Cette HDR est l'occasion pour moi de présenter les travaux que je mène depuis plus de 10 ans dans le cadre du développement de l'activité en biomécanique au CEMEF. Ces travaux se structurent autour de deux axes : le comportement des tissus vivants et la modélisation numérique en biomécanique. Axe " caractérisation du comportement mécanique des matériaux vivants " Une partie de mon activité de recherche a consisté à mettre en place une méthodologie de caractérisation des matériaux, notamment biologiques. Concernant les tissus mous, mes collaborations étroites avec des praticiens hospitaliers m'ont permis de mettre au point un protocole de recueil de données au bloc opératoire et dans le service d'imagerie médicale. Ce protocole a nécessité la conception et la réalisation d'un dispositif expérimental d'indentation portable (" la pince Rhéobiol "), permettant l'acquisition de données au plus proche du bloc opératoire. Cet outil original - utilisé maintenant dans d'autres laboratoires de recherche - a permis de caractériser le comportement mécanique de plusieurs tissus, comme l'utérus, les trompes de Fallope et le placenta. Axe " développement de modèles numériques pour la biomécanique " La modélisation du comportement mécanique du corps humain recèle toutes les difficultés liées à la modélisation de structures complexes et hétérogènes. Je présenterai ici la démarche mise en œuvre, partant de modèles simplifiés monocorps, homogènes, élastiques linéaires, faiblement déformés, pour parvenir finalement à des modèles multicorps, hétérogènes, visco-hyperélastiques et soumis à de grandes déformations. Une attention toute particulière a été portée aux protocoles d'imagerie médicale dans le but de construire le plus fidèlement possible les modèles géométriques des organes et tissus étudiés. Les modèles éléments finis obtenus à l'issue de ces différents étapes ont été appliqués à de nombreuses problématiques biomédicales ou chirurgicales parmi lesquelles la modélisation d'une suite d'opérations chirurgicales en gynécologie et en ophtalmologie, l'aide à la conception de dispositifs médicaux (prothèses mammaires, implants dentaires) ou encore l'évaluation des conséquences d'une intervention en chirurgie maxillo-faciale. Outre une synthèse de mon parcours scientifique, de mes activités en termes d'enseignement et d'encadrement de formation à la recherche, cette soutenance d'Habilitation à Diriger les Recherches est l'occasion pour moi de passer en revue un certain nombre de résultats issus de travaux personnels, de collaborations avec d'autres chercheurs - tant du monde de la mécanique que du monde médical - et de travaux des étudiants que j'ai eu le plaisir d'encadrer et de former et qui ont largement contribué au succès de cette activité.

Le SA-160 est un avion monomoteur biplace dont le fuselage est constitué d’un châssis en tubulure d’acier recouvert d’une peau en composites non structurale. Quoi que robuste et fiable, cet assemblage est coûteux à fabriquer et pèse près de 180 lbs (80 kg). Aviatech Services Techniques (AST) désire réduire le poids de la structure de l’appareil ainsi que son coût de fabrication en retirant l’arrière du châssis d’acier pesant à lui seul près de 40 lbs. La conception de la peau en composites a donc été revue dans le cadre de cette recherche, afin qu’elle puisse assurer un rôle structural pouvant compenser le retrait de l’arrière de la structure d’acier. Mis à part les modifications apportées au châssis, les nouvelles caractéristiques géométriques du fuselage sont les suivantes : - Ajout d’un plancher permettant de déposer et fixer les bagages; - Intégration du stabilisateur vertical au fuselage; - Ajout de cloisons internes augmentant la raideur globale du fuselage; - Points de fixation des mécanismes et surfaces de contrôle préservés. La fabrication de la peau de ce nouveau fuselage se fera par infusion au moyen de renforts en fibres de carbone et de verre ainsi qu’une résine d’époxyde pour l’infusion. Les propriétés structurales de ces matériaux ont été caractérisées et ont servi à faire la conception du fuselage au moyen de simulations par éléments finis. Selon ces simulations, le concept final peut résister aux cas de chargement statiques ultimes prescrits par Transport Canada, sans rupture et sans subir de flambage, et ce avec une rigidité similaire à celle du précédent fuselage. Le poids projeté du concept final est 151 lbs ce qui constitue une réduction de 26 lbs en incluant l’économie engendrée par l’intégration du stabilisateur vertical. La nouvelle structure permet donc de réaliser un gain intéressant avec une réduction de poids de 15% par rapport à la structure originale. Cette économie de poids permettra l’augmentation de la charge utile comme de l’essence, des bagages ou d’autres équipements. Une économie substantielle devrait être réalisée lors de la fabrication du châssis puisque le nombre de pièces soudées sera grandement réduit. La fabrication de la peau pourra être faite dans les anciens moules réutilisés mais nécessitera l’utilisation de matériaux avancés plus onéreux tels la fibre de carbone. De plus, la résine thermodurcissable choisie requiert une cuisson de 16 heures à 80°C ce qui augmentera la cadence de production par rapport à la cuisson à température ambiante. Ce procédé nécessitera toutefois l’acquisition d’un four de dimensions imposantes pour réaliser cette cuisson. Ce mémoire présente la démarche ayant mené à l’obtention du nouveau concept de fuselage pour le SA-160. Les résultats de cette recherche permettront à Aviatech d’effectuer a fabrication et la certification de cette nouvelle structure en vue de sa mise en production.

Les propriétés électriques des matériaux sont des données indispensables dans les phases de conception de circuits micro-ondes. Ainsi, de nombreuses méthodes ont été mises au point en s’appuyant sur des mesures de paramètres «S», pour les systèmes de transmission-réflexion, ou de fréquences de résonance, pour les méthodes résonantes. Chacune d’entre elles présente des caractéristiques adaptées à un type de géométrie d’échantillon, à une bande de fréquence d’analyse, à une précision des résultats souhaitée... Dans tous les cas, les dimensions de l’échantillon doivent être au moins de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde et donc, les caractérisations deviennent impossibles aux basses fréquences pour des échantillons de petites tailles. Un autre inconvénient de ces méthodes est qu’il est obligatoire de connaître parfaitement l’épaisseur de l’échantillon pour déterminer avec précision les caractéristiques électriques du matériau. L’objectif de ce travail de thèse a donc consisté à mettre au point une nouvelle méthode de caractérisation en s’appuyant sur une cavité de géométrie particulière. Celle-ci permet des mesures basses fréquences pour des dimensions très inférieures à la longueur d’onde. Avec un système de couplage original, nous avons pu également obtenir une réponse en transmission particulière, caractérisée par une fréquence de résonance et une fréquence d’antirésonance. Par rapport aux méthodes classiques qui ne travaillent que sur la fréquence de résonance, cette double information permet de déterminer à la fois la permittivité du milieu mais également l’épaisseur de l’échantillon. / The electrical properties of the materials are essential data in the design phases of microwave circuits. Thus, many methods have been developed based on "S" parameter measurements, for transmission-reflection systems, or resonance frequencies, for resonant methods. Each of them has characteristics adapted to a type of the samplegeometry, to the frequency band of analysis, to a desired precision of the results... In all the cases, the dimensions of the sample must be at least of the order of the wavelength and therefore the characterizations become impossible at low frequencies for samples of small sizes. Another disadvantage of these methods is that it is mandatory to know perfectly the thickness of the sample to accurately determine the electrical characteristics of the material. The objective of this thesis work was therefore to develop a new method of characterization based on a cavity of particular geometry. This allows low frequency measurements for dimensions much smaller than the wavelength. With an original coupling system, we have also been able to obtain a particular transmission response, characterized by a resonance frequency and an antiresonance frequency. Compared to conventional methods that only work on the resonant frequency, this double information makes it possible to determine both the permittivity of the medium but also the thickness of the sample.

L’hydroformage de tube nécessite l’emploi d’outillage coûteux et la phase de mise au point utilise intensivement la simulation par éléments finis. Pour ces simulations, il est nécessaire de disposer de données matériaux adaptées dans le domaine plastique. Le comportement des matériaux utilisés en mise en forme dépend du mode de sollicitation. Ainsi, plusieurs essais de caractérisation tels que l’essai de traction et les essais de gonflement de flan et de tube sont traités dans ce travail.On s’intègre dans une démarche pragmatique afin d’offrir des méthodes simples pour une mise en œuvre dans un contexte industriel en limitant le nombre d’essai, une méthode expérimentale de caractérisation simple et une méthode d’analyse des résultats expérimentaux efficace. De plus, on se limite à des modèles matériaux disponibles dans tout type de code de calcul comme la loi d’écrouissage de Swift et le critère de plasticité de Hill 1948.Après une introduction des différents types d’hydroformage et des notions de bases du comportement plastique des matériaux, la mise en œuvre des essais est présentée. On retiendra qu’il existe plusieurs façons de post-traiter les résultats expérimentaux. La méthode classique a été choisie pour l’essai de traction, celle préconisée par Koç et al. est utilisée pour le gonflement de flan et enfin la méthode de Boudeau et Malécot a été adoptée pour le gonflement de tube.À partir des essais effectués sur un acier austénitique inoxydable de type AISI 304, plusieurs courbes d’écrouissages distinctes ont été obtenues. Des simulations numériques ont été menées afin de confronter ces lois de comportement sur la prédiction des profils des flans et des tubes déformés ainsi que sur les distributions d’épaisseur de ceux-ci. Enfin, le matériau ayant été considéré isotrope jusqu’à présent, on s’attache à l’influence de l’anisotropie du matériau dans le cadre de la mise en forme par hydroformage. Pour cela un plan complet est mené.Mots-clés : hydroformage, caractérisation de matériaux, tube, simulation E.F., expérimentation / Tube hydroforming requires the employment of expensive tooling and its industrial development makes an intensive use of finite element simulations. For these simulations, we need plastic material data. The material behavior, in forming, depends on the loading mode. Thus, several characterization tests such as uniaxial tensile test, the bulging test on sheet and tube, are investigated in this work.The works are conducted in the context of a pragmatic approach. The goal is to offer simple methods for implementation in an industrial setting based on a limited number of tests, a simple experimental method and an efficient method for post-processing experimental results. In addition, we limit ourselves to classical material models, available in any FE code, such as the Swift’s hardening law and the Hill 1948 plastic criterion.After the introduction of the different kind of hydroforming and the fundamentals on the plastic behavior of materials, the experimental tests are presented. There are many ways for post-processing the experimental results of these advanced testing methods. The conventional method is chosen for post-processing the experimental results obtained with the tensile test ; for the sheet bulging test, the method recommended by Koç et al. is used and the model proposed by Boudeau and Malécot’s is adopted for tube bulging test.The different tests are carried out on an austenitic stainless steel AISI 304 and, distinct hardening curves are obtained. Numerical simulations of the tests and a tube hydroforming operation are performed with the different hardening law. The FE results are compared; the comparisons are led on the resulting bulged sheet or tube and on the thickness distribution. Finally, the influence of the initial anisotropy in tube hydroforming is studied through a full Design Of Experiences.Keywords: hydroforming, material characterization, tube, F.E. simulation, experiment

Ce travail de recherche est dédié à la compréhension des mécanismes physiques de l’érosion de cavitation dans un fluide compressible à l’échelle fondamentale de l’implosion d’une bulle de cavitation. Suite à l’implosion d’une bulle de vapeur à proximité d’une surface solide, des très hautes pressions sont générées. Ces pressions sont considérées responsables de l’endommagement (érosion) des surfaces solides observé dans la plupart des applications. Notre approche numérique démarre avec le développement d’un solveur compressible capable de résoudre les bulles de cavitation au sein du code volumes finis YALES2 en utilisant un simple modèle de mélange homogène des phases fluides. Le solveur est étendu à une approche ALE (Arbitraire Lagrangien Eulérien) dans le but de mener des simulations d’interaction fluide-structure sur un maillage mobile. La réponse du matériau solide est calculée avec le code de calcul éléments finis Cast3M, et nous a permis de mener des simulation avec un couplage d’abord monodirectionnel, ensuite bidirectionnel, entre le fluide et le solide. On compare des résultats obtenus à deux dimensions, puis à trois, avec des observations expérimentales. On discute les chargements de pression estimés, et les réponses de différents matériaux pour des implosions de bulle à des différentes distances de la surface. Enfin, à travers l’utilisation de simulations avec couplage bidirectionnel entre fluide et solide, on identifie l’amortissement des chargements de pression pour les différents matériaux. / This research is devoted to understanding the physical mechanism of cavitation erosion in compressible liquid flows on the fundamental scale of cavitation bubble collapse. As a consequence of collapsing bubbles near solid wall, high pressure impact loads are generated. These pressure loads are believed to be responsible for the erosive damages on solid surface observed in most applications. Our numerical approach begins with the development of a compressible solver capable of resolving the cavitation bubbles in the finite-volume solver YALES2 employing a simplified homogenous mixture model. The solver is extended to Arbitrary Lagrangian-Eulerian formulation to perform fluid structure interaction simulation with moving mesh capabilities. The material response is resolved with the finite element solver Cast3M, which allowed us to perform one-way and two-way coupled simulations between the fluid and solid domains. In the end, we draw comparisons between 2D and 3D vapor bubble collapse dynamics and compare them with experimental observations. The estimated pressure loads on the solid wall and different responses of materials for attached and detached bubble collapses are discussed. Finally, the damping of pressure loads by different materials is identified with two-way coupled fluid-structure interaction.

Ce mémoire traite de la fiabilité de l'inférence statistique pour des données spatiales se présentant sous la forme d'une image numérique texturée extraite d'une scène plus vaste. Plus particulièrement, nous proposons un cadre permettant d'évaluer le caractère représentatif de l'image observée par rapport à la scène, et de calculer la variance d'estimation de la moyenne et de la variance des niveaux de gris de l'image dans le cas où celle-ci est supposée homogène.<br />La première partie consiste en une formalisation du problème en termes statistiques.<br />Dans une seconde partie, nous présentons deux familles de méthodes paramétriques permettant le calcul de la variance d'estimation, de même que les relations entre ces deux familles. Nous montrons cependant les difficultés liées à leur mise en œuvre dans le contexte applicatif envisagé.<br />La troisième partie est consacrée à l'étude d'une méthode non paramétrique basée sur un sous-échantillonnage par blocs. Elle permet une estimation de la variance d'estimation dont les propriétés sont analysées dans le cadre général de la décomposition de Wold des processus stationnaires 2-D. Cette analyse exhaustive nous permet de proposer des critères objectifs qualifiant l'homogénéité de la moyenne et de la variance d'une texture, propriété nécessaire pour l'inférence statistique.<br />Enfin, dans une dernière partie, ces critères sont appliqués et validés dans un contexte industriel de caractérisation de matériaux composites par analyse d'image.

Cette étude concerne la caractérisation optique non linéaire (NL) principalement d’ordre 3 dans le visible, l’UV et l’IR en régime picoseconde de différents matériaux tels que certains solvants, le niobate de lithium et les nano-feuilles de graphène. Nous présentons d’abord les expressions des susceptibilités NL. Nous décrivons ensuite la technique de caractérisation Z-scan et ses variantes. Nous présentons une nouvelle méthode qui combine les avantages de Z-scan avec ceux de la microscopie en champ sombre. Nous montrons que cette technique d’imagerie, nommée DFZscan (Dark Field Z-scan), peut mesurer les coefficients de réfraction NL en présence d'une forte absorption NL. Les résultats expérimentaux montrent une importante amélioration de la sensibilité. Finalement, nous comparons les réponses NL des solvants les plus utilisés, dont l’eau qui possède la réfraction NL la plus faible. Ce liquide est utilisé pour caractériser la réponse NL d’une suspension de points quantiques de graphène. Grâce à un modèle simple, nous estimons l'indice de réfraction et d’absorption NL d'une nanofeuille de graphène monocouche. Nous étudions également les non linéarités d’ordres supérieurs dans les matériaux liquides (toluène) et solides (LiNbO3) en vue d’applications potentielles pour la génération de la deuxième harmonique et des modulateurs de guides d'ondes. Ces coefficients peuvent intéresser une grande communauté de chercheurs dans des domaines aussi variés que la filamentation, les solitons, le traitement tout optique du signal et les réseaux de télécommunications. / This study concerns the nonlinear (NL) optical characterization mainly of order 3 in the visible, UV and IR in the picosecond regime of different materials such as solvents, lithium niobate and graphene nanosheets. We first present the expressions of NL susceptibilities. We then describe the Z-scan characterization technique and its variants. We present a new method that combines the advantages of Z-scan with those of dark field microscopy. We show that this imaging technique, called DFZ-scan (Dark Field Z-scan), can measure NL refractive coefficients in the presence of high NL absorption. The experimental results show a significant improvement in the sensitivity. Finally, we compare the NL responses of the most commonly used solvents, including water with the lowest NL refraction. This liquid is used to characterize the NL response of a suspension of graphene quantum dots. Using a simple model, we estimate the refractive index and absorption index NL of a single-layer graphene nanosheet. We also studied higher order non-linearities in liquid (toluene) and solid (LiNbO3) materials for potential applications in second harmonic generation and waveguide modulators. These coefficients can be of interest to a large community of researchers in fields as diverse as filamentation, soliton, all-optical signal processing and telecommunications networks.

Dans l’industrie automobile, le véhicule électrique séduit de plus en plus de clients. Ce qui limite sa progression dans le marché est son manque d’autonomie. Une des solutions permettant d’augmenter l’autonomie d’un véhicule est de réduire sa masse en modifiant la géométrie des pièces et les matériaux utilisés. Cependant, de tels changements peuvent avoir des impacts sur la CEM du véhicule.Les travaux de cette thèse portent sur l’étude de l’allègement du blindage des batteries de traction pour véhicule électrique du point de vue de la CEM. Plusieurs méthodes de caractérisation de matériaux sont mises en place dans ce document. Une méthode innovante reposant sur l’utilisation d’une cellule TEM ou d’une stripline a été développée durant ces travaux de thèse, elle permet de mesurer la permittivité relative complexe d’un matériau diélectrique inconnu entre 1 kHz et 1 GHz. Les propriétés électromagnétiques ainsi mesurées sont insérées dans des modèles numériques 3D. Les méthodes numériques adaptées à ce type d’étude sont les différences finies dans le domaine temporel et la méthode des moments. L’étude du rayonnement de la batterie a été effectuée grâce à une maquette à l’échelle ½ en chambre semi-anéchoïque et en chambre réverbérante à brassage de mode selon des montages normatifs. Des configurations plus complexes ont ensuite été étudiées en tenant compte de l’intégration du pack-batterie dans le véhicule. / In automotive industry, electric vehicle is becoming more and more attractive for car buyers. The market penetration of electric vehicle is limited by its short range. One of the solutions to increase the range is to lower the weight of the vehicle by modifying the geometry or the material composition. Nevertheless, such changes may have consequences on the EMC of the vehicle.The work of this thesis concern the study of weight reduction of the battery shield from an EMC point of view. Several methods for materials characterization are set in this document. A method which uses a TEM cell or a stripline has been designed during this thesis to measure the complex relative permittivity of an unknown dielectric material. Then, the measured properties are inserted into numerical 3D models. The numerical techniques that fit this study are the finite differences in time domain and the method of moments. The study of radiated electromagnetic field from a battery has been performed thanks to a ½ scale model in semi anechoic chamber and mode-stirred reverberation chamber according to standard setups. More complex configurations were studied taking into account the integration of the battery-pack into the vehicle.

Les ondes acoustiques et électromagnétiques offrent des méthodes de caractérisation des matériaux très peu invasives. Souvent utilisées à l'aide de capteurs indépendants, l'approche développée ici est de proposer un résonateur multimodal acoustique et électromagnétique. Afin de répondre à une grande variété d'applications, le choix de l'élément actif piézo-électrique s'est porté sur un disque de quartz de coupe AT. L'étude s'articule autour des étapes aboutissant in fine à un capteur magnéto acoustique on-chip à excitation sans contact.L'étude théorique d'un capteur magnéto-acoustique à excitation inductive est tout d'abord réalisée pour un capteur chargé par un fluide visqueux. Ce capteur est constitué de trois éléments : une sonde radiofréquence (RF), un résonateur RF à fort facteur de qualité et le quartz sur lequel ont été déposées deux électrodes en anneau. Cette étude montre comment déduire la viscosité complexe du matériau étudié à partir de l'impédance électrique du système complet. Les mesures effectuées sur des mélanges étalons montrent une très bonne correspondance avec les résultats théoriques.L'intégration du résonateur RF sur l'élément piézo-électrique s'effectuant via des électrodes circulaires, une étude préliminaire est menée sur les ondes acoustiques pouvant être générées sur le quartz et leur interaction avec les électrodes. Les mesures de vibration par vibrométrie laser montrent que des ondes de Lamb sont générées dans une large gamme de fréquence (de 100 kHz à 20 MHz). L'analyse de la réponse impulsionnelle spatiale par transformée de Gabor 3D localise la source de ces ondes sur le bord des électrodes. Par ailleurs, l'étude du disque au fondamental montre une grande non-linéarité mécanique du quartz.Le modèle de résonateur RF plan multi-tour puis son intégration sur le disque de quartz du capteur magnéto-acoustique on-chip sont ensuite étudiés. Les résultats expérimentaux par mesure d'impédance et vibrométrie laser valident le modèle. La gamme de fréquence sélectionnée (entre 5 et 20 MHz) permet d'envisager des mesures micro-rhéologiques. / Acoustic and electromagnetic waves are key probing candidates for characterizing their propagation media with minimum perturbation. Often used with independent sensors based on specialized transducing materials, the approach developed here provides an on-ship multimodal sensor using the same sensing material for probing the acoustic and electromagnetic properties of the material. To meet a wide range of applications, the choice of the active piezoelectric element is carried out on an AT cut quartz. The study focuses on the steps leading in fine to an on-chip magneto-acoustic sensor with a contactless excitation.The theoretical study of a magneto-acoustic sensor inductively excited and loaded by a viscous fluid is first carried out. This sensor consists of three elements: a radio frequency (RF) sensor, a high quality factor RF resonator and a quartz on which two ring electrodes have been deposited. The complex viscosity of the studied material is derived from the electrical impedance of the complete system. The measurements carried on etalon viscoelastic materials show a good agreement with the theoretical results.The integration of the RF resonator on the piezoelectric element being via circular electrodes, a preliminary study is performed for determining the acoustic waves that can be generated in the quartz and their interaction with the electrodes. The laser vibrometry measurements indicate that Lamb waves are generated in a wide frequency range, from 100 kHz to 20 MHz. The analysis of the spatial pulse response of the sensor surface by 3D Gabor transform locates the source of these waves on the edge of the electrodes. Furthermore, the study of the disk at it fundamental frequency points out the high nonlinear mechanical behavior of the quartz.The plane RF multi-turn resonator and its integration on the quartz disk of the magneto-acoustic on-chip sensor are then studied. The experimental results of impedance and laser vibrometry measurements validate the proposed theoretical model. The selected frequency range (between 5 and 20 MHz) allows one to consider micro rheological measurements.

No description available.