Géométrie des espaces de tenseurs : une approche effective appliquée à la mécanique des milieux continus

Geometry of tensor spaces : an effective approach applied to continuum mechanics

• Auteur / Autrice : Marc Olive
• Direction : Boris Kolev, Nicolas Auffray
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 19/11/2014
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mathématiques et Informatique de Marseille (Marseille ; 1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Seppecher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Erwan Rousseau, Samuel Forest
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aziz Hamdouni, Joël Merker

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géométrie algébrique

Élasticité

Calcul tensoriel

Milieux continus, Mécanique des

Mots clés libres

Théorie classique des invariants

Transvectants

Covariants de formes binaires

Elasticité linéaire

Classical invariant theory

Transvectants

Covariants of binary forms

Linear elasticity

Résumé

Plusieurs lois de comportement mécaniques possèdent une formulation tensorielle, comme c'est le cas pour l'élasticité où intervient un espace de tenseurs d'ordre 4, noté Ela. La classification des matériaux élastiques passent par la nécessité de décrire l'espace des orbites ELA/SO(3). Plus généralement, on étudie la géométrie d'un espace de tenseurs sur ℝ³, via l'action du groupe O(3). Cette géométrie est caractérisée par ses classes d'isotropies, ou encore classes de symétries. Tout espace de tenseurs possède en effet un nombre fini de classes d'isotropies. Nous proposons alors une méthode originale et générale pour obtenir ces classes d'istropie. Nous avons ainsi pu obtenir pour la première fois les classes d'isotropie d'un espace de tenseurs d'ordre 8 intervenant en théorie de l'élasticité linéaire du second-gradient de la déformation.Pour une représentation réelle d'un groupe compact, l'algèbre des polynômes invariants sépare les orbites, d'où la recherche d'une famille génératrice minimale de cette algèbre. Pour cela, on exploitant le lien entre les espaces de tenseurs et les espaces de formes binaires. Nous avons ainsi repris et ré-interprété les approches effectives de cette théorie, développées par Gordan au 19ième siècle. Cette ré-interprétation nous a permis d'obtenir de nombreux résultats, dont une famille génératrice minimale d'invariants pour l'élasticité mais aussi pour la piézoélectricté. Nous avons pu retrouver d'une façon simple les séries de Gordan, ainsi que des relations plus récentes d'Abdesselam--Chipalkatti sur les transvectants de formes binaires.

Tensorial formulation of mechanical constitutive equations is a very important matter in continuum mechanics. For instance, the space of elastic tensors is a subspace of 4th order tensors with a natural SO(3) group action. More generaly, we have to study the geometry of a tensor space defined on ℝ³, under O(3) group action.To describe such a geometry, we first have to exhibit its isotropy classes, also named symetry classes. Indeed, each tensor space possesses a finite number of isotropy classes. In this present work, we propose an original method to obtain isotropy classes of a given tensor space. As an illustration of this new method, we get for the first time the isotropy classes of a 8th order tensor space occuring in second strain-gradient elasticity theory. In the case of a real representation of a compact group, invariant algebra seperates the orbits. This observation motivates the purpose to find a finite generating set of polynomial invariants. For that purpose, we make use of the link between tensor spaces and spaces of binary forms, which belongs to the classical invariant theory. We thus have to deal with SL(2,ℂ) group action. To obtain new results, we have reformulated and reinterpreted effective approaches of Gordan's algorithm, developped during XIXth century. We then obtain for the first time a minimal generating family of elasticity tensor space, and a generating family of piezoelectricity tensor space. Using linear algebra arguments, we were also able to get important relations of classical invariant theory, such as the Gordan's series and the Abdesselam--Chipalkatti's quadratic relations on transvectants.