La diminution des dimensions critiques dans l’industrie du semi-conducteur requiert l’utilisation de nouveaux matériaux fragiles qui dégradent la résistance mécanique des puces. On s’intéresse plus particulièrement aux étapes précédant la mise en boîtier, à savoir les tests paramétriques qui permettent de vérifier la fonctionnalité électrique de la puce, et les assemblages tels la connexion filaire qui ont pour but d’établir les connexions avec le boîtier. Durant ces opérations, des défaillances mécaniques sont observées dans les interconnexions situées sous le pad. Des techniques expérimentales (par ex : FIB/MEB) sont mises en œuvre une fois les tests ou les assemblages avec des fils d’or et de cuivre réalisés afin de mieux comprendre les raisons d’apparition de ces défaillances ainsi que leur localisation. Des plans d’expériences sont mis en place pour évaluer l’influence des divers paramètres de tests et d’assemblage et également celle des architectures de pad. En parallèle, une nouvelle méthode d’analyse basée sur la nanoindentation est utilisée pour comparer la robustesse mécanique de divers plots de connexion. D’autre part, plusieurs modèles éléments finis complexes, prenant en compte la gestion du contact entre la pointe de test et le pad ainsi que les effets inertiels associés, sont développés dans le but de reproduire les conditions de chargement sur les pads. Finalement, un ensemble d’outils adaptés à l’étude et l’optimisation des architectures de pad, dans une optique industrielle, est présenté de même que des règles de dessin permettant d’accompagner le développement technologique. / The diminution of the critical dimensions in the semiconductor industry and the introduction of new brittle dielectric materials raise questions on the mechanical resistance of the die and the pad architectures. Nowadays, pad structures are prone to crack. More precisely, the electrical wafer sort (EWS), which allows checking the electrical functionality of the die, and the assemblies such as the wire bonding to achieve the electrical connections with the packaging, are performed at the wafer level and introduce high levels of local mechanical stresses. Indeed, during these operations, failures in the oxide layers of the interconnections are observed. Experimental techniques (e.g. profilometry, FIB/SEM) are developed after EWS and bonding with gold and copper wires to gain insight on the root causes and localization of the failures. Some designs of experiments are set up to evaluate the influence of the test and process parameters and also of the various pad designs on the mechanical robustness of the structures. In addition, a novel analysis procedure, based on nanoindentation technique, is employed to compare various pads, which are complex multilayer systems. Moreover, several finite element models, using both explicit and implicit schemes are developed to mimic the EWS test. Indeed, these models have shown their ability to reproduce the loading conditions, the contact between the testing needle tip and the pad, and some inertial effect during the test. Finally, a comprehensive set of tools to evaluate and optimize the pad architectures is presented. Guidelines for pad layouts are also given, providing integration insights in the frame of the technology development.

Les chirurgies de l'os mandibulaire peuvent modifier la position anatomique des disques et des condyles de l'articulation temporo-mandibulaire (ATM). Les modifications de contraintes qui en résultent peuvent être à l'origine d'une dislocation temporaire ou permanente du disque et peuvent provoquer des dysfonctionnements s'exprimant par des douleurs buccales et faciales. L'objectif de ce travail était de prévoir les modifications de contraintes dans l'articulation temporo-mandibulaire (ATM) après un protocole de distraction symphysaire mandibulaire (DS). Ce traitement chirurgical sert à traiter les encombrements dentaires de la mandibule.De manière à étudier l'impact d'une telle intervention au niveau de l'ATM, nous avons fait le choix de réaliser un modèle d'approche numérique de mastication par éléments finis. Les données géométriques ont été obtenues à partir de l'imagerie scanner et IRM d'un patient dont les composants de l'ATM ont été maillés. La chirurgie de distraction symphysaire a été réalisée sur le modèle avec un élargissement de 10 mm dans la région médiane de la mandibule. La géométrie et le maillage du cal osseux ont été reconstruits. Le cal osseux a été caractérisé par un module d'élasticité correspondant à l'os consolidé pour prédire l'effet biomécanique à long terme de la DS. Pour simuler une fermeture de la mâchoire, les conditions aux limites ont été appliquées au modèle sous la forme de vecteurs de force. Les champs de contraintes de von Mises dans les deux disques et condyles ont été analysés et comparés avant et après la DS. Contrairement aux approches habituellement menées, le modèle proposé est complet et ne contient pas de symétrie, de manière à mettre en évidence d'éventuelles asymétries dans la répartition des contraintes. La répartition des contraintes était proche dans les disques et sur les surfaces condyliennes dans les modèles avant et après distraction. Les résultats de cette étude suggèrent que les changements anatomiques des structures de l'ATM ne prédisposent pas à une fatigue des tissus. La DS n'exposerait donc pas au risque de dysfonction des ATM et de symptômes cliniques. / Mandibular surgery such as distraction osteogenesis can generate anatomical modifications in the temporomandibular joint (TMJ) discs. The resulting stress modifications can be at the origin of a temporary or permanent disc dislocation with degeneration and may cause severe oral and facial pain or masticatory dysfunctions. The aim of this work was to predict stress modification in the temporomandibular joint (TMJ) after mandibular symphyseal distraction (SD). This surgical procedure is used to resolve dental crowding on the mandibular dental arch.In order to study the potential impact of such a surgery on TMJ discs a three-dimensional finite element analysis of a complete mastication model was performed. Geometric data were obtained from MRI and CT scans of a healthy male patient and each component was meshed individually. The distraction was performed on the model with a 10 mm expansion after simulation of a surgical vertical osteotomy line in the mandibular midline region. The geometry and mesh of the bone callus were generated. The bone callus was modeled as a strengthened region characterized by a Young's modulus corresponding to consolidated bone to predict the long-term biomechanical effect of SD. Boundary conditions for jaw closing simulations were represented by different jaw muscle load directions. The von Mises stress distributions in both joint discs and condyles during closing conditions were analyzed and compared before and after SD. Contrary to usual analyses, no symmetry was used, and the whole mandible was analyzed in order to exhibit potential asymmetries. Stress distribution was similar in discs and on condylar surfaces in the pre- and post-distraction models. The outcomes of this study suggest that anatomical changes in TMJ structures should not predispose to long-term tissue fatigue and demonstrate the absence of clinical permanent TMJ symptoms after SD.

Les freins aéronautiques sont soumis à des instabilités vibratoires induites par le frottement. Il en résulte des vibrations qui présentent un risque pour la structure du frein et de l’atterrisseur et posent des problèmes d’intégration. Safran Landing Systems doit donc répondre à des spécifications avionneurs strictes sur les niveaux des vibrations générées par son équipement. Le respect de ces spécifications est actuellement contrôlé par la réalisation d’essais de freinage longs et coûteux. L’objectif de ces travaux de recherche est de reproduire numériquement ces phénomènes vibratoires via des outils intégrables au processus de conception d’un frein. Le crissement de frein, bien qu’il soit l’objet de recherches depuis le début du XXe siècle, demeure un phénomène assez mal compris, notamment dans l’aéronautique. Des vibrations instables apparaissent régulièrement sur l’ensemble de la plage fréquentielle 0-2 kHz. Au cours de la dernière décennie, une instabilité vibratoire vers 200 Hz dénommée whirl 2 s’est manifestée de manière récurrente et souvent critique sur la plupart des nouveaux freins développés. On cherche donc à mettre en place une méthode permettant de simuler l’apparition et les amplitudes des instabilités vibratoires, notamment du mode de whirl 2. Dans une première partie, on présente des analyses d’essais vibratoires réalisés en conditions opérationnelles et expérimentales. On décrit ensuite la modélisation par la méthode des éléments finis du frein instable au sens de Lyapunov. La stabilité du système linéarisé est étudiée et on montre une corrélation en fréquence et déformée entre le modèle et les essais. Ce modèle éléments finis est trop volumineux en l’état pour permettre la simulation d’amplitudes de vibrations non linéaires. On propose donc dans une seconde partie deux méthodes de réduction adaptées à l’architecture complexe d’un système de freinage aéronautique et permettant la prise en compte du frottement. La première est une méthode semi-analytique qui se révèle très performante jusqu’à 500 Hz. La seconde méthode de réduction mise en oeuvre est la double synthèse modale. Elle est implémentée dans sa version classique, puis une amélioration est proposée avec succès : la double synthèse modale complexe. La troisième partie est consacrée à l’étude de la dynamique non linéaire du whirl 2 par la réalisation d’intégrations temporelles. La simulation des amplitudes de vibration nécessite la prise en compte réaliste du comportement non linéaire du frein. Or, on fait d’abord le constat que, contrairement à une hypothèse communément admise, les non-linéarités de contact situées aux interfaces frottantes ne suffisent pas à expliquer à elles seules la saturation des amplitudes vibratoires constatée expérimentalement. La recherche des phénomènes physiques non linéaires influents nous amène a considérer l’interaction de la structure vibrante avec le circuit hydraulique de commande du frein. La modélisation du couplage hydrodynamique fournit alors des éléments de compréhension inédits et permet de formuler des règles de conception. Enfin on étudie l’impact du frottement sec dans les contacts périphériques des disques de freinage avec la structure. Ce phénomène, jusque là négligé, apparaît largement prépondérant. Des études d’influences, présentant une bonne corrélation avec les essais, permettent de mettre en évidence de manière robuste l’influence du design et des scénarios de freinage sur les amplitudes vibratoires. / These vibrations are a threat for the brake and landing-gear structural integrity and represent an issue in terms of integration. Thus Safran Landing Systems has to comply with aircraft manufacturers’ strict requirements on the vibration amplitude its product is likely to generate. Compliance to these requirements is assessed by long and costly braking test campaigns. The objective of the research presented here is to reproduce by simulation the brake dynamic instabilities with numerical tools that could be integrated in the design process. Brake squeal has been a research topic since the early XXth century. However it remains a rather ill-understood phenomenon, especially in aeronautics. Unstable vibrations regularly appear on the whole 0-2kHz frequency spectrum. In the last decade, an instability located around 200 Hz called whirl 2 persistently appeared on the newly developed wheel and brake assemblies, sometimes exhibiting critical vibration amplitudes. Consequently, Safran Landing Systems wishes to develop numerical tools able to simulate both the occurrence and the amplitudes associated with friction-induced instabilities, especially with the whirl 2 mode. In the first part of this report, an experimental analysis of the brake is conducted, on both laboratory and in operational set-ups. The modelling of the wheel and brake assembly using the finite element method is then described. The system stability in a Lyapunov’s sense is studied and shows good correlation in both frequencies and mode shapes with the experiments. This finite element model is too big to be used to perform the transient simulation of the nonlinear amplitudes. In the second part, two reduction methods, tailored to the complex aircraft brakes architectures, are thus presented. The first method is a semi-analytical. It shows excellent performances up to 500 Hz. The second reduction method is the double modal synthesis, implemented under its classical version. It is then successfully improved and called "complex double modal synthesis". The third part is dedicated to the study of the nonlinear dynamics of the whirl 2 through transient analyses. The nonlinear amplitudes simulation requires taking into account the relevant nonlinear brake behavior. However, it is first observed that, contrary to a commonly accepted hypothesis, the contact nonlinearities located at the friction interfaces cannot single-handedly account for the vibration amplitudes saturation observed in the tests. The need to identify the relevant physical phenomena leads then to consider the interaction between the squealing brake structure and its hydraulic command circuit. The modelling of the hydro-mechanical coupling provides an unprecedented insight and allows to prescribe design rules. Finally, we study the impact of dry friction in the peripheral contacts between the braking discs and the structure. This phenomenon, neglected until now, appears to have a major influence. Sensitivity studies exhibit a good correlation with tests, allowing to highlight, in a robust manner, the impact of brake design and braking scenarii on the nonlinear vibration amplitudes.

Cette thèse se focalise sur le développement d’un élément continu de coque axisymétrique raidie de type Reissner/Mindlin. La démarche consiste à utiliser les éléments de coques axisymétriques développés aux LISMMA pour lesquels une méthode de prise en compte de chargements repartis a été définie. L'introduction des raidisseurs longitudinaux est menée à partir d'éléments de poutres droites couplés à la coque. L'introduction des raidisseurs circonférentiels nécessite quant à elle le développement d'éléments de poutres circulaires selon une formulation analogue à celle des coques axisymétriques. Cette formulation appelée méthode des éléments continus est basée,entre autre, sur le développement en série de Fourier des champs inconnus selon la dimension circonférentielle et sur la détermination de la matrice de rigidité dynamique de la structure étudiée.Deux configurations de couplage ont été envisagées: Le couplage de coques axisymétriques avec des éléments d'anneaux circulaires de Timoshenko agissant comme raidisseurs circonférentiels puis avec des poutres droites de Timoshenko agissant comme raidisseurs longitudinaux. Des analyses harmoniques sont ensuite menées de manière à valider les formulations présentées par comparaison avec les résultats issus de modélisations éléments finis. / This thesis focuses on the development of a continuous stiffened axisymmetric shell element of type Reissner/Mindlin. The approach consist in using the axisymmetric shell element developed in LISMMA for which distributed loads were applied on it.The introduction of longitudinal stiffeners is achieved by using a straight beam element coupled to the shell. The introduction of circumferential stiffeners requires the development of circular beam element according to a formulation similar to that used for the axisymmetric shell.In fact, this continuous element method is based on the development of the unknown fields on the Fourier series according to the circumferential dimensions and on the determination of the dynamic stiffness matrix of the studied structure.Two coupling configuration were considered: First of all the coupling of axisymmetric shell with circular Timoshenko beam element acting as circumferential stiffeners, then with straight Timoshenko beam element acting as longitudinal stiffener. Harmonic analyzes are conducted in order to validate the formulations presented in comparison with the results obtained from finite element model.

Cette thèse porte sur l’étude du dévissage spontané d’assemblages vissés, sous sollicitations dynamiques transversales. Un travail expérimental et numérique a été réalisé pour caractériser ce phénomène, dans des conditions proches de celles des assemblages réels. Une expérimentation a permis de provoquer le dévissage d’un boulon, en soumettant l’assemblage à des vibrations transversales par rapport à l’axe de la vis. Les effets de la précharge, du traitement de surface et de la disposition des vis ont été explorés. Ces résultats ont été confrontés avec ceux obtenus par un modèle numérique détaillé utilisant la méthode des éléments finis. Cependant, en raison de la complexité de la géométrie et des difficultés de modélisation à l’échelle locale, le temps de calcul est très important et peut être prohibitif pour une étude industrielle. Afin de remédier à cette difficulté, des modèles simplifiés ont été développés, l’un avec une approche par éléments finis associés à un connecteur cinématique, et l’autre par modélisation unidimensionnelle. Ces modèles simplifiés reproduisent correctement le phénomène du dévissage spontané et confirment leur efficacité en gain de temps de calcul. / This thesis focuses on the study of the self-loosening of bolted joints under transverse dynamic loads. Experimental and numerical work was carried out in order to reveal this phenomenon under conditions close to those of actual assemblies. An experiment allowed the loosening of a bolt to be caused by subjecting the assembly to transverse vibration with respect to the axis of the screw. Effects of preload, surface treatment and disposal of the screws were explored. These results were compared with those obtained by a detailed numerical model using the finite element method. However, due to the complexity of the geometry and modeling challenges at the local level, the computation time was very long and may be prohibitive for an industrial study. To remedy this problem, two simplified models were developed, one with a finite element approach associated with a kinematic connector, and one by unidimensional modeling. These simplified models correctly reproduce the self-loosening phenomenon and confirm their efficiency in terms of computation time.

La liquéfaction des sols qui est déclenchée par des mouvements sismiques forts peut modifier la réponse d’un site. Ceci occasionne des dégâts importants dans les structures comme a été mis en évidence lors des tremblements de terre récents tels que celui de Christchurch, Nouvelle-Zélande et du Tohoku, Japon. L’évaluation du risque sismique des structures nécessite une modélisation robuste du comportement non linéaire de sols et de la prise en compte de l’interaction sol-structure (ISS). En général, le risque sismique est décrit comme la convolution entre l’aléa et la vulnérabilité du système. Cette thèse se pose comme une contribution à l’étude, via une modélisation numérique, de l’apparition de la liquéfaction et à l’utilisation des méthodes pour réduire les dommages induits.A cet effet, la méthode des éléments finis(FEM) dans le domaine temporel est utilisée comme outil numérique. Le modèle principal est composé d’un bâtiment fondé sur un sable liquéfiable. Comme la première étape de l’analyse du risque sismique, la première partie de cette thèse est consacrée à la caractérisation du comportement du sol et à sa modélisation.Une attention particulière est donnée à la sensibilité du modèle à des paramètres numériques. En suite, le modèle est validé pour le cas d’une propagation des ondes 1D avec les mesures issus du benchmark international PRENOLIN sur un site japonais. D’après la comparaison, le modèle arrive à prédire les enregistrements dans un test en aveugle.La deuxième partie, concerne la prise en compte dans la modélisation numérique du couplage de la surpression interstitielle (Δpw)et de la déformation du sol. Les effets favorables ou défavorables de ce type de modélisation ont été évalués sur le mouvement en surface du sol lors de la propagation des ondes et aussi sur le tassement et la performance sismique de deux structures.Cette partie contient des éléments d’un article publié dans Acta Geotechnica (Montoya-Noguera and Lopez-Caballero, 2016). Il a été trouvé que l’applicabilité du modèle dépend à la fois du niveau de liquéfaction et des effets d’ISS.Dans la dernière partie, une méthode est proposée pour modéliser la variabilité spatiale ajoutée au dépôt de sol dû à l’utilisation des techniques pour diminuer le degré de liquéfaction. Cette variabilité ajoutée peut différer considérablement de la variabilité inhérente ou naturelle. Dans cette thèse, elle sera modélisée par un champ aléatoire binaire.Pour évaluer l’efficience du mélange, la performance du système a été étudiée pour différents niveaux d’efficacité, c’est-à-dire,différentes fractions spatiales en allant de non traitées jusqu’à entièrement traitées. Tout d’abord le modèle binaire a été testé sur un cas simple, tel que la capacité portante d’une fondation superficielle sur un sol cohérent.Après, il a été utilisé dans le modèle de la structure sur le sol liquéfiable. Ce dernier cas,en partie, a été publié dans la revue GeoRisk (Montoya-Noguera and Lopez-Caballero,2015). En raison de l’interaction entre les deux types de sols du mélange, une importante variabilité est mise en évidence dans la réponse de la structure. En outre, des théories classiques et avancées d’homogénéisation ont été utilisées pour prédire la relation entre l’efficience moyenne et l’efficacité. En raison du comportement non linéaire du sol, les théories traditionnelles ne parviennent pas à prédire la réponse alors que certaines théories avancées qui comprennent la théorie de la percolation peuvent fournir une bonne estimation. En ce qui concerne l’effet de la variabilité spatiale ajoutée sur la diminution du tassement de la structure, différents séismes ont été testés et la réponse globale semble dépendre de leur rapport de PHV et PHA. / Strong ground motions can trigger soil liquefaction that will alter the propagating signal and induce ground failure. Important damage in structures and lifelines has been evidenced after recent earthquakes such as Christchurch, New Zealand and Tohoku, Japanin 2011. Accurate prediction of the structures’ seismic risk requires a careful modeling of the nonlinear behavior of soil-structure interaction (SSI) systems. In general, seismic risk analysisis described as the convolution between the natural hazard and the vulnerability of the system. This thesis arises as a contribution to the numerical modeling of liquefaction evaluation and mitigation.For this purpose, the finite element method (FEM) in time domain is used as numerical tool. The main numerical model consists of are inforced concrete building with a shallow rigid foundation standing on saturated cohesionless soil. As the initial step on the seismic risk analysis, the first part of the thesis is consecrated to the characterization of the soil behavior and its constitutive modeling. Later on, some results of the model’s validation witha real site for the 1D wave propagation in dry conditions are presented. These are issued from the participation in the international benchmark PRENOLIN and concern the PARI site Sendaiin Japan. Even though very few laboratory and in-situ data were available, the model responses well with the recordings for the blind prediction. The second part, concerns the numerical modeling of coupling excess pore pressure (Δpw) and soil deformation. The effects were evaluated on the ground motion and on the structure’s settlement and performance. This part contains material from an article published in Acta Geotechnica (Montoya-Noguera andLopez-Caballero, 2015). The applicability of the models was found to depend on both the liquefaction level and the SSI effects.In the last part, an innovative method is proposed to model spatial variability added to the deposit due to soil improvement techniques used to strengthen soft soils and mitigate liquefaction. Innovative treatment processes such as bentonite permeations and biogrouting,among others have recently emerged.However, there remains some uncertainties concerning the degree of spatial variability introduced in the design and its effect of the system’s performance.This added variability can differ significantly from the inherent or natural variability thus, in this thesis, it is modeled by coupling FEM with a binary random field. The efficiency in improving the soil behavior related to the effectiveness of the method measured by the amount of soil changed was analyzed. Two cases were studied: the bearing capacity of a shallow foundation under cohesive soil and the liquefaction-induced settlement of a structure under cohesionless loose soil. The latter, in part, contains material published in GeoRisk journal (Montoya-Noguera and Lopez-Caballero, 2015). Due to the interaction between the two soils, an important variability is evidenced in the response. Additionally, traditional and advanced homogenization theories were used to predict the relation between the average efficiency and effectiveness. Because of the nonlinear soil behavior, the traditional theories fail to predict the response while some advanced theories which include the percolation theory may provide a good estimate. Concerning the effect of added spatial variability on soil liquefaction, different input motions were tested and the response of the whole was found to depend on the ratio of PHV and PHA of the input motion.

Le crissement de frein est une nuisance sonore récurrente dans l’automobile qui, bien qu’il n’existe pas de solution robuste lors de la conception, se traduit souvent par des pénalités économiques envers les équipementiers. La simulation numérique et les caractérisations expérimentales sont les deux voies classiques pour analyser les phénomènes crissants. La simulation permet une analyse fine des comportements vibratoires et l’évaluation de l’impact de modifications de conception, mais les modèles sont imparfaits et leur domaine de validité doit être établi. La mesure garantit que tous les paramètres sont pris en compte, mais elle est souvent spatialement pauvre et peu adaptée à la prédiction de modifications. Dans ce contexte, les objectifs de la thèse sont de faire un bilan des méthodes d’exploitation des essais, de fournir des outils permettant une interaction facilitée entre les équipes d’essai et de simulation et de mettre en œuvre les développements dans une application métier.Après un rappel sur les hypothèses et les méthodes pour l’identification modale, une analyse critique des résultats d’identification aboutit à la caractérisation des biais et à l’introduction de critères détaillés permettant d’évaluer la qualité du résultat. La corrélation calcul/essai permet de qualifier les modèles et des outils sont intégrés pour faciliter sa mise en œuvre. Plusieurs critères sont définis pour mettre en évidence les sources de mauvaise corrélation venant de la mesure d’une part et du modèle d’autre part. Les sources de mauvaise corrélation sont également identifiées avec l’algorithme d’expansion MDRE, dont les limitations sont comparées à celles des expansions statiques et dynamiques.Le recalage des modèles est ensuite traité par une procédure systématique imbriquant les étapes de recalage de la géométrie, des propriétés matériau et des contacts entre composants. Une paramétrisation du contact est proposée avec une réduction multi-modèle permettant des temps de calculs compatibles avec le temps industriel. Elle permet également des études de sensibilités avec l’introduction de la notion de modes de composant dans un assemblage.Une analyse détaillée d’une campagne de mesure sur un système de frein en conditions crissantes est enfin réalisée. Un parallèle entre les évolutions du cycle limite et le degré de couplage des modes complexes est proposé. Dans le domaine temps-fréquence, la variabilité, la répétabilité, la reproductibilité et la possibilité d’agréger des mesures séquentielles sont évaluées. Le résultat obtenu est finalement étendu sur le modèle éléments finis, ce qui permet des interprétations utiles. / Brake squeal is a nuisance commonly encountered in the car industry which often results in financial penalties towards brake manufacturers, even if no robust solution exists for the conception. Numerical simulation and experimental characterizations are the classical two-track approaches to analyze squeal phenomena. Numerical simulation allows a fine analysis of vibration behaviors and the evaluation of conception modification impacts, but models are not perfect and their validity domain must be defined. Measurement guarantees that every parameter is taken into account, but it is often spatially poor and not really suited for modification prediction. In this context, the thesis objectives are to make an overview of test operating methods, to provide tools allowing an easier interaction between both test and simulation teams and to enforce the developments in a business application.After a review of the hypotheses and methods for modal identification, a critical analysis of the identification results leads to the characterization of biases and the introduction of detailed criteria to evaluate the quality of the result. Calculation/test correlation allows to qualify the models and tools are integrated to facilitate its implementation. Several criteria are defined to highlight the sources of bad correlation coming from the measure on the one hand and the model on the other hand. Sources of poor correlation are also identified with the MDRE expansion algorithm, whose limitations are compared with those of static and dynamic expansions.Model updating is then processed by a systematic procedure imbricating the steps of updating of geometry, material properties and contacts between components. A contact parametrization is proposed with a multi-model reduction allowing calculation times compatible with industrial time. It also allows sensitivity studies with the introduction of the notion of component modes in an assembly.Finally, a detailed analysis of a measurement campaign on a braking system under squeal conditions is carried out. A parallel between the changes of the limit cycle and the degree of coupling of the complex modes is proposed. In the time-frequency domain, variability, repeatability, reproducibility and the ability to aggregate sequential measurements are evaluated. The result is finally extended on the finite element model, which allows useful interpretations.

La position assise peut être source d'inconfort, particulièrement en avion lors des vols longcourriers. Cet inconfort provient en partie de facteurs mécaniques liés à l'interaction entre le siège et le passager. Disposer de modèles biomécaniques pouvant simuler cette interaction et estimer ces facteurs permettrait d'optimiser le design du siège d'avion lors de sa phase de conception afin d'améliorer son ergonomie et réduire l'inconfort du passager. L'objectif de cette thèse est de développer un outil numérique permettant d'estimer les facteurs mécaniques menant à l'inconfort et la fatigue des passagers. Cet outil combine deux différents types de modèles. Un modèle éléments finis permettant de simuler la déformation des tissus sous-cutanés et un modèle corps rigides permettant d'estimer les efforts musculaires et articulaires. Une méthode de couplage des deux modèles a été développée permettant ainsi de simuler une position à partir de laquelle l'ensemble des facteurs d'inconfort sont estimés. Un modèle éléments finis a été développé après avoir fait une étude de sensibilité sur les différents paramètres de modélisation (maillage, géométrie, lois matériaux). Un modèle corps rigides développé par Anybody a été utilisé pour être couplé avec ce modèle éléments finis. Cette méthode de couplage itératif entre les deux modèles a permis de réaliser un ajustement de la posture initiale dans le siège. Afin de simuler l'ensemble de la population et sa grande diversité morphologique, un modèle surfacique paramétrique a été développé à partir de données 3d expérimentales, ce modèle surfacique permettant ainsi d'obtenir un modèle éléments finis représentant tout type d'anthropométrie. Différents processus de validation ont été effectués à l'aide de données et d'un modèle « sujetspécifique ». Les données de pression externe simulées ont été comparées à des données expérimentales. Une étude expérimentale sous IRM ouvert a permis de mesurer les déformations des différents tissus sous-cutanés afin de les comparer aux données simulées. Un outil numérique est donc aujourd'hui disponible pour simuler l'impact du siège sur les passagers, cependant de futures études devraient se concentrer d'une part sur les modèles en étudiant la variation morphologique interne inter individus, le positionnement dans le siège ainsi que l'influence du temps sur les tissus mous et d'autres part sur la définition de critères d'inconfort et de fatigue (inconfort considéré sur des temps longs représentatifs d'un vol long-courrier) / The sitting position could be a source of discomfort, in particular in a long haul flight. This discomfort comes partially from mechanical factors linked to the interaction between the passenger and the seat. Having biomechanical models which can simulate this interaction and estimate these factors would allow optimizing the seat design in its conception phase to improve it ergonomic quality and reduce the passenger discomfort. The objective of this thesis is to develop a digital tool allowing estimating the mechanical factors leading to discomfort and fatigue of the passenger. This tool assemble two kinds of models, a finite element model allowing to simulate the sub dermal tissue deformation and a multibody model allowing to estimate the muscular and joint forces. A coupling method of the two models have been developed allowing simulating a position from where the all discomfort factors are estimated. A finite element model has been developed after having done a sensitivity analysis on the different model parameters (mesh, geometry, material law). A multibody model developed by Anybody was used to be associated with this finite element model. This iterative coupling method between the two models allowed realizing an adjustment of the initial posture in the seat. To simulate the whole population and is large morphological diversity, a parametric shape model was developed from 3d experimental data, this shape model allowing to obtain a finite element model representing any kind of anthropometry. Different validation processes have been realized with experimental data and subject-specific model. The simulated extern pressures were compared to experimental data. An experimental study done in an open MRI allowed to measure the different subcutaneous tissue to compare it to the simulated data. A digital tool is consequently now available to simulate the impact of the seat on the passenger, however future studies should focus on the one hand on the models studying the internal morphological variations between people, the person positioning in the seat, the time influence on the soft tissue and on the other hand on the discomfort and fatigue criteria

During the earthquake in Japan and California in the 1990s, some weld beam-to-column connections had some cracks in heavy rigid frame steel building. Consequently it is required to assess the performance of the welded connection in term of rotation capacity and crack propagation strength. Some experimental tests have been performed. The weld connections were submitted to cyclic loading with increasing amplitude until macro crack event. However the crack phenomenon depends on many parameters: the geometry, the material, the welding process. For this reason, it is interesting to develop a finite element modeling of this connection to complete these experiments and perform a parametric study. The welded connection is modeled by three dimensional mixed solid elements. The constitutive law is elastoplastic with isotropic hardening identified for the base metal and the weld metal. The crack propagation is modeled by cohesive zone model. The parameters of the cohesive zone model have been identified by inverse method with the modeling of three point bend tests of a pre-cracked sample performed on the base and weld metal. The fatigue damage generated by the cyclic loading is computed by the fatigue continuum damage model of Lemaitre and Chaboche and it is coupled with the cohesive zone model. The damage and the crack propagation depend on the residual stresses generated by the welding process. They have been computed by a simulation of this process with a thermo mechanical finite element analysis. This thesis presents the used models and the results compared with the experimental tests.

Our brain, perhaps the most sophisticated and mysterious part of the human body, to some extent, determines who we are. However, it’s a vulnerable organ. When subjected to an impact, such as a traffic accident or sport, it may lead to traumatic brain injury (TBI) which can have devastating effects for those who suffer the injury. Despite lots of efforts have been put into primary injury prevention, the number of TBIs is still on an unacceptable high level in a global perspective. Brain edema is a major neurological complication of moderate and severe TBI, which consists of an abnormal accumulation of fluid within the brain parenchyma. Clinically, local and minor edema may be treated conservatively only by observation, where the treatment of choice usually follows evidence-based practice. In the first study, the gravitational force is suggested to have a significant impact on the pressure of the edema zone in the brain tissue. Thus, the objective of the study was to investigate the significance of head position on edema at the posterior part of the brain using a Finite Element (FE) model. The model revealed that water content (WC) increment at the edema zone remained nearly identical for both supine and prone positions. However, the interstitial fluid pressure (IFP) inside the edema zone decreased around 15% by having the head in a prone position compared with a supine position. The decrease of IFP inside the edema zone by changing patient position from supine to prone has the potential to alleviate the damage to axonal fibers of the central nervous system. These observations suggest that considering the patient’s head position during intensive care and at rehabilitation should be of importance to the treatment of edematous regions in TBI patients. In TBI patients with diffuse brain edema, for most severe cases with refractory intracranial hypertension, decompressive craniotomy (DC) is performed as an ultimate therapy. However, a complete consensus on its effectiveness has not been achieved due to the high levels of severe disability and persistent vegetative state found in the patients treated with DC. DC allows expansion of the swollen brain outside the skull, thereby having the potential in reducing the Intracranial Pressure (ICP). However, the treatment causes stretching of the axons and may contribute to the unfavorable outcome of the patients. The second study aimed at quantifying the stretching and WC in the brain tissue due to the neurosurgical intervention to provide more insight into the effects upon such a treatment. A nonlinear registration method was used to quantify the strain. Our analysis showed a substantial increase of the strain level in the brain tissue close to the treated side of DC compared to before the treatment. Also, the WC was related to specific gravity (SG), which in turn was related to the Hounsfield unit (HU) value in the Computerized Tomography (CT) images by a photoelectric correction according to the chemical composition of the brain tissue. The overall WC of brain tissue presented a significant increase after the treatment compared to the condition seen before the treatment. It is suggested that a quantitative model, which characterizes the stretching and WC of the brain tissue both before as well as after DC, may clarify some of the potential problems with such a treatment. Diffusion Weighted (DW) Imaging technology provides a noninvasive way to extract axonal fiber tracts in the brain. The aim of the third study, as an extension to the second study was to assess and quantify the axonal deformation (i.e. stretching and shearing)at both the pre- and post-craniotomy periods in order to provide more insight into the mechanical effects on the axonal fibers due to DC. Subarachnoid injection of artificial cerebrospinal fluid (CSF) into the CSF system is widely used in neurological practice to gain information on CSF dynamics. Mathematical models are important for a better understanding of the underlying mechanisms. Despite the critical importance of the parameters for accurate modeling, there is a substantial variation in the poroelastic constants used in the literature due to the difficulties in determining material properties of brain tissue. In the fourth study, we developed a Finite Element (FE) model including the whole brain-CSF-skull system to study the CSF dynamics during constant-rate infusion. We investigated the capacity of the current model to predict the steady state of the mean ICP. For transient analysis, rather than accurately fit the infusion curve to the experimental data, we placed more emphasis on studying the influences of each of the poroelastic parameters due to the aforementioned inconsistency in the poroelastic constants for brain tissue. It was found that the value of the specific storage term S_epsilon is the dominant factor that influences the infusion curve, and the drained Young’s modulus E was identified as the dominant parameter second to S_epsilon. Based on the simulated infusion curves from the FE model, Artificial Neural Network (ANN) was used to find an optimized parameter set that best fit the experimental curve. The infusion curves from both the FE simulations and using ANN confirmed the limitation of linear poroelasticity in modeling the transient constant-rate infusion. To summarize, the work done in this thesis is to introduce FE Modeling and imaging technologiesincluding CT, DW imaging, and image registration method as a complementarytechnique for clinical diagnosis and treatment of TBI patients. Hopefully, the result mayto some extent improve the understanding of these clinical problems and improve theirmedical treatments. / QC 20120201