Some contributions to the analysis of the Half-Space Matching Method for scattering problems and extension to 3D elastic plates

par Yohanes Tjandrawidjaja

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Le président du jury était Didier Clouteau.

Le jury était composé de Hélène Barucq, Xavier Claeys.

Les rapporteurs étaient Lothar Nannen, Raphaël Assier.

  • Titre traduit

    Quelques contributions à l'analyse de la Half-Space Matching Method pour les problèmes de diffraction et son extension aux plaques 3D élastiques


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la Half-Space Matching Method qui a été développée pour traiter certains problèmes de diffraction dans des domaines complexes infinis pour lesquels les méthodes numériques existantes ne s'appliquent pas. En 2D, elle consiste à coupler plusieurs représentations en ondes planes dans des demi-espaces entourant les obstacles et une représentation éléments finis dans un domaine borné. Afin d'assurer la compatibilité entre les différentes représentations, les traces de la solution sont liées par des équations intégrales de Fourier posées sur les frontières infinies des demi-espaces. Dans le cas d'un milieu dissipatif, il a été montré que ce système d'équations intégrales est coercif plus compact dans un cadre $L^2$.Dans cette thèse, nous établissons des estimations d'erreur par rapport aux paramètres de discrétisation (à la fois pour les variables spatiales et les variables de Fourier). Pour traiter le cas non-dissipatif, nous proposons une version modifiée de la Half-Space Matching Method, obtenue en appliquant une dilatation complexe aux inconnues afin de retrouver le cadre $L^2$.Nous étendons ensuite la Half-Space Matching Method aux problèmes de diffraction dans une plaque élastique infinie 3D en vue d'applications au Contrôle Non Destructif. La difficulté par rapport au cas 2D vient de la décomposition sur les modes de Lamb utilisée dans les représentations de demi-plaque. La relation de bi-orthogonalité des modes des Lamb impose de considérer comme inconnues non seulement le champ de déplacement, mais aussi le champ de contrainte sur les bandes infinies au bord des demi-plaques. Certaines questions théoriques soulevées par cette formulation multi-inconnues sont étudiées dans le cas 2D scalaire. Des connexions avec les méthodes intégrales sont aussi abordées dans le cas où la fonction de Green est connue, au moins partiellement dans chaque sous-domaine.Les différentes versions de la méthode ont été mises en oeuvre dans la bibliothèque XLiFE++ et des résultats numériques sont présentés pour les cas 2D et 3D.


  • Résumé

    This thesis focuses on the Half-Space Matching Method which was developed to treat some scattering problems in complex infinite domains, when usual numerical methods are not applicable. In 2D, it consists in coupling several plane-wave representations in half-spaces surrounding the obstacle(s) with a Finite Element computation of the solution in a bounded domain. To ensure the matching of all these representations, the traces of the solution are linked by Fourier-integral equations set on the infinite boundaries of the half-spaces. In the case of a dissipative medium, this system of integral equations was proved to be coercive plus compact in an $L^2$ framework.In the present thesis, we derive error estimates with respect to the discretization parameters (both in space and Fourier variables). To handle the non-dissipative case, we propose a modified version of the Half-Space Matching Method, which is obtained by applying a complex-scaling to the unknowns, in order to recover the $L^2$ framework.We then extend the Half-Space Matching Method to scattering problems in infinite 3D elastic plates for applications to Non-Destructive Testing. The additional complexity compared to the 2D case comes from the decomposition on Lamb modes used in the half-plate representations. Due to the bi-orthogonality relation of Lamb modes, we have to consider as unknowns not only the displacement, but also the normal stress on the infinite bands limiting the half-plates. Some theoretical questions concerning this multi-unknown formulation involving the trace and the normal trace are studied in a 2D scalar case. Connections with integral methods are also addressed in the case where the Green's function is known, at least partially in each subdomain.The different versions of the method have been implemented in the library XLiFE++ and numerical results are presented for both 2D and 3D cases.


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