Dissertations / Theses on the topic 'Méthode Wave Finite Element'
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Citrain, Aurélien. "Hybrid finite element methods for seismic wave simulation : coupling of discontinuous Galerkin and spectral element discretizations." Thesis, Normandie, 2019. http://www.theses.fr/2019NORMIR28.
Abstract:
Pour résoudre des équations d’ondes posées dans des milieux hétérogènes avec des éléments finis et un coût numérique raisonnable, nous couplons la méthode Discontinue de Galerkine (DGm) avec des éléments finis spectraux (SEm). Nous utilisons des maillages hybrides composés de tétraèdres et d’hexaèdres structurés. Le couplage est réalisé en partant d’une formulation DG mixte primale posée dans un maillage hybride composé d’un macro-élément hexaédrique et d’un sous-maillage composé de tétraèdres. La SEm est appliquée dans le macro-élément découpé en hexaèdres structurés et le couplage est assuré par les flux numériques de la DGm appliqués sur les faces internes du macro-élément communes avec le maillage tétraédrique. La stabilité de la méthode couplée est démontrée quand l’intégration en temps est effectuée avec un schéma Saute-Mouton. Les performances de la méthode couplée sont étudiées numériquement et on montre que le couplage permet de réduire les coûts numériques avec un très bon niveau de précision. On montre aussi que la formulation couplée peut stabiliser la méthode DG appliquée dans des domaines incluant des couches parfaitement adaptéesTo solve wave equations in heterogeneous media with finite elements with a reasonable numerical cost, we couple the Discontinuous Galerkin method (DGm) with Spectral Elements method (SEm). We use hybrid meshes composed of tetrahedra and structured hexahedra. The coupling is carried out starting from a mixed-primal DG formulation applied on a hybrid mesh composed of a hexahedral macro-element and a sub-mesh composed of tetrahedra. The SEm is applied in the macro-element paved with structured hexahedrons and the coupling is ensured by the DGm numerical fluxes applied on the internal faces of the macro-element common with the tetrahedral mesh. The stability of the coupled method is demonstrated when time integration is performed with a Leap-Frog scheme. The performance of the coupled method is studied numerically and it is shown that the coupling reduces numerical costs while keeping a high level of accuracy. It is also shown that the coupled formulation can stabilize the DGm applied in areas that include Perfectly Matched Layers
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Grasso, Eva. "Modelling visco-elastic seismic wave propagation : a fast-multipole boundary element method and its coupling with finite elements." Phd thesis, Université Paris-Est, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00730752.
Abstract:
The numerical simulation of elastic wave propagation in unbounded media is a topical issue. This need arises in a variety of real life engineering problems, from the modelling of railway- or machinery-induced vibrations to the analysis of seismic wave propagation and soil-structure interaction problems. Due to the complexity of the involved geometries and materials behavior, modelling such situations requires sophisticated numerical methods. The Boundary Element method (BEM) is a very effective approach for dynamical problems in spatially-extended regions (idealized as unbounded), especially since the advent of fast BEMs such as the Fast Multipole Method (FMM) used in this work. The BEM is based on a boundary integral formulation which requires the discretization of the only domain boundary (i.e. a surface in 3-D) and accounts implicitly for the radiation conditions at infinity. As a main disadvantage, the BEM leads a priori to a fully-populated and (using the collocation approach) non-symmetrical coefficient matrix, which make the traditional implementation of this method prohibitive for large problems (say O(106) boundary DoFs). Applied to the BEM, the Multi-Level Fast Multipole Method (ML-FMM) strongly lowers the complexity in computational work and memory that hinder the classical formulation, making the ML-FMBEM very competitive in modelling elastic wave propagation. The elastodynamic version of the Fast Multipole BEM (FMBEM), in a form enabling piecewise-homogeneous media, has for instance been successfully used to solve seismic wave propagation problems in a previous work (thesis dissertation of S. Chaillat, ENPC, 2008). This thesis aims at extending the capabilities of the existing frequency-domain elastodynamic FMBEM in two directions. Firstly, the time-harmonic elastodynamic ML-FMBEM formulation has been extended to the case of weakly dissipative viscoelastic media. Secondly, the FMBEM and the Finite Element Method (FEM) have been coupled to take advantage of the versatility of the FEM to model complex geometries and non-linearities while the FM-BEM accounts for wave propagation in the surrounding unbounded medium. In this thesis, we consider two strategies for coupling the FMBEM and the FEM to solve three-dimensional time-harmonic wave propagation problems in unbounded domains. The main idea is to separate one or more bounded subdomains (modelled by the FEM) from the complementary semi-infinite viscoelastic propagation medium (modelled by the FMBEM) through a non-overlapping domain decomposition. Two coupling strategies have been implemented and their performances assessed and compared on several examples
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Salam, Claro Diego. "Wave-based numerical approaches for non-destructive testing of structural assemblies involving straight waveguides and curved joints." Electronic Thesis or Diss., Bourges, INSA Centre Val de Loire, 2024. http://www.theses.fr/2024ISAB0003.
Abstract:
Cette thèse étudie la détection et la localisation des défauts dans les assemblages de guides d'ondes, en explorant l'interaction entre les ondes se propageant dans des assemblages de guides d'ondes droits contenant des jonctions coudées et des défauts. A cet effet, la méthode Wave Finite Element (WFE) est utilisée. Des expériences numériques valident la robustesse et la précision de la méthode WFE à partir de comparaisons avec des solutions analytiques et éléments finis, en se concentrant particulièrement sur les courbes de dispersion et les réponses forcées. En élargissant l'étude aux assemblages comportant des éléments de couplage, tels que des joints et des défauts, l'étude met en évidence l'efficacité de la méthode WFE dans des scénarios impliquant de tels assemblages. Une nouvelle stratégie utilisant un formalisme en matrices de diffusion est proposée pour la localisation des défauts, qui met l'accent sur les structures contenant des jonctions coudées. L'approche repose sur le calcul du temps de vol de paquets d'ondes transmis ou réfléchis au niveau d'un élément de couplage. La stratégie est validée par des simulations numériques, démontrant la précision de la localisation des défauts pour divers scénarios, notamment des poutres 2D en contraintes planes et des tuyaux avec une jonction coudée et un défaut. Les structures élasto-acoustiques sont également traitées. Une stratégie de réduction basée sur la méthode de Craig-Brampton avec des vecteurs d'enrichissement est proposée pour améliorer le coût de calcul de la modélisation des éléments de couplage. L'analyse des coefficients de transmission et de réflexion en puissance des ondes dans des structures présentant des défauts et des jonctions met en évidence la pertinence du mode de torsion dans les contrôles non destructifs par ondes guidées dans ce type de système. Ces travaux de recherche contribuent non seulement à la compréhension de la propagation des ondes dans les assemblages de guides d'ondes, mais proposent également des stratégies pratiques pour une détection et une localisation précise des défauts, avec des applications potentielles dans divers contextes d'ingénierieThis thesis investigates defect detection and localization within waveguide assemblies, exploring the interaction between waves in straight waveguides with curved joints and defects. For this purpose, the Wave Finite Element (WFE) method is used. Numerical experiments validate the robustness and accuracy of the WFE method through comparisons with analytical and Finite Element solutions, particularly focusing on dispersion curves and forced responses. Extending the investigation to assemblies with coupling elements, such as joints and defects, the study highlights the efficiency of the WFE method in scenarios involving waveguides.A novel strategy is proposed within the scattering matrix formalism for defect localization, with a specific emphasis on structures containing curved joints. The approach relies on computing the time of flight of narrow wavepackets transmitted or reflected at a coupling element. The strategy is validated through numerical simulations, showcasing precision in defect localization for diverse scenarios, including 2D plane-stress beams and pipes, with a curved joint and a defect.Elasto-acoustic structures are also treated. A reduction strategy based on Craig-Brampton reduction with enrichment vectors is proposed for computational efficiency to model coupling elements. Analysis of power transmission and reflection of waves in structures with defects and joints highlights the significance of the torsional mode in guided wave-based non-destructive testing in this type of system.This research work contributes not only to the understanding of wave propagation in waveguide assemblies but also offers practical strategies for accurate defect detection and localization, with potential applications in diverse engineering contexts
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Chaumont, Frelet Théophile. "Approximation par éléments finis de problèmes d'Helmholtz pour la propagation d'ondes sismiques." Thesis, Rouen, INSA, 2015. http://www.theses.fr/2015ISAM0011/document.
Abstract:
Dans cette thèse, on s'intéresse à la propagation d'ondes en milieu fortement hétérogène modélisée par l'équation d'Helmholtz. Les méthodes numériques permettant de résoudre ce problème souffrent de dispersion numérique, en particulier à haute fréquence. Ce phénomène, appelé "effet de pollution", est largement analysé dans la littérature quand le milieu de propagation est homogène et l'utilisation de "méthodes d'ordre élevé" est souvent proposée pour minimiser ce problème. Dans ce travail, on s'intéresse à un milieu de propagation hétérogène, cas pour lequel on dispose de moins de connaissances. On propose d'adapter des méthodes éléments finis d'ordre élevé pour résoudre l'équation d'Helmholtz en milieu hétérogène, afin de réduire l'effet de pollution. Les méthodes d'ordre élevé étant généralement basées sur des maillages "larges", une stratégie multi-échelle originale est développée afin de prendre en compte des hétérogénéités de petite échelle. La convergence de la méthode est démontrée. En particulier, on montre que la méthode est robuste vis-a-vis de l'effet de pollution. D'autre part, on applique la méthode a plusieurs cas-tests numériques. On s'intéresse d'abord à des problèmes académiques, qui permettent de valider la théorie de convergence développée. On considère ensuite des cas-tests "industriels" appliqués à la Géophysique. Ces derniers nous permettent de conclure que la méthode multi-échelle proposée est plus performante que les éléments finis "classiques" et que des problèmes 3D réalistes peuvent être considérésThe main objective of this work is the design of an efficient numerical strategy to solve the Helmholtz equation in highly heterogeneous media. We propose a methodology based on coarse meshes and high order polynomials together with a special quadrature scheme to take into account fine scale heterogeneities. The idea behind this choice is that high order polynomials are known to be robust with respect to the pollution effect and therefore, efficient to solve wave problems in homogeneous media. In this work, we are able to extend so-called "asymptotic error-estimate" derived for problems homogeneous media to the case of heterogeneous media. These results are of particular interest because they show that high order polynomials bring more robustness with respect to the pollution effect even if the solution is not regular, because of the fine scale heterogeneities. We propose special quadrature schemes to take int account fine scale heterogeneities. These schemes can also be seen as an approximation of the medium parameters. If we denote by h the finite-element mesh step and by e the approximation level of the medium parameters, we are able to show a convergence theorem which is explicit in terms of h, e and f, where f is the frequency. The main theoretical results are further validated through numerical experiments. 2D and 3D geophysica benchmarks have been considered. First, these experiments confirm that high-order finite-elements are more efficient to approximate the solution if they are coupled with our multiscale strategy. This is in agreement with our results about the pollution effect. Furthermore, we have carried out benchmarks in terms of computational time and memory requirements for 3D problems. We conclude that our multiscale methodology is able to greatly reduce the computational burden compared to the standard finite-element method
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Kessentini, Ahmed. "Approche numérique pour le calcul de la matrice de diffusion acoustique : application pour les cas convectifs et non convectifs." Thesis, Lyon, 2017. http://www.theses.fr/2017LYSEC019/document.
Abstract:
La propagation acoustique guidée est étudiée dans ce travail. La propagation des ondes acoustiques dans une direction principale est privilégiée. La méthode des éléments finis ondulatoires est donc exploitée pour extraire les nombres d'ondes. Les déformées des différents modes de conduit rigide sont aussi obtenues. Pour des conduits avec des discontinuités d'impédance, la matrice de diffusion peut être calculée à l'aide d'une modélisation par éléments finis de la partie traitée acoustiquement. Une modélisation tridimensionnelle des conduits traités acoustiquement permet une étude de la propagation pour tous les ordres des modes, de leur diffusion et du comportement acoustique des matériaux absorbants. Les réponses forcées de diverses configurations de guides d'ondes aux conditions aux limites imposées sont également calculées. L'étude est finalement étendue à la propagation acoustique dans les guides d'ondes avec un écoulement moyen uniformeThe guided acoustical propagation is investigated in this work. The propagation of the acoustic waves in a main direction is privileged. A Wave Finite Element method is therefore exploited to extract the wavenumbers. Rigid duct's mode shapes are moreover obtained. For ducts with impedance discontinuities, the scattering matrix can be then calculated through a Finite Element modelling of the lined part. A three dimensional modelling of the lined ducts allows a study of the propagation for the full modes orders, their scattering and the acoustic behaviour of the absorbing materials. The forced responses of various configurations of waveguides with imposed boundary conditions are also calculated. The study is finally extended to the acoustical propagation within waveguides with a uniform mean flow
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Bouizi, Abdelillah. "Résolution des équations de l'acoustique linéaire par une méthode d'éléments finis mixtes." Ecully, Ecole centrale de Lyon, 1989. http://www.theses.fr/1989ECDL0005.
Abstract:
Présentation d'un modèle numérique pour l'étude des problèmes linéaires de l'acoustique intérieure. Les solutions proposées développent un formalisme mixte traduisant sous forme variationnelle les équations de conservations de la masse et de la quantité de mouvement du fluide. La discrétisation par éléments finis isoparamétriques utilise une approximation quadratique du champ vectoriel de vitesse et du champ scalaire de pression.
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Huang, Tianli. "Multi-modal propagation through finite elements applied for the control of smart structures." Phd thesis, Ecole Centrale de Lyon, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00946214.
Abstract:
Le sujet de thèse concerne l'analyse de la propagation des ondes dans les structures complexes et leurs exploitations pour le contrôle semiactif et le contrôle de santé de structures intelligentes. Les structures composites munies de patches piézoélectriques sont la cible principale des investigations. Les patches piézoélectriques sont disposés avec une périodicité. Des travaux précédents ont montré l'intérêt de ce type de configuration pour l'amortissement actif de modes de structures en basses fréquences. L'objectif principal de cette thèse est l'extension de ces constatations dans une bande de fréquences plus large : basses et moyennes fréquences. La maîtrise des paramètres de propagation et de diffusion des ondes est la finalité recherchée. Dans ce cadre, les travaux proposés se baseront sur une technique particulière développée au sein de l'équipe Dynamique des Systèmes et des Structures: la technique WFE (Wave Finite Element), Ondes par éléments finis. Cette approche, construite à l'aide d'un modèle éléments finis d'une cellule représentative de l'essentiel des paramètres de propagation et de diffusion des ondes dans les structures. Elle a été validée sur des cas simples de structures, principalement isotrope monodimensionnel. La modélisation dans ce cas des sandwichs plaques composites munies de couches piézoélectriques sera opérée. Des simulations numériques poussées seront effectuées afin de cerner le cadre d'application de la WFE pour ce type de structures. Des optimisations pourront être réalisées avec ces outils numériques afin d'obtenir des paramètres géométriques et électriques optimaux dans la conception des structures intelligentes. Les travaux de cette thèse sont intégrés dans le projet CALIOP en collaborant avec le laboratoire de Mécanique Appliquée R.Chaléat de l'Institut FEMTOSTet G.W. Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Institute of Technology.
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Yang, Mingming. "Development of the partition of unity finite element method for the numerical simulation of interior sound field." Thesis, Compiègne, 2016. http://www.theses.fr/2016COMP2282/document.
Abstract:
Dans ce travail, nous avons introduit le concept sous-jacent de PUFEM et la formulation de base lié à l'équation de Helmholtz dans un domaine borné. Le processus d'enrichissement de l'onde plane de variables PUFEM a été montré et expliqué en détail. L'idée principale est d'inclure une connaissance a priori sur le comportement local de la solution dans l'espace des éléments finis en utilisant un ensemble de fonctions d'onde qui sont des solutions aux équations aux dérivées partielles. Dans cette étude, l'utilisation des ondes planes se propageant dans différentes directions a été favorisée car elle conduit à des algorithmes de calcul efficaces. En outre, nous avons montré que le nombre de directions d'ondes planes dépend de la taille de l'élément PUFEM et la fréquence des ondes à la fois en 2D et 3D. Les approches de sélection de ces ondes planes sont également illustrés. Pour les problèmes 3D, nous avons étudié deux systèmes de distribution des directions d'ondes planes qui sont la méthode du cube discrétisé et la méthode de la force de Coulomb. Il a été montré que celle-ci permet d'obtenir des directions d'onde espacées de façon uniforme et permet d'obtenir un nombre arbitraire d'ondes planes attachées à chaque noeud de l'élément de PUFEM, ce qui rend le procédé plus souple.Dans le chapitre 3, nous avons étudié la simulation numérique des ondes se propageant dans deux dimensions en utilisant PUFEM. La principale priorité de ce chapitre est de venir avec un schéma d'intégration exacte (EIS), résultant en un algorithme d'intégration rapide pour le calcul de matrices de coefficients de système avec une grande précision. L'élément 2D PUFEM a ensuite été utilisé pour résoudre un problème de transmission acoustique impliquant des matériaux poreux. Les résultats ont été vérifiés et validés par la comparaison avec des solutions analytiques. Les comparaisons entre le régime exact d'intégration (EIS) et en quadrature de Gauss ont montré le gain substantiel offert par l'EIE en termes de temps CPU.Une 3D exacte Schéma d'intégration a été présenté dans le chapitre 4, afin d'accélérer et de calculer avec précision (jusqu'à la précision de la machine) des intégrales très oscillatoires découlant des coefficients de la matrice de PUFEM associés à l'équation 3D Helmholtz. Grâce à des tests de convergence, un critère de sélection du nombre d'ondes planes a été proposé. Il a été montré que ce nombre ne pousse que quadratiquement avec la fréquence qui donne lieu à une réduction drastique du nombre total de degrés de libertés par rapport au FEM classique. Le procédé a été vérifié pour deux exemples numériques. Dans les deux cas, le procédé est représenté à converger vers la solution exacte. Pour le problème de la cavité avec une source de monopôle située à l'intérieur, nous avons testé deux modèles numériques pour évaluer leur performance relative. Dans ce scénario, où la solution exacte est singulière, le nombre de directions d'onde doit être choisie suffisamment élevée pour faire en sorte que les résultats ont convergé.Dans le dernier chapitre, nous avons étudié les performances numériques du PUFEM pour résoudre des champs sonores intérieurs 3D et des problèmes de transmission d'ondes dans lequel des matériaux absorbants sont présents. Dans le cas particulier d'un matériau réagissant localement modélisé par une impédance de surface. Un des critères d'estimation d'erreur numérique est proposé en considérant simplement une impédance purement imaginaire qui est connu pour produire des solutions à valeur réelle. Sur la base de cette estimation d'erreur, il a été démontré que le PUFEM peut parvenir à des solutions précises tout en conservant un coût de calcul très faible, et seulement environ 2 degrés de liberté par longueur d'onde ont été jugées suffisantes. Nous avons également étendu la PUFEM pour résoudre les problèmes de transmission des ondes entre l'air et un matériau poreux modélisé comme un fluide homogène équivalentIn this work, we have introduced the underlying concept of PUFEM and the basic formulation related to the Helmholtz equation in a bounded domain. The plane wave enrichment process of PUFEM variables was shown and explained in detail. The main idea is to include a priori knowledge about the local behavior of the solution into the finite element space by using a set of wave functions that are solutions to the partial differential equations. In this study, the use of plane waves propagating in various directions was favored as it leads to efficient computing algorithms. In addition, we showed that the number of plane wave directions depends on the size of the PUFEM element and the wave frequency both in 2D and 3D. The selection approaches for these plane waves were also illustrated. For 3D problems, we have investigated two distribution schemes of plane wave directions which are the discretized cube method and the Coulomb force method. It has been shown that the latter allows to get uniformly spaced wave directions and enables us to acquire an arbitrary number of plane waves attached to each node of the PUFEM element, making the method more flexible.In Chapter 3, we investigated the numerical simulation of propagating waves in two dimensions using PUFEM. The main priority of this chapter is to come up with an Exact Integration Scheme (EIS), resulting in a fast integration algorithm for computing system coefficient matrices with high accuracy. The 2D PUFEM element was then employed to solve an acoustic transmission problem involving porous materials. Results have been verified and validated through the comparison with analytical solutions. Comparisons between the Exact Integration Scheme (EIS) and Gaussian quadrature showed the substantial gain offered by the EIS in terms of CPU time.A 3D Exact Integration Scheme was presented in Chapter 4, in order to accelerate and compute accurately (up to machine precision) of highly oscillatory integrals arising from the PUFEM matrix coefficients associated with the 3D Helmholtz equation. Through convergence tests, a criteria for selecting the number of plane waves was proposed. It was shown that this number only grows quadratically with the frequency thus giving rise to a drastic reduction in the total number of degrees of freedoms in comparison to classical FEM. The method has been verified for two numerical examples. In both cases, the method is shown to converge to the exact solution. For the cavity problem with a monopole source located inside, we tested two numerical models to assess their relative performance. In this scenario where the exact solution is singular, the number of wave directions has to be chosen sufficiently high to ensure that results have converged. In the last Chapter, we have investigated the numerical performances of the PUFEM for solving 3D interior sound fields and wave transmission problems in which absorbing materials are present. For the specific case of a locally reacting material modeled by a surface impedance. A numerical error estimation criteria is proposed by simply considering a purely imaginary impedance which is known to produce real-valued solutions. Based on this error estimate, it has been shown that the PUFEM can achieve accurate solutions while maintaining a very low computational cost, and only around 2 degrees of freedom per wavelength were found to be sufficient. We also extended the PUFEM for solving wave transmission problems between the air and a porous material modeled as an equivalent homogeneous fluid. A simple 1D problem was tested (standing wave tube) and the PUFEM solutions were found to be around 1% error which is sufficient for engineering purposes
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Scala, Ilaria. "Caractérisation d’interphase par des méthodes ultrasonores : applicationaux tissus péri-prothétiques." Thesis, Paris Est, 2018. http://www.theses.fr/2018PESC1107/document.
Abstract:
Cette thèse se concentre sur la caractérisation ultrasonore de l’interphase os-implant. Cette région est une zone de transition où a lieu le processus d’ostéointégration (i.e. le processus de guérison du tissu entourant l’implant). Donc, cette interphase a un rôle crucial dans l’ancrage à long-terme de l’implant, puisqu’elle dépend de la quantité ainsi que la qualité du tissu osseux environnant. Ensuite, en plus d’être un milieu complexe en remodelage continu, l’os néoformé présente une nature multi échelle et qui évolue dans le temps. Toutes ces motivations rendent la caractérisation de l’interphase os-implant critique et difficile. Dans ce contexte, les méthodes ultrasonores sont largement utilisées aujourd’hui dans le domaine clinique pour leur capacité de donner des informations sur les propriétés biomécaniques du tissu osseux. Compte tenu de ces éléments, dans le but de caractériser les propriétés mécaniques et microstructurales de l’interphase os-implant à travers des méthodes ultrasonores, il est important de développer et valider des modèles mécaniques ainsi que de méthodes de traitement du signal. A cause de la complexité du problème, afin de décrire avec précision le tissu environnant à l’implant, il est d’abord essentiel une modélisation fiable du tissu osseux. Pour cela, on étudie l’interaction entre une onde ultrasonore et le tissu osseux, en considérant aussi les effets dues à la microstructure. Pour ce faire, un modèle continu généralisé a été utilisé. Dans ce contexte, un test de transmission/réflexion réalisé sur un échantillon poroélastique immergé dans un fluide a renforcé la fiabilité du modèle. Les champs de pression réfléchi et transmis sont influencés par les paramètres de la microstructure. De plus, les résultats issus de l’analyse de dispersion sont en accord avec ceux observés dans les expériences pour les échantillons poroélastiques. Après, le problème a été compliqué en considérant une interphase qui se situe entre l’os et l’implant. Ainsi, on peut gérer la complexité ajoutée par la présence du tissu néoformé. Comme on l’a déjà mentionné, une difficulté additionnelle est représentée par le fait que l’interphase est un milieu hétérogène, un mélange de phases solides et fluides dont les propriétés évoluent avec le temps. Donc, afin de modéliser l’interaction des ondes ultrasonores avec une interphase, on a considéré dans le modèle une couche très fine avec des propriétés élastiques et inertielles. En partant de ça, on a étudié les effets des propriétés de réflexion d’une transition entre un milieu homogène et un milieu microstructuré. De même, il a aussi été étudié la caractérisation du milieu via des techniques avances de traitement du signal. En particulier, la réponse dynamique due à l’excitation ultrasonore du système os-implant a été analysée à travers une approche multifractale. Une première analyse basée sur les coefficients des ondelettes a montré une signature multifractale pour les signaux dérivants des simulations et aussi des expériences. Ensuite, une étude de sensibilité a aussi montré que la variation des paramètres tels que la fréquence centrale et la densité de l’os trabéculaire ne contribue pas à un changement dans la réponse. L’originalité réside dans le fait qu’il s’agit d’un des premiers efforts d’exploiter l’approche multifractale dans la propagation ultrasonore dans un milieu hétérogèneThis thesis focus on the ultrasonic characterization of bone-implant interphase. This region is a transition zone where the osteointegration process (i.e. the healing process of the tissues surrounding the implant) takes place. Thus, this interphase is of crucial importance in the long-term anchorage of the implant, since it depends on the quantity and quality of the surrounding bone tissue. However, other than being a complex medium in constant remodeling, the newly formed bone presents a multiscale and time evolving nature. All these reasons make the characterization of the bone-implant interphase critical and difficult. In this context, ultrasound methods are nowadays widely used in the clinic field because of their ability to give information about the biomechanical properties of bone tissue. On this basis, with the aim of characterizing the mechanical and microstructural properties of the bone-implant interphase by ultrasound methods, it is important to develop and validate mechanical models and signal processing methods. Due to the complexity of the problem, in order to precisely describe the bone tissue surrounding the implant, first an accurate modelling of bone tissue is essential. Thus, the interaction between an ultrasonic wave and bone tissue has been investigated by also taking into account the effects dues to the microstructure. To do this, a generalized continuum modelling has been used. In this context, a transmission/reflection test performed on a poroelastic sample dipped in a fluid enhanced the reliability of the model. The reflected and transmitted pressure fields result to be affected by the microstructure parameters and the results coming from the dispersion analysis are in agreement with those observed in experiments for poroelastic specimens. Then, the problem has been complicated by considering the interphase taking place between the bone and the implant. In this way, we could handle the complexity added by the presence of the newly formed tissue. As already said, the fact that this interphase is a heterogeneous medium, a mixture of both solid and fluid phases whose properties evolve with time is an additional difficulty. Thus, in order to model the interaction of ultrasonic waves with this interphase, a thin layer with elastic and inertial properties has been considered in the model. The effects on the reflection properties of a transition between a homogeneous and a microstructured continuum have been investigated.Therefore, the characterization of the medium also via advanced signal processing techniques is investigated. In particular, the dynamic response due to the ultrasonic excitation of the bone-implant system is analyzed through the multifractal approach. A first analysis based on the wavelet coefficients pointed out a multifractal signature for the signals from both simulations and experiences. Then, a sensitivity study has also shown that the variation of parameters such as central frequency and trabecular bone density does not lead to a change in the response. The originality lies in the fact that it is one of the early efforts to exploit the multifractal approach in the ultrasonic propagation inside a heterogeneous medium
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Zhou, Changwei. "Approche couplée propagative et modale pour l'analyse multi-échelle des structures périodiques." Thesis, Ecully, Ecole centrale de Lyon, 2014. http://www.theses.fr/2014ECDL0040/document.
Abstract:
La dynamique d’une structure peut être vue aussi bien en termes de modes (ondes stationnaires) qu’en termes d’ondes élastiques libres. Les approches modales sont largement utilisées en mécanique et de nombreuses techniques de réduction de modèles (Model Order Reduction - MOR) ont été développées dans ce cadre. Quant à la dynamique des structures périodiques, les approches propagatives sont majoritairement utilisées, où la périodicité est exploitée en utilisant la théorie de Bloch. Pour les structures périodiques complexes, plusieurs techniques MOR sur la base d’onde ont été proposées dans la littérature. Dans ce travail, une approche couplée propagative et modale a été développée pour étudier la propagation des ondes dans les structures périodiques. Cette approche commence par la description modale d’une cellule unitaire (échelle mésoscopique) en utilisant la synthèse modale (Component Mode Synthesis - CMS). Par la suite, la méthode propagative - Wave Finite Element Method (WFEM) est appliquée sur la structure (échelle macroscopique). Cette méthode est nommée “CWFEM” pour CondensedWave Finite Element Method. Elle combine les avantages de la CMS et WFEM. La CMS permet d’analyser le comportement local d’en extraire une base réduite. La WFEM exploite la périodicité de la structure d’en extraire les paramètres de propagation. Ainsi, l’analyse de la propagation des ondes dans la structure à l’échelle macroscopique peut être réalisée en prenant en compte l’échelle mésoscopique. L’efficacité de la CWFEM est illustrée par de nombreuse applications aux structures périodiques monodimensionnelle (1D) et bidimensionnelle (2D). Le critère de réduction optimale assurant la convergence est discuté. Les caractéristiques de propagation dans les structures périodiques sont identifiées: bande passante, bande interdite, la directivité marquée (wave beaming effects), courbe de dispersion, band structure, surface des lenteurs... Ces propriétés peuvent répondre au besoin de conception des barrières vibroacoustiques, pièges à ondes. La CWFEM est ensuite appliquée pour étudier la propagation des ondes dans des plaques perforées et plaques raidies. Une méthode d’homogénéisation pour déterminer le modèle équivalent de la plaque perforée est proposée. Les comportements à haute fréquence tels que la directivité marquée sont également prédits par CWFEM. Trois modèles de plaques avec perforations différentes sont étudiées dans ce travail. Une validation expérimentale est effectuée sur deux plaques. Pour la plaque raidie, l’influence des modes internes sur la propagation globale est discutée. La densité modale est estimée, en moyenne et haute fréquences, pour une plaque raidie finie, où une bonne corrélation est obtenue en comparant les résultats à l’issue des analyses modalesStructural dynamics can be described in terms of structural modes as well as elastic wave motions. The mode-based methods are widely applied in mechanical engineering and numerous model order reduction (MOR) techniques have been developed. When it comes to the study of periodic structures, wave description is mostly adopted where periodicity is fully exploited based on the Bloch theory. For complex periodic structures, several MOR techniques conducted on wave basis have been proposed in the literature. In this work, a wave and modal coupled approach is developed to study the wave propagation in periodic structures. The approach begins with the modal description of a unit cell (mesoscopic scale) using Component Mode Synthesis (CMS). Subsequently, the wave-based method -Wave Finite Element Method (WFEM) is applied to the structure (macroscopic scale). The method is referred as “CWFEM” for Condensed Wave Finite Element Method. It combines the advantages of CMS and WFEM. CMS enables to analyse the local behaviour of the unit cell using a reduced modal basis. On the other hand, WFEM exploits fully the periodic propriety of the structure and extracts directly the propagation parameters. Thus the analysis of the wave propagation in the macroscopic scale waveguides can be carried out considering the mesoscopic scale behaviour. The effectiveness of CWFEM is illustrated via several one-dimensional (1D) periodic structures and two-dimensional (2D) periodic structures. The criterion of the optimal reduction to ensure the convergence is discussed. Typical wave propagation characteristics in periodic structures are identified, such as pass bands, stop bands, wave beaming effects, dispersion relation, band structure and slowness surfaces...Their proprieties can be applied as vibroacoustics barriers, wave filters. CWFEM is subsequently applied to study wave propagation characteristics in perforated plates and stiffened plate. A homogenization method to find the equivalent model of perforated plate is proposed. The high frequency behaviours such as wave beaming effect are also predicted by CWFEM. Three plate models with different perforations are studied. Experimental validation is conducted on two plates. For the stiffened plate, the influence of internal modes on propagation is discussed. The modal density in the mid- and high- frequency range is estimated for a finite stiffened plate, where good correlation is obtained compared to the mode count from modal analysis
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Ben, Souf Mohamed Amine. "Approche stochastique à base de modes d'ondes : théorie et applications en moyennes et hautes fréquences." Thesis, Ecully, Ecole centrale de Lyon, 2012. http://www.theses.fr/2012ECDL0035/document.
Abstract:
Ce travail de recherche a été réalisé au sein du Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes de l’École Centrale de Lyon (FRANCE) en cotutelle avec l’Unité de Mécanique, Modélisation et Productique (U2MP) à l’École Nationale d’Ingénieurs de Sfax (TUNISIE) dans le cadre du projet européen "Mid-Frequency". La prédiction du comportement dynamique des structures est une tâche importante dans la phase de conception de tout produit mécanique. Le choix de l’outil ou de la méthode utilisée dépend de plusieurs facteurs. Pour un système dynamique, la bande de fréquence d’étude est l’un des paramètres essentiels étant donné qu’il existe des approches appropriées pour chaque domaine fréquentiel. Ces derniers seront rapidement inapplicables en changeant le domaine d’application. Par exemple, les méthodes dites hautes fréquences ou globales sont très limitées dans la partie basse du spectre. De même, les méthodes dites basses fréquences deviennent, numériquement, très lourdes et peu performantes si l’on monte en fréquence. Les moyennes fréquences représentent alors les hautes fréquences pour les méthodes globales et les basses fréquences pour les méthodes locales. Comme les incertitudes jouent un rôle important dans les comportements vibratoires en moyennes fréquences, le travail présenté de ce mémoire est une contribution à la recherche d’une approche peu coûteuse en temps de calcul permettant l’extension d’une méthode locale : la méthode des éléments finis ondulatoires, à cette bande de fréquence pour les systèmes à caractère non déterministe. Cette contribution consiste à tenir compte des incertitudes présentes dans le système étudié pour évaluer la dispersion des différents paramètres (spectraux, de diffusion, dynamiques, etc.) et leurs effets sur la réponse globale (cinématique et énergétique) de la structure. Le travail présenté peut être partagé en deux parties. La première concerne le développement des formulations explicites et directes des dispersions des différents paramètres. Cette partie se base sur l’utilisation de la méthode de perturbation à l’ordre un. La deuxième partie est une généralisation de la première. En effet, l’utilisant de la projection des variables aléatoires sur la base des polynômes de chaos permet une évaluation plus générale des effets des incertitudes sur la dynamique des structures périodiques en moyennes fréquencesThe prediction of dynamic behavior of structures is an important task in the design step of any mechanical product. There are many factors affecting the choice of the used methods. For a dynamic system, the frequency band under study is one of the important parameters since for each frequency range exists its appropriate approach which can be quickly inapplicable in other domains. For example, the high frequency methods are very limited in the lower part of the spectrum. Similarly, the so-called low-frequency methods become numerically inefficient if it goes up in frequency range. The mid-frequencies then represent the high-frequencies for global and low frequencies for local methods. Knowing that uncertainties play an important role on the vibro-acoustics behavior in mid-frequencies, the presented work is a contribution to the research approach, with inexpensive computing time, allowing the extension of a local method, called ’the wave finite element method’, in this frequency band. These contributions consist in taking into account uncertainties in the studied system to evaluate the dispersion of all parameters (spectral, diffusion, dynamics, etc.) and their effects on the global response (kinematic and energetic) of the structure. The presented work can be divided into two main parts. The first one involves the development of an explicit and direct formulation describing the dispersion of different parameters; this part is based on the first-order perturbation method. The second part is a generalization of the first one; indeed, using the chaos polynomial projection of all random variables allows a more general assessment of the effects of uncertainties on the dynamics of periodic structure in mid-frequency range
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Bejjani, Nadine. "Wave propagation in multilayered plates : the Bending-Gradient model and the asymptotic expansion method." Thesis, Paris Est, 2019. http://www.theses.fr/2019PESC1025.
Abstract:
Cette thèse est consacrée à la modélisation de la propagation des ondes planes dans les plaques multicouches infinies, dans le cadre de l'élasticité linéaire. L’objet du travail est de trouver une approximation analytique ou semi-analytique des relations de dispersion des ondes lorsque le rapport de l'épaisseur de la plaque sur la longueur d'onde est petit. Ces relations de dispersion, liant la fréquence angulaire et le nombre d'onde, fournissent des informations clés sur les caractéristiques de propagation des différents modes. On propose dans cette thèse deux modélisations : le modèle du Bending-Gradient et la méthode des développements asymptotiques. La pertinence de ces méthodes est testée en comparant leurs prédictions à celles des théories de plaques bien connues, et à des résultats de référence obtenus par la méthode des éléments finis. Au préalable, dans la première partie de la thèse, une justification mathématique de la théorie du Bending-Gradient dans le cadre statique est réalisée à l’aide des méthodes variationnelles. Il s'agit d'abord d'identifier les espaces mathématiques dans lesquels les problèmes variationnels du Bending-Gradient sont bien posés. Puis, des théorèmes d'existence et d'unicité des solutions correspondantes sont ensuite formulés et prouvés. La deuxième partie est consacrée à la formulation des équations du mouvement du Bending-Gradient. Des simulations numériques sont effectuées pour plusieurs types d'empilements, permettant ainsi de tester la validité du modèle pour la modélisation de la propagation des ondes de flexion. La troisième partie est dédiée à l'analyse asymptotique des équations tridimensionnelles du mouvement, menée à bien grâce à la méthode des développements asymptotiques, le petit paramètre étant le rapport de l'épaisseur sur la longueur d'onde. En supposant que les champs tridimensionnels s'écrivent comme des séries en puissance du petit paramètre, on obtient une succession de problèmes à résoudre en cascade. La validité de cette méthode est évaluée par comparaison avec la méthode des éléments finisThis thesis is dedicated to the modelling of plane wave propagation in infinite multilayered plates, in the context of linear elasticity. The aim of this work is to find an analytical or semi-analytical approximation of the wave dispersion relations when the ratio of the thickness to the wavelength is small. The dispersion relations, linking the angular frequency and the wave number, provide key information about the propagation characteristics of the wave modes. Two methods are proposed in this thesis: the Bending-Gradient model and the asymptotic expansion method. The relevance of these methods is tested by comparing their predictions to those of well-known plate theories, and to reference results computed using the finite element method. Preliminarily, the first part of the thesis is devoted to the mathematical justification of the Bending-Gradient theory in the static framework using variational methods. The first step is to identify the mathematical spaces in which the variational problems of the Bending-Gradient are well posed. A series of existence and uniqueness theorems of the corresponding solutions are then formulated and proved. The second part is dedicated to the formulation of the equations of motion of the Bending-Gradient theory. Numerical simulations are realized for different types of layer stacks to assess the ability of this model to correctly predict the propagation of flexural waves. The third part is concerned with the asymptotic analysis of the three-dimensional equations of motion, carried out using the asymptotic expansion method, the small parameter being the ratio of the thickness to the wavelength. Assuming that the three-dimensional fields can be written as expansions in power of the small parameter, a series of problems which can be solved recursively is obtained. The validity of this method is evaluated by comparison with the finite element method
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Langlet, Philippe. "Analyse de la propagation des ondes acoustiques dans les matériaux périodiques à l'aide de la méthode des éléments finis." Valenciennes, 1993. https://ged.uphf.fr/nuxeo/site/esupversions/68a1f29e-c829-4081-800c-cb92319703de.
Abstract:
La propagation d'une onde acoustique plane dans un matériau comportant des cavités ou des inclusions rangées périodiquement est susceptible de nombreuses applications, notamment dans les domaines de l'acoustique sous-marine, du traitement des signaux et de l'acoustique médicale. De tels matériaux sont utilisés, par exemple, comme revêtements anechoïques de structures immergées, comme lignes à retard ou filtres acoustiques. De même, les matériaux piezocomposites interviennent dans la conception de nouveaux transducteurs ultrasonores. Cette thèse concerne la modélisation par la méthode des éléments finis, à l'aide du code Atila, de matériaux élastiques ou piézoélectriques, périodiques dans une, deux ou trois directions de l'espace. Les développements théoriques spécifiques nécessaires à la description de ces matériaux sont tout d'abord présentes. Une première validation est réalisée à travers quelques résultats obtenus pour des matériaux périodiques, pour lesquels des formulations analytiques simples existent. Ensuite, la technique développée est appliquée à l'étude de la propagation des ondes dans les matériaux périodiques poreux ou composites, dans les plaques et guides d'onde. Par le biais des courbes de dispersion, les résultats éléments finis obtenus sont comparés avec succès aux résultats de modèles antérieurs semi-analytiques et empiriques ou à des résultats expérimentaux. Les propriétés homogénéisées de matériaux poreux sont ensuite recherchées sur des solides anisotropes, dans la limite des grandes longueurs d'onde. Une vérification expérimentale de la qualité de cette procédure d'homogénéisation est menée en étudiant les fréquences de résonance de plaques perforées périodiquement. Enfin, l'ensemble des résultats conduit à proposer une extension de la méthode pour les problèmes couples fluide-solide et pour l'étude des ondes évanescentes dans les bandes interdites.
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Taro, Mandikizinoyou. "Modélisation et simulation des procédés de mise en compression des surfaces à très grandes vitesses de déformation par méthode semi-analytique." Thesis, Lyon, INSA, 2015. http://www.theses.fr/2015ISAL0105/document.
Abstract:
La défaillance des pièces mécaniques est très souvent initiée par un défaut de surface. Par conséquent, la génération de contraintes résiduelles compressives sur des pièces mécaniques via une déformation plastique hétérogène améliore la tenue en fatigue et augmente la durée de vie des pièces. Parmi les procédés permettant d'introduire des contraintes résiduelles dans les pièces, le traitement par choc laser est plus intéressant à plusieurs titres. D'une part, il permet de produire des pressions en surface du matériau de l'ordre de 1 à 6 GPa sur de courtes durées d'impulsion allant de 3 à 30 nanosecondes. D'autre part, il offre la possibilité d'introduire des contraintes résiduelles de compression sur une certaine profondeur tout en conservant l'état initial de la pièce traitée. Ainsi, les simulations numériques par réalisation de modèles simples permettent de cerner les physiques mises en jeux. Dans cette perspective, la méthode semi-analytique offre d'énormes avantages, notamment la simplicité des modèles et la réduction des temps de calcul. Cependant, cette méthode n’a jamais été étendue aux problème dynamiques. Dans cette thèse la méthode semi-analytique a été étendue aux problèmes dynamiques et le modèle mis en place été appliqué pour la simulation du procédé de choc LaserThe failure of the mechanical parts is very often initiated by a surface defects. Consequently, the generation of compressive residual stresses on mechanical parts by introducing a heterogeneous plastic strain improves the resistance to fatigue and increases the lifetime of the parts. Among the processes making it possible to introduce residual stresses into the parts, the laser shock peening is more interesting for several reasons. On the one hand, it makes it possible to produce pressures on the surface of material of about 1 to 6 going GPa over short pulse times from 3 to 30 nanoseconds. In addition, he gives the opportunity of introducing residual stresses of compression on a certain depth while preserving the initial state of the treated part. The numerical simulation becomes necessary to determine the best physical phenomena involved. Thus, the semi-analytical method offers a lot of advantages, in particular the simplicity of the models and the computation times saving. This method was never extended to the dynamic problems. In this thesis the semi-analytical method was extended to the dynamic problems and the model implemented is applied for the simulation of the Laser process of shock
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Gras, Thibaut. "Couplage de méthodes d'éléments finis standards (FEM) et ondulatoires (WFEM) pour le calcul de la réponse vibratoire d'une voie ferrée." Thesis, Compiègne, 2017. http://www.theses.fr/2017COMP2372/document.
Abstract:
La prédiction du bruit de roulement ferroviaire est en enjeu majeur pour la maitrise des nuisances sonores. Au point de contact roue/rail, la roue et la voie sont excités de manière dynamique, ce qui enclenche le rayonnement du bruit de roulement. Les réponses vibratoires au point de contact ainsi que les taux de décroissance des ondes sont des données primordiales pour simuler de manière précise le bruit de roulement. Or, la dimension infinie de la voie ferrée conduit bien souvent à des modèles éléments finis coûteux et non adaptés à la recherche de solutions innovantes. La thèse a pour objectifs de proposer un modèle vibratoire de voie en éléments finis qui prenne en compte la dimension infinie périodique de la voie, mais aussi d’inclure une portion de voie non-périodique sur laquelle des solutions anti-vibratiles peuvent être testées. La propagation des vibrations est exprimée sous la forme d’une décomposition en ondes par la méthode WFE (Wave Finite Element). Le calcul de la réponse vibratoire de la voie périodique infinie est obtenu à partir du déplacement d’une cellule physique longue d’environ 0.6 m. Pour réduire les temps de calcul nécessaires à sa condensation dynamique, une méthode de bi-périodisation est proposée. Le couplage entre les méthodes éléments finis et WFE est développé pour prendre en considération les supports élastiques dans cette cellule. Les comparaisons avec des mobilités expérimentales ainsi que des taux de décroissance montrent un très bon accord calculs-mesures. Enfin, le modèle développé dans cette thèse a permis de tester l’efficacité d’une solution anti-vibratile innovante développée au sein du projet CERVIFER. Celle-ci offre un comportement bi-mode, elle assouplit les supports autour de la roue préservant ainsi l’infrastructure, mais elle rigidifie les supports loin de la roue pour augmenter les taux de décroissance. Les résultats numériques se révèlent prometteurs en termes d’efficacité du dispositif et entrevoient une poursuite du développement de cette solution anti-vibratileRailway noise is a critical issue concerning environmental noise. At the wheel/rail contact point, both the wheel and the track are dynamically excited and vibrate together to emit the well known rolling noise. The point receptance of the rail and the track decay rates are important quantities to accurately predict wheel-rail noise emission. However, the infinite dimension of the track leads to cumbersome numerical finite-element (FE) models and not adapted to assist the research of innovative solutions. The goals of this thesis are to build an efficient numerical model for calculating the vibration from an infinite railway track, but also to include a central non-periodic part with the aim of testing anti-vibration solutions. The vibration propagation along the track is expressed as a sum of different waves using the WFEM (Wave Finite Element Method). The displacements of a 0.6 m unit cell lead to the computation of the whole track. To reduce the dynamic condensation of this cell, a bi-periodic method is proposed in this thesis. The FEM - WFEM coupling is proposed to easily include elastic supports inside the unit cell. Results show a good correlation between test and calculation. Finally, the model proposed in this thesis was used to test the efficiency of an innovative anti-vibration solution developed within the CERVIFER project. It is a dual mode device which makes the supports softer around the wheel to protect the infrastructure, and stiffer away from the wheel to increase the track decay rates. The numerical results revealed to be really promising, and they will permit to pursue the development of this anti-vibration solution
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Sun, Xiaowei. "Quelques problèmes sur l'équation des ondes modélisant l'acoustique des salles." Paris 9, 1987. https://portail.bu.dauphine.fr/fileviewer/index.php?doc=1987PA090061.
Abstract:
Problème de modélisation en acoustique des salles. Résolution numérique des systèmes d'équations aux dérivées partielles. Exploitation du parallélisme de l'algorithme sur une machine à base de transputers
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Chambon, Hugo. "Simulation and characterization of multi-layered surface acoustic wave devices for filtering and sensing applications." Thesis, Compiègne, 2019. http://www.theses.fr/2019COMP2512.
Abstract:
Cette thèse porte sur la conception et la caractérisation de micro-dispositifs à ondes acoustiques multicouches. La cinquième génération de communication (5G) nécessite des résonateurs acoustiques plus performants (fréquences > 3GHz, bande passante plus large). Dans ce contexte, nous avons conçu et optimisé par simulation FEM la géométrie de résonateurs à ondes de Lamb à base d’AlScN. Le dispositif final, constitué d’une couche composée de 30% de Sc et déposée sur un miroir de Bragg W/SiO2, montre d’excellentes performances (coefficient de couplage de 5% et facteur de qualité de 768) et un bon accord avec la simulation. Pour caractériser la surface de BAW et SAW sur la gamme de fréquence 5G, nous avons également conçu et développé un interféromètre hétérodyne. Ce dernier a été utilisé avec succès pour caractériser des vibrations de surface d'une amplitude comprise entre 1 et 10 pm à 5,95 GHz. Par ailleurs, grâce à leur robustesse et leur capacité à être interrogé sans-fil, les capteurs SAW sont utilisés dans des environnements difficiles et suscitent un grand intérêt pour les applications médicales et de contrôle de santé intégré. Récemment, l’introduction d’empilements multi-matériaux offre de nouvelles opportunités de développements. Nous avons ainsi étudié un capteur de pression composé de deux couches complémentaires, ainsi qu'un capteur dit package-less utilisant des couches d’impédances acoustiques différentes. Pour concevoir ces nouveaux capteurs, nous avons développé un outil de simulation reposant sur l'extraction de paramètres de couplage de modes et tenant compte des effets de la température, des contraintes et des déformations pour estimer leur sensibilitéThis thesis deals with the design and characterization of multilayer acoustic wave micro-devices. The fifth generation of communication (5G) requires more efficient acoustic resonators (frequencies > 3GHz, wider bandwidth). In this context, we have designed and optimized using FEM simulation, the geometry of Lamb wave resonator based on AlScN. The final device, consisting of a layer composed of 30% Sc and deposited on a Bragg W/SiO2 mirror, shows excellent performance (coupling coefficient of 5% and quality factor of 768) as well as a good agreement with the simulation. To characterize the surface of BAW and SAW over the 5G frequency range, we also designed and developed a heterodyne interferometer. The latter has been used successfully to characterize surface vibrations with amplitudes between 1 and 10 pm at 5.95 GHz. Furthermore, thanks to their robustness and ability to be wirelessly interrogated,SAW sensors are used in harsh environments and are of great interest for medical applications and structural health monitoring. Recently, the introduction of multi-material stacks offers new development opportunities. We thus studied a pressure sensor composed of two complementary layers, as well as a so-called package- less sensor using different acoustic impedance layers. To design these new sensors, we have developed a simulation tool based on the extraction of mode coupling parameters and taking into account the effects of temperature, stresses and strains to estimate their sensitivity
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Imbert, David. "Propagation d'ondes acoustiques dans une suspension de grains mobiles immergés : couplage de modèles discret et continu par la méthode des domaines fictifs." Phd thesis, Université Rennes 1, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00955389.
Abstract:
Lorsqu'une onde acoustique se propage dans un milieu granulaire, elle est susceptible de provoquer la mobilité des grains, aussi infime soit-elle. Inversement, la mobilité d'un grain dans une matrice fluide peut induire un champ acoustique et dans les deux cas, l'énergie acoustique peut être transférée à la fois au travers des pores et des contacts entre grains. Nous avons mis au point un modèle original permettant de considérer ces deux modes de transfert d'énergie pour simuler la propagation d'ondes acoustiques dans les milieux granulaires immergés. Dans le cas des milieux granulaires secs, l'inertie du fluide est telle que l'énergie transférée dans l'air peut être négligée et le milieu modélisé avec des algorithmes de type "dynamique moléculaire". Au contraire, dans le cas de milieux immergés, l'énergie portée par le fluide ne peut pas être négligée et nous montrons que la méthode des domaines fictifs basée sur les multiplicateurs de Lagrange distribués permet de coupler les équations de la dynamique et l'équation d'onde. Nous utilisons la méthode des éléments finis pour propager l'onde dans le fluide, les grains étant modélisés en 2D par des sphères rigides et incompressibles afin de satisfaire les hypothèses de l'algorithme de dynamique moléculaire. Les résultats du modèle sur des expériences numériques simples mais pour lesquelles existent des solutions analytiques de l'acoustique mettent en évidence la validité du nouveau modèle. Nous en donnons une illustration pour l'étude des interactions subies par un empilement réaliste de multiples grains mobiles soumis à un signal acoustique.
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Benjelloun, Touimi Zakia. "Diffraction par un réseau 1-périodique de R3." Paris 13, 1988. http://www.theses.fr/1988PA132004.
Abstract:
On s'intéresse dans ce travail au problème de la diffraction d'une onde électromagnétique par un ensemble d'obstacles parfaitement conducteurs, disposés périodiquement suivant un axe de l'espace et alimentés par une source identique, a une différence de phase près; c'est sur cette différence de phase que l'utilisateur peut jouer pour modifier le diagramme de rayonnement du réseau. Contrairement aux méthodes classiques dans lesquelles le courant circulant sur le réseau est développé en modes de floquet et qui amène à des instabilités numériques appelées "convergence relative", on se propose de garder le courant sous sa forme explicite et d'employer une méthode d'éléments finis mixtes de surface, en proposant un noyau de green approprié à ce problème de diffraction
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Xu, Wen. "Méthodes d’analyse et de modélisation pertinentes pour la propagation des ondes à l’échelle méso dans des milieux hétérogènes." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLC044/document.
Abstract:
Les travaux de la présente thèse portent sur l’estimation d'erreur a posteriori pour les solutions numériques par éléments finis de l'équation des ondes élastiques dans les milieux hétérogènes. Deux types d’estimation ont été développés. Le premier considère directement l’équation élastodynamique et conduit à un nouvel estimateur d'erreur a posteriori explicite en norme L∞ en temps. Les principales caractéristiques de cet estimateur explicite sont l'utilisation de la méthode de résidus et le développement de reconstructions en temps et en espace selon les différentes régularités exigées par les différents termes contribuant à l’obtention d’une borne supérieure. L’analyse numérique de cet estimateur dans le cas des maillages uniformes montre qu’il assure bien une borne supérieure mais avec une propriété asymptotique qui reste à améliorer. Le deuxième type d’estimateur d’erreur est développé dans le contexte de la propagation des ondes à haute fréquence dans des milieux hétérogènes à l’échelle mésoscopique. Il s’agit d’une nouvelle erreur en résidus basée sur l'équation de transfert radiatif, qui est obtenue par un développement asymptotique multi-échelle de l'équation d'onde en utilisant la transformation de Wigner en espace-temps. Les résidus sont exprimés en termes de densités énergétiques calculés dans l’espace des phases pour les solutions d’onde numériques transitoires par éléments finis. L’analyse numérique de cette erreur appliquée aux milieux homogènes et hétérogènes en 1D a permis de valider notre approche. Les champs d’application visés sont la propagation des ondes sismiques dans les milieux géophysiques ou la propagation des ondes ultrasonores dans les milieux polycristallinsThis thesis work deals with a posteriori error estimates for finite element solutions of the elastic wave equation in heterogeneous media. Two different a posteriori estimation approaches are developed. The first one, in a classical way, considers directly the elastodynamic equation and results in a new explicit error estimator in a non-natural L∞ norm in time. Its key features are the use of the residual method and the development of space and time reconstructions with respect to regularities required by different residual operators contributing to the proposed error bound. Numerical applications of the error bound with different mesh sizes show that it gives rise to a fully computable upper bound. However, its effectivity index and its asymptotic accuracy remain to be improved. The second error estimator is derived for high frequency wave propagation problem in heterogeneous media in the weak coupling regime. It is a new residual-type error based on the radiative transfer equation, which is derived by a multi-scale asymptotic expansion of the wave equation in terms of the spatio-temporal Wigner transforms of wave fields. The residual errors are in terms of angularly resolved energy quantities of numerical solutions of waves by finite element method. Numerical calculations of the defined errors in 1D homogeneous and heterogeneous media allow validating the proposed error estimation approach. The application field of this work is the numerical modelling of the seismic wave propagation in geophysical media or the ultrasonic wave propagation in polycrystalline materials
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Faëse, Frédéric. "Génération d'ondes acoustiques de surface par différentes sources lasers : applications à la caractérisation sans contact de défauts." Thesis, Valenciennes, 2013. http://www.theses.fr/2013VALE0039/document.
Abstract:
Diverses industries telles que l'aéronautique ou la sidérurgie s’intéressent de plus en plus aux ultrasons laser qui sont une technique de pointe utilisée pour le contrôle et l'évaluation non destructifs des matériaux. Cette méthode d’excitation et de détection des ondes ultrasonores présente comme principaux avantages d’être sans contact et adaptée à des échantillons pour lesquels la mise en œuvre de méthodes conventionnelles s'avère difficile notamment lorsqu’ils sont portés à haute température et/ou qu’ils sont de géométrie complexe.Durant cette thèse, nous nous sommes intéressés à la propagation des ondes acoustiques de surface générées par sources lasers et à l’interaction de ces ondes avec différents défauts. Les modèles analytiques de l’interaction onde-défaut étant limités à quelques cas particuliers, l’étude théorique a été menée en privilégiant une modélisation par éléments finisqui a permis d’accéder aux champs de déplacement des ondes engendrées. Les résultats expérimentaux ont d’abord permis de confirmer la pertinence des modèles analytiques et des modélisations par éléments finis. Ils ont ensuite consisté en l’étude de l’interaction onde-défaut pour différentes formes de défauts et différentes sources thermoélastiques.Les résultats de modélisation associés aux résultats expérimentaux ont en particulier mené à une méthode originale de caractérisation basée sur une conversion de mode permettant de déterminer à partir d’un seul A-scan à la fois la position et la profondeur du défaut. Des sources thermoélastiques non conventionnelles ont également été développées et leur potentiel d’applications pour le contrôle non destructif a été mis en évidenceIndustries like aeronautics or iron and steel industry are more and more interested in laser ultrasonics, which is a cutting-edge technique used in non-destructive testing and evaluation. The main advantages of this acoustic wave generation and detection method are its noncontact feature and its ability to characterize high temperature and/or geometrically complex materials for which conventional methods implementation turns out to be difficult.During this thesis, we dealt with the propagation of surface acoustic waves (SAW) generatedby laser sources and their interaction with different flaws. As analytical models describing theinteraction between SAW and flaws are limited to a few special cases, the theoretical study was preferentially led thanks to the finite element method (FEM) that gave the different waves displacement fields. Experimental results first confirmed analytical models and FEM results suitability. Then, they consisted in studying the interaction between SAW and flaws for different flaw shapes and different thermoelastic sources.FEM results combined with experimental results especially led to an original characterizationmethod based on mode conversion giving both the flaw position and depth thanks to a singleA-scan. Unusual thermoelastic sources have also been implemented and their potentialities in non destructive testing and evaluation applications have been highlighted
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Frauziols, Fanny. "Elastographie ultrasonore des tissus mous du membre inférieur en vue de la caractérisation des effets mécaniques de dispositifs médicaux textiles." Thesis, Saint-Etienne, EMSE, 2015. http://www.theses.fr/2015EMSE0809/document.
Abstract:
La compression élastique de la jambe est le traitement de référence des pathologies liées à l’insuffisance veineuse. Bien que l’efficacité ne soit plus à prouver, les objectifs thérapeutiques restent non atteints pour certains patients. Un objectif de la compression élastique est la réduction de la pression pariétale des veines afin de rétablir ou d’augmenter le retour du sang vers le cœur par une transmission de pression au travers des tissus mous. Ce mécanisme est complexe et peut être prédit par des modèles éléments finis personnalisés. Pour être personnalisés, ces modèles doivent prendre en compte la géométrie et la carte des propriétés mécaniques du sujet.Dans cette étude, on développe deux méthodologies permettant d’identifier les propriétés mécaniques des tissus mous. Dans un premier temps, on mesure par élastographie ultrasonore par onde de cisaillement la distribution du module élastique au sein des tissus mous superficiels. Dans un deuxième temps, on identifie par une méthode inverse les propriétés mécaniques des tissus mous profonds. Cette méthode associe l’acquisition de données d’un essai expérimental de compression localisée de la jambe à un modèle éléments finis bidimensionnel. Ces deux méthodologies nous permettent d’évaluer l’hétérogénéité des propriétés mécaniques de la peau au fascia cruris et de caractériser le comportement non-linéaire des tissus mous profonds. Enfin, les résultats de ces deux méthodologies sont couplés afin de générer un modèle biomécanique de la jambe sous compression élastique pour prédire la distribution de pression au sein des tissus mous pour quatre sujets sainsElastic compression of the leg is a widely used treatment in case of pathologies related to venous insufficiency. Its benefits are not to be proven, but still, for some patients, the therapeutic goal is not reached. One goal of this treatment is to reduce transmural pressure applied to veins in order to restore or increase blood return to the heart by the transmission of the external pressure through soft tissues. This is a complex mechanism that can be predicted by patient-specific finite element models. To be patient-specific, these models must take into account the geometry and the distribution of mechanical properties of each subject.In this study, two methodologies are developed to identify the mechanical properties of soft tissues. First, the elastic modulus distribution inside the superficial soft tissues is measured by shear wave ultrasound elastography. Second, the mechanical properties of deep soft tissues are identified through an inverse method combining the data acquired from an experimental localized compression of the leg to a bi-dimensional finite element model.These two methodologies allow to evaluate the mechanical properties heterogeneity from the skin to the fascia cruris and to characterize the non-linear behaviour of deep soft tissues. Finally, the results from both methodologies are brought together to generate a biomechanical model of the leg under elastic compression to predict pressure distribution inside soft tissues for four healthy subjects
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Bhuddi, Ajit. "Approche ondulatoire pour la description numérique du comportement vibroacoustique large bande des conduites avec fluide interne." Thesis, Tours, 2015. http://www.theses.fr/2015TOUR4046/document.
Abstract:
Dans ce travail, une méthode basée sur les éléments finis ondulatoires - Wave Finite Elements (WFE) - est proposée en vue de prédire le rayonnement acoustique de conduites axisyrnétriques de longueur finie, comportant un fluide interne, et immergées dans un fluide acoustique de dimensions infinies. La condition de rayonnement de Sommerfeld est prise en compte en entourant le fluide extérieur d'un perfectly matched layer (PML), c'est-à-dire une couche d'éléments absorbants dans laquelle les ondes acoustiques incidentes sont progressivement amorties. Dans le cadre de l'approche WFE, la conduite, le fluide qu'elle contient, le fluide extérieur et le PML constituent un guide d'ondes multiphysique qui est discrétisé par un maillage éléments finis périodique, et peut être ainsi modélisé comme un assemblage de sous-systèmes identiques de faible longueur. Une base d'ondes se propageant le long de la conduite, calculée à partir du modèle éléments finis d'un sous-système, est utilisée afin de prédire le comportement vibroacoustique de guides d'ondes de longueur finie à moindre coût. Des simulations numériques sont réalisées pour des cas de conduites de structure homogène ou multi-couches. La précision et l'efficacité de la méthode WFE sont clairement établies en comparaison avec la méthode des éléments finis conventionnelleIn this work, a wave finite element (WFE) method is proposed to predict the sound radiation of finite axisymmetric fluid-filled pipes immersed in an external acoustic fluid of infinite extent, The Sommerfeld radiation condition is taken into account by means of a perfectly matched layer (PML) around the external fluid. Within the WFE framework, the fluid-filled pipe, the surrounding fluid and the PML constitute a multiphysics waveguide that is discretized by means of a periodic finite element mesh, and is treated as an assembly of identical subsystems of small length. Wave modes are computed from the FE model of a multi-physics subsystem and used as a representation basis to assess the vibroacoustic behavior of the finite waveguide at a low computational cost. Numerical experiments are carried out in the cases of axisymmetric pipes of either homogeneous or multi-layered crosssections, The accuracy and efficiency of the proposed approach are dearly highlighted in comparison with the conventional FE method
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Chronopoulos, Dimitrios. "Prediction of the vibroacoustic response of aerospace composite structures in a broadband frequency range." Phd thesis, Ecole Centrale de Lyon, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00787864.
Abstract:
During its mission, a launch vehicle is subject to broadband, severe, aeroacoustic and structure-borne excitations of various provenances, which can endanger the survivability of the payload and the vehicles electronic equipment, and consequently the success of the mission. Aerospace structures are generally characterized by the use of exotic composite materials of various configurations and thicknesses, as well as by their extensively complex geometries and connections between different subsystems. It is therefore of crucial importance for the modern aerospace industry, the development of analytical and numerical tools that can accurately predict the vibroacoustic response of large, composite structures of various geometries and subject to a combination of aeroacoustic excitations. Recently, a lot of research has been conducted on the modelling of wave propagation characteristics within composite structures. In this study, the Wave Finite Element Method (WFEM) is used in order to predict the wave dispersion characteristics within orthotropic composite structures of various geometries, namely flat panels, singly curved panels, doubly curved panels and cylindrical shells. These characteristics are initially used for predicting the modal density and the coupling loss factor of the structures connected to the acoustic medium. Subsequently the broad-band Transmission Loss (TL) of the modelled structures within a Statistical Energy Analysis (SEA) wave-context approach is calculated. Mainly due to the extensive geometric complexity of structures, the use of Finite Element(FE) modelling within the aerospace industry is frequently inevitable. The use of such models is limited mainly because of the large computation time demanded even for calculations in the low frequency range. During the last years, a lot of researchers focus on the model reduction of large FE models, in order to make their application feasible. In this study, the Second Order ARnoldi (SOAR) reduction approach is adopted, in order to minimize the computation time for a fully coupled composite structural-acoustic system, while at the same time retaining a satisfactory accuracy of the prediction in a broadband sense. The system is modelled under various aeroacoustic excitations, namely a diffused acoustic field and a Turbulent Boundary Layer (TBL) excitation. Experimental validation of the developed tools is conducted on a set of orthotropic sandwich composite structures. Initially, the wave propagation characteristics of a flat panel are measured and the experimental results are compared to the WFEM predictions. The later are used in order to formulate an Equivalent Single Layer (ESL) approach for the modelling of the spatial response of the panel within a dynamic stiffness matrix approach. The effect of the temperature of the structure as well as of the acoustic medium on the vibroacoustic response of the system is examined and analyzed. Subsequently, a model of the SYLDA structure, also made of an orthotropic sandwich material, is tested mainly in order to investigate the coupling nature between its various subsystems. The developed ESL modelling is used for an efficient calculation of the response of the structure in the lower frequency range, while for higher frequencies a hybrid WFEM/FEM formulation for modelling discontinuous structures is used.
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Qiu, Bo. "Numerical study on vibration isolation by wave barrier and protection of existing tunnel under explosions." Thesis, Lyon, INSA, 2014. http://www.theses.fr/2014ISAL0011/document.
Abstract:
Les vibrations du sol induites par les activités humaines telles que, les activités industrielles, la circulation des camions et voitures, les explosions dues aux constructions ou l’exploitation de la déconstruction, atteignent souvent la limite de gêne pour les usagers et parfois la limite de nocivité. Dans les régions urbaines à forte densité et pour les bâtiments abritant des équipements sensibles, les vibrations du sol doivent être strictement contrôlées. Jusqu'à présent, de nombreuses méthodes de réduction de vibration ont été proposées, dont l'une est l'installation d'une barrière d'ondes entre les sources et les structures à protéger. Au cours des dernières décennies, l'efficacité de l'isolation des vibrations à l’aide de barrière d'ondes a été étudiée. Toutefois, il y a peu de travaux consacrés à l’influence mutuelle des paramètres du système sol-barrière sur l'efficacité de l'isolation de la barrière d'ondes, et l'optimisation de la barrière d'onde est également rare. D'autre part, l'influence des vibrations du sol, générées par les explosions durant la construction d’un nouveau tunnel, sur un tunnel avoisinant, interpelle en raison des dommages qui peuvent être produits. Jusqu'à présent, il existe peu de mesures d'atténuation globale proposées par les chercheurs et les ingénieurs concernant la réduction de vibrations dans les tunnels lors des explosions. Pour répondre à ces insuffisances, cette thèse porte sur l'étude de l'influence des différents paramètres du système sol-barrière et qualifie l'efficacité de l'isolation de la barrière d'ondes. Les paramètres clés sont identifiés, leur rôle respectif quantifié. Plus important encore, une méthode de conception d'optimisation est mise au point, dans le but de proposer la barrière qui est capable de réduire au minimum la vibration du sol en site protégé. Enfin, le comportement dynamique du tunnel existant sous les sollicitations des explosions proches est examiné. Les paramètres qui influent considérablement sur la réponse du tunnel sont mis en évidence. Deux mesures d'atténuation pratiques, concernant l'installation d'une couche de protection le long de la paroi du tunnel d’une part et des explosions à retardement (plutôt que des explosions instantanées) d’autre part, sont présentées en détails. Les recherches menées dans le cadre de cette thèse sont en mesure de fournir des éléments pour la conception optimisée de la barrière d'ondes afin de réduire les vibrations du sol en site protégé et pour la conception de mesures d'atténuation concrètes afin de protéger un tunnel existant par des explosions à proximitéGround vibration induced by human activity such as industrial activities, car or truck traffic, or pilling and blasting in construction or deconstruction operation, generally reaches the troublesome limit for men and occasionally attains the harmful limit. In the densely populated urban regions and buildings housing sensitive equipments, ground vibration has to be strictly controlled. Up to now, many vibration reduction methods have been proposed, one of which is the installation of wave barrier between the dynamic sources and the protected structures. Over the past decades, the vibration isolation effectiveness of wave barrier has been extensively studied. However, to the best of the writer’s knowledge, there is little study about the mutual influence of the parameters of soil-barrier system on the barrier screening efficiency, and the optimization design for wave barrier is rare as well. On the other hand, the influence of ground vibration generated by explosions on the nearby existing tunnel has attracted more and more attention due to the recent damage or even failure of tunnels. Up to now, there are few mitigation measures comprehensively proposed by researchers and engineers for the tunnel vibration reduction during explosions. To overcome those drawbacks, this dissertation focuses on the investigation of the influence of various parameters of soil-barrier system on the barrier isolation efficiency. Key parameters are identified. More importantly, an optimization design method is developed, aiming to find out the desirable barrier that is able to minimize the ground vibration in protected site. Besides, the dynamic behavior of existing tunnel under nearby explosions is examined. Parameters that significantly affect the response of tunnel are pointed out. Furthermore, two practical mitigation measures: the installation of a protective layer along the tunnel lining and time-delayed explosions (rather than instantaneous explosions), are presented with details. The research in this dissertation is able to provide a good reference for the optimization design of wave barrier in reducing ground vibration in protected site and for the design of practical mitigation measures to protect existing tunnel from nearby explosions
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Bessard, Gilles. "Caractérisation de matériaux de découplage à l'aide d'un tube à ondes progressives." Valenciennes, 1995. https://ged.uphf.fr/nuxeo/site/esupversions/e4a4a16f-0fa8-410d-80df-f3a641cf6b61.
Abstract:
L'efficacité croissante dans le domaine des basses fréquences des moyens de détection des cibles sous-marines implique une amélioration des matériaux d'isolement ou de découplage. Cette amélioration passe par la connaissance précise des caractéristiques acoustiques des matériaux employés. Dans ce contexte, l'objet de ce mémoire est la mise au point d'une méthode de caractérisation de ces matériaux utilisable à la pression atmosphérique mais susceptible d'être transposée à quelques dizaines de bars. Pour cela, un tube d'acier rempli d'eau et fermé à chacune de ses extrémités par un transducteur est utilisé. Le transducteur dit récepteur est commandé en tension afin d'établir un système d'ondes progressives. Selon les caractéristiques recherchées, l'échantillon est soit placé au milieu du tube, soit collé sur le pavillon d'un des deux transducteurs. Les paramètres obtenus, dans une gamme de fréquence s'étendant de 500 hz a 3000 hz, sont respectivement les coefficients de réflexion et de transmission ou les coefficients de masquage et d'anechoicite. Le principal matériau étudié dans ce mémoire est le microvon. C'est un matériau viscoélastique utilisé principalement comme matériau de masquage ou comme réflecteur mou. Les mesures du coefficient de masquage de ce matériau sont tout d'abord présentées. Ces mesures sont comparées aux mesures réalisées à la dcn/toulon. Un bon accord est trouvé. Les mesures du coefficient d'anechoicite sont présentées à la suite. Puis l'échantillon est déplacé au milieu du tube pour les mesures des coefficients de réflexion et de transmission. Dans cette position, la mesure de la fonction de transfert de l'échantillon permet de calculer l'ensemble des coefficients décrits dans ce mémoire. En conclusion, plusieurs extensions de la méthode sont envisagées.
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Vautier, Isabelle. "Influence du contact unilatéral sur le comportement vibratoire de coques soudées par points." Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 1994. http://www.theses.fr/1994ECAP0363.
Abstract:
Nous présentons dans cette thèse une modélisation du contact unilatéral entre coques soudées en dynamique et donnons des informations qualitatives sur l'influence de ces phénomènes sur la réponse en fréquence des structures. Notre objectif est une meilleure compréhension des mécanismes de transmission des vibrations et des bruits dans les voitures. Le modèle de coques minces utilise est celui de Koiter, traité par une formulation mixte proposée par Ph. Destuynder et M. Salaun. Les soudures sont représentées comme des corps rigides. Le contact unilatéral, suppose sans frottement, est pris en compte par une méthode de dualité permettant d'éviter l'interpénétration des sous-structures nœud à nœud, le multiplicateur de Lagrange représentant l'effort de contact normal. Comme le phénomène est non linéaire, nous effectuons une résolution des équations dans le domaine temporel, suivie d'une analyse de Fourier. Les équations du contact sont résolues par un algorithme de points intérieurs très efficace du AJ. Herskovits, dans le cadre d'une intégration en temps par la méthode de Neuwmark. On présente également différentes formes d'excitations large bande permettant d'obtenir la réponse de la structure dans une gamme de fréquences donnée, et en particulier la technique du MLS. Divers outils de traitement du signal sont également adaptés ou construits en vue de l'interprétation quantitative des résultats ; un panorama rapide de quelques éléments de psycho-acoustique permet, quant à lui, d'obtenir des conclusions qualitatives en termes de gène auditive. L'implémentation des modèles est faite dans le code éléments finis Héraclès, qui est valide en statique et en dynamique sur des cas simples et sur des pièces industrielles. Nous observons alors que le contact unilatéral modifie de façon importante le spectre de réponse: renforcement de certaines composantes fréquentielles, création de nouvelles fréquences, apparition de bruit large bande, et modulations d'amplitudes de certaines fréquences, ce qui est gênant pour l'oreille
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Zhu, Boyao. "Identification and metamodeling characterization of singularities in composite, highly dispersive media." Electronic Thesis or Diss., Ecully, Ecole centrale de Lyon, 2024. http://www.theses.fr/2024ECDL0006.
Abstract:
La surveillance de l'état des structures (SHM) joue un rôle crucial dans de nombreux domaines industriels pour garantir la sécurité, la fiabilité et les performances des structures critiques. Le développement de divers types de capteurs, d'analyseurs de données et de systèmes de communication sans fil permettent de récolter in situ des données attestant de l'état de la structure en temps réel via des modules SHM. Cependant, ces derniers requièrent des bases de données propres à la structure en présence ou pas de défauts de différentes natures et de différents niveaux de gravité. La simulation à base de modèles numériques tels que les modèles éléments finis est souvent utilisée pour construire cette base de données et prédire ainsi les indicateurs de défauts dans les structures. Cette approche est très couteuse lorsque le modèle étudié est complexe, ce qui est souvent le cas comptes tenus de la complexité des structures actuelles.Cette thèse s'inscrit dans ce cadre général. Elle traite du problème de l'obtention efficace de caractéristiques sensibles aux défauts de structures composites complexes. Plus spécifiquement, elle vise à définir et à développer des outils numériques efficaces aidant à la surveillance de structures composites complexes. Dans ce cadre, des approches de réduction de modèle et de métamodélisation basées respectivement sur les méthodes d'éléments finis d'onde (WFE) et de krigeage sont proposées et étudiées. L'objectif principal du présent travail est donc d'évaluer le potentiel de l'utilisation conjointe de la WFE et du krigeage pour prédire efficacement les caractéristiques structurelles et dynamiques de structures composites complexes. Cette efficacité est quantifiée par la précision des prédictions et le coût impliqué. Sur la base des propriétés dynamiques prédites, certains indicateurs (tels que les amplitudes, les fréquences propres et les déphasages) sensibles aux défauts sont définis et exploités pour évaluer l'état de santé des structures considérées. Les études réalisées ont montré que la stratégie proposée, à savoir l'association (WFEM, Krigeage), peut assurer une efficacité intéressante se traduisant par une précision appropriée des prédictions des propriétés structurelles et dynamiques mais en impliquant un coût inférieur à celui des calculs basés sur la méthode WFEM. De plus, la stratégie proposée permet de conserver les mêmes niveaux de sensibilité des propriétés dynamiques aux défauts considérés (fissures et délaminage) avec les niveaux de sévérité associés. La stratégie s'est avérée, par ailleurs, plus efficace lors de l'utilisation du krigeage avec un schéma d'échantillonnage adaptatif et intelligentStructural health monitoring (SHM) plays a crucial role in many industrial fields to ensure the safety, reliability, and performance of critical structures. The development of various types of sensors, data analysis, and wireless communication systems, enables the collection in situ of data attesting to the real-time state of structures within the framework of SHM modules helping for more accurate and automated decision-making processes. However, the SHM modules require data basis characterizing safe and damaged structures. Simulations based on numerical modelling such as finite element methods, are often used to construct this data basis. However, this approach is very time-consuming especially when the finite element model is complex, which is often the case due to the increasing complexity of structures. This thesis is within this framework. Indeed, it deals with the problem of efficiently obtaining damage-sensitive features of complex composite structures. More specifically, it aims to define and develop efficient numerical tools helping for SHM of complex composite structures. Hence, model reduction and metamodeling approaches based on the Wave-finite element (WFE) and Kriging methods respectively are proposed and investigated. So, the main objective of the present work is to assess the potential of the combination of the WFE and kriging metamodeling to be useful and efficient in predicting the structural and dynamic characteristics of complex composite structures. This efficiency is quantified by the prediction accuracy and the involved cost. Based on the predicted dynamic properties, some damage-sensitive indicators (such as amplitudes, natural frequencies, phase shifts) are defined and exploited to evaluate the health status of the considered structures.Based on the accomplished studies, it is shown that the proposed strategy, namely the Kriging-based WFEM, can ensure an interesting efficiency resulting in a suitable accuracy of predictions of the structural and dynamical properties while involving a smaller cost than the WFEM-based calculations. Moreover, the proposed strategy has kept the same sensitivity levels of dynamic properties to the considered damages (cracks and delamination) with the associated indexes. The strategy proved to be more efficient when using the adaptive sampling scheme with kriging
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Ye, Wenfeng. "Numerical methods for the simulation of shear wave propagation in nearly incompressible medium - Application in elastography." Thesis, Lyon, 2017. http://www.theses.fr/2017LYSEI046.
Abstract:
L'élastographie transitoire est une technologie médicale de caractérisation qui permet d'estimer la rigidité des tissus mous biologiques. En visualisant la propagation de l'onde de cisaillement dans le tissu, on peut déduire le module de cisaillement µ. Au cours de la dernière décennie, cette technique a été utilisée avec succès pour étudier diverses pathologie, en particulier la fibrose, le cancer. Cependant, de nombreux facteurs, comme par exemple, la réflexion des ondes, les conditions aux limites et la précontrainte perturbent les mesures en élastographie, la qualité de la caractérisation mécanique du tissu peut alors être altérée. De plus, les tissus présentent des propriétés mécaniques plus complexes, dont la viscosité, la nonlinéarité et l'anisotropie, dont la caractérisation peut améliorer la valeur diagnostique de l'élastographie. Les simulations de propagation d'onde par Eléments Finis (EF) apparaissent alors prometteuses puisqu'elles permettent d'étudier l'influence des paramètres mécaniques intrinsèques et extrinsèques sur les vitesses de propagation et ainsi, de permettre l'identification de propriétés mécaniques complexes dans les cas de mesure réels. Dans ce travail, nous développons un modèle d'éléments finis pour la propagation d'ondes non-linéaires dans les tissus mous. Les modèles numériques ont été validés à partir d'expériences d'élastographie issues de la littérature et ensuite utilisés pour évaluer l'identifiabilité des paramètres d'un modèle de comportement non-linéaire dans l'élastographie: la loi de Landau. En mesurant les ondes d'amplitude finie et les ondes de faible amplitude autour d'un état pré-déformé, une méthode pratique et robuste est proposée pour identifier la nonlinéarité des tissus homogènes en utilisant l'expérience d'élastographie. La problématique du coût de calcul est également étudiée dans ce travail. En effet, la quasi-incompressibilité des tissus biologiques rend la vitesse de l'onde de pression extrêmement élevée, ce qui limite le pas de temps d'un calcul formulé en dynamique explicite. Pour faire face à cette difficulté, différentes méthodes numériques sont présentées, dans lesquelles l'incrément de temps est limité par la vitesse d'onde de cisaillement au lieu de la vitesse d'onde de compression. Divers exemples numériques sont testés dans le cadre de l'élastographie dynamique, il a été montré que les méthodes sont précises pour ces problèmes et une réduction significative du temps CPU est obtenueTransient elastography is a medical characterization technology that estimates the stiffness of biological soft tissues. By imaging the transient propagation of shear wave in tissues, one can deduce the shear modulus µ. In the last decade, this technique has been used successfully to study various pathologies, particularly fibrosis and cancers. However, numerous factors such as wave reflection, boundary conditions and pre-stress disturb elastography measurements, and the quality of the mechanical characterization of the tissue can be altered. Moreover, the tissues exhibit more complex mechanical properties, including viscosity, nonlinearity and anisotropy, the characterization of which can improve the diagnostic value of elastography. Simulations of wave propagation by finite element (FE) appear promising since they make it possible to study the influence of intrinsic and extrinsic mechanical parameters on the propagation speeds and thus to allow the identification of complex mechanical properties in the real measurement cases. In this work, we develop a FE model for the propagation of nonlinear waves in soft tissues. The numerical models are validated from elastographic experiments taken from the literature, and then used to evaluate the identifiability of the parameters of a nonlinear model in elastography, \emph{i.e.}, Landau's law. By measuring finite amplitude waves and low amplitude waves in pre-deformed states, a practical and robust method is proposed to identify the nonlinearity of homogeneous tissues using elastography experiment. The problem of the cost of computation is also studied in this work. In fact, the quasi-incompressibility of biological tissues makes the compressional wave speed extremely high, which limits the time step of a simulation formulated in explicit dynamics. To deal with this difficulty, different numerical methods are presented, in which the time step is controlled by the shear wave speed instead of the compressional wave speed. Various numerical examples are tested in the context of dynamic elastography, it has been shown that the methods are precise for these problems and a significant reduction of the CPU time is obtained
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Timorian, Safiullah. "Investigation for the analysis of the vibrations of quasi-periodic structures." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2020. http://www.theses.fr/2020UBFCD002.
Abstract:
Dans cette thèse, la définition et les effets de la quasi-périodicité dans la structure périodique sont étudiés. Plus important encore, l'analyse de la présence de faibles irrégularités dans les structures périodiques et de son impact significatif sur les réponses vibroacoustiques des systèmes élastiques est abordée. Dans la littérature, il a déjà été montré qu'un panneau sandwich optimisé par rapport aux performances vibroacoustiques et doté de propriétés aléatoires ajoutées du noyau pouvait présenter des caractéristiques de bande d'arrêt dans certaines gammes de fréquences. Par conséquent, une cible supplémentaire peut consister à encadrer la propriété susmentionnée sous la méthode des éléments finis vagues (WFEM) afin d’aboutir à certaines directives de conception. Dans ce travail, (1) sont présentées des études numériques de l'analyse vibrationnelle de faisceaux finis, périodiques et quasi-périodiques 1D. Le contenu traite des modèles d'éléments finis de faisceaux axés sur l'analyse spectrale et les réponses forcées amorties. La quasi-périodicité est définie en appelant la séquence de Fibonacci pour construire les variations affectées (géométrie et matériau) le long de la plage du modèle d'éléments finis dans une direction. De même, la même plage est utilisée comme une super unité cellulaire avec WFEM pour analyser les systèmes périodiques infinis. (2) La méthode de variation avec un algorithme développé est également considérée pour rechercher le déséquilibre géométrique d'impédance le plus efficace des cellules unitaires pour le contrôle des vibrations. (3) Des études numériques et des mesures expérimentales sur des réseaux bidimensionnels périodiques et quasi périodiques sont ainsi effectuées. Les validations expérimentales sont effectuées en comparant le réseau quasi-périodique simulé en utilisant la modélisation WFEM avec un prototype fabriqué par usinage laser. Les principaux résultats montrent que, en considérant à la fois les ondes élastiques longitudinales et de flexion dans les faisceaux 1D, les gammes de fréquences correspondant aux bandes interdites sont étudiées. Dans les structures 2D, les caractéristiques des ondes du réseau quasi-périodique introduisent la possibilité de concevoir des bandes d'arrêt de fréquence plus larges dans les gammes de basses fréquences. Elles présentent certains éléments novateurs et pourraient être prises en compte pour la conception de filtres structurels et le contrôle des propriétés des ondes élastiques. Les résultats obtenus dans cette thèse montrent que le faisceau avec les caractéristiques de Fibonacci et les panneaux avec les caractéristiques de Thue-Morse peuvent améliorer les performances en termes d’atténuation sans pénalité de poids, ce qui peut être un avantage pour les méta-matériauxIn this thesis, the definition and effects of quasi-periodicity in periodic structure are investigated. More importantly, the presence of irregularity in periodic structures and its significant impact in vibroacoustic responses of elastic systems are analyzed. In the extant literature, it has already shown that a sandwich panel, optimized for vibroacoustic performance with added random properties of the core, can exhibit stop band characteristics in some frequency ranges. Therefore, an additional target can exist in framing the abovementioned property under the Wave Finite Element Method (WFEM) for resulting in some design guideline. In this paper, (1) the numerical stud- ies of the vibrational analysis of 1D finite, periodic, and quasi-periodic beams are presented. The paper's content deals with the finite element models of beams focusing on spectral analysis and the damped forced responses. The quasi-periodicity is defined by invoking the Fibonacci sequence for building the assigned variations (geometry and material) along the span of the finite element model in one direction. Similarly, the same span is used as a super unit cell with WFEM for analyzing the infinite periodic systems. (2) The method of variation with a developed algorithm is also considered to find the most efficient geometrical impedance mismatch behavior of unit cells for vibration control. (3) Numerical studies and experimental measurements on 2D periodic and quasi-periodic lattices are thus performed. Experimental validations are performed by comparing the quasi-periodic lattice simulated by using WFEM modelling, with a prototype manufactured by laser machin- ing. Based on the major findings, and considering both longitudinal and flexural elastic waves in 1D beams, the frequency ranges corresponding to band gaps are investigated. In the 2D structures, the wave characteristics in the quasi-periodic lattice introduce the possibility of designing wider fre- quency stop bands in low frequency ranges, and presents some elements of novelty; moreover, they can be considered for designing structural filters and controlling the properties of elastic waves. The results obtained in this study show that the beam with Fibonacci characteristics and panels with Thue- Morse characteristics can improve performances in terms of attenuation level without weight penalty, which can be an asset for metamaterials
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Kharrat, Mohamed. "Design and development of a torsional guided-waves inspection system for the detection and sizing of defects in pipes." Thesis, Ecully, Ecole centrale de Lyon, 2012. http://www.theses.fr/2012ECDL0016/document.
Abstract:
Plusieurs industries manipulent des substances liquides et gazeuses qui circulent souvent dans de longues canalisations. La technique d'ondes guidées est couramment utilisée dans ce domaine. Cette technique est en progrès continu. Dans cette thèse, un système d'inspection a été conçu et développé. Il est basé sur des transducteurs piézoélectriques qui génèrent des ondes guidées de torsion pouvant se propager le long du tube testé. Les signaux réfléchis des défauts et singularités rencontrés sont détectés aussi par des capteurs piézoélectriques. Des simulations numériques utilisantpar la méthode d'éléments finis standard et la méthode Wave Finite Element(WFEM) ont été effectuées afin de vérifier et de visualiser le phénomène de propagation des ondes dans des tubes intacts et endommagés. Un ensemble de tests a été mis en place sur des tubes droits et courbés avec deux matériaux différents: PVC et acier. L'interaction entre les ondes générées et les défauts usinés a été prouvée.Les résultats numériques et expérimentaux confirment certaines caractéristiques spécifiques concernant le coefficient de réflexion de l'onde. Par la suite, un pipeline industriel d'environ soixante mètres de long et contenant plusieurs défauts et singularités a été testé par le système d'inspection. Les signaux enregistrés ont soumis certains traitements numériques afin de les rendre exploitables. Les signaux traités sont analysés afin d'identifier et de distinguer les réflexions des défauts de celles des singularités structurés. La méthode WFEM a été employée pour construire une base de données numérique des coefficients de réflexion en variant la profondeur et les extensions axiale et circonférentielle du défaut modélisé. Le calcul a été établi en fonction de la fréquence. La corrélation des tailles des défauts est effectuée en balayant la base de données numérique pour trouver la combinaison appropriée de dimensions pour un défaut donné. Les réflexions à partir des singularités structurées (coudes, blocs de béton, colliers, et les soudures) sont traitées ainsi en comparant des coefficients de réflexion obtenus par WFEM à ceux évalués expérimentalement. Enfin, on a étudié numériquement l'effet de la position angulaire d'un défaut sur les coefficients de réflexion et de transmission tout en excitant à différents types d'ondes. La méthode WFE est aussi utilisée pour effectuer le calcul. Cette étude donne un guide à la localisation circonférentielle des défauts dans les tubesLong pipelines are widely used in several industries transporting liquid or gas. The guided wave technique is commonly used in this field and it is under continuing progress. In this thesis, an inspection system has been designed and developed. Piezoelectric transducers are employed to generate torsional guided waves that could propagate along the tested pipe; and receive reflected signals from encountered features and damages. Numerical simulations using standard FE and Wave Finite Element methods have been carried out in order to verify and visualize the wave propagation phenomenon in both intact and damaged pipes. A set of tests has been performed on straight and curved pipes with two different materials: PVC and steel. The interaction between generated waves and machined defects has been proven. Numerical and experimental results confirm some specific features in the wave reflection coefficient. Thereafter, an industrial pipeline of about sixty meters long and containing several features has been tested by the inspection system.Recorded signals had submitted some numerical treatments in order to make them interpretable. Processed signals are analyzed to identify defects reflections from structured singularities echoes. The Wave Finite Element Method (WFEM) has been used to construct a numerical database of reflection coefficients from modelled defects by varying thickness, axial and circumferential extents. Calculation was made depending on frequency. The approximation of defect sizes is carried out by sweeping the numerical database to find the suitable combination of dimensions fora given defect. Reflections from structural singularities (elbows, concrete blocks,clamps, and welds) are treated as well by comparing reflection coefficients obtained by WFEM to those evaluated experimentally. Finally, a numerical investigation deals with the effect of defect angular-position on reflection and transmission coefficients while exciting by different types of waves. The spectral method Wave Finite Element has been used to carry out calculation. This study gives guidance to circumferential localization of defects in pipes
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Adam, Alexandros. "Finite element, adaptive spectral wave modelling." Thesis, Imperial College London, 2016. http://hdl.handle.net/10044/1/45307.
Abstract:
The ability to predict the wave climate has a great impact on a wide range of sectors, including coastal and offshore engineering, marine renewable energy and shipping. The state of the art in wave prediction is called spectral wave modelling and is based on a phase-averaged, spectral description of the sea-surface elevation. The governing equation, called the action balance equation, is five-dimensional and describes the generation, propagation and evolution of action density in geographic space, spectral space and time. Due to the multidimensional nature of the equation the feasible resolutions are restricted by the computational costs. The aim of this work is to propose schemes which can increase the range of possible resolutions in spectral wave modelling, with the use of adaptivity in space and angle. Thus, this work focuses on the development of an unstructured, adaptive finite element spectral wave model (Fluidity-SW). A sub-grid scale model for the spatial discretisation is used, which retains the stability of discontinuous systems, with continuous degrees of freedom. Then, a new framework for angular adaptivity is developed, with results in dynamic angular and spatial anisotropy of the angular mesh. Finally a spatially h−adaptive scheme is implemented, which can dynamically treat the spatial gradients of the solution fields. The resulting framework is thoroughly verified and validated in a wide range of test cases and realistic scenarios, against analytical solutions, wave measurements and the results obtained with the widely used SWAN model. Thus, the overall ability of the code to simulate surface gravity wind-waves in fixed and adaptive spatial and angular meshes is demonstrated.
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Fares, Reine. "Techniques de modélisation pour la conception des bâtiments parasismiques en tenant compte de l’interaction sol-structure." Thesis, Université Côte d'Azur (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018AZUR4103/document.
Abstract:
La conception des bâtiments selon le code sismique européen ne prend pas en compte les effets de l'interaction sol-structure (ISS). L'objectif de cette recherche est de proposer une technique de modélisation pour prendre en compte l’ISS et l'interaction structure-sol-structure (ISSS). L'approche de propagation unidirectionnelle d’une onde à trois composantes (1D-3C) est adoptée pour résoudre la réponse dynamique du sol. La technique de modélisation de propagation unidirectionnelle d'une onde à trois composantes est étendue pour des analyses d'ISS et ISSS. Un sol tridimensionnel (3D) est modélisé jusqu'à une profondeur fixée, où la réponse du sol est influencée par l’ISS et l’ISSS, et un modèle de sol 1-D est adopté pour les couches de sol plus profondes, jusqu'à l'interface sol-substrat. Le profil de sol en T est assemblé avec une ou plusieurs structures 3-D de type poteaux-poutres, à l’aide d’un modèle par éléments finis, pour prendre en compte, respectivement, l’ISS et l’ISSS dans la conception de bâtiments. La technique de modélisation 1DT-3C proposée est utilisée pour étudier les effets d’ISS et analyser l'influence d'un bâtiment proche (l'analyse d’ISSS), dans la réponse sismique des structures poteaux-poutres. Une analyse paramétrique de la réponse sismique des bâtiments en béton armé est développée et discutée pour identifier les paramètres clé du phénomène d’ISS, influençant la réponse structurelle, à introduire dans la conception de bâtiments résistants aux séismes. La variation de l'accélération maximale en haut du bâtiment avec le rapport de fréquence bâtiment / sol est tracée pour plusieurs bâtiments, chargés par un mouvement à bande étroite, excitant leur fréquence fondamentale. Dans le cas de sols et de structures à comportement linéaire, une tendance similaire est obtenue pour différents bâtiments. Cela suggère l'introduction d'un coefficient correcteur du spectre de réponse de dimensionnement pour prendre en compte l’ISS. L'analyse paramétrique est répétée en introduisant l'effet de la non-linéarité du sol et du béton armé. La réponse sismique d'un bâtiment en béton armé est estimée en tenant compte de l'effet d'un bâtiment voisin, pour un sol et des structures à comportement linéaire, dans les deux cas de charge sismique à bande étroite excitant la fréquence fondamentale du bâtiment cible et du bâtiment voisin. Cette approche permet une analyse efficace de l'interaction structure-sol-structure pour la pratique de l'ingénierie afin d'inspirer la conception d'outils pour la réduction du risque sismique et l'organisation urbaineBuilding design according to European seismic code does not consider the effects of soil-structure interaction (SSI). The objective of this research is to propose a modeling technique for SSI and Structure-Soil-Structure Interaction (SSSI) analysis. The one-directional three-component (1D-3C) wave propagation approach is adopted to solve the dynamic soil response. The one-directional three-component wave propagation model is extended for SSI and SSSI analysis. A three-dimensional (3-D) soil is modeled until a fixed depth, where the soil response is influenced by SSI and SSSI, and a 1-D soil model is adopted for deeper soil layers until the soil-bedrock interface. The T-soil profile is assembled with one or more 3-D frame structures, in a finite element scheme, to consider, respectively, SSI and SSSI in building design. The proposed 1DT-3C modeling technique is used to investigate SSI effects and to analyze the influence of a nearby building (SSSI analysis), in the seismic response of frame structures. A parametric analysis of the seismic response of reinforced concrete (RC) buildings is developed and discussed to identify the key parameters of SSI phenomenon, influencing the structural response, to be introduced in earthquake resistant building design. The variation of peak acceleration at the building top with the building to soil frequency ratio is plotted for several buildings, loaded by a narrow-band motion exciting their fundamental frequency. In the case of linear behaving soil and structure, a similar trend is obtained for different buildings. This suggests the introduction of a corrective coefficient of the design response spectrum to take into account SSI. The parametric analysis is repeated introducing the effect of nonlinear behaving soil and RC. The seismic response of a RC building is estimated taking into account the effect of a nearby building, for linear behaving soil and structures, in both cases of narrow-band seismic loading exciting the fundamental frequency of the target and nearby building. This approach allows an easy analysis of structure-soil-structure interaction for engineering practice to inspire the design of seismic risk mitigation tools and urban organization
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Daadaa, Rihab. "Formulation mixte augmentée d’un modèle « Full-wave » tridimensionnel dans un plasma froid : analyse numérique d’une approximation ℙ₂-ℙ₁." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2021. http://www.theses.fr/2021LORR0307.
Abstract:
L'objet de ce mémoire de thèse est d’étudier une méthode de simulation numérique d'un modèle dit “Full wave” de la propagation dans un tokamak d'une onde électromagnétique injectée par un ensemble d'antennes installées sur le bord de l'enceinte de confinement. Une méthode de simulation par éléments finis de Lagrange est déployée. Dans le premier chapitre est introduit le modèle physique considéré pour décrire la propagation d'une onde électrostatique d'une fréquence proche de la résonance hybride dans un plasma dit froid et confine par un champ magnétique à l'intérieur d'un tokamak. La propagation des ondes électromagnétiques est modélisée par les équations de Maxwell. Une approximation de la solution harmonique en temps est considérée. Dans le chapitre deux sont rappelées les formulations varationnelles mixtes et mixtes augmentées déjà étudiées précédemment. Ces formulations nous permettent de chercher des solutions dans (H¹(Ω))³ et donc une approximation en éléments finis conformes dans cet espace. Le chapitre trois est dédié à la présentation de la discrétisation des équations du modèle en trois dimensions d’espace. Dans le chapitre quatre il est démontré le caractère bien posé du système d'équations discret lorsqu'on considère une approximation de type Taylor-Hood ℙ₂-ℙ₁. Un résultat d’existence et unicité de la solution dans le cas d'un "tore" polyédrique est présenté. Le chapitre 5 est dédié aux simulations numériques. En premier on explicite les termes du tenseur diélectrique K ainsi que ses dérivées, qui sont nécessaires au montage de la matrice de raideur du système. Les premières simulations concernent le cas où la densité des électrons et des ions est constante. On présente ensuite des résultats dans le cas où les densités ont un profil parabolique. Le cas où le vecteur d'onde est une fonction de la distance au centre du tokamak est également considéréThe object of this thesis is to study a numerical simulation method of a so-called “Full-wave” model of the propagation in a tokamak of an electromagnetic wave injected by a set of antennas installed in the boundary of the containment chamber. A Lagrange finite element approximation method is deployed. In the first chapter, we introduced the physical model considered to describe the propagation of an electrostatic wave of a frequency close to hybrid resonance in a so-called cold plasma, plasma confined by a magnetic field inside a tokamak. The propagation of electromagnetic waves is modeled by Maxwell's equations. This work contemplates an approximation of the time-harmonic solution. In the second chapter, we recall the mixed and mixed variational formulations already studied in the past. These formulations allow us to find solutions in (H¹(Ω))³ and therefore a conformal finite element approximation in this space. Chapter three is dedicated to the presentation of the discretization of the model's equations in three dimensions of space. In chapter four it is demonstrated the well-posed character of the discrete system of equations when one considers a Taylor-Hood type approximation ℙ₂-ℙ₁. In this section, we proved a result about the existence and the uniqueness of the solution in the case of a polyhedral “torus”. Chapter 5 is dedicated to numerical simulations. First are introduced the terms of the dielectric tensor K and its derivatives, needed to mount the stiffness matrix of the system. The first simulations concern the case where the density of electrons and ions is constant. Then results are presented in the case where densities have a parabolic profile. It is also considered the case where the wave vector is a function of the distance at the center of the tokamak
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Grialou, Matthieu. "Vibro-acoustics substructuring : Combining simulations and experimental identification of subdomains for low frequency vehicle acoustics." Thesis, Lyon, 2018. http://www.theses.fr/2018LYSEI109/document.
Abstract:
La sonorité de l’échappement joue un rôle significatif sur le confort acoustique des occupants, ainsi que sur le caractère du véhicule. L’étude proposée porte sur la problématique industrielle suivante : « Description et quantification de la transmission du son entre la bouche d’échappement et l’intérieur du véhicule ». Physiquement la transmission sonore entre l’échappement et l’intérieur du véhicule s’effectue en trois étapes : Propagation des ondes sonores de la canule à la surface extérieure du véhicule et conversion en énergie vibratoire (1) ; Le bruit structurel se propage de la peau extérieure du véhicule à l’habillage intérieur (2) ; La surface intérieure du véhicule rayonne de l’énergie dans l’air à l’intérieur (3). Dans l’état de l’art proposé, la méthode de sous-structuration vibro-acoustique Patch Transfer Functions (PTF) est considérée comme une alternative viable à la problématique proposée. Cependant, avant d’appliquer la méthode sur un véhicule complet, la problématique suivante devait être résolue : « Caractérisation expérimentale d’un sous-système par des mesures sur un système couplé ». Ce manuscrit propose une méthode originale pour mesurer des fonctions de transfert d’un système découplé, sur la base de la réponse d’un système couplé. En raison de la nature mal posée du problème inverse, une méthode originale de régularisation a été proposée. La méthode a été validée pas des essais numériques, puis par un test physiqueExhaust noise has a significant impact on acoustic comfort and the sound identity of a vehicle brand. The present study focuses on the: “Description and quantification of the sound transmission from the exhaust outlet into the interior of a vehicle”. Physically the noise propagation from the exhaust pipe to the cabin consists of three steps: The sound waves propagate through the air from the exhaust outlet to the external skin of the vehicle (1); the external skin vibrates and transmits its vibration to the internal skin (2); the internal skin radiates sound in the passengers’ cabin (3). The Patch Transfer Functions method, which is based on the framework of dynamic substructuring, allows for the consideration of this complex problem as simpler subproblems that consist of subsystem interactions. Yet the application of the method to a full vehicle requires addressing the problem: “Characterization of Patch Transfer Functions of a subsystem by means of measurement on a coupled system”. This dissertation presents an original inverse method for the measurement of Patch Transfer Functions. In industrial structures, this in-situ characterization is generally the only possible measurement method. Yet, due to the ill posed nature of the problem, the inversion process is difficult. An original regularization method is proposed. The method is tested through numerical simulations, and is validated with an experimental setup
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Choi, Charles Tak Ming. "Adaptive finite element analysis of unbounded electromagnetic wave problems." Thesis, National Library of Canada = Bibliothèque nationale du Canada, 1997. http://www.collectionscanada.ca/obj/s4/f2/dsk2/ftp03/NQ29911.pdf.
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Choi, Charles Tak Ming. "Adaptive finite element analysis of unbounded electromagnetic wave problems." Thesis, McGill University, 1996. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=42004.
Abstract:
An adaptive finite element method is developed to solve two dimensional unbounded electromagnetic radiation and scattering problems.Though there has been considerable research in adaption in electromagnetics, to date there have been few attempts to deal with adaptively reducing the error introduced by the boundary that artificially truncates the unbounded domain in a finite element analysis. The technique proposed here adapts on this boundary error, as well as on the usual finite element discretization error. It combines three techniques: (i) p-adaptive hierarchial triangular finite elements, (ii) wave-envelope elements and (iii) absorbing boundary conditions.
Hierarchial finite elements allow the polynomial orders of the elements to be used to control the distribution of degrees of freedom, and therefore they make p-adaption possible, i.e. adaption by varying the element orders. This is more efficient than h-adaption which requires an actual re-meshing of the finite elements.
The wave-envelope method uses a change of dependent variable to remove the wave-like qualities of the solution and thereby permits the use of very large elements, i.e. elements much larger than a wavelength, in the external domain.
An absorbing boundary condition is a boundary operator which approximately absorbs all the radiation incident on the boundary from within.
In the new method, the scattering or radiating object itself, and its immediate surroundings, are meshed with hierarchial finite elements. Outside that, a thick layer of free space is meshed with hierarchial wave-envelope elements. The layer is thick enough that when an absorbing boundary condition is imposed on its outer surface, there is very small reflection from it. Such a thick layer can be meshed with relatively few wave-envelope elements. The boundary error seen by the finite element region is then a function of how well the wave-envelope region is discretized. During the p-adaption, increasing the order of the wave-envelope elements increases their ability to model the field accurately and therefore reduces the boundary error. Moreover, this reduction in boundary error is selective: in directions of strong radiation, the error reduction is greater.
The new method is validated by comparison with exact solutions for a number of radiation and scattering problems over a range of frequencies.
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Wilkins, Catherine. "Adaptive finite element methods for the damped wave equation." Thesis, University of Oxford, 1998. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.302398.
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Clark, Philip James. "The finite element method applied to Stokes wave diffraction." Thesis, University of Newcastle Upon Tyne, 1993. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.334677.
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Hamilton, James Anthony. "Transient finite/infinite element solutions for unbounded wave problems." Thesis, University of Southampton, 2003. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.273807.
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Arshad, Kamran. "Modelling of radio wave propagation using Finite Element Analysis." Thesis, Middlesex University, 2007. http://eprints.mdx.ac.uk/9768/.
Abstract:
Fourth generation (4G) wireless communication systems are intended to support high data rates which requires careful and accurate modelling of the radio environment. In this thesis, for the first time finite clement based accurate and computationally efficient models of wave propagation in different outdoor and indoor environments has been developed. Three different environments were considered: the troposphere, vegetation and tunnels and wave propagation in these environments were modelled using finite element analysis. Use of finite elements in wave propagation modelling is a novel idea although many propagation models and approaches were used in past. Coverage diagrams, path loss contours and power levels were calculated using developed models in the troposphere, vegetation and tunnels. Results obtained were compared with commercially available software Advanced Refractive Effects Prediction Software (AREPS) to validate the accuracy of the developed approach and it is shown that results were accurate with an accuracy of 3dB. The developed models were very flexible in handling complex geometries and similar analysis can be easily extended to other environments. A fully vectored finite element base propagation model was developed for straight and curved tunnels. An optimum range of values of different electrical parameters for tunnels of different shapes has been derived. The thesis delivered a novel approach to modelling radio channels that provided a fast and accurate solution of radio wave propagation in realistic environments. The results of this thesis will have a great impact in modelling and characterisation of future wireless communication systems.
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Duprat, Véronique. "Conditions aux limites absorbantes enrichies pour l'équation des ondes acoustiques et l'équation d'Helmholtz." Phd thesis, Université de Pau et des Pays de l'Adour, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00817506.
Abstract:
Mes travaux de thèse portent sur la construction de conditions aux limites absorbantes (CLAs) pour des problèmes de propagation d'ondes posés dans des milieux limités par des surfaces régulières. Ces conditions sont nouvelles car elles prennent en compte non seulement les ondes proagatives (comme la plupart des CLAs existantes) mais aussi les ondes évanescentes et rampantes. Elles sont donc plus performantes que les conditions existantes. De plus, elles sont facilement implémentables dans un schéma d'éléments finis de type Galerkine Discontinu (DG) et ne modifie pas la condition de stabilité de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL). Ces CLAs ont été implémentées dans un code simulant la propagation des ondes acoustiques ainsi que dans un code simulant la propagation des ondes en régime harmonique. Les comparaisons réalisées entre les nouvelles conditions et celles qui sont les plus utilisées dans la littérature montrent que prendre en compte les ondes évanescentes et les ondes rampantes permet de diminuer les réflexions issues de la frontière artificielle et donc de rapprocher la frontière artificielle du bord de l'obstacle. On limite ainsi les coûts de calcul, ce qui est un des avantages de mes travaux. De plus, compte tenu du fait que les nouvelles CLAs sont écrites pour des frontières quelconques, elles permettent de mieux adapter le domaine de calcul à la forme de l'obstacle et permettent ainsi de diminuer encore plus les coûts de calcul numérique.
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Abdoulatuf, Antoisse. "Modélisation et simulation de la propagation d'ondes guidées dans des milieux élastiques en présence d'incertitudes : Application à la caractérisation ultrasonore." Thesis, Paris Est, 2017. http://www.theses.fr/2017PESC1011/document.
Abstract:
Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la modélisation et la simulation de la propagation d'ondes ultrasonores dans l'os cortical. Plus précisément, nous avons étudié et analysé la technique dite des ultrasons quantitatifs (Quantitative Ultrasound, QUS) pour l'évaluation de la qualité du tissu osseux. Il s'agit d'une technique émergente dont l'application aux tissus osseux suscite un intérêt particulier dans la communauté scientifique. Le tissu osseux étant un tissu vivant, il est sujet au vieillissement et à divers pathologies parmi lesquelles on peut citer ostéoporose, ostéomalacie, ostéoporomalacie, ou encore, la maladie dite de Paget. Pour accompagner les soins à prodiguer au tissu osseux, une surveillance de sa qualité s'avère indispensable. Dans ce contexte, les méthodes ultrasonores sont réputées être intéressantes, de par leurs caractères non-invasif, peu coûteux, portable et non-ionisant. Cependant, utiliser des ultrasons dans le cadre de la caractérisation du tissu osseux, suppose une compréhension profonde des différents phénomènes physiques mis en jeu lors de leur propagation. Dans cette optique, notre travail est développé dans la thématique de la modélisation dédiée à la propagation des ondes ultrasonores dans des guides d'ondes multidimensionnels, hétérogènes, anisotropes, et composés de matériaux dont l'hétérogénéité peut être qualifiée d'aléatoire. Une des originalités de cette thèse concerne l'étude des coefficients de réflexion et de transmission et des courbes de dispersion en présence d'incertitudes dues aux propriétés matérielles. Dans une première partie, nous étudions les phénomènes de réflexion/transmission via un modèle tri-couches bidimensionnels prenant en compte les tissus mous et l'hétérogénéité aléatoire du tissu osseux. Nous avons pu analyser l'impact de ces caractéristiques sur les coefficients de réflexion et de transmission. Un gradient de propriétés matérielles de l'os est introduit, et son impact sur les coefficients d'intérêt est examiné. L'aspect modal des ondes est exploré, en étudiant la dispersion des ondes de Lamb. Les résultats obtenus dans une configuration géométrique bidimensionnelle ont permis de discuter l'influence des divers paramètres, en terme de propriétés mécaniques et/ou géométriques, sur la propagation des ondes ultrasonores dans le tissu cortical. Dans une deuxième partie, le modèle est étendu pour une configuration géométrique cylindrique. La discussion est menée afin d'analyser l'influence de la géométrie tridimensionnelle de l'os sur les phénomènes de propagationIn this thesis, we are interested in the modeling and simulation of the propagation of ultrasonic waves in the cortical bone. Precisely, we have studied and analyzed the Quantitative Ultrasound (QUS) technique for the evaluation of the quality of bone tissue. It is an emerging technique those the application to bone tissue arouses particular interest in the scientific community. Since bone tissue is a living tissue, it is subject to aging and various pathologies, such osteoporosis, osteomalacia, osteoporomalacia, or the so-called Paget disease. To assist in therapeutic follow-up of the bone, monitoring of quality of bone tissue is essential. In this context, methods based on QUS technique are deemed to be interesting, due of their non-invasive, inexpensive, portable and non-ionizing characteristics. However, use the ultrasound in the context of characterization of bone tissue, requires a deep understanding of the different physical phenomena involved in their propagation. In this perspective, our work is developed in the modeling theme dedicated to the propagation of ultrasonic waves in multidimensional, heterogeneous, anisotropic waveguides, constituted of materials whose heterogeneity can be qualified as random. One of the originalities of this thesis concerns the study of the reflection and transmission coefficients and the dispersion curves in the presence of uncertainties in the material properties. In a first part, we study the reflection/transmission phenomena via a two-dimensional tri-layer model taking into account the soft tissues and the random heterogeneity of the bone tissue. We analyzed the impact of these characteristics on the reflection and transmission coefficients. A gradient of material properties is introduced, and its effect on the coefficients of interest is examined. The modal aspect of the waves is explored, by studying the dispersion of Lamb waves. The results obtained in a two-dimensional geometrical configuration made it possible to discuss the influence of the various parameters, in terms of mechanical and/or geometric properties, on the propagation of the ultrasonic waves in the cortical tissue. In a second part, the proposed model is extended for a cylindrical geometric configuration. The discussion is carried out in order to analyze the influence of the three-dimensional geometry of the bone on the phenomena of propagation
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Fau, Amélie. "Finite Element Approach of Electronic Structures." Phd thesis, Ecole Centrale Paris, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00997398.
Abstract:
Since performances of experimental and numerical tools have been largely improved, mechanics of materials can explore smaller and smaller scales. Thus, a better comprehension, or even a prediction, of local phenomena associated with macroscopic deformations are hoped. This dissertation focuses on the smallest scale involved in mechanical behavior of materials, i.e. interactions between nuclei due to electrons behavior and especially to valence electrons. The originality of this work is setting up the finite element method as numerical tool to solve this problem. This approach largely used to solve structural mechanics problems provides powerful numerical tools to tackle electronic structures. The Hartree-Fock and post-Hartree-Fock models are employed, and mechanical properties of electronic structures are estimated. These estimates are based on a set of approximations of both model and numerical origins. Error estimates are proposed to analyze the accuracy of the results.
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Hariri, Hassan. "Conception et realisation d'un mobile piézoélectrique pour utilisation coopérative." Thesis, Paris 11, 2012. http://www.theses.fr/2012PA112321/document.
Abstract:
L’objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser un mobile piézoélectrique pour utilisation coopérative. Le terme mobile piézoélectrique est utilisé dans cette thèse pour décrire un robot piézoélectrique miniature. Ce robot miniature mobile est actionné par des matériaux piézoélectriques. L’objectif de la thèse est donc la conception et la réalisation d’un robot pouvant être miniaturisé et qui pourrait donc être utilisé dans le cadre du mimétisme des essaims biologiques (fourmis, abeilles…) pour un fonctionnement coopératif.Le robot réalisé est constitué d'un support mince et de patchs piézoélectriques. Les patchs piézoélectriques sont collés sur le support de façon intelligente afin de déplacer le support en milieu terrestre. Dans ce contexte, la thèse est divisée en trois parties.La première partie est consacrée à la modélisation d’un tel système (support mince avec des patches piézoélectriques sur une seule de ses faces). Une modélisation par la méthode des éléments finis est développée pour ce système en se basant sur le principe variationnel d’Hamilton et en considérant l'hypothèse de Love-Kirchhoff. L’originalité de cette modélisation réside dans l’utilisation de la notion du plan neutre pour modéliser ce système asymétrique. Cela permet de ne modéliser le système étudié que par un modèle éléments finis à deux dimensions (2D) tout en tenant compte de la troisième dimension dans le calcul. La deuxième partie présente le principe de fonctionnement du robot qui est inspiré des moteurs linéaire ultrasoniques à ondes progressive. Cette partie présente toutes les étapes de la conception optimale afin de créer les mouvements nécessaires. La conception optimale est étudiée en utilisant la modélisation par éléments finis obtenue dans la première partie. La troisième partie de cette thèse est dédiée à la réalisation d’un prototype expérimental. Le processus de fabrication ainsi que l’électronique associée au robot sont présentés dans cette partie. Le robot est caractérisé expérimentalement en mesurant la vitesse en fonction de la tension appliquée, la vitesse en fonction de masses embarquées par le robot et la vitesse en fonction de la force fournie par le robot. Ce robot est, par ailleurs, comparé avec d’autres systèmes de même natureThe objective of this thesis is to design and realize a piezoelectric mobile for cooperative use. The term piezoelectric mobile is used in this thesis to describe a piezoelectric miniature robot. This mobile miniature robot is actuated by piezoelectric materials. The aim of the thesis is the design and the realization of a robot that can be miniaturized and could therefore be used in the context of biological mimicry swarms (ants, bees ...) for a cooperative operation.The realized robot consists of a thin support and piezoelectric patches. Piezoelectric patches are bonded on the support on an intelligent manner in order to move the support on land. In this context, the thesis is divided into three parts.The first part is devoted to the modeling of such a system (thin support with piezoelectric patches on one of its faces). Modeling by the finite element method is developed for this system based on the variational principle of Hamilton and considering the Love-Kirchhoff hypothesis. The originality of this model lies in the use of the concept of the neutral plane to model this asymmetric system. This allows modeling the system studied by a finite element model in two dimensions (2D), taking into account the third dimension in the calculation.The second part presents the operating principle of the robot which is inspired by the linear traveling wave ultrasonic motors. This section presents all the stages of the optimal design to create the necessary movements. The optimal design is investigated using finite element modeling obtained in the first part.The third part of this thesis is devoted to the realization of an experimental prototype. The manufacturing process and the associated electronics for the robot are presented in this section. The robot is characterized experimentally by measuring the speed according to the applied voltage, the speed versus mass loaded by the robot and the speed according to the force provided by the robot. This robot is also compared with other similar systems
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Betts, Juan Fernando. "Finite Element Study of Plane Wave Acoustic Phenomena in Ducts." Thesis, Virginia Tech, 1998. http://hdl.handle.net/10919/9584.
Abstract:
This thesis studied the finite element modeling of plane wave acoustic phenomena in ducts. The study looked into finite element factors such as shape functions, mesh refinement, and element distortion.
The study concluded that the higher order shape function eight-node quadrilateral element gave considerably better results than lower order shape function four-node quadrilateral element. The eight-node element converged much faster to the analytical solution than the four-node element. The average error, taking all the cases in consideration, for the four-node element was around 30 % for a mesh refinement of about 14 elements per wavelength at 100 Hz frequency. The eight-node element in the other hand had average absolute errors of less than 1% under the same conditions.
This section also found that the eight-node element was substantially more resistant to solution deterioration due to element distortion than the four-node element. For example distorting the four-node element up to 60* degrees usually increased errors very rapidly to above 100 % errors. The eight-node element on the other hand usually produced errors of less than 5 % for the same level of distortion.
The study showed that the type of boundary condition used had a significant effect on the solution accuracy. The study demonstrated that the effect of the natural boundary conditions was more global. Meeting this kind of boundary condition through mesh convergence produced accurate results throughout the duct.Master of Science
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Koning, Joseph Matthew. "An object oriented, finite element framework for linear wave equations /." For electronic version search Digital dissertations database. Restricted to UC campuses. Access is free to UC campus dissertations, 2004. http://uclibs.org/PID/11984.
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Ma, Congcong. "The research of acoustic resonance in the waveguide associated with Galbrun equation." Electronic Thesis or Diss., Compiègne, 2020. http://www.theses.fr/2020COMP2560.
Abstract:
Dans un système ouvert bidimensionnel, lorsque l’onde acoustique se propage dans un conduit avec la présence d’un obstacle, il y aura amplification de la pression acoustique autour de l’obstacle. Les modes piégés existent autour de l’obstacle au-dessous et au-dessus de la fréquence de coupure, et ils causent des dommages considérables au système. Dans les recherches précédentes, ils se sont principalement concentrés sur la résolution de l’équation de Helmholtz, ce qui signifie que l’écoulement non-potentiel n’était pas prise en compte. L’objectif de la thèse portent sur le développement de méthodes numériques pour le calcul des modes piégés (Trapped modes en anglais) dans un guide d’onde associé à l’équation de Galbrun. Dans la plupart des études, des conditions aux limites avec des bords artificiels sont introduites pour d’une part rendre le problème borné en vue d’une discrétisation par éléments finis et d’autre part limiter l’apparition des réflexions non physiques en ces bords. Pour réduire ces réflexions, les couches parfaitement adaptés « Perfect Matched Layers » ou PML en anglais a été utilisé. L’efficacité de cette méthode pour calculer et visualiser les modes piégés dans un conduit rectangulaire avec et sans écoulement uniforme en présence d’obstacles de formes rectangulaires et elliptiques a été montré. Les résultats sont comparés avec ceux de la littérature et semblent en bon accord avec ces derniers. Différentes études ont été menées pour mesurer l’influence des positions, des dimensions et des orientations de l’obstacle sur les modes piégés. Enfin, un modèle simplifié excité par une source acoustique a été mise en œuvre pour confirmer que le mode piégé n’est pas affecté par le type de source d’excitation. Enfin, afin de considérer les effets des écoulements non-potentiels. Les modes piégés sont capturés en balayant la fréquence. Dans le même temps, les effets des paramètres d’obstacles sur le mode piégé sont également étudiésIn a two-dimensional open system, when the acoustic wave spreads in the tube with the presence of an obstacle, there will be the amplification of sound pressure around the obstacle. Trapped mode exists surrounding the obstacle below and above the cut-off frequency, and they bring considerable damage to the system in the form of such as noise, stability and security issues. In the previous research, they mainly concentrated on the solving of Helmholtz equation, which means that the variation of non-potential flow was not taken into consideration. The objective of this paper is to numerically compute the trapped mode with the presence of non-potential flow. Firstly, the theoretical framework of this thesis is stated. The mixed Galbrun equation, as well as boundary conditions and the associated energy properties, is represented. And then the perfectly matched layer associated with Galbrun equation is introduced. Secondly, for the analysis of trapped mode, there are already a lot of literature on numerical and physical aspects, but they have studied the trapped mode all associated with Helmholtz equation, which is primarily suitable for the case of without flow or uniform mean flow. Hence, a numerical calculation model involved with Galbrun equationwith the uniform mean flow is proposed and the obtained results are compared with those given in references. Finally, in order to consider the effects of non-potential flow. A coupling method of sound field and flow field associated with Galbrun equation is developed, and the trapped mode is captured through scanning the frequency. At the same time, the effects of various parameters of obstacles on the trapped mode are also studied
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Meyer, Valentin. "Development of a substructuring approach to model the vibroacoustic behavior of submerged stiffened cylindrical shells coupled to non-axisymmetric internal frames." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSEI111/document.
Abstract:
De nombreux travaux dans la littérature se sont concentrés sur la modélisation vibro-acoustique de coques cylindriques raidies immergées, du fait des nombreuses applications industrielles, en particulier dans le domaine aéronautique ou naval. Cependant, peu d'entre elles prennent en compte des structures internes non-axisymétriques telles que des supports moteurs, des planchers ou des carlingages, qui peuvent avoir une influence importante sur le comportement vibro-acoustique du système. C'est pourquoi une méthode de sous-structuration baptisée CTF est présentée dans cette thèse. Elle est développée dans le cas général de deux structures minces couplées le long d'une ligne. Un ensemble de fonctions orthonormées, baptisées fonctions de condensation, est défini afin d'approximer les forces et déplacements à la jonction entre les sous-systèmes. Des fonctions de transfert condensées sont définies pour chaque sous-système découplé. L'utilisation du principe de superposition, de l'équilibre des forces et de la continuité des déplacements permet de déduire le comportement des sous-systèmes couplés. La méthode est d'abord développée et validée dans le cas de plaques, puis ensuite appliquée au cas d'une coque cylindrique raidie immergée couplée à des structures internes non-axisymétriques. Le système est dans ce cas décomposé en 3 familles de sous-systèmes : la coque cylindrique immergée décrite par une méthode semi-analytique basée sur la résolution des équations de Flügge dans le domaine des nombres d’onde, les structures internes axisymétriques (raidisseurs, cloisons) décrites par éléments finis axisymétriques et les structures non-axisymétriques décrites pas des modèles éléments finis. La méthode CTF est appliquée à différents cas tests afin de montrer l'influence des structures internes non-axisymétriques sur le comportement vibro-acoustique d'une coque cylindrique pour différents types d'excitations pertinents dans le domaine naval : une force ponctuelle, une onde plane acoustique et un champ de pression aléatoire (tel qu'un champ acoustique diffus ou une couche limite turbulente)Many works can be found in the literature concerning the vibroacoustic modelling of submerged stiffened cylindrical shells, because of high interest in the industrial domain, in particular for aeronautical or naval applications. However, only a few of them take into account non-axisymmetric internal frames, as for instance engine foundations or floor partitions, that can play a role on the vibroacoustic behavior of the system. That is why a substructuring approach called the Condensed Transfer Function (CTF) approach is proposed in the first part of this thesis. The aim is to take advantage of both analytical models and element-based models, in order to be able to deal with the geometrical complexity, and to calculate at higher frequencies than with element-based methods only. The substructuring method is developed in the general case of thin mechanical structures coupled along curves. A set of orthonormal functions called condensation functions, which depend on the curvilinear abscissa along the coupling line, is considered. This set is then used as a basis for approximating and decomposing the displacements and the applied forces at the line junctions. Thanks to the definition and calculation of condensed transfer functions for each uncoupled subsystem and by using the superposition principle for passive linear systems, the behavior of the coupled subsystems can be obtained. The method is first developed and validated for plates and convergence criteria are defined in relation with the size of the basis of condensation functions. The CTF method is then applied to the case of a submerged stiffened cylindrical shell with non-axisymmetric internal frames. The system is partitioned in 3 types of subsystems: the submerged shell, the axisymmetric frames (stiffeners, bulkheads) and the non-axisymmetric frames. The submerged shell is described by a semi-analytical method based on the Flügge equations in the spectral domain. The axisymmetric frames are described by axisymmetric Finite Element models and the non-axisymmetric frames by Finite Element models. The CTF method is applied to different test cases in order to highlight the influence of non-axisymmetric internal frames on the vibroacoustic behavior of a submerged stiffened cylindrical shell, for different excitations particularly relevant in the naval domain: a point force, an acoustic plane wave, and a random pressure field (such as a diffuse sound field or a turbulent boundary layer for instance)
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Li, Boning. "Extending the scaled boundary finite-element method to wave diffraction problems." University of Western Australia. School of Civil and Resource Engineering, 2007. http://theses.library.uwa.edu.au/adt-WU2007.0173.
Abstract:
[Truncated abstract] The study reported in this thesis extends the scaled boundary finite-element method to firstorder and second-order wave diffraction problems. The scaled boundary finite-element method is a newly developed semi-analytical technique to solve systems of partial differential equations. It works by employing a special local coordinate system, called scaled boundary coordinate system, to define the computational field, and then weakening the partial differential equation in the circumferential direction with the standard finite elements whilst keeping the equation strong in the radial direction, finally analytically solving the resulting system of equations, termed the scaled boundary finite-element equation. This unique feature of the scaled boundary finite-element method enables it to combine many of advantages of the finite-element method and the boundaryelement method with the features of its own. ... In this thesis, both first-order and second-order solutions of wave diffraction problems are presented in the context of scaled boundary finite-element analysis. In the first-order wave diffraction analysis, the boundary-value problems governed by the Laplace equation or by the Helmholtz equation are considered. The solution methods for bounded domains and unbounded domains are described in detail. The solution process is implemented and validated by practical numerical examples. The numerical examples examined include well benchmarked problems such as wave reflection and transmission by a single horizontal structure and by two structures with a small gap, wave radiation induced by oscillating bodies in heave, sway and roll motions, wave diffraction by vertical structures with circular, elliptical, rectangular cross sections and harbour oscillation problems. The numerical results are compared with the available analytical solutions, numerical solutions with other conventional numerical methods and experimental results to demonstrate the accuracy and efficiency of the scaled boundary finite-element method. The computed results show that the scaled boundary finite-element method is able to accurately model the singularity of velocity field near sharp corners and to satisfy the radiation condition with ease. It is worth nothing that the scaled boundary finite-element method is completely free of irregular frequency problem that the Green's function methods often suffer from. For the second-order wave diffraction problem, this thesis develops solution schemes for both monochromatic wave and bichromatic wave cases, based on the analytical expression of first-order solution in the radial direction. It is found that the scaled boundary finiteelement method can produce accurate results of second-order wave loads, due to its high accuracy in calculating the first-order velocity field.