Le comportement à la rupture du bois résineux est étudié à l’échelle du cerne de croissance, dite échelle mésoscopique. Un modèle élastique cohérent est obtenu à l’aide de l’usage combiné de la corrélation d’image numérique et de la simulation par la méthode particulaire NairnFEAMPM. Le comportement mécanique établi du bois est alors celui d’un composite multicouche orthotrope et cylindrique agrémenté de renforts radiaux que sont les rayons ligneux. La mise en place d’un modèle mécanique adéquat, appuyé sur divers essais expérimentaux sert alors de fondation à l’étude des mécanismes de rupture de l’épicéa dans le plan transverse. A l’échelle mésoscopique, les mécanismes de rupture sont dépendants de variables locales telles que la position de la pointe de fissure dans le cerne ou bien l’orientation des directions principales du matériau par rapport à celle de la sollicitation. La mise en place d’un critère de rupture en énergie se base sur l’estimation et la mesure des taux de restitution d’énergie locaux et de leurs valeurs critiques locales. Pour cela, divers essais de tractions sont réalisés à l’aide d’un montage spécifique permettant l’observation in situ du processus de fissuration sous microscope et la mesure pas à pas des paramètres de rupture. La méthode particulaire NairnFEAMPM combinée à l’algorithme CRAMP permet ensuite l’étude numérique, la comparaison et la mise en place de critères de rupture locaux. Des mécanismes de rupture spécifiques tels que la bifurcation de fissure, l’arrêt local ou bien la création de fissures secondaires trouvent alors une explication à travers les critères de rupture mésoscopiques proposés. L’analyse succincte du séchage transverse du bois par quelques essais expérimentaux et modélisation numériques via la méthode du point matériel NairnFEAMPM indique des pistes d’études intéressantes relatives aux phénomènes de fissuration sous sollicitation hydrique. / This study is based on recent works developed by Simon on softwood multiscale characterisation in the transverse plane. Wood fracture behaviour is then investigated at the mesoscopic scale i.e. the growth rings scale. A satisfactory elastic model is obtained by combining digital image correlation (DIC) and numerical simulation given by the material point method NairnFEAMPM. Wood mechanical behaviour is thus assimilated to a multilayer composite material orthotropic and cylindrical. This adequate mechanical model of wood based on experimental results, observations is then applied to the investigation of softwood fracture mechanics in the transverse plane. At the mesoscopic scale, fracture mechanisms vary according to local parameters such as crack notch position into the annual ring or wood orientation in relation to the solicitation orientation. The research of fracture criteria involves measurements and estimations of local energy release rates and local critical energy release rates. Various tension tests are thus performed with the use of a specific setup. This last one helps to complete microscopic in-situ observations of fracture mechanisms and step by step fracture parameters measurements. The meshless method NairnFEAMPM combined with the CRAMP algorithm allows the numerical analysis and the implementation of local fracture criteria. The determined fracture criteria helps to predict fracture process into wood at the annual ring scale. This analysis helps to improve the knowledge of specific fracture phenomena at the mesoscopic scale such as crack bifurcation, crack arrest and secondary crack creation. Transverse wood drying analysis is then realized from experimental tests and NairnMPMFEA numerical simulation. This study gives some interesting and encouraging results as MPM tool allows crack phenomena representation under hydric solicitation.

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).

Dans le contexte industriel de la mise en forme des matériaux composites à renforts fibreux, l’outil de simulation est devenu partie intégrante de l’amélioration des procédés. Aujourd’hui, les simulations numériques de la mise en forme des renforts fibreux sont pour la plupart basées sur une approche macroscopique et des modèles de matériaux continus dont on suppose que le comportement est non linéaire élastique, donc réversible. Or on sait que sous chargement non-monotones (charges et décharges), les renforts fibreux montrent d’importantes irréversibilités, liées notamment aux glissements entre mèches et entre fibres. La première partie de ce travail consiste à caractériser l’importance des irréversibilités par des tests de charges/décharges à l’échelle macroscopique en différents modes de déformation (flexion, cisaillement, compression) réalisés sur des renforts tissés. La seconde partie consiste à chercher des modèles de comportement qui décrivent l’anélasticité en flexion et en cisaillement et à les implémenter dans un code éléments finis. Une validation de ces modèles obtenus est faite par comparaison simulation-expérimentation des essais d’identification de flexion et de cisaillement plan. Cette partie est réalisée sur le logiciel PlasFib développé par l’INSA de Lyon, un code éléments-finis explicite en grande transformation proposant une approche macroscopique semi-discrète des renforts fibreux. La troisième partie consiste à simuler différents cas de mises en forme inspirées de pièces industrielles pour mettre en évidence les zones du renfort qui subissent des chargements non monotones (en flexion et en cisaillement) lors d’une mise en forme. Cela vise également à étudier l’importance de l’utilisation des modèles irréversibles pour simuler ces mises en forme en comparant les résultats des simulations obtenus avec des modèles de comportement réversibles avec ceux obtenus pour des modèles irréversibles. / In the industrial context of shaping composite materials with fibrous reinforcements, the numerical simulation tool has become an integral part of process improvement. Today, numerical simulations of shaping fibrous reinforcements are mostly based on a macroscopic approach and continuous material models that have been assumed to be nonlinear elastic, thus reversible. However, under non-monotonous loading paths, the fibrous reinforcement shows significant irreversibility, particularly related to sliding between yarns and between fibers. First of all, we will try to characterize the importance of irreversibilities by cyclic tests (bending, in-plan shearing, compression) carried out on woven reinforcements. The second part consists in looking for behavior models that describe bending and in-plane shear irreversibilities to implement them in a finite element code. A validation of these behavior models is made by comparing simulation and experimental results of bending and in-plane shear identification tests. This part is realized on PlasFib, a software developed by INSA Lyon, based on finite element code in large deformation, proposing a macroscopic semi-discrete approach of fibrous reinforcements. The third part of the study will consist in simulating the shaping process of different industrial parts (or inspired by industrial parts). This will aim first at identifying loading cases apt to produce non-monotonous loading paths (in bending and in-plane shear) during the shaping process ; and second, at studying the importance of using irreversible models to simulate these shaping processes by comparing the results of simulations obtained with reversible behavior models with those obtained for irreversible behavior models.

Se cree que la medicina in silico supondrá uno de los cambios más disruptivos en el futuro próximo. A lo largo de la última década se ha invertido un gran esfuerzo en el desarrollo de modelos computacionales predictivos para mejorar el poder de diagnóstico de los médicos y la efectividad de las terapias. Un punto clave de esta revolución, será la personalización, que conlleva en la mayoría de los casos, la creación de modelos computacionales específicos de paciente, también llamados gemelos digitales. Esta práctica está actualmente extendida en la investigación y existen en el mercado varias herramientas de software que permiten obtener modelos a partir de imágenes. A pesar de eso, para poderse usar en la práctica clínica, estos métodos se necesita reducir drásticamente el tiempo y el trabajo humano necesarios para la creación de los modelos numéricos. Esta tésis se centra en la propuesta de la versión basada en imágenes del Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM), una técnica para obtener de forma automática modelos a partir de imágenes y llevar a cabo análisis estructurales lineales de huesos, implantes o materiales heterogéneos. En la técnica propuesta, tras relacionar la escala de los datos de la imágen con valores de propiedades mecánicas, se usa toda la información contenida en los píxeles para evaluar las matrices de rigidez de los elementos que homogenizan el comportamiento elástico de los grupos de píxeles contenidos en cada elemento. Se h-adapta una malla cartesiana inicialmente uniforme a las características de la imágen usando un procedimiento eficiente que tiene en cuenta las propiedades elásticas locales asociadas a los valores de los píxeles. Con eso, se evita un suavizado excesivo de las propiedades elásticas debido a la integración de los elementos en áreas altamente heterogéneas, pero, no obstante, se obtienen modelos finales con un número razonable de grados de libertad. El resultado de este proceso es una malla no conforme en la que se impone la continudad C0 de la solución mediante restricciones multi-punto en los hanging nodes. Contrariamente a los procedimientos estandar para la creación de modelos de Elementos Finitos a partir de imágenes, que normalmente requieren la definición completa y watertight de la geometrá y tratan el resultado como un CAD estandar, con cgFEM no es necesario definir ninguna entidad geométrica dado que el procedimiento propuesto conduce a una definición implícita de los contornos. Sin embargo, es inmediato incluirlas en el modelo en el caso de que sea necesario, como por ejemplo superficies suaves para imponer condiciones de contorno de forma más precisa o volúmenes CAD de dispositivos para la simulación de implantes. Como consecuencia de eso, la cantidad de trabajo humano para la creación de modelos se reduce drásticamente. En esta tesis, se analiza en detalles el comportamiento del nuevo método en problemas 2D y 3D a partir de CT-scan y radiográfias sintéticas y reales, centrandose en tres clases de problemas. Estos incluyen la simulación de huesos, la caracterización de materiales a partir de TACs, para lo cual se ha desarrollado la cgFEM virtual characterisation technique, y el análisis estructural de futuros implantes, aprovechando la capacidad del cgFEM de combinar fácilmente imágenes y modelos de CAD. / Es creu que la medicina in silico suposarà un dels canvis més disruptius en el futur pròxim. Al llarg de l'última dècada, s'ha invertit un gran esforç en el desenvolupament de models computacionals predictius per millorar el poder de diagnòstic dels metges i l'efectivitat de les teràpies. Un punt clau d'aquesta revolució, serà la personalització, que comporta en la majoria dels casos la creació de models computacionals específics de pacient. Aquesta pràctica està actualment estesa en la investigació i hi ha al mercat diversos software que permeten obtenir models a partir d'imatges. Tot i això, per a poder-se utilitzar en la pràctica clínica aquests métodes es necessita reduir dràsticament el temps i el treball humà necessaris per a la seva creació. Aquesta tesi es centra en la proposta d'una versió basada en imatges del Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM), una técnica per obtenir de forma automàticament models a partir d'imatges i dur a terme anàlisis estructurals lineals d'ossos, implants o materials heterogenis. Després de relacionar l'escala del imatge a propietats macàniques corresponents, s'usa tota la informació continguda en els píxels per a integrar les matrius de rigidesa dels elements que homogeneïtzen el comportament elàstic dels grups de píxels continguts en cada element. Es emphh-adapta una malla inicialment uniforme a les característiques de la imatge usant un procediment eficient que té en compte les propietats elàstiques locals associades als valors dels píxels. Amb això, s'evita un suavitzat excessiu de les propietats elàstiques a causa de la integració dels elements en àrees altament heterogénies, però, tot i això, s'obtenen models finals amb un nombre raonable de graus de llibertat. El resultat d'aquest procés és una malla no conforme en la qual s'imposa la continuïtat C0 de la solució mitjançant restriccions multi-punt en els hanging nodes. Contràriament als procediments estàndard per a la creació de models d'Elements finits a partir d'imatges, que normalment requereixen la definició completa i watertight de la geometria i tracten el resultat com un CAD estàndard, amb cgFEM no cal definir cap entitat geométrica. No obstant això, és immediat incloure-les en el model en el cas que sigui necessari, com ara superfícies suaus per imposar condicions de contorn de forma més precisa o volums CAD de dispositius per a la simulació d'implants. Com a conseqüéncia d'això, la quantitat de treball humà per a la creació de models es redueix dràsticament. En aquesta tesi, s'analitza en detalls el comportament del nou métode en problemes 2D i 3D a partir de CT-scan i radiografies sintétiques i reals, centrant-se en tres classes de problemes. Aquestes inclouen la simulació d'ossos, la caracterització de materials a partir de TACs, per a la qual s'ha desenvolupat la cgFEM virtual characterisation technique, i l'anàlisi estructural de futurs implants, aprofitant la capacitat del cgFEM de combinar fàcilment imatges i models de CAD. / In silico medicine is believed to be one of the most disruptive changes in the near future. A great effort has been carried out during the last decade to develop predicting computational models to increase the diagnostic capabilities of medical doctors and the effectiveness of therapies. One of the key points of this revolution, will be personalisation, which means in most of the cases creating patient specific computational models, also called digital twins. This practice is currently wide-spread in research and there are quite a few software products in the market to obtain models from images. Nevertheless, in order to be usable in the clinical practice, these methods have to drastically reduce the time and human intervention required for the creation of the numerical models. This thesis focuses on the proposal of image-based Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM), a technique to automatically obtain numerical models from images and carry out linear structural analyses of bone, implants or heterogeneous materials. In the method proposed in this thesis, after relating the image scale to corresponding elastic properties, all the pixel information will be used for the integration of the element stiffness matrices, which homogenise the elastic behaviour of the groups of pixels contained in each element. An initial uniform Cartesian mesh is h-adapted to the image characteristics by using an efficient refinement procedure which takes into account the local elastic properties associated to the pixel values. Doing so we avoid an excessive elastic property smoothing due to element integration in highly heterogeneous areas, but, nonetheless obtain final models with a reasonable number of degrees of freedom. The result of the process is non-conforming mesh in which C0 continuity is enforced via multipoint constraints at the hanging nodes. In contrast to the standard procedures for the creation of Finite Element models from images, which usually require a complete and watertight definition of the geometry and treat the result as a standard CAD, with cgFEM it is not necessary to define any geometrical entity, as the procedure proposed leads to an implicit definition of the boundaries. Nonetheless, they are straightforward to include in the model if necessary, such as smooth surfaces to impose the boundary conditions more precisely or CAD device volumes for the simulation of implants. As a consequence, the amount of human work required for the creation of the numerical models is drastically reduced. In this thesis, we analyse in detail the new method behaviour in 2D and 3D problems from CT-scans and X-ray images and synthetic images, focusing on three classes of problems. These include the simulation of bones, the material characterisation of solid foams from CT scans, for which we developed the cgFEM virtual characterisation technique, and the structural analysis of future implants, taking advantage of the capability of cgFEM to easily mix images and CAD models. / Giovannelli, L. (2018). Direct creation of patient-specific Finite Element models from medical images and preoperative prosthetic implant simulation using h-adaptive Cartesian grids [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/113644 / TESIS

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