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The study of colour can offer valuable insights into the fine details of evolutionary mechanisms. It is indeed a complex trait, which can evolve along several dimensions, and which is controlled by multiple selective pressures with often opposed effects. Yet, there is one class of colours that has received few attention from evolutionary biologists: iridescent colours. This is due to the inherent complexity of these colours and the fact that their sole quantitative measurement is a challenge in itself. During my PhD, I worked with physicists and biologists and I used optical theory to propose a new measurement method for iridescent colours. I then validated this method empirically by showing that it produced reliable and repeatable estimates for both hummingbirds and \textit{Morpho} butterflies. My work during these three years has also focused on the development of other methodological tools and software for the study of colours. I also focused more precisely on iridescent colours in hummingbirds. I mainly investigated two sides of this topic and tried to find out (i) the proximate causes of iridescence in hummingbirds: how do they produce the striking colours they are renowned for? (ii) the ultimate causes of iridescence: what are the evolutionary mechanisms which control the evolution of iridescence at the community level? I found out that the structures producing iridescence in hummingbirds are way more diverse than what we previously thought. They even display an usual type of structure which has not been described in any other group yet. I also showed that at the interspecific level, iridescent colours on the back of hummingbirds tend to be similar among species occupying the same communities, which suggests a possible role of the environment in the evolution of these colours, possibly for camouflage against predators. On the other hand, colours on the belly tend to be more similar than expected by change among co-occurring species, which suggests a role of selection for communication., La couleur constitue un trait particulièrement intéressant pour étudier les mécanismes de l'évolution car il s'agit d'un trait complexe, qui peut évoluer dans plusieurs dimensions, et qui est soumis à de nombreuses pressions évolutives, qui agissent généralement dans des directions opposées. Parmi les couleurs, il existe une classe qui a reçu relativement peu d'attention de la part des biologistes évolutifs jusqu'ici du fait de sa complexité et de la difficulté à la mesurer de manière fiable et comparable entre espèces : les couleurs iridescentes. Les couleurs iridescentes sont habituellement définies comme des couleurs qui changent selon l'angle d'observation ou d'illumination. Au cours de cette thèse, j'ai collaboré avec des biologistes et des physiciens et j'ai utilisé la théorie optique pour construire une nouvelle méthode de mesure pour ces couleurs, que j'ai ensuite testée sur les colibris et les papillons \textit{Morpho}. J'ai également développé d'autres outils méthodologiques et des librairies logicielles pour l'étude des couleurs. Je me suis ensuite intéressé plus précisément aux couleurs iridescentes des colibris et à leur origine (i) proximale : par quels mécanismes les colibris produisent-ils leurs couleurs extraordinaires ? (ii) ultime : quels sont les processus qui contrôlent l'évolution de ces couleurs à l'échelle de la communauté toute entière ? J'ai découvert que les structures responsables de l'iridescence chez les colibris présentent bien plus de diversité que ce qu'on pensait jusqu'ici et ils ont également un type de structure qui n'a pour l'instant été observé dans aucun autre groupe. J'ai aussi montré qu'à l'échelle interspécifique, les couleurs iridescentes présentes sur le dos sont similaires parmi les espèces qui habitent la même communauté, ce qui suggère une sélection par l'environnement, pour le camouflage par exemple, alors que celles sur le ventres sont plus différentes qu'attendu au hasard, ce qui suggère une sélection pour la communication.

This thesis focuses on the evaluation of the quality of adhesion in metal/adhesive/carbon-epox: structural assemblies used in the automotive and aerospace industry. The quality of the bonding i assessed by non-destructive methods using ultrasonic guided waves of the Lamb and SH types. A nev finite element numerical model was developed during this work: it is an interphase rheological mode that allows the dispersion curves of the guided modes to be plotted in the samples studied. It als( makes it possible to predict the evolution of the amplitude of these modes and the distribution o energy in the structure according to the level of adhesion or the presence of a kissing bond type defect. Samples with known and controlled adhesion levels are made with the help of physico chemists, 'where the epoxy is partially or totally crosslinked, and where the substrate/adhesivl interface has undergone different chemical treatments. In particular, samples are studied whos degradation of the bonding in the structure is not symmetrical. The experimental results are compare( with those from the numerical model. These results show that it is possible to characterize two clos levels of adhesion and also to determine on which interface (metal/adhesive or composite/adhesive the bonding has been degraded. The use of a measurement bench with electromagnetic acousti( transducers (EMAT) allowed thè study of the amplitude of the SH modes. Significant variations in th( amplitude of some modes have been observed when the wave passes from an area of good adhesioi to an area where the bonding is degraded.; Cette thèse s'intéresse à l'évaluation de la qualité de l'adhésion dans des assemblages structuraux métal/adhésif/composite carbone-époxy, assemblages utilisés dans l'industrie automobile et aéronautique. La qualité du collage est évaluée par méthodes non destructives grâce à des ondes guidées ultrasonores de type Lamb et SH. Un nouveau modèle numérique par éléments finis a été développé au cours de ce travail : il s'agit d'un modèle rhéologique aux interphases qui permet de tracer les courbes de dispersion des modes guidés dans les échantillons étudiés. Il permet aussi de prédire l'évolution de l'amplitude de ces modes et la répartition de l'énergie dans la structure suivant le niveau d'adhésion ou la présence d'un défaut de type kissing bond. Des échantillons à niveau d'adhésion connus et maîtrisés sont réalisés avec l'aide de physico-chimistes, où l'époxy est partiellement ou totalement réticulé, et où l'interface substrat/adhésif a subi différents traitements chimiques. En particulier sont étudiés des échantillons dont la dégradation du collage dans la structure n'est pas symétrique. Les résultats expérimentaux sont confrontés à ceux issus du modèle numérique. Ces résultats montrent qu'il est possible de caractériser deux niveaux d'adhésion proches et aussi de déterminer sur quelle interface (métal/adhésif ou composite/adhésif) le collage a été dégradé. L'utilisation d'un banc de mesure à transducteurs électromagnétiques acoustiques (EMAT) a permis l'étude de l'amplitude des modes SH. Des variations importantes de l'amplitude de certains modes ont été constatées lors du passage de l'onde d'une zone de bonne adhésion à une zone où le collage est dégradé.

La synthèse des activités de recherche présentée porte sur l'acoustique ultrasonore. Ces recherches, développés à travers deux axes de recherche que sont l'évaluation et le contrôle non-destructifs (ECND) et les structures phononiques (SP), portent sur les assemblages multicouches de matériaux viscoélastiques et/ou piézoélectriques et les propriétés qui en découlent. Plus précisément, cette Habilitation à Diriger les Recherche comporte trois chapitres.Le premier chapitre porte sur l'étude des structures multicouches périodiques, dites structures phononiques. L'étude théorique, basée sur des formulations matricielles inconditionnellement stables numériquement, porte sur les propriétés spectrales de réflexion, transmission et atténuation résultantes d'une combinaison périodique de couches viscoélastiques. La non-réciprocité de la réflexion sur de telles structures périodiques viscoélastiques est démontrée théoriquement et expérimentalement. Le contrôle actif de telles structures a été exploré avec l'intégration de couches piézoélectriques. Le formalisme développé sur la base d'une modélisation matricielle des propriétés électromécaniques des matériaux piézoélectriques est validé expérimentalement et permet d'envisagerdes propriétés effectives modulables selon les conditions électriques imposées périodiquement sur les couches piézoélectriques.Le deuxième chapitre comporte trois parties, la première liant la dispersion et la dissipation des propriétés ultrasonores aux propriétés de fluides viscoélastiques. L'approche expérimentale développée permet d'établir le lien avec la viscosité d'une famille de fluides visqueux non-newtoniens. Enfin, cette approche est appliquée au suivi ultrasonore de polymérisation, permettant d'en identifier la cinétique via une distribution de Weibull, en conformité avec le modèle autocatalytique de Kamal et Sourour.Le troisième chapitre concerne les développements liés aux transducteurs multiéléments. La modélisation de faisceau ultrasonore est effectuée par une décomposition en sources élémentaires (DSE) ou par décomposition en ondes planes (DOP) dont la convergence numérique est ici démontrée et discutée. L'applicationde cet outil à la détection de bulles en milieu visqueux et fibreux est mise en oeuvre et en démontre la faisabilité en temps-réel. Enfin, la cartographie viscoélastique de matériaux composites multicouches par transducteursmultiéléments est développée, permettant la caractérisation locale d'un matériau composite à nid d'abeille et d'en détecter d'éventuels défauts, dont ceux de collage.

La synthèse des activités de recherche présentée porte sur l'acoustique ultrasonore. Ces recherches, développés à travers deux axes de recherche que sont l'évaluation et le contrôle non-destructifs (ECND) et les structures phononiques (SP), portent sur les assemblages multicouches de matériaux viscoélastiques et/ou piézoélectriques et les propriétés qui en découlent. Plus précisément, cette Habilitation à Diriger les Recherche comporte trois chapitres.Le premier chapitre porte sur l'étude des structures multicouches périodiques, dites structures phononiques. L'étude théorique, basée sur des formulations matricielles inconditionnellement stables numériquement, porte sur les propriétés spectrales de réflexion, transmission et atténuation résultantes d'une combinaison périodique de couches viscoélastiques. La non-réciprocité de la réflexion sur de telles structures périodiques viscoélastiques est démontrée théoriquement et expérimentalement. Le contrôle actif de telles structures a été exploré avec l'intégration de couches piézoélectriques. Le formalisme développé sur la base d'une modélisation matricielle des propriétés électromécaniques des matériaux piézoélectriques est validé expérimentalement et permet d'envisagerdes propriétés effectives modulables selon les conditions électriques imposées périodiquement sur les couches piézoélectriques.Le deuxième chapitre comporte trois parties, la première liant la dispersion et la dissipation des propriétés ultrasonores aux propriétés de fluides viscoélastiques. L'approche expérimentale développée permet d'établir le lien avec la viscosité d'une famille de fluides visqueux non-newtoniens. Enfin, cette approche est appliquée au suivi ultrasonore de polymérisation, permettant d'en identifier la cinétique via une distribution de Weibull, en conformité avec le modèle autocatalytique de Kamal et Sourour.Le troisième chapitre concerne les développements liés aux transducteurs multiéléments. La modélisation de faisceau ultrasonore est effectuée par une décomposition en sources élémentaires (DSE) ou par décomposition en ondes planes (DOP) dont la convergence numérique est ici démontrée et discutée. L'applicationde cet outil à la détection de bulles en milieu visqueux et fibreux est mise en oeuvre et en démontre la faisabilité en temps-réel. Enfin, la cartographie viscoélastique de matériaux composites multicouches par transducteursmultiéléments est développée, permettant la caractérisation locale d'un matériau composite à nid d'abeille et d'en détecter d'éventuels défauts, dont ceux de collage.

This thesis focuses on the evaluation of the quality of adhesion in metal/adhesive/carbon-epox: structural assemblies used in the automotive and aerospace industry. The quality of the bonding i assessed by non-destructive methods using ultrasonic guided waves of the Lamb and SH types. A nev finite element numerical model was developed during this work: it is an interphase rheological mode that allows the dispersion curves of the guided modes to be plotted in the samples studied. It als( makes it possible to predict the evolution of the amplitude of these modes and the distribution o energy in the structure according to the level of adhesion or the presence of a kissing bond type defect. Samples with known and controlled adhesion levels are made with the help of physico chemists, 'where the epoxy is partially or totally crosslinked, and where the substrate/adhesivl interface has undergone different chemical treatments. In particular, samples are studied whos degradation of the bonding in the structure is not symmetrical. The experimental results are compare( with those from the numerical model. These results show that it is possible to characterize two clos levels of adhesion and also to determine on which interface (metal/adhesive or composite/adhesive the bonding has been degraded. The use of a measurement bench with electromagnetic acousti( transducers (EMAT) allowed thè study of the amplitude of the SH modes. Significant variations in th( amplitude of some modes have been observed when the wave passes from an area of good adhesioi to an area where the bonding is degraded., Cette thèse s'intéresse à l'évaluation de la qualité de l'adhésion dans des assemblages structuraux métal/adhésif/composite carbone-époxy, assemblages utilisés dans l'industrie automobile et aéronautique. La qualité du collage est évaluée par méthodes non destructives grâce à des ondes guidées ultrasonores de type Lamb et SH. Un nouveau modèle numérique par éléments finis a été développé au cours de ce travail : il s'agit d'un modèle rhéologique aux interphases qui permet de tracer les courbes de dispersion des modes guidés dans les échantillons étudiés. Il permet aussi de prédire l'évolution de l'amplitude de ces modes et la répartition de l'énergie dans la structure suivant le niveau d'adhésion ou la présence d'un défaut de type kissing bond. Des échantillons à niveau d'adhésion connus et maîtrisés sont réalisés avec l'aide de physico-chimistes, où l'époxy est partiellement ou totalement réticulé, et où l'interface substrat/adhésif a subi différents traitements chimiques. En particulier sont étudiés des échantillons dont la dégradation du collage dans la structure n'est pas symétrique. Les résultats expérimentaux sont confrontés à ceux issus du modèle numérique. Ces résultats montrent qu'il est possible de caractériser deux niveaux d'adhésion proches et aussi de déterminer sur quelle interface (métal/adhésif ou composite/adhésif) le collage a été dégradé. L'utilisation d'un banc de mesure à transducteurs électromagnétiques acoustiques (EMAT) a permis l'étude de l'amplitude des modes SH. Des variations importantes de l'amplitude de certains modes ont été constatées lors du passage de l'onde d'une zone de bonne adhésion à une zone où le collage est dégradé.

This thesis deals with the development of solid–shell finite elements for vibration modeling of multilayer structures. Indeed, most of multilayer models in the literature show some limitations in certain geometric and material configurations. Considering these restrictions and in order to develop a more efficient calculation tool, we proposed an approach based on the solid–shell concept. This consists of three-dimensional finite elements enhanced through the Assumed Strain Method. First of all, we have formulated the problem of vibrations of sandwich structures with viscoelastic core. The frequency dependence has been taken into account by using a complex constitutive law. To solve the discretized problem, the Asymptotic Numerical Method, coupled with the homotopy technique and the DIAMANT toolbox approach, was adopted due to the excellent results it provides compared to other methods. Benchmark tests have validated the models and highlighted their advantages over existing elements having the same kinematics. In order to increase damping properties, we directed our attention towards an active vibration control. For this purpose, two piezoelectric finite elements have been developed. These finite elements SHB8PSE and SHB20E are extensions, of the elements SHB8PS and SHB20, respectively. The electromechanical coupling consisted in adding an electrical degree of freedom to each node of these elements. A variety of test problems both in static and vibration analysis conducted on multilayer structures ranging from simple beams to structures involving geometric nonlinearities allowed validating the proposed solid–shell elements. Finally, combining the achievements made in chapters 2 and 3, we proposed a modeling approach for multilayer structures composed of elastic, viscoelastic and piezoelectric layers. Active control is introduced using the piezoelectric properties in order to improve the reduction in vibration amplitudes. Thus, a filter has been mounted between the sensors and actuators. This filter allows amplifying or attenuating the generated electric potential in order to reduce the vibration amplitudes. To solve the resulting problem, we extended the resolution method used in chapter 2. To validate the proposed models, active–passive control tests have been conducted on multilayer plate structures. Finally, some control laws, associated with filters, have shown how this procedure can allow reducing or even avoiding amplification of vibrations; Cette thèse s’intéresse au développement d’éléments finis solide–coques dédiés à la modélisation de structures multicouches sollicitées en vibrations. En effet, la plupart des modèles multicouches dans la littérature présentent des limitations dans certaines configurations géométriques et matérielles. Face à ce constat et dans un souci de proposer un outil moins coûteux en temps de calcul, nous avons proposé une approche basée sur le concept solide–coques. Il s’agit d’éléments finis tridimensionnels dont le comportement a été amélioré par l’Assumed Strain Method. Dans un premier temps, nous avons formulé le problème de vibrations de structures sandwichs à cœur viscoélastique. La dépendance en fréquence a ainsi été prise en compte en utilisant une loi constitutive complexe. Pour résoudre le problème discrétisé, la Méthode Asymptotique Numérique, couplée à l’homotopie, et utilisant l’approche DIAMANT, a été adoptée pour les excellents résultats qu’elle offre par rapport aux autres méthodes. Des tests ont permis de valider les modèles proposés et de montrer l’avantage par rapport aux éléments ayant la même cinématique. Poursuivant nos travaux, et dans un souci d’augmenter l’amortissement, nous nous sommes orientés vers un contrôle actif des vibrations. Pour ce faire, deux éléments finis piézoélectriques ont été formulés. Il s’agit des éléments SHB8PSE et SHB20E qui sont des extensions des éléments finis SHB8PS et SHB20, respectivement. Le couplage électromécanique a consisté en l’ajout d’un degré de liberté à chacun des nœuds des dits éléments. Quelques exemples en statique et en vibrations menés sur des structures multicouches allant de simples poutres aux structures présentant des non-linéarités géométriques ont permis de valider les éléments solide–coques proposés. Pour finir, une synthèse des acquis des chapitres 2 et 3 a permis de proposer une modélisation de structures multicouches comprenant des couches élastiques, viscoélastiques et piézoélectriques. À l’amortissement passif provenant du pouvoir amortissant des matériaux viscoélastiques, on ajoute un contrôle actif qui découle du courant électrique généré au cours de la déformation des couches piézoélectriques. Ainsi, un filtre a été installé entre les capteurs et actionneurs. Ce filtre permet d’amplifier ou d’atténuer le potentiel électrique généré dans le but de réduire les amplitudes de vibrations. Pour résoudre le problème résultant nous avons étendu le solveur utilisé au chapitre 2. Pour valider les modèles proposés, des tests de contrôle actif–passif ont été menés sur des structures plaques multicouches. Enfin, quelques lois de contrôle découlant de filtres ont permis de montrer comment cette procédure permet de réduire ou même d’éviter l’amplification des vibrations

This thesis deals with the development of solid–shell finite elements for vibration modeling of multilayer structures. Indeed, most of multilayer models in the literature show some limitations in certain geometric and material configurations. Considering these restrictions and in order to develop a more efficient calculation tool, we proposed an approach based on the solid–shell concept. This consists of three-dimensional finite elements enhanced through the Assumed Strain Method. First of all, we have formulated the problem of vibrations of sandwich structures with viscoelastic core. The frequency dependence has been taken into account by using a complex constitutive law. To solve the discretized problem, the Asymptotic Numerical Method, coupled with the homotopy technique and the DIAMANT toolbox approach, was adopted due to the excellent results it provides compared to other methods. Benchmark tests have validated the models and highlighted their advantages over existing elements having the same kinematics. In order to increase damping properties, we directed our attention towards an active vibration control. For this purpose, two piezoelectric finite elements have been developed. These finite elements SHB8PSE and SHB20E are extensions, of the elements SHB8PS and SHB20, respectively. The electromechanical coupling consisted in adding an electrical degree of freedom to each node of these elements. A variety of test problems both in static and vibration analysis conducted on multilayer structures ranging from simple beams to structures involving geometric nonlinearities allowed validating the proposed solid–shell elements. Finally, combining the achievements made in chapters 2 and 3, we proposed a modeling approach for multilayer structures composed of elastic, viscoelastic and piezoelectric layers. Active control is introduced using the piezoelectric properties in order to improve the reduction in vibration amplitudes. Thus, a filter has been mounted between the sensors and actuators. This filter allows amplifying or attenuating the generated electric potential in order to reduce the vibration amplitudes. To solve the resulting problem, we extended the resolution method used in chapter 2. To validate the proposed models, active–passive control tests have been conducted on multilayer plate structures. Finally, some control laws, associated with filters, have shown how this procedure can allow reducing or even avoiding amplification of vibrations; Cette thèse s’intéresse au développement d’éléments finis solide–coques dédiés à la modélisation de structures multicouches sollicitées en vibrations. En effet, la plupart des modèles multicouches dans la littérature présentent des limitations dans certaines configurations géométriques et matérielles. Face à ce constat et dans un souci de proposer un outil moins coûteux en temps de calcul, nous avons proposé une approche basée sur le concept solide–coques. Il s’agit d’éléments finis tridimensionnels dont le comportement a été amélioré par l’Assumed Strain Method. Dans un premier temps, nous avons formulé le problème de vibrations de structures sandwichs à cœur viscoélastique. La dépendance en fréquence a ainsi été prise en compte en utilisant une loi constitutive complexe. Pour résoudre le problème discrétisé, la Méthode Asymptotique Numérique, couplée à l’homotopie, et utilisant l’approche DIAMANT, a été adoptée pour les excellents résultats qu’elle offre par rapport aux autres méthodes. Des tests ont permis de valider les modèles proposés et de montrer l’avantage par rapport aux éléments ayant la même cinématique. Poursuivant nos travaux, et dans un souci d’augmenter l’amortissement, nous nous sommes orientés vers un contrôle actif des vibrations. Pour ce faire, deux éléments finis piézoélectriques ont été formulés. Il s’agit des éléments SHB8PSE et SHB20E qui sont des extensions des éléments finis SHB8PS et SHB20, respectivement. Le couplage électromécanique a consisté en l’ajout d’un degré de liberté à chacun des nœuds des dits éléments. Quelques exemples en statique et en vibrations menés sur des structures multicouches allant de simples poutres aux structures présentant des non-linéarités géométriques ont permis de valider les éléments solide–coques proposés. Pour finir, une synthèse des acquis des chapitres 2 et 3 a permis de proposer une modélisation de structures multicouches comprenant des couches élastiques, viscoélastiques et piézoélectriques. À l’amortissement passif provenant du pouvoir amortissant des matériaux viscoélastiques, on ajoute un contrôle actif qui découle du courant électrique généré au cours de la déformation des couches piézoélectriques. Ainsi, un filtre a été installé entre les capteurs et actionneurs. Ce filtre permet d’amplifier ou d’atténuer le potentiel électrique généré dans le but de réduire les amplitudes de vibrations. Pour résoudre le problème résultant nous avons étendu le solveur utilisé au chapitre 2. Pour valider les modèles proposés, des tests de contrôle actif–passif ont été menés sur des structures plaques multicouches. Enfin, quelques lois de contrôle découlant de filtres ont permis de montrer comment cette procédure permet de réduire ou même d’éviter l’amplification des vibrations

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Le procédé de coextrusion permet de combiner à l'état fondu plusieurs couches de polymères dans une même structure. La compatibilisation des différentes couches est généralement réalisée à l'aide de liants qui réagissent in-situ. Bien que la compatibilisation puisse permettre de réduire ou même supprimer les instabilités macroscopiques d'écoulement, un nouveau défaut dit « granité » peut apparaitre. Très peu de travaux de la littérature ont été dédiés aux mécanismes qui gouvernent ce défaut. Les phénomènes mis en jeu sont particulièrement complexes puisqu'ils impliquent de façon couplée des phénomènes hydrodynamiques via l'écoulement et la rhéologie des différentes couches et physico-chimiques via la diffusion et la réaction chimique des polymères aux interfaces. La stabilité de ces écoulements stratifiés résulte d'un couplage de phénomènes qui se produisent à différentes échelles : nano (réaction de copolymérisation), micro (interphase) et macro (écoulement). L'étude a été réalisée sur des systèmes non-réactifs et réactifs constitué d'une couche barrière, polyamide 6 (PA6) ou poly(éthylène-co-alcool vinylique) (EVOH), avec un polypropylène (PP) ou un polypropylène greffé anhydride maléique (PP-g-AM). Le défaut « granité » a été mis en évidence en coextrusion. Les paramètres procédés et matériaux influençant son apparition ont été identifiés. Le comportement rhéologique en cisaillement et élongation se révélait très sensible à l'effet de l'architecture moléculaire du copolymère généré aux interfaces. Le phénomène de compatiiblisation a également été étudié via les caractérisations morphologiques (MET, MEB, AFM) et physico-chimiques (XPS, FTIR) aux interfaces. Cette étude a permis de déterminer les propriétés intrinsèques de l'interphase en fonction du copolymère formé à l'interface entre le liant et le PA6 ou l'EVOH et de les corréler aux défauts macroscopiques observés dans les films multicouches coextrudés.

National audience

This work addresses nonlinear finite element analysis of laminated structures with weak interfaces. Considered first are shallow laminated beams subject to arbitrary large displacements, small layer strains and moderate interface slippage. Under these requirements rigorous development of layer-wise kinematic field is performed assuming First order Shear Deformation Theory (FSDT) at the layer level. The final form of this field is highly nonlinear and thus awkward in direct finite element (FE) implementation. However, the small strain assumption allows decomposition of element displacements into large rigid-body-motion and small deforming displacement field. In this case, the conjunction of linearized kinematic relations and the von Kármán strain measure applied in moving element frame allows for robust co-rotational FE formulation. This formulation is here extended to account for material nonlinear behaviour of layers and interfaces. To complete the development, means of obtaining efficient FE implementation are indicated. Discussed topics include the choice of suitable element interpolation schemes, proficient methods of alleviating numerical locking, evaluation of element deforming displacement field and management of layer-wise boundary conditions. In addition, a novel approach is proposed for a posteriori enhancement of the transverse shear stress distribution. Finally, the proposed model is tested with a number of demanding benchmark tests. The above modelling approach is next extended to geometric nonlinear analysis of laminated plates. Constraining plate displacements to be moderate (in von Kármán's sense) and using Total-Lagrangian FE formulation it is shown that the simplicity and robustness of the beam formulation can be preserved also in plate analysis. FE solutions obtained with the adopted approach are again shown to provide reliable results in global and local scale. However, it is also indicated that methods used to alleviate shear locking in single-layer plate elements are not entirely satisfactory in multi-layer ones. Thus, FE implementation allowing for non-regular meshes needs yet to be identified. Considered next is the possibility of extending the developed plate model to the corotational FE analysis of shallow laminated shells. Primary concern here is assuring consistency of 3D rotations of element vectors and matrices. This problem is resolved here by modifying the description of interface displacement field and including vertex rotations in finite element kinematics. With these enhancements FE matrix formulation is constructed to allow geometric nonlinear analysis of shallow laminated shells subject to arbitrary large displacements, small layer strains and moderate interface slippage.

Vibro-acoustics pertain to a number of diverse industrial applications where sound absorption is a common design objective. Typical structural components in, e.g., aerospace applications involve sandwich composite panels with elastomer/metallic foam bi-materials in their core. In principle, the evaluation of vibroacoustic indicators (for example, transmission loss) of these multi-layer structures through finite element analysis would result in expensive computational power and time. This is due to an increase in the total number of degrees of freedom which results from a complete description of each different layer in the multi-layer system. This challenge could be tackled by employing a condensed equivalent single layer that simulates the vibroacoustic behaviour of the multi-layer system which would require lesser computational storage that effectively reduces the computation time.The existing equivalent plate models describe the bending and shear wave propagation in multi-layers which give a useful prediction for vibroacoustic indicators throughout the audible frequency range if the multi-layer system does not contain any soft material in terms of longitudinal compression. Since compressional (or breathing) wave propagation is not employed in the current models, they are limited to relatively thin multi-layer systems. In this context, this PhD thesis addresses the improvements made on these models through four novel chapters. The first chapter presents the applicability limits of the plate theories, which are commonly employed in many vibro-acoustic applications. In the second chapter, a simple equivalent plate model is developed for sandwich structures, that reduces the difficulties in implementation compared to other models. In the third chapter, a new condensed model is presented to include both symmetric and anti-symmetric motions of the physically multi-layer structures including poroelastic material. The final chapter lays out the newly developed finite element scheme to use the condensed model developed in the third chapter. Through this finite element scheme, it is showed that the condensed/equivalent models result in huge computational gain over the conventional full three-dimensional finite element approach., La vibro-acoustique concerne un certain nombre d'applications industrielles diverses où l'absorption du son est un objectif de conception commun. Les composants structurels typiques, par exemple dans les applications aérospatiales, comprennent des panneaux composites sandwichs avec des bi-matériaux élastomère/mousse métallique en leur cœur. En principe, l'évaluation des indicateurs vibroacoustiques (par exemple, la perte de transmission) de ces structures multicouches par une analyse par éléments finis est coûteuse en temps et en puissance de calcul. Ceci est dû à l'augmentation du nombre total de degrés de liberté qui résulte d'une description complète de chaque couche différente dans le système multicouche. Ce problème pourrait être résolu en utilisant une couche unique équivalente condensée qui simule le comportement vibroacoustique du système multicouche, ce qui nécessiterait moins de mémoire de calcul et réduirait effectivement le temps de calcul. Les modèles de plaques équivalentes existants décrivent la propagation des ondes de flexion et de cisaillement dans les multicouches, ce qui donne une prédiction utile pour les indicateurs vibroacoustiques dans toute la gamme de fréquences audibles si le système multicouche ne contient pas de matériau mou en termes de compression longitudinale. Comme la propagation des ondes de compression (ou de respiration) n'est pas employée dans les modèles actuels, ceux-ci sont limités aux systèmes multicouches relativement minces. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat aborde les améliorations apportées à ces modèles à travers quatre chapitres inédits. Le premier chapitre présente les limites d'applicabilité des théories des plaques, qui sont couramment employées dans de nombreuses applications vibroacoustiques. Dans le deuxième chapitre, un modèle de plaque équivalent simple est développé pour les structures sandwich, qui réduit les difficultés de mise en œuvre par rapport aux autres modèles. Dans le troisième chapitre, un nouveau modèle condensé est présenté pour inclure les mouvements symétriques et antisymétriques des structures physiquement multicouches incluant un matériau poroélastique. Le dernier chapitre présente le nouveau schéma d'éléments finis développé pour utiliser le modèle condensé développé dans le troisième chapitre. Grâce à ce schéma d'éléments finis, il est démontré que les modèles condensés/équivalents permettent un gain de calcul considérable par rapport à l'approche conventionnelle d'éléments finis tridimensionnels complets.