Approches isogéométriques pour le couplage fluide-structure en vibro-acoustique

Isogeometric approaches for fluid–structure coupling in Vibro-Acoustics

• Auteur / Autrice : Tommaso Landi
• Direction : Jean-François Deü, Roberto Citarella
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 02/02/2026
• Etablissement(s) : Paris, CNAM en cotutelle avec Università degli studi (Salerne, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMSSC - Laboratoire de Mécanique des structures et des systèmes couplés - Laboratoire de Mécanique des Structures et des Systèmes Couplés
• Jury : Président / Présidente : Trond Kvamsdal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giovanni Belingardi, Christophe Hoareau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sergio De Rosa, Elisabetta Manconi
• DOI : 10.70675/20e07c24z79a1z4297z8e34za9abfe8424fe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction fluide-structure

Génie acoustique

Vibrations

Analyse numérique

Réduction de modèle

Analyse isogéométrique

Mots clés libres

Vibro-Acoustique

Interaction fluide-structure

Analyse isogéométrique

Méthodes numériques

Réduction de modèle

Vibroacoustic

Fluid-Structure interaction

Isogeometric analysis

Numerical methods

Model order reduction

Résumé

Cette thèse de doctorat propose une méthodologie numérique pour les problèmes vibroacoustiques basée sur l’Analyse Isogéométrique (IGA), dans l’objectif d’intégrer directement les phases de conception géométrique et de simulation numérique. L’intérêt scientifique et industriel de cette approche réside dans sa capacité à surmonter les limites intrinsèques des méthodes traditionnelles telles que la Méthode des Éléments Finis (FEM) et la Méthode des Éléments de Frontière (BEM), qui souffrent souvent de difficultés liées à la reconstruction géométrique et à des coûts de calcul élevés.Après avoir défini les équations locales qui gouvernent les phénomènes vibroacoustiques et les formulations variationnelles associées, le travail introduit une représentation isogéométrique rigoureuse des champs de déplacement côté structure et champs de pression côté fluide acoustique, mettant en évidence la manière dont la continuité des fonctions NURBS permet d’obtenir des solutions plus régulières et plus précises que celles fournies par des modèles FEM équivalents.L’une des principales contributions réside dans l’application d’approches de réduction sur bases modales, qui permettent de décrire le comportement vibroacoustique couplé à l’aide d’un nombre limité de modes. Cette technique garantit une réduction drastique du coût de calcul tout en conservant une grande fidélité par rapport à la solution d’ordre complet, comme le démontrent les comparaisons numériques systématiques menées en IGA et en FEM.Une deuxième contribution novatrice concerne l’intégration directe entre la CAO et l’IGA, réalisée au moyen d’une stratégie de raffinement adaptatif immergé basée sur les B-splines hiérarchiques (HB-splines). En particulier, une méthodologie est proposée pour la reconstruction volumique du domaine fluide à partir de représentations frontières CAO (B-Rep), permettant d’étendre une description géométrique bidimensionnelle en un modèle volumique compatible avec l’analyse isogéométrique. Le domaine reconstruit est ensuite couplé à un modèle structurel de coque de Kirchhoff–Love, aboutissant à une chaîne de traitement automatisée, de la CAO à l’IGA.La dernière partie de la thèse démontre la validité et la polyvalence de la méthode à travers des applications à des géométries complexes, dans lesquels l’IGA immergée est appliquée directement à des modèles CAO réels. Les résultats confirment une intégration efficace entre conception et analyse vibroacoustique, réduisant le temps de modélisation et renforçant la robustesse du processus de simulation.Dans l’ensemble, la thèse constitue une contribution méthodologique et applicative originale dans le domaine de la vibroacoustique numérique, montrant comment l’Analyse Isogéométrique peut servir de passerelle efficace entre la CAO et la simulation numérique. Ce travail ouvre la voie à une nouvelle génération d’outils d’ingénierie vibroacoustique capables de combiner précision géométrique, efficacité numérique et intégration directe dans l’environnement de conception industriel.

This PhD thesis proposes a numerical methodology for vibroacoustic problems based on Isogeometric Analysis (IGA), with the aim of directly integrating the geometric design and numerical simulation stages. The scientific and industrial relevance of this approach lies in its ability to overcome the intrinsic limitations of traditional methods such as the Finite Element Method (FEM) and the Boundary Element Method (BEM), which often suffer from geometric reconstruction and high computational costs.After defining the local governing equations of vibroacoustic phenomena and the associated variational formulation, the work introduces a rigorous isogeometric representation of structural and acoustic fields, highlighting how the high continuity of NURBS functions enables smoother and more accurate solutions compared to equivalent FEM models.One of the main contributions lies in the application of reduced-order modal approaches, allowing the coupled vibroacoustic behaviour to be described through a limited number of modes. This technique guarantees a drastic reduction in computational cost while maintaining high model fidelity with respect to the full-order solution, as demonstrated by systematic numerical comparisons with both IGA and FEM.A second innovative contribution concerns the direct integration between CAD and IGA, pursued through an immersed adaptive refinement approach based on hierarchical B-splines (HB-splines). In particular, a methodology is proposed for the volumetric reconstruction of the fluid domain starting from CAD boundary representations (B-Rep), enabling the extension of a two-dimensional geometric description into a volumetric model compatible with isogeometric analysis. The reconstructed domain is then coupled with a Kirchhoff–Love structural shell model, achieving an automated CAD-to-IGA workflow.The final part of the thesis demonstrates the validity and versatility of the method through applications to complex geometries, in which immersed IGA is directly applied to real CAD models. The results confirm an effective integration between design and vibro-acoustic analysis reducing modeling time and enhancing the robustness of the simulation process.Overall, the thesis represents an original methodological and applicative contribution to the field of computational vibroacoustics, showing how Isogeometric Analysis can serve as an effective bridge between CAD and numerical simulation. This research paves the way for a new generation of vibroacoustic engineering tools capable of combining geometric precision, numerical efficiency, and direct integration within the industrial design environment.