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Les auteurs remercient le Centre HPC Arts et Métiers Cassiopee mis à disposition pour mener les recherches rapportées dans ce travail. Afin d’apporter un maxinmun d’éléments de compréhension quant au comportement mécanique des composites thermoplastiques renforcés de fibres courtes, la présente contribution propose une démarche multi-échelle par champs complets. Pour ce faire, des maillages de VER (Volumes Élémentaires Représentatifs) ont été générés avec un positionnement aléatoire des fibres tandis que leurs orientations sont distribuées selon une ODF (Orientation Distribution Function). Ces VERs présentent une périodicité par construction assurant ainsi une transition d’échelle par homogénéisation périodique. Le comportement à l’échelle macroscopique est ainsi déterminé à partir de simulations par éléments finis de ces VERs, intégrant les lois de comportement spécifiques des constituants et plus particulièrement celui de la matrice thermoplastique décrit ici par un modèle viscoélastique-viscoplastique avec endommagement ductile. L’approche proposée permet ainsi de visualiser les mécanismes locaux de déformation et de dégradation et d’en analyser l’influence sur la réponse macroscopique du composite lors de chargements monotones, persistants et cycliques.

The interaction between soft and hard tissues is essential to ensure good mobility to the musculoskeletal system. In particular, the integration between tendon and bone occurs through a specific functionally graded interphase called enthesis. This transitional tissue serves the challenging task of connecting these two highly dissimilar tissues with a mismatch in mechanical properties of nearly two orders of magnitude over a submillimeter wide region, by means of finely tuned gradients in structure, composition, and biomechanical properties at different length scales. Nevertheless, this interphase is a frequent site of injuries because of physical overloading, systemic diseases, or tissue degeneration in the elderly. The failure rate of surgical procedures for the repair of musculoskeletal injuries involving multiple tissues remains particularly high, especially because of the lack of integrative solutions for restoring such kind of interphases. In this regard, understanding the mechanisms behind the mechanical effectiveness of interfacial regions is essential for many different purposes including diagnosis, repair, and regeneration, as well as to develop biomimetic strategies in tissue engineering.Within this context, the present thesis aims at mechanically characterizing biological multi-tissue interphases, like the tendon-to-bone insertion. To tackle this objective, chapter 1 provides an overview on the relationships between the structure and the composition of the transitional tissues at the tendon-to-bone attachment. Based on these considerations, this chapter also gives an overview of the modeling strategies that have been developed at different length scales. Chapter 2 develops a mean-field homogenization model relying on Eshelby’s solution of a single-inclusion problem that, based on the knowledge of the compositional features of the tendon-to-bone interphase at lower length scales, allows predicting its overall mechanical behavior at the mesoscopic scale. The results from this model are then further used as an input to address the two subsequent approaches developed in chapters 3 and 4. Thereby, chapter 3 aims at bridging the gap between the tissue-scale and the organ scale for modeling purposes, by developing an equivalent interface model with specific properties, which retains information of the microstructural features of the interphase. This is achieved by means of an original model developed in the framework of surface elasticity, which accounts for both the elastic and inertial behavior of the real interphase. The performance of this enriched model is evaluated in the context of elastic wave propagation. Lastly, in chapter 4, the multiscale modeling is exploited for replicating some mesoscopic features adopted by this biological interphase towards the development of biomimetic strategies in engineering. This is achieved by fabricating additively manufactured samples that possess an interphase with bioinspired properties. These samples are then mechanically characterized using ultrasound measurements and mechanical modeling.Overall, this multidisciplinary work, which combines multiscale modeling, numerical simulations, and experimental validation, allows for a better understanding of the mechanics of biological soft-to-hard interphases and proposes innovative modeling and characterization strategies towards tissue engineering applications, in particular for orthopedics., La liaison entre les tissus mous et les tissus durs est essentielle afin d'assurer une bonne mobilité au système musculo-squelettique. En particulier, la liaison entre le tendon et l'os a lieu par le biais d'une interphase tissulaire appelée enthèse. Cette interphase a pour rôle de connecter ces deux tissus présentant des propriétés mécaniques fortement dissimilaires sur une très petite région, et ce grâce à des caractéristiques spécifiques de structure, de composition et de propriétés biomécaniques à différentes échelles.Cependant, suite à une blessure en raison d'une surcharge physique, de maladies systémiques ou de dégénérescence tissulaire chez les personnes âgées, cette interphase ne peut pas correctement se régénérer. Le taux d'échecs des interventions chirurgicales pour réparer ces lésions musculo-squelettiques reste particulièrement élevé, notamment en raison du manque de solutions intégratives pour la réparation de cette interphase. Une meilleure compréhension des mécanismes responsables de l'efficacité mécanique de cette région interfaciale est donc essentielle tant pour des objectifs cliniques que pour l'élaboration de stratégies biomimétiques en ingénierie tissulaire.Dans ce contexte, le présent travail vise à caractériser mécaniquement les interphases biologiques, à l'image de l'enthèse tendon-os. Pour atteindre cet objectif, le chapitre 1 donne un aperçu des relations entre la structure et la composition de l'insertion tendon-os. Sur la base de ces considérations, ce chapitre fournit également un aperçu des stratégies de modélisation développées à différentes échelles. Le chapitre 2 développe un modèle d’homogénéisation par champs moyens, à partir du célèbre problème d’Eshelby d’une inclusion dans une matrice, basé sur la connaissance des caractéristiques de composition de cette interphase aux petites échelles, permettant ainsi de prédire son comportement mécanique effectif à l'échelle mésoscopique. Les résultats de ce modèle sont ensuite utilisés comme données d'entrée dans les approches développées aux chapitres 3 et 4. Ainsi, le chapitre 3 vise à combler le fossé entre l'échelle du tissu et l'échelle de l'organe à des fins de modélisation en développant un modèle équivalent d'interface avec des propriétés spécifiques qui préservent les informations sur les caractéristiques microstructurelles de l'interphase. Ceci est réalisé au moyen d'un modèle original développé dans le cadre de l'élasticité de surface, qui rend compte à la fois du comportement élastique et inertiel de l'interphase réelle. Les performances de ce modèle enrichi sont évaluées dans le cadre de la propagation des ondes élastiques. Enfin, dans le chapitre 4, le modèle multi-échelle est exploité pour reproduire certaines caractéristiques mésoscopiques adoptées par cette interphase biologique pour le développement de stratégies biomimétiques en ingénierie. Ceci est réalisé par fabrication additive d'échantillons présentant une interphase possédant des propriétés bio-inspirées. Ces échantillons sont ensuite caractérisés mécaniquement à l'aide de mesures ultrasonores et de modélisation mécanique.En résumé, ce travail combine modélisation multi-échelle, simulations numériques et validation expérimentale pour permettre une meilleure compréhension de la mécanique des interphases biologiques et propose des stratégies de modélisation et caractérisation innovantes ouvrant la voie à des applications en ingénierie tissulaire, en particulier, pour l’orthopédie.

A study and comparison of two materials is proposed: a woven oxide/oxide composite, and a new generation laminate oxide/oxide composite made of unidirectional plies. The study is organized into two major parts, namely i) an experimental analysis and ii) a numerical analysis by multi-scale damage modelling. For the experimental part, multi-instrumented tensile tests are performed to identify and characterize the damage mechanisms. Then a micro-meso multi-scale damage model based on continuum damage mechanics is proposed, to meet two main objectives: i) enhance the understanding offered by the experimental analysis and ii) study the influence of the microstructure on the mechanical behaviour of the materials. The meso-model parameters are identified by virtual tests at micro-scale. This strategy allows a good prediction of the mechanical behaviour regardless of the considered laminate, and to study the effect of matrix porosity due to partial sintering. Effects of stress concentrations is eventually studied through tensile tests on notched coupons. The use of experimental and numerical analysis offers the possibility to study the development of damage at then edge of notches. The two studied materials exhibit an interesting notch sensitivity, thanks to stress redistribution generated by matrix porosity., L’étude du comportement d’une nouvelle génération de COX stratifiés (UD) est menée. Une comparaison avec les COX tissés (2D), plus largement étudiés dans la littérature, est proposée. La démarche de compréhension du comportement mécanique de ces deux matériaux s’articule autour d’une étude expérimentale, et d’une étude numérique. Pour l’analyse expérimentale, des essais de traction multi-instrumentés sont effectués pour caractériser les mécanismes d’endommagement. La différence de microstructure générée par les fissures de retrait joue un rôle majeur dans les mécanismes d’endommagement matriciels. Une méthode de modélisation multi-échelle micro-méso se basant sur une approche d’endommagement continu est ensuite mise en place pour répondre à deux objectifs principaux : i) améliorer les éléments de compréhension apportés par la partie expérimentale et ii) étudier l’influence de la microstructure sur le comportement du matériau. Les paramètres du modèle d’endommagement du pli élémentaire sont identifiés à partir de sollicitations virtuelles à l’échelle micro. Cette stratégie permet entre autres de prédire convenablement le comportement d’un stratifié quelconque. Enfin, une analyse de l’effet des concentrations de contraintes est proposée. La combinaison entre analyse expérimentale et analyse numérique permet d’analyser finement le développement de l’endommagement en bord d’entaille. La redistribution des contraintes en bord de singularité géométrique génère pour les deux matériaux une faible sensibilité à l’entaille.

This doctoral work focuses on a magnetically hard and mechanically stiff magnetoactive elastomer (stH-MAE) composite material. Experimental studies are presented concerning the manufacturing of the composite as well as the characterization of its mechanical, magnetic and coupling properties. A multiscale model is developed using a continuum approach at the microstructural scale with classic homogenization techniques on statistically homogeneous composites. The effective properties are determined with numerical simulations and the behavior law around the operating point of the material is modeled with a piezomagnetic approach. Two proofs of concept are presented using stH-MAE composites for membrane actuators and passive vibration damping. Both concepts are based on the magnetically induced forces resulting from the remnant magnetization and provide promising results for future applications of stH-MAE in mechatronic devices., Au centre de cette thèse est un élastomère magnétoactif qui est mécaniquement rigide et magnétiquement dur (stH-MAE). Les études expérimentales présentées comprennent l’élaboration du composite ainsi que la caractérisation des propriétés mécaniques, magnétiques et couplées. Un modèle pour la détermination des propriétés effectives du composite est présenté ; il est basé sur des simulations numériques des microstructures statistiquement homogènes. Pour la modélisation du comportement autour du point de fonctionnement du matériau, l’utilisation d’un modèle piézomagnétique est proposé. Les travaux comprennent deux preuves de concept pour l’utilisation des stH-MAE pour les actionneurs à membrane ainsi que pour l’amortissement passif des vibrations. Ces deux exemples mettent en avant l’avantage de l’aimantation rémanente pour les applications mécatroniques futures.

Human health and physiology relie both on human cells activity and on intestinal microbiota activity, as well as on their interactions. In Mammals, the intestinal epithelium is very densely folded, and the smallest fold is called the intestinal crypt. It is also the simplest unit of the host-microbiota crosstalk. The size of a crypt, which is made of approximately 700 cells, and the detailed knowledge that we have of its functionning are amenable to build a detailed mathematical model. We constructed an individual-based model of epithelial cells interacting with chemicals produced by the microbiota which diffuse in the crypt lumen. This model is formalised as a piecewise determinist Markov process. It accounts for: local interactions due to cell contact (among which are mechanical interactions); cell proliferation, differenciation and extrusion which are regulated spatially or by chemicals concentrations; chemicals diffusing and reacting with cells. We demonstrate the convergence of the stochastic individual-based model to a deterministic model under the assumption of large population. A second limit model is obtained formally when the size of cells goes to 0. We aim at obtaining deterministic limit model because they can be simulated much faster, and can be used to improve understanding of the stochastic model or can be coupled with a model of the whole colon. The three models are implemented, convergence of models is shown numerically, and simulations of the individual-based model are analysed to show that qualitative behaviour of the crypt is reproduced., La physiologie et la santé de l'Homme dépendent des activités des cellules humaines, mais aussi de celle du microbiote intestinal, et de leurs interactions. Chez les Mammifères, l'épithélium intestinal est structuré en un nombre extrêmement élevé d'invaginations appelées cryptes. La crypte intestinale est l'unité la plus simple du dialogue hôte-microbiote. Les dimensions de la crypte (quelques centaines de cellules) et les nombreuses connaissances accumulées sur son fonctionnement incitent à en faire une modélisation détaillée. Nous avons construit un modèle individu-centré des cellules épithéliales interagissant avec des espèces chimiques issues de l'activité du microbiote, sous la forme d'un processus markovien déterministe par morceaux. Ce modèle prend en compte: les interactions liées au contact entre cellules voisines (mécaniques notamment) ; la prolifération, la différenciation et la mort cellulaire régulées spatialement ou par les concentrations des espèces chimiques; des espèces chimiques diffusant dans la lumière de la crypte et réagissant avec les cellules. La convergence du modèle individu-centré stochastique vers un modèle déterministe sous l'hypothèse d'une grande population est démontrée. Un second modèle limite est dérivé formellement lorsque la taille des cellules épithéliales tend vers 0. Ces modèles alternatifs permettent de réaliser des simulations beaucoup plus rapides, afin d'éclairer le fonctionnement du modèle individu-centré ou de le coupler à un modèle du côlon complet. Ces trois modèles sont implémentés, la convergence des modèles est illustrée numériquement, et les simulations du modèle individu-centré sont analysées et montrent que l'on reproduit qualitativement le fonctionnement de la crypte intestinale.

Human health and physiology relie both on human cells activity and on intestinal microbiota activity, as well as on their interactions. In Mammals, the intestinal epithelium is very densely folded, and the smallest fold is called the intestinal crypt. It is also the simplest unit of the host-microbiota crosstalk. The size of a crypt, which is made of approximately 700 cells, and the detailed knowledge that we have of its functionning are amenable to build a detailed mathematical model. We constructed an individual-based model of epithelial cells interacting with chemicals produced by the microbiota which diffuse in the crypt lumen. This model is formalised as a piecewise determinist Markov process. It accounts for: local interactions due to cell contact (among which are mechanical interactions); cell proliferation, differenciation and extrusion which are regulated spatially or by chemicals concentrations; chemicals diffusing and reacting with cells. We demonstrate the convergence of the stochastic individual-based model to a deterministic model under the assumption of large population. A second limit model is obtained formally when the size of cells goes to 0. We aim at obtaining deterministic limit model because they can be simulated much faster, and can be used to improve understanding of the stochastic model or can be coupled with a model of the whole colon. The three models are implemented, convergence of models is shown numerically, and simulations of the individual-based model are analysed to show that qualitative behaviour of the crypt is reproduced.; La physiologie et la santé de l'Homme dépendent des activités des cellules humaines, mais aussi de celle du microbiote intestinal, et de leurs interactions. Chez les Mammifères, l'épithélium intestinal est structuré en un nombre extrêmement élevé d'invaginations appelées cryptes. La crypte intestinale est l'unité la plus simple du dialogue hôte-microbiote. Les dimensions de la crypte (quelques centaines de cellules) et les nombreuses connaissances accumulées sur son fonctionnement incitent à en faire une modélisation détaillée. Nous avons construit un modèle individu-centré des cellules épithéliales interagissant avec des espèces chimiques issues de l'activité du microbiote, sous la forme d'un processus markovien déterministe par morceaux. Ce modèle prend en compte: les interactions liées au contact entre cellules voisines (mécaniques notamment) ; la prolifération, la différenciation et la mort cellulaire régulées spatialement ou par les concentrations des espèces chimiques; des espèces chimiques diffusant dans la lumière de la crypte et réagissant avec les cellules. La convergence du modèle individu-centré stochastique vers un modèle déterministe sous l'hypothèse d'une grande population est démontrée. Un second modèle limite est dérivé formellement lorsque la taille des cellules épithéliales tend vers 0. Ces modèles alternatifs permettent de réaliser des simulations beaucoup plus rapides, afin d'éclairer le fonctionnement du modèle individu-centré ou de le coupler à un modèle du côlon complet. Ces trois modèles sont implémentés, la convergence des modèles est illustrée numériquement, et les simulations du modèle individu-centré sont analysées et montrent que l'on reproduit qualitativement le fonctionnement de la crypte intestinale.

This thesis presents an experimental and theoretical study conducted on a PPS/GF40 and its matrix. Widely used for under-the-hood applications in the automotive industry, those materials are subjected to high temperatures and aging effects of cooling liquid. Therefore, the understanding of those phenomena is essential to design mechanical parts. Thus, an experimental campaign in the tensile mode has been carried out with different temperatures and glycol proportions in the cooling liquid, for monotonic and cyclic loadings on neat and reinforced PPS. The results of these tests allowed us to highlight some of the main physical phenomena occurring during these solicitations under tough hydro-thermal conditions. Taking into account this analysis, a visco-elasto-pseudo-viscoplastic model is proposed. Moreover, this model allows the consideration of the cooling liquid effects and its constituents by temperature/humidity equivalence. The accuracy of the model was confronted to an artificial intelligence based one, in order to study the maximal accuracy physically reachable. Finally, the evolution of the model parameters has been studied with the adjunction of short glass fibres and for specifics orientation distribution. Starting from the study of the mechanical behavior of the PPS matrix, an analytical homogenization was then performed. Differences between experimental and predicted plastic behaviors were highlighted. Finite element analyses considering inter-phase damage were done at different temperatures and for several fiber orientations so to explain differences arising between analytical approach and experimental results. This work allowed a study of the evolution of the impact of this damage on mechanical properties as a function of temperature and fiber orientation. This work led to highlight a weakening of the fiber/matrix interface for a liquid aged composite and to quantify the decrease of the interface properties. Finally, fatigue behavior of the composite is studied as a function of fiber orientation. The modeling parameters determined from the study of the monotonic behavior of the composite were taken into account to propose a prediction of the Wöhler curves as a function of temperature. The prediction of the Wöhler curves as a function of temperature being possible, a 1D model was then proposed in order to evaluate the increase of temperature due to self-heating phenomenon during fatigue loading, considering ageing consequences.; L’immersion permanente dans le liquide de refroidissement et les fortes variations de températures inhérentes à certaines applications automobiles constituant un environnement défavorable aux composites plastiques, les effets de cet environnement sur ces matériaux doit être connus afin de permettre une conception fiable des composants. Cette thèse présente une étude expérimentale et théorique sur un PPS/GF 40 et sa matrice. Les variations de températures et le vieillissement du matériau lié à l’immersion dans le liquide de refroidissement ont été investiguées de manière expérimentale via des essais de tractions cycliques et monotones sur le plastique pur et sur le composite en faisant varier la proportion de glycol dans le liquide de refroidissement. Les résultats de ces essais ont permis l’identification des principaux phénomènes physiques à l’œuvre dans le PPS pur et responsables des évolutions de son comportement mécanique en fonction de cet environnement hydro-thermique. Ces observations expérimentales ont permis la mise en place d’un modèle phénoménologique traduisant le comportement complexe du PPS et de l’extrapoler pour différentes températures. Les effets du vieillissement ont été intégrés au sein de ce même modèle via l’établissement d’une équivalence température/immersion. A partir de l’étude réalisée sur la matrice PPS, le modèle proposé a été extrapolé au niveau du composite via une homogénéisation analytique de son comportement. Un certain écart a été observé entre la prédiction du comportement plastique et le comportement observé expérimentalement. Une investigation par éléments finis de la cohésion fibre/matrice par endommagement d’inter-phase a été menée afin d’expliquer ces différences. Ce travail a permis de mettre en exergue l’influence du vieillissement sur cette cohésion et de quantifier la perte de résistance de cette inter-phase induite par l’immersion. Enfin, une étude expérimentale en fatigue a été menée sur le composite. Les similitudes observées avec le comportement en quasi-statique ont permis de réutiliser des paramètres du modèle développé afin d’extrapoler les courbes de Wöhler pour différentes températures. Cette extrapolation étant alors possible, un modèle 1D a été développé afin d’estimer l’élévation de température induite dans le matériau suite aux phénomènes d’auto-échauffement induits par la sollicitation en fatigue, tout en prenant en considération les effets du vieillissement sur la microstructure du matériau.

Les nickel-titane sont, à l’heure actuelle, les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) les plus utilisés industriellement du fait de leurs propriétés mécaniques. Néanmoins leur comportement est, parmi l’ensemble des AMF, l’un des plus complexes à modéliser. Ce document revient sur les différents développements effectués ces dernières années en termes d’approches expérimentales innovantes : essais multiaxiaux et mesures in situ associées comme le dosage des phases par DRX ou les mesures de champs cinématique et thermique couplées par caméra infrarouge. Une modélisation de type micro-macro est ensuite proposée, basée sur des approches stochastiques. La première version est écrite à l’équilibre thermodynamique et donc réversible; une seconde version hors équilibre permet de décrire le comportement hystérétique.

Improving the mechanical performances of materials used in aeronautics industry is generally based on the understanding of the relationships between their microstructural features and their mechanical behavior observed at the macroscopic scale. In addition, the heterogeneous and the anisotropic nature of many materials, in particular Ti-6Al-4V titanium alloy, implies a rather detailed investigation of the mechanical behavior at the local scale. This PhD work is a contribution to analyze the mechanical behavior of the Ti-6Al-4V alloy submitted to monotonic and cyclic loadings by considering relationship with the microstructure features. Microstructural characterizations were first performed on nodular Ti-6Al-4V microstructures with identical crystallographic texture and three different grain sizes (ultra fine, fine and standard), then on microstructures with the same grain size but two texturing degrees (strong texturing and weak) were assessed. In a second step, mechanical tensile and cyclic experiences were carried out. The results were used in development of a model with a macroscopic approach. Subsequently, a sliding trace analysis technique was developed in order to identify the contribution of different sliding systems on the accommodation of plastic deformation during the tensile or cyclic loadings. The final part of PhD work was dedicated to the development of a Crystal Plasticity-Finite Element model (CPFEM) to analyze the coupled effect of the average grain sizes, their relative scattering and crystallographic textures on the mechanical behavior at different scales: microscopic (sliding mechanism), mesoscopic (grains) and macroscopic scales. The model parameters were identified using appropriate techniques for the scale transitions. The Representative Volume Element (RVE) necessary for such modeling has been optimized with two constraints: a representative number of grains and an adequate meshing in terms of numbers and type of elements. The numerical simulations were performed using Abaqus/ Standard finite element calculation code interfaced by ZMAT library.; L’amélioration des performances mécaniques des matériaux utilisés dans l’aéronautique repose généralement sur la compréhension de la relation entre les paramètres microstructuraux et le comportement mécanique macroscopique. De plus, le caractère hétérogène et anisotrope de la plupart des matériaux métalliques, notamment l’alliage de titane Ti-6Al-4V, implique une étude assez approfondie à l’échelle locale. Ce travail constitue une contribution dans ce domaine. Il a pour but d’analyser le comportement mécanique de l’alliage Ti-6Al-4V soumis à des sollicitations monotones et cycliques en lien avec la microstructure. Des caractérisations microstructurales ont été tout d’abord effectuées sur des microstructures nodulaires de Ti-6Al-4V possédant la même texture cristallographique mais avec trois tailles de grain différentes : ultra fine, fine et standard, puis sur des microstructures possédant la même taille de grain mais avec deux textures différentes : forte et faible. Dans une deuxième étape, des essais mécaniques monotones et cycliques ont été réalisés. Les résultats de cette partie ont permis le développement d’un modèle à l’échelle macroscopique. Par la suite, une technique d’analyse des traces de glissement a été développée dont l’objectif est d’identifier la contribution de différents systèmes de glissement dans l’accommodation de la déformation plastique. La dernière partie de cette thèse a été consacrée au développement d’un modèle de plasticité cristalline couplé à la méthode des éléments finis (Crystal Plasticity Finite Element Method (CPFEM)) permettant d’analyser l’effet couplé de la taille moyenne des grains, leur dispersion relative et leur texture cristallographique sur le comportement obtenu aux échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique. Les paramètres du modèle ont été identifiés en utilisant des techniques appropriées de transition d’échelles en champs moyens. Les Volumes Élémentaires Représentatifs (VER) utilisés dans le modèle ont été optimisés en considérant deux contraintes majeures : un nombre de grains représentatif et un maillage adéquat. Les simulations numériques ont été réalisées par le biais du code de calcul éléments finis Abaqus/Standard interfacé par la librairie ZMAT.

Many glassy and amorphous materials, like martensites, show characteristic behaviours during constraintinduced fractures. These fractures are avalanche processes whose statistics is known to follow in most cases a power-law distribution, reminding of collective behaviour and self-organised criticality. Avalanches of fractures are observed as well in living systems which, if we do not consider active remodelling, can be seen as a glassy network, with a frozen structure.The actin cytoskeleton (CSK) forms microfilaments organisedinto higher-order structures by a dynamic assembly-disassembly mechanism with cross-linkers.Experiments revealed that cells respond to external constraints bya cascade of random and abrupt ruptures of their CSK, suggesting that they behaveas a quasi-rigid random network of intertwined filaments. We analyse experimental data on CD34+ cells, isolated from healthy andleukemic bone marrows, however these behaviours have been reproduced on other cells.Surprisingly, the distribution of thestrength, the size and the energy of these rupture events do not follow the power-law statistics typical of critical phenomena and of avalanche size distributions in amorphous materials. In fact, the avalanche size turns out to be log-normal, suggesting that the mechanics of living systems in catastrophic events would not fitinto self-organised critical systems (power-laws).In order to give an interpretation of this peculiar behaviour we first proposea minimal (1D) stochastic model. This model gives an interpretation of the energy released along the rupture events, in terms of the sum (being energy additive) of a multiplicative cascade process relaxing with time. We distinguish 2 types of rupture events, brittle failures likely corresponding toirreversible ruptures in a stiff and highly cross-linked CSK and ductile failures resulting from dynamiccross-linker unbindings during plastic deformation without loss of CSK integrity. Our model provides somemathematical and mechanistic understanding of the robustness of the log-normal statistics observedin both brittle and ductile situations. We also show that brittle failures are relatively more prominentin leukemic than in healthy cells, suggesting their greater fragility and their different CSK architecture, stiffer and more reticulated.This minimal model motivates the more general question of what are the resulting distributions of a sum of correlated random variables coming from a multiplicative process. Therefore, we analyse the distribution of the sum of a generalised branching process evolving with a continuous random reproduction (growth) rate. The process depends only on 2 parameters: the first 2 central moments of the reproduction rate distribution.We then create a phase diagram showing 3 different regions: 1) a region where the final distribution has all central moments finite and is approximately log-normal. 2) A region where the asymptotic distribution is a power-law, with a decay exponent belonging to the interval [1;3], whose value is uniquely determined by the model parameters. 3) Finally, we found an exact log-normal size, non-stationary, distribution region. In all cases correlations are fundamental.Increasing the level of complexity for avalanche modelling, we propose then a random Erdös-Rényi network to model a cell CSK, identifying the networknodes as the actin filaments, and its links as actin cross-linkers. On this structure wesimulate avalanches of ruptures.Our simulations show that we can reproduce the log-normal statistics with two simple ingredients: a random network without characteristic length scale, and a breaking rule capturingthe observed visco-elasticity of living cells. This work paves the way for future applications to many phenomena in living systems that include large populations of individual, non-linear, elements(brain, heart, epidemics) where similar log-normal statistics have also been observed., Plusieurs matériaux vitreux ont des comportements caractéristiques suite à fractures induites par des contraintes. Ces fractures se présentent comme des processus d'avalanche dont la statistique dans la plus part des cas suit une loi de puissance, rappel de comportements collectifs et critiques auto-organisés. Des avalanches des fractures sont observées aussi dans des systèmes vivants, qui peuvent être vus dans certains cas comme un réseau vitreux, avec une structure figée. Le cytosquelette d'actine (CSK) forme des structures organisées en microfilaments par un mécanisme dynamique d'assemblage-désassemblage de cross-linkers. Des expériences ont montré que les cellules répondent à des contraintes extérieures par cascades d’événements aléatoires de ruptures, en suggérant qu'elles se comportent comme de réseaux aléatoires quasi-rigides de filaments interconnectés. Nous analysons des données expérimentales provenant de cellules CD34+ de moelles osseuses saines et leucémiques. Étonnement, les distributions de la force, la taille et l'énergie libérée lors de ces cascades, ne suivent pas une distribution en lois de puissance typique de phénomènes critiques. En fait la distribution de la taille des avalanches s'avère être log-normale. Dans le but de donner une interprétation de ce comportement particulier nous proposons d'abord un modèle stochastique minimal (1D). Ce modèle donne une interprétation de l'énergie relarguée dans les cascades de ruptures, au regard d'une somme (étant l'énergie additive) d'un processus multiplicatif de cascade avec une relaxation temporelle. Nous identifions 2 types d’événements de ruptures: des fractures friables susceptibles de représenter des ruptures irréversibles dans un CSK rigide et très connecté, et des fractures ductiles résultant des décrochements dynamiques des cross-linkers pendant la déformation plastique sans perte d'intégrité du CSK. Notre modèle fournit une compréhension mathématique et mécanique de la statistique log-normale observée dans les deux (friable et ductile) cas. Nous montrons aussi que les fractures friables sont relativement plus importantes dans les cellules leucémiques, en témoignant leur plus grande fragilité et leur différente architecture du CSK, plus rigide et réticulée. Ce modèle minimal motive la question plus générale de quelles sont les distributions résultantes pour la somme de variables corrélées provenant d'un processus multiplicatif. En conséquence nous analysons la distribution de la somme d'un processus de branchement généralisé évoluant avec un facteur de croissance aléatoire continu. Le processus dépend de 2 paramètres: les 2 premiers moments centrés de la distribution du facteur de croissance. Nous créons un diagramme de phase en montrant 3 régions différentes: une région où la distribution finale a tous les moments finis et qui est approximativement log-normale. 2) Une région où la distribution asymptotique est une lois de puissance, avec un exposent inclus dans l'intervalle [1;3], dont la valeur est uniquement déterminée par les paramètres du modèle. 3) Enfin dans la dernière région une distribution exactement log-normale, mais non-stationnaire. Dans tous les cas, les corrélations se révèlent fondamentales. Nous proposons ensuite un modèle de réseau aléatoire Erdös-Rényi pour modéliser le CSK, en identifiant le nœuds en tant que filaments d'actine et les liens en tant que cross-linkers. Sur cette structure nous simulons la propagation d'avalanches de ruptures. Nos simulations montrent que l'on peut reproduire une statistique log-normale avec deux simples ingrédients: un réseau aléatoire sans échelle d'espace caractéristique et une règle de rupture capturant la visco-élasticité des cellules. Ce travail ouvre la voie pour des applications futures à plusieurs phénomènes dans les systèmes vivants qui contiennent de larges populations d'éléments individuels, non-linéaires (cerveau, cœur, épidémies), où des statistiques log-normales similaires ont été observées.

In this work, two enriched models respectively describing non-classical longitudinal motion in bars, and non-classical bending and shear motion in beams, are established based on Mindlin's Second Strain Gradient (SSG) theory. The latter can describe heterogeneity caused by complex micro-structure interaction in the frame of continuum mechanics. The multi-scale modelling starts with expressing the SSG theory based strain energy, kinetic energy and virtual work done by external forces, then the governing equations and the associated boundary conditions are derived with the utilization of Hamilton principle. Lattice model corresponding to 1D longitudinal motion is proposed to map the long range interactions to higher order material constants in SSG theory.Due to the local behavior of underlying micro-structures, Wave propagation features in SSG theory continua are significantly different. With the formulated SSG theory based rod model, dispersion relation of non-classical longitudinal wave accompanying with two evanescent waves are investigated. Meanwhile, non-classical bending wave and shear wave together with four evanescent waves are also investigated with the SSG theory based Timoshenko beam model. The investigations are based on the modal density of the propagating waves, energy flow involving higher order kinetic parameters, mobility of the non-classical structures, vibrating power transfer in spatial position, and forced response analysis of enriched rod as well as enriched beam. The frequency response results are validated by FEM approach resulting from COMSOL.With employing the proposed enriched rod model and beam model, vibration transmission and reflection characteristics through planar interface between two SSG theory based mediums are studied. The study is conducted on transmission and reflection coefficients of longitudinal wave in non-classical rod, and bending wave in non-classical beam, based on which energy distribution and attenuation in reflected waves and in transmitted waves are discussed. Wave transmission and reflection through a certain length of SSG theory based rod is also investigated.With utilization of the derived enriched beam model, wave radiation from infinite vibrating surface is studied. Radiation characteristics including square velocity of the vibrating surface, radiation impedance and radiated pressure field are achieved, and these enriched characteristics are interpreted combining with wave propagation characters in non-classical beam structure. Wave radiation from baffled finite beam is investigated with employing the direct boundary integral formulation based on the Kirchhoff-Helmholtz integral theorem.The influences of local behavior caused by complex micro-structure interactions are discussed and well interpreted based on results of SSG model and classical model., Dans ce travail, deux modèles enrichis décrivant respectivement un mouvement longitudinal non classique dans des tiges et un mouvement de flexion et de cisaillement non classique dans des poutres sont établis basés sur la théorie du second gradient de contrainte de Mindlin. Ce dernier peut décrire l’hétérogénéité provoquée par les interactions micro-structure dans le cadre de la mécanique des milieux continus. La modélisation multi-échelle commence par exprimer l'énergie de déformation, l'énergie cinétique et le travail virtuel effectué par des forces externes basés sur la théorie SSG. Les équations du mouvement et les conditions aux limites associées sont ensuite dérivées en utilisant le principe de Hamilton. Un modèle en cristalline pour modèle enrichi de tige est proposé pour que les interactions à longue distance correspondent à des constantes d'ordre supérieur de matériau dans la théorie de la SSG.La relation de dispersion de l'onde longitudinale non classique ainsi que les deux ondes supplémentaires apparaissant exclusivement dans le modèle de tige basé sur la théorie de la SSG est étudiée. Ensuite, on étudie également les ondes de flexion et les ondes de cisaillement non classiques, ainsi que les quatre ondes supplémentaires dans le modèle de poutre de Timoshenko basé sur la théorie de la SSG. Les recherches sont basées à la fois sur la densité modale des ondes propagées, le flux d'énergie concernant des paramètres cinétiques d'ordre supérieur, la mobilité des structures enrichies, le transfert de puissance dans l'espace et l'analyse de la réponse en fréquence pour une tige enrichie ainsi qu’une poutre enrichie à excitation forcée ponctuelle. Les résultats de réponse en fréquence sont validés par les résultats de la méthode MEF dans COMSOL.En utilisant le modèle de tige enrichie et le modèle de poutre proposés, les caractéristiques de transmission et de réflexion des vibrations via une interface plane entre deux milieux basés sur la théorie de la SSG sont étudiées. Les coefficients de transmission et de réflexion de l'onde longitudinale dans une tige enrichie et de l'onde de flexion dans une tige enrichie sont calculés. Basé sur ces coefficients, la distribution et l'atténuation de l'énergie dans les ondes réfléchies et dans les ondes transmises sont discutées. La transmission et la réflexion des ondes à travers une certaine longueur de tige basée sur la théorie SSG sont ensuite étudiées.En utilisant le modèle de poutre enrichie, le rayonnement d'onde provenant d'une surface vibrante infinie d’une poutre enrichie basée sur la théorie SSG est étudié. Les caractéristiques enrichies, y compris la vitesse carrée de la surface vibrante, l'impédance de rayonnement et le champ de pression rayonné, sont calculées et interprétées en se combinant au caractère de propagation des ondes dans une structure de poutre enrichie. Ensuite, le rayonnement d'onde provenant d'une poutre simplement supportée est étudié en utilisant la formulation intégrale à limite directe basée sur le théorème d'intégrale de Kirchhoff-Helmholtz. Les influences des effets de micro-structure locale sont discutées et bien interprétées sur la base des résultats du modèle SSG et du modèle classique.

International audience; The design of multi-scale structures relies on numerous experimental modelling combined to complex predictive modelling providing knowledge about relevant parameters at the structure scale. The addition of knowledge leads to a decrease of the uncertainty on the characterization of relevant parameters at the structure scale and affects significantly the cost of modelling. The present work proposes the development of a design support methodology allowing the choice between several predictive and experimental models combinations with different compromise between the cost of modelling and the accuracy of the modelling. The work was based on a pyramidal presentation of experimental and predictive modelling and consider random and epistemic uncertainties related to materials, models and geometrical tolerances. An adaptive method based on fuzzy logics was proposed for the assessment of the cost of modelling. The choice of relevant modelling required the solving of a multi objective problem defined to minimize the uncertainties on the relevant parameters at the scale of the structure and on the cost of modelling. The genetic algorithm « NSGA-II » was used to identify robust optimised modelling paths. This methodology was applied to a thick composite vessel dedicated to hydrogen storage.; La conception des structures multi-échelle s’appuie sur des campagnes expérimentales importantes et des modélisations prédictives complexes intégrant des connaissances sur des paramètres d’intérêt à l’échelle de la structure. L’intégration de connaissances diminue l’incertitude sur les paramètres d’intérêt à l’échelle de la structure et impacte de façon significative le coût de modélisation des structures multi-échelle. Ce travail propose le développement d’une méthodologie d’aide à la conception délivrant des associations de modèles prédictifs et expérimentaux présentant divers compromis entre le coût de modélisation et la précision sur les paramètres d’intérêt. Le travail s’est appuyé sur une représentation pyramidale des modélisations expérimentales et prédictives et sur la prise en compte des incertitudes épistémique et aléatoire liées aux matériaux, aux modèles ainsi qu’aux tolérances géométriques. Une méthode adaptative d’estimation du coût de modélisation, basée sur la logique floue, a été proposée. Le problème multi objectif visant à minimiser les incertitudes sur les paramètres d’intérêt à l’échelle de la structure et le coût de modélisation a été résolu au moyen d’un algorithme « NSGA-II » permettant l’identification de chemins optimisés robustes. Les travaux ont été appliqués au cas d’un réservoir composite épais destiné au stockage d’hydrogène.

Lithium ion battery is the most popular energy storage technology in the automotive industry. Ensuring high efficiency, power, capacity, safety and endurance is a challenge for many researchers and manufacturers. Indeed, a battery is a complex system containing several components and subject to various risks of chemical, mechanical and electrical damage, manifesting even under normal operating conditions. However, the battery should perform its functions for a large number of charge and discharge cycles and continue to serve without these risks influencing its overall performance. One of the main and inevitable damage is its swelling, which induces an electrical discontinuity and a loss of its capacity.Indeed, swelling is a multi-physics phenomenon that involves electrochemistry, mechanics and heat. On the one hand, a lithium-ion battery is based on the reversible exchange of the lithium ion between a positive electrode and a negative electrode. The process of inserting the ion into the particles of the electrode results in a significant reversible volume change of the battery for each charge / discharge cycle. This variation in volume leads to the formation of stresses when the battery is held in a rigid pack preventing or limiting its deformation. On the other hand, the formation of a layer at the particle-electrolyte interface (SEI) following parasitic reactions occurring at the electrode scale is a major cause of irreversible additional swelling and aging of the drums.Thus, the swelling must be taken into account during the mechanical sizing phase of the battery. It is therefore essential to have a reliable numerical tool able to predict this mechanical behavior during all phases of battery operation and to allow designers to improve its structure.This work is part of a collaboration between ENSTA ParisTech and the car manufacturer Renault following an industrial need to understand and control the swelling of batteries used in electric and hybrid vehicles. To meet this need, a multi-physics and multi-scale model based on the theory of the thermodynamics of irreversible processes, mechanical damage theory and the homogenization theory is developed. It allows to describe and predict the deformation of a lithium ion battery during its operation. The model takes into account the mechanical, electrochemical and thermal phenomena that occur at the local scale of the electrodes in order to calculate the mechanical deformation at the macroscopic level of the battery.; La batterie lithium ion est la technologie de stockage d’énergie la plus répandue dans l'industrie automobile. Assurer sa haute efficacité, sa puissance, sa capacité, sa sécurité et son endurance présente un défi pour plusieurs chercheurs et industriels. En effet, une batterie est un système complexe renfermant plusieurs composants et soumis à divers risques de dégradations d’origines chimiques, mécaniques et électriques, se manifestant même dans les conditions normales de fonctionnement. Cependant, la batterie devrait assurer ses fonctions pour un grand nombre de cycles de charge et de décharge et continuer à servir sans que ces dégradations influencent sa performance globale. L’une des dégradations principales et inévitables est son gonflement qui induit une discontinuité électrique et une perte de sa capacité.En effet, le gonflement est un phénomène multi-physique qui fait intervenir l’électrochimie, la mécanique et la thermique. D’une part, une batterie lithium-ion est basée sur l’échange réversible de l’ion lithium entre une électrode positive et une électrode négative. Le processus d’insertion de l’ion dans les particules de l’électrode aboutit à un changement volumique significatif réversible de la batterie pour chaque cycle de charge/décharge. Cette variation de volume mène à la formation de contraintes quand la batterie est maintenue dans un pack rigide empêchant ou limitant sa déformation. D’autre part, la formation d’une couche à l’interface particule-électrolyte (SEI) suite aux réactions parasites se produisant à l’échelle de l’électrode constitue une cause principale d’un gonflement supplémentaire irréversible et de vieillissement de la batterie.Ainsi, le gonflement doit être pris en compte pendant la phase du dimensionnement mécanique de la batterie. Il est donc indispensable d’avoir un outil numérique fiable capable de prédire ce comportement mécanique pendant toutes les phases de fonctionnement de la batterie et de permettre aux concepteurs d’améliorer sa structure.Ce travail rentre dans le cadre d’une collaboration entre l’ENSTA ParisTech et le constructeur automobile Renault suite à un besoin industriel de comprendre et de maîtriser le gonflement des batteries utilisées dans les véhicules électriques et hybrides. Pour répondre à ce besoin, un modèle multi-physique et multi-échelle fondé sur la théorie de la thermodynamique des processus irréversibles, sur l’endommagement et sur la théorie de l’homogénéisation est développé. Il permet de décrire et de prédire la déformation d’une batterie lithium ion pendant son fonctionnement. Le modèle tient compte des phénomènes mécaniques, électrochimiques et thermiques qui se produisent à l’échelle locale des électrodes afin de calculer la déformation mécanique au niveau macroscopique de la batterie.

The objective of thesis is propose modeling methodologies based on multiscale approaches and advanced numerical methods for crack propagation to model the damage in heterogeneous quasi-brittle materials. A first part is devoted to constructing continuous crack propagation models associated to heterogeneous models by identification of a phase field model for crack propagation. A second part aims at constructing directly the numerical response of the homogenized model using a multilevel method based on the phase field method. The techniques developed in the present PhD works can be applied to cementious materials like plaster, concrete or rocks, as well as more periodic heterogeneous materials such as 3D printed lattice structures, 739/5000 L'objectif de la thèse est de proposer des méthodes de modélisation basées sur des approches multi-échelles et des méthodes numériques avancées pour la propagation des fissures afin de modéliser l'endommagement de matériaux hétérogènes quasi-fragiles. Une première partie est consacrée à la construction de modèles de propagation continue de fissures associés à des modèles hétérogènes en identifiant un modèle de champ de phase pour la propagation de fissures. Une seconde partie vise à construire directement la réponse numérique du modèle homogénéisé en utilisant une méthode multiniveau basée sur la méthode du champ de phase. Les techniques développées dans le cadre des travaux de thèse actuels peuvent être appliquées à des matériaux cimentaires tels que le plâtre, le béton ou les roches, ainsi qu’à des matériaux hétérogènes plus périodiques tels que des structures en treillis imprimées en 3D

Negative electrodes of lithium-ion batteries are mainly based on graphite, because of their good electrochemical properties. Unfortunately, intercalation kinetics, aging phenomena and lithium transport through active material and electrode porosity decay the optimal and homogeneous operations of this electrode. Origins of these limits are investigated in this work thanks to a porous electrode model.A sensitivity study indicates that preponderant model parameters are related to the kinetics and lithium transport in solid and liquid phases. The model is experimentally validated at a cell scale and predicts the appearances of lithium heterogeneities during the graphite lithiation. They are correlated to the staged shape of the graphite equilibrium potential. Modeling additional inhomogeneity sources, especially particle distribution, amplifies these heterogeneities and decrease drastically cell performance. In a first approach, an operando measure of the local lithiation state confirms this heterogeneity aspect during operations.In a second part, data of cycled and calendar aged graphite-NMC cell validates different aging models. The growth of the passive layer on the graphite surface (SEI) explains the cyclable lithium loss on its own. SEI heterogeneities are negligible in the porous model as opposition to experimental finding. Capacity recoveries and sudden loss are explained respectively via a SEI dissolution mechanism and lithium-plating correlated to the degradation of the electrode transport properties., L’électrode négative des batteries lithium-ion est communément en graphite. Bien qu’ayant une capacité spécifique intéressante, le vieillissement, la cinétique d’intercalation et le transport du lithium à la fois dans le matériau actif et les porosités de l’électrode limitent son fonctionnement optimal et homogène. Dans ce travail de thèse, les mécanismes à l’origine de ces limites sont explicités grâce à un modèle multi-physique de type électrode poreuse.Une étude de sensibilité des paramètres du modèle a montré l’importance des paramètres liés à la cinétique d’intercalation et au transport du lithium en phase solide et liquide. L’exploitation du modèle, validé expérimentalement, montre que, lors du fonctionnement de l’électrode, les apparences d’hétérogénéité de lithiation sont corrélées à la forme particulière du potentiel d’équilibre du graphite vis-à-vis de son taux de lithiation. La modélisation de la distribution de taille des particules, amplifie grandement ces hétérogénéités et dégrade fortement la performance globale de l’électrode. En première approche, une mesure operando de la distribution des états de lithiation confirme l’aspect hétérogène du fonctionnement de l’électrode.Les données des performances en cyclages et en calendaire de cellules graphite-NMC ont permis de construire différents modèles de vieillissement de l’électrode. La croissance de la couche de passivation (SEI) peut expliquer à elle seule la perte de lithium cyclable. Les hétérogénéités de SEI obtenues par le modèle sont négligeables en l’état. Les gains de capacités et les pertes brutales sont expliqués respectivement par des mécanismes de dissolution de SEI et de formation de lithium-plating.

Loss of catalyst activity and selectivity with time-on-stream are one of the greatest limitations for the Fischer-Tropsch (FT) industrial process. There is a lack of consensus about the reasons leading to catalyst deactivation and many different paths towards those inevitable events have been evoked in the literature. Among them, some of the most common hypotheses are oxidation and carburation of active sites. Besides, the diminution of Co catalyst activity during time-on-stream exhibits non-uniform behavior, indicating that this phenomenon might be a result of multiple distinctive events. In this thesis, we concentrate on those paths that concern the active phase only, particularly hydrocarbon-species deposition, active phase oxidation and hydrocarbon-induced surface reconstruction as a function of hydrogen, oxygen and carbon coverage effects. With the aid of periodic Density Functional Theory (DFT) calculations, we determine the Gibbs free energy for a large set of key reactions leading to the formation of CαHβOγ surface species on the Co(111) surface uner FT reaction conditions and we identify intermediates and transition states that may lead to activity and selectivity loss of Co-based catalysts. Hence, we propose here to study how the structure of the cobalt surface evolves as a function of the carbon, hydrogen and oxygen chemical potentials under FT reaction conditions. These calculations allowed us to propose an atomistic structure of some experimentally identified coke precursors and to identify favorable reaction conditions towards their formation. Depending on the (C, H, O) coverages, we identify three structural domains containing surface species related with activity and selectivity trends discussed in the literature so far: firstly, a low C coverage domain, where CHβ monomers are formed, the impact of O atoms is the strongest and leads to adsorbed CO, OH or water as well as to oxidized Co sites; an intermediate C coverage domain, where CαHβ linear oligomers and branched hydrocarbon chains are formed and where reconstruction of Co may take place upon subsurface C migration; and thirdly, a high C coverage domain, where we find the formation of longer branched hydrocarbon chains together with the genesis of a carbon overlayer (graphitic coke-like) that is expected to be the main source of deactivation. For intermediate and high carbon coverages, the impact of O atoms on the surface is weaker and its deposition occurs on top of the carbon overlayer without direct contact with Co sites. With the aid of periodic DFT transition state calculations and microkinetic modeling, we offer some new understandings and ideas related to the mechanism of a carbon induced deactivation phenomenon. Our study shows that surface ethynyl species CCH may be regarded as thermodynamically and kinetically the most plausible deactivation initiators. Moreover, we propose 2+2+2 cycloaddition and some CHβ / CHβ reactions as a mechanism for detrimental coke formation leading to a progressive deactivation by a site-blocking effect. This deactivation mechanism has been integrated to an existing deactivation-free micro-kinetic scheme from the literature. The resulting, two-site deactivation model has been optimized and compared to some experimental observations. Our multiscale (DFT and microkinetic model) reproduces well known experimental trends. Hence, we expect that our work will provide the FT community some valuable insights into this intricate and elusive problem, the kinetics of deactivation, as well as some rational guidelines about how to optimize the catalyst process, La perte d’activité et de sélectivité en fonction du temps sous charge du catalyseur de Fischer-Tropsch (FT) à base de cobalt constituent les principales limitations pour l’industrialisation de ce procédé. La bibliographie montre qu’il n’y a pas de consensus. Différentes causes sont proposées pour expliquer la désactivation du catalyseur et plusieures voies vers ces phénomènes inévitables ont été discutées. Parmi celles-ci, les hypothèses les plus répandues sont l’oxydation et la carburation de la phase active. De plus, la baisse d’activité des catalyseurs en fonction du temps ne presente pas un comportement uniforme, indiquant que ce phénomène est probablement dû à plusieurs voies concurentielles. Dans le cadre de cette thèse, on s’intéresse aux voies relatives à la phase active, plus particulièrement au dépôt des espèces hydrocarbonées, à la reconstruction de surface induite par celles-ci, ainsi qu’à l’oxydation de la phase active en fonction des effets de recouverement en H, O et C. En utilisant les calculs DFT périodiques, nous déterminons l’energie libre de Gibbs pour un large panel de réactions clés qui forment les éspèces de surface C_α H_β O_γ dans les conditions de FT. Nous identifions les intermédiaires et les états de transitions qui conduisent à la perte d’activité et de séléctivité du catalyseur. De ce fait, nous proposons dans ce travail d’étudier l’évolution de la structure de la surface en fonction des potentiels chimiques du C, de H et de O dans les conditions opératoires du procédé FT. La prise en compte de l’H et l’O en tant qu’espèces de surface a été intégrée à nos calculs et a permis de modéliser la structure des précurseurs du coke identifiés experimentalement ainsi que d’identifier les conditions opératoires favorables à leur formation. En fonction du recouverement (C,H,O), nous identifions trois domaines structurels contenant les espèces de surface liées aux tendances d’évolution de l’activité et de la séléctivité discutées dans la bibliographie: tout d’abord, dans un domaine de faible recouvrement en C, où les monomères CH_β sont formés, l’impact des atomes d’O est le plus important et mène aux CO, OH et H2O adsorbés, ainsi qu’à l’oxydation des sites actifs Co. Un deuxième domaine de recouvement moyen en C, où des hydrocarbures linéaires et ramifiés sont formés, et où la reconstruction de Co peut avoir lieu lors de la migration du C vers la sous-surface. Enfin un domaine de recouverement élevé en C a été identifié, où de plus longues chaines d’hydrocarbures ramifiées sont formées. Dans ce domaine, c’est la formation d’une sur-couche de C (similaire à du coke graphitique) qui devrait être la raison principale de la désactivation. Concernant le recouverement intermédiaire et élevé en C, l’impact des atomes d’oxygène sur la surface est plus faible, et son dépôt se produit sur C sans contact direct avec les sites actifs du cobalt. En s’appuyant sur les calculs DFT périodiques et la modélisation micro-cinétique, nous proposons de nouvelles visions et idées relatives aux mécanismes de désactivation dus au C. Notre travail montre que les espèces de surface CCH peuvent être considérées comme les précurseurs de désactivation les plus plausibles d’un point de vue thermodynamique et cinétique. Par ailleurs, nous proposons la cycloaddition 2+2+2 et quelques réactions de couplage CH_β/CH_β comme mécanismes parasites pour la formation du coke, conduisant à la désactivation progressive par blocage des sites actifs. Le mécanisme de désactivation proposé a été integré dans un modèle micro-cinétique initialement dépourvu de la prise en compte de ces phénomènes. Le modèle complet comprenant deux sites actifs a été optimisé et comparé à des observations expérimentales. Ainsi, cette étude apporte un point de vue nouveau sur des questions complexes et débattues au sein de la communauté FT. Une cinétique de désactivation est proposée, et permet de donner des pistes de développement de nouveaux catalyseurs industriels

Composite materials are widely used for the manufacturing of parts and structures with high mechanical performances. ln order to develop new composite materials, the use of modelling and simulation has become essential. The behaviors of the composite constituents as well as overall material in the initial state and over time should be accurately described. ln this study, the raie of interphases on macroscopic mechanical properties (mainly in the elastic domain) has been highlighted. A plug-in developed in this work, to generate automatically the geometry of UD composite microstructures integrating or not the interphase was made. Reliable models are obtained thanks to the fact that the majority of input data are based on experimental values acquired at different scales. Finally, this study shows the need to take into account the interphase in numerical simulations to improve predictions of calculations.; Les matériaux composites sont largement utilisés pour la réalisation de pièces et de structures à haute performance mécanique. Pour développer de nouveaux composites, le recourt à la simulation numérique est de plus en plus fréquent. Il convient de pouvoir décrire avec une assez bonne précision les comportements des constituants et du matériau global à l'état initial et au cours du temps. Dans cette étude, le rôle des interphases sur les propriétés mécaniques à l'échelle macroscopique (principalement dans le domaine élastique) a été mis en évidence. A partir d'un plug-in développé dans ce travail, la génération automatiquement de microstructures de composite UD intégrant ou pas l’interphase a été faite. Pour fiabiliser les modèles, la majorité des données d'entrée reposent sur des valeurs expérimentales acquises à différentes échelles. Au final, cette étude montre la nécessité de prendre en compte l'interphase dans les simulations numériques pour améliorer les prédictions des calculs.

Composite materials are widely used for the manufacturing of parts and structures with high mechanical performances. ln order to develop new composite materials, the use of modelling and simulation has become essential. The behaviors of the composite constituents as well as overall material in the initial state and over time should be accurately described. ln this study, the raie of interphases on macroscopic mechanical properties (mainly in the elastic domain) has been highlighted. A plug-in developed in this work, to generate automatically the geometry of UD composite microstructures integrating or not the interphase was made. Reliable models are obtained thanks to the fact that the majority of input data are based on experimental values acquired at different scales. Finally, this study shows the need to take into account the interphase in numerical simulations to improve predictions of calculations., Les matériaux composites sont largement utilisés pour la réalisation de pièces et de structures à haute performance mécanique. Pour développer de nouveaux composites, le recourt à la simulation numérique est de plus en plus fréquent. Il convient de pouvoir décrire avec une assez bonne précision les comportements des constituants et du matériau global à l'état initial et au cours du temps. Dans cette étude, le rôle des interphases sur les propriétés mécaniques à l'échelle macroscopique (principalement dans le domaine élastique) a été mis en évidence. A partir d'un plug-in développé dans ce travail, la génération automatiquement de microstructures de composite UD intégrant ou pas l’interphase a été faite. Pour fiabiliser les modèles, la majorité des données d'entrée reposent sur des valeurs expérimentales acquises à différentes échelles. Au final, cette étude montre la nécessité de prendre en compte l'interphase dans les simulations numériques pour améliorer les prédictions des calculs.

C/C composites are used in space and aeronautics for their excellent thermomechanical properties from room temperature to very high temperatures (> 3000°C). These materials have a complex architecture consisting of layers of laminated and needled fibers. Its use in highly stressed areas and at high temperature requires control of thermal and mechanical properties. Currently, the design of the material is done empirically and iteratively. To accelerate it, the development of a multi-scale digital model of the C/C composite is proposed. This material was first morphologically characterized at its different characteristic scales, the thermomechanical properties of its elementary constituents were also identified. At the microscopic scale, the wires are represented homogeneously and thermoelastically from the constituent levels associated with them. At the mesoscopic scale, two morphological aspects seem to predominate: its architecture as well as its porosities and damages. Their effect on the effective behavior of the C/C composite is studied in order to evaluate their relative influence and to arrive at a sufficiently fine description of their morphologies in the modeling carried out. An idealized material model as well as an image based model have been developed. The simulation of macroscopic tests revealed that both aspects had a non-negligible effect on the effective behavior of the C/C composite and allowed the development and validation of a multi-scale predictive model of this material, taking into account the preceding characteristics, and allowing the link between the scale of its elementary constituents and the macroscopic one., Les composites C/C sont utilisés dans les domaines du spatial et de l'aéronautique pour leurs excellentes propriétés thermomécaniques depuis la température ambiante jusqu'aux très hautes températures (> 3000°C). Ces matériaux ont une architecture complexe constituée de nappes de fibres stratifiées et aiguilletées. Leur utilisation en zones fortement sollicitées et à haute température nécessite une maîtrise des propriétés thermiques et mécaniques. Actuellement, la conception du matériau se fait de manière empirique et itérative. Pour l'accélérer, le développement d'un modèle numérique multi-échelle prédictif du comportement du composite C/C est proposé. Ce matériau a tout d'abord été caractérisé morphologiquement à ses différentes échelles caractéristiques, les propriétés thermomécaniques de ses constituants élémentaires ont également été identifiées. A l'échelle microscopique, les fils sont représentés de façon homogène et thermoélastique à partir des taux de constituants qui leurs sont associés. A l'échelle mésoscopique, deux aspects morphologiques semblent prédominants : son architecture ainsi que ses porosités et endommagements. Leur effet sur le comportement effectif du composite C/C est étudié dans le but d'évaluer leur influence relative et d'aboutir à une description suffisamment fine de leurs morphologies dans la modélisation effectuée. Un modèle de matériau idéalisé ainsi qu'un modèle basé images ont été développés. La simulation d'essais macroscopiques a révélé que ces deux aspects avaient un effet non-négligeable sur le comportement effectif du composite C/C et ont permis le développement et la validation d'un modèle prédictif multi-échelle de ce matériau, prenant en compte les caractéristiques précédentes, et permettant le lien entre l'échelle de ses constituants élémentaires et celle macroscopique.

We present the advantages of a multiscale modelling strategy for the understanding of systems with charged interfaces. On the one hand, one can simulate a complex system at different levels, depending on the relevant length and time scales for a given physical chemistry problem. On the other hand, one should make the link between the various levels of description, e.g. following a bottom-up approach. We illustrate here the case of charged porous materials, in particular clay minerals, by discussing physical chemistry issues that arise in the context of geological disposal of nuclear wastes and CO2 sequestration., in French

The design of multi-scale structures is based on predictive and experimental modelling. To achieve a high level of precision, modelling rest on a high number of experimental tests and sophisticated analytical and numerical developments integrating all possible knowledge about the quantity of interest. Adding knowledge into models diminishes the uncertainty on quantities of interest and significantly impacts the cost of modelling, a high impact factor on the design cost. The designer must be able to control the suitability of the integration of knowledge into the prediction of quantities of interest and its impact on the cost of modelling. The research carried out in this work is structured around the development of a methodology of assistance to the design under uncertainties allowing the designer to choose combinations between several predictive and experimental models, called modelling paths, presenting different compromises between the cost of modelling and the uncertainty on quantities of interest. The work is based on a pyramidal representation of experimental and predictive modelling. Random and epistemic uncertainties related to materials, models and geometrical tolerances are aggregated and propagated in the pyramid up to the quantities of interest of the structure. An adaptive method based on fuzzy logics for estimating the cost of modelling has been proposed. The multi objective problem aiming to minimizing the uncertainties on the quantities of interest and the cost of modelling is solved by means of the « NSGA-II » genetic algorithm, allowing to identify robust optimized modelling paths. This methodology is applied to a thick composite vessel for hydrogen storage. The proposed methodology demonstrates the possibility of rationalization of experimental and predictive models carried out to obtain the burst pressure of the vessel with a controlled precision. In a second step, the methodology is used to redesign the vessel considering larger or smaller volumes and with different burst pressure targets. Robust modelling paths obtained deliver design solutions adapted to the redesign requirements with a controlled modelling cost and a managed level of uncertainty.; La conception des structures multi-échelle s’appuie sur des modélisations expérimentales et prédictives. Pour accéder à des niveaux de précision élevés, ces modélisations reposent sur des campagnes expérimentales nombreuses et des développements prédictifs sophistiqués analytiques ou numériques qui intègrent des connaissances sur les paramètres d’intérêt. L’intégration de connaissances diminue l’incertitude sur les grandeurs d’intérêt et impacte de façon significative le coût de modélisation des structures multi-échelle, facteur majeur du coût de conception. Le concepteur doit alors être en mesure de maîtriser la pertinence de l’intégration de connaissances pour la prédiction des grandeurs d’intérêt et son impact sur le coût de modélisation. Les recherches menées sont structurées autour du développement d’une méthodologie d’aide à la conception sous incertitudes permettant au concepteur de choisir des combinaisons de modèles prédictifs et expérimentaux, appelées chemins de modélisation, présentant des compromis différents entre le coût de modélisation et l’incertitude sur les paramètres d’intérêt. Le travail se base sur une représentation pyramidale des modélisations expérimentales et prédictives. Les incertitudes aléatoires et épistémiques liées aux matériaux, aux modèles ainsi qu’aux tolérances géométriques sont agrégées et propagées dans la pyramide jusqu’aux grandeurs d’intérêt de la structure. Une méthode adaptative d’estimation du coût de modélisation, basée sur la logique floue, a été proposée. Le problème multi objectif visant à minimiser les incertitudes sur les paramètres d’intérêt et le coût de modélisation est résolu au moyen d’un algorithme « NSGA-II » permettant l’identification de chemins optimisés robustes. Les travaux sont appliqués au cas d’un réservoir composite épais destiné au stockage d’hydrogène. La méthodologie proposée démontre qu’il est possible de rationaliser les modélisations expérimentales et prédictives menées pour obtenir la pression d’éclatement du réservoir avec une précision maîtrisée. Dans un second temps, la méthodologie est utilisée pour obtenir des solutions de reconception sur des réservoirs présentant des volumes plus importants ou plus faibles et atteignant des pressions cibles différentes. Les chemins de modélisations robustes obtenus délivrent des solutions de dimensionnement adaptées aux exigences de reconception présentant un coût de modélisation et un niveau d’incertitude maitrisés.

Batch deep-frying has been investigated within the collaborative project FUI Fry’In (ref. AAP17, 2014-2018) with the aim of proposing breakthrough innovations for small and medium size appliances. The PhD thesis was part of the project and focused on two specific adverse effects of deep-frying on food products: oil thermo-oxidation responsible for break-down products and off-flavors, and oil pickup process usually favored relatively to oil dripping. The work was carried out by combing direct measurements (FTIR-ATR spectroscopy and imaging, photoionization, DSC measurements, fast imaging…) and multiscale modeling (oil flow and oil dripping during product re-moval, Lagrangian description of reactions in aniso-thermal flows, coupling with oxygen dissolution kinetics). The complex problem of thermo-oxidation was split into simpler mechanisms by noticing that hydroperoxides are a kind of long-lived form of or-ganic oxygen, which trigger propagation in deep re-gions under anoxia. Their decomposition lead to various scission products, which were shown to be in-fluenced by both local temperature and oxygen con-centration. Oil uptake was described as the net balance between the amount of dragged oil during product removal and oil dripping at the tips of the product. The dripping process studied on both metal-lic sticks and real products occurs in less than few seconds and leads to a formation of four to eight drop-lets. The detailed drainage kinetics in anisothermal conditions were captured and predicted with the pro-posed mechanistic models. The specific mechanism of oil uptake during the immersion stage was eluci-dated and was shown to occur only in parfried frozen products.; La friture profonde de type batch a été étudiée dans le projet FUI Fry’In (Réf. AAP17, 2014-2018) dans le but de proposer des innovations de rupture pour des friteuses batch domestiques et professionnelles. La thèse a appuyé le projet sur la maîtrise de deux effets négatifs de la friture : i) la thermo-oxydation de l’huile responsable des mauvaises odeurs et produits de dégradation ainsi que ii) la prise d’huile généralement favorisée au détriment de son égouttage. L’étude a été réalisée en combinant des mesures directes (spectroscopie et imagerie infrarouges en mode ATR, photo-ionisation, mesures DSC, imagerie rapide…) et modélisation multi-échelle (écoulement de l’huile et égouttage lors du retrait, description lagrangienne des réactions en présence d’un écoulement, couplage avec les ciné-tiques de dissolution de l’oxygène). La complexité du processus de thermo-oxydation a été réduite en considérant les hydroperoxydes comme une forme de stockage organique de l’oxygène, qui propage l’oxydation dans des régions en anoxie. Leur décomposition produit de nombreux composés de scission, dont la nature est influencée par les conditions locales de température et de concentration en oxygène. La prise d’huile a été décrite comme le bilan net entre l’huile charriée au moment du retrait et l’huile égouttée. L’égouttage a été étudié sur des barreaux métalliques et des produits réels. Il se conduit à la formation de quatre à huit gouttes en quelques secondes. Les cinétiques de drainage anisothermes ont été prédites par un modèle mécanistique. Le mécanisme spécifique de prise d’huile en cours de friture a été aussi analysé ; il se produit uniquement dans le cas des produits préfrits congelés.

In this thesis, a multi-scale model established from the concept of periodic homogenization is utilized to study the cyclic and time-dependent response of thermoplastic-based woven composites. With the proposed approach, the macroscopic behaviour of the composite is determined from a finite element simulation of the representative unit cell of the periodic microstructure, where the local constitutive behaviours of the components are directly integrated, namely: the matrix and the yarns. The local response of the thermoplastic matrix is described by a phenomenological multi-mechanisms constitutive model accounting for viscoelasticity, viscoplasticity and ductile damage. For the yarns, a hybrid micromechanical-phenomenological constitutive model is considered. The latter accounts for anisotropic damage and anelasticity induced by the presence of a diffuse micro-crack network through the micromechanical description of a micro-cracked representative volume element. The capabilities of the multi-scale model are validated by comparing the numerical prediction with experimental data. The capabilities of the model are also illustrated through several examples where the composite undergoes time-dependent deformations under monotonic loading, constant or cyclic stress levels and non-proportional multi-axial loading. Furthermore, the multi-scale model is also employed to analyse the influence of the local deformation processes on the macroscopic response of the composite.; Dans ce travail de thèse, une modélisation multi-échelle est mise en place à partir du concept d’homogénéisation périodique pour étudier le comportement cyclique et dépendant du temps des composites tissés à matrice thermoplastique. Avec l’approche proposée, le comportement macroscopique du composite est déterminé à partir d’une simulation éléments finis effectuée sur une cellule unitaire représentative de la microstructure périodique, où les lois de comportement des constituants sont directement intégrées, à savoir: la matrice et les torons. La réponse locale de la matrice est décrite par une loi de comportement phénoménologique multi-mécanismes intégrant viscoélasticité, viscoplasticité et endommagement ductile. Pour les torons, une loi de comportement hybride micromécanique-phénoménologique est considérée. Cette dernière prend en compte l’endommagement anisotrope et l’anélasticité induite par la présence d’un réseau diffus de microfissures à travers une description micromécanique d’un volume élémentaire représentatif contenant des microfissures. Les capacités du modèle multi-échelles sont validées en comparant les prédictions numériques aux essais expérimentaux. Les capacités du modèle sont également illustrées à travers plusieurs exemples où le composite subit des déformations dépendantes du temps lors de chargements monotones, de chargements à amplitude constante ou cyclique et encore lors de chargement multiaxiaux non proportionnels. En outre, le modèle multi-échelle est aussi utilisé pour analyser l’influence des mécanismes de déformation locaux sur la réponse macroscopique du composite.

In this thesis, a multi-scale model established from the concept of periodic homogenization is utilized to study the cyclic and time-dependent response of thermoplastic-based woven composites. With the proposed approach, the macroscopic behaviour of the composite is determined from a finite element simulation of the representative unit cell of the periodic microstructure, where the local constitutive behaviours of the components are directly integrated, namely: the matrix and the yarns. The local response of the thermoplastic matrix is described by a phenomenological multi-mechanisms constitutive model accounting for viscoelasticity, viscoplasticity and ductile damage. For the yarns, a hybrid micromechanical-phenomenological constitutive model is considered. The latter accounts for anisotropic damage and anelasticity induced by the presence of a diffuse micro-crack network through the micromechanical description of a micro-cracked representative volume element. The capabilities of the multi-scale model are validated by comparing the numerical prediction with experimental data. The capabilities of the model are also illustrated through several examples where the composite undergoes time-dependent deformations under monotonic loading, constant or cyclic stress levels and non-proportional multi-axial loading. Furthermore, the multi-scale model is also employed to analyse the influence of the local deformation processes on the macroscopic response of the composite.; Dans ce travail de thèse, une modélisation multi-échelle est mise en place à partir du concept d’homogénéisation périodique pour étudier le comportement cyclique et dépendant du temps des composites tissés à matrice thermoplastique. Avec l’approche proposée, le comportement macroscopique du composite est déterminé à partir d’une simulation éléments finis effectuée sur une cellule unitaire représentative de la microstructure périodique, où les lois de comportement des constituants sont directement intégrées, à savoir: la matrice et les torons. La réponse locale de la matrice est décrite par une loi de comportement phénoménologique multi-mécanismes intégrant viscoélasticité, viscoplasticité et endommagement ductile. Pour les torons, une loi de comportement hybride micromécanique-phénoménologique est considérée. Cette dernière prend en compte l’endommagement anisotrope et l’anélasticité induite par la présence d’un réseau diffus de microfissures à travers une description micromécanique d’un volume élémentaire représentatif contenant des microfissures. Les capacités du modèle multi-échelles sont validées en comparant les prédictions numériques aux essais expérimentaux. Les capacités du modèle sont également illustrées à travers plusieurs exemples où le composite subit des déformations dépendantes du temps lors de chargements monotones, de chargements à amplitude constante ou cyclique et encore lors de chargement multiaxiaux non proportionnels. En outre, le modèle multi-échelle est aussi utilisé pour analyser l’influence des mécanismes de déformation locaux sur la réponse macroscopique du composite.

International audience; L’interaction entre un rayon ionisant et la matière vivante est un domaine complexe. Modéliser ce phénomène consiste à mieux comprendre les mécanismes physiques, chimiques et biologiques fondamentaux impliqués, à prédire les observables utiles à l’amélioration de la radiothérapie du cancer, et estimer les effets des radiations sur la santé.Comme les effets tardifs de la radiation (contrôle de la tumeur, complications, cancers radio-induits) sont déterminés par des phénomènes précoces situés sur des échelles très petites de temps (<

In the upcoming years, nine nuclear UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz) power plants will have to be dismantled in France. In these power plants, nuclear graphite was used as a neutron moderator and reflector, and was activated during operation. The dismantlement will lead to 23000 tons of irradiated graphite waste, which will have to be managed. The graphite is classified as a nuclear waste containing radionuclides with low activity and long half-life. Two radionuclides are the focus of this work: 36Cl and 3H. 36Cl has one of the longest half-lives (about 301000 years) among the waste's radionuclides. 3H has a shorter half-life (12 years), but contributes significantly to the waste’s initial activity. Previous experiments suggest that both, 36Cl and 3H, are mainly fixed at different traps in graphite, which are defective structures, such as dislocation loops, surfaces, or grain boundaries. Since the only significant migration mechanism of these radionuclides is release, it is important to understand where the traps are located and the conditions of the release.UNGG graphite has a complex heterogeneous multi-scale structure which differs substantially from an ideal monocrystal of graphite. However, in order to understand macroscopic data, theoretical studies at the nano- and microscopic scale are an important tool to explain underlying phenomena even though they rely on simpler models due to the limitations of computation power. A multi-scale approach was therefore applied to study the local interactions of the radionuclides with graphite as well as diffusion and trapping mechanisms on the nm-μm length scale.First, the interaction of 3H and 36Cl with defects in graphite was studied with density functional theory (DFT). Hydrogen interacts covalently with bulk graphite as well as with the studied surfaces (001), (100), and (110). Several surface reconstructions were investigated: arch-type reconstructions and in-plane reconstructions. The results show that the existing hypothesis on the trapping of hydrogen needs to be refined. The behavior of Cl is more complex. On the (100) and (110) surface chemisorption is observed. However, on the (001) surface a strong charge transfer interaction is observed for Cl. In contrast to that, Cl2 only interacts via weak van der Waals interactions with this surface. In bulk graphite Cl2 dissociates.The diffusion of H and Cl in irradiated graphite has been investigated by performing molecuar dynamics simulations. The ab initio results were used to develop bond order potentials to model the interaction of radionuclides and the graphite matrix, which attributes for short and long range interactions. For Cl, a new potential has been parameterized which is able to describe all aspects obtained with DFT. For the 3H-graphite interactions, the bond order potential AIREBO/M was used for C-H interactions. For C-C interactions the LCBOP potential was used.To evaluate the influence of the complex heterogeneous structure of the UNGG graphite on the radionuclide's behavior, several different atomic models were studied to account for this diversity such as surfaces, grain boundaries and nanopores.For Cl, irradiation simulations of different systems were performed up to an energy of 10 keV for the primary knock-on atom (PKA), and in a temperature range of 200 to 500ºC. The dependence on temperature and irradiation direction was investigated. In general, direct irradiation damage increases with temperature. Irradiation at incident angles, Au cours des prochaines années, neuf centrales nucléaires de type UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz) devront être démantelées en France. Ces centrales utilisent le graphite comme modérateur et réflecteur de neutrons. Pendant leur exploitation, celui-ci est activé. Leur démantèlement conduira à 23000 tonnes de déchets de graphite irradiés à gérer. Ce travail focalise sur deux radionucléides contenus dans ces déchets : le 36Cl et le 3H. Le 36Cl a l'une des demi-vies les plus longues (301 000 ans). Par contre, le 3H a une demi-vie plus courte (12 ans), mais contribue beaucoup à l'activité initiale des déchets. Différentes données expérimentales suggèrent que le 36Cl et le 3H sont piégés à différents endroits du graphite, comme les boucles de dislocation, les surfaces ou les joints de grains. Le seul mécanisme de migration des radionucléides est le relâchement. Pour cette raison, il est important de comprendre quels sont les pièges et les différentes conditions du relâchement.Le graphite UNGG a une structure complexe, hétérogène et multi-échelle qui diffère du monocristal idéal du graphite. Cependant, pour comprendre les données macroscopiques, les études théoriques à l'échelle nanoscopique et microscopique sont des outils importants, même si elles reposent sur des modèles plus simples. Dans cette thèse, une approche multi-échelle a été utilisée afin d’étudier les interactions des radionucléides avec le graphite ainsi que les mécanismes de diffusion et de piégeage à l'échelle du nm-μm.Les interactions du 3H et du 36Cl avec différents défauts du graphite ont été étudiées dans le cadre de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). L'hydrogène forme une liaison covalente avec le graphite massique ainsi qu'avec ses surfaces (001), (100) et (110). Plusieurs reconstructions de surface ont été explorées. Les résultats montrent que les hypothèses existantes sur le piégeage de l'hydrogène doivent être affinées. Le comportement du Cl est plus complexe. Sa chimisorption est observée sur les surfaces (100) et (110). Cependant, sur la surface (001), le Cl interagit par transfert de charge. Le Cl2 n'interagit que par interactions de van der Waals avec celle-ci. Le Cl2 se dissocie dans le graphite massique.Les diffusions du H et du Cl dans le graphite irradié ont été étudiées en effectuant des simulations de dynamique moléculaire. Les résultats ab initio ont été utilisés pour développer des potentiels de type « bond order » afin de modéliser l'interaction des radionucléides avec la matrice de graphite, qui possède des contributions à court et à long portée. Pour le Cl, un nouveau potentiel a été paramétré qui reproduit toutes les données obtenues au niveau DFT. Pour les interactions 3H-graphite, les potentiels AIREBO/M, pour les interactions C-H, et LCBOP, pour les interactions C-C, ont été utilisés.Pour évaluer l'influence de la structure complexe du graphite UNGG sur le comportement des radionucléides, plusieurs modèles atomiques ont été utilisés pour rendre compte de cette diversité, tels que les surfaces, les joints de grains et les nanopores.Pour le Cl, des simulations d'irradiation ont été réalisées pour une gamme d’énergie allant de 1 à 10 keV et une gamme de température de 200 à 500ºC. Les dépendances à la température et à la direction d'irradiation ont été étudiées. D’une façon générale, les dommages causés par l'irradiation perpendiculaire aux surfaces augmentent avec la température. L'irradiation à des angles d’incidence

In the upcoming years, nine nuclear UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz) power plants will have to be dismantled in France. In these power plants, nuclear graphite was used as a neutron moderator and reflector, and was activated during operation. The dismantlement will lead to 23000 tons of irradiated graphite waste, which will have to be managed. The graphite is classified as a nuclear waste containing radionuclides with low activity and long half-life. Two radionuclides are the focus of this work: 36Cl and 3H. 36Cl has one of the longest half-lives (about 301000 years) among the waste's radionuclides. 3H has a shorter half-life (12 years), but contributes significantly to the waste’s initial activity. Previous experiments suggest that both, 36Cl and 3H, are mainly fixed at different traps in graphite, which are defective structures, such as dislocation loops, surfaces, or grain boundaries. Since the only significant migration mechanism of these radionuclides is release, it is important to understand where the traps are located and the conditions of the release.UNGG graphite has a complex heterogeneous multi-scale structure which differs substantially from an ideal monocrystal of graphite. However, in order to understand macroscopic data, theoretical studies at the nano- and microscopic scale are an important tool to explain underlying phenomena even though they rely on simpler models due to the limitations of computation power. A multi-scale approach was therefore applied to study the local interactions of the radionuclides with graphite as well as diffusion and trapping mechanisms on the nm-μm length scale.First, the interaction of 3H and 36Cl with defects in graphite was studied with density functional theory (DFT). Hydrogen interacts covalently with bulk graphite as well as with the studied surfaces (001), (100), and (110). Several surface reconstructions were investigated: arch-type reconstructions and in-plane reconstructions. The results show that the existing hypothesis on the trapping of hydrogen needs to be refined. The behavior of Cl is more complex. On the (100) and (110) surface chemisorption is observed. However, on the (001) surface a strong charge transfer interaction is observed for Cl. In contrast to that, Cl2 only interacts via weak van der Waals interactions with this surface. In bulk graphite Cl2 dissociates.The diffusion of H and Cl in irradiated graphite has been investigated by performing molecuar dynamics simulations. The ab initio results were used to develop bond order potentials to model the interaction of radionuclides and the graphite matrix, which attributes for short and long range interactions. For Cl, a new potential has been parameterized which is able to describe all aspects obtained with DFT. For the 3H-graphite interactions, the bond order potential AIREBO/M was used for C-H interactions. For C-C interactions the LCBOP potential was used.To evaluate the influence of the complex heterogeneous structure of the UNGG graphite on the radionuclide's behavior, several different atomic models were studied to account for this diversity such as surfaces, grain boundaries and nanopores.For Cl, irradiation simulations of different systems were performed up to an energy of 10 keV for the primary knock-on atom (PKA), and in a temperature range of 200 to 500ºC. The dependence on temperature and irradiation direction was investigated. In general, direct irradiation damage increases with temperature. Irradiation at incident angles

The mechanical behaviour of granular soils is an important aspect in geotechnical engineering. Current modelling approaches for the behaviour of granular soils employ phenomenological constitutive relations based upon classical continuum mechanics. This problem can be circumvented by using multiscale constitutive relations based on thermodynamic principles with internal variables. Using a multiscale approach, this thesis attempts to construct multiscale constitutive relations that account for the microstructure of granular soilsand to demonstrate their capabilities in solving geotechnical problems at both small and large deformations. The thesis aims to: 1) construct a multiscale constitutive relation for dry granular soils based on a thermodynamic framework which requires fewer ad hoc assumptions; 2) extend the multiscale thermomechanical formulations for partially saturated granularsoils for which a micromechanical model is formulated; 3)implement the model using an implicit integration algorithm in a finite element code; 4) apply the model to analyse the instability of granular soils for both localised and diffuse failures; and 5) demonstrate the capability of the multiscale approach in solving some typical geotechnical problems by implementing the model in an explicit finite element code. The proposed multiscale approach offers a simulation tool that provides valuable insights into engineering problems from the grain to the structure scale.; Le comportement mécanique des sols granulaires est un élément important à prendre en compte dans l'ingénierie géotechnique. Les approches de modélisation actuelles pour le comportement des sols granulaires utilisent des relations constitutives phénoménologiques basées sur la mécanique classique du continuum. Ce problème peut être contourné en utilisant des relations constitutives multi-échelles basées sur les principes thermodynamiques avec variables internes. En utilisant une approche multi-échelle, cette thèse tente de construire des relations constitutives multi-échelles qui tiennent compte de la microstructure des sols granulaires et les mettre en oeuvre pour résoudre des problèmes géotechniques à la fois en petites et grandes déformations. La thèse vise à: 1) construire une relation constitutive multiéchelle pour les sols granulaires secs à partir d'un cadre thermodynamique qui nécessite moins d'hypothèses ad hoc; 2) étendre les formulations thermomécaniques multi-échelles aux sols granulaires partiellement saturés pour lesquels un modèle micromécanique est formulé; 3) implémenter le modèle en utilisant un algorithme d'intégration implicite dans un code aux éléments finis; 4) appliquer le modèle pour analyser l'instabilité des sols granulaires dans les cas de ruptures localisées et diffuses; et 5) démontrer la capacité de l'approche multi-échelle à résoudre certains problèmes géotechniques typiques en mettant en oeuvre le modèle dans un code aux éléments finis explicite. L'approche multi-échelle proposée aboutit à un outil de simulation qui fournit des informations précieuses sur les problèmes d'ingénierie depuis l'échelle des grains jusqu’à l’échelle de la structure.

Predicting, modelling and analysing the metabolism of xenobiotics, substances foreign to an organism, using computer methods, has been a major challenge for the scientific community for many years. This thesis aims to implement multiscale computing methods for predicting and analyzing the metabolism of xenobiotics. A first focus of this study was on the construction and automatic de novo annotation of metabolic graphs combining high sensitivity and precision. These graphs thus provide the prediction of the metabolism of xenobiotics in humans, as well as the genotoxicity of the molecules and atoms that make up xenobiotics. Then, the work focused on the implementation of a dynamic mathematical model modelling enzymatic competition effects through the development of a methodology allowing the exploitation of limited biological data while limiting inherent biases.; Prédire, modéliser et analyser le métabolisme de xénobiotiques, substances étrangères à un organisme, à l'aide de méthodes informatiques est un challenge majeur mobilisant la communauté scientifique depuis de nombreuses années. Cette thèse vise à implémenter des méthodes informatiques multi-échelles pour prédire et analyser le métabolisme des xénobiotiques. Un premier axe de cette étude portait sur la construction et l'annotation automatique de novo de graphes métaboliques combinant fortes sensibilités et précisions. Ces graphes fournissent ainsi la prédiction du métabolisme de xénobiotiques chez l'homme, ainsi que la génotoxicité des molécules et atomes qui le composent. Puis, le travail s'est orienté sur l'implémentation d'un modèle mathématique dynamique modélisant des effets de compétition enzymatique à travers le développement d'une méthodologie permettant l'exploitation de données biologiques restreintes tout en limitant les biais inhérents.

Predicting, modelling and analysing the metabolism of xenobiotics, substances foreign to an organism, using computer methods, has been a major challenge for the scientific community for many years. This thesis aims to implement multiscale computing methods for predicting and analyzing the metabolism of xenobiotics. A first focus of this study was on the construction and automatic de novo annotation of metabolic graphs combining high sensitivity and precision. These graphs thus provide the prediction of the metabolism of xenobiotics in humans, as well as the genotoxicity of the molecules and atoms that make up xenobiotics. Then, the work focused on the implementation of a dynamic mathematical model modelling enzymatic competition effects through the development of a methodology allowing the exploitation of limited biological data while limiting inherent biases., Prédire, modéliser et analyser le métabolisme de xénobiotiques, substances étrangères à un organisme, à l'aide de méthodes informatiques est un challenge majeur mobilisant la communauté scientifique depuis de nombreuses années. Cette thèse vise à implémenter des méthodes informatiques multi-échelles pour prédire et analyser le métabolisme des xénobiotiques. Un premier axe de cette étude portait sur la construction et l'annotation automatique de novo de graphes métaboliques combinant fortes sensibilités et précisions. Ces graphes fournissent ainsi la prédiction du métabolisme de xénobiotiques chez l'homme, ainsi que la génotoxicité des molécules et atomes qui le composent. Puis, le travail s'est orienté sur l'implémentation d'un modèle mathématique dynamique modélisant des effets de compétition enzymatique à travers le développement d'une méthodologie permettant l'exploitation de données biologiques restreintes tout en limitant les biais inhérents.

We have used our QM/MM interface to model the photochemical and photophysical properties of the retinal chromophore in several environments.First, we proved that methylation of the retinal backbone, which converts a slow photochemistry to an ultra-fast protein-like behaviour in methanol solution, modifies the interplay between the retinal excited states, favouring the formation of a photo-active transient intermediate. Then, we have studied the direct effect of the environment in the case of rhodopsin mimics, where point mutations of a few amino-acids lead to systems that can absorb in the wide visible range. Combined with ultra-fast pump-probe spectroscopy, our method has shown that the electrostatic potential around the retinal can affect the shape of the excited potential energy surface, and is able to tune the excited state lifetime as well as the location of the photoisomerization. Next, we showed that the currently accepted protonation state of amino-acids in the vicinity of the retinal in bacteriorhodopsin leads to a strongly blue shifted absorption, while the protonation of Asp212 leads to accurate results; we now aim toward a validation of this protonation by computation of fluorescence and excited state lifetime. Finally, we have modeled the photophysics of the unprotonated Schiff base in a UV-pigment, where an original an previously unreported photochemistry takes place, especially with the direct involvement of a doubly excited state. These studies have shown the reliability of our QM/MM potential for modeling a wide range of different environments.; Nous avons appliqué notre interface QM/MM pour modéliser les propriétés photophysiques et photochimiques du chromophore rétinal dans plusieurs environnements.Nous avons commencé par montrer que la méthylation du squelette carbonné du rétinal, qui transforme une photochimie lente en un processus ultra-rapide, comme dans une protéine, dans une solution de méthanol, modifie l’interaction entre les états excités du rétinal, et favorise la formation d’une espèce transitoire réactive. Nous avons ensuite étudié l’effet direct de l’environnement dans le cas de mimiques de la rhodopsine, où des mutations ponctuelles de quelques acides aminés donnent des systèmes qui absorbent sur toute la gamme du visible. En combinaison avec la spectroscopie pompe-sonde ultra-rapide, notre méthode a montré que le potentiel électrostatique autour du rétinal peut affecter la forme des surfaces d’énergies potentielles excitées, et peut moduler le temps de vie de l’état excité ainsi que le lieu de photo-isomérisation. Ensuite, nous avons montré que l’état de protonation standard des acides aminés proches du rétinal dans la bacteriorhodopsine mènent à une surestimation de l’énergie d’absorption,alors que la protonation du résidu Asp212 donne des résultats plus précis ; nous souhaitons maintenant valider ce modèle par le calcule des propriétés de fluorescence et de temps de vie de l’état excité. Enfin, nous avons modélisé la photophysique de la base de Schiff non-protonée d’un pigment UV, où une photochimie originale, et non encore documentée, a lieu, impliquant notamment un état doublement excité. Ces études ont montré la robustesse de notre potentiel QM/MM pour modéliser une large gamme d’environnements.

Improving operating room management is a constant issue for modern large hospital systems who have to deal with the reality of day to day clinical activity. As opposed to other industrial sectors such as air civil aviation that have mastered the topic of industry organization and safety, progress in surgical flow management has been slower. The goal of the work presented here is to develop and implement technologies that leverage the principles of computational science to the application of OR suite problems. Most of the currently available models of surgical flow are used for planning purposes and are essentially stochastic processes due to uncertainties in the available data. We propose an agent-based model framework that can incorporate all the elements, from communication skills of the staff to the time it takes for the janitorial team to go clean an OR. We believe that human factor is at the center of the difficulty of OR suite management and should be incorporated in the model. In parallel, we use a numerical model of airflow at the OR suite level to monitor and simulate environment conditions inside the OR. We hypothesize that the following three key ingredients will provide the level of accuracy needed to improve OR management : 1) Real time updates of the model with ad hoc sensors of tasks/stages 2) Construction of a multi-scale model that links all key elements of the complex surgical infrastructure 3) Careful analysis of patient population factors, staff behavior, and environment conditions. We have developed a robust and non-obtrusive automatic event tracking system to make our model realistic to clinical conditions. Not only we track traffic through the door and the air quality inside the OR, we can also detect standard events in the surgical process. We propose a computational fluid dynamics model of a part of an OR suite to track dispersion of toxic surgical smoke and build in parallel a multidomain model of potential nosocomial contaminant particles flow in an OR suite. Combining the three models will raise the awareness of the OR suite by bringing to the surgical staff a cyber-physical system capable of prediction of rare events in the workflow and the safety conditions.; Améliorer la gestion et l’organisation des blocs opératoires est une tâche critique dans les hôpitaux modernes, principalement à cause de la diversité et l’urgence des activités impliquées. Contrairement à l’aviation civile, qui a su optimiser organisation et sécurité, le management de bloc opératoire est plus délicat. Le travail ici présenté abouti au développement et à l’installation de nouvelles technologies assistées par ordinateur résolvant les problèmes quotidiens des blocs opératoires. La plupart des systèmes existants modélisent le flux chirurgical et sont utilisés seulement pour planifier. Ils sont basés sur des procédés stochastiques, n’ayant pas accès à des données sûres. Nous proposons une structure utilisant un modèle multi-agent qui comprend tous les éléments indispensables à une gestion efficace et au maintien de la sécurité dans les blocs opératoires, allant des compétences communicationnelles du staff, au temps nécessaire à la mise en place du service de nettoyage. Nous pensons que la multiplicité des ressources humaines engagées dans cette structure cause des difficultés dans les blocs opératoires et doit être prise en compte dans le modèle. En parallèle, nous avons construit un modèle mathématique de flux d’air entre les blocs opératoires pour suivre et simuler la qualité de l’environnement de travail. Trois points sont nécessaires pour la construction et le bon fonctionnement d’un ensemble de bloc opératoire : 1) avoir accès au statut du système en temps réel grâce au placement de capteurs 2) la construction de modèles multi-échelles qui lient tous les éléments impliqués et leurs infrastructures 3) une analyse minutieuse de la population de patients, du comportement des employés et des conditions environnementales. Nous avons développé un système robuste et invisible qui permet le suivi et la détection automatique d’événements dans les blocs. Avec ce système nous pouvons suivre l’activité à la porte d’entrée des blocs, puis l’avancement en temps réel de la chirurgie et enfin l’état général du bloc. Un modèle de simulation numérique de mécanique des fluides de plusieurs blocs opératoires est utilisé pour suivre la dispersion de fumée chirurgicale toxique, ainsi qu’un modèle multi-domaine qui évalue les risques de propagation de maladie nosocomiale entre les blocs. La combinaison de ces trois aspects amène une nouvelle dimension de sensibilisation à l’environnent des blocs opératoires et donne au staff un système cyber-physique capable de prédire des événements rares impactant la qualité, l’efficacité, la rentabilité et la sécurité dans l’hôpital.

This work aims at a better understanding of the high temperature Solid Oxide Cells degradation. An approach based on electrochemical tests, advanced post-test characterizations and multi-scale models has been used to investigate the links between the performances, the electrodes microstructure and their degradation. In that goal, long-term durability tests have been performed over thousand hours in different operating conditions. Electrode microstructures have been reconstructed by X-ray nano-holotomography for the pristine and the aged cells. It is worth noting that a special attention has been paid to improve both the process reliability for the tomographic experiments as well as the spatial resolution of the 3D reconstructed images. Thanks to the valuable 3D volumes, the Ni-YSZ microstructural properties of the H2 electrode have been quantified for the fresh and the aged samples. Then, a physically-based model for Nickel particle agglomeration has been adjusted on the microstructural parameters obtained by the 3D analysis and implemented in an in-house multi-scale modelling framework. Beforehand, it has been necessary to enrich the available numerical tool with a specific module dedicated to the oxygen electrode made in Mixed Ionic Electronic Conducting materials. Once validated on polarisation curves, the completed model has been used to quantify the contribution of Nickel agglomeration on the experimental degradation rates recorded in fuel cell and electrolysis modes., Ce travail porte sur l’étude de la dégradation des convertisseurs électrochimiques haute température à oxydes solides. Une approche couplant des tests électrochimiques, des caractérisations post-mortem avancées et une modélisation multi-échelle a été mise en place afin d’établir les liens entre les performances, la microstructure des électrodes et leur dégradation. Dans ce but, des essais de durabilité de plus de mille heures ont été menés dans différentes conditions opératoires. La microstructure des électrodes a été reconstruite par nano-holotomographie des rayons X pour la cellule de référence avant et après vieillissement. Une attention particulière a été apportée à la mesure de la résolution spatiale et à la fiabilisation du protocole expérimental. Grâce aux volumes 3D, les propriétés microstructurales de l’électrode H2 en Ni-YSZ ont été quantifiées pour les cellules à l’état initial et vieillies. Un modèle physique d’agglomération des particules de Nickel a ensuite été ajusté sur les analyses tridimensionnelles et intégré dans une structure de modélisation multi-échelle développée au laboratoire. Il a auparavant été nécessaire de compléter l’outil numérique avec un module spécifique dédié aux matériaux composant l’électrode à oxygène fait avec un conducteur mixte ionique-électronique. Une fois le modèle validé sur des courbes de polarisation expérimentales, il a été utilisé pour quantifier la contribution de l’agglomération du Nickel sur les pertes de performances mesurées expérimentalement en mode pile à combustible et électrolyse.

This CIFRE PhD-thesis carried out within the framework of Convention Industrielle de Formation par la REcherche (CIFRE) with the company MENARD, focuses on the durability of a specific soil-reinforcement system called Controlled Modulus Columns (CMC) which consists in a network of semi-rigid vertical inclusions cast into the ground in order to enhance its global characteristics before building. This study comes after the PhD work conducted by François Duplan (2011-2014) on the design of new cementitious composites intended for the CMC application and incorporating innovative aggregates like expanded clay grains or rubber aggregates obtained by grinding end-of-life tyres. The effects of addition of such aggregates into the composites have been studied both at fresh and hardened states and complete Duplan previous findings in particular with regards durability indicators (gas permeability, chloride diffusion) and mechanical long-term behaviour (creep and shrinkage). Three potential degradation mechanisms have been selected for the CMC system after an environmental analysis: acid attack, external sulphate attack and salt crystallisation. Laboratory accelerated tests highlighted that CEM III/C cement, actually used by MENARD, is suitable in most of the cases. The low C3A content of this binder reduces the production of expansive products in the case of external sulphate attack and its limited clinker hydrates proportions (in particular in portlandite), along with the low C/S ratio of the C-S-H enhance the resistance to acid attack. Salt crystallisation through capillary rise primarily depends on the porous network characteristics and less on the cement ones, meaning that CEM III/C cement is less relevant in that specific case. Based on the tested degradation mechanisms, incorporating rubber aggregates or expended clay ones into the cementitious composites does not significantly affect their durability. Most of the application degradation phenomenon being linked to the ingress of aggressive agents into the composites; the prediction of their diffusive properties is crucial to assess the risks involved for the application. A new predictive model is proposed with a dual homogenisation process: the first one at the cement paste level and the second one on the mortar level. Predicted results are in agreement with ones from experimental tests with a relative error less than 15%. Diffusion coefficient estimates are globally better for composites that contain expended clay aggregates than those incorporating rubber aggregates due to spherical shape of the first in accordance with the model hypotheses.; Cette thèse, menée dans le cadre d'une Convention Industrielle de Formation par la Recherche (CIFRE) avec l'entreprise MENARD, est consacrée à l'étude de la durabilité d'un procédé particulier de renforcement de sol appelé Colonnes à Module Contrôlé (CMC). Cette application consiste en la mise en place d'un réseau d'inclusions verticales semi-rigides dans un sol afin d'améliorer les caractéristiques globales du terrain avant construction. Ces travaux font suite aux travaux de thèse de François Duplan (2011-2014) sur le développement de nouveaux composites cimentaires destinés à cette application. Dans ce but, il avait optimisé des compositions de mortiers incorporant des granulats spéciaux tels que des billes d'argile expansée ou des granulats en caoutchouc issus du broyage de pneus usagés. Les effets de l'introduction de ces granulats dans les composites ont été analysés aussi bien à l'état frais qu'à l'état durci et complètent les précédentes analyses de F. Duplan, notamment en termes d'indicateur de durabilité (perméabilité aux gaz, diffusion aux ions chlorures) et de comportement mécanique à long terme (retrait et fluage). A l'issue d'une analyse environnementale de l'application, trois mécanismes potentiels de dégradation ont été sélectionnés pour des investigations sur la durabilité des CMC : l'attaque acide, l'attaque sulfatique externe et la dégradation par cristallisation de sels. La réalisation d'essais accélérés en laboratoire a permis de mettre en évidence la pertinence du ciment CEM III/C, utilisé actuellement par MENARD, dans la majorité des cas. La faible teneur en C3A de ce liant permet en effet de limiter la production d'éléments expansifs dans le cas d'une attaque sulfatique externe et sa proportion limitée en hydrates du clinker (en particulier en portlandite) ainsi que le faible rapport C/S des C-S-H assurent une meilleure tenue aux attaques acides. La dégradation par remontée capillaire et cristallisation de sels dépendant avant tout des caractéristiques du réseau poreux et des conditions d'évaporation et beaucoup moins du type de ciment, l'utilisation du ciment CEM III/C présente moins d'intérêt. L'incorporation de granulats en caoutchouc ou de billes d'argile expansée dans les composites ne modifie qu'à la marge leur tenue aux mécanismes de dégradations testés. La majorité des phénomènes de dégradation de l'application étant liée à la pénétration d'agents agressifs au cœur des composites cimentaires, la prédiction des propriétés diffusives du matériau est essentielle dans l'estimation des risques encourus par l'application. Un nouveau modèle prédictif est proposé et comporte deux échelles d'homogénéisation : la première au niveau de la pâte de ciment et la deuxième au niveau du mortier. Les résultats obtenus par ce modèle sont fidèles aux résultats expérimentaux avec des erreurs relatives inférieures à 15%. L'estimation du coefficient de diffusion est globalement plus précise pour les composites incorporant des billes d'argile expansée que pour ceux incorporant des granulats en caoutchouc, une conséquence de la forme sphérique de ces billes mieux en accord avec les hypothèses du modèle mis en œuvre.

In this thesis, we contribute to the modeling, simulation and optimization of a new generation of micro mirror arrays designed by the Astrophysics Laboratory of Marseille (LAM). A contribution is also made to the development of MEMSALab a symbolic computation software package designed to asist multiscale model derivation for microsystem arrays. The coupling between the quasi-static nonlinear behavior of a cell of the micro-mirror array and the electrostatic field used for its actuation is simulated. The simulation is then used to study the phenomenon of pull-in and its optimization. Then, a homogenized model for the electrostatic field in the vacuum space surrounding in the micro-mirror array has been built using an asymptotic method. The contributions to the development of MEMSALab consist in the introduction of an extension and combination theory that will be used to construct multiscale models based on various asymptotic approaches by a process of successive complexifications. Finally, a complete specification language for using MEMSALab is presented and illustrated by significant examples. In particular, it was used to encode the derivation of a homogenized model that serves as an initial state to the extension-combination method., Dans cette thèse, nous contribuons à la modélisation, la simulation et l'optimisation d'une nouvelle génération de matrices de micro-miroirs conçue par le Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM). Une contribution est également apportée au développement du logiciel de calcul symbolique MEMSALab qui assistera la construction de modèles multi-échelles pour des matrices de microsystèmes. Le couplage entre le comportement élastique quasi-statique non linéaire d'une cellule de la matrice de micro-miroirs et le champ électrostatique utilisé pour son actionnement a été simulé.Une fois validée, cette simulation a été utilisée pour étudier le phénomène de pull-in ainsi que son optimisation. Ensuite, un modèle homogénéisé du champ électrostatique dans le vide entourant la matrice de micro-miroirs est construit à l'aide d'une méthode asymptotique. Les contributions au développement de MEMSALab constituent en l'introduction d'une théorie d'extension et de combinaison de preuves qui sera utilisée pour construire des modèles asymptotiques par un procédé de complexifications successives. Enfin, un langage spécifique complet pour l'utilisation de MEMSALab est présenté et illustré par des exemples significatifs. En particulier, il a été utilisé pour coder la construction d'un modèle homogénéisé qui sert d'art initial à la méthode extension-combinaison.

This study concerns the domain of the microelectronics. It consists in study the impact of the 3D morphology of the energy deposit on the Single Event Effect (SEE) modelisation, induced by atmospheric muons. Over a first phase, the approach has consisted in modelize the energy deposit induced by protons in nanometric volumes. For that purpose the use of the Monte Carlo code GEANT4 has allowed to simulate and stock in a database the tracks characteristics of the energy deposit induced by protons. Once the approach validated for the protons, simulations of the energy deposit induced by muons have been realized. A CCD camera has been used in order to measure the radiative atmospheric environment and to constrain the modelization of the energy deposit induced by muons. This study highlights and quantify the contribution of the radial distribution of the energy deposit incuced by protons in nanometric volumes for the SEE prediction. On the other hand, the study shows that the contribution of the radial distribution of the energy deposit induced by muons in nanometric volumes has a negligeable impact on the SEE modelization. It will be interesting to realize measurements of the energy deposit induced by muons in nanometric technologies under accelerator. This will allow to bring experimental data still nonexistant necessary to the developpment of new physical models more accurate on the modelization of the energy deposit induced by muons., Cette étude s'inscrit dans le domaine de la microélectronique. Elle consiste à étudier l'impact de la morphologie 3D du dépôt d'énergie sur la modélisation des événements singuliers (SEE) induits par les muons atmosphériques. La démarche a consisté dans un premier temps à modéliser le dépôt d'énergie induits par des protons dans des volumes nanométriques. Pour cela, l'utilisation du code Monte-Carlo GEANT4 a permis de simuler et de stocker dans une base de donnée, les caractéristiques des traces des dépôts d'énergie des protons. Une fois la démarche validée pour les protons, des simulations du dépôt d'énergie induits par des muons ont été réalisées. Une caméra CCD a été utilisée afin de réaliser des mesures de l'environnement radiatif atmosphérique et de contraindre la modélisation des dépôts d'énergie induits par les muons. Cette étude met en évidence et quantifie l'apport de considérer la distribution radiale du dépôt d'énergie induit par des protons pour des volumes nanométriques, dans les calculs de prédiction des SEE. En revanche, l'étude montre que la considération de la distribution radiale du dépôt d'énergie induits par des muons dans des volumes nanométriques a un impact négligeable sur la modélisation des SEE. Il serait intéressant de réaliser des mesures du dépôt d'énergie induit par des muons dans des technologies nanométriques sous accélérateur. Cela permettrait d'apporter des données expérimentales encore inexistantes nécessaires au développement de nouveaux modèles physiques plus précis sur la modélisation du dépôt d'énergie induit par des muons.

In this thesis we addressed two problems in mathematical modelling of propagation of electrical signals in the heart: tissue scale propagation with presence of tissue heterogeneities and cell scale propagation with non-linear gap junctions. Diffusive inclusions. The standard model used in cardiac electrophysiology is the bidomain model. It is an averaged model derived from the microscopic properties of the tissue.The bidomain model assumes that the electrically active myocytes are present uniformly everywhere in the heart. While this is a reasonable assumption for healthy hearts, it fails insome pathological cases where significant changes in the tissue structure occur, for examplein ischaemic and rheumatic heart disease, inflammation, hypertrophy, or infarction. These tissue heterogeneities are often taken into account through an ad-hoc tuning of model parameters. The first aim of this thesis consisted in generalizing the bidomain equations to the case of structural heart diseases.We assumed a periodic alternation of healthy (bidomain model) and altered (diffusive inclusion) tissue patches. Such a model may be simulated directly, at the high computational cost of a very fine discretisation. Instead we derived a homogenized model at the macroscopic scale, using a rigorous two-scale analysis. We recovered a bidomain-type model with modified conductivity coefficients, and performed a 2D numerical verificationof the convergence of the microscopic model towards the homogenized one.In the second part we quantified the effects of different shapes and sizes of diffusive inclusions on the effective conductivity coefficients and their anisotropy ratios in 2D and3D. Additionally, we ran simulations on 2D patches of tissue with modified conductivity coefficients. We observed changes in the propagation velocity as well as in the shape of the depolarization wave-front.In the third part, based on high-resolution MR images of a rat heart we simulated 3D propagations with the homogenized model. Using image analysis software tools we assessed the structural properties of the tissue, that we used afterwards as parameters inthe homogenized model. Non-linear gap junctions. In the last part of this thesis, we studied the effects of nonlineargap junction channels on the signal propagation at the cell scale. In existing models, the gap junction channels, if modelled, are assumed to have a linear behaviour, while from experimental data we know that they have a time- and voltage-dependent non-linear behaviour. Firstly, we stated a non-linear 0D model for the gap junctional current, and secondly fitted the model to available experimental data. Finally, we proposed a 2D mathematical model that describes the electrical interaction of cardiac myocytes on the cell scale. It accounts for the gap junctional current as "the direct link" between the adjacent cells.; Dans cette thèse, nous avons abordé deux problèmes de modélisation mathématique pour la propagation des signaux électriques cardiaques : la propagation à l’échelle tissulaire en présence d’hétérogénéités et la propagation à l’échelle cellulaire avec des jonctions communicantes non linéaires. Inclusions diffusives. Le modèle standard utilisé en électrocardiologie est le modèle bidomaine. Il est déduit par homogénéisation des propriétés microscopiques du tissu. Pour cela, on suppose que les myocytes électriquement actifs sont uniformément répartis dans le coeur. Bien que ce soit une hypothèse raisonnable pour des coeurs sains, ce n’est plus vrai dans certains cas pathologiques où des changements importants dans la structure tissulaire se produisent. C’est le cas, par exemple des maladies cardiaques ischémiques, rhumatismales et inflammatoires, de l’hypertrophie ou de l’infarctus. Ces hétérogénéités tissulaires sont souvent prises en compte à l’aide d’un ajustement ad hoc des paramètres du modèle. Le premier objectif de cette thèse consistait à généraliser les équations du modèle bidomaine au cas des pathologies cardiaques structurelles.Nous avons supposé une alternance périodique d’éléments de tissus sains (modèle bidomaine) et modifiées (inclusions diffusives). La simulation numérique directe d’un tel modèle nécessite une discrétisation très fine, et entraîne un coût de calcul élevé. Pour éviter cela, nous avons construit un modèle homogénéisé à l’échelle macroscopique en utilisant une analyse à deux échelles. Nous avons retrouvé un modèle de type bidomaine avec des coefficients de conductivité modifiés, dits effectifs. En complément, nous avons effectué une vérification numérique de la convergence du modèle microscopique vers celui homogénéisé, dans une situation bidimensionnelle.Dans la deuxième partie, nous avons quantifié les effets de différentes formes d’inclusions diffusives sur les coefficients de conductivité effectifs et leur anisotropie en 2D et 3D. De plus, nous avons effectué des simulations sur des domaines représentant des morceaux de tissu 2D avec ces coefficients de conductivité modifiés. Nous avons observé des changements de la vitesse de propagation et de la forme du front de l’onde de dépolarisation. Dans la troisième partie, nous avons simulé le modèle homogénéisé en 3D, à partir d’images par résonance magnétique (IRM) à haute résolution d’un coeur de rat. Nous avons évalué les propriétés structurelles du tissu en utilisant des outils d’analyse d’image.Nous avons ensuite utilisés ces évaluations pour construire les paramètres dans le modèle homogénéisé. Jonctions communicantes non linéaires. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons étudié les effets du comportement non linéaires des jonctions communicantes sur la propagation du signal à l’échelle cellulaire. Dans les modèles existants, les jonctions communicantes sont supposées avoir un comportement linéaire, lorsqu’elles sont modélisées.Cependant les données provenant des expériences montrent que ceux-ci ont un comportement non linéaire dépendant du temps et de la différence de potentiel entre cellules voisines. D’abord, nous avons présenté un modèle non linéaire 0D du courant dans les jonctions communicantes. Ensuite, nous avons recalé le modèle sur les données expérimentales.Enfin, nous avons proposé un modèle mathématique 2D qui décrit l’interaction électrique des myocytes cardiaques à l’échelle cellulaire. Ce modèle utilise le courant dans les jonctions communicantes comme une liaison directe entre des cellules adjacentes.

Environmental and health issues call for a switch in crop protection towards less chemically driven strategies. Pest damages on crops result of population dynamics that are influenced by landscape features. Those features may be relocated or dismissed to improve landscapes resistance to pest damages. Here we explore numerically the landscape modification as a crop protection strategy.Landscape features can influence population dynamics through their impact on individuals. Therefore, we developed a multiscale population dynamics model accounting for individual foraging. The foraging process results of (1) the perception of distant features used as resources by the individuals, (2) the localisation of the population along an additional dimension quantifying individual energy supply, (3) an optimisation procedure defining adapted directed motionsWe developed an evolutionary heuristic for landscape modification. It is able to rearrange landscapes with respect to compositional and structural constraints. Population and landscape models were applied to a theoretical landscape planning problem. The mechanistic description of the optimal foraging process enables new and efficient levers for crop protection, building on the disruption of the foraging behaviours. This application enlightens the responsiveness of the simulated population to landscape modifications, as well as the ability of evolutionary algorithms to produce resilient landscapes under agronomic productive constraints.; Dans un objectif de réduction de l'utilisation des pesticides, des méthodes alternatives doivent assurer la protection des cultures. Les dégâts causés par les insectes ravageurs sont les manifestations de dynamiques de population dont certains déterminants paysagers sont des éléments structuraux potentiellement relocalisables. Nous explorons ici, par la simulation numérique, la modification du paysage comme stratégie de protection des cultures.Les éléments paysagers peuvent impacter les populations d'insectes par leur influence sur les comportements individuels. Nous avons développé un modèle de population tenant compte de l'approvisionnement individuel. Ce processus résulte (1) de la perception des ressources distantes par l'individu, (2) de la localisation de la population sur une dimension additionnelle quantifiant les réserves énergétiques, et (3) d'une procédure d'optimisation qui définit des mouvements dirigés adaptés.Une heuristique évolutionnaire de modification de paysages a été développée. Elle produit des réarrangements sous contraintes de composition et de structure. Les modèles de paysages et de dynamique de population ont été appliqués à un problème théorique d'aménagement du paysage. La description mécaniste de l'approvisionnement optimal offre des leviers d'action efficaces, basés sur la perturbation des comportements d'approvisionnement. Nos travaux montrent la réactivité de la population aux modifications du paysage, ainsi que la capacité des algorithmes évolutionnaires à proposer des paysages résistants, sous contraintes agronomiques.

The subject of this thesis is the development of mathematical models for the dynamics of data fluxes within computer networks. These models are more specifically derived for networks with a big amount of data such as computational grids or AFDX-type avionics networks. The aim is to provide a way, through modeling, to reduce the cost of the simulation of a networks dynamics. These two applications have specific objectives but both share the same modeling approach, based on a micro-meso-macro methodology. Starting from the microscopic description of the network, we identify the characteristic scales and, with a formal asymptotic limit, derive a kinetic model. Using the method of moments, a set of conservation laws can then be obtained. Two different fluid models have been obtained, and their mathematical well-posedness has been proven.Furthermore, numerical schemes based on Finite Volume Methods have been implemented and the expected qualitative behavior of both networks has been shown through numerical simulations. In particular, it has been shown how the numerical simulation of an AFDX-type network dynamics can be helpful in order to identify the weaknesses (i.e. where congestion may appear) of the network architecture. In order to describe a large panel of networks, such as heterogeneous grids with different latency times, it may be necessary to consider very small values for some parameters of the numerical simulation.Under these circumstances, the time step constraint arising from the CFL condition becomes critical. This corresponds to a singular asymptotic limit which describes to a different fluid model. Consequently, the last part of the thesis is focused on Asymptotic Preserving (AP) schemes which may be able to overcome the problem of heterogeneous networks coupling different fluid models. We studied this kind of numerical schemes in the context of a high-temperature plasma, deriving a numerical scheme able to operate the transition between the electronic kinetic regime and the adiabatic electronic fluid limit (obtained using the Boltzmann relation). The efficiency of this approach is finally proven using numerical simulations.; Mes travaux de thèse ont consisté à développer des modèles mathématiques pour décrire la dynamique des flux de données dans des réseaux informatiques comprenant un grand volume de données, spécifiquement pour les réseaux de grilles de calcul et les réseaux avioniques de type AFDX. L’objectif est de réduire, par une modélisation adaptée, la complexité des simulations numériques. Si la modélisation des deux types de réseaux étudiés répond à des motivations spécifiques et a nécessité de développer deux modèles fluides distincts, la méthodologie suivie a été la même. Il s’agit, à partir d’une description particulaire de la dynamique du réseau, d’identifier les grandeurs caractéristiques du réseau. Leur hiérarchisation par ordre de grandeur permet de définir une limite asymptotique formelle et d’obtenir une description cinétique du réseau. On peut alors en déduire, via la méthode des moments, les modèles macroscopiques correspondants, sous forme de systèmes de lois de conservation. Nous avons travaillé pour chaque réseau avec une limite asymptotique spécifique. Le système fluide résultant a ensuite fait l’objet d’une étude mathématique démontrant le caractère bien posé de notre modèle.Par la suite, nous avons mis en œuvre des méthodes numériques de type volumes finis, qui ont permis de simuler nos modèles macroscopiques et de montrer que chacun a un comportementqualitatif conforme avec le réseau qu’il décrit. Une étude d’un réseau AFDX illustre comment ce type de méthode peut permette d’identifier les points faibles (i.e. de congestion) du réseau.Afin de prendre en compte une palette plus large de comportements du réseau, nous avons cherché à prendre en compte le cas où certains paramètres de notre modélisation deviennent très petits, comme par exemple le temps de latence dans des réseaux hétérogènes.Dans ces circonstances, la condition CFL de stabilité liée aux schémas numériques classiquesdevient critique. Cela correspond en fait à une limite asymptotique singulière, pour laquelle les schémas classiques appliqués à nos modèles fluides ne sont plus efficaces. A partir de ce constat, nous nous sommes intéressés aux schémas dits “asymptotic preserving” (AP), dans l’objectif, à terme, d’obtenir un schéma numérique qui nous permette de simuler ce type de comportement limite du réseau. Les schémas AP permettent de discrétiser un problème qui présente une singularité à la limite. Pour cela, ils reformulent le problème singulier à l’asymptotique en tirant profit du“bon” problème limite afin d’obtenir un problème qui dégénère vers la bonne limite. Nous avons illustré cette technique AP dans un autre domaine de la physique qui fait couramment intervenir ce type de schéma : les plasmas de fusion, plus particulièrement lorsque les masses des particules sont fortement disparates et que le plasma est étudié dans la direction des lignes de champ. Le schéma que nous avons développé permet de faire la transition entre deux régimes électroniques : le régime électronique cinétique et le régime adiabatique fluide des électrons, donné par la relation de Boltzmann. L’efficacité du schéma est alors illustrée par des résultats numériques.

The subject of this thesis is the development of mathematical models for the dynamics of data fluxes within computer networks. These models are more specifically derived for networks with a big amount of data such as computational grids or AFDX-type avionics networks. The aim is to provide a way, through modeling, to reduce the cost of the simulation of a networks dynamics. These two applications have specific objectives but both share the same modeling approach, based on a micro-meso-macro methodology. Starting from the microscopic description of the network, we identify the characteristic scales and, with a formal asymptotic limit, derive a kinetic model. Using the method of moments, a set of conservation laws can then be obtained. Two different fluid models have been obtained, and their mathematical well-posedness has been proven.Furthermore, numerical schemes based on Finite Volume Methods have been implemented and the expected qualitative behavior of both networks has been shown through numerical simulations. In particular, it has been shown how the numerical simulation of an AFDX-type network dynamics can be helpful in order to identify the weaknesses (i.e. where congestion may appear) of the network architecture. In order to describe a large panel of networks, such as heterogeneous grids with different latency times, it may be necessary to consider very small values for some parameters of the numerical simulation.Under these circumstances, the time step constraint arising from the CFL condition becomes critical. This corresponds to a singular asymptotic limit which describes to a different fluid model. Consequently, the last part of the thesis is focused on Asymptotic Preserving (AP) schemes which may be able to overcome the problem of heterogeneous networks coupling different fluid models. We studied this kind of numerical schemes in the context of a high-temperature plasma, deriving a numerical scheme able to operate the transition between the electronic kinetic regime and the adiabatic electronic fluid limit (obtained using the Boltzmann relation). The efficiency of this approach is finally proven using numerical simulations.; Mes travaux de thèse ont consisté à développer des modèles mathématiques pour décrire la dynamique des flux de données dans des réseaux informatiques comprenant un grand volume de données, spécifiquement pour les réseaux de grilles de calcul et les réseaux avioniques de type AFDX. L’objectif est de réduire, par une modélisation adaptée, la complexité des simulations numériques. Si la modélisation des deux types de réseaux étudiés répond à des motivations spécifiques et a nécessité de développer deux modèles fluides distincts, la méthodologie suivie a été la même. Il s’agit, à partir d’une description particulaire de la dynamique du réseau, d’identifier les grandeurs caractéristiques du réseau. Leur hiérarchisation par ordre de grandeur permet de définir une limite asymptotique formelle et d’obtenir une description cinétique du réseau. On peut alors en déduire, via la méthode des moments, les modèles macroscopiques correspondants, sous forme de systèmes de lois de conservation. Nous avons travaillé pour chaque réseau avec une limite asymptotique spécifique. Le système fluide résultant a ensuite fait l’objet d’une étude mathématique démontrant le caractère bien posé de notre modèle.Par la suite, nous avons mis en œuvre des méthodes numériques de type volumes finis, qui ont permis de simuler nos modèles macroscopiques et de montrer que chacun a un comportementqualitatif conforme avec le réseau qu’il décrit. Une étude d’un réseau AFDX illustre comment ce type de méthode peut permette d’identifier les points faibles (i.e. de congestion) du réseau.Afin de prendre en compte une palette plus large de comportements du réseau, nous avons cherché à prendre en compte le cas où certains paramètres de notre modélisation deviennent très petits, comme par exemple le temps de latence dans des réseaux hétérogènes.Dans ces circonstances, la condition CFL de stabilité liée aux schémas numériques classiquesdevient critique. Cela correspond en fait à une limite asymptotique singulière, pour laquelle les schémas classiques appliqués à nos modèles fluides ne sont plus efficaces. A partir de ce constat, nous nous sommes intéressés aux schémas dits “asymptotic preserving” (AP), dans l’objectif, à terme, d’obtenir un schéma numérique qui nous permette de simuler ce type de comportement limite du réseau. Les schémas AP permettent de discrétiser un problème qui présente une singularité à la limite. Pour cela, ils reformulent le problème singulier à l’asymptotique en tirant profit du“bon” problème limite afin d’obtenir un problème qui dégénère vers la bonne limite. Nous avons illustré cette technique AP dans un autre domaine de la physique qui fait couramment intervenir ce type de schéma : les plasmas de fusion, plus particulièrement lorsque les masses des particules sont fortement disparates et que le plasma est étudié dans la direction des lignes de champ. Le schéma que nous avons développé permet de faire la transition entre deux régimes électroniques : le régime électronique cinétique et le régime adiabatique fluide des électrons, donné par la relation de Boltzmann. L’efficacité du schéma est alors illustrée par des résultats numériques.

This thesis describes analysis and control approaches for the vibration and energy flow through periodic structures. The wave description is mainly used to address the structural dynamic problems considered in the thesis: forced response is calculated as the superposition of the wave motions; natural modes are understood as standing waves induced by the propagating waves that recover to the same phase after traveling a whole circle of the finite structure. One advantage of the wave description is that they can remarkably reduce the dimensions of structural dynamic problems. This feature is especially useful in mid- and high frequencies where directly computing the full Finite Element Method (FEM) model is rather time-consuming because of the enormous number of degree-of-freedoms. This thesis extends one widely used wave-based numerical tool termed Wave Finite Element Method (WFEM). The major improvements are the use of several Component Mode Synthesis (CMS) methods to accelerate the analysis for general waveguides with proportional damping or piezoelectric waveguides. The numerical error is reduced by using the proposed eigenvalue schemes, the left eigenvectors and the reduced wave basis. Another contribution is the multi-scale modeling approach for the built-up structures with both periodic and non-periodic parts. The main idea is to model the non-periodic parts by FEM, and model the periodic parts by WFEM. By interfacing different substructures as reflection coefficients or mechanical impedance, the response of the waveguide is calculated in terms of different scales. These two contributions extend WFEM to more complex structures and to more realistic models of the engineering applications.Another benefit of the wave perception is that it leads to new ideas for vibration control. In this thesis periodically distributed piezoelectric materials and shunt circuit are used to artificially modify the wave properties by electric impedance. A novel metrics termed the Wave Electromechanical Coupling Factor (WEMCF) is proposed, to quantitatively evaluate the coupling strength between the electric and mechanical fields during the passage of a wave. This factor can be post-processed from the wave characteristics obtained from WFEM through an energy formula. We show that WEMCF is strongly correlated to the best performance of the piezoelectric waveguide. Hence the design for the geometric and electric parameters can be done separately. An application is given, concerning the vibration reduction of a cantilever beam. WEMCF is used as an optimization objective during the geometric design, when the overall mass of the piezoelectric materials is constrained. Then the negative capacitance is used with a stability consideration to enlarge the Bragg band gap. The vibration is localized and efficiently dissipated by few boundary dampers. The wave-based design process yields several broadband, stable, lightweight and boundary condition insensitive solutions. Therefore, it is promising at mid- and high frequencies where exact modal information is difficult to access.; Cette thèse s’interesse au contrôle des flux d’énergie mécanique dans les structures périodiques. Les problèmes de dynamiques des structures considérés dans cette thèse sont abordés sous l'angle d'une description ondulatoire : la réponse forcée d’un système est calculée comme une superposition d’ondes dans la structure, tandis que les modes propres sont interprétés comme des ondes stationnaires.Un des avantages de l’approche ondulatoire est qu’elle permet de réduire de manière importante la taille des problèmes de dynamique. Ceci se révèle particulièrement utile dans le domaine des hautes et moyennes fréquences, où les calculs par éléments finis deviennent très coûteux en temps à cause du grand nombre de degrés de liberté nécessaire à la convergence du modèle. Afin de contourner ce problème, cette thèse s'appuie sur la méthode des éléments finis ondulatoires (Wave Finite Element Method (WFEM)). Une des principales améliorations proposées est l’utilisation de plusieurs méthodes de synthèses modales (Component Mode Synthesis (CMS)) pour accélérer l’analyse des guides d’ondes généraux en présence d’amortissement ou de matériaux piézo-électriques. Les erreurs numériques restent faibles du fait de l’utilisation d'une base de projection réduite constituée d'ondes propagatives. Une autre contribution est le procédé de modélisation multi-échelle pour les assemblages de structures périodiques et non-périodiques. L’idée principale est de modéliser les parties non-périodiques par la méthode des éléments finis, et les parties périodiques par WFEM. Les interactions entre les différentes sous-structures sont modélisées par des coefficients de réflexion ou des impédances mécaniques. Ces travaux réalisent une extension de la WFEM à des structures plus complexes et plus proches des applications industrielles. Un autre intérêt de la vision ondulatoire est qu’elle mène à de nouvelles idées pour le contrôle des vibrations. Dans cette thèse, des matériaux piézo-électriques et des circuits de shunt, distribués de façon périodique sont utilisés afin de modifier artificiellement la propagation des ondes grâce au couplage électromécanique. Un nouveau critère, nommé « Wave Electromechanical Coupling Factor (WEMCF) », est proposé pour évaluer, en termes énergétiques, l’intensité du couplage entre le champ électrique et le champ mécanique lors du passage d'une onde. Ce facteur peut être obtenu à partir des caractéristiques ondulatoires obtenues par la WFEM. On montre que le WEMCF est fortement lié à l'atténuation dans le guide d’ondes piézo-électrique. La conception des paramètres géométriques et électriques peut être ainsi être effectuée séparément. Ce principe est appliqué à la réduction des vibrations d’une poutre encastrée. Le WEMCF est utilisé comme fonction objectif pour l'optimisation durant la conception géométrique, la masse totale de matériau piézo-électriques étant contrainte. Un circuit à capacité négative est utilisé pour élargir le band-gap de Bragg. La stabilité du système est prise en compte comme une contrainte sur la valeur de cette capacité. Les vibrations sont localisées et facilement dissipées par l’introduction d’absorbeurs sur la frontière. Ce procédé de conception basée sur une approche ondulatoire aboutit à des solutions stables, légères, et insensibles aux conditions aux limites dans une large gamme de fréquence. Par conséquent, il est prometteur pour analyser les structures en moyenne et haute fréquence où il est difficile d’accéder aux informations modales exactes.

National audience; La production à haut-débit de données biologiques de nature hétérogène nécessite uneexploitation et une intégration particulières de celles-ci. Malgré le développement de nombreuses bioontologies, l'organisation de ces données dans un cadre structuré et adaptatif reste perfectible. Nousémettons l'hypothèse qu'une approche systémique multi-échelle de la représentation des processuscellulaires permettrait de progresser dans cette problématique. Pour valider cette démarche, nous avons conçu une modélisation ontologique des processus bactériens nécessaires à l'expression génique. Les relations entre ces processus et leurs molécules participantes ou leurs sous-processus ainsi que leurs modèles ont été formellement décrites. Cette description s'accompagne d'axiomes et de relations supplémentaires sur lesquels un raisonnement automatique est effectué. La représentation des processus réalisée permet leur mise en relation avec leurs modèles et paramètres par inférence. Parallèlement, le raisonnement apporte de nouvelles informations contextuelles de séquentialité, agrégation ou compétition. Notre contribution s'appuie sur les bio-ontologies existantes pour une meilleure interopérabilité.

Cell-intrinsic, non-environmental sources of cell-to-cell variability, such as stochastic gene expression, are increasingly recognized to play an important role in the dynamics of tissues, tumors, microbial communities... However, they are usually ignored or oversimplified in theoretical models of cell populations. In this thesis, we propose a cell-based (each cell is represented individually), multi-scale (cellular decisions are controlled by biochemical reaction pathways simulated in each cell) approach to model the dynamics of cell populations. The main novelty compared to traditional approaches is that the fluctuations of protein levels driven by stochastic gene expression are systematically accounted for (i.e., for every protein in the modeled pathways). This enables to investigate the joint effect of cell-intrinsic and environmental sources of cell-to-cell variability on cell population dynamics. Central to our approach is a parsimonious and principled parameterization strategy for stochastic gene expression models. The approach is applied on two case studies. First, it is used to investigate the resistance of HeLa cells to the anti-cancer agent TRAIL, which can induce apoptosis specifically in cancer cells. A single-cell model of TRAIL-induced apoptosis is constructed and compared to existing quantitative, single-cell experimental data. The model explains fractional killing and correctly predicts transient cell fate inheritance and reversible resistance, two observed properties that are out of reach of previous models of TRAIL-induced apoptosis, which do not capture the dynamics of cell-to-cell variability. In a second step, we integrate this model into multi-cellular simulations to study TRAIL resistance in virtual scenarios constructed to help bridging the gap between standard in-vitro assays and the response of in-vivo tumors. More precisely, we consider the long-term response of multi-cellular spheroids to repeated TRAIL treatments. Analysis of model simulations points to an novel, mechanistic explanation for transient resistance acquisition, which involves the targeted degradation of activated proteins and a differential turnover between pro- and anti- apoptotic proteins. Second, we apply our approach to a synthetic spatial patterning system in yeast cells developed by collaborators. Focusing first on a sensing circuit responding to a messenger molecule, we construct a single-cell model that accurately capture the response kinetics of the circuit as observed in flow cytometry data. We then integrate this model into multi-cellular simulations and show that the response of spatially-organized micro-colonies submitted to gradients of messenger molecules is correctly predicted. Finally, we incorporate a model of a killing circuit and compare the predicted patterns of dead or alive cells with experimental data, yielding insights into how the circuit parameters translate into multi-cellular organization phenotypes. Our modeling approach has the potential to accelerate the obtention of more quantitative and predictive models of cell populations that encompass the molecular scale., Les sources intrinsèques d'héterogénéité cellulaire, comme l'expression stochastique des gènes, sont de plus en plus reconnues comme jouant un rôle important dans la dynamique des tissus, tumeurs, communautés microbiennes... Cependant, elles sont souvent ignorées ou représentées de manière simpliste dans les modèles théoriques de populations de cellules. Dans cette thèse, nous proposons une approche cellule-centrée (chaque cellule est représentée de manière individuelle), multi-échelle (les décisions cellulaires sont placées sous le contrôle de voies de signalisation biochimiques simulées dans chaque cellule) pour modéliser la dynamique de populations de cellules. La nouveauté principale de cette approche réside dans la prise en compte systématique (pour toutes les protéines modélisées) des fluctuations du niveau des protéines résultant de l'expression stochastique des gènes. Cela permet d'étudier l'effet combiné des causes intrinsèques et environnementales d'héterogénéité cellulaire sur la dynamique de la population de cellules. Un élément central de notre approche est une stratégie parsimonieuse pour attribuer les paramètres de modèles d'expression stochastique des gènes. Nous appliquons cette approche à deux cas d'étude. Nous considérons en premier la resistance à l'agent anti-cancer TRAIL, qui peut induire l'apoptose sélectivement dans les cellules cancéreuses. Nous construisons d'abord un modèle 'cellule unique' de l'apoptose induite par TRAIL et le comparons à des données existantes quantitatives et 'cellules uniques'. Le modèle explique la mort fractionnelle (le fait que seul une fraction des cellules meurent à la suite d'un traitement) et prédit correctement l'héritabilité transiente du destin cellulaire ainsi que l'acquisition transiente de résistance, deux propriétés observées mais hors de portée des modèles pré-existants, qui ne capturent pas la dynamique de l'héterogénéité cellulaire. Dans une seconde étape, nous intégrons ce modèle dans des simulations multi-cellulaires pour étudier la résistance à TRAIL dans des scénarios virtuels intermédiaires entre les études classiques in-vitro et la réponse de tumeurs in-vivo. Plus précisément, nous considérons la réponse en temps long de sphéroides multi-cellulaires à des traitements répétés de TRAIL. L'analyse de nos simulations permet de proposer une explication originale et méchanistique de l'acquisition transiente de résistance, impliquant la dégradation ciblée des protéines activées et un différentiel dans le renouvellement des protéines pro- et anti- apoptotiques. Nous appliquons aussi notre approche à un système synthétique de création de motifs développé dans des levures par des collaborateurs. Nous nous concentrons d'abord sur un circuit senseur d'une molécule messager pour lequel nous construisons un modèle cellule unique qui capture de manière fine la dynamique de réponse du circuit telle qu'observée par cytométrie en flux. Nous intégrons ensuite ce modèle dans des des simulations multi-cellulaires et montrons que la réponse de micro-colonies organisées spatialement et soumises à des gradients de molécule messager est correctement prédite. Finalement, nous incorporons un modèle d'un circuit de mort et comparons les motifs prédits de cellules mortes/vivantes avec des données expérimentales, nous permettons de mieux comprendre comment les paramètres du circuit se traduisent en phénotypes d'organisation multi-cellulaire. Notre approche peut contribuer à l'obtention de modèles de populations de cellules de plus en plus quantitatifs, prédictifs et qui englobent l'échelle moléculaire.

Given the current climate and anthropogenic evolutions, water management becomes one of the greatest challenges of the 21st Century. For that purpose, by identifying hydraulic continuity between surface and subsurface water, the concept of integrated water management can be introduced. In this work this management concept is applied on the Seine basin by quantizing hydrological processes occuring at the nested stream-aquifer interface. The implementatin of the nested interface concept can bedone through multi-scale modeling. This modelling procedure, aimed at embody the local characteristics of the interfaces (such as structural or hydrodynamic heterogeneities) in large scale models. A multi-scale modelling procedures is applied to the regional Seine basin model (70000 km²) in order, to study the hydrodynamic behaviour of the Bassée alluvial plain, and to quantify the stream-aquifer exchanged fluxes at the basin scale. The modelling protocol is initiated with regionals fluxes estimation over Seine hydrosystem. Regional fluxes consistency are assured by a two-step calibration procedure of fully coupled models. Then, the local characteristics of the Bassée alluvial plain, are implemented in the regional model by nested modelling methodology associated with upscaling procedure of hydraulics properties. Finally, the multi-scale modelling procedure lead to quantify distributed stream-aquifer exchanged water fluxes over 83% of the natural river network of the Seine basin, and thus, achieve to answer the integrated water resources management recommandations of the water framework directive.; Compte tenu de l’évolution démographique et climatique planétaire, la gestion de la ressource en eau constitue un défi majeur auquel la communauté internationale devra faire face au cours du XXIème siècle. A cet effet, l'identification de la continuité hydrique entre les eaux de surface et les eaux souterraines permet l'introduction de la notion de gestion intégrée de la ressource. L'application de ce principe de gestion au bassin de la Seine, à travers l'estimation des échanges nappe-rivière, est rendue possible par la mise en pratique du concept d'interface nappe-rivière emboitées au sein de travaux de modélisation. Pour cela une procédure de modélisation multi-échelles peut être mise en place. Elle vise à intégrer des informations locales au sein de modélisation à une échelle supérieure. Dans ce mémoire, une procédure de modélisation multi-échelles est mise en œuvre. Ce protocole de modélisation est initié par une estimation des flux d'eau régionaux au sein de l'hydrosystème Seine. La cohérence globale de ces flux est garantie par le développement d'une méthodologie de calibration de modèles couplés en deux étapes. Ensuite les informations locales, que sont les hétérogénéités de la plaine alluviale de la Bassée et de la représentation des interfaces nappe-rivière du réseau secondaire, sont intégrées au modèle régional par une procédure de modélisation emboitée et de changement d'échelle des paramètres hydrauliques. La mise en place de cette procédure a finalement permis l'estimation fine des échanges nappe-rivière sur la quasi-totalité (83%) du réseau hydrographique naturel du bassin de la Seine et ainsi de répondre aux recommandations de gestion intégrée de la ressource faites par la directive cadre sur l'eau.

Given the current climate and anthropogenic evolutions, water management becomes one of the greatest challenges of the 21st Century. For that purpose, by identifying hydraulic continuity between surface and subsurface water, the concept of integrated water management can be introduced. In this work this management concept is applied on the Seine basin by quantizing hydrological processes occuring at the nested stream-aquifer interface. The implementatin of the nested interface concept can bedone through multi-scale modeling. This modelling procedure, aimed at embody the local characteristics of the interfaces (such as structural or hydrodynamic heterogeneities) in large scale models. A multi-scale modelling procedures is applied to the regional Seine basin model (70000 km²) in order, to study the hydrodynamic behaviour of the Bassée alluvial plain, and to quantify the stream-aquifer exchanged fluxes at the basin scale. The modelling protocol is initiated with regionals fluxes estimation over Seine hydrosystem. Regional fluxes consistency are assured by a two-step calibration procedure of fully coupled models. Then, the local characteristics of the Bassée alluvial plain, are implemented in the regional model by nested modelling methodology associated with upscaling procedure of hydraulics properties. Finally, the multi-scale modelling procedure lead to quantify distributed stream-aquifer exchanged water fluxes over 83% of the natural river network of the Seine basin, and thus, achieve to answer the integrated water resources management recommandations of the water framework directive.; Compte tenu de l’évolution démographique et climatique planétaire, la gestion de la ressource en eau constitue un défi majeur auquel la communauté internationale devra faire face au cours du XXIème siècle. A cet effet, l'identification de la continuité hydrique entre les eaux de surface et les eaux souterraines permet l'introduction de la notion de gestion intégrée de la ressource. L'application de ce principe de gestion au bassin de la Seine, à travers l'estimation des échanges nappe-rivière, est rendue possible par la mise en pratique du concept d'interface nappe-rivière emboitées au sein de travaux de modélisation. Pour cela une procédure de modélisation multi-échelles peut être mise en place. Elle vise à intégrer des informations locales au sein de modélisation à une échelle supérieure. Dans ce mémoire, une procédure de modélisation multi-échelles est mise en œuvre. Ce protocole de modélisation est initié par une estimation des flux d'eau régionaux au sein de l'hydrosystème Seine. La cohérence globale de ces flux est garantie par le développement d'une méthodologie de calibration de modèles couplés en deux étapes. Ensuite les informations locales, que sont les hétérogénéités de la plaine alluviale de la Bassée et de la représentation des interfaces nappe-rivière du réseau secondaire, sont intégrées au modèle régional par une procédure de modélisation emboitée et de changement d'échelle des paramètres hydrauliques. La mise en place de cette procédure a finalement permis l'estimation fine des échanges nappe-rivière sur la quasi-totalité (83%) du réseau hydrographique naturel du bassin de la Seine et ainsi de répondre aux recommandations de gestion intégrée de la ressource faites par la directive cadre sur l'eau.