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Les matériaux composites à matrice organique sont de plus en plus utilisés par l'industrie des transports pour la réalisation d'éléments structuraux. Afin de permettre un dimensionnement optimal de ces structures, il est nécessaire d'améliorer la compréhension et la modélisation du comportement de ces matériaux sur une large gamme de vitesses de sollicitation et de températures d'environnement. Pour cela, plusieurs campagnes expérimentales ont été réalisées sur le T700GC/M21, un composite stratifié à matrice organique, dans le cadre de ces travaux. Tout d'abord, des essais dynamiques sur un vérin hydraulique, ainsi que des essais de fluage, ont été menés afin de caractériser la dépendance à la vitesse du comportement de ce matériau. Ensuite, la dépendance à la température a été mise en évidence à l'aide d'essais à basse température sur vérin hydraulique, complétés d'essais DMA.Les résultats de ces essais ont été utilisés afin de justifier physiquement le développement d'un modèle visco-élastique bi-spectral pour la description de la dépendance à la vitesse du T700GC/M21 sur une large gamme de vitesses de déformation. L'influence de la température d'environnement sur le comportement a quant à elle été introduite à l'aide d'une loi d'Arrhénius. Ce modèle thermo-visco-élastique permet finalement de rendre compte du comportement du stratifié T700GC/M21 sur une large gamme de vitesses et de températures

Il a été montré dans différentes études que l'application de vibrations ultrasonores durant le forgeage permettaient entre autre de réduire les efforts et d'améliorer la qualité du produit. Plus récemment, des effets similaires ont été obtenu à basse fréquence, pour des formes d'ondes plus complexes, mais nécessitant moins de puissance. En raison de leur rigidité, et compte tenu des amplitudes et des fréquences mises en jeu, les actionneurs piézoélectriques sont bien adaptés à la génération des vibrations nécessaires mais leurs efforts restent limités et l'effet de vibrations est bénéficié selon une seule direction verticale. L'objectif de cette étude est de proposer un système multi-actionneurs piézoélectriques afin d'obtenir une plus grande force totale et des vibrations complexes combinant des rotations autour des axes du plan de la matrice et des translation selon son axe vertical. Un système mécanique à trois degrés de liberté est conçu à cet effet en utilisant des guidages élastiques en raison des faibles déplacements des actionneurs qui excluent la présence de jeux. Pour uniformiser les étapes de conception, modélisation et commande du système, une approche systémique énergétique est abordée en utilisant l'outil de Représentation Énergétique Macroscopique (REM). A l'aide de règles d'inversion de la REM, une structure de commande et une stratégie de gestion d'énergie dans le système sont développées et validées expérimentalement.

Les explosifs sont des matériaux qui, bien que potentiellement sensibles, sont conçus pour être stables en conditions normales, ainsi que lors de sollicitations mécaniques, chimiques ou thermiques « faibles ». Pourtant, sous sollicitations mécaniques de faible intensité, comme les impacts basse vitesse, ils peuvent réagir de manière intempestive. Les propergols, et plus particulièrement la butalite, objet de notre étude, présentent ce caractère : on observe des « réactions » pour des vitesses d'impacts inférieurs à 100 m.s-1, dont l'origine est probablement liée à l'endommagement microstructural du matériau.Dans ce contexte, le but ultime du CEA2 Gramat est d'obtenir un outil de prédiction de la vulnérabilité des matériaux énergétiques pour les impacts à basse vitesse de type tour de chute. Pour ce faire, il est essentiel de disposer de données sur la morphologie et le comportement (thermo)mécanique macroscopique du matériau considéré, de ses phases constitutives à l'échelle mésoscopique et de ses interfaces.Ainsi l'objectif de la thèse est de déterminer le type et le niveau de(s) endommagement(s) apparaissant(s) dans une « butalite inerte » suite à un impact mécanique dit « à basse vitesse » (i.e., inférieure à 100 m.s-1) réalisé à l'aide d'un dispositif de type tour de chute modifié, associant un suivi par vidéo numérique rapide et une analyse microtomographique ante- et post-essai, en étudiant le ou les phénomènes physiques à l'origine des réactions sous « faibles » sollicitations, leur évolution et leur(s) origine(s) physique(s). Les grains sont modélisés par une loi de comportement purement élastique et la matrice en PBHT est décrite par une loi visco-hyper-élastique (couplage d'une série de Prony et du modèle de Mooney-Rivlin). / Although they are potentially sensitive, energetic materials are designed to be stable under normal conditions, as well as “weak” mechanical, chemical or thermal loadings. However, under low mechanical loadings, such as low velocity impacts, they may react untimely. Propellants and especially the butalite, object of our study, show "reactions" to impact velocities below 100 m.s-1, whose origin is probably related to the material microstructural damage.In this context, the ultimate goal of CEA2 Gramat is to obtain a predicting tool for the vulnerability of energetic materials for low velocity impacts as drop weight test. So it is essential to have data on the morphology and macroscopic (thermo)mechanical behavior, its component phases at the mesoscopic scale and its interfaces.Thus, the objective of the thesis is to determine the type and the damage(s) level(s) generating in an "inert butalite", during a low velocity mechanical impact (i.e., less than 100 m.s-1), using a fast camera recording and ante- and post-test microtomographic analysis, or by studying the physical phenomena which are at the origin of reactions, their evolution and physical origin(s). Grains are represented by a purely elastic model and HTPB matrix is described by a visco-hyper-elastic model (coupling a Prony serie and Mooney-Rivlin model).

Ce travail est une contribution à la caractérisation mécanique de l’os cortical. Dansce cadre, les méthodes ultrasonores sont des outils puissants pour aider à cette caractérisation.Ainsi, les phénomènes de propagation d’ondes mis en jeu lors des mesurespar les techniques ultrasonores de transmission axiale à la fréquence centrale de 1 MHzsont modélisés. Des méthodes numériques basées sur la méthode des éléments finis sontmises en oeuvre pour résoudre les systèmes d’équations aux dérivées partielles associéesaux conditions aux limites et initiales pour des tissus dont le comportement est supposé(visco-)élastique, anisotrope et/ou hétérogène. L’analyse des résultats de simulation permetde discuter l’influence des divers paramètres, non seulement en termes de propriétésmatérielles mais aussi géométriques, sur la nature des ondes qui se propagent dans lestissus. Nous avons ainsi pu analyse l’impact de ces paramètres sur la vitesse du premiersignal laquelle est considérée comme un indice pertinent pour mesurer la qualité du tissuosseux. Toujours dans le but de caractériser le tissu osseux, et en particulier pour obtenirdes valeurs de propriétés matérielles aussi proches que possible de la réalité, nous avonsdéveloppé une nouvelle méthode basée sur les développements asymptotiques, du typehomogénéisation périodique, pour prédire les modules d’élasticité effective de l’os corticaldu tissu hétérogène. / This work provides some contributions to the mechanical characterization of corticalbone by using ultrasound. Thus, the wave propagation phenomena involved during themeasurements by the ultrasound axial transmission techniques at the the central frequencyof 1 MHz are modeled. The finite element method was used to solve the equations ofwaves propagating in bone tissues whose the behavior is assumed to be (visco)elastic,anisotropic and/or heterogeneous. The analysis of simulation results allows us to discusson the influence of various parameters (not only in terms of material properties butalso geometric features), on the nature of waves that propagates through the tissue. Wewere able to analyze the impact of these parameters on the velocity of the first arrivingsignal which is known as an appropriate index to measure the quality of bone tissue.Another aspect in characterizing the bone tissue has also been considered in which wehave developed a new method based on asymptotic expansions, periodic homogenizationtype, for predicting effective properties of elasticity of heterogeneous cortical bone tissue.

L'estimation des forces musculaires nécessite le développement d'un modèle biomécanique. Une des étapes essentielle de ce type d'approche est la modélisation de l'interaction au sein du complexe muscle-tendon entre trois composants, les fibres musculaires, l'aponévrose et le tendon par un modèle de type Hill. L'objectif de ce travail doctoral était d'identifier les paramètres dans le modèle de type Hill qui jouent un rôle important dans l'estimation des forces musculaires et de proposer une méthode pour les définir. L’échographie a été utilisée pour estimer la relation force-déformation in vivo du tendon et de l'aponévrose, et le comportement in vivo des fibres musculaires au cours de la contraction pour chaque sujet et comme un moyen de quantifier la précision des modèles en mesurant le comportement in vivo des fibres musculaires et les comparer aux sorties du modèle. L'utilisation d'une définition de l'Élément Élastique en série spécifique au sujet dans les modèles biomécaniques joue un rôle important pour des activités où les forces musculaires sont importantes. Lors de tâches isométriques maximales, la relation force-déformation du tendon spécifique au sujet combiné à des contraintes sur la géométrie initiale conduit à des estimations de forces musculaires plus faibles et un comportement différent des fibres. En ce qui concerne des activités comme le hopping et la course, l’utilisation d’une relation force-déformation du complexe tendon-aponévrose spécifique au sujet permet d’estimer des forces musculaires plus grandes et entraîne un découplage du comportement des fibres musculaires plus important par rapport au complexe muscle-tendon. Pour des activités de marche, la définition de l’élément en série dans le modèle de type-Hill n'influence pas les forces musculaires. L'échographie apparaît comme un outil intéressant pour personnaliser les modèles et pourrait être appliqué sur des patients ayant un trouble neuromusculosquelettique. / The estimation of forces produced by the muscle-tendon complex around a joint needs the development of a neuromusculoskeletal model. One of essential step of this approach is the modeling by a Hill-type muscle model of the interaction within the muscle-tendon complex between three components: the muscle fiber, the aponeurosis, and the tendon. The objective of this work was to identify the parameters used as input into Hill-type muscle model that play an important role in muscle force estimation and to propose a method to define them. The ultrasonography has been used to estimate in vivo tendon and aponeurosis force-strain relationships, and the in vivo behavior of muscle fiber during the contraction for each subject. In addition, a method was proposed to quantify the model accuracy by estimating the in vivo behavior of muscle fiber and compare it with model outputs. The use of subject-specific definition of Series Elastic Element into the EMG-driven model plays an important role for activity at high level of muscle forces. During maximal isometric contraction, the subject-specific tendon force-strain relationship combined with constraint on initial muscle geometry (i.e., fiber length and muscle thickness) leads to lower estimated muscle forces and to a different behavior for the muscle fiber. Concerning highly dynamic tasks such as running and \textit{hopping}, the use of subject specific force-strain relationship for the tendon-aponeurosis complex allows to estimate higher muscle forces and leads to a heavier decoupling behavior between muscle fiber and muscle-tendon complex.The estimation of forces produced by the muscle-tendon complex needs the development of a neuromusculoskeletal model. One of essential step of this approach is the modeling by a Hill-type muscle model of the interaction within the muscle-tendon complex between three components: the muscle fiber, the aponeurosis, and the tendon. The objective of this work was to identify the parameters used as input into Hill-type muscle model that play an important role in muscle force estimation and to propose a method to define them. The ultrasonography has been used to estimate in vivo tendon and aponeurosis force-strain relationships, and the in vivo behavior of muscle fiber during the contraction for each subject. In addition, a method was proposed to quantify the model accuracy by estimating the in vivo behavior of muscle fiber and compare it with model outputs. The use of subject-specific definition of Series Elastic Element into the EMG-driven model plays an important role for activity at high level of muscle forces. During maximal isometric contraction, the subject-specific tendon force-strain relationship combined with constraint on initial muscle geometry (fiber length and muscle thickness) leads to lower estimated muscle forces and to a different behavior for the muscle fiber. Concerning highly dynamic tasks such as running and hopping, the use of subject specific force-strain relationship for the tendon-aponeurosis complex allows to estimate higher muscle forces and leads to a heavier decoupling behavior between muscle fiber and muscle-tendon complex. Concerning dynamic tasks with low force level such as walking, the estimation of muscle force was not influenced by the Series Elastic Element definition. The ultrasonography appears as a useful tool to personalize neuromusculoskeletal models and could be used for patient with neuromusculoskeletal disorders showing an alteration of tendon mechanical properties allowing to quantify the effect of rehabilitation program.

La CSI (Coherence Scanning Interferometry) ou la WLSI (White Light Scanning Interferometry) est une technique d'imagerie optique bien établie pour mesurer la rugosité de surface et la forme des surfaces microscopiques. Les avantages sont la sensibilité axiale nanométrique, un large champ de vision (des centaines de μm à plusieurs mm) et la vitesse de mesure (quelques secondes à quelques minutes). La technique est basée sur l'interférométrie optique avec une configuration de Linnik très difficile à ajuster mais elle présente plusieurs avantages: des objectifs d'ouverture numérique plus élevés pour améliorer la résolution spatiale; longue distance de travail, car il n'y a aucun besoin de l'un des composants devant l'objectif; une configuration de mode de lumière polarisée; franges contrastées en raison de la possibilité de modifier les voies optiques et les intensités des deux bras indépendamment. Alors que l'utilisation d'un objectif d'immersion dans l'eau présente les avantages suivants: éviter les problèmes liés à l'ajustement entre la formation des franges et le plan de formation de l'image; et pour minimiser la différence de dispersion entre les bras de l'interféromètre. Afin de pouvoir mesurer en mode eau et d'obtenir des échantillons à haute résolution latérale de types chimiques et biologiques, plusieurs défis doivent être surmontés tels que l'équilibrage de l'OPD sur les deux bras; trouver et ajuster les bonnes franges de contraste; trouver et adapter une compensation adéquate de l'eau dans le bras de référence horizontal pour faire fonctionner un système dans l'eau. / Coherence Scanning Interferometry (CSI) or White Light Scanning Interferometry (WLSI) is a well-established optical imaging technique for measuring the surface roughness and the shape of microscopic surfaces. The advantages are the nanometric axial sensitivity, a wide field of view (hundreds of μm to several mm) and the measurement speed (a few seconds to a few minutes). The technique is based on optical interferometry with a Linnik configuration which very difficult to adjust but it offers several advantages: higher numerical aperture objectives to improve spatial resolution; long working distance, because there is no need for any of the components in front of the lens; a polarized light mode configuration; contrasting fringes because of the possibility of modifying the optical pathways and the intensities of the two arms independently. While the use of a water-immersion objective gives the following advantages: to avoid the problems related to the adjustment between the formation of the fringes and the plane of formation of the image; and to minimize the difference in dispersion between the arms of the interferometer. In order to be able to measure in water mode and to obtain high lateral resolution samples of chemical and biological types, several challenges must be overcome such as balancing the OPD on both arms; finding and adjusting the good contrast fringes; finding and adapting a suitable water compensation of water in horizontal reference arm to operate a system in water.

Dans cette thèse, nous présentons et étudions une nouvelle formulation du problème de contact frottant entre deux corps élastiques se basant sur la méthode de Nitsche. Dans cette méthode les conditions de contact sont imposées faiblement, grâce à un terme additionnel consistant et stabilisé par un paramètre gamma. En premier lieu, nous introduisons, l’étude effectuée en petites déformations pour une version non biaisée de la méthode. La non-distinction entre une surface maître et une surface esclave permettera à la méthode d’être plus générique et applicable directement au problème d’auto-contact. Le cadre restrictif des petites déformations nous permet d’obtenir des résultats théoriques sur la stabilité et la convergence de la méthode. Ces résultats sont complétés par une validation numérique. Ensuite, nous introduisons l’extension de la méthode de Nitsche au cadre des grandes déformations qui est d’avantage pertinent pour les applications industrielles et les situations d’auto-contact. La méthode de Nitsche est formulée pour un matériau hyper-élastique avec frottement de Coulomb et se décline en deux versions : biaisée ou non. La formulation est généralisée à travers un paramètre theta pour couvrir toute une famille de méthodes. Chaque variante particulière a des propriétés différentes du point de vue théorique et numérique, en termes de précision et de robustesse. La méthode est testée et validée à travers plusieurs cas tests académiques et industriels. Nous effectuons aussi une étude de l’influence de l’intégration numérique sur la précision et la convergence de la méthode. Cette étude couvre une comparaison entre plusieurs schémas d’intégration proposés dans la littérature pour d’autres méthodes intégrales. / In this thesis, we present and study a new formulation of frictional contact between two elastic bodies based on Nitsche’s method. This method aims to treat the interface conditions in a weak sense, thanks to a consistent additional term stabilized with the parameter gamma. At first, we introduce the study carried out in the small strain framwork for an unbiased version of the ethod. The non-distinction between a master surface and a slave one will allow the method to be more generic and directly applicable to the self-contact problem. The restrictive framework of small strain allowed us to obtain theoretical results on the consistency and convergence of the method. Then, we present the extension of the Nitsche method to the large strain case more relevant for industrial applications and situations of self-contact. This Nitsche’s method is formulated for an hyper-elastic material and declines in the two versions: biased and unbiased. We describe a class of methods through a generalisation parameter theta . Particular variants have different properties from a numerical point of view, in terms of accuracy and robustness. To prove the accuracy of the method for large deformations, we provide several academic and industrial tests. We also study the influence of numerical quadrature on the accuarcy and convergence of the method. This study covers a comparison of several integration rules proposed in the literature for other integral methods.

La peau et son vieillissement sont un enjeu de santé publique. Les modèles expérimentaux disponibles pour l'étude du vieillissement cutané restent perfectibles. Dans ce contexte, nos objectifs étaient simultanément d'utiliser les modèles de peaux reconstruites (PR) développés dans notre laboratoire afin i) de mieux comprendre les mécanismes du vieillissement cutané, ii) de démontrer l'efficacité et le mécanisme d'action du sélénium comme « anti âge » et enfin iii) de les faire évoluer en utilisant le support poreux ou auto-assemblé avec des fibroblastes du même donneur prélevés à des âges différents. Ainsi, le modèle de PR cultivé sur une longue période a montré une surexpression du microARN miR30-a par RT qPCR dans les PR « âgées » avec une altération de la fonction barrière mesurée par la perte insensible en eau et une perturbation de la différenciation terminale (baisse d'expression de la loricrine et de l'involucrine). Avec le même modèle in vitro, nos résultats démontrent que la supplementation en sélénium retarde la sénescence des kératinocytes souches. Cette efficacité passe non pas par un effet antioxydant comme attendu mais par l'activation de leur adhésion à la lame basale, qui participe à les conserver souche et donc à préserver le renouvellement épidermique. Enfin, nous avons eu la chance exceptionnelle de préparer des PR avec des fibroblastes provenant d'un donneur unique prélevé à 36 et 72 ans. Les résultats immunohistologiques montrent que l'âge induit une augmentation de l'expression de l'élastine et de la fibrilline ainsi que leur co-expression. L'augmentation de LTBP1 et aSMA suggère que cette augmentation inattendue est due à une dérégulation de la voie TGF-ß et une différenciation des fibroblastes en myofibroblastes. En conclusion l'utilisation de différents modèles de PR a permis d'explorer les mécanismes conduisant au vieillissement cutané et de démontrer l'efficacité du sélénium comme anti âge / Skin and its aging is a public health issue. In vitro skin models available for the study aging remain perfectible. In this context, our objectives were simultaneously to use skin equivalent (SE) developed in our laboratory i) to better understand mechanisms of skin aging, ii) to demonstrate the effectiveness of selenium as “anti-aging” and finally iii) to improve SE using the porous or scaffold free model with fibroblasts from the same donor at different ages. Thus, the model of SE mimicking senescence showed an overexpression of microRNA miR30-a by RT qPCR in old SE with an alteration of the barrier function measured by the transepidermal water loss and a deficiency of epidermal terminal differentiation (decreased expression of loricrin and involucrin). With the same SE model, our results demonstrate that selenium supplementation delays the senescence of keratinocytes stem cells. This effectiveness does not involve antioxidant effect as expected but the activation of their adhesion to the basement membrane, which participates in preserving stemness and epidermal renewal. Finally, we had the opportunity to prepare SE with fibroblasts from a single donor at 36 and 72 years old. The histological results show that age induces an increase in the expression of elastin and fibrillin as well as their co-expression. The increase of LTBP1 and aSMA suggests that this unexpected increase is due to deregulation of the TGF-ß pathway and fibroblasts differentiation into myofibroblasts. In conclusion, the use of different models of SE helps us to explore some mechanisms leading to skin aging and to demonstrate the efficacy of selenium as “anti-aging”

La mise en glissement d’une interface de contact est un phénomène dont la dynamique spatiotemporelle est encore mal comprise. Dans cette thèse, nous avons développé et mis en oeuvre un dispositif expérimental original permettant de visualiser in situ les phénomènes locaux en jeu lors de la mise en glissement d’interfaces rugueuses élastomères, avec une bonne résolution temporelle. Nous avons mis en évidence une forte réduction de l’aire de contact réelle au sein d’une interface de contact sous cisaillement, et ce bien avant le début du glissement macroscopique. Cette réduction influence la valeur de la force de frottement statique de l’interface. Nous avons montré que le paramètre qui quantifie l’amplitude de la réduction vérifie une loi d’échelle valable largement, allant des monocontacts millimétriques jusqu’aux jonctions micrométriques impliquées dans les interfaces rugueuses. Nous avons ensuite montré que la contrainte de cisaillement critique de mise en glissement d’une interface n’est pas une constante pour un couple de matériaux en contact. En effet, en changeant systématiquement l’épaisseur d’un revêtement élastique sur l’un des corps en contact, on peut varier cette contrainte d’un facteur trois. Cet effet est interprété semi-quantitativement via un modèle couplant dissipation à l’interface et dans le volume des matériaux. Nous avons enfin montré que la dynamique spatio-temporelle de mise en glissement est influencée par le couple appliqué à l’interface par la force de frottement, lorsque celle-ci n’est pas exercée dans le plan de l’interface. En particulier, via une mesure du champ de déplacement par corrélation d’images, nous avons réalisé la première comparaison quantitative avec un modèle récent décrivant cet effet de couple. / The onset of sliding of a contact interface is a phenomenon the space-time dynamics of which are still poorly understood. In this thesis, we have developed and implemented an original experimental device allowing us to visualize in situ the local phenomena involved during the onset of sliding of rough elastomer interfaces, with a good temporal resolution. We have shown a strong reduction of the real contact area within a sheared contact interface, well before the beginning of macroscopic sliding. This reduction affects the value of the static friction force of the interface. We have shown that the parameter that quantifies the amplitude of the reduction obeys a well-defined scaling law ranging from millimetric mono-contacts to the micrometric junctions involved in rough interfaces. We have then shown that the shear strength of an interface is not a constant for a couple of materials in contact. Indeed, by systematically changing the thickness of an elastic coating on one of the bodies in contact, we could vary the value of the shear strength by a factor three. This effect is interpreted semi-quantitatively via a model incorporating dissipation both at the interface and in the bulk of the materials. We have finally shown that the space-time dynamics of the onset of sliding is influenced by the torque applied to the interface by the friction force, when the latter is not exerted in the plane of the interface. In particular, via a digital image correlation-based measurement, we performed the first quantitative comparison with a recent model describing this torque effect.