permettre la mesure synchronisée de différentes grandeurs physiques associées au soudage (paramètres procédé, températures, efforts de bridages, transferts métalliques, etc.). Des librairies numériques dédiées aux études appliquées au soudage à l'arc sont également développées. Elles permettent le traitement de flux important de données (signaux, images) de manière systématique et globalisée. L'intérêt de cette approche pour l'enrichissement de la simulation numérique et le contrôle des procédés à l'arc est illustré dans différentes situations. Enfin, cette approche expérimentale est utilisée, dans le cadre de l'application choisie, pour obtenir des mesures suffisamment riches pour décrire le comportement dynamique du bain de fusion en P-GMAW. Une analyse dimensionnelle de ces mesures expérimentales permet d'identifier les mécanismes prépondérants qui interviennent et de déterminer expérimentalement les temps caractéristiques associés. Ce type d'approche permet notamment de mieux décrire le comportement d'une macro-goutte de métal fondu ou les phénomènes intervenant dans les problèmes de humping. / The dynamic and transport mechanisms involved in the arc plasma and the weld pool of arc welding operationsare numerous and strongly coupled. They produce a medium whose magnitudes exhibit rapid time variations and gradients very marked which make any experimental analysis complex in this disrupted environment. In this work, we study the TIG and MIG processes. An experimental platform was developed to allow synchronized measurement of various physical quantities associated with welding (process parameters, temperatures, clamping forces, metal transfer, etc.). Numerical libraries dedicated to applied studies in arc welding are developed. They allow to treat large flow of data (signals, images) in a systematic and global method. The advantages of this approach for the enrichment of numerical simulation and arc process control are shown in different situations. Finally, this experimental approach is used in the context of the chosen application, to obtain rich measurements to describe the dynamic behavior of the weld pool in P-GMAW. Dimensional analysis of these experimental measurements allows to identify the predominant mechanisms involved and determine experimentally the characteristic times associated. This type of approach includes better describe for the behavior of a macro-drop of molten metal or the phenomena occurring in the humping instabilities.

Dans cette thèse, nous nous sommes particulièrement intéressés au cas d'adsorptions compétitives sur des zéolithes, de molécules polaires en phase gaz, sous irradiation micro-ondes. Dans un premier temps, nous avons étudié de façon approfondie les mécanismes d'interactions onde-matière sur des systèmes adsorbant-adsorbant à l'aide de mesures de permittivités. Dans un second temps, des adsorptions ont été effectuées à l'échelle pilote et ont permis d'analyser les possibilités réelles, offertes par les micro-ondes. Le procédé de régénération adsorbant sous micro-ondes a été décrit à l'aide d'un modèle multi-physique et validé expérimentalement. Un procédé de purification d'un courant gazeux humide chargé en COV apolaire a été proposé. Ce procédé permet une récupération sélective et efficace des molécules d'eau et de toluène. Ce procédé s'appuie sur les différences de sélectivités d'adsorption de plusieurs zéolithes, ainsi que sur leurs pertes diélectriques contrastées. / In this thesis, we particularly focused on competitive sorption of polar/apolar gaseous mixtures on zeolites under microwave irradiations. In a first step, we precisely studied wave-material mechanisms occuring between an electromagnetic wave and an adsorbat-adsorbent couple by studying thier dieclectric properties. In a second step, co-sorptions under microwave on a bench test have been realised and analysed. They showed the real advantages that microwave can bring to tjis process. Then, a regeneration process have benn described with a pmutiphysic modelling and experimentally validated. A purification process of a humide gas flow loaded with an apolar VOC have been proposed. The case of toluene, as an apolar compound, has been experimentally treated. This process allows an efficient and selective recovery of water and toluene molecules. This process uses the sorption selectivity properties of several zeolites and their contrasted dielectric losses.

La tendance actuelle dans le domaine du transport ferroviaire est d'intégrer des modules de puissance de plus en plus puissants dans des volumes de plus en plus réduits. Cela pose des problèmes, notamment en termes de fiabilité, car lors de leurs cycles de fonctionnement, les interrupteurs à semi-conducteurs et leur environnement immédiat sont soumis à des contraintes électro-thermo-mécaniques plus sévères. Cela peut entraine leur destruction et donc la défaillance de la fonction de conversion d'énergie. L'objectif principal de cette thèse est de décrire des modèles et des outils de simulation multi-physiques afin de caractériser ces contraintes. Nous avons choisi comme cas d'étude les fils de connexion dits «wire bonding». Ces fils sont, en effet, considérés comme l'un des points faibles en ce qui concerne la durée de vie des modules de puissance, utilisés dans les systèmes embarqués notamment dans le ferroviaire. Dans ce contexte multi-physique, nous avons développé des modèles, numériques, éléments finis, analytiques, 3D ou 1D, afin de déterminer les contraintes thermomécaniques lors du passage du courant dans ces fils. A travers les modèles décrits et les résultats de simulation présentés, nous caractérisons le comportement des fils d'un point de vue électrique, thermique, magnétique ou mécanique. Plus précisément les interactions électromagnétiques, électrothermiques, électromécaniques ou thermomécaniques entre modèles et entre outils de simulation sont discutées. Les résultats sont confrontés aux mesures thermiques et de déplacement. Ces dernières sont réalisées par le biais de prototypes expérimentaux. Le mode de sollicitation utilisé est dit actif. Un régime de courant, continu ou alternatif, est appliqué au système. La réponse thermique et mécanique du système est alors obtenue. Les conclusions de cette étude permettent d'une part de mieux caractériser le comportement électro thermomécanique des fils de bonding et de mieux comprendre l'origine des modes de défaillance de cette technologie d'interconnexion. D'autre part, une démarche d'utilisation des modèles et outils logiciels multi physiques pour une simulation électro thermomécanique est présentée / The trend in the field of railway transport is to integrate increasingly powerful power modules in smaller volumes. This is problematic, especially in terms of reliability: during their cycles of operation, the semiconductor switches and their immediate environment are subject to tougher electro-thermo-mechanical stresses. This can lead to their destruction and then, to the failure of the energy conversion function. The main goal of this work is to describe the models and multi-physics simulation tools to characterize these stresses. We chose as a case study the connection wire called “wire bonding”. These wires are, indeed, considered one of the weaknesses of the life time of the power module used in embedded systems, particularly in railway applications. In this multi-physics context, we have developed numerical, finite elements, analytical, 3D or 1D models to determine the thermo-mechanical stresses during the current flow through the wires. Thanks to the models described and the simulation results presented, we characterize the behavior of the wire for an electrical, thermal, magnetic or mechanical point of view. More precisely, the electro-magnetic, electro-thermal, electro-mechanical or thermo-mechanical interactions between models and between simulation tools are discussed. The results are compared to thermal and displacement measurements. They are realized thanks to experimental prototypes. The type of solicitation is called active. A system of direct or alternating current is applied to the system. The thermal and mechanical response of the system is obtained. The conclusions of this study allow, on the one hand, characterizing the electro thermo-mechanical behavior of wires bonding and understanding the origin of the failure modes of this technology. On the other hand, a way of using models and multi-physics software tools for an electro thermo-mechanical simulation is presented

Des MEMS supraconducteurs ont été développés par l’IRAM pour des besoins instrumentaux dans les récepteurs hétérodyne large bande en millimétrique. Dans ce mémoire, la caractérisation de ces MEMS capacitifs par des mesures profilométriques, vibrométriques, aux rayons X , électriques et thermiques est présentée. Ils ont en outre été modélisés avec un modèle analytique électromécanique simple. Ce modèle est complété par un schéma équivalent haute fréquence semi-distribué facilement implantable dans le simulateur multiphysique COMSOL pour prendre en compte la supraconductivité. Ce travail a permis de déterminer quelles géométries de ces MEMS sont satisfaisantes pour une utilisation dans les récepteurs hétérodyne large bande en hyperfréquence. / Superconducting MEMS were developed by IRAM for millimetre wave heterodyne receivers improvements. In this report, the characterization of these capacitive MEMS is presented (profilometry, vibrometry, X rays, electric and thermal). They were described with a simple analytical electromechanical model which can be easily implemented with an equivalent high frequency circuit in the COMSOL multiphysic software to take into account the superconductivity. This work answers to the question of what are the MEMS geometries well suited for broadband heterodyne receivers requirements.

L'objectif de ce travail de thèse est de dégager des méthodes et des outils permettant de mieux comprendre le rôle joué par les phénomènes de transport (cellulaire, hydraulique et chimique) dans la mise au point de stratégies thérapeutiques de réparation osseuse. Pour cela, nous avons choisi d'associer deux approches : la réalisation d'études expérimentales et la mise au point de modèles numériques. Nous avons ainsi pu, lors d'une première étude présentée dans le chapitre 2 de ce document, relier la perméabilité intrinsèque d'un milieu poreux, paramètre déterminant dans l'étude du transport de fluide en son sein, à la structure géométrique de ses pores. Nous avons également mis en évidence l'importance des interactions électrochimiques lors de la progression d'une solution ionique (telle que les fluides physiologiques) à travers le tissu osseux, en raison de la structure poreuse et de la composition chimique (présence de fibres de collagènes chargées par exemple) de ce dernier. Ces outils ont ensuite permis d'analyser, en première approche, les résultats expérimentaux obtenus lors de la réalisation de tests de perméabilité sur des échantillons de périoste fémoral ovin, dans le but d'identifier les phénomènes physico-chimiques à l'origine du comportement particulier de cette membrane (chapitre 5). Nous nous sommes par ailleurs intéressés au développement d'implants osseux associant un substrat minéral biocompatible et des cellules souches mésenchymateuses, afin de favoriser une reconstruction tissulaire en volume des lésions de grande taille. Nous avons ainsi pu mettre en place, dans le chapitre 3, un dispositif expérimental permettant de réaliser de manière reproductible un test d'ensemencement cellulaire et d'évaluer le nombre, la répartition et le taux de viabilité des cellules greffées sur le biomatériau utilisé. A partir des résultats expérimentaux issus des tests d'ensemencement cellulaire, nous avons ensuite développé un modèle numérique dans le chapitre 4, pour dégager un ensemble de critères à respecter dans l'élaboration d'un substitut osseux qui favoriserait un développement tissulaire homogène contrôlé lors des premières étapes de la culture in vitro de ce type d'implants. Ce modèle constitue une première étape dans la détermination d'un cahier des charges géométrique de tels substrats / This study aims to set up methods and tools to improve our understanding of the role played by transport phenomena (transport of cells, fluid and chemical species) in the development of new therapeutic protocols for bone reconstruction, using a double approach: experimental studies and numerical simulations. Hence, in the second chapter of this document, we have been able to link the intrinsic permeability of a porous medium – a key parameter regarding fluid transport through porous media – to the geometric structure of its pores. We have also highlighted the influence of electrochemical interactions on the flow of an ionic solution (such as physiologic fluids) through cortical bone, due to its porous structure and its chemical composition (presence of electrically charged fibers). These tools have then enabled us to analyze, at first glance, the experimental results of permeability tests conducted on ovin femoral periosteum, to identify the chemical-physical phenomena responsible for the specific behavior of this membrane (chapter 5). We also focused on the development of large bone implants coupling a mineral substitute and mesenchymal stem cells to enhance a volumic reconstruction of critical-sized bone defects. We have therefore designed, in chapter 3, a custom experimental set up that allows one to perform a reproducible cell seeding test on a porous scaffold and quantify the number of seeded cells as well as their viability rate. The experimental results provided by these tests have then initiated the numerical model exposed in chapter 4, that aims to highlight criteria to meet regarding the design of new bone substitutes that would enhance a homogeneous volumic tissue growth during the first stages of the extit [in vitro} development of coupled implants

Ce travail de thèse a porté sur de nouveaux implants intervertébraux en céramique. Au cours du projet dans son ensemble (projet européen Longlife), un nouveau matériau et de nouveaux designs d’implants ont été développés, ainsi qu’un nouveau test destiné à simuler les sollicitations subies in vivo par les implants afin d’estimer leur durée de vie. Le nouveau matériau développé est un composite triphasé composé d’une matrice de zircone dopée à l’oxyde de cérium (pour sa résistance au vieillissement), d’une phase globulaire d’alumine α (pour affiner la microstructure) et d’une phase allongée composée d’aluminates de strontium (pour augmenter la ténacité). La première partie du travail a consisté à caractériser ce matériau afin de connaître son comportement en termes de résistance mécanique, stabilité thermique, et de résistance à la stérilisation. Une deuxième partie a été consacrée au développement d’un test multiphysique regroupant les différentes sollicitations attendues par une prothèse in vivo (fatigue axiale, micro-séparation, vieillissement et usure). Il a fallu pour cela s’appuyer sur des simulations numériques qui ont permis de développer le système. Les données de la littérature ont été utilisées afin de choisir les paramètres du test (durée, fréquence, milieu d’essai). Enfin, la dernière partie de ce travail a été la mise à l’épreuve de différents prototypes à travers le test multiphysique et leur caractérisation en cours d’essai. Les principaux résultats de ce travail de thèse sont les suivants : le composite montre un comportement pseudo-plastique sous charge, avec une nette transformation de phase avant rupture, ce qui est positif dans le cadre de son utilisation. De plus, il ne semble pas affecté par la stérilisation. Du point de vue des implants développés, peu passent le test multiphysique. Le design, ainsi que la géométrie (notamment la clearance des échantillons) sont des leviers d’amélioration qui permettront d’augmenter la fiabilité des implants. / This work deals with the development of new intervertebral prostheses, made with ceramics. A whole European project, Longlife, was dedicated to the development of such implants. To achieve this goal, several axes have been followed: the synthesis of a new material, the development of new designs of intervertebral bodies, and the set-up of a new test aimed at reproducing in vitro the different solicitations undergone by an intervertebral implant in vivo. The new material developed is a triphasic composite composed of a matrix of ceria-doped zirconia (insensitive to ageing), a secondary globular phase of α-alumina (to reduce the grain size), and a third, elongated phase composed of strontium aluminates platelets (in order to improve fracture toughness). The first part of this work was to characterize this new material in order to forecast its behaviour under mechanical solicitation, thermal stability and resistance to sterilization. Secondly, the set-up of the new test is exposed. Different steps were chosen (axial fatigue, micro-separation, ageing and wear) in order to reproduce the “real-life” solicitations. To achieve this goal, Finite Elements simulations were performed, allowing the development of specific specimen holders that mimic the fixation of the implants in the vertebrae. The parameters of the test (duration, frequency, medium) were chosen after a details survey of the literature and of standards. At the end, we tested different prototypes trough this new multiphysic assessment set up. As a main result of this thesis, the chosen ceramic composite exhibits a pseudo-plastic behaviour, with a large deformation due to phase transformation before fracture, which is a positive result in the framework of the forecast applications. Moreover, the material doesn’t seem degraded by the sterilization processes. Concerning the multiphysic test, only a few implants resisted it. The design of the implants is a key-point, as well as the geometry (in particular, clearance seems to be critical).

Toute action naturelle crée de l’énergie perdue qui pourrait être exploitée pour alimenter nos appareils électriques et mobiles. Nos environnements physiques disposent d’un nombre élevé de micro-sources d’énergies ; certes chacune est de faible puissance, mais leur multiplicité pourrait s’avérer significative, notamment dans le cadre du fonctionnement de microsystèmes.C’est le principe précédent qui a conduit nos travaux sur la problématique de la conception de microsystèmes autonomes. Ainsi, pour être innovante, l’ingénierie de microsystèmes doit à la fois s’appuyer sur la culture de l’électronique, de la mécanique mais aussi de l’énergétique. Le processus de conception est fortement pluridisciplinaire et son efficacité réside dans la capacité à mettre en œuvre des méthodologies et des outils :- de conception collaborative,- de capitalisation des connaissances techniques, - d’ingénierie multi-physique,- d’ingénierie intégrée.Sur le base de ces fondamentaux, nous avons développé un outil d’aide à la conception. La méthodologie sous-jacente permet :1- l’analyse et la structuration d’un problème de conception d’un microsystème autonome : cette phase conduit l’identification, la description fonctionnelle et environnementale du système et de son environnement.2- la modélisation des connaissances : une analyse architecturale conduit à la description des composants et des interactions liées au microsystème (directement ou indirectement) puis à la modélisation des comportements,3- la qualification énergétique et le couplage physique : la réutilisation structurée des modèles de connaissances est pilotée pour coupler les modèles physiques et décrire les sources, les puits et les mécanismes énergétiques des environnements,4- la conduite de la recherche de concepts innovants : la base de connaissances, les critères de qualification et la description fonctionnelle préalablement construits sont agencés dans une seule méthode de conception virtuelle pour rechercher des concepts de solutions innovants,5- le pré-dimensionnement : tout en assurant l’intégration des outils spécialisés de simulation (méthode des éléments finis et simulation fonctionnelle), le pré-dimensionnement de microsystèmes autonomes est supportée selon un schéma synthétique, assurant un raisonnement abductif (ou bottom-up)La conjonction des raisonnements physiques, l’intégration des méthodes et des cultures métiers, l’exploration virtuelle des espaces de solutions et la modélisation constituent les bases d’un nouveau moyen d’aide à la conception de microsystèmes autonomes. Cette approche a été déployée pour la conception d’un capteur piézoélectrique autonome. / Any natural action creates lost energy which could be exploited to supply our electrical and mobile appliance. Our physical environments have a high number of micro-energy sources. Admittedly, each one provides low power but their multiplicity could be significant, in particular within the framework of the microsystem operation.The previous observation guided our works towards the problematic of autonomous microsystem design. Thus, to be innovative, microsystems engineering must lean on electronic, mechanical and energy domains. The design process is highly multidisciplinary and its efficiency depends on the ability to implement methods and tools:- of collaborative design- of capitalization of technical knowledge- of multiphysic engineering- of integrated design.Based on these fundamentals, we developed a design support tool. The underlying methodology enables:1- the design problem analysis and structuring of an autonomous microsystem: this phase leads to the identification and functional and environmental description of the system and its environment2- the knowledge modelling: an architectural analysis gives the description of components and interactions related to the microsystem (directly or indirectly). Then, it leads to a behaviour modelling.3- the energy qualification and physical coupling: the structured reuse of knowledge models is guided to couple physical models and describe the sources, sinks and the energy mechanism of the environment.4- the control of innovative concept search: the knowledge base, qualification criteria and functional description, previously constructed, are combined in an unique virtual design approach dedicated to search innovative concepts as a solution5- the predimensioning: this phase ensures the integration of specific simulation tools (finite elements method and functional simulation). The predimensioning of autonomous microsystems is supported by a synthetic scheme based on an abductive reasoning (bottom-up).The combination of physical reasoning, the integration of methods and engineering domains, the virtual exploration of solution spaces and the modelling represent a new way to support autonomous microsystem design. This approach was applied to the design of an autonomous piezoelectric sensor.