Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Jauges de contrainte – Simulation par ordinateur“

Basée sur l'exploitation des propriétés optiques des nanoparticules métalliques en combinaison avec des matériaux flexibles, la plasmomécanique a émergé récemment comme un sous-domaine de la nano-optomécanique. Les systèmes plasmomécaniques permettant de mesurer les contraintes mécaniques appliquées aux substrats flexibles à partir de la réponse plasmonique des nanostructures ont attiré beaucoup d'attention dans le domaine de la recherche scientifique en raison de leurs potentielles applications, notamment dans les détecteurs de contraintes.La compréhension de la réponse mécanique microscopique à une déformation macroscopique est un fondement de la plasmomécanique, essentiel pour comprendre la réponse optique des nanostructures et son évolution. Le premier objectif de cette thèse est de comprendre, par des outils de simulation numérique, les réponses mécanique et plasmonique, et plus précisément comment les distances interparticules évoluent à l'échelle nanométrique lorsqu'une contrainte mécanique macroscopique est imposée et influencent la réponse plasmonique du système. Cela sera étudié à travers des systèmes plasmomécaniques simples composés de nanodimères d'or déposés sur une membrane de PDMS.Un autre défi de ce domaine est la conception de systèmes plasmomécaniques ayant une grande sensibilité aux déformations mécaniques. Cela peut être réalisé par des systèmes plasmoniques supportant des modes de résonance avec des pertes minimales (petite largeur à mi-hauteur). Ainsi, le deuxième objectif de cette thèse est de réaliser des systèmes plasmomécaniques supportant des résonances telles que la résonance de Fano dans un système de bâtonnet-disque et la résonance de surface de réseau dans un réseau 2D d'anneaux d'or, deux résonances connues pour leur profil de résonance fin et étroit
Based on the exploitation of the optical properties of metallic nanoparticles in combination with flexible materials, plasmonomechanics has recently emerged as a subfield of nano-optomechanics. Plasmonomechanical systems, which enable the measurement of mechanical strains applied to flexible substrates through the plasmonic response of nanostructures, have attracted much attention in the scientific research community due to their potential applications, notably in strain detectors.Understanding the microscopic mechanical response to macroscopic deformation is a foundation of plasmonomechanics, essential for comprehending the optical response of nanostructures and its evolution. The first objective of this thesis is to understand, through numerical simulation tools, the mechanical and plasmonic responses, and more precisely, how interparticle distances evolve at the nanometric scale when macroscopic mechanical strain is imposed and influence the plasmonic response of the system. This will be studied through simple plasmonomechanical systems composed of gold nanodimers deposited on a PDMS membrane.Another challenge in this field is the design of plasmonomechanical systems with high sensitivity to mechanical deformations. This can be achieved through plasmonic systems supporting resonance modes with minimal losses (narrow linewidth). Thus, the second objective of this thesis is to realize plasmonomechanical systems supporting resonances such as the Fano resonance in a rod-disk system and the surface lattice resonance in a 2D array of gold nanorings, both known for their sharp and narrow resonance profiles

Dans un contexte d'ouverture à la concurrence et d'émergence des marchés de l'énergie, la production d'électricité est affectée par de nouvelles sources d'aléas : le risque de marché. Nous étudions la possibilité d'introduire des contraintes de risque financier dans le processus d'optimisation de la production de l'électricité. Nous distinguons l'approche "ingénieur" (prise en compte du risque par des mesures de risque) de l'approche "économiste" (prise en compte du risque par des fonctions d'utilité), au Chapitre 1. Ces deux points de vue sont rapprochés dans le Chapitre 2. Une application numérique relativement simple est présentée pour illustrer le lien qui existe entre la Conditional Value-at-Risk et l'aversion aux pertes. Le résultat d'équivalence obtenu dans le Chapitre 2 est étendu à un cadre d'optimisation dynamique dans le Chapitre 3. Une application numérique de cette approche et une programmation dynamique sous contrainte de risque sont faites au Chapitre 4 pour résoudre un problème de gestion de production de l'électricité sous une contrainte de Condition al Value-at-Risk.

Nous avons développé un modèle micromécanique bidimensionnel basé sur la méthode des éléments finis pour simuler la transformation martensitique sous contrainte dans un grain. La transformation avance par la formation successive de plaquettes dans le grain. Elle est gouvernée par un critère thermodynamique qui tient compte des forces motrices chimique et mécanique et de l'énergie résistive (énergie de déformation dans les phases). À l'aide de ce modèle, nous avons étudié l'effet des contraintes internes associées au processus de transformation sur la cinétique de transformation, sur les arrangements structuraux dans le grain et sur la déformation de plasticité de transformation pour différents niveaux de contrainte appliquée. Les résultats de cinétique de transformation montrent que le domaine de température de transformation s'étend lorsque la contrainte appliquée augmente pour un matériau ayant un comportement élastique. Pour un comportement élastoplastique des phases, le même effet est observé pour des niveaux de contrainte appliquée faibles et un effet inverse lorsque la contrainte augmente. Lorsque la transformation se produit sans contrainte appliquée, nous obtenons des arrangements structuraux caractérisés par des plaquettes autoaccommodantes. Sous une contrainte appliquée, un effet d'orientation des plaquettes apparait ; il décroit avec l'avancement de la transformation. Cet effet d'orientation est plus marqué pour un comportement élastoplastique des phases que pour un comportement élastique. L'analyse de la déformation de plasticité de transformation a permis de séparer la contribution de déformation due à l'orientation des plaquettes de celle liée à l'accommodation plastique anisotrope. Finalement, nous montrons que le modèle permet de traduire les principales tendances données par les observations expérimentales pour un alliage à mémoire de forme et pour des alliages ferreux (FeNiC)

Les méthodes basées rayons sont connues pour simuler précisément les phénomènes d'ondes acoustiques, thermiques, radios ou encore optiques. L'efficacité de telles méthodes réside dans leur capacité à déterminer rapidement l'intersection la plus proche entre un rayon et les primitives géométriques composant l'environnement de simulation. Le plus souvent, une structure accélératrice est utilisée pour réduire la complexité algorithmique de la recherche. Ces trente dernières années, de nombreuses structures performantes ont été proposées. Cependant, toutes ont des inconvénients en fonction du type d'application et de la configuration de la scène.Nous proposons d'explorer une voie peu étudiée jusqu'alors, en utilisant une partition de l'espace convexe et contrainte (CCSP) comme structure accélératrice. Ce type de partition se distingue des structures classiques par plusieurs concepts apportant des propriétés uniques et intéressantes. Dans un premier temps, nous proposons une nouvelle structure accélératrice, de type CCSP, spécialement dédiée à la simulation en environnement architectural. Ensuite, nous utilisons ces résultats pour généraliser l'approche à des scènes quelconques. Nous nous concentrons notamment sur l'utilisation d'une tétraédrisation de Delaunay contrainte comme structure accélératrice et proposons un nouvel algorithme de parcours
Ray-based methods are known to simulate accurately acoustic, thermic, radios or optic wave propagation phenomena. The efficiency of such a method lies in its capacity to quickly determine the closest intersection between a ray and the geometric primitives making up the simulation environment. Generally, an acceleration structure is used to reduce the algorithmic complexity of the search. These last thirty years, a lot of efficient structures have been proposed. However, all have drawbacks according to the application kind and the scene configuration. We propose to explore a way slightly studied up to then, using a constrained convex space partition (CCSP) as an acceleration structure. This kind of partition differs from conventional structures by several concepts bringing unique and interesting properties. In a first phase, we propose a new acceleration structure, based on a CCSP, specifically dedicated to simulation in architectural environments. Then, we used these results to generalize the approach to any kind of scene. In particular, we focus on the use of a constrained Delaunay tetrahedralization as an acceleration structure and propose a new traversal algorithm

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des phénomènes d'initiation et de propagation d'une fissure dans un matériau bitumineux. À l'aide d'un essai innovant développé au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, on reproduit les conditions d'initiation et de propagation d'une fissure confinée dans un film de bitume. Dans la première partie de ce travail de thèse, on aborde l'approche utilisée pour identifier les propriétés rhéologiques à l'aide du modèle de Maxwell généralisé. La détermination des séries de Prony passe par les méthodes d'optimisation linéaire et non-linéaire pour représenter précisément le module complexe du liant bitumineux dans le domaine fréquentiel. Ce comportement viscoélastique identifié est ensuite validé par l'essai de

Ce travail de thèse a pour objectif la présentation de simulations numériques adaptées à l'étude des premières étapes de la déformation plastique dans les systèmes c. F. C. Dans ce travail, nous nous sommes efforcés d'exposer le plus clairement possible les différences conceptuelles et techniques entre notre modèle et d'autres approches à 3D. Pour cela, dans un premier temps nous présentons les modes de discrétisation coin-vis et coin-vis-mixte (CVM) utilisés dans les approches mésoscopiques de la dynamique des dislocations. Nous soulignons plus particulièrement, les différences qui résultent des calculs de l'énergie propre des lignes de dislocation et des champs de contraintes entre ces deux descriptions. Nous concluons en exposant les critères qui nous ont conduits à adopter une description CVM. Dans un second temps, nous détaillons la dynamique des dislocations et la manière dont nous avons procédé pour calculer les forces agissant sur les segments de dislocations. Dans une seconde partie, nous explicitons les calculs effectués pour valider notre modèle par l'étude d'une source de Frank Read (FR). A cette occasion, nous montrons que notre modèle reproduit la contrainte critique d'activation d'une source de FR, en utilisant une valeur de paramètre de tension de ligne adaptée à notre mode de discrétisation. Dans une nouvelle étape, nous détaillons les études en glissement simple qui nous ont permis de reproduire, la formation de murs dipolaires. Ensuite, nous exposons, les simulations développées pour caractériser la force des jonctions entre dislocations et enfin, nous montrons que la valeur numérique obtenue pour l'angle critique de rupture d'une jonction est en bon accord avec d'autres approches et qu'elle permet de simuler un essai de traction uniaxiale en reproduisant le mécanisme de durcissement par la forêt.

Le problème de frustration magnétique est abordé successivement au niveau expérimental, par simulation numérique puis sur un plan théorique. Les structures magnétiques de quelques fluorures d'éléments de transition 3d sont résolues par diffraction neutronique sur poudre et analysées en terme de frustration magnétique (KCrF4, KMnFeF6, CsCoF4, Ba2Ni3F10). Dans d'autres composés, la présence de frustration n'a pu être confirmée, soit qu'elle soit peu probable (BaMnFeF7), soit que les principaux mécanismes de couplage restent encore à élucider (Cr2F5). Un programme de simulation numérique de structures magnétiques est présente, le programme MCMAG. Base sur une méthode heuristique d'optimisation (la technique de recuit simulé, appliquée à l'algorithme de Metropolis), ce programme versatile permet de déterminer la (une) configuration d'état fondamental d'un système de spins en interaction. Les structures magnétiques simulées de plusieurs fluorures frustres, dont ceux étudiés plus haut, reproduisent parfaitement, à partir d'hypothèses raisonnables de couplages, les configurations déterminées expérimentalement. Pour certains composés, le comportement thermique des structures magnétiques et leur évolution sous l'influence d'un champ magnétique externe ont été reproduits au moins qualitativement. Une méthode de mesure du taux de contrainte dans les structures magnétiques frustrées est présentée. Dans cette approche classique, la fonction de contrainte d'un système magnétique est définie, au signe près, comme le rapport entre l'énergie d'échange du système et son énergie d'échange virtuelle si toutes les interactions y étaient satisfaisaites. Cette grandeur intensive, toujours comprise entre -1 et +1, permet d'établir une échelle de frustration pour les systèmes magnétiques en interaction. Dans ce type de description, la frustration peut avoir deux origines : une origine intrinsèque, lorsque seules les interactions entrent en compétition, ou une origine extrinsèque, lorsque la contrainte est causée par des paramètres externes à l'échange (champ magnétique, anisotropie,. . . ). Les simulations entreprises sur deux familles de systèmes frustrés classiques montrent qu'un taux de contrainte extrinsèque élevé correspond à un comportement fluctuant (entropie non nulle à T = 0). Parallèlement, un rapprochement est tenté entre la valeur (classique) du taux de contrainte dans deux réseaux périodiques frustrés, et l'importance des effets quantiques liés à la frustration dans ces réseaux. Le "taux de frustration" tel que défini à partir de la fonction de contrainte, pourrait être relié à certaines propriétés physiques des systèmes frustrés
The frustration problem is considered successively from the experimental point of view, by numerical simulation, then theoretically. The magnetic structures of a few fluorides of 3d cations ate solved from neutron powder diffraction and analysed in term of magnetic frustration. When spins are isotropic and coupling constants have about the same strength, the magnetic structure is non collinear (KCrF4, KMnFeF6). If spins are very anisotropic, or if coupling constants are rather different, the magnetic structure is collinear, and the weakest interaction is broken (CsCoF4, Ba2Ni3F10). In other compounds, we were not able to confirm frustration : either it is improbable (BaMnFeF7), or the coupling mechanisms are still unknown (Cr2F5). A computer program to simulate magnetic structures is presented : the program MCMAG. Based upon a heuristic method for optimisation (simulated anneaIing, applied to the algorithm of Metropolis), this program is designed to determine the ground-state configurationof a system of spins in interaction. The topology of the magnetic network is given by the user which makes it possible to simulate complex magnetic systems such as those encountered in many frustrated compounds. The magnetic structures of several frustrated fluorides, e. G. Those investigated in the first part of this work, have been successfully simulated from reasonable assumptions on coupling constants. For some compounds, the thermal behaviour of their magnetic structure and their evolution under an applied magnetic field have also been reproduced, at least qualitatively. A method to measure the constraint rate inside frustrated magnetic structures is presented. Within this cIassical approach, the constraint function of a magnetic system in interaction is defined as the opposite of the ratio between the coupling energy of the system and the "virtual" coupling energy it would have if all interactions were satisfied. This intensive parameter, that belongs to the range [-1,+1], can be used as a scale for frustration in magnetic systems. In this description, frustration can have two origins : an intrinsic origin, when interactions only compete, or an extrinsic origin, when magnetic constraint is caused by parameters external to exchange (magnetic field, anisotropy,. . . ). Simulations have been carried out on two families of classical frustrated systems ; they show that high extrinsic constraint rates may be associated with fluctuations (non-null entropy at T = 0). The (classical) value of the constraint rate of two frustrated periodic lattices is tentatively related to the large quantum effects, associated with frustration, which are observed in these systems. It is suggested that the "frustration rate", as defined from the constraint function, could be connected to some physical properties of frustrated systems

La connaissance de l'état de contrainte in situ est indispensable dans les applications rencontrées en mécanique des roches. Plusieurs techniques d'estimation des contraintes in situ ont été élaborées. Parmi ces méthodes, nous nous sommes intéressés en particulier à l'essai de surcarottage. Si le modèle de comportement de la roche est irréversible, l'interprétation de l'essai de surcarottage est délicate. Les relations contraintes-déformations ne sont plus linéaires et dépendent notamment de l'état initial en contraintes et de la totalité du chargement mécanique subi par le matériau. L’analyse exposée dans ce mémoire est consacrée au problème direct. Le but de l'approche est de déterminer les facteurs essentiels au niveau de la rhéologie et de l'état initial de contrainte, influant sur le comportement de la roche lors du surcarottage. Une étude paramétrique a été menée en simulant numériquement la procédure du surcarottage à l'aide du code de calculs aux éléments finis CESAR-LCPC. Plusieurs modélisations sont utilisées : modélisation bidimensionnelle en déformation plane, modélisations axisymétrique et tridimensionnelle prenant en compte l'avancement du carottier. L’analyse bidimensionnelle du problème du surcarottage en terrain élastoplastique montre que la totalité de l'histoire du chargement mécanique subi par le matériau doit être prise en compte et que l'influence de la rhéologie est fortement liée à l'état initial de contrainte. Il a été mis en évidence l'influence des contraintes initiales sur l'apparition des zones plastiques et leurs extensions. Nous avons montré que, la simulation numérique utilisant un modèle élastoplastique peut expliquer certains résultats observés in situ : évolution non monotone de déformation lors du surcarottage, fortes chutes de déformations. L’étude tridimensionnelle a également mis en évidence les effets couples des directions d'anisotropie et de contrainte et de l'intensité de la contrainte déviatorique sur les déformations.

Ce travail s'inscrit dans une démarche d'intégration produit-procédé en vue d'optimiser les propriétés en fatigue illimitée des pièces de forge. Dans le domaine de la fatigue, afin de tirer bénéfice du procédé de forgeage il est indispensable de tenir compte, d'une part, des contraintes résiduelles issues de la mise en forme, mais également du comportement anisotrope des pièces, fonction de la direction des sollicitations vis-à-vis du fibrage de la pièce. Nous distinguons les matériaux dits sains et les matériaux à défaut, pour lesquels le comportement en fatigue est tributaire des inclusions. Pour ces derniers, dans le cas d'inclusions malléables, l'allongement des inclusions suivant la direction du fibrage constitue l'origine principale de l'anisotropie observée. Un critère dérivé de l'équation de Murakami est alors proposé. Une partie de l'anisotropie provient néanmoins de la microstructure, et cet aspect est également étudiée. Parallèlement, nous nous attachons à décrire de quelle manière le fibrage peut être modélisé dans le logiciel de simulation numérique de mise en forme Forge3®, pour être ensuite utilisé dans le calcul du critère de fatigue proposé. Une stratégie d'optimisation complète incluant calculs de forgeage et de fatigue est finalement illustrée sur une pièce réelle.

Les aciers de structures sont sujets aux phénomène de vieillissement sous déformation qui se traduit, par exemple, par des modifications de la limite d'élasticité, une augmentation du durcissement et une diminution de la ductilité. Le vieillissement statique est associé aux pics et aux paliers de Lüders, tandis que le vieillissement dynamique est associé à l'effet Portevin - Le Chatelier, responsable de la localisation de la plasticité et des instabilités mécaniques. L'origine de ces comportements macroscopiques provient des interactions fortes à l'échelle atomique entre les atomes de soluté, et en particulier le carbone, et les dislocations. Ce travail de thèse se propose de caractériser l'interaction entre un atome de carbone en site interstitiel octaédnque et une dislocation vis par des simulations numériques à l'échelle atomique, Les propriétés des dislocations dans le fer cubique centré étant étroitement liées à la structure de cœur des dislocations, structure dépendant elle-même fortement du potentiel interatomique utilisé, ce travail a été effectué à l'aide d'un potentiel d'interaction empirique récemment mis au point et qui reproduit correctement la structure non dégénérée du cœur de la dislocation vis, comme le prédisent les calculs ab initio, Dans un premier temps, do:s calculs de statique moléculaire ont permis de déterminer les énergies d'interaction entre la dislocation et le carbone pour diverses positions de ce dernier. Une étude dynamique a ensuite été menée permettant de déterminer de manière qualitative l'influence du carbone sur le mouvement de la dislocation et le développement des mécanismes fondamentaux de la plasticité. Les simulations effectuées dans le cadre de cette thèse s'inscrivent dans la démarche de la modélisation multi-échelles dont l'objectif à long terme est de prédire l'évolution des propriétés des matériaux en se basant sur des mécanismes physiques élémentaires décrits depuis les échelles atomiques
Carbon is one of the most frequent foreign interstitial atoms in the iron matrix, The presence of even a very little amount of these impurities can have a drastic inl1uence on the steel properties, It is well know that the strong interaction between interstitial solute carbon atoms and dislocations drive many mechanical properties of steels, ln partieular, it has important effects on the yield stress and is responsible of mechanical instabilities observed during the static strain ageing, which implies the formation of Cottrell atmosphere (Lüders' band), and the dynamic strain ageing, which occurs generally at high temperature and involves a competitive motion of dislocations and interstitial atoms (Portevin - Le Chatelier effect). This thesis work aims at characterizing the interaction between an interstitial carbon atom and a dislocation by means of numerical simulations at the atomistic scale. Since the properties of dislocations in body-centered cubic iron rely mainly on the dislocation core structure which depends on the interatomic potential used, this work has been carried out with a newly designed empirical potential which describes correctly the non degenerated screw dislocation core structure, as predicted by ab initio calculations. ln a first part, molecular statics has been used to determine the binding energy between the screw dislocation and a carbon atom, placed in different positions, ln a second part, dynamical simulations have been performed by applying a constant shear strain to the simulation box which makes the dislocation move on its gliding plane, ln the course of these simulations, 3 types of behaviour were observed, When the dislocation arrives close to the carbon atom, it can keep moving on its plane, ln a second scenario, the dislocation changes of slip plane, this is a typical exemple of cross slip. ln the 3rd type of behaviour, it is the carbon atom which moves when the dislocation is too close to it. It can jump to an adjacent octahedral site of the same plane or move onto another plane, The kind of behaviour observed depends on the local structure of the dislocation core in the vinicity of the carbon atom which intluence can be felt only lor short interaction distances. The simulations carried out in the frameworks of this thesis, are part of a multiscale modeling approach, which aims at predicting the evolution of material properties, based on the knowledge of the atomic structure and properties of elementar processes, i,e, processeses occuring at the atomic level