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In this work we are interested in general linear inverse problems where the corresponding forward problem is solved iteratively using fixed point methods. Then one-shot methods, which iterate at the same time on the forward problem solution and on the inverse problem unknown, can be applied. We analyze two variants of the so-called multi-step one-shot methods and establish sufficient conditions on the descent step for their convergence, by studying the eigenvalues of the block matrix of the coupled iterations. Several numerical experiments are provided to illustrate the convergence of these methods in comparison with the classical usual and shifted gradient descent. In particular, we observe that very few inner iterations on the forward problem are enough to guarantee good convergence of the inversion algorithm.; Dans ce travail nous nous intéressons à des problèmes inverses linéaires généraux où le problème direct correspondant est résolu de façon itérative en utilisant des méthodes de point fixe. Ainsi, les méthodes de type one-shot, qui itèrent en même temps sur la solution du problème direct et l’inconnue du problème inverse, peuvent être appliquées. Nous considérons deux variantes des méthodes multi-étapes de type one-shot et nous établissons des conditions suffisantes et nécessaires sur le pas de descente pour leur convergence, en étudiant les valeurs propres de la matrice par blocs des itérations couplées. Plusieurs tests numériques sont présentés pour illustrer la convergence de ces méthodes par rapport aux méthodes de descente de gradient usuelle et décentrée. En particulier, nous observons que très peu d’itérations internes pour le problème direct sont suffisantes pour garantir une bonne convergence de l’algorithme d’inversion.

This thesis concerns the structural health monitoring of aeronautical composite structures (SHM) using guided waves generated by piezoelectric transducers. The general objective is to propose and validate experimentally several methods to quantify the size of a delamination type damage present in the structure to be monitored. The first contribution of this thesis is the creation and publication of an open access and reusable database of SHM measurements from fatigue tests of composite structures representative of aeronautics components. The second contribution is the development and validation on damage of unknown size of a purely data-driven quantification approach that consists in training a mathematical model from labeled data and an original mathematical descriptor computed from localization images. The third contribution is the development and validation of a quantification method that relies on the estimation of damage-related parameters from a physical model and does not require reference data. To solve this inverse problem, an analytical model is developed to predict the signal measured by a piezoelectric sensor at the passage of a wave generated by a piezoelectric actuator and scattered by a damage. This model is limited to quasi-isotropic composite material and has been validated by comparison to finite elements method simulations. Based on this theoretical model, an identification tool is proposed to estimate the damage size and severity. These two quantification methods, one based on data and the other on a physical model, have been validated on signals from numerical simulations and on experimental signals from structures with realistic damages., Cette thèse concerne le contrôle de santé des structures composites aéronautiques (en anglais « Structural Health Monitoring » ou SHM) par ondes guidées générées par des transducteurs piézoélectriques. L’objectif général est de proposer et de valider expérimentalement des méthodes permettant de quantifier la taille d’un dommage de type délaminage présent dans la structure à surveiller. La première contribution de cette thèse est la création et la publication d’une base de données libre d’accès et de réutilisation de mesures SHM issues d’essais de fatigue de structures en composite représentatives de composants aéronautiques. La seconde contribution est le développement et la validation sur des dommage de taille inconnue d’une approche de quantification basée purement sur les données qui consiste à entrainer un modèle mathématique à partir de données labélisées et d’un descripteur original calculé à partir d’images de localisation. La troisième contribution est le développement et la validation d’une méthode de quantification qui repose sur l’estimation de paramètres liés au dommage à partir d’un modèle physique et qui ne nécessite pas de données de référence. Pour résoudre ce problème inverse, un modèle analytique est développé pour prédire le signal mesuré par un capteur piézoélectrique au passage d’une onde générée par un actionneur piézoélectrique et diffractée par un dommage. Ce modèle théorique est ensuite utilisé pour remonter à la taille et à la sévérité du défaut. Ces deux méthodes de quantification, basées l’une sur les donnée et l’autre sur un modèle physique, ont été validées sur des signaux issus de simulations numériques et sur des signaux expérimentaux sur des structures comportant des dommages réalistes.

The thesis adresses the estimation and control of coupled partial differential equations (PDEs). The first application is in the area of fluid system cryogenics at CERN. A new technology for cooling is now developing at CERN using CO2 as the cooling refrigerant. The objective of a cooling cycle is to pump a cold fluid to cool the hot silicon detectors. The cooling cycle contains elements called heat exchangers. These devices are used to exchange energy from the hot fluid to the cold one through a wall interface. The dynamics of the exchangers are modelled by variables that vary not only in time, but also in space, such temperatures, pressures and mass flow rates. We address in this thesis three automatic control problems that are related to heat exchangers. The first one is to synthesise an adaptive observer to estimate the distributed temperatures and also the heat transfer coefficient of a heat exchanger running single phase CO2 as the working refrigerant. The mathematical model is based on linear coupled hyperbolic partial differential equations. The second problem is to design a boundary observer to estimate the states of a heat exchanger with flows that are changing phase. The mathematical model involves nonlinear hyperbolic equations of balance laws. The third problem is to investigate the importance of the diffusion property in heat exchangers. This is done through the study of mathematical models involving coupling between different classes of PDEs: hyperbolic and parabolic. The second application of the thesis is the exhaust car system equipped with dual EGR loops for diesel engines (Renault). Emission limits for Diesel engines have been imposed by the European legislation to minimize the road transport pollution, which remains the most important source of urban air pollution in Europe with respect to NOx (nitrogen oxides) and CO (carbon monoxide). The environmental demands force the car engine designers to develop new technologies to decrease the fuel consumption and the emission levels while satisfying the desired engine drivability conditions. One of the new configurations, that can provide adequate conditions for multiple combustion modes is the Dual exhaust gas regulation (EGR) with both high-pressure (HP) and low-pressure (LP) recirculation. The EGR system is modelled using networks of hyperbolic PDEs coupled with time varying oridinary differential equations (ODEs). The fourth objective of the thesis is to design boundary adaptive estimators for such kind of systems., La thèse aborde sur l'estimation et le contrôle d'équations aux dérivées partielles couplées (EDP). La première application est dans le domaine de la cryogénie des systèmes de fluides au CERN. Une nouvelle technologie de refroidissement est maintenant développée au CERN, utilisant le CO2 comme réfrigérant. L'objectif d'un cycle de refroidissement est de faire circuler un liquide de refroidissement froid dans les détecteurs au silicium chauds. Le cycle de refroidissement est constitué avec d'éléments appelés échangeurs de chaleur. Ces dispositifs sont utilisés pour échanger l'énergie du fluide chaud vers le fluide froid à travers une interface solide. La dynamique des échangeurs est modélisée par des variables qui évoluent non seulement dans le temps, mais aussi dans l'espace, telles que les températures, les pressions et les débits massiques. Nous abordons dans cette thèse trois problèmes de contrôle automatique liés aux échangeurs de chaleur. Le premier consiste à synthétiser un observateur adaptatif pour estimer les températures distribuées ainsi que le coefficient de transfert de chaleur d'un échangeur fonctionnant au CO2 monophasé comme fluide de refroidissement. Le modèle mathématique est basé sur des équations hyperbolique aux dérivées partielles linéaires couplées dans le domaine. Le deuxième problème est de concevoir un observateur de frontière pour estimer les états d'un échangeur de chaleur avec des fluides qui changent de phase. Le modèle mathématique implique des équations hyperboliques non linéaires décrivant les lois d'équilibre. Le troisième problème est d'étudier l'importance de la propriété de diffusion dans les échangeurs de chaleur. Ceci implique l'étude de modèles mathématiques impliquant le couplage entre différentes classes d'EDP: hyperboliques et paraboliques. La deuxième motivation de la thèse est le système d'échappement de voiture équipé de doubles boucles EGR pour moteurs diesel (Renault). Des limites d'émission pour les moteurs diesel ont été imposées par la législation européenne pour minimiser la pollution des transports routiers, qui reste la source la plus importante de pollution de l'air urbain en Europe en ce qui concerne les NOx (oxydes d'azote) et CO (monoxyde de carbone). Les exigences environnementales obligent les concepteurs de moteurs de voitures à développer de nouvelles technologies pour diminuer la consommation de carburant et les niveaux d'émissions tout en satisfaisant les conditions de conduite du moteur souhaitées. L'une des nouvelles configurations, qui peut fournir des conditions adéquates pour plusieurs modes de combustion, est la double régulation des gaz d'échappement (EGR) avec recirculation à la fois haute pression (HP) et basse pression (LP). Le système EGR est modélisé à l'aide d'un réseau d'EDP hyperboliques couplées à d'équations aux dérivées ordinaire (EDO) variant dans le temps. Le quatrième objectif de la thèse est de concevoir des estimateurs adaptatifs aux frontières du domaine pour ce type de systèmes.

This thesis is concerned with the identification, from observations or field measurements, of the hydraulic conductivity K for the saltwater intrusion problem involving a nonhomogeneous, isotropic and free aquifer. The involved PDE model is a coupled system of nonlinear parabolic equations completed by boudary and initial conditions, as well as compatibility conditions on the data. The main unknowns are the saltwater/freshwater interface depth and the elevation of upper surface of the aquifer. The inverse problem is formulated as the optimization problem where the cost function is a least square functional measuring the discrepancy between experimental interfaces depths and those provided by the model. Considering the exact problem as a constraint for the optimization problem and introducing the Lagrangian associated with the cost function, we prove that the optimality system has at least one solution. The main difficulties are to find the set of all eligible parameters and to prove the differentiability of the operator associating to the hydraulic conductivity K, the state variables (h, h₁). This is the first result of the thesis. The second result concerns the numerical implementation of the optimization problem. We first note that concretely, we only have specific observations (in space and in time) corresponding to the number of monitoring wells, we then adapt the previous results to the case of discrete observations data. The gradient of the cost function is computed thanks to an approximate formula in order to take into account the discrete observations data. The cost functions then is minimized by using a method based on BLMVM algorithm. On the other hand, the exact problem and the adjoint problem are discretized in space by a P₁-Lagrange finite element method combined with a semi-implicit time discretization scheme. Some numerical results are presented to illustrate the ability of the method to determine the unknown parameters. In the third part of the thesis we consider the hydraulic conductivity as a stochastic parameter. To perform a rigorous numerical study of stochastic effects on the saltwater intrusion problem, we use the spectral decomposition and the stochastic variational problem is reformulated to a set of deterministic variational problems to be solved for each Wiener polynomial chaos., Le thème de cette thèse est l'identification de paramètres tels que la conductivité hydraulique, K, pour un problème d'intrusion marine dans un aquifère isotrope et libre. Plus précisément, il s'agit d'estimer la conductivité hydraulique en fonction d'observations ou de mesures sur le terrain faites sur les profondeurs des interfaces (h, h₁), entre l'eau douce et l'eau salée et entre le milieu saturé et la zone insaturée. Le problème d'intrusion marine consiste en un système à dérivée croisée d'edps de type paraboliques décrivant l'évolution de h et de h₁. Le problème inverse est formulé en un problème d'optimisation où la fonction coût minimise l'écart quadratique entre les mesures des profondeurs des interfaces et celles fournies par le modèle. Nous considérons le problème exact comme une contrainte pour le problème d'optimisation et nous introduisons le Lagrangien associé à la fonction coût. Nous démontrons alors que le système d'optimalité a au moins une solution, les princcipales difficultés étant de trouver le bon ensemble pour les paramètres admissibles et de prouver la différentiabilité de l'application qui associe (h(K), h₁(K₁)) à K. Ceci constitue le premier résultat de la thèse. Le second résultat concerne l'implémentation numérique du problème d'optimisation. Notons tout d'abord que, concrètement, nous ne disposons que d'observations ponctuelles (en espace et en temps) correspondant aux nombres de puits de monitoring. Nous approchons donc la fonction coût par une formule de quadrature qui est ensuite minimisée en ultilisant l'algorithme de la variable à mémoire limitée (BLMVM). Par ailleurs, le problème exact et le problème adjoint sont discrétisés en espace par une méthode éléments finis P₁-Lagrange combinée à un schéma semi-implicite en temps. Une analyse de ce schéma nous permet de prouver qu'il est d'ordre 1 en temps et en espace. Certains résultats numériques sont présentés pour illustrer la capacité de la méthode à déterminer les paramètres inconnus. Dans la troisième partie de la thèse, nous considérons la conductivité hydraulique comme un paramètre stochastique. Pour réaliser une étude numérique rigoureuse des effets stochastiques sur le problème d'intrusion marine, nous utilisons les développements de Wiener pour tenir compte des variables aléatoires. Le système initiale est alors transformé en une suite de systèmes déterministes qu'on résout pour chaque coefficient stochastique du développement de Wiener.

Ce mémoire présente les travaux de recherche réalisés depuis la fin de mon doctorat. Ils s’articulent autour de trois thématiques : l’analyse mathématique des problèmes d’interaction fluide-structure, l’identification de paramètres pour un modèle simplifié d’écoulement de l’air dans l’arbre respiratoire, l’étude mathématique et numérique de modèles d’électrophysiologie cardiaque.Dans la première partie de ce mémoire, les travaux présentés se situent dans le prolongement de ceux réalisés durant mon doctorat et sont des contributions à l’analyse mathématique des problèmes d’interaction fluide-structure. Le fluide est modélisé par les équations de Navier-Stokes incompressible ou compressible et la structure est rigide ou élastique. Une série de travaux étudie l’existence et l’unicité de solution régulière. On aborde aussi l’étude de la contrôlabilité locale à zéro du problème d’interaction entre un fluide incompressible et une structure rigide : en considérant un contrôle qui agit sur une partie du domaine fluide, on cherche à amener l’ensemble fluide-structure au repos et à amener la structure à une certaine position.La seconde partie est consacrée aux problèmes inverses venant de la modélisation de l’air dans l’arbre respiratoire. On considère ici les équations de Stokes et l’objectif est d’identifier un coefficient de Robin (correspondant à une résistance dans l’arbre bronchique) qui intervient dans les conditions au bord sur une partie de la frontière à partir de mesures réalisées sur une autre partie de la frontière. Les résultats reposent sur des inégalités de Carleman locales et donnent une stabilité logarithmique des coefficients de Robin par rapport aux observations.Enfin, la troisième partie résume les résultats obtenus dans le domaine d’application de l’électrophysiologie cardiaque. Différentes sujets sont abordés : l’analyse mathématique des problèmes direct et inverse, l’obtention par des simulations numériques 3D d’électrocardiogrammes réalistes, l’identification numérique de paramètres et l’impact du bruit.

Insects, like hoverflies are able of outstanding performances to avoid obstacles, reject disturbances and hover or track a target with great accuracy. These means that fast sensory motor reflexes are at work, even if they are minimalist, they are perfectly optimized for the flapping flight at insect scale. Additional refined mechanisms, like gaze stabilization relative to the body, allow to increase their flight capacity.In this PhD thesis, we present the design of a quadrotor, which is highly similar to an insect in terms of perception (visual system) and implements a bio-inspired gaze control system through the mechanical decoupling between the body and the visual system. The design of the quadrotor (open-source), itspilot and its decoupled eye are thoroughly detailed. New visual processing algorithms make it possible to faithfully track a moving target, in spite of a very limited number of pixels (only 24 pixels). Using this efficient gaze stabilization, we developed new strategies to stabilize the robot above a target and finely control its position relative to the target. These new strategies do not need classical aeronautic sensors like accelerometers and magnetometers. As a result, the quadrotor is able to take off, move and land automatically using only its embedded rate-gyros, its insect-like eye, and an altitude measurement. All these experiments were validated in a flying arena equipped with a VICON system. Finally, we describe a new toolbox, called RT-MaG toolbox, which generate automatically a real-time standalone application for Linux systems from a Matlab/Simulink model (http://www.gipsalab.fr/projet/RT-MaG/). These make it possible to simulate, design control laws and monitor the robot’s flight in real-time using only Matlab/Simulink. As a result, the "time-to-flight" is considerably reduced and the final application is highly reconfigurable (real-time monitoring, parameter tuning, etc.)., Les insectes sont capables de prouesses remarquables lorsqu’il s’agit d’éviter des obstacles,voler en environnement perturbé ou poursuivre une cible. Cela laisse penser que leurs capacités de traitement, aussi minimalistes soient-elles, sont parfaitement optimisées pour le vol. A cela s’ajoute des mécanismes raffinés, comme la stabilisation de la vision par rapport au corps, permettant d’améliorer encore plus leurs capacités de vol.Ces travaux de thèse présentent l’élaboration d’un micro drone de type quadrirotor, qui ressemble fortement à un insecte sur le plan perceptif (vibration rétinienne) et reprend des points structurels clés, tels que le découplage mécanique entre le corps et le système visuel. La conception du quadrirotor (de type open-source), son pilotage automatique et son système occulo-moteur sont minutieusement détaillés.Des traitements adaptés permettent, malgré un très faible nombre de pixels (24 pixels seulement), de poursuivre finement du regard une cible en mouvement. A partir de là, nous avons élaboré des stratégies basées sur le pilotage par le regard, pour stabiliser le robot en vol stationnaire, à l’aplomb d’une cible et asservir sa position ; et ce, en se passant d’une partie des capteurs habituellement utilisés en aéronautique tels que les magnétomètres et les accéléromètres. Le quadrirotor décolle, se déplace et atterrit de façon autonome en utilisant seulement ses gyromètres, son système visuel original mimant l’oeil d’un insecte et une mesure de son altitude. Toutes les expérimentations ont été validées dans une arène de vol, équipée de caméras VICON.Enfin, nous décrivons une nouvelle toolbox qui permet d’exécuter en temps réel des modèles Matlab/Simulink sur des calculateurs Linux embarqués de façon complètement automatisée (http://www.gipsalab.fr/projet/RT-MaG/). Cette solution permet d’écrire les modèles, de les simuler, d’élaborer des lois de contrôle pour enfin, piloter en temps réel, le robot sous l’environnement Simulink. Cela réduit considérablement le "time-to-flight" et offre une grande flexibilité (possibilité de superviser l’ensemble des données de vol, de modifier en temps réel les paramètres des contrôleurs, etc.).

— Insects, like hoverflies are able of outstanding performances to avoid obstacles, reject disturbances and hover or track a target with great accuracy. These means that fast sensory motor reflexes are at work, even if they are minimalist, they are perfectly optimized for the flapping flightat insect scale. Additional refined mechanisms, like gaze stabilization relative to the body, allow to increase their flight capacity.In this PhD thesis, we present the design of a quadrotor, which is highly similar to an insect in terms of perception (visual system) and implements a bio-inspired gaze control system through the mechanical decoupling between the body and the visual system. The design of the quadrotor (open-source), its pilot and its decoupled eye are thoroughly detailed. New visual processing algorithms make it possible to faithfully track a moving target, in spite of a very limited number of pixels (only 24 pixels). Using this efficient gaze stabilization, we developed new strategies to stabilize the robot above a target and finely control its position relative to the target. These new strategies do not need classical aeronautic sensors like accelerometers and magnetometers. As a result, the quadrotor is able to take off, move and land automatically using only its embedded rate-gyros, its insect-like eye, and an altitude measurement. All these experiments were validated in a flying arena equipped with a VICON system.Finally, we describe a new toolbox, called RT-MaG toolbox, which generate automatically a real-time standalone application for Linux systems from a Matlab/Simulink model (http://www.gipsa-lab.fr/projet/RT-MaG/). These make it possible to simulate, design control laws and monitor the robot’s flight in real-time using only Matlab/Simulink. As a result, the "time-to-flight" is considerably reduced and the final application is highly reconfigurable (real-time monitoring, parameter tuning, etc.), Les insectes sont capables de prouesses remarquables lorsqu’il s’agit d’éviter des obstacles, voler en environnement perturbé ou poursuivre une cible. Cela laisse penser que leurs capacités de traitement, aussi minimalistes soient-elles, sont parfaitement optimisées pour le vol. A cela s’ajoute des mécanismes raffinés, comme la stabilisation de la vision par rapport au corps, permettant d’améliorerencore plus leurs capacités de vol.Ces travaux de thèse présentent l’élaboration d’un micro drone de type quadrirotor, qui ressemble fortement à un insecte sur le plan perceptif (vibration rétinienne) et reprend des points structurels clés, tels que le découplage mécanique entre le corps et le système visuel. La conception du quadrirotor (de type open-source), son pilotage automatique et son système occulo-moteur sont minutieusement détaillés. Des traitements adaptés permettent, malgré un très faible nombre de pixels (24 pixels seulement), de poursuivre finement du regard une cible en mouvement. A partir de là, nous avons élaboré des stratégies basées sur le pilotage par le regard, pour stabiliser le robot en vol stationnaire, à l’aplomb d’une cible et asservir sa position ; et ce, en se passant d’une partie des capteurs habituellement utilisés en aéronautique tels que les magnétomètres et les accéléromètres. Le quadrirotor décolle, se déplace et atterrit de façon autonome en utilisant seulement ses gyromètres, son système visuel original mimant l’œil d’un insecte et une mesure de son altitude. Toutes les expérimentations ont été validées dans une arène de vol, équipée de caméras VICON.Enfin, nous décrivons une nouvelle toolbox qui permet d’exécuter en temps réel des modèles Matlab/Simulink sur des calculateurs Linux embarqués de façon complètement automatisée (http://www.gipsa-lab.fr/projet/RT-MaG/). Cette solution permet d’écrire les modèles, de les simuler, d’élaborer des lois de contrôle pour enfin, piloter en temps réel, le robot sous l’environnement Simulink. Cela réduit considérablement le "time-to-flight" et offre une grande flexibilité (possibilité de superviser l’ensemble des données de vol, de modifier en temps réel les paramètres des contrôleurs, etc.)

International audience; When the relationship between the tension force and the eigen frequencies is given by the model of the vibrating cord, the determination of the tension in stay and external prestressing cables from measured vibration frequencies may be relatively easy. This paper deals with simple mechanical models of anchorage conditions. The model updating method based on the sensitivity of the vibration frequencies is used to identify the boundary conditions and the bending rigidity of the cable. Thus, the method based on the vibrating cord model has been extended to cases where it was no longer applicable. Case studies of short stay-cables and external pre-stressing bars are presented.; La détermination de la tension dans les câbles et armatures de génie civil à partir des fréquences de vibration mesurées est considérée comme simple à mettre en œuvre lorsque la relation entre la tension et les fréquences de vibration est donnée par le modèle de la corde vibrante. La contribution proposée dans cet article concerne l'étude de modèles mécaniques simples pour évaluer les effets des conditions d'ancrage représentées par des liaisons élastiques et des distributions d'inertie. L'application des techniques de recalage de modèle à partir des premières fréquences propres mesurées permet d'étendre le domaine d'application de la méthode basée sur le modèle de la corde vibrante à des cas où il ne convient plus. Le recalage des modèles étudiés repose sur l'identification des conditions d'encastrement élastiques, de la rigidité à la flexion des câbles et du fonctionnement des dispositifs d'ancrage articulés. Les exemples d'application présentés sont issus de mesures sur des dispositifs de précontrainte, de suspension et de haubanage d'ouvrages en service.

This thesis focuses on research and development of inverse identification methods of material parameters. A particular attention is attributed to the viscoelastic response of collagen-reinforced soft tissues (artery, intervertebral disc, skin, tendon, ligament, etc) submitted to large displacements and large deformations (hyperelasticity). Highly non-linear and anisotropic, biomechanical constitutive laws account for a large number of material parameters. The inverse problem that allows their identification is of high non-linearity and of large dimension. By reason of numerical difficulties related to its resolution with gradient-based methods, we developed two new identification methods labelled GAO (Genetic algorithms & Analytical Optimization) and MMIM (Maximum-Minimum Identification Method).GAO advantageously combines deterministic methods of gradient type with genetic algorithms. Its originality consists in introducing analytical computations for the deterministic part leading to a gain in the speed up and in the convergence of genetic algorithms. This strategy is used in the context of anisotropic hyperelasticity.Regarding MMIM method, it operates according to an identification criterion that is expressed with the infinite norm and uses genetic algorithms. MMIM method identifies parameters of quasi-linear viscoelastic laws. It guarantees a constant viscous response that characterises the insensitivity of soft tissues to strain rate. GAO and MMIM methods successfully identified parameters of arterial wall and intervertebral disc tissues. The properties of these tissues are described in a more general context that exhibits the anatomy, histology and deformation mechanism at different hierarchical levels (nano-scale to milli-scale) of collagen-reinforced soft tissues. This gives understanding of the role of forces in relating structure to function in biology., Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre du développement de méthodes d'identification inverse de paramètres matériau. On porte un intérêt particulier à la biomécanique des tissus souples renforcés par des fibres de collagène (artère, disque intervertébral, peau, tendon, ligament, etc.), dans le cadre de leurs réponses viscoélastiques et en grandes déformations et en grands déplacements (hyperélasticité). Fortement non-linéaires et anisotropes, les lois constitutives en biomécanique contiennent un nombre important de paramètres matériau. Le problème inverse qui permet de les identifier est de grande dimension et fortement non linéaire. En raison de difficultés numériques liées à sa résolution avec des méthodes à base de gradient, nous avons développé deux nouvelles méthodes d’identification inverse de paramètres nommées GAO (Genetic algorithms & Analytical Optimization) et MMIM (Maximum-Minimum Identification Method).La méthode GAO combine de manière avantageuse les méthodes déterministes de type gradient avec les algorithmes génétiques. Son originalité consiste à introduire des calculs analytiques pour la partie déterministe, ce qui permet d’accélérer et d’améliorer la convergence des algorithmes génétiques. Cette stratégie est appliquée dans le cadre de l’hyperélasticité anisotrope.En ce qui concerne la méthode MMIM, elle opère selon un critère d’identification basé sur la norme infinie et elle utilise les algorithmes génétiques. Elle permet d’identifier les paramètres de lois viscoélastiques quasi-linéaires. Elle garantit une réponse visqueuse constante qui est caractéristique des tissus souples qui sont insensibles à la vitesse de chargement.Les méthodes GAO et MMIM ont identifié avec succès des paramètres de tissus artériels et de tissus du disque intervertébral. Les propriétés de ces tissus sont décrits par ailleurs dans le mémoire dans un contexte plus général où on expose l'anatomie, l'histologie et le mécanisme de déformation aux différents niveaux hiérarchiques (nano-échelle à milli-échelle) d’un tissu souple renforcé par des fibres de collagène. Ceci permet de comprendre le rôle des efforts dans la relation liant la structure à la fonction en biologie.

This thesis focuses on research and development of inverse identification methods of material parameters. A particular attention is attributed to the viscoelastic response of collagen-reinforced soft tissues (artery, intervertebral disc, skin, tendon, ligament, etc) submitted to large displacements and large deformations (hyperelasticity). Highly non-linear and anisotropic, biomechanical constitutive laws account for a large number of material parameters. The inverse problem that allows their identification is of high non-linearity and of large dimension. By reason of numerical difficulties related to its resolution with gradient-based methods, we developed two new identification methods labelled GAO (Genetic algorithms & Analytical Optimization) and MMIM (Maximum-Minimum Identification Method).GAO advantageously combines deterministic methods of gradient type with genetic algorithms. Its originality consists in introducing analytical computations for the deterministic part leading to a gain in the speed up and in the convergence of genetic algorithms. This strategy is used in the context of anisotropic hyperelasticity.Regarding MMIM method, it operates according to an identification criterion that is expressed with the infinite norm and uses genetic algorithms. MMIM method identifies parameters of quasi-linear viscoelastic laws. It guarantees a constant viscous response that characterises the insensitivity of soft tissues to strain rate. GAO and MMIM methods successfully identified parameters of arterial wall and intervertebral disc tissues. The properties of these tissues are described in a more general context that exhibits the anatomy, histology and deformation mechanism at different hierarchical levels (nano-scale to milli-scale) of collagen-reinforced soft tissues. This gives understanding of the role of forces in relating structure to function in biology., Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre du développement de méthodes d'identification inverse de paramètres matériau. On porte un intérêt particulier à la biomécanique des tissus souples renforcés par des fibres de collagène (artère, disque intervertébral, peau, tendon, ligament, etc.), dans le cadre de leurs réponses viscoélastiques et en grandes déformations et en grands déplacements (hyperélasticité). Fortement non-linéaires et anisotropes, les lois constitutives en biomécanique contiennent un nombre important de paramètres matériau. Le problème inverse qui permet de les identifier est de grande dimension et fortement non linéaire. En raison de difficultés numériques liées à sa résolution avec des méthodes à base de gradient, nous avons développé deux nouvelles méthodes d’identification inverse de paramètres nommées GAO (Genetic algorithms & Analytical Optimization) et MMIM (Maximum-Minimum Identification Method).La méthode GAO combine de manière avantageuse les méthodes déterministes de type gradient avec les algorithmes génétiques. Son originalité consiste à introduire des calculs analytiques pour la partie déterministe, ce qui permet d’accélérer et d’améliorer la convergence des algorithmes génétiques. Cette stratégie est appliquée dans le cadre de l’hyperélasticité anisotrope.En ce qui concerne la méthode MMIM, elle opère selon un critère d’identification basé sur la norme infinie et elle utilise les algorithmes génétiques. Elle permet d’identifier les paramètres de lois viscoélastiques quasi-linéaires. Elle garantit une réponse visqueuse constante qui est caractéristique des tissus souples qui sont insensibles à la vitesse de chargement.Les méthodes GAO et MMIM ont identifié avec succès des paramètres de tissus artériels et de tissus du disque intervertébral. Les propriétés de ces tissus sont décrits par ailleurs dans le mémoire dans un contexte plus général où on expose l'anatomie, l'histologie et le mécanisme de déformation aux différents niveaux hiérarchiques (nano-échelle à milli-échelle) d’un tissu souple renforcé par des fibres de collagène. Ceci permet de comprendre le rôle des efforts dans la relation liant la structure à la fonction en biologie.

Spark plasma sintering process (SPS) is a breakthrough technology for producing high quality sintered materials. An electric current is applied simultaneously with a vertical load to sinter the powder placed in a graphite mould. Joule effect leads to high heating rates which are favorable for enhancing the microstructure and physical properties. However, manufacturing complex shapes is problematic due to heterogeneities in density distribution that may appeari during compaction. For that reason, the development of a numerical model to predict sintering is necessary. The model should help controlling temperature and stress distributions, which are responsible for the microstructure homogeneity. A 3D numerical model is developed to ensure a predictive tool for SPS using CimLib, a code developed at CEMEF. The numerical model presents three physical problems strongly coupled: an electric problem, a thermal problem and a mechanical problem. A monolithic approach is used which consists in solving one equation for each problem using one unique mesh for tools and powder. First the electric thermal coupling is modeled and the numerical simulations are validated by comparison with commercial codes. A viscoplastic compressible law based on Abouaf model is implemented to model the densification of TiAl powder. This model is validated by comparing the numerical results of different compaction tests with analytic solutions using a Lagrangian and Eulerian framework. Then a fully coupled electric-thermal-mechanical simulation is carried out. In the monolithic framework, a model is developed to take into account friction effects between powder and mould. Finally, the parameters of the selected material law are identified for TiAl powder using our numerical model and SPS experiments. Sintering of different samples is then simulated. Results are compared with the experiments in terms of density distribution and displacement.; Le SPS (Spark plasma sintering) ou frittage flash est une technique innovante de compaction de poudre. Ce procédé fait intervenir le courant électrique pour chauffer l'échantillon en appliquant simultanément une pression. Grâce à la vitesse de chauffage, le procédé SPS apparaît comme étant une technologie prometteuse dans le secteur aéronautique servant à produire des matériaux denses à microstructure fine, composés par des intermétalliques difficiles à fondre, à former et à usiner avec les procédés conventionnels. Cependant, la fabrication de formes complexes est problématique à cause des hétérogénéités en densité qui peuvent apparaître lors de la compaction et qui proviennent de la distribution de la température et des contraintes dans la poudre compactée. La distribution du courant, de la température et des contraintes, ainsi que leurs différents effets, font l'objet d'une large étude, étant responsables de l'homogénéité de la microstructure. Une modélisation numérique 3D du procédé est réalisée, dans le cadre de la librairie CimLib. Elle englobe trois problèmes physiques fortement couplés : électrique, thermique et mécanique. Nous utilisons une approche monolithique qui consiste à résoudre une équation pour chaque problème sur un maillage unique représentant outils et poudre. Tout d'abord le couplage électrique-thermique est modélisé et les simulations numériques sont validées. Une loi de comportement viscoplastique compressible s'appuyant sur un modèle d'Abouaf est utilisée pour modéliser la densification de la poudre de TiAl. Ce modèle est validé par plusieurs cas tests de compaction de poudre dans un contexte lagrangien puis eulérien avant de passer à une simulation complète de couplage électrique-thermique-mécanique. Dans ce contexte monolithique, nous développons un modèle pour prendre en compte les effets du frottement entre la poudre et le moule. Enfin, la loi de comportement utilisée est identifiée pour la poudre intermétallique de TiAl. Le frittage par SPS d'échantillons de différentes tailles est simulé. Les résultats en termes de distribution de densité et déplacement sont validés grâce à une comparaison avec l'expérience.

The work described in this document deals with the problem of human-haptic system dynamic coupling. We propose a study of this kind of coupling based on the hypothesis of a temporary hybrid system. Under this hypothesis, the system formed during the coupling can be considered as a dynamic system in which the two parties that compose it cannot be separated. This is multidisciplinary topic, situated at the intersection of cognitive science, automation and haptics. The first part of the document includes a state of the art on the analysis of coupling in these three areas, the description of the problem and the methodology for the study as well as a proposal of gesture typology. In this study of coupling, we are interested in a particular group of actions, such as periodic movement and passive gesture in a situation of haptic simulation and also, in the interaction models able to generate them. The general method is to define the approaches for modeling the hand-haptic device coupling and then perform an analysis of the coupled system by acquiring system data during the coupling and using parameter identification methods to characterize the models. The final section describes the implementation of the device for the experimental analysis of coupling during simulation with a haptic interaction. This device allows data acquisition for gesture analysis. We also present the study of the haptic simulator to establish the equivalence between virtual parameters introduced to and returned by the simulator and real physical parameters. Then, we describe the experimental analysis of different proposed coupling situations. The experiments performed for this study were performed using the real-time platform ERGON_X, designed by ACROE / ICA. The results of these experiments were used to quantify gesture models and to observe its components, according to established models. Keywords: haptic, haptic interface, human-machine interfaces, real-time simulation, human-object coupling, gesture, physical modeling, parameter identification.; Les travaux décrits dans ce document abordent le problème du couplage dynamique homme-système haptique. Nous proposons une étude de ce couplage basée sur l'hypothèse d'un système hybride temporaire. Selon cette hypothèse, le système formé lors du couplage peut être considéré comme un système dynamique dont les deux parties ne peuvent pas être séparées. Ce sujet est pluridisciplinaire, se situant à l'intersection des sciences cognitives, de l'automatique et de l'haptique. La première partie du document comporte un état de l'art sur l'analyse du couplage dans ces trois domaines, une description de la problématique et de la méthode à utiliser pour notre étude ainsi qu'une proposition des typologies du geste. Lors de cette étude du couplage, nous nous intéressons à un groupe de gestes particuliers, notamment le geste périodique et le geste passif dans une situation de simulation haptique ainsi qu'aux modèles d'interaction capables de les générer. La méthode générale, consiste à définir des approches pour la modélisation du couplage main-système haptique pour ensuite réaliser une analyse du système couplé à partir d'une acquisition des données du système lors du couplage et en utilisant des méthodes d'identification de paramètres issus de l'automatique pour caractériser les modèles. La dernière partie, décrit la mise en place du dispositif pour l'analyse expérimentale du couplage en situation de simulation avec une interaction haptique. Ce dispositif permet l'acquisition des données du geste pour l'analyse. Nous présentons également, l'étude réalisée sur le simulateur haptique afin d'établir l'équivalence entre les paramètres virtuels introduits et issus du simulateur et des paramètres physiques réels. Ensuite, nous décrivons l'analyse expérimentale des différentes situations de couplage proposées. Les expériences effectuées lors de cette étude ont été réalisées sur la plateforme temps réel ERGON_X, conçue par l'ACROE/ICA. Les résultats de ces expériences ont permis de quantifier les modèles du geste et d'observer ses composantes, selon les modèles établis. Mots clés : haptique, interface haptique, interfaces homme-machine, simulation temps réel, couplage homme-objet, geste, modélisation physique, identification de paramètres.

The work described in this document deals with the problem of human-haptic system dynamic coupling. We propose a study of this kind of coupling based on the hypothesis of a temporary hybrid system. Under this hypothesis, the system formed during the coupling can be considered as a dynamic system in which the two parties that compose it cannot be separated. This is multidisciplinary topic, situated at the intersection of cognitive science, automation and haptics. The first part of the document includes a state of the art on the analysis of coupling in these three areas, the description of the problem and the methodology for the study as well as a proposal of gesture typology. In this study of coupling, we are interested in a particular group of actions, such as periodic movement and passive gesture in a situation of haptic simulation and also, in the interaction models able to generate them. The general method is to define the approaches for modeling the hand-haptic device coupling and then perform an analysis of the coupled system by acquiring system data during the coupling and using parameter identification methods to characterize the models. The final section describes the implementation of the device for the experimental analysis of coupling during simulation with a haptic interaction. This device allows data acquisition for gesture analysis. We also present the study of the haptic simulator to establish the equivalence between virtual parameters introduced to and returned by the simulator and real physical parameters. Then, we describe the experimental analysis of different proposed coupling situations. The experiments performed for this study were performed using the real-time platform ERGON_X, designed by ACROE / ICA. The results of these experiments were used to quantify gesture models and to observe its components, according to established models. Keywords: haptic, haptic interface, human-machine interfaces, real-time simulation, human-object coupling, gesture, physical modeling, parameter identification., Les travaux décrits dans ce document abordent le problème du couplage dynamique homme-système haptique. Nous proposons une étude de ce couplage basée sur l'hypothèse d'un système hybride temporaire. Selon cette hypothèse, le système formé lors du couplage peut être considéré comme un système dynamique dont les deux parties ne peuvent pas être séparées. Ce sujet est pluridisciplinaire, se situant à l'intersection des sciences cognitives, de l'automatique et de l'haptique. La première partie du document comporte un état de l'art sur l'analyse du couplage dans ces trois domaines, une description de la problématique et de la méthode à utiliser pour notre étude ainsi qu'une proposition des typologies du geste. Lors de cette étude du couplage, nous nous intéressons à un groupe de gestes particuliers, notamment le geste périodique et le geste passif dans une situation de simulation haptique ainsi qu'aux modèles d'interaction capables de les générer. La méthode générale, consiste à définir des approches pour la modélisation du couplage main-système haptique pour ensuite réaliser une analyse du système couplé à partir d'une acquisition des données du système lors du couplage et en utilisant des méthodes d'identification de paramètres issus de l'automatique pour caractériser les modèles. La dernière partie, décrit la mise en place du dispositif pour l'analyse expérimentale du couplage en situation de simulation avec une interaction haptique. Ce dispositif permet l'acquisition des données du geste pour l'analyse. Nous présentons également, l'étude réalisée sur le simulateur haptique afin d'établir l'équivalence entre les paramètres virtuels introduits et issus du simulateur et des paramètres physiques réels. Ensuite, nous décrivons l'analyse expérimentale des différentes situations de couplage proposées. Les expériences effectuées lors de cette étude ont été réalisées sur la plateforme temps réel ERGON_X, conçue par l'ACROE/ICA. Les résultats de ces expériences ont permis de quantifier les modèles du geste et d'observer ses composantes, selon les modèles établis. Mots clés : haptique, interface haptique, interfaces homme-machine, simulation temps réel, couplage homme-objet, geste, modélisation physique, identification de paramètres.

This thesis is about inverse problems in acoustic scattering for inhomogeneous media with far-field measurements. In the first part of our work, we are interested in the localization of defects, i.e. the areas where the actual index is different from some reference index. We obtain a characterization of the support of the defects from the measurements by an extension of A. Kirsch's Factorization Method. We propose several numerical methods, one of them allowing us to consider the case of measurements directions which are different from the incidence directions. These algorithms are numerically validated. In a second part, we consider the reconstruction of the values of some unknown index. Using the previous defects localization, we propose two strategies to determine regions of interest on which the reconstruction is focused. Finally, we introduce a new cost function type, for the reconstruction, which capitalizes on the properties demonstrated in the first part.; Cette thèse traite de problèmes inverses en propagation d'ondes acoustiques pour des milieux inhomogènes avec des mesures en champ lointain. Dans la première partie nous nous intéressons à la localisation de défauts, c'est-à-dire à la recherche du lieu où l'indice effectif est différent d'un indice de référence. Nous obtenons une caractérisation du support des défauts à partir des mesures par une extension de la "Factorization Method" d'A. Kirsch. Nous proposons plusieurs méthodes numériques permettant de déterminer la localisation des défauts dont une permettant de traiter le cas de directions d'émission et de réception distinctes. Ces algorithmes sont validés numériquement. Dans une seconde partie, nous considérons la reconstruction des valeurs d'un indice inconnu. A partir de la méthode de localisation de défauts introduite précédemment, nous proposons deux stratégies pour déterminer des zones d'intérêt sur lesquelles la reconstruction est focalisée. Enfin, nous introduisons un nouveau type de fonction coût pour la reconstruction, qui exploite les propriétés établies dans la première partie.

This thesis is about inverse problems in acoustic scattering for inhomogeneous media with far-field measurements. In the first part of our work, we are interested in the localization of defects, i.e. the areas where the actual index is different from some reference index. We obtain a characterization of the support of the defects from the measurements by an extension of A. Kirsch's Factorization Method. We propose several numerical methods, one of them allowing us to consider the case of measurements directions which are different from the incidence directions. These algorithms are numerically validated. In a second part, we consider the reconstruction of the values of some unknown index. Using the previous defects localization, we propose two strategies to determine regions of interest on which the reconstruction is focused. Finally, we introduce a new cost function type, for the reconstruction, which capitalizes on the properties demonstrated in the first part.; Cette thèse traite de problèmes inverses en propagation d'ondes acoustiques pour des milieux inhomogènes avec des mesures en champ lointain. Dans la première partie nous nous intéressons à la localisation de défauts, c'est-à-dire à la recherche du lieu où l'indice effectif est différent d'un indice de référence. Nous obtenons une caractérisation du support des défauts à partir des mesures par une extension de la "Factorization Method" d'A. Kirsch. Nous proposons plusieurs méthodes numériques permettant de déterminer la localisation des défauts dont une permettant de traiter le cas de directions d'émission et de réception distinctes. Ces algorithmes sont validés numériquement. Dans une seconde partie, nous considérons la reconstruction des valeurs d'un indice inconnu. A partir de la méthode de localisation de défauts introduite précédemment, nous proposons deux stratégies pour déterminer des zones d'intérêt sur lesquelles la reconstruction est focalisée. Enfin, nous introduisons un nouveau type de fonction coût pour la reconstruction, qui exploite les propriétés établies dans la première partie.

This work is a contribution to the study of the behavior of some composite materials. We formalize the experimental observations from the mathematical point of view, and are conducting a “critical” study of the various models used to propose generic techniques for parameter identification in this context. The manuscript is divided into three chapters. Chapter 1 recalls the basic principles and mechanics context of this study. It will present the simplifying assumptions made by the following models and behaviour laws that we used and tested. Chapter 2 is devoted to modeling the inverse problem using the model of Grosberg and its theoretical and numerical study. Chapter 3 takes the approach of the previous chapter with the model of Dahl. Besides the numerical method used previously, we use an optimal control approach and present results obtained with more rigorous method and AMPL.; Ce travail est une contribution à l’étude du comportement de certains matériaux composites. Nous formalisons les observations expérimentales du point de vue mathématique, et menons une étude « critique » des différents modèles utilisés pour proposer des techniques génériques d’identification de paramètres dans ce contexte. Le manuscrit se divise en trois chapitres. Le chapitre 1 rappelle les principes élémentaires et le contexte mécanique de cette étude. On y présentera les hypothèses simplificatrices faites par la suite et les modèles de lois de comportement utilisés et testés. Le chapitre 2 est consacré à la modélisation du problème inverse avec utilisation du modèle de Grosberg et à son étude théorique et numérique. Le chapitre 3 reprend la démarche du chapitre précédent avec le modèle de Dahl. Outre la méthode numérique utilisée précédemment, nous utilisons une approche contrôle optimal et présentons des résultats plus rigoureux obtenus avec AMPL.

This work is a contribution to the study of the behavior of some composite materials. We formalize the experimental observations from the mathematical point of view, and are conducting a “critical” study of the various models used to propose generic techniques for parameter identification in this context. The manuscript is divided into three chapters. Chapter 1 recalls the basic principles and mechanics context of this study. It will present the simplifying assumptions made by the following models and behaviour laws that we used and tested. Chapter 2 is devoted to modeling the inverse problem using the model of Grosberg and its theoretical and numerical study. Chapter 3 takes the approach of the previous chapter with the model of Dahl. Besides the numerical method used previously, we use an optimal control approach and present results obtained with more rigorous method and AMPL., Ce travail est une contribution à l’étude du comportement de certains matériaux composites. Nous formalisons les observations expérimentales du point de vue mathématique, et menons une étude « critique » des différents modèles utilisés pour proposer des techniques génériques d’identification de paramètres dans ce contexte. Le manuscrit se divise en trois chapitres. Le chapitre 1 rappelle les principes élémentaires et le contexte mécanique de cette étude. On y présentera les hypothèses simplificatrices faites par la suite et les modèles de lois de comportement utilisés et testés. Le chapitre 2 est consacré à la modélisation du problème inverse avec utilisation du modèle de Grosberg et à son étude théorique et numérique. Le chapitre 3 reprend la démarche du chapitre précédent avec le modèle de Dahl. Outre la méthode numérique utilisée précédemment, nous utilisons une approche contrôle optimal et présentons des résultats plus rigoureux obtenus avec AMPL.

To take into account the behavior of soils subjected to very large numbers of cycles requires the use of specific models, often complex. Furthermore, the simulation of this behavior throughout the entire loading history is time-consuming. In order to overcome these difficulties, we developed two numerical techniques. The first technique aims at reducing substantially the computational time by applying the asymptotic time homogenization method. The effectiveness of this method is measured by comparing simulations with and without homogenization in the case of undrained triaxial tests under one-way cyclic loading. Two models are used: one is based on the principle of the bounding surface plasticity; the other is a two-surface model with isotropic and kinematic hardening (bubble model). The time homogenization method is implemented in the finite element software CESAR-LCPC. The second technique is part of the broader framework of constitutive parameter identification by inverse analysis. It consists of a multi-objective identification of parameters by genetic algorithms. This method is tested on monotonic pressuremeter tests in order to predict the settlement of a shallow foundation. Finally, the two numerical techniques are applied to experimental results obtained from undrained triaxial tests under one-way cyclic loading on a normally consolidated clay.; La prise en compte du comportement des sols soumis à de très grands nombres de cycles nécessite l'utilisation de modèles de comportement spécifiques, souvent complexes. Par ailleurs, la simulation de ce comportement sur l'ensemble du chargement implique des temps de calcul longs et fastidieux. En réponse à ces constats, cette étude développe deux outils d'aide à la modélisation numérique. Le premier outil vise une réduction substantielle du temps de calcul en appliquant la méthode d'homogénéisation temporelle asymptotique. L'efficacité de cette méthode est mesurée par la comparaison des simulations avec et sans homogénéisation dans le cas d'essais triaxiaux non drainés répétés. Deux modèles de comportement sont utilisés : l'un est basé sur le principe de la plasticité de la " bounding surface ", l'autre est un modèle à deux surfaces de charge à écrouissage isotrope et cinématique (modèle " bulle "). Un module d'homogénéisation est implanté dans le logiciel aux éléments finis CESAR-LCPC. Le second outil s'inscrit dans le cadre plus général de l'identification de paramètres constitutifs par analyse inverse. Il propose une identification multi-objectif des paramètres par algorithmes génétiques. Cette méthode est testée sur des essais pressiométriques monotones afin de prévoir le tassement d'une fondation superficielle. Finalement les deux outils numériques sont appliqués à des résultats expérimentaux obtenus lors d'essais triaxiaux non drainés répétés sur une argile normalement consolidée.

Most standard geotechnical in situ tests do not allow the direct identification of the constitutive parameters of the soil layers. The use of the finite element method for the designing geotechnical structures is consequently strongly limited by the rough knowledge of the mechanical properties of soil. This fact leads to set the problematics of inverse analysis in geotechnical engineering: What information concerning the constitutive parameters of the soil is it possible to get from in situ measurement ?This study is dedicated to the identification of parameters of soil constitutive models by inverse analysis from in situ geotechnical measurements. The inverse analysis is based on a genetic algorithm optimization process. Furthermore, to describe the set of solutions identified from a genetic algorithm optimization, a statistical analysis based on Principle Component Analysis is introduced. This analysis provides a set of solutions of the inverse problem. If all solutions are not directly identify by genetic algorithm, a principle component analysis on these solutions permits to define an envelop in which all the parameter values satisfy the inverse problem. These developments are based on some synthetic excavation problems and pressuremeter tests., La plupart des essais géotechniques in situ ne permettent pas d'identifier directement les paramètres constitutifs des couches de sol. L'utilisation de calculs par éléments finis pour dimensionner les ouvrages est ainsi limitée par une mauvaise connaissance des propriétés mécaniques des sols. C'est dans ce contexte que se pose la problématique d'analyse inverse en géotechnique : quelles informations concernant les paramètres constitutifs du sol est-il possible d'obtenir à partir de mesures in situ ? L'objectif de ce travail est de développer une méthode d'analyse inverse permettant d'identifier l'ensemble des paramètres constitutifs d'un sol à partir de mesures géotechniques in situ. La procédure est basée sur un processus d'optimisation par algorithme génétique. L'ensemble des solutions identifiées sont ensuite décrites mathématiquement par une étude statistique de type analyse en composantes principales. Cette étude montre que ce type d'optimisation par algorithme génétique permet d'estimer différentes solutions approchées pour les problèmes inverses de géotechnique. Si toutes les solutions d'un problème ne sont pas identifiées directement par l'algorithme génétique, leur exploitation par une analyse en composantes principales permet d'estimer l'ensemble des solutions du problème inverse. Cette méthode est développée sur des exemples d'ouvrages de soutènement et d'essais pressiométriques.

Most standard geotechnical in situ tests do not allow the direct identification of the constitutive parameters of the soil layers. The use of the finite element method for the designing geotechnical structures is consequently strongly limited by the rough knowledge of the mechanical properties of soil. This fact leads to set the problematics of inverse analysis in geotechnical engineering: What information concerning the constitutive parameters of the soil is it possible to get from in situ measurement ?This study is dedicated to the identification of parameters of soil constitutive models by inverse analysis from in situ geotechnical measurements. The inverse analysis is based on a genetic algorithm optimization process. Furthermore, to describe the set of solutions identified from a genetic algorithm optimization, a statistical analysis based on Principle Component Analysis is introduced. This analysis provides a set of solutions of the inverse problem. If all solutions are not directly identify by genetic algorithm, a principle component analysis on these solutions permits to define an envelop in which all the parameter values satisfy the inverse problem. These developments are based on some synthetic excavation problems and pressuremeter tests.; La plupart des essais géotechniques in situ ne permettent pas d'identifier directement les paramètres constitutifs des couches de sol. L'utilisation de calculs par éléments finis pour dimensionner les ouvrages est ainsi limitée par une mauvaise connaissance des propriétés mécaniques des sols. C'est dans ce contexte que se pose la problématique d'analyse inverse en géotechnique : quelles informations concernant les paramètres constitutifs du sol est-il possible d'obtenir à partir de mesures in situ ? L'objectif de ce travail est de développer une méthode d'analyse inverse permettant d'identifier l'ensemble des paramètres constitutifs d'un sol à partir de mesures géotechniques in situ. La procédure est basée sur un processus d'optimisation par algorithme génétique. L'ensemble des solutions identifiées sont ensuite décrites mathématiquement par une étude statistique de type analyse en composantes principales. Cette étude montre que ce type d'optimisation par algorithme génétique permet d'estimer différentes solutions approchées pour les problèmes inverses de géotechnique. Si toutes les solutions d'un problème ne sont pas identifiées directement par l'algorithme génétique, leur exploitation par une analyse en composantes principales permet d'estimer l'ensemble des solutions du problème inverse. Cette méthode est développée sur des exemples d'ouvrages de soutènement et d'essais pressiométriques.

This work concerns the variational assimilation of lagrangian data in river hydraulics, for the identification of parameters in a numerical model relying on the shallow water equations. We propose to take into account Lagrangian data such as trajectories of particles transported on the surface of the flow, in addition to classical eulerian observations which are sometimes not sufficient. The advantages of this approach to improve the identification of parameters are demonstrated through a series of numerical experiments using synthetic data as well as real data from an open channel flow where trajectories are extracted from a video., Ce travail porte sur l'assimilation variationnelle de données lagrangiennes en hydraulique fluviale, pour l'identification de paramètres dans un modèle numérique de rivière basé sur les équations de Saint-Venant, mise oeuvre dans le logiciel Dassflow. Nous proposons de prendre en compte des observations de nature Lagrangienne, comme des trajectoires de particules transportées à la surface de l'écoulement, en plus des observations classiquement disponibles, parfois insuffisantes. L'intérêt de cette approche pour améliorer l'identification de certains paramètres est mis en évidence à travers une série d'expériences numériques utilisant soit des données synthétiques, soit des données réelles issues d'un écoulement en canal, où des trajectoires sont extraites d'une séquence vidéo.

Composite materials cover a lot of manufacturing industries. In each step of their life cycle the transformation of the material needs some source of heat. If the reinforcement is carbon fibre, the heat source can be induction heating. The aim of this thesis is to model in 3D, the induction heating of these materials which are multiscale, heterogeneous and anisotropic. These materials are replaced by homogeneous equivalent materials using homogenisation or experimental methods. In this work, to identify the electric conductivity an experimental method based on the impedance measurement is used. The composite materials are usually in the form of plates with very small thickness compared to the other dimensions. Two models have been developed, a monolayer anisotropic shell elements and a multi-layer model dedicated to the laminated composites with oriented structures. The comparison between the simulation and experimental results gives a good concordance. These models are applied to develop an industrial application.; Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l'industrie. Au cours des différentes phases de transformation de ces matériaux, un apport de chaleur est souvent nécessaire. Si le renfort est en fibres de carbone, le chauffage par induction peut être avantageux par rapport à d'autres modes de chauffage. Le but de cette thèse est de modéliser en 3D le chauffage par induction de ces matériaux qui sont multi-échelles, hétérogènes et anisotropes. Ces matériaux sont remplacés par des matériaux homogènes équivalents à l'aide de méthodes d'homogénéisation prédictives ou expérimentales. Dans ce cadre, nous avons proposé une méthode expérimentale basée sur la mesure de l'impédance pour déterminer la conductivité électrique. D'autre part, ces matériaux se présentent sous forme de plaque d'épaisseur très faible comparée aux autres dimensions. Deux modèles ont étés mis en place, un modèle éléments coques anisotropes monocouche et un modèle multicouche dédiés aux composites stratifiés à structures orientées. Une confrontation entre les résultats de simulations et les mesures expérimentales a permis de valider les modèles développés. Ces modèles ont été appliqués dans le cadre d'une collaboration industriel.

Rotor-bearing systems take an important place in engineering applications and are used in many industrial systems: gas turbines, compressors, jet engines, machine-tool spindles, etc. The spindle is an essential component of manufacturing systems involving metal removal processes. Its performance largely influences the quality of machined parts. This importance has increased with the advent of High Speed Machining, High Productivity Machining and Hard Machining with low lubrication. In machining, manufacturers aim at higher cutting speeds and feed rates in order to increase productivity. These trends imply higher rotational speeds for spindles but also higher cutting forces. At the same time, manufacturers wish to improve surface roughness and tolerances of the machined parts. To meet those goals, it is essential to master the dynamic behavior of spindles. Stiffness is a fundamental parameter controlling the static and dynamic performances of the spindle. Modeling and controlling the dynamic behavior of spindles is a complex problem, because of the non-linear nature of the bearing stiffness, of its speed dependence and because of thermo mechanical effects associated with the heat dissipation in the bearings. In this dissertation, a mixed experimental-numerical method is presented for evaluating bearing stiffness of very high speed rotor-bearing systems. This method focuses on determining the stiffness properties of angular contact ball bearings used in the design of high-speed spindles for machine-tool applications. The goal of this method is to provide accurate and reliable stiffness data to improve dynamic predictive models of spindles. These models will then serve to improve and facilitate the design of high-speed spindles. A special attention is paid to the speed dependence of the bearing stiffness. The mixed identification method is based on the comparison of an experimental modal model with a numerical modal model of spindles. An optimization procedure based on a non-linear least square fit algorithm is used to estimate the bearing stiffness. The optimization criterion combines error functions based on natural frequencies and mode shapes. Based on the measurement of frequency response functions, the experimental modal parameters (natural frequencies and mode shapes) are extracted. In order to match numerical modal parameters with the experimental ones, the iterative optimization procedure updates the numerical parametric model. The model parameters are the bearing stiffness parameters to estimate. The procedure terminates once the error between the experimental and numerical parameter falls below a predefined threshold value. At this point, the bearing stiffness estimation is completed. The numerical model was developed to be easily implemented in a commercial finite element software. Moreover, the 3D finite element model allows to take into account all the surrounding structural elements which can influence the dynamic behavior of the spindle. The ball bearing is modeled as a stiffness matrix including radial, axial, tilting and coupling terms. On the other hand, a test rig using contact-free capacitive sensors to measure frequency response functions of motor-spindles was developed. Measurements can be performed either under non-rotating conditions or under rotation. Experimental modal parameters are extracted using a traditional curve fitting method. Several numerical applications were used to assess the performances of the identification method and validate it. As an example, the proposed identification procedure is applied to a mid-size (7kW) motor-spindle running at up to 70'000 rpm. Two test cases are presented: test spindle equipped with angular contact ball bearings with a contact angle of 15° and then 25°, commonly used in industrial high-speed spindles. For these two configurations, the goal is to estimate bearing stiffness and validate the method with experimental data. Several identifications were conducted at various rotational speeds. The rotational speed range was chosen to highlight the decrease in the bearing stiffness with rotational speed. In both test cases, we observed significant decrease in axial bearing stiffness with speed. With a contact angle of 15°, at 66'000 rpm, the axial stiffness can drop to 40% of its value at zero speed. With a contact angle of 25°, at 54'000 rpm, the axial stiffness can drop to 30% of its value at zero speed. The behavior of the radial stiffness is different in the two test cases. With a contact angle of 15°, the radial stiffness remains almost constant over the whole range of rotational speed. Conversely, with a contact angle of 25°, the behavior of the radial stiffness is similar to the behavior of the axial stiffness. At 54'000 rpm, its value can decrease to less than 40% of its value at zero speed. The obtained results are in good agreement with the literature and with numerically predicted stiffness values.

This study proposes a new advanced algorithm for determining material parameters based on in situ tests. In situ testing gives an opportunity to perform soil characterization in natural stress conditions on a representative soil mass. Most field techniques reduce soil disturbances to minimum, allowing investigating the response of virgin soil. Self-boring pressuremeter tests (SBPT) and standard piezocone tests (CPTU) are widely used to deduce properties of clayey soils through analytical and empirical correlations between soil properties and experimental measurements. Empirical correlations usually require some tuning based on reference laboratory data because first-order estimates for typical correlation coefficients may give unreliable evaluation of soil properties. Analytical correlations are mostly based on cavity expansion methods which are restricted to either fully drained or perfectly undrained problems, so that inverse closed-form solutions for relatively simple constitutive models can be derived. In practice, however, depending on physical and consolidation properties of the soil, partially drained conditions may occur during field testing, leading to an erroneous estimation of clay characteristics. Therefore, elaborating a generic parameter identification framework, which is based on the artificial neural network (NN) technique and which may improve the reliability of soil properties derived from in situ testing, is the main goal of this research. This study explores the possibility of using NNs to solve complex inverse problems including partially drained conditions. In other words, NNs are used to map experimental measurements onto set of soil properties. The development of NN-based inverse models is based on a training data sets which consists of pseudo-experimental measurements derived from numerical simulations of both the SBPT and the CPTU test in normally- and lightly overconsolidated clay type material. The study presents a generic two-level procedure designed for the calibration of constitutive models of soils. It is demonstrated that NN inverse models can be easily integrated into the classical back-analysis. At the first level, the NN approach is applied to achieve the first approximation of parameters. This technique is used to avoid potential pitfalls related to the conventional gradient-based optimization (GBO) technique, considered here as a corrector that improves predicted parameters. Trained NNs as parallel operating systems can provide output variables instantly and without a costly GBO iterative scheme. The proposed framework is verified for the elasto-plastic Modified Cam Clay (MCC) model that can be calibrated based on standard triaxial laboratory tests, i.e. the isotropic consolidation test and the consolidated isotropic drained compression test. The study presents formulations of the input data for the NN predictors, enhanced by a dimensional reduction of experimental data using principal component analysis (PCA). The determination of model characteristics is demonstrated, first on numerical pseudo-experiments and then on the experimental data. Furthermore, the efficiency of the proposed approach in terms of accuracy and computational effort is also discussed. The verified two-level strategy is applied to a numerical procedure of parameter identification for the boundary value problem (BVP) of the SBPT. The coupled hydro-mechanical finite element (FE) formulation allows the generated excess pore water pressure to be dissipated during simulations of the expansion test, followed then by a holding test. Numerical simulations demonstrate that volume changes that may occur in clay during the expansion test due to partial drainage, can cause local soil hardening near the cavity wall and affect parameter interpretation for pressuremeter tests. Therefore, the NN technique is applied to obtain an initial guess for model parameters, taking into account the possible partially drained conditions during the expansion test. Parameter identification based on measurements obtained through the pressuremeter expansion test and two types of holding tests is illustrated on the MCC model. NNs are trained using a set of synthetic test samples, which are generated by means of FE simulations based on constrained random permutations of input model parameters. The measurements obtained through expansion and consolidation tests are normalized by the proposed normalizing formulas so that NN predictors operate independently of the testing depth. Examples of parameter determination are demonstrated on both numerical data and field measurements from the Fucino clay deposit. The efficiency of the combined parameter identification in terms of accuracy, effectiveness and computational effort is also discussed. Finally, an application of NN predictors as a stand-alone support for soil profiling is presented for the piezocone test. By similarity to the SBPT problem, a number of NN inverse models are developed based on the results derived from rigorous FE analyzes. The FE model of piezocone penetration involves numerical formulation for the two-phase material obeying the MCC law and including the large strain theory, as well as the large deformation formulation for contact interface. It is demonstrated that a considerable computational effort related to the generation of the training database can be reduced by optimizing the mesh size and "steady-state" depth in function of soil rigidity index. Due to a severe loss of measurement accuracy observed in the finite elements adhered to the "rough" interface, an equivalent semi-numerical approach is proposed to account for frictional effects in different drainage conditions which are delineated from a number of numerical simulations. The validity of the developed penetration model is verified in detail by means of comparisons with other theoretical solutions and parametric studies synthesized from literature, as well as experimental evidence for both undrained and partially drained scenarios. An extended parametric study including influence analyzes of strength and stress anisotropy, rigidity index and cone roughness on two cone factors provides new insight into the analysis of cone penetration. The shortcomings of the FE model due to the limitations of the applied constitutive model are also discussed. As regards NN models, different configurations of input variables, including standard normalized piezocone metrics and other available soil characteristics are investigated in terms of feasibility of effective NN training. The post-training regression analyzes are performed for numerical data allowing the assessment of the influence of specific input variables on accuracy of parameters predictions. Finally, the developed NN models are applied to predict parameters based on field measurements for a number of characterization sites. Provided examples demonstrate that NN inverse models may constitute an effective complementary support during the first-order quantification of the MCC parameters from piezocone measurements.