Cette thèse vise à étendre l’approche port-Hamiltonienne (pH) à la mécanique des milieuxcontinus dans des dimensions géométriques plus élevées (en particulier on se focalise sur ladimension 2). Le formalisme pH, avec son fort caractère multi-physique, représente un cadreunifié pour modéliser, analyser et contrôler les systèmes de dimension finie et infinie. Malgrél’abondante littérature sur ce sujet, les problèmes d’élasticité en deux ou trois dimensionsgéométriques n’ont presque jamais été considérés. Dans ce travail de thèse la connexion entreproblèmes d’élasticité et systèmes distribués port-Hamiltoniens est établie. L’originalitéapportée réside dans trois contributions majeures. Tout d’abord, une nouvelle formulationpH des modèles de plaques et des phénomènes thermoélastiques couplés est présentée.L’utilisation du calcul tensoriel est obligatoire pour modéliser les milieux continus etl’introduction de variables tensorielles est nécessaire pour obtenir une description pH équivalentequi soit intrinsèque, c’est-à-dire indépendante des coordonnées choisies. Deuxièmement,une technique de discrétisation basée sur les éléments finis et capable de préserver la structuredu problème de la dimension infinie au niveau discret est développée et validée. Cetteméthodologie repose sur une formule d’intégration par parties abstraite et peut être appliquéeaux systèmes hyperboliques et paraboliques linéaires et non linéaires. Plusieurs éléments finispour les structures minces (poutres et plaques) sont proposés et testés. La discrétisation desproblèmes d’élasticité écrits en forme port-Hamiltonienne nécessite l’utilisation d’élémentsfinis non standards. Néanmoins, l’implémentation numérique est réalisée grâce à des bibliothèquesopen source bien établies, fournissant aux utilisateurs externes un outil facile àutiliser pour simuler des systèmes flexibles sous forme pH. Troisièmement, une nouvelle formulationpH de la dynamique multicorps flexible est dérivée. Cette reformulation, valablesous de petites hypothèses de déformations, inclut toutes sortes de modèles élastiques linéaireset exploite la modularité intrinsèque des systèmes pH.

Bien que le PMMA possède des bonnes propriétés mécanique et optique, sa fragilité devient un des problèmes à prendre en compte quand on l’utilise. Une méthode consistant à mélanger des nanoparticules de caoutchouc au PMMA a été montrée comme améliorant la résistance àla rupture et aux impacts du matériau composite obtenu. Ce mélange est nommé RT-PPMA(pour rubber toughened PMMA). Lors de cette étude, une classe de RT-PMMA commercial,appelée PMMA Resist est considérée. De manière plus spécifique, la réponse de trois nuances de RT-PMMA différant par leur concentration en particules de caoutchouc est étudiée.La caractérisation thermomécanique consistant en des tests de traction, compression et du cisaillement -compression a été menée sur les trois nuances de RT-PMMA à différentes vitesses de déformation et températures. Les vitesses de déformation s’étalaient entre 10-5s-1et 1200s-1, et les températures étaient comprises entre -50°C et 70°C. Comme attendu,la réponse des nuances de RT-PMMA montre la forte dépendance à la vitesse de déformation,la température et la concentration en particule de caoutchouc. En outre, la sensibilité au blanchiment sous contrainte (stress-whitening) induit par micro-craquelure (crazing) vs.décohésion particule/matrice dépend également des trois paramètres cités précédemment. De plus, une structure complexe de bande de cisaillement est observée sur les nuances de RTPMMA lors de la compression dynamique et du chargement en cisaillement-compression.La capacité d’arrêt de fissures de la classe de RT-PMMA à l’étude a été menée en réalisant des essais d'impact de type Kalthoff and Winkler (KW)-. La vitesse de projectile est comprise entre 50 m/s et 100 m/s. Des plaques avec deux entailles qui servent comme pré-fissures ont été utilisés lors des essais de choc. L’interaction du projectile avec l’échantillon a été enregistré avec une caméra ultra rapide de 105 à 106 images par seconde. L'examen postmortem de la microstructure a été observé en utilisant la microscopie électronique à balayage(SEM). La résistance aux chocs de RT-PMMA dépend fortement de la concentration de particules de caoutchouc. En particulier, une concentration plus élevée de particules en caoutchouc aide à ralentir la fissure et ainsi augmenter la capacité d’arrêt de fissures du matériau structural. Les particules de caoutchouc gênent la propagation de fissures et le blanchiment sous contrainte apparaît le long du chemin de propagation de fissures.Une première tentative de modélisation constitutive pour les trois nuances de RT-PMMA a été réalisée en se basant sur le travail fait par Arruda et Boyce (1995). Les modèles dépendant de la vitesse et de la température ont été calibres en considérant les résultats expérimentaux et la dépendance de quelques paramètres a la concentration de particules en caoutchouc et au trajet de chargement est mise en évidence. Les modèles doivent encore être unifies.

L’utilisation des matériaux composites dans l’industrie aéronautique s’étant largement étendue, le dimensionnement de ces structures et de leur protection vis-à-vis de la foudre est devenu un enjeu majeur. Il est important de pouvoir développer des outils prédictifs permettant d’obtenir une conception de structure répondant aux critères de certification avec des temps et coûts de conception maitrisés. L’interaction de la foudre avec une structure composite est un phénomène multiphysique complexe, avec une difficulté ajoutée par la présence d’une protection métallique en surface et d’une couche de peinture. Dans ce contexte, cette étude a visé à développer la compréhension par rapport aux forces générées par la foudre et d’en évaluer ses conséquences quant à l’endommagement du composite. Dans cet objectif, le phénomène a d’abord été décomposé pour en étudier ses différentes parties et définir l’impact des interactions. Dans un premier temps,l’arc libre a été comparé au pied d’arc en interaction avec différents substrats permettant de définir un modèle de vaporisation de la protection foudre. Dans un second temps, la surpression générée par l’explosion de la protection en surface lors de la vaporisation a été évaluée pour définir des profils de pression spatio-temporels.Dans un troisième temps, une caractérisation mécanique de la peinture a été développée afin de quantifier son effet de confinement sur l’explosion de surface. A chaque étape, une théorie a été développée et analysée via des modèles numériques et des essais. Enfin, ces trois différentes briques ont été rassemblées dans un modèle mécanique simulant l’impact foudre sur une structure composite afin d’en prédire l’endommagement. De plus,une loi utilisateur a été développée pour appliquer ce chargement complexe ainsi qu’une loi d’endommagement. Ces modèles sont comparés aux résultats d’essai foudre en laboratoire afin d’en déterminer les limites de validité et leur capacité à prédire l'endommagement.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte des machines autonomes embarquant des concepts éthiques dans leur raisonnement. Ce travail consiste à proposer un raisonnement formel se basant sur des concepts de philosophie morale qui permet à un agent artificiel de juger des décisions et de justifier ce jugement. Partant d’un modèle de situation composé d’états du monde, de faits, de décisions et d’événements, nous avons modélisé les cadres éthiques de l’éthique normative par des règles à respecter dans le but de juger une décision comme « acceptable » ou « inacceptable » du point de vue de chacun de ces cadres. À partir de ce formalisme, nous avons pu élaborer une définition de dilemme moral qui se fonde sur les définitions en langage naturel disponibles dans la littérature, dans le but de permettre à un agent artificiel d’identifier une situation comme un dilemme. L’ensemble de ces travaux de formalisation ont permis de mettre en évidence et d’identifier précisément les sources de subjectivité ainsi que les facteurs de sensibilité du modèle. Enfin, un dernier chapitre est consacré à une expérimentation réalisée dans le but d’étudier l’influence qu’un agent artificiel embarquant un raisonnement éthique peut avoir sur un opérateur humain. Cette expérimentation a mis en évidence une tendance générale des participants à ne pas être influencé par les suggestions de l’agent artificiel s’opposant à leur avis initial. Néanmoins, on observe que les personnes dont le raisonnement est plutôt déontologique ont tendance à être plus influencées que les personnes dont le raisonnement est plutôt conséquentialiste

Le projet Deep Space Gateway (DSG) se présente comme l’une des plus prometteuses collaborations internationales de la prochaine décennie. Il inclut la mise en place d’un avant-poste spatial dans un environnement cislunaire, servant de relais pour des missions (habitées ou non) d’exploration. L’orbite cible pour la station sera une Near Rectilinear Halo Orbit (NRHO) située a proximité d’un point de Lagrange Terre-Lune (EML). Les activités opérationnelles de Rendez-vous et de Docking (RVD) sont de la plus haute importance afin de mener à bien l’assemblage de la station puis les diverses opérations de maintenance. Le module Orion sera en charge de ces opérations et devra également assurer les missions de ravitaillement et les vols habités au départ ou à destination de la DSG. La littérature au sujet des questions de RVD dans le problème à deux corps sur des Orbites terrestres ou lunaires basses quasi-circulaires (LEO et LLO respectivement) est très vaste et les cas d’application pratique ne manquent pas : citons par exemple les RVD manuels des missions Apollo. Cependant, la complexité dynamique des modèles a trois corps ou plus fait qu’à ce jour aucun RVD l n’a été réalisé dans des régions proches des points de Lagrange, où les modèles képlériens ne sont plus applicables. Malgré la présence de nombreuses publications sur les trajectoires et orbites a proximité des points de Lagrange et des transferts dans le domaine cislunaire, la communauté scientifique ne dispose à ce jour que de très peu de résultats sur les opérations de RVD dans les environnements non-képlériens. L’intérêt suscité par la mise en route du projet DSG et des premiers vols du module Orion a néanmoins vivement relancé l’intérêt de la communauté sur le sujet. L’ISAE-Supaéro a développé avec ses partenaires (parmi lesquels l’Agence Spatiale Européenne, et Airbus Defence and Space) des outils semi-analytiques de modélisation et de calcul d’orbites de type NRHO, DRO, Lyapunov, Halo et Lissajou à proximité des points de Lagrange dans le problème circulaire restreint a trois corps (CR3BP). Ceci constitue un solide point de départ pour étendre les stratégies de RVD aux environnements cislunaires avec prise en compte des contraintes matérielles et opérationnelles des missions à venir. Ce doctorat propose le développement d’outils théoriques et de méthodes numériques de mécanique orbitale permettant d’exploiter les spécificités de l’astrodynamique non-linéaire pour réaliser des opérations de RVD en milieu cislunaire. Il s’agira de définir les contraintes propres à ce nouveau cadre opérationnel et de proposer des modèles répondant aux attentes des agences spatiales internationales et de l’industrie pour préparer l’exploration spatiale de demain. Nous nous intéresserons à des opérations de RVD entre la DSG, cible du rendez-vous et placée sur une orbite NRHO autour de EML2, et des véhicules provenant d’orbites terrestres. Nous proposerons en particulier un design de système de Guidage, Navigation et Contrôle (GNC) qui s’appuiera sur les capacités technologiques actuelles et à venir des senseurs et actionneurs embarqués.

Dans l’industrie aéronautique, les problèmes d’optimisation de structure peuvent impliquer des changements de matériaux, de types de raidisseurs, et de tailles d’éléments. Dans ce travail, il est ainsi proposé de résoudre des problèmes de grande taille (minimisation de masse) par rapport à des variables catégorielles et continues,sujets à des contraintes de stress et de déplacements. Trois algorithmes sont présentés, discutés dans le manuscrit au regard de cas tests de plus en plus complexes.En tout premier lieu, un algorithme basé sur le "branch and bound" a été mis en place.Une formulation d’un problème dédié au calcul de minorants de la masse optimale est proposée. Bien que l’algorithme permette de trouver des solutions optimales, la tendance du coût de calcul en fonction de l’augmentation du nombre d’éléments est exponentielle.Le second algorithme s’appuie sur une formulation bi-niveau du problème d’origine, où le problème supérieur consiste à minimiser une approximation au premier ordre du résultat du niveau inférieur. L’évolution du coût de calcul par rapport à l’augmentation du nombre d’éléments et de valeurs catégorielles est quasiment linéaire. Enfin, un troisième algorithme tire partie d’une reformulation du problème mixte catégoriel continu en un problème bi-niveau mixte avec variables entières continûment relâchables. Les cas tests numériques montrent la résolution d’un problème avec plus d’une centaine d’éléments.Également, le coût de calcul est quasi-indépendant du nombre de valeurs de variables catégorielles disponibles par élément.

Le problème de l'exploitation commune de ressources limitées et coûteuses se pose très souvent dans le milieu industriel, et plus particulièrement dans le domaine spatial pour lequel les projets sont très souvent financés par plusieurs entités, pays ou organismes. L'exploitation de ces ressources doit bien entendu répondre à des critères d'efficacité, afin d'empêcher sa sous-exploitation, mais aussi à des critères d'équité, chaque agent espérant un retour sur investissement en rapport avec sa contribution financière. Nous nous sommes intéressés, au cours de ce travail de thèse, au problème de partage équitable de biens indivisibles (autrement dit d'objets) entre des agents, dont nous abordons trois aspects principaux : modélisation du problème, complexité et algorithmique. La modélisation du problème de partage que nous proposons s'inspire tout d'abord de la théorie du bien-être social et des nombreux travaux sur l'agrégation de préférences dans les problèmes de décision collective et de partage que l'on peut trouver dans le domaine du choix social et de la microéconomie. Elle s'appuie de plus sur un langage de représentation compacte inspiré des travaux sur l'expression logique de préférences. Nous nous intéressons dans un deuxième temps à la complexité du problème de partage tel qu'il a été défini, dont nous étudions deux aspects particuliers : complexité du problème de maximisation de l'utilité collective, et complexité du problème d'existence d'un partage efficace et sans envie. Enfin, dans la dernière partie du travail de thèse, nous nous penchons sur le problème de calcul d'un partage égalitariste au sens du leximin, problème pour lequel nous proposons et analysons plusieurs algorithmes fondés sur la programmation par contraintes. Ce travail de thèse s'appuie sur un problème réel d'allocation de prises de vue pour une constellation de satellites d'observation de la Terre.

Ces travaux de recherche ont pour but d’évaluer la méthode dite de la "Simulation aux Echelles Adaptées" (SAS pour Scale-Adaptive Simulation). Cette approche coïncide avec une approche RANS classique dans les zones pariétales attachées et adapte le niveau de viscosité turbulente dans les zones décollées pour y permettre une résolution partielle des structures turbulentes. Dans une première partie, une analyse théorique du modèle SAS original a été menée et a permis de développer une correction visant à favoriser l’adaptation du niveau de viscosité turbulente dans les zones sièges d’instabilités de type Kelvin-Helmholtz. Le modèle ainsi corrigé est nommé SAS-αL. Les modèles SAS et SAS-αL ont été implantés dans le code de calcul Navier-Stokes elsA de l’ONERA. À l’issue de cette étape, trois cas académiques d’écoulements turbulents instationnaires, cylindre à grand nombre de Reynolds, marche descendante et cavité transsonique, ont été simulés grâce aux trois modèles de turbulence SST, SAS et SAS-αL. Outre une comparaison aux bases de données expérimentales disponibles, une attention particulière a été portée à l’influence de paramètres numériques tels que des schémas numériques d’ordre élevé. Enfin, afin d’étudier la viabilité de l’approche SAS dans un contexte industriel, les trois modèles de turbulence ont été testés sur une configuration issue de l’industrie aéronautique et correspondant à la sortie d’air chaud d’un système de dégivrage des nacelles d’avion. La comparaison des prévisions obtenues avec les modèles SST, SAS et SAS-αL aux données expérimentales obtenues à l’ONERA a permis de montrer un gain de précision grâce à l’emploi de l’approche SAS et ce pour un coût de calcul compatible avec un cycle de conception industrielle.

La pulvérisation de liquide représente un processus utilisé dans de nombreuses applications industrielles et en particulier dans le domaine des moteurs aéronautiques. Les injecteurs aérodynamiques des turboréacteurs actuels utilisent le cisaillement d’air pour atomiser le carburant liquide. Cependant, dans certaines conditions telles que l'allumage en haute altitude, la vitesse de l’air, la pression et la température sont trop faibles pour permettre une bonne pulvérisation. L’objectif de cette recherche est de valider un nouveau concept d’injecteur couplant les effets de cisaillement aérodynamique avec l’atomisation ultrasonique. Des actionneurs piézoélectriques génèrent l’oscillation d’une paroi en contact avec le film liquide. Cette excitation perpendiculaire à l’interface liquide/air crée des instabilités de Faraday à la surface du film. Des amplitudes d’excitation supérieures à un seuil donné, provoquent la rupture de ligaments et la formation des gouttelettes. Ce second mode d’atomisation sera utilisé en complément pour les régimes de fonctionnement où l’atomisation par cisaillement ne parvient pas à assurer une formation d’un brouillard de qualité. Deux injecteurs aérodynamiques ultrasoniques (2D plan et axisymétrique) ont été mis en place pour étudier l’influence des différents paramètres (conditions d’excitation, propriétés physiques du liquide, épaisseur du film liquide et la vitesse débitante) sur les caractéristiques du brouillard formé par une excitation ultrasonique. Enfin, une étude de la combinaison des deux modes de pulvérisation du film liquide a été effectuée.

Ce travail s’intéresse à l’analyse expérimentale du développement de la zone de mélange turbulente (ZMT) produite par une instabilité de Richtmyer-Meshkov (IRM). Les expériences sont réalisées au sein d’un tube à chocs vertical, et l’analyse s’appuie sur des mesures simultanées mettant en oeuvre des techniques expérimentales de type capteurs de pression pariétaux, visualisations strioscopiques résolues en temps et mesures de vitesse par Vélocimétrie Laser Doppler (LDV). Une caractérisation de l’installation expérimentale est tout d’abord effectuée en situation homogène (air pur, sans mélange), afin de déterminer la qualité de l’écoulement de base et connaître le niveau de turbulence de fond du tube à chocs. Les configurations de mélange, principalement entre de l’air et de l’hexafluorure de soufre (SF6), sont ensuite abordées. On s’intéresse dans un premier temps aux caractéristiques globales de la zone de mélange : en particulier à l’évolution de son épaisseur et à son taux de croissance. Plusieurs configurations de mélange sont étudiées en faisant varier différents paramètres expérimentaux tels que la hauteur de la veine d’essais du tube à chocs, la forme de la perturbation initiale de l’interface entre les deux gaz et le nombre d’Atwood, dans le but de déterminer leur influence sur le développement de la ZMT. On montre ainsi une sensibilité du taux de croissance post-rechoc à plusieurs de ces paramètres. Des comparaisons avec des simulations numériques réalisées par nos partenaires du Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) montrent des tendances similaires entre expériences et simulations sur ce point. L’étude est ensuite complétée par une caractérisation plus locale de la ZMT, en mesurant les niveaux de turbulence en différents points de la veine d’essais à l’aide de la LDV. Après avoir quantifié les contraintes de convergence statistique imposées par l’expérience pour ce type de mesures, on donne une estimation des intensités turbulentes produites par l’écoulement de mélange à différents stades de son développement.