Notre objectif dans cette étude aura été de se rapprocher progressivement du comportement et des caractéristiques des polyéthylènes afin de décrire les mécanismes de formation des contraintes résiduelles lors du calibrage des tubes.<br/>Le modèle le plus simple, basé sur une loi de comportement liquide - solide élastique, a mis en évidence deux mécanismes de formation des contraintes résiduelles. Le premier est relié aux différences de température lors du refroidissement qui provoquent des différences de retrait dans l'épaisseur. Ceci met les couches extérieures du tube en compression et les couches intérieures en traction. Ce profil de contrainte fait se refermer le tube lorsqu'on le découpe suivant la génératrice<br/>Le second mécanisme est relié aux efforts extérieurs qui s'appliquent sur le tube. La dépression dans le calibreur maintient le tube contre la chambre de calibrage et l'empêche de se rétracter lors du refroidissement ce qui induit des contraintes de traction dans les couches solidifiées. En fait la dépression bloque le retrait thermique qui était à l'origine du premier mécanisme. Si la dépression est suffisante pour maintenir le tube jusqu'à la fin de la solidification le profil de contraintes résiduelles est nul. Les profils de contraintes intermédiaires sont obtenus par une évolution des conditions aux limites lors de la solidification, la dépression n'étant en faite pas suffisante pour maintenir le contact pendant toute la solidification.<br/>Le modèle élastique a également mis en avant l'influence des forces axiales et en particulier les forces de frottement entre le tube et la chambre de calibrage. En étirant le tube, elles tendent à diminuer son diamètre. La dépression bloque cette rétraction en plus du retrait thermique. Ceci accentue les contraintes de traction dans les couches extérieures jusqu'à inverser le profil des contraintes résiduelles. Le tube peut alors s'ouvrir lorsqu'on le découpe suivant la génératrice.<br/>Le modèle élastique est suffisant pour expliquer l'influence de la dépression sur le profil des contraintes résiduelles. Cependant les propriétés des matériaux que ce modèle peut prendre en compte restent assez éloignées de celui des polyéthylènes pendant le refroidissement.<br/>Le modèle viscoélastique que nous avons développé est original par rapport à la bibliographie dans le sens où la variation du volume spécifique et les propriétés mécanique lors de la transition fluide -- solide sont directement basés sur l'évolution du taux de cristallinité, paramètre du premier ordre sur le comportement physique du matériau.<br/>Le taux de cristallinité peut être obtenu dans le modèle soit par le modèle de cristallisation d'Ozawa soit en reprenant directement les résultats obtenus par DSC. Celui-ci est alors utilisé pour déterminer l'évolution du volume spécifique et permet de tenir de l'importante rétraction du matériau qui se produit lors de la cristallisation. L'influence du retrait du à la cristallisation doit cependant être nuancé car il se produit à des températures pour lesquelles la relaxation des contraintes n'est pas négligeable. Pour des matériaux semi-cristallins tel que les polyéthylènes, il est donc nécessaire d'utiliser un modèle viscoélastique pour pouvoir prendre en compte le retrait lors de la cristallisation.<br/>Afin de pouvoir appliquer les forces d'étirage et de frottement dès le début de la solidification, nous avons montré qu'il était nécessaire de tenir compte des contraintes dans les couches non solidifiées afin de charger progressivement les couches solidifiées. Le comportement viscoélastique des matériaux est pris en compte dans les états fluides et solide par des lois de Maxwell multimode. La répartition des contraintes prédit dans les couches fluides et solides par le modèle viscoélastique permet d'avoir une première information sur l'importance des propriétés mécaniques du matériau à l'état fluide. Les calculs permettent d'expliquer en partie l'orientation mesurée dans les couches extérieures lors de l'étude des polyéthylènes basse densité linéaire.<br/>Le modèle viscoélastique apporte peu de renseignements supplémentaires sur les mécanismes de formation des contraintes résiduelles finales mais il permet de les quantifier en utilisant des caractéristiques matériaux proches de celles des polyéthylènes lors du refroidissement.<br/>Une étude numérique confirme que le procédé de calibrage est relativement sensible à tous les paramètres du procédé et caractéristiques du matériau même si la dépression reste le paramètre de premier ordre.<br/>Finalement, les comparaisons entre les calculs et l'expérience montrent que nous sommes parvenus à borner la réalité en expliquant l'origine des contraintes résiduelles qui se forment lors du calibrage des tubes.<br/>

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Une tumeur est une structure tridimensionnelle hautement organisée, constituée d’une population hétérogène de cellules en étroites interactions avec leur microenvironnement. Cette organisation et ces interactions sont déterminantes dans le processus de tumorigenèse. Des données récentes montrent que les modifications des propriétés mécaniques du microenvironnement sont des paramètres essentiels du développement tumoral qu’il est important de caractériser et de considérer dans une perspective d’innovations en thérapie anticancéreuse. Une tumeur est également caractérisée par des propriétés mécaniques intrinsèques qui pourraient résulter de son organisation, de sa croissance, des interactions cellule-cellule, cellule-matrice et de la prolifération cellulaire. Différentes études montrent que les propriétés mécaniques intrinsèques des tumeurs, et en particulier le stress accumulé au cours de la croissance, vont avoir un impact sur la réponse au traitement. Le sphéroïde, modèle in vitro 3D multicellulaire, mime l’architecture tridimensionnelle et l’hétérogénéité cellulaire existant dans un micro-domaine tumoral in vivo. Ses propriétés et son caractère prédictif de la réponse pharmacologique, en font un modèle de choix largement utilisé pour l’évaluation pré-clinique de médicaments. L’objectif de nos travaux a été de caractériser les propriétés mécaniques intrinsèques d’un modèle de sphéroïde et d’en étudier l’impact sur l’organisation cellulaire. La démarche pluridisciplinaire mise en œuvre a été élaborée et conduite en considérant le sphéroïde comme un matériau. Nous avons ainsi montré que, comme les tumeurs, les sphéroïdes accumulent un stress mécanique au cours de leur croissance que la modélisation nous a permis d’associer à une force tangentielle périphérique. Selon les conditions de production des sphéroïdes utilisées, le stress mécanique accumulé se traduit par des différences d’organisation cellulaire et de rigidité de surface mise en évidence en AFM. Nous avons également montré par microscopie 3D, que l’accumulation du stress mécanique est associée à un alignement des noyaux parallèlement à la surface des sphéroïdes qui dépend du cytosquelette d’actine et des interactions intercellulaires. Enfin, nous avons développé, par microfabrication, un dispositif, adapté à des échantillons submillimétriques comme les sphéroïdes, pour caractériser leur module élastique. L’ensemble de ces travaux apporte des éléments de compréhension des conséquences des contraintes mécaniques intrinsèques sur l’organisation d’une micro-tumeur. Ces paramètres pourraient avoir un impact sur la diffusion et l’efficacité d’agents thérapeutiques et nécessitent donc d’être explorées dans une perspective d’optimisation de l’évaluation pharmacologique. / A tumor is a highly organized three-dimensional structure constituted by a heterogeneous population of cells in close interaction with their microenvironment. This organization and these interactions are central in the process of tumorigenesis. Recent evidence shows that changes in the mechanical properties of the microenvironment are essential parameters of tumor development that must be considered in a therapeutic innovation perspective. A tumor is also characterized by intrinsic mechanical properties that could result from its organization, growth, cell-cell, cell-matrix interactions and cell proliferation. Different studies show that the intrinsic mechanical properties of tumors, and specifically the growth-accumulated stress, might impair the therapeutic response. The spheroid, a multicellular 3D in vitro model, mimics the three-dimensional architecture and cell heterogeneity found in vivo in a tumor micro-domain. Its properties and the predictivity of its response to anti-tumor drugs, make it a validated and widely used model for pre-clinical evaluation.The objective of our work was to characterize the intrinsic mechanical properties of a spheroid model and to study their impact on the cellular organization. The multidisciplinary approach implemented considers the spheroid as a material. We have shown that, like tumors, spheroids accumulate mechanical stress during their growth. Mathematical modeling has allowed associating this stress with a peripheral tangential force. Depending on the production conditions the accumulated mechanical stress results in a difference in cell organization and surface stiffness, evidenced using AFM. We have also demonstrated, using 3D microscopy that the accumulation of mechanical stress is associated with nuclei alignment parallel to spheroid surface that depends on actin cytoskeleton and cell-cell interactions. Finally, we have developed, using microfabrication technologies, a device, adapted to submillimetric samples such as spheroids, to characterize their elastic modulus. This work contributes to our understanding of the consequences of intrinsic mechanical stresses on the organization of a micro-tumor. These parameters could have an impact on the diffusion and efficacy of therapeutic agents and therefore need to be further investigated in a pharmacological evaluation optimization perspective.

Cette thèse, financée par le laboratoire SIMaP-EPM à Grenoble et l'INES à Chambéry, porte sur l'effet des contraintes thermomécaniques sur la qualité cristalline lors de l'élaboration de lingots de silicium pour applications photovoltaïques. Ainsi, ce travail commence par exposer comment l'industrie photovoltaïque construit les panneaux solaires et l'impact des dislocations, défauts issus des contraintes, sur leur rendement. Une revue bibliographique est également faite afin de présenter les modèles physiques et numériques traitant des dislocations dans le silicium, de leur mouvement et de leur multiplication. Différentes techniques de caractérisation de la densité de dislocations sont également décrites dans la première partie de ce travail.Dans le second chapitre du manuscrit, une étude comparative de différentes méthodes de caractérisation rapide est réalisée afin de montrer leurs forces et leurs faiblesses. Pour cela, un échantillon sert de référence pour la comparaison. Celui-ci a l'avantage d'être large, de ne pas être perturbé par des joints de grains et d'avoir des zones de forte et de faible densité de dislocations. La première technique de caractérisation étudiée dans ce manuscrit est la « méthode précise » consistant à dénombrer manuellement les dislocations à la surface de l'échantillon afin d'avoir une caractérisation fine de la densité de dislocations. Ensuite, la « méthode INES » utilise un traitement informatique d'images prise avec un microscope électronique à balayage afin de compter les dislocations. La « méthode Ganapati » relie les niveaux de gris d'une image de l'échantillon prise avec un scanner et la densité de dislocations. Enfin, la « méthode PVScan » utilisant l'appareil du même nom et qui se sert de la diffusion d'un faisceau laser à la surface de l'échantillon afin de réaliser la caractérisation. Cette étude comparative montre quelles sont les applications privilégiées pour chaque technique et surtout quels questions il est nécessaire de se poser avant de réaliser une caractérisation.La troisième partie de ce travail est dévolue à la mise en place de deux simulations numériques utilisant le code commercial Comsol afin de prédire la densité de dislocations dans un lingot de silicium à la fin de son élaboration. Pour cela, le modèle d'Alexander et Haasen, décrivant l'évolution de la densité de dislocations et de la relaxation plastique, est implémenté au logiciel et couplé avec le calcul des contraintes thermomécaniques. Le premier modèle, nommé « évolution continue », traite le lingot dans son ensemble, partie solide et liquide, et fait évoluer la température de façon continue durant la résolution. Dans le second modèle, nommée « pas à pas », seule la partie solide du lingot est prise en compte en modifiant la géométrie et la température à chaque pas de temps. Ces deux modèles sont comparés avec des simulations numériques réalisées par des équipes japonaise et norvégienne et le premier modèle est également comparé avec la caractérisation d'un échantillon. Ainsi, cette partie montre la pertinence de l'utilisation d'un code commercial pour l'estimation de la densité de dislocation dans un lingot à la fin de l'élaboration, de par sa simplicité d'utilisation et son adaptabilité à différentes géométries de fours.Dans un dernier chapitre, le problème de l'attachement entre le lingot et le creuset lors de la cristallisation est étudié car il est à l'origine de fortes contraintes et donc de dislocations dans le cristal. Ce problème est également traité par simulation numérique en utilisant le logiciel Comsol. Pour cela, un modèle physique est défini : l'intégrale J est utilisé pour évaluer l'énergie élastique exercée sur l'attachement et cette valeur est ensuite comparée à l'énergie d'adhésion entre le creuset et le lingot. Ce model est implémenté au logiciel et les résultats sont comparés avec une expérience réalisée au cours d'une thèse précédente (...) / SIMaP-EPM laboratory of Grenoble and INES institute of Chambery have both financed this thesis which investigates the effect of thermo-mechanical stresses on the crystal quality during production of silicon ingots for photovoltaic applications. This work begins by showing how photovoltaic industry makes solar panels and the influence of dislocations (defects induced by stresses) on the conversion efficiency. Bibliographic review is also performed in order to describe physical and numerical models of dislocation motion and their multiplication in silicon. Several characterization methods of the dislocation density at the surface of a sample are also presented in the first part of this work.In the second part of this manuscript, comparative study of different quick characterization methods is done in order to show their strength and weaknesses. Therefore, a sample, which is wide, not containing grain boundaries, and having areas of high and low dislocation density, is used as reference sample for the comparison. The first characterization technique studied in this work is the “accurate method” consisting in manually counting the dislocations at the surface of the sample in order to have a precise characterization of dislocation density. The “INES method” uses numerical treatment of SEM pictures to count dislocations. The “Ganapati method” links the grey scale of a sample picture taken with a scanner and the dislocation density. Finally, the “PVScan method”, using the eponymous device, uses diffusion of a laser beam on the surface of the sample for characterization. This comparative study underlines the best applications for each method and which questions should be thought about before performing dislocation characterization.The third part of this work is intended to build two numerical simulations using Comsol commercial software in order to predict dislocation density in silicon ingot at the end of its production. Therefore, Alexander and Haasen model, describing dislocation density and plastic relaxation rate, is implemented into the software and coupled with the thermo-mechanical stress calculation. In the first model, named “continuous evolution”, the entire ingot is taken into account (liquid and solid parts) and, during solving of this numerical simulation, temperature changes continuously. In the second model, named “step by step” only the solid part of the ingot is taken into account with new geometry and new temperature at each step. Both of these models are compared to numerical simulations performed by Japanese and Norwegian teams. Results of the first one are also compared to the experimental characterization of a sample. Thus, this part shows the pertinence of using commercial software for the prediction of dislocation density in a silicon ingot at the end of its production. Its use is simple and shows good adaptability to different furnace geometries and thermal fields.In the last part, ingot/crucible attachment is studied because it creates high stresses and then dislocations in the crystal. This problem is also solved by numerical simulation using Comsol software. Therefore, a physical model is created: the J-integral is used to estimate elastic energy at the attachment area and then this value is compared to ingot/crucible adhesion energy. This model is implemented into the software and the results are compared to an experiment realized during a previous thesis. This numerical simulation is also applied to two attachment configurations of a silicon ingot in order to study the attachment duration, the localization and the size of crystal area impacted by plasticity.

Cette thèse s'intéresse à des complexes monocyclopentadiényles à bras phosphazène des métaux du groupe 4. L'objectif était de générer des espèces capables de s'autoactiver grâce à une interaction entre le phosphazène et le métal, ou du moins de faciliter l'activation nécessaire, pour former une espèce cationique super acide de Lewis du type Catalyseur à Géométrie Contrainte. Une étude théorique des systèmes présentant l'arrangement “Cp-P=N” montre que cette interaction est favorisée dans le complexe neutre, et qu'elle stabilise le complexe cationique. Plusieurs ligands monocyclopentadiényles à bras phosphazène ont été synthétisés, selon deux modèles : “Cp-Si-N=P” et “Cp-P=N”. Ces systèmes offrent une structure particulièrement modulable. L'alcane élimination entre les ligands et le tétrabenzylzirconium a permis d'obtenir les complexes monocyclopentadiényle benzylzirconium à bras phosphazène correspondants. Ces complexes présentent des structures originales, par les modes de coordination des ligands (notamment une hapticité très rarement observée η1 pour le ligand fluorényle), et par les effets électroniques et stériques subtils qui favorisent ou non la coordination du bras phosphazène au centre métallique.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à un problème mathématique issu de la modélisation de taux d'érosion maximale dans la stratigraphie géologique. Une contrainte globale sur $\partial_t u$, la dérivée par rapport au temps de la solution, est la principale caractéristique de ce modèle. Ce qui nous amène à considérer une équation non linéaire pseudo-parabolique avec un coefficient de diffusion qui est une fonction non-linéaire de $\partial_t u$. En outre, le problème dégénère de telle sorte de tenir compte implicitement de la contrainte. Nous présentons un résultat de l'existence d'une solution au problème continu. Ensuite, une méthode DgFem (discontinuous Galerkin finite element method) pour son approximation numérique est développée. Notre objectif est d'utiliser les propriétéess d'approximation constante par morceaux pour tenir compte implicitement de la contrainte.

Le domaine de la fusion par confinement magnétique et la technologie des tokamaks privilégient l'utilisation de câbles supraconducteurs pour la circulation de haute densité de courant (typiquement 70kA). Ces conducteurs se composent de milliers brins câblés sur plusieurs étages, insérés en conduite et refroidis à température cryogénique. Les chargements extrêmes d'origine thermique et électromagnétique appliqués sont susceptibles d'engendrer des déformations locales dégradant les qualités conductrices de ces câbles. Ces dégradations d'origine mécanique sont observées mais peu de modèles en décrivent le comportement. Dans le cadre de la modélisation des conducteurs de type câble-en-conduit (CICCs), nous proposons l'utilisation et l'adaptation d'un code élément fini de calcul de structures dédié aux milieux entremêlés: Multifil. Le problème du comportement mécanique global et local des câbles est posé sous la forme de la recherche d'équilibre d'un assemblage de poutres en grande déformation et en interaction de contact frottement sous différents chargements. Le développement de cette méthode numérique s'appuie sur un modèle de poutre à cinématique enrichie, intégrant notamment des déformations de sections et sur une résolution algorithmique implicite de type Newton-Raphson. Cette modélisation est largement basée sur les travaux déjà réalisés quant à l'étude de la mécanique interne de câble métallique et de textile où le traitement des contacts et primordiale. Pour ce qui est de l'application de Multifil aux modèles de CICCs, les adaptations et nouveaux développements du code de calcul ont été introduits lors de cette thèse.En premier lieu, la géométrie des câbles formés étant a priori inconnue, nous proposons une simulation du processus de mise en forme des conducteurs. Celle-ci consiste en une compaction d'une configuration théorique de câblage initiale au moyen d'outils rigides. Une partie importante de cette thèse a été dédiée au développement de conditions aux limites, dites pseudopériodiques, pertinentes face aux problématiques liées à la modélisation des câbles. Dans un deuxième temps et dans un effort de validation des modèles de câbles formés, nous présentons les résultats obtenus lors d'essais de traction/compression longitudinale et de compression transverse de câbles formés. Les comportements mécaniques des câbles en sollicitation axiale et transversale prédits par les modèles ont montré un bon accord avec les données expérimentales disponibles. Cela a été rendu possible grâce à l'identification des lois de comportements des brins sur des essais de traction cycliques et de pincement effectués au cours de cette thèse. L'observation au Microscope Electronique à Balayage de coupe de brins sollicités a permis de caractériser un critère de ruptures pour les micro-filaments Nb3Sn des brins. Des simulations complètes des conducteurs ITER en condition opératoire ont été réalisées avec succès pour différentes configurations de câbles. L'analyse des données fournies par le code de calculs a permis de mettre en lumière l'importante hétérogénéité des déformations axiales dans les conducteurs ainsi que la présence de déformations, dites critiques, susceptibles de pouvoir expliquer en partie les dégradations des propriétés supraconductrices des conducteurs d'ITER. Enfin les données fournies par Multifil ont été utilisées par deux codes de calculs électromagnétiques, CARMEN et JackPot, dans le but de décrire les propriétés électriques des conducteurs en fonction des déformations prédites par les modèles mécaniques.

Les conditions de déplacement de l'huile en géométries simples sont étudies en fonction des caractéristiques bien identifiables de fluides viscoélastiques. Dans ces expériences de déplacement immiscible, une huile de viscosité inférieure sera déplacée par un fluide newtonien de référence et par des fluides viscoélastiques que nous allons choisir, formuler et caractériser. Les expériences de déplacement dans une cellule Hele-Shaw mettent en évidence que le caractère élastique des formulations modifie les conditions de déplacement, surtout à vitesses élevées. De même nous pouvons observer une série d'expériences où la tension interfaciale du système fluide - huile a été diminuée pour monter que l'effet de l'élasticité apparaît sous ces conditions. Nous pouvons aussi observer comme les tendances se maintiennent à niveau microscopique, où la pénétration des fluides viscoélastiques dans des pores modèle est plus prononcée par rapport a un fluide newtonien. Finalement nous proposons un modèle simple qui prend en compte les propriétés élastiques des fluides en la déformation de l'interface fluide / huile que donne comme résultat une différence dans le déplacement immiscible quand on compare par rapport aux fluides newtoniens

La méthode des éléments finis, largement utilisée en analyse numérique, requiert que le domaine considéré soit préalablement maillé, c'est-à-dire partitionné en un ensemble de polytopes généralement, mais pas nécessairement, simpliciaux. Parmi les méthodes permettant la génération de tels maillages, la triangulation de Delaunay présente le double intérêt d'avoir un support théorique fondant la robustesse des algorithmes, ainsi que de produire des éléments de qualité, conditionnant fortement la précision des calculs ultérieurs. Elle présente cependant l'inconvénient de ne pas être à même de prendre en compte des considérations topologiques, lui interdisant de facto d'être utilisée en l'état pour produire des maillages. Un certain nombre de méthodes ont été proposées pour tenter de résoudre ce problème, mais aucune ne constitue une solution générale. Par ailleurs, les maillages qu'elles restituent ne possèdent plus la propriété de Delaunay. Ce travail étudie les conditions dans lesquelles une contrainte, en dimensions 2 et 3, apparaîtra dans toute triangulation de Delaunay du nuage de points auquel elle est associée. En particulier, des théorèmes de Delaunay-admissibilité a priori sont établis. A l'aide de ces résultats, des algorithmes de redéfinition de contraintes sont proposés, de telle sorte que les nouvelles discrétisations, recouvrements des anciennes, soient construites par toute triangulation de Delaunay. Ainsi, les contraintes étant satisfaites automatiquement, aucune opération de forçage a posteriori n'est requise, et les maillages produits sont de Delaunay. En raison du coût prohibitif de la convergence en dimension 3, deux algorithmes efficaces sont proposés, sans qu'aucune conjecture sur leur convergence ne soit formulée. A titre d'application de la méthode en dimension 3, l'interfaçage avec un mailleur de Delaunay contraint existant est étudié. En particulier, la pertinence de la méthode est illustrée grâce au déblocage d'une configuration que ce mailleur ne parvient pas à résoudre. D'autres applications possibles, ainsi que les développements en cours sont également évoqués.

Les aubes de turbine Haute Pression des moteurs d'avion, constituées du superalliage monocristallin AM1, sont refroidies par un circuit complexe de microcanalisations, situé en bord d'attaque et près du bord de fuite. Il peut constituer des sites privilégiés d'endommagement et d'amorçage de fissures, qu'il est indispensable de prendre en compte dans le dimensionnement en fatigue des aubes de turbines. Ce travail a consisté, dans un premier temps, à réaliser une étude expérimentale sur des éprouvettes perforées de trous de différents diamètres. Elle a permis de mettre en évidence qualitativement et quantitativement l'effet du gradient de contrainte sur l'amorçage de fissure. Cependant, la contrainte locale maximale (ou la déformation maximale) ne peut suffire dans un critère de rupture, car elle surestime le risque de rupture, ne prenant pas en compte les effets d'échelle ou de géométrie. Une méthode de moyenne volumique a alors été proposée pour prendre en compte le gradient de contrainte dans le calcul de durée de vie et a ainsi permis d'améliorer les prévisions de durée de vie.Parallèlement, un modèle d'endommagement de fatigue anisotrope, qui couple plasticité et endommagement, en s'attachant particulièrement à décrire la phase de micro-amorçage, a été développé. L'identification et la validation du modèle ont été réalisées à partir d'une base de données expérimentales conséquente sur l'AM1 et sur les essais sur éprouvettes perforées réalisés au cours de ce travail. Afin de prendre en compte les effets de gradient dans les zones à forte concentration de contrainte, la méthode de moyenne volumique a été appliquée avec ce modèle et a fourni des résultats encourageants.