Letteratura scientifica selezionata sul tema "Interactions électromécaniques"

La thèse a pour objectif d’aborder de façon théorique et numérique l’homogénéisation de milieux architecturés et composites périodiques présentant un comportement multiphysique, dans le contexte des milieux continus généralisés. Le manuscrit est donc décomposé en deux parties qui couvrent explicitement ces questions. La première partie du manuscrit traite de l’homogénéisation des milieux périodiques et quasi-périodiques vers un continuum effectif à gradient de déformation. Une méthode d’homogénéisation discrète est appliquée pour les matériaux périodiques architecturés, conduisant à l’élaboration des propriétés effectives d’ordre supérieur sous forme d’expressions analytiques dépendant de la longueur du bord de la cellule unité. Le recours à une formulation à gradient de déformation permet de quantifier les effets de surface (les effets de bord en 2D) de matériaux architecturés. En outre, une homogénéisation quasi-périodique est développée à partir d’une expression volumétrique de l’énergie et en s’appuyant sur la notion de dérivée de forme pour déterminer les propriétés effectives quasi-périodiques basées sur le domaine périodique transformé. La deuxième partie du manuscrit intègre les des aspects multiphysiques dans les approches d’homogénéisation vers les continuums généralisés. La théorie de l’homogénéisation piézoélectrique et flexoélectrique est élaborée dans le contexte de l’homogénéisation périodique, en employant une formulation variationnelle en combinaison avec la condition de macro-homogénéité de Hill étendue. Ceci est suivie par des applications numériques pour l’homogénéisation des composites piézoélectriques et des matériaux architecturés ainsi que pour l’analyse de la propagation des ondes. En outre, l’homogénéisation vers le continuum effectif de Cosserat (micropolaire) est abordée pour les solides hétérogènes magnétoélastiques
The objective of the thesis is to address in a theoretical and numerical way the homogenization of periodic architected and composite media with multiphysical behavior, in the context of generalized continua. The manuscript is thus decomposed into two parts that explicitly cover these issues. The first part of the manuscript deals with the homogenization of periodic and quasi-periodic media towards a strain gradient effective continuum. A discrete homogenization method is applied for architected periodic materials, leading to the elaboration of higher order effective properties in the form of analytical expressions depending on the edge length of the unit cell. The use of a strain gradient formulation allows the quantification of the surface effects (edge effects in 2D) of architected materials. Moreover, a quasi-periodic homogenization is developed from a volumetric expression of the energy and relying on the notion of shape derivative to determine the quasi-periodic effective properties based on the periodic domain being transformed. The second part of the manuscript integrates multiphysical aspects in the homogenization approaches towards generalized continua. The theory of piezoelectric and flexoelectric homogenization is elaborated in the context of periodic homogenization, employing a variational formulation in combination with the extended Hill macro-homogeneity condition. This is followed by numerical applications for the homogenization of piezoelectric composites and architected materials as well as wave propagation analysis. Moreover, homogenization towards Cosserat (micropolar) effective continuum is addressed for the magnetoelastic heterogeneous solids

Le présent manuscrit propose une synthèse des travaux de recherche de l'auteur de ces dix dernières années. Il est divisé en deux grandes parties. La première partie regroupe les modèles et techniques de résolution développés par l'auteur pour résoudre des problèmes de dynamique non linéaire des structures élastiques et piézoélectriques. Le fil conducteur de cette partie est celui de la résolution d'un problème de mécanique. La première étape est le choix d'un modèle adapté. Ainsi, on propose une synthèse des modèles non linéaires géométriques de milieux minces, classés et comparés à la fois en terme de formulation et d'hypothèses. Des modèles analytiques et numériques sont mis en regard, depuis leur fondement dans la mécanique des milieux continus non linéaire, jusqu'à leur écriture opérationnelle. Ensuite, des méthodes de résolution adaptées sont décrites : discrétisation des modèles analytiques par projection modale, réduction de modèles éléments finis par la même technique, modes non linéaires, méthodes numériques de continuation. Des techniques expérimentales spécifiques aux vibrations non linéaires sont aussi décrites. La seconde partie donne une vue d'ensemble des principaux résultats associés aux trois thèmes d'application des recherches de l'auteur : la dynamique non linéaire des plaques et des coques, avec des applications aux instruments de musique à percussion, la réduction de vibration de structures par shunts piézoélectriques et enfin les vibrations non linéaires de micro/nano systèmes électromécaniques. Cette seconde partie fait largement référence aux résultats généraux de la première et en donne ainsi des illustrations et des applications.

Dans ce travail, nous nous intéressons à l’interaction champ électrique-particule diélectrique dans les phénomènes diélectrophorétiques, aussi bien d’un point de vue théorique que numérique. L’application à long terme concerne l’électro- manipulation des cellules biologiques. La compréhension de ces phénomènes nécessite une modélisation complète des mécanismes de polarisation qui régissent l’interaction champ-particule, et met en oeuvre des modèles électromécanique et électroci- nétique. Après avoir introduit les différents phénomènes et notions nécessaires, nous abordons la modélisation de la polarisation à l’aide de la théorie du potentiel et proposons une approche pour déterminer numériquement les coefficients de polarisation identifiés. Nous montrons que, si le développement multipolaire peut se réduire au premier ordre pour le cas d’une particule sphérique plongée dans un champ uniforme, les ordres supérieurs sont nécessaires pour les particules non sphériques. Nous montrons également comment un processus d’homogénéisation permet d’étudier les configurations de particules multicouches avec cette approche. Dans le cadre de l’étude électromécanique des phénomènes diélectrophorétiques, nous mettons ensuite en œuvre cette approche multipolaire. Deux applications traitées numériquement sont présentées. Nous y montrons la pertinence de cette approche pour calculer la force et le couple exercés sur une particule dans des situations où le champ appliqué présente de fortes non-uniformités, l’approche dipolaire classique se révélant beaucoup moins performante dans ce cas. La particule et son milieu de suspension étant en réalité deux milieux en contact mais non-indépendants, des phénomènes électrocinétiques se produisent à l’interface. Ces effets interfaciaux sont abordés en vue de les prendre en compte dans le phénomène d’électrorotation d’une cellule biologique. Nous modélisons le problème complet d’une particule sphérique chargée plongée dans un milieu de suspension et soumise à un champ tournant en prenant en compte les effets électroosmotiques. La résolution par éléments finis de ce problème couplé montre la pertinence de l’approche développée, notamment pour les basses fréquences
In this work, we investigate about the interaction between electrical fields and dielectric particles in the dielectrophoretic phenomena, in theorical and numerical ways. The long-term application are related to electromanipulation and caracterisation of biological cells. Understanding these phenomena requires a complete modeling of polarization mechanisms governing the field-particle interaction and implements electromechanical and electrokinetic models. After introducing the necessary concepts and phenomena, we address polarization modeling using potential theory and suggest an approach for a numerical determination of polarization coefficients. We show that if the multipolar expansion can be reduced to the first order for the case of a spherical particle immersed in a uniform field, the higher orders are needed for nonspherical particles. We show also how a homogenization process allows the study of multilayered particles configurations using this approach. As part of the electromechanical study of dielectrophoretic phenomena, we implement the multipolar approach for two applications numerically treated. We show the relevance of this approach to calculate the force and torque exerted on a particle in situations where the applied field has strong non-uniformities, where the classical dipole approach turn out to be much less efficient. The particle and the suspending medium are in reality two media in contact but not independent as some electrokinetic phenomena occur at the interface. These interfacial effects are addressed in order to be taken into account in the electrorotation phenomenon of a biological cell. The model dealing with the whole problem of a charged spherical particle immersed in a suspension medium and subjected to a rotating field and taking into account the electroosmotic effects is treated. The resolution of the corresponding coupled problem using the finite element method shows the relevance of this approach

Ce manuscrit présente un modèle dynamique de l'activité électromécanique du coeur pour l'analyse de séquences temporelles d'images et la simulation médicale. Tout d'abord, un processus de construction de modèles biomécaniques volumiques du myocarde à l'aide de maillages tétraédriques est mis en place. Puis la propagation du potentiel d'action dans le myocarde est simulée, en se fondant sur des équations aux dérivées partielles de réaction-diffusion de type FitzHugh-Nagumo, qui permettent l'inclusion de pathologies et la simulation d interventions. Ensuite, la contraction du myocarde est modélisée sur un cycle cardiaque grace à une loi de comportement incluant un couplage électromécanique et des conditions limites intégrant l'interaction avec le sang. Ce modéle est ainsi validé à travers certains paramètres globaux et locaux de la fonction ventriculaire cardiaque. Une fois ce modèle électromécanique mis en place, il est utilisé dans une méthode de segmentation par modèle déformable de séquences d'images médicales, afin d'en extraire des paramètres quantitatifs de la fonction cardiaque. Cette nouvelle génération de modéles déformables pro-actifs permet d'intègrer de l'information à priori non seulement sur l'anatomie et le comportement mécanique mais aussi sur l'activité électrique et le mouvement. Le couplage au sein d'un meme modéle d'informations anatomiques, biomécaniques et physiologiques contribué à ameliorer la robustesse et la précision face à des données bruitées et éparses comme les images médicales et ouvre des possibilités supplémentaires en simulation médicale.

Cette thèse de doctorat concerne l'analyse et la modélisation de structures minces en vibrations de grande amplitude avec transduction piézoélectrique. Ce type de système électromécanique est utilisé dans de nombreuses applications, telles que les microsystèmes électromécaniques (MEMS) ainsi que les systèmes de contrôle ou de récupération d’énergie. Dans ce travail, on propose une stratégie numérique pour calculer efficacement la dynamique non-linéaire de ce problème couplé électromécanique avec des non-linéarités géométriques. La méthodologie est fondée sur des modèles réduits modaux, obtenus & partir de modèles analytiques ou par des formulations numériques éléments-finis originales. Dans ce dernier cas, les modèles réduits sont obtenus de manière non intrusive en utilisant des codes de calculs existants. Ces modèles sont ensuite résolus par une procédure de continuation de solutions périodiques. Cette thèse présente des résultats originaux de validation des méthodes non-intrusives, d'une part, et de convergence des modèles réduits, d'autre part, pour des structures minces de référence. Une stratégie expérimentale est également proposée pour mettre en évidence des phénomènes non-linéaires sur une structure avec actionnement et détection piézoélectriques complétement intégrés. Une méthode de continuation expérimentale, fondée sur le contrôle de la phase, est utilisée pour mesurer la réponse du système en régime libre (les modes non linéaires) et en régime forcé périodique. Des réponses vibratoires complexes, liées à des résonances internes entre modes, sont mesurés et caractérisées précisément, dans le cadre de vibrations asymétriques de plaques circulaires élastique et piézoélectrique
This doctoral dissertation addresses the analysis and the modelling of the large amplitude nonlinear vibrations of thin structures with piezoelectric transduction. This type of system is used in numerous applications, such as Micro-Electromechanical Systems (MEMS), control-based systems or energy harvesting. This work proposes a numerical strategy to compute efficiently the nonlinear dynamics of electromechanical problems with geometric nonlinearities. The methodology is founded on the computation of modal reduced order models obtained from analytical and finite element approaches. In the latter case, the reduced order models are obtained by non-intrusive strategies using existing finite-element codes. Then, they are finally computed with a numerical method of continuation of periodic solutions. Original results are presented, about the validation of the non-intrusive methods and the convergence of the modal reduced order models, for reference thin structures. An experimental strategy is also proposed to highlight nonlinear phenomena on a structure with fully integrated piezoelectric actuation and detection. A phase locked-loop experimental continuation procedure is used to measure exchanges of energy due to internal resonances between asymmetric vibration modes in circular elastic and piezoelectric plates

Les travaux de cette thèse sont consacrés à la quantification de cardiopathies, la prédiction de leur évolution et la planification de thérapies, avec pour application principale la tétralogie de Fallot, une malformation congénitale grave du cœur. L'idée sous-jacente est d'utiliser des modèles informatiques sophistiqués combinant traitement d'images, statistique et physiologie, pour assister la gestion clinique de ces patients. Dans un premier temps, nous proposons une nouvelle méthode de recalage d'images plus précise pour estimer la déformation cardiaque à partir d'images médi- cales anatomiques, où seulement le mouvement apparent du cœur est visible. L'algorithme proposé s'appuie sur la méthode dite des démons, que l'on contraint de manière rigoureuse à être élastique et incompressible grâce à une nouvelle justification de l'étape de régularisation de l'algorithme. Les expériences réalisées sur des images synthétiques et réelles ont démontré que l'ajout de ces contraintes améliore de manière significative la précision des déformations estimées. Nous étudions ensuite la croissance du cœur par une approche statistique basée sur les "courants". Une analyse en composantes principales permet d'identifier des altérations morphologiques dues à la pathologie. L'utilisation conjointe de la méthode PLS (moindres carrés partiels) et de l'analyse des corrélations canoniques permet de créer un modèle statistique moyen de croissance du cœur. L'analyse du ventricule droit de 32 patients avec tétralogie de Fallot a révélé une dilatation du ventricule, une déformation de sa base et un élargissement de son apex, caractéristiques que l'on retrouve dans la littérature clinique. Le modèle de croissance montre qu'elles apparaissent progressivement au fil du temps. Enfin, nous adaptons un modèle électromécanique du cœur pour simuler la fonction cardiaque chez des patients et tester diverses stratégies de pose de valves pulmonaires. Le modèle électromécanique simule les caractéristiques principales de la fonction cardiaque. Une fois personnalisé, le modèle est utilisé pour prédire les effets postopératoires de la pose de valves chez le patient. Le modèle a été ainsi capable de reproduire, de manière qualitative, la fonction cardiaque de deux patients. Comme attendu, la fonction simulée du ventricule droit est améliorée après pose de valves, ainsi que celle du ventricule gauche, suggérant une relation étroite entre les deux ventricules du cœur. Les méthodes de traitement d'images médicales, d'analyses statistiques et de modèles de la physiologie du cœur forment un cadre puissant pour le développe- ment d'une médecine plus personnalisée et assistée par ordinateur.

Dans notre thèse nous nous sommes intéressés à l'étude des fluctuations de courant, de l'admittance quantique ainsi que la densité d'états pour un nano système en interaction. Notre travail se divise en deux parties. Dans la première partie, nous avons étudié les fluctuations de courant et l'admittance pour un conducteur unidimensionnel, en décrivant le système par un liquide de Tomonaga-Luttinger. Nous avons utilisé les techniques de bosonisation et de refermionisation afin d'aboutir à des résultats exacts pour tous les régimes de température, toutes les valeurs de la tension appliquée et toute la gamme des fréquences. Les résultats obtenus sont appliqués à un conducteur cohérent couplé à un quantum de résistance, et aux états de bord dans le régime de l'effet Hall quantique fractionnaire. Dans le cas d'un conducteur cohérent, le bruit non symétrisé à fréquence finie exhibe un profil différent de celui de la théorie de la diffusion, et la conductance à fréquence finie est directement liée au courant. Dans le cas du régime de l'effet Hall quantique fractionnaire, nous avons pu établir que dans certaines limites, il existe une relation entre les corrélations de courant à l'admittance quantique. En particulier, les singularités qui apparaissent dans les corrélations de courant sont celles de l'admittance. Dans la deuxième partie, nous avons étudié un fil quantique connecté à deux réservoirs qui sont représentés par deux impuretés. Le système est décrit par un liquide de Tomonaga-Luttinger. Nous avons établi et résolu l'équation de Dyson pour la fonction de Green retardée. Ce qui permet de calculer la densité d'états pour un fil quantique homogène puis inhomogène. Dans le cas d'un paramètre d'interaction homogène, l'effet des impuretés modifie le profil de la densité d'états. Dans le cas d'un paramètre d'interaction inhomogène, le calcul de la densité d'états est plus difficile et une approche numérique est indispensable.