Publications

2022

• Model order reduction of nonlinear piezoelectric microstructures through direct parametrisation of invariant manifolds
  
  • Opreni Andrea
  • Vizzaccaro Alessandra
  • Touzé Cyril
  • Frangi Attilio Alberto
  , 2022. Piezoelectric actuation represents the most effective out-of-plane actuation mechanism for resonant microstructures as scanning micromirrors and piezoelectric ultrasonic transducers. Nevertheless, predicting the dynamic response of such devices at their design stage is often impractical since numerical computation of periodic orbits from finite element systems is computational demanding. In this work, we propose a model order reduction strategy based on the direct parametrisation for invariant manifolds tailored for nonlinear piezoelectric structures. The innovative aspect of the method is the introduction of nonlinear terms that arise due to piezoelectric coupling in the reduction procedure.
• 12th international conference on flow-induced vibration
  
  • Habchi Charbel
  • Moussou Pierre
  • Zimmer Laurent
  , 2022. Flow-Induced Vibration remains a challenge for design engineers and operators across multiple industries, including vehicle manufacturing and power production, among many others. Despite decades of research and development, there is still much to be learned in this domain. Specific areas warrant special attentions, such as fluid-elastic instability of tube bundles, multiphase flows and their effects on flexible structures, vortex shedding in their many manifestations, and the intricacies of axial flow instabilities. Even seemingly simple scenarios, like a single cylinder in crossflow, continue to intrigue researchers, leading to the publication of new scientific articles.
• Interaction inertielle sol-structure d'un massif renforcé par inclusions rigides
  
  • Shen Yuxiang
  • Pérez-Herreros Jesús
  • Cuira Fahd
  • Semblat Jean-François
  • Burlon Sébastien
  , 2022. Interaction inertielle sol-structure d'un massif renforcé par inclusions rigides
• Interaction cinématique sol-structure d'un massif renforcé par inclusions rigides sous séisme
  
  • Shen Yuxiang
  • Pérez-Herreros Jesús
  • Cuira Fahd
  • Semblat Jean-François
  • Burlon Sébastien
  , 2022. Interaction cinématique sol-structure d'un massif renforcé par inclusions rigides sous séisme
• Modélisation des effets de fluides externes et internes sur le comportement dynamique des dirigeables flexibles
  
  • Le Mestre Robin
  , 2022. Cette thèse de doctorat porte sur la modélisation et la simulation des interactions fluide-structure entre un dirigeable souple, un écoulement externe et un gaz porteur interne. On considère que le fluide est potentiel du fait de la grande taille des dirigeables. L’écoulement potentiel est résolu sur un maillage de l’interface fluide-structure grâce à la Méthode des Éléments de Frontière, et le travail des efforts associés est obtenu par la Méthode des Eléments Finis. Les équations du fluide sont exprimées dans un formalisme Arbitrairement Lagrangien-Eulérien. Afin de se ramener à des calculs sur un maillage de référence invariant, on considère de grands mouvements d'ensemble (rotations et translations) auxquels s’ajoutent de petits mouvements de corps rigides et de petites déformations par rapport auxquels le problème fluide est linéarisé. Cela conduit en pratique à différencier les opérateurs de la Méthode des Éléments de Frontière pour caractériser la cinématique du fluide ainsi que les opérateurs de la Méthode des Eléments Finis pour déterminer les efforts associés exercés sur l’interface fluide-structure, ceci afin de prendre en compte les perturbations dans le domaine fluide liées aux mouvements de l’interface. La linéarisation permet d'exprimer les efforts du fluide à l’aide d’opérateurs de masse, gyroscopique et de raideur ajoutés, proportionnels respectivement à l’accélération, la vitesse et les déplacements de l’interface. De plus, un modèle simplifié d’ailerons basé sur la théorie de Theodorsen est utilisé afin d'ajouter leur portance au modèle.La partie structure du problème est modélisée à partir de la Méthode des Eléments Finis appliquée à une membrane. Celle-ci est précontrainte par la pression statique du fluide interne et de l’écoulement externe. Le modèle fluide-structure ainsi obtenu est utilisé pour étudier la stabilité d'un tel système couplé fluide-structure sur un cas test de dirigeable. Les opérateurs fluide-structure permettent d’obtenir les valeurs propres du système pour diverses vitesses du dirigeable. Le problème fluide-structure est coûteux à résoudre car matrices de la Méthode des Éléments de Frontière sont pleines, et pour réduire la taille du problème, celui-ci est projeté sur une base réduite des modes de la structure dans le vide. Au-delà d’une vitesse critique, on constate qu’un risque de divergence par flottement apparaît.Enfin, la masse ajoutée obtenue par le modèle d’écoulement potentiel est comparée avec des résultats expérimentaux obtenus à partir d’une maquette rigide oscillant en rotation dans une cuve de fluide au repos. En faisant varier la fréquence d’oscillation de la maquette, la densité et la viscosité du fluide, on a pu caractériser, en fonction du nombre de Stokes, l’ordre de grandeur des efforts visqueux relativement aux efforts inertiels du fluide prédits pour un fluide potentiel. (10.70675/0edda29bz52eez4882z83d6zbc92b2d21277)
  DOI : 10.70675/0edda29bz52eez4882z83d6zbc92b2d21277
• Gamma-convergence results for nematic elastomer bilayers: relaxation and actuation
  
  • Cesana Pierluigi
  • Baldelli Andrés
  ESAIM: Control, Optimisation and Calculus of Variations, EDP Sciences, 2022, 28, pp.36. We compute effective energies of thin bilayer structures composed of soft nematic elastic liquid crystals in various geometrical regimes and functional configurations. Our focus is on elastic foundations composed of an isotropic layer attached to a nematic substrate where order-strain interaction results in complex opto-mechanical instabilities activated via coupling through the common interface. Allowing out-of-plane displacements, we compute Gamma-limits for vanishing thickness which exhibit spontaneous stress relaxation and shape-morphing behaviour. This extends the plane strain modelling of Cesana and Leon Baldelli [ Math. Models Methods Appl. Sci. (2018) 2863-2904], and shows the asymptotic emergence of fully coupled active macroscopic nematic foundations. Subsequently, we focus on actuation and compute asymptotic configurations of an active plate on nematic foundation interacting with an applied electric field. From the analytical standpoint, the presence of an electric field and its associated electrostatic work turns the total energy non-convex and non-coercive. We show that equilibrium solutions are min-max points of the system, that min-maximising sequences pass to the limit and, that the limit system can exert mechanical work under applied electric fields. (10.1051/cocv/2022029)
  DOI : 10.1051/cocv/2022029
• Experimental validation of the strut-and-tie design for reinforced concrete massive structures by deformation flow analysis
  
  • Razafimbelo Mihaja
  • Gatuingt Fabrice
  • Hervé-Secourgeon Guillaume
  • Bottoni Marina
  • Pinelli Xavier
  • Honório Túlio
  • Titirla Magdalini
  , 2022. The design of reinforced concrete structures follows prescriptions of codes and standards (e.g., ACI and Eurocode). The strut-and-tie method is the only approach detailed in standards for the design of reinforcement of massive structures. Stut-and-tie methods are currently showing a strong interest and several techniques are based on automatic strategies and topological optimization. However, this method is based on a strong hypothesis associated with linear elastic analyses. In particular, the occurrence of pre-existing cracks is not considered when drawing the strut-and-tie model. This work aims to understand the role of an initially cracked state and, thus, the loading history in the design and choice of strut and tie directions. An experimental test is analyzed for a real size corbel loaded in two different inplane directions with forces not applied simultaneously. Hence, the specimen was cracked when the second force was applied. The corbel has minimal reinforcement to avoid brittle failure but should not affect the crack directions. The instrumentation used, combining digital image correlation and optical fiber sensing, allows for monitoring during the test and provides insight into the cracking history and the deformations in visible surfaces and in the bulk. Digital image correlation was used over the entire top surface of the corbel to measure displacement fields and thus strain fields, as well as information on cracking during the test. Optical fibers were installed within the specimen to measure strains in bulk. This measurement allows for the detection of cracks in the sample volume and thus complements digital image correlation measurements for fibers close to the surface. The results provide key data on the flow history of mechanical fields within the structure under different loads. This information helped clarify the domain of validity of strut-and-tie fundamental assumptions and may improve this design approach.
• IDENTIFICATION AND VALIDATION OF A DISCRETE ELEMENT MODEL OF CONCRETE SUBMITTED TO IMPACTS
  
  • Daudeville L.
  • Antoniou Andria
  • Marin Philippe Maurice
  • Potapov Sergueï
  , 2022.
• Modélisation vibratoire de structures présentant des corps rigides
  
  • Serre Matthieu
  • Prabel Benoit
  • Maitournam Habibou
  , 2022.
• Effet de l'inertie sur le flambement d'une poutre sous un chargement axial dynamique
  
  • Alaoui-Tahiri Amine
  • Stolz Claude
  • Corus Mathieu
  • Badel Pierre
  , 2022.
• Une nouvelle implémentation de la méthode perturbative itérative pour la propagation de fissures en fatigue.
  
  • David Louis
  • Lazarus Veronique
  , 2022.
• Réduction de modèle en dynamique non linéaire par la méthode de paramétrisation des variétés invariantes. Application au cas des structures tournantes
  
  • Martin Adrien
  • Opreni Andrea
  • Lian Shuqing
  • Vizzaccaro Alessandra
  • Salles Loïc
  • Attilio Alberto Frangi
  • Touzé Cyril
  , 2022. La méthode de paramétrisation des variétés invariantes permet de proposer des modèles d’ordre réduit efficaces, avec en particulier un calcul direct permettant de passer sans pré-calcul de la discrétisation éléments finis à la dynamique réduite le long des sous-espaces invariants. La méthode générale, permettant le calcul à un ordre arbitraire, est ici appliquée au cas des structures en rotation, avec prise en compte de l’effort centrifuge uniquement. Des résultats sur une poutre encastrée-libre en rotation sont montrés et comparés à une solution complète.
• Méthode des éléments de frontière pour la mécanique des failles et le contrôle sismique
  
  • Bagur Laura
  • Chaillat Stéphanie
  • Semblat Jean-François
  • Stefanou Ioannis
  , 2022. Ce travail consiste à vérifier numériquement des stratégies de contrôle de séismes par injection de fluide dans le sol. Nous étudions les capacités des méthodes d’éléments de frontière (BEMs) à simuler des séquences de glissements sismiques et asismiques en géomécanique. Un algorithme basé sur les BEMs accélérées par FFT est considéré, validé, et des résultats sont présentés pour un problème simple de mécanique des failles. Les challenges en lien avec l’extension des BEMs accélérées pour incorporer les couplages multi-physiques en jeu sont discutés.
• Modélisation numérique de l'usure par fretting : utilisation d'une méthode de saut de cycle adaptative
  
  • Caradec Quentin
  • Breuze Matthieu
  • Maitournam Habibou
  • Prabel Benoit
  • Fayard Jean-Luc
  , 2022. Des simulations numériques par éléments finis sont effectuées pour quantifier l'usure générée par un grand nombre de cycles de fretting pour un contact cylindre/plan. Pour accélérer les calculs, on a recours à une méthode de saut de cycles. Dans un premier temps, le saut de cycles est choisi constant. Une procédure de saut de cycle adaptatif est ensuite proposée et testée, conduisant à des résultats cohérents avec les observations expérimentales mais produisant dans certains cas des oscillations indésirables des solutions numériques.
• Model order reduction of nonlinear MEMS structures: a high order invariant manifold approach
  
  • Opreni Andrea
  • Vizzaccaro Alessandra
  • Gobat Giorgio
  • Martin Adrien
  • Salles Loic
  • Frangi Attilio Alberto
  • Touzé Cyril
  , 2022. A high order direct parametrisation of invariant manifolds is exploited to operate dimensionality reduction for vibrating structures subjected to geometric nonlinearities. The method defines a nonlinear coordinate change between the nodal degrees-of-freedom and the normal coordinates, hence expressing the dynamics in an invariant-based span of the phase space. The method is applied to study micro-electro-mechanical systems (MEMS) subjected to geometric nonlinearities and internal resonance. Remarks on the computational performance are reported to highlight the efficiency of the technique.
• A robust 3D crack growth method based on the eXtended Finite Element Method and the Fast Marching Method
  
  • Le Cren Matthieu
  • Martin Alexandre
  • Massin Patrick
  • Moës Nicolas
  International Journal of Fracture, Springer Verlag, 2022, 235 (2), pp.243-265. In the context of the eXtended Finite Element Method (X-FEM), the use of two level set functions allows the representation of the crack to beachieved regardless of the mesh. The initial crack geometry is represented by two distinct level set functions, and the crack propagation is simulated by anupdate of these two level set functions. In this paper, we propose a new approach, based on the Fast Marching Method (FMM), to update the level set functions. We also propose a new implementation of the FMM, designed for tetrahedral volume meshes. We then extend this method to all types of volume elements (tetrahedra, hexahedra, pentahedra, pyramids) available in a standard finite element library. The proposed approach allows one to use the same mesh to solve the mechanical problem and to update the level set functions. Non-planar quasi-static crack growth simulations are presented to demonstrate the robustness of the approach, compared to existing methods based on the integration of Hamilton-Jacobi equations or geometric approaches. (10.1007/s10704-022-00632-4)
  DOI : 10.1007/s10704-022-00632-4
• Modélisation semi-analytique du bruit large bande produit par l’interaction entre un écoulement turbulent et un obstacle rigide de forme complexe
  
  • Trafny Nicolas
  • Serre Gilles
  • Cotté Benjamin
  • Mercier Jean-François
  , 2022. L’interaction entre un écoulement turbulent et un obstacle rigide produit un rayonnement acoustique large bande qui peut avoir un impact significatif dans de nombreuses problématiques industrielles. Les méthodes de prédiction existantes ne sont pour la plupart pas adaptées au contexte des applications navales qui impose trois contraintes : les systèmes considérés sont de formes complexes et les écoulements sont généralement à très bas nombre de Mach et à haut Reynolds. Dans ces conditions, les méthodes de calcul directs du bruit qui reposent sur l’utilisation d’une simulation compressible de l’écoulement sont trop coûteuses. D’autres approches doivent être utilisées. Basées sur les analogies acoustiques, elles reposent sur l’idée de séparer les mécanismes de production et les mécanismes de propagation du bruit. Dans cette étude, l’équation d’onde de Lighthill est résolue grâce à une fonction de Green adaptée qui peut être analytique, pour des géométries canoniques, ou déterminée numériquement grâce à la méthode des éléments de frontière. De plus, un modèle pour l’interspectre des fluctuations turbulentes de vitesse, exprimé en espace-fréquence est introduit. Il peut être construit soit à partir d’une estimation des paramètres de couche limite, soit à partir d’une simulation de l’écoulement moyen. Les prédictions obtenues pour le bruit de bord d’attaque et le bruit de bord de fuite sont validées grâce à des mesures effectuées sur un profil NACA 0012, en air.
• Interaction des résonances de Fano et Fabry-Pérot dans des métasurfaces à période double
  
  • Zhou Hagström Joar
  • Maurel Agnès
  • Pham Kim
  , 2022. L’étude porte sur la modélisation des résonances de modes quasi-piégés couplés avec une onde incidente dans un réseau de diffraction acoustique de périodicité double sub-longueur onde. On considère un réseau de plaque à paroi rigide. Pour une périodicité simple, le réseau exhibe des résonances de type Fabry-Pérot [1]. En considérant une périodicité double, des résonances de Fano, caractérisées par une transmission parfaite suivie d’une réflexion parfaite très proche, apparaissent en brisant la symétrie de la cellule élémentaire [2]. On présente un modèle effectif obtenue en combinant des techniques d'homogénéi- sation à deux échelles et des développements asymptotiques raccordés capables de reproduire les propriétés du problème de diffraction avec haute précision. Le modèle fournit des expressions explicites des coefficients de refléxion de transmission permettant de décrire le comportement des modes quasi-piégés qui donnent lieu aux résonances Fano. [1] Marigo JJ, Maurel A. Second order homogenization of subwavelength stratified media including finite size effect, SIAM Journal on Applied Mathematics(2017). [2] Zhou Hagström J, Maurel A, Pham K. The interplay between Fano and Fabry-Perot resonances in dual-period metagratings, Proc. R. Soc. A. (2021).
• Recherche sur les impacts du bruit des éoliennes sur l'Humain : son, perception, santé (RIBEolH)
  
  • Evrard Anne-Sophie
  • Avan Paul
  • Champelovier Patricia
  • Cotté Benjamin
  • Ecotière David
  • Gauvreau Benoit
  • Giorgis-Allemand Lise
  • Marquis-Favre Catherine
  • Meunier Sabine
  , 2022. L'énergie éolienne est en pleine expansion en France comme ailleurs dans le monde, mais la population s'inquiète des impacts sanitaires du bruit des éoliennes et certaines personnes expriment une gêne plus importante que ne le laissent supposer les mesures du champ acoustique. La gêne est souvent décrite comme résultant des infrasons (IF) alors que les pressions acoustiques des IF émis par les éoliennes sont inférieures aux seuils d’audition. Cependant, l'inaudibilité possible des IF n'exclut pas leur action sur l'oreille interne ou le système nerveux central. Dans ce contexte, nous construisons un protocole de recherche sur les impacts du bruit des éoliennes sur l'Humain, en termes de simulation/synthèse sonore, perception, et ses effets sur la santé humaine ("RIBEolH"). Les objectifs du projet RIBEolH sont : - D'évaluer les effets sur la santé du bruit audible, des sons de basse fréquence (SBF) en particulier, et des IF, émis par les éoliennes, et de mieux comprendre la gêne exprimée. - Mieux comprendre les mécanismes auditifs associés à la perception des IF et des SBF émis par les éoliennes. - Mieux comprendre les effets des IF sur l'oreille interne ou le système nerveux central. Pour répondre à ces objectifs, RIBEolH s'appuie sur deux volets complémentaires : une étude épidémiologique et une étude psychoacoustique et physiologique qui seront présentées.
• Modélisation des sources aéroacoustiques et de la propagation atmosphérique pour la synthèse sonore d’éoliennes
  
  • Cotté Benjamin
  • Mascarenhas David
  • Doaré Olivier
  , 2022. Le bruit des éoliennes est caractérisé par des fluctuations temporelles d'amplitude qui sont une source potentielle de gêne pour les riverains de parcs éoliens. L’objectif de cette étude est de développer un outil de synthèse sonore basé sur une modélisation des sources de bruit aérodynamique large bande de l’éolienne et de la propagation du son dans l’atmosphère. A l’aide de cet outil, des études psychoacoustiques pourront être menées ultérieurement en laboratoire sur les sensations auditives liées aux modulations d’amplitude. Comparé à une approche par échantillonnage, l’approche par modèle physique permet d’analyser la sensibilité des sons synthétisés aux paramètres physiques d’entrée (géométrie de la pale, profil de vent, taux de turbulence amont, …). Le modèle d’Amiet est utilisé afin de prédire les densités spectrales de puissance du bruit de bord de fuite et du bruit d’interaction de turbulence en champ libre pour chaque segment de pale d’éolienne à chaque pas angulaire. Les effets de sol et de réfraction atmosphérique sont pris en compte à l’aide d’un code d’équation parabolique dans le domaine fréquentiel. Les densités spectrales de puissance au niveau du récepteur sont ensuite converties dans le domaine temporel, et une technique de fondu enchaîné est implémentée afin d’assurer une transition douce entre les grains consécutifs tout en conservant l’énergie. Des synthèses sonores seront présentées pour différentes positions de récepteur et différentes conditions météorologiques.
• Finite element formulation of a homogenized beam for reticulated structure dynamics
  
  • Franco Ariza Graciela Carolina
  • Chesnais Céline
  • Semblat J-F.
  • Giry Cédric
  • Desprez C.
  Computers & Structures, Elsevier, 2022, 261-262, pp.106729. (10.1016/j.compstruc.2021.106729)
  DOI : 10.1016/j.compstruc.2021.106729
• Modeling Autler-Townes splitting and acoustically induced transparency in a waveguide loaded with resonant channels
  
  • Porter Richard
  • Pham Kim
  • Maurel Agnès
  Physical Review B, American Physical Society, 2022, 105 (13), pp.134301. (10.1103/PhysRevB.105.134301)
  DOI : 10.1103/PhysRevB.105.134301
• Caractérisation de l'interaction fluide-structure d'un assemblage de coeur de réacteur sous forçage sismique
  
  • Rolland Romain
  , 2022. Dans le cadre des études de sûreté, il est nécessaire de disposer de modèles validés des forces fluides s’exerçant sur des assemblages combustibles en cas de séisme. Dans la technologie REP (réacteur à eau pressurisée) utilisée en France, les assemblages sont constitués de faisceaux de crayons cylindriques disposés en réseau carré et soumis à un écoulement axial. En cas de séisme, ces assemblages sont soumis à des oscillations latérales. Ces vibrations peuvent mener à la déformation des assemblages. Des campagnes d’essais sur assemblage combustible réel ont été réalisées et ont mis en évidence l'existence de forces fluides dissipatives dont l'évolution et la répartition spatiale reste encore mal documentées. L'objectif des présents travaux est de contribuer à la description de ces forces en dynamique. Le modèle de référence pour la description de la dynamique des structures élancées sous écoulement axial est le modèle de TLP (Taylor-Lighthill-Païdoussis). Dans la littérature ce modèle a été validé pour une structure très proche du faisceau de cylindres. Des études statiques réalisées sur un cylindre dans un faisceau ont montré une influence non négligeable des extrémités sur les efforts exercés par le fluide sur la structure. La littérature propose peu de cas de validation du modèle TLP pour des structures plus complexes et proches d'un assemblage combustible. Afin d'évaluer la capacité du modèle à décrire les efforts fluides s'exerçant sur une structure plus proche d'un assemblage combustible, un nouveau banc d'essai a été conçu et mis en service. Ce banc d'essais permet de faire osciller latéralement un faisceau de cylindre 5 x 5 muni de grilles à chaque extrémité dans un écoulement axial. Des mesures de force au niveau de chaque grille donne accès à la résultante d'effort de la structure. Un modèle numérique complète cette approche expérimentale et donne accès à la répartition des efforts dans la structure. Les forces obtenues expérimentalement semble indiquer un effet important des grilles. Les forces issues des simulations confortent les observations faites sur un faisceau de cylindres et apportent de nouveaux éléments sur la répartition des efforts locaux ainsi que l'influence des extrémités. (10.70675/4586ffa5z4850z4183z9b2fz429cd04c4b8c)
  DOI : 10.70675/4586ffa5z4850z4183z9b2fz429cd04c4b8c
• Investigation of drying shrinkage of cement-based materials assisted by digital image correlation
  
  • Kinda Justin
  • Bourdot Alexandra
  • Charpin Laurent
  • Michel-Ponnelle Sylvie
  • Benboudjema Farid
  Journal of Materials in Civil Engineering, American Society of Civil Engineers, 2022, 34 (3), pp.04021477. This paper presents a validation of a new protocol for the characterization of drying shrinkage of cement paste. The method consists of using environmental scanning electronic microscope (ESEM) or climatic chamber (CC) assisted by digital image correlation (DIC) to study the drying shrinkage of cement-based materials. The final motivation is to study the influence of the drying rate on cement-based materials’ delayed strain at the microscopic scale. Hence, the impact of specimen shape, size, and the imposed relative humidity history on the drying shrinkage is studied. Results show that for a given material, the amplitude of drying shrinkage is independent of the rate of drying and the specimen shape. Advantage was taken of the two techniques proposed in this paper to perform drying length change measurement both in ESEM and CC. (10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0004065)
  DOI : 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0004065
• Synthesis of wind turbine trailing edge noise in free field
  
  • Mascarenhas David
  • Cotté Benjamin
  • Doaré Olivier
  JASA Express Letters, [Melville NY]: Acoustical Society of America, [2021]-, 2022, 2 (3), pp.033601. The proposed sound synthesis tool converts a physics-based frequency-domain model of wind turbine trailing edge noise to a time-domain signal while accounting for the appropriate time shift due to the propagation between the moving blades and the fixed observer. A window function that implements cross-fading between consecutive signal grains is proposed and a method to objectively estimate the influence of the synthesis parameters is described. As the synthesis tool is independent of the aerodynamic noise model, it can be readily adapted to auralize other noise sources such as turbulent inflow noise or stall noise. (10.1121/10.0009658)
  DOI : 10.1121/10.0009658