Élément fini solide-poutre pour l'analyse mésoscopique du comportement des renforts textiles à fibres continues

Doctorant : Baptiste LACROIX

Laboratoire INSA : LaMCos  - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Les renforts textiles à fibres continues sont utilisés pour la fabrication de matériaux composites, ce qui implique parfois des étapes de mise en forme. La maîtrise des étapes de celle-ci requiert des simulations à différentes échelles de représentation : macro, méso ou microscopique qui correspondent respectivement à celle du renfort, de la mèche ou de la fibre. L'analyse mésoscopique de la mise en forme de ces renforts permet de mettre en évidence les défauts apparaissant au niveau des mèches : leur flambement, leur écartement et leur désorientation. Leur prédiction est cruciale car ils sont responsables d'une diminution locale des propriétés mécaniques de la structure. Les méthodes permettant des simulations numériques à cette échelle nécessitent parfois des modèles complexes au nombre de degrés de liberté élevé et sont donc coûteux d'un point de vue calculatoire. Pour limiter ces coûts, certaines approches utilisent des modèles fondés sur des hypothèses simplificatrices qui ne permettent pas de capturer l'ensemble des mécanismes à l'œuvre dans la transformation des milieux fibreux. Pour répondre à cette problématique, l'objectif de la thèse est de développer une nouvelle stratégie de modélisation frugale pour l'analyse mésoscopique des renforts à fibres continues. Dans ce travail, nous proposons une approche de solide-poutre pour décrire les mèches. Cette approche repose sur une actualisation de la méthode proposée par Charmetant, basée sur des éléments volumiques et une loi de comportement hyperélastique isotrope transverse. Dans le cas du solide-poutre développé ici, l'élément volumique est enrichi par des poutres fictives utilisant une extension 3D de la méthode dite des éléments voisins et permettant de prendre en compte la raideur en flexion de la mèche. L'approche est implémentée dans un code de calcul interne utilisant la méthode des éléments finis avec un schéma d'intégration temporelle explicite. Des simulations de compaction non confinée, de flexion cantilever et de flambement d'une mèche sont réalisées afin d'observer l'influence de chaque mode de déformation sur la transformation de la mèche. Au travers de simulations numériques sur des mèches, des catégories de comportement de milieux fibreux (associées à des jeux de paramètres matériau) sont mis en évidence ; une classification est proposée en utilisant des ratios de propriétés. La pertinence de cette stratégie est démontrée par des comparaisons entre des simulations numériques et des essais sur des matériaux modèles. Enfin, des simulations de compaction et de pull-out hors plan sont réalisées sur un échantillon de renfort taffetas. Ces exemples numériques démontrent la capacité de notre modèle à capturer des défauts qui apparaissent lors d'opérations de mise en forme.

Fundamental Insights into filled Multi-micro/nanolayer Polymeric Systems: Rheology, Nanofiller Dynamics, Conductivity, and EMI Shielding

Doctorant : Jixiang LI

Laboratoire INSA : IMP - Ingénierie des Matériaux Polymères

École doctorale : ED n°34 ML - Matériaux

Les systèmes polymères intégrant des nanofillers ont suscité l'intérêt des chercheurs depuis des décennies. Les rapports portant sur les impacts des nanofillers sur les propriétés des nanocomposites peuvent être variés et abondants. Cependant, des études plus approfondies se concentrant sur les comportements des nanofillers sous différentes conditions d’écoulement à l’intérieur des polymères restent limitées. Dans cette thèse, des connaissances fondamentales sur les comportements des nanofillers dans des systèmes polymères ayant des structures différentes ont été étudiées. Plus précisément, cette thèse a débuté par l’étude des comportements distincts des nanotubes de carbone multi-parois (MWCNTs), un nanofiller de carbone fonctionnel largement utilisé, dans des polypropylènes avec des structures de chaînes polymères différentes. L’un est un polypropylène à chaîne linéaire (PPC) et l’autre est un polypropylène à chaîne longue ramifiée (LCB). Nous avons mis en évidence les mobilités restreintes des MWCNTs dans le PPH par rapport au PPC en raison de la structure LCB, en imposant un écoulement de cisaillement aux systèmes nanocomposites. La réponse du réseau de MWCNTs, reflétée par des mesures rhéologiques et de conductivité, a confirmé notre hypothèse. Sur la base de ces observations, un nanocomposite polymère à structure en couches a été conçu avec des couches alternées de PPC/MWCNTs et de PPH pur. Il est surprenant de constater que, lors de l’extrusion forcée par coassemblage, une méthode très efficace pour fabriquer des systèmes polymères multicouches, les MWCNTs pouvaient être mieux alignés dans la direction du flux d’extrusion, surtout lorsque le nombre de couches augmentait jusqu’à un certain point. Ce type d’orientation a ensuite été confirmé par des études de rhéologie en extension et de microstructures. Il convient de noter que la mobilité restreinte des MWCNTs par la couche PPH est probablement le facteur clé influençant l’orientation. En revanche, peu d’indices d’orientation des MWCNTs à l’intérieur de systèmes multicouches composés uniquement d’un polymère (LLDPE dans cette thèse) et de MWCNTs, également fabriqués par extrusion forcée, ont été détectés. Les systèmes multicouches électriquement conducteurs se sont révélés être d’excellents matériaux de blindage EMI. Dans cette thèse, les films polymères multicouches nanocomposites conçus ont été testés pour évaluer leur aptitude à être utilisés pour le blindage EMI. Les résultats ont montré que la structure en couches mieux uniformisée et une épaisseur de couche adaptée sont deux points cruciaux influençant les propriétés de blindage EMI. Les découvertes de cette thèse visent à fournir une meilleure compréhension des comportements des nanofillers dans les matrices polymères dans diverses conditions en termes de rhéologie non linéaire, de conductivité et d’autres propriétés physiques. Sur cette base, certaines relations structure-propriété ont été établies. Espérons que cette thèse contribuera à la modélisation rhéologique et à la conception de structures de matériaux fonctionnels à l’avenir.

Constructions modulaire 3D béton : Caractérisations d'un béton fibré et évaluations expérimentale et numérique des structures constitutives d'une cellule représentative

Doctorant : Sannem-Ahmed-Salim-Landry SAWADOGO

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED n°34 ML - Matériaux

Cette contribution vise la validation d'un concept de construction modulaire béton développé par Cubik Home et Francioli. L'approche couple une expérimentation à différentes échelles ainsi que la modélisation numérique. L'étude couvre un large spectre, depuis le matériau béton fibré à haut volume en fibres structurelles, avec sa caractérisation tout au long du processus de maturation, mais aussi l'étude de son comportement au feu, avec la gestion de son éclatement et d'un écaillage limité lors du test au feu réglementaire. Le comportement post-fissuration, avec l'énergie de fissuration Gf, est aussi étudié de façon approfondie au travers de tests réglementaires mais aussi sur la base d'essais plus représentatifs des structures minces ici visées. Une loi de comportement appropriée pour le béton fibré avec prise en compte du comportement post-fissuration a été recalée. Les paramètres du modèle élasto-plastique avec endommagement (CDP) du code Abaqus ainsi déterminés, ont permis de reproduire la réponse de divers éléments de structures constitutifs de ce concept modulaire (dalles et voiles minces nervurés). La problématique des liaisons entre les structures porteuses est aussi investiguée via l'expérimentation, et le dimensionnement des connexions sous traction et sous cisaillement validé. Des essais parfaitement représentatifs sont finalement menés au CSTB pour la partie comportement mécanique et au CERIB pour le comportement au feu selon la courbe normalisée 1S0-834. Ces derniers, réalisés sur des murs et des dalles, ont permis d'évaluer la capacité portante (R), l'étanchéité au feu (E) et l'isolation thermique (1). Les résultats sont concluants et confirment les études préliminaires en laboratoire. Pour finir, l'instrumentation par des accéléromètres d'un module complet et son suivi lors de son transport sur camion, a permis de quantifier les sollicitations induites et de vérifier l'absence de pathologies. Le concept a ainsi été validé en étudiant précisément toutes les étapes du process en ayant recours à une production en usine de préfabrication.

Études des propriétés électroniques des matériaux et des nanofils GaAs et AIN/GaN par microscopie à sonde à balayage à mode électrique

Doctorant : Lanpeng QIANG

Laboratoire INSA : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon

École doctorale : n°34 ML - Matériaux

Les structures semi-conductrices de basse dimension, en particulier les nanofils, présentent un fort potentiel d'application pour la nouvelle génération de dispositifs optoélectroniques, tels que les LEDs UV-Cet les cellules solaires. En effet, la relaxation des contraintes liées à la croissance spécifique des nanofils améliore considérablement la tolérance aux désaccords de maille dans les hétérostructures semi-conductrices. La faible densité de défauts des nanotils peut accroître l'efficacité de dopage par impuretés donneuses et acceptrices Étant donné que les dimensions de ces structures de basse dimension sont typiquement de l'ordre de plusieurs dizaines de nanomètres, de nouvelles méthodes de caractérisation et d'analyse de leurs propriétés électriques doivent être développées. Les techniques de microscopie à sonde locale (SPM) reposant sur la microscopie à force atomique (AFM) ont démontré leur utilité pour effectuer des mesures électriques à l'échelle nanométrique, suscitant ainsi un vif intérêt. La présente thèse se concentre sur les techniques SPM basées sur l'AFM, particulièrement la microscopie de résistance d'étalement (ou Scanning spreading resistance microscopy: SSRM), pour caractériser et analyser les propriétés électriques de matériaux semi-conducteurs Ill-V sous forme de nanostructures, notamment les couches fines de GaAs, les nanofils de GaAs et les nanofils de AIN/GaN. Une procédure de traitement de surface a été mise au point, comprenant la planarisation et la coupe en section transversale. La planarisation comporte l'encapsulation des nanofils à l'aide d'un sol-gel de SiO2, puis le polissage permettant d'exposer les nanofils et d'obtenir une surface de mesure plane et lisse adaptée au balayage de l'AFM. Le polissage peut produire un biseau qui autorise la caractérisation de différentes sections longitudinales des nanofils. Afin de mener une étude quantitative dans le GaAs par SSRM, un étalonnage a été réalisé à partir d'une structure en escalier multicouche élaborée par épitaxie par jets moléculaires (MBE). La plage de dopage mesurée par spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS) s'étend de Sx1016cm-3 à 1019cm-3. Des phénomènes anormaux lors de l'étalonnage ont pu être expliqués en tenant compte de la résistance parallèle parasite des échantillons étalons. Des mesures SSRM ont été réalisées sur des couches épaisses de GaAs, élaborées par épitaxie en phase vapeur aux hydrures (HVPE) (collaboration Institut Pascal à Aubiéres) dans diverses conditions novatrices de croissance.li a été possible de quantifier la concentration en porteurs, comprise entre 4x1016 et 1018cm-3, dans des couches de GaAs dopées au Zn. Une étude similaire a été effectuée sur des nanofils en GaAs non intentionnellement dopés élaborés par croissance sélective (SAG)-HVPE, révélant une concentration résiduelle en porteurs très faible et bien maitrisée de 7x101Scm-3. Ces résultats démontrent l'adéquation de la SSRM à l'analyse en profondeur d couches épaisses ou de nanofils, pour la résurgence de la HVPE. Nous avons étudié de façon systématique par SSRM la distribution du dopage Si de nanofils AIN/GaN, dont la croissance a été réalisée à des températures de cellule de Si comprises entre 800 et 1100°C. Les études menées démontrent une uniformité axiale et radiale du dopage Si dans les nanofils AIN/GaN élaborés par MBE assistée par plasma (PA-MBE) dans les conditions considérées (collaboration CEA Grenoble
/IRIG PHELIQS/NPSC) pour les températures de cellule de Si de 800°C à 1000°C. Les résultats conjoints de la SSRM et de la C-AFM pourraient permettre l'hypothèse que le profil de concentration en porteurs libres est influencé par la formation de centres DX dans l'AIN dopée des nanofils à 1100°C. La microscopie à force piézoréponse (PFM) a révélée la même orientation de polarité de surface. L'analyse SSRM de coupe transversale a montré un dopage homogène axial pour le GaN, l'AIN étant invisibilisé par une réaction d'hydrolyse.
 

Mécanismes de Cristallisation, Déformation et Cicatrisation aux Interfaces dans le PEEK Amorphe et Semi-cristallin : Analyses Microstructurales, Rhéologiques et Mécaniques

Doctorant : Morgane LE BOT

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : IMP - Ingénierie des Matériaux Polymères

Le PEEK (poly éther éther cétone) est un polymère thermoplastique semi-cristallin haute performance qui est de plus en plus utilisé dans l'industrie. Grâce à ses excellentes propriétés mécaniques et à ses températures de transition élevées, il constitue un candidat idéal pour les matériaux de structure. Cependant, les origines de ses remarquables performances mécaniques, notamment sa grande ténacité, restent encore partiellement comprises. En outre, les procédés de mise en œuvre peuvent introduire des interfaces qui réduisent les performances mécaniques du produit final par rapport au matériau en volume. Cette thèse vise à approfondir la compréhension fondamentale du PEEK en étudiant ses mécanismes de déformation, son comportement en cristallisation et ses processus de cicatrisation aux interfaces. La dégradation thermique et l’effacement de l’histoire thermique ont été étudiés à l’aide de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC), de la rhéologie et de la chromatographie par perméation de gel (GPC), afin de déterminer des conditions de travail optimales garantissant que ni la cristallisation ni la mobilité des chaînes ne soient affectées pendant les mesures. L’étude du comportement de cristallisation isotherme par DSC a souligné l’importance de la cristallisation secondaire dans le PEEK. De plus, l’analyse a révélé des mécanismes distincts gouvernant la cristallisation à froid et la cristallisation à partir de l’état fondu. Les analyses rhéologiques ont complété les résultats obtenus par DSC, permettant d’explorer les premières étapes de la cristallisation, où la sensibilité de la DSC est limitée. Ces analyses ont montré que des mécanismes de cristallisation identiques sont impliqués tant au début qu’au milieu du processus de cristallisation. Les mécanismes de déformation du PEEK ont été explorés en comparant le comportement en traction d’échantillons semi-cristallins et amorphes, afin de clarifier les rôles respectifs des phases amorphes et cristallines. L’utilisation de films a permis d’accéder au régime de durcissement dans les deux matériaux et d’observer directement la formation de bandes de cisaillement et la propagation du col de striction. Les changements de microstructure pendant la déformation ont été analysés par diffraction des rayons X (DRX). Le processus de cicatrisation aux interfaces pendant la cristallisation isotherme a été suivi par des expériences rhéologiques sur des échantillons bi-couche ayant différents taux de cristallinité initiaux. Cette étude visait à comprendre les rôles respectifs des deux mécanismes concurrents gouvernant la cicatrisation des interfaces : la cristallisation et la mobilité des chaînes.

 

Preuve de concept d'une pompe à chaleur élastocalorique pour la réfrigération à température proche de la pièce utilisant du caoutchouc naturel

Doctorante : Marianne SION

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

De nos jours, la plupart des systèmes de réfrigération se basent sur la compression de gaz. L'utilisation de ces gaz compressés a révélé des problèmes, notamment une dégradation de la couche d'ozone et un potentiel de réchauffement climatique élevé. Plusieurs générations de gaz réfrigérant se sont succédées et ont été finalement bannies à cause de leur toxicité, de problèmes de sécurité ou de leur impact négatif sur l'environnement. Une alternative est l'utilisation de matériaux caloriques qui peuvent être utilisés pour faire de la réfrigération liquide-solide avec des systèmes régénératifs ou de la réfrigération solide-solide en utilisant des systèmes de réfrigération à étage unique. Les matériaux caloriques sont connus pour être sujets à des variations de températures lorsqu'ils sont soumis à un chargement externe. Ces matériaux sont divisés en quatre catégories : magnétocalorique, électrocalorique, barocalorique et élastocalorique, suivant le type de chargement, champ magnétique, champ électrique, pression ou contrainte uniaxiale, respectivement. Les matériaux élastocaloriques sont divisés en deux catégories, les alliages à mémoire de forme, tels que les alliages de Nickel Titane (Ni-Ti) et les polymères, tels que le caoutchouc naturel. Les polymères n'ont pas été beaucoup étudiés pour la conception de système de réfrigération élastocalorique. Cependant, le caoutchouc naturel est un matériau intéressant pour la réfrigération solide car il est peu coûteux et a un faible impact environnemental. L'utilisation du caoutchouc naturel, qui peut être considéré comme un matériau isolant thermiquement, représente un défi. Le but de ce travail est de mieux comprendre comment le caoutchouc naturel peut être un bon candidat pour la réfrigération solide pour un système de réfrigération à étage unique. Il est nécessaire de comprendre quels sont les paramètres clés les plus importants pour obtenir les meilleures différences de température et puissance de refroidissement. Les principales questions scientifiques se posant sont sur la possibilité d'obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de transfert et de déterminer si une mise à l'échelle du système de réfrigération peut permettre d'obtenir de plus larges différences de température et de plus hautes puissances de refroidissement. Afin de répondre à ces questions, cette thèse se concentre sur le développement et l'évaluation des performances d'un système de réfrigération élastocalorique utilisant du caoutchouc naturel. Le Chapitre 1 de ce travail présentera le contexte et l'état de l'art sur les différents effets caloriques et certains systèmes de réfrigération utilisant ces effets. Dans le Chapitre 2, un système de réfrigération à étage unique à 4 temps est présenté et testé, afin de mieux comprendre les mécanismes de transfert de chaleur. Dans le Chapitre 3, une comparaison de neuf échantillons de caoutchouc naturel est présentée, afin d'étudier l'impact de l'épaisseur et de la composition des matériaux sur les performances du système. Dans le Chapitre 4, un deuxième système expérimental est étudié. C'est un système de réfrigération à 2,5 temps, qui a pour spécificité de mettre le caoutchouc en contact avec l'échangeur chaud lorsqu'il est toujours en cours de chargement. Dans le Chapitre 5, un modèle analytique est développé et utilisé afin d'étudier le transfert de chaleur entre le caoutchouc naturel et les échangeurs de chaleur. Finalement, une conclusion générale pour rappeler les principaux résultats de la thèse et les perspectives d'amélioration du système de réfrigération élastocalorique.

Étude électrochimique couplée à la tomographie à rayons X des impuretés dans les électrodes négatives de lithium­ métal.

Doctorant : Nathan REYDET

Laboratoire : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED 34 ML - Matériaux

Le développement des véhicules électriques (VE) nécessite des batteries avec une densité énergétique accrue. Bien que les batteries Li-ion dominent le marché, elles atteignent progressivement leurs limites chimiques. Le lithium métal à l'électrode négative représente une alternative de choix pour augmenter significativement la densité énergétique. Cependant, son utilisation reste complexe en raison de son comportement encore mal compris, notamment la formation d'inhomogénéités de dépôt et d'oxydation, qui déstabilisent l'interface électrolyte/lithium au cours du cyclage. Cette thèse s'appuie sur un couplage entre une analyse détaillée de la microstructure du lithium métal et une étude électrochimique réalisée sur des cellules symétriques Li/Electrolyte/Li et des batteries Li/Electrolyte/LFP en configuration pouch-cell. L'objectif est de mieux comprendre les mécanismes de dégradation du lithium qui limitent la durée de vie des batteries. Une attention particulière a été portée à la population des inclusions et des précipités dans la microstructure du lithium. En combinant tomographie X et microscopie optique, cette thèse a caractérisé en détail ces microstructures, notamment les inclusions identifiées comme des cristaux d'hydrure de lithium (LiH). Ces analyses ont révélé un phénomène de fracturation des inclusions au cours du laminage, selon le rapport entre la taille moyenne des inclusions et l'épaisseur du laminé. Une évolution significative de la taille et de la fraction volumique de LiH a également été mise en évidence au cours du vieillissement du lithium métal, selon les conditions de stockage. Un modèle de maturation et d'absorption d'hydrogène est proposé. Les différents lots de lithium, présentant une microstructure différente et bien caractérisée, ont été testés dans des batteries en conservant systématiquement le même électrolyte et la même positive. Ces études ont mis en lumière les liens entre la taille, la densité volumique et la fraction volumique des inclusions, et la dynamique des mécanismes de dégradation. Il a été démontré que la taille des inclusions à l'interface Li/électrolyte est le facteur le plus critique, présentant une corrélation directe avec l'intensité des courants de courts-circuits. Un procédé de purification a également été développé pour réduire la présence des inclusions. Ce procédé a permis de réduire partiellement ces inclusions, mais a également modifié profondément la microstructure du lithium, affectant notablement la distribution des précipités et des inclusions. Les résultats de cette thèse amènent une compréhension approfondie des mécanismes de dégradation du lithium métal dus aux inclusions de LiH et mettent en lumière des perspectives pour optimiser la qualité de ce métal utilisé dans les batteries. Ces travaux soulignent également les défis à relever pour son utilisation généralisée et optimisée dans des systèmes électrochimiques avancés avec de faibles épaisseurs d'électrode.

Développement d'un modèle éléments finis thermomécanique macroscopique pour l'estimation de l'impact du meulage sur les contraintes résiduelles dans les assemblages soudés.

Doctorante : Audrey MICHON

Laboratoire : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED 162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Le meulage, une opération d'enlèvement de matière utilisée dans diverses industries, en particulier dans le secteur nucléaire (EDF), est principalement appliqué aux composants soudés. Ce procédé, impliquant un outil de meulage composé de liants et de particules abrasives, fait partie des procédés de parachèvement pour améliorer la qualité des pièces soudées. Cependant, la nature manuelle du meulage introduit une variabilité en raison de facteurs tels que le type d'outil, le savoir-faire de l'opérateur, les matériaux utilisés et les paramètres opératoires de meulage. De plus, le meulage influence les contraintes résiduelles près de la surface traitée et, suivant la nature des matériaux, peuvent favoriser les mécanismes de fissuration par Corrosions Sous Contraintes (CSC). Cette thèse examine comment le meulage modifie l'état des contraintes résiduelles, façonné par l'historique thermomécanique du composant. Le meulage peut introduire de nouvelles contraintes résiduelles. Pour comprendre l'impact des paramètres de meulage sur ces contraintes, nous proposons une chaîne numérique complète, validée par des essais sur un banc de meulage semi-automatique développé par Framatome. L'objectif est d'évaluer l'interaction complexe entre les paramètres opératoires (procédé) du meulage et l'état des contraintes résiduelles dans les composants soudés. Le défi dans la modélisation du meulage provient des nombreux phénomènes physiques en jeu, allant de l'enlèvement de matière aux interactions thermomécaniques au cours du contact outil-pièce. Pour s'aligner sur les exigences d'EDF, une approche macroscopique a été adoptée, adaptée pour analyser les effets du meulage à l'échelle du composant. Notre recherche a conduit au développement d'un modèle tridimensionnel de meulage utilisant Code_Aster, le code open source d'éléments finis développé par EDF. Le procédé de meulage est simulé comme une charge thermomécanique équivalente, pré-calculée en utilisant un code de contact semi-analytique interne ISAAC développé au LaMCoS. Ces simulations couvrent plusieurs étapes successives d'enlèvement de matière. Pour valider notre modèle, nous avons effectué des essais sur une maquette soudée pour anticiper l'impact du meulage sur les contraintes résiduelles des soudures. Les résultats obtenus permettent non seulement de montrer l'effet du meulage sur les soudures, en termes de contraintes résiduelles, mais aussi de montrer la capacité du modèle à reproduire les tendances observées expérimentalement.

Multi-stabilité et rupture de symétrie dans un système vibro-impact non linéaire avec jeu annulaire : analyse expérimentale et numérique des bifurcations

Doctorant : Pau BECERRA ZUNIGA

Laboratoire : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED 162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Dans les générateurs de vapeur, les vibrations induites par l'écoulement génèrent des impacts qui peuvent provoquer l'usure des tubes intérieurs au fil du temps. Afin de mieux comprendre la réponse non linéaire de ces structures, une maquette représentant un tronçon de tube de générateur de vapeur a été conçue, consistant en un tube droit bi-encastré vibrant en flexion avec une butée annulaire à jeu avec un dispositif pour contrôler l'excentrement tube-butée. Parallèlement, un modèle d'ordre réduit a été construit afin de prédire la réponse la maquette et un algorithme de continuation basé sur la méthode d'équilibrage harmonique (HBM} a été utilisé pour calculer ses réponses stationnaires multistables. Cet algorithme ainsi qu'une technique de suivi des bifurcations ont été implémentés dans Cast3M (code de calcul du CEA}. Les résultats expérimentaux ont montré la coexistence de différents régimes pour le même ensemble de paramètres, ce qui a été correctement prédit par le modèle. Ensuite, les résultats expérimentaux et numériques ont été confrontés pour différentes symétries de tube-butée et malgré le modèle d'ordre réduit, les deux correspondaient remarquablement. Ces comparaisons ont été effectuées pour différentes configurations de symétrie tube-butée et l'analyse de bifurcation s'est avérée particulièrement précise pour prévoir l'apparition de régimes multi-stables. En outre, le suivi des bifurcations a été utilisé pour analyser l'influence d'un modèle de frottement glissant régularisé. Enfin, l'influence du nombre de modes retenus dans le modèle d'ordre réduit a également été examinée. Ces résultats démontrent la coexistence de plusieurs réponses dynamiques dans une maquette assez simple, tout en mettant en évidence la robustesse et les points faibles des outils numériques développés au cours de ce travail.
 

Rôle et avantages de l'intelligence artificielle dans la modélisation du transfert radiatif dans les atmosphères gazeuses et son application à l'analyse des données satellitaires.

Doctorante : Cindy DELAGE

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

L'étude de l'atmosphère terrestre nécessite le traitement de données massives issues d'instruments de télédétection. Ce traitement permet d'estimer des variables thermophysiques telles que la température et les concentrations de différentes espèces. Pour obtenir ces informations, plusieurs étapes de traitement sont indispensables. L'une de ces étapes concerne le calcul de la transmissivité dans le but de résoudre !'Équation de Transfert Radiatif. En théorie, un calcul exact est possible en utilisant le modèle dit raie par raie (Line-by-Line, LBL). Cependant, ce modèle requiert un temps de calcul extrêmement élevé, ce qui le rend prohibitif pour les applications atmosphériques, où le nombre de raies à prendre en compte peut atteindre des millions. Pour cette raison, la méthodologie LBL est principalement utilisée comme référence pour valider des modèles visant à estimer la transmissivité avec la plus grande précision possible par rapport aux calculs LBL, et dans le moindre temps de calcul (CPU) possible. Ainsi, un nouveau modèle a été proposé ces dernières années, appelé 1-distributions. L'objectif principal de ce manuscrit est de proposer un résumé de l'état de l'art de ce modèle, puis des perspectives de recherche afin d'en améliorer la précision. En complément, de premières validations dans des cas d'application concrets utilisant les instruments Metlmage (EUMETSAT, ESA) et TROPOMI (ESA) seront proposées en annexe du manuscrit. La perspective de recherche consiste principalement à combiner des outils de physique et de statistiques, ou d'apprentissage automatique, pour optimiser les poids impliqués dans le modèle 1-distributions. Dans les cas d'application préliminaires, cette étape d'optimisation conduit à une erreur relative maximale inférieure à 0,5 % par rapport au calcul LBL, avec un temps de calcul de 10 ms pour un calcul atmosphérique complet (1200 valeurs, une tous les 0,5 km). Ces résultats devront être validés et généralisés dans de futures recherches, pour que ces perspectives de recherches deviennent des méthodologies validées.