Dans le cas du bois massif, les résistances en flexion et en traction peuvent être altérées par la présence de défauts. Les nœuds et la distorsion du fil qui en découle, sont les causes de la diminution du rendement mécanique des sections de poutres de structure. A ce jour, l’effet de ces défauts sur la perte de résistance de l’élément de structure ne peut être quantifié avec exactitude. Le classement mécanique du bois de structure n’est alors pas optimal et ne permet pas de valoriser les éléments de fortes résistances. La présente étude a pour objectif d’étudier l’influence de la nodosité sur le rendement mécanique de poutres en Pin Maritime dans le but d’en améliorer son classement mécanique. Cette étude s’appuie sur une base de données recensant les propriétés mécaniques et physiques de poutres de grandes dimensions ainsi que les propriétés géométriques des nœuds présents sur ces éléments. Différents outils statistiques sont utilisés afin de définir les variables explicatives et leurs pouvoirs prédictifs sur la résistance mécanique de ces composants structurels. De ces analyses, il ressort que certaines caractéristiques propres aux nœuds sont significatives et permettent d’améliorer la prédiction de la résistance. Des modélisations éléments finis de tronçons de poutres présentant un nœud sont proposées pour justifier la présence de ces paramètres dans les modèles prédictifs et afin de compléter cette base de données par des propriétés mécaniques. Ces modélisations numériques, accompagnées d’un critère de ruine, permettent d’établir des courbes de performances mécaniques en présence d’un nœud. Ces données numériques sont comparées aux résultats expérimentaux afin de vérifier la fiabilité de l’approche proposée. / The bending and tensile strengths of timber can be reduced by the presence of heterogeneities. The knots and the local slope of grain in the surrounding area are the most relevant. Nowadays, the effect of knots reduces the stiffness and the strength of structural elements. The Timber grading is not optimized and does not promote the strongest beams for a timber engineering use. The goal of this study is to evaluate the influence of knots on the bending strength of beams in Maritime Pine, order to improve their timber grading. This work is focused on a database, which takes into account the mechanical and the physical properties of beams and specific geometrical parameters relative to knots detected in elements. Several statistical tools like neural networks are used to define the explanatory variables and their predictive powers of the bending strength. From these analyses, it is shown that some variables characterizing the knots are pertinent and allow the improvement of the prediction of the strength. To justify the presence of these variables in the predictive equations, finite element simulations of single knot are proposed. These numerical computations associated to a fracture criterion allow the establishment of strength performance curves due to the presence of knot in an elementary loaded volume (tension and bending configurations). These numerical data are compared to the experimental results in the aim to verify the reliability of the finite element approach.

A Mie-based code is developed for multilayer concentric spheres. The code is used in conjunction with a finite-element package to investigate the plasmonic and optical properties of micro- and nanostructures. For plasmonic nanostructures, gold-silica-gold multilayer nanoshells are computationally investigated. A plasmon hybridization theory is used to interpret the optical tunability. The interaction between the plasmon modes on the inner core and the outer shell results in dual resonances. The low-energy dipole mode is red-shifted by reducing the spacing ( i.e. , the intermediate silica layer) between the core and the shell. This extra tunability allows the plasmon resonance of a multilayer nanoshell to be tuned to the near-infrared region from a visible silica-gold nanoshell whose gold shell cannot be further reduced in thickness. For multilayer nanoshells with reduced geometrical symmetry ( i.e. , the inner core is offset from the center), modes of different orders interact. The mixed interaction introduces the dipolar (bright) characteristic into the higher-order (dark) modes and improves their coupling efficiency to the excitation light. The excitation of the dark modes attenuates and red-shifts the dipole mode and gives it higher-order characteristics. For non-plasmonic structures, simulations have demonstrated that multilayered structures can either reduce or enhance the scattering of light. By adding an anti-reflection layer to as microsphere made of a high-index material, the scattering force can be dramatically reduced. The reduced scattering allows optical trapping of high-index particles. Additionally, the improved trapping is not largely sensitive to the refractive index or the thickness of the coating. The technique has the practical potential to lower the requirement on the numerical aperture of the microscope objectives, making possible the integration of the imaging and optical trapping systems. While the anti-reflection coating reduces scattering, the photothermal bubble (PTB) generated by gold nanoparticles by and large enhances the scattering of light. Transient PTBs are generated by super-heating gold nanoparticles with short laser pulses. Mie-based simulations predict that the scattering of PTBs strongly depends on the transient environment immediately surrounding the nanoparticles. A scattering enhancement of two-to-four orders of magnitude from PBT is demonstrated from both calculations and experiments. Lastly, the near-field coupling between different plasmonie structures for surface-enhanced Raman scattering is investigated. A gold-coated silicon-germanium nanocone substrate has been fabricated and characterized. Finite-element simulations reveal that individual nanocones generate strong tip enhancement with axially polarized light ( i.e. , light polarized along the vertical axis of the nanocone) while the enhancement from transversely polarized light ( i.e. , light polarized in the plane of the substrate) is relatively weak. By simply filling the valleys between nanocones with plasmonic gold nanoparticles, the performance of the substrate is improved with in-plane excitation. Simulations reveal strong coupling between nanoparticles and adjacent nanocones with transverse exactions. An over one order-of-magnitude improvement has been experimentally observed.

Functionally graded materials (FGMs) are composites with continuous material property variations. The distinct interfaces between the reinforcement and the matrix in classical composites are potential damage initiation sites. The concept of FGM aims at avoiding the material mismatch at the interfaces. Functionally graded materials originated from the need for a material that has high-toughness at very high operating temperatures that occur in rocket nozzles and aeroplane engines. One of the early applications of graded materials can be thus found in thermal barrier coatings of gas turbine blades. Recent applications of FGMs include optoelectronics, ballistic impact resistance structures, wear resistant coatings and others. Although the manufacturing and applications of FGMs are well developed the basic mechanics of failure is not well understood, which is important in developing engineering design methodologies. Modern day design practice uses the concepts of fracture mechanics and the fracture properties of graded materials is not well understood. Most studies in the literature have assumed that the material response of the bulk functionally graded material to be elastic even though the constituents are nominally ductile. Some asymptotic analysis available in the literature have described the effect of ductility on the fracture parameters. However, these analysis are not complete in the sense that they have some undetermined constants. The present thesis aims at performing whole-field finite element (FE) simulations of a crack embedded in a ductile functionally graded material subjected to an anti-plane shear (mode-3) loading. A J2-deformation theory based power-law hardening nonlinear material response is assumed. The material property variation is assumed to be in the radial-direction (r-FGM), tangential to the crack (x-FGM), normal to the crack plane (y-FGM) and also at an arbitrary angle to the crack-plane (xy-FGM). Yet another power law described the material property variation. The competition between the indices of the hardening and material property variation is understood by performing a parametric analysis by varying both systematically. Our results indicate that the first most singular term of the asymptotic series remains unaffected. For some values of the material property variation index, the second asymptotic term is affected. The semi-closed form solutions available in the literature were unable to decipher the relative range of dominance of the first and second terms. From the present whole-field FEM analysis were able to extract this relative range of dominance. Our results indicate the range of dominance of the first term is least for FGMs when the material property variation is in the direction to the crack (x-FGM), and it is more for y-FGM.

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Cette étude a consisté à caractériser l'influence de la plasticité sur les formes de cloques observées à la surface des films minces déposés sur substrat à l'aide de simulations par éléments finis. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à l'influence que peut avoir la plasticité du film sur les morphologies observées expérimentalement sur la surface de films d'or. Les simulations ont ainsi permis de caractériser la déstabilisation d'une cloque circulaire sous l'effet d'une surpression exercée sur la surface extérieure du film, menant à la formation de cloques en forme de «donut» et «croissant». Pour ce faire, un modèle 3D incluant une loi élasto-plastique a d'abord été considéré pour décrire le cloquage d'un film ductile. Un analogue à 2D moins coûteux en ressources numériques a ensuite été utilisé en imposant une pliure plastique sur la circonférence de la cloque. Les différentes morphologies de cloques en fonction de la surpression extérieure et de la contrainte interne ont ainsi été déterminées. Un bon accord a été obtenu entre les simulations numériques et les observations expérimentales confirmant le rôle de la surpression et de la plasticité dans cette déstabilisation. Dans la seconde partie, l'effet sur la propagation des rides des marches d'interface résultant de la déformation plastique du substrat a été étudié. A partir de simulations par éléments finis intégrant un modèle de zones cohésives prenant en compte la mixité modale, l'influence de la hauteur des marches et de leur orientation par rapport à l'axe de compression, orientation liée à la cristallographie, a été caractérisé. / This study consisted to characterize the influence of plasticity on the shapes of blisters observed on the surface of thin films deposited on substrates using finite element simulations. In the first part, we looked at the possible influence of the plasticity of the film on the morphologies observed experimentally on the surface of gold films. The simulations thus enabled to characterize the destabilization of a circular blister under the effect of an overpressure exerted on the outer surface of the film, leading to the formation of croissant and donut like blisters. To do this, a 3D model including an elasto-plastic law was first considered to describe the buckling of the ductile film. A similar 2D model which is less expensive in numerical computing resources was then used by imposing a plastic folding on the circumference of the blister. The different morphologies of blisters have been then determined as a function of the external overpressure and internal stress. A good agreement was obtained between numerical simulations and experimental observations confirming the role of the overpressure and plasticity in this destabilization. In the second part, the effect on the spread of straight blisters of interface steps resulting from the plastic deformation of the substrate was investigated. From finite element simulations incorporating a cohesive zone model taking into account a modal mixity, the influence of the step heights and their orientations with respect to the compression axis, an orientation related to crystallography, was characterized.

L’intégration des contraintes d’industrialisation, des pièces en matériaux composites, en conception préliminaire, est un enjeu majeur de la compétitivité des entreprises, et s’inscrit dans une démarche de développement durable. Un travail de captation et de mise en forme de la connaissance industrielle a permis de développer une stratégie d’optimisation. Cette stratégie repose sur une approche multi-métiers, elle permet d’estimer la performance technique et économique d’une solution d’industrialisation. L’estimation de la performance est basée sur l’évaluation, pour chaque solution d’industrialisation, du risque de rupture du composant assemblé, du niveau d’intégration fonctionnelle et du coût de fabrication. La définition de la meilleure alternative est obtenue par la comparaison de la performance de solutions et s’appuie sur des méthodes et outils d’aide à la décision. Le risque de rupture est estimé à partir des écarts entre des caractéristiques de la pièce fabriquée par procédé Resin Transfer Molding (RTM) et les caractéristiques nominales. Les caractéristiques de la pièce fabriquée prises en compte sont : - les écarts géométriques, - les écarts de caractéristiques mécaniques. Dans l’industrie aéronautique, certaines pièces de structure en matériaux composites sont réalisées par le procédé RTM. Dans ce type de mise en forme, les caractéristiques mécaniques du composant sont directement liées au niveau d’imprégnation de la préforme. Dans le travail de thèse, les défauts d’imprégnation sont identifiés comme des écarts volumiques d’imprégnation. Ces écarts ont pour conséquence d’altérer les propriétés mécaniques du matériau qui constitue la pièce. L’estimation des écarts volumiques d’imprégnation est obtenue à partir de l’analyse des résultats de la simulation par éléments finis de l’écoulement de résine dans le renfort fibreux (logiciel Pam RTM®). La géométrie de la pièce obtenue par procédé RTM diffère de la géométrie nominale, cet écart est due en partie aux différences entre les caractéristiques physiques des constituants du matériau composite. Les variations géométriques de la pièce fabriquée sont identifiées comme des écarts géométriques de fabrication. Les écarts géométriques sont compensés, lors de la phase d’assemblage, par des déformations garantissant les contacts avec les pièces adjacentes. Ces déformations génèrent un état de contraintes mécaniques au sein de la pièce. La quantification de l’état de contraintes mécaniques est obtenue à partir d’une simulation thermomécanique par éléments finis réalisée par le logiciel Samcef®. L’aide à la décision est basée sur l’étude combinée de l’état de contraintes mécaniques due à la compensation des écarts géométriques et de l’incidence des écarts volumiques d’imprégnation sur les propriétés mécaniques de la pièce. Trois critères permettent d’estimer le risque de rupture du composant assemblé : un critère de rupture des matériaux composites quantifie le risque de rupture, les deux autres critères, prenant en compte les défauts d’imprégnation, majorent le risque de rupture. Afin de faciliter l’interprétation des résultats et la phase de comparaison de solutions, le risque de rupture est présenté sous forme d’une cartographie. En fonction des couplages des valeurs des critères, une optimisation de la conception et/ou de l’industrialisation est proposée. Une évaluation du niveau d’intégration fonctionnelle ainsi que du coût de fabrication complète la démarche d’aide à la décision. / Integrating industrialization constraints of composite materials into preliminary design is a major challenge for companies in terms of competitiveness, and is part of a sustainable development approach. Work on capturing and formatting industry knowledge has helped develop a design optimization strategy. This strategy is based on multidisciplinary rules, and estimates the technical and economic performance of an industrialization solution. This estimate is based on the evaluation of failure risk of component assembly, level of functional integration and manufacturing cost. The definition of the best alternative is obtained by comparing solution performances, relying on decision support methods and tools. The failure risk is estimated from differences between the characteristics of the part manufactured by Resin Transfer Molding Process (RTM) and the nominal part (CAD). The following characteristics of the manufactured part are taken into account: ? - geometric deviations, ? - characteristic mechanical deviations. In the aviation industry, some structural composite parts are manufacture by RTM. In this type of manufacture, the mechanical properties of the component are directly related to the level of preform impregnation. In this thesis, the impregnation defects are identified as volumic impregnation deviations. These deviations have the effect of altering the mechanical properties of material. Estimated volume impregnation deviations are obtained by analysing the results of the finite element simulation of resin flow into the fibrous reinforcement (software Pam RTM ®). The part geometry obtained using the RTM process differs from the nominal geometry, with the deviation due partly to differences between the physical components of the composite material. The geometric variations in the manufactured part are identified as geometric manufacturing deviations. These geometric deviations are offset, in the assembly phase, by deformations due to contact with adjacent parts, which generate a state of mechanical stress within the part. The mechanical stress state is quantified from a finite element thermomechanical simulation carried out using the Samcef ® software. Decision support is based on the combined study of the state of mechanical stress due to the compensation of geometric deviations and the incidence of volume impregnation deviations on the mechanical properties of the part. Three criteria are used to estimate the failure risk of the assembled component: a composite materials failure criterion quantifies failure risk; the other two criteria, taking into account the impregnation defects, increase the failure risk. To facilitate interpretation of results and the solution comparison phase, the failure risk is represented by mapping. Depending on the coupling values of the criteria, optimizing the design and/or industrialization is proposed. An evaluation of the level of functional integration and manufacturing cost complete the decision support process.

Die simulative Absicherung von Produkten in den frühen Phasen der Produktentwicklung wird immer wichtiger, um den Anforderungen nach steigender Effizienz gerecht zu werden. Da das Angebot an erfahrenen Berechnungsingenieuren mit langjähriger Berufserfahrung begrenzt ist gilt es weniger erfahrene Simulationsanwender bei der Durchführung von aussagekräftigen Finite-Elemente-Simulationen zu unterstützen. Die Autoren stellen im Rahmen des Beitrags das Konzept des Analyseteils FEdelM eines FEA-Assistenzsystems vor, welches strukturmechanische Finite-Elemente (FE) Simulationen auf Plausibilität überprüft und auftretende Fehler möglichst automatisiert zu erkennt und behebt. Hierbei werden die einzelnen Module und deren Verknüpfungen untereinander und zu anderen Anwendungen vorgestellt.

Introduction Concussion is an increasing concern in soccer, a sport where players actively use their heads as a part of the game without being required to wear protective headgear. Protective headgear is available but studies disagree about their effectiveness. Objective The aim of this study was to evaluate the protective effectiveness of a protective soccer headgear in head-to-head impacts. Methods The KTH finite element head model was used to reconstruct a head-tohead impact in soccer that resulted in a concussion. Different impact velocities, impact angles and impact locations were simulated with the injured player without and wearing a modeled protective soccer headband. The evaluation was based on how effectively the headband reduced head kinematics and strain in the brain tissue. Results The headband reduced the head kinematics and the strain in the brain for all simulations. Increased velocity had significant effect on the peak kinematics and peak strain values. Kinematics and strain were sensitive to the impact location but impact angle parameter did not show as significant differences as the other parameters. Conclusion The protective soccer headband effectively reduced peak kinematics of the head and peak strain value in the brain for all parameters studied. Further validation is needed to see to what extent it can prevent concussion. / Introduktion Hjärnskakning är ett växande problem inom fotboll, en sport där spelarna aktiv använder huvudet i spelet men det finns inget krav på att använda något huvudskydd. Det finns huvudskydd för fotbollsspelare men tidigare studier visar inget tydligt svar på deras skyddsförmåga. Syfte Att utvärdera den skyddande förmågan av huvudskydd inom fotboll i huvudkollisioner. Metoder Två KTH finita element huvudmodeller användes för att rekonstruera en kollision som resulterade i hjärninskakning. Olika islagshastigheter, islagsvinklar och islagspunkter simulerades med eller utan huvudskydd för den skadade spelaren. Utvärderingen var baserad på hur effektivt huvudskyddet reducerade huvudkinematiken och töjningar i hjärnvävnaden. Resultat Huvudskyddet reducerade huvudkinematiken och töjningarna i hjärnan för alla islagssituationer. En ökande islagshastighet hade en signifikant effekt på de kinematiska pikvärden och hjärnvävnadstöjningarna. Kinematiken och piktöjningen var väldigt känslig mot islagspunkt medan islagsvinkel inte visade på några signifikanta skillnader. Slutsats Fotbollshuvudskyddet visade på en effektiv reduktion av huvudkinematiken och pikvärdena av hjärntöjning för alla studerade parametrar. Ytterligare validering behövs för att förstå graden av skydd mot hjärnskakning.

L'ingénierie tissulaire, qui consiste à remplacer un tissu lésé par un biosubstitut constitué de cellules réparatrices ensemencées dans une matrice de support biodégradable, possède un potentiel prometteur pour la réparation du Ligament Croisé Antérieur (LCA). Or, aucune solution opérationnelle n'a encore été proposée à ce jour, notamment au vu du nombre de domaines scientifiques impliqués. Dans ce travail, nous avons dressé un cahier des charges pour la définition de cette matrice en nous appuyant sur l'état de l'art. Une matrice de support tressée multicouche constituée de fibres de P(LL85/CL15) a été imaginée, puis les outils nécessaires à sa fabrication à l'échelle du laboratoire ont été mis en place. Nous avons ensuite développé des outils numériques spécifiques permettant la modélisation de sa géométrie et de son comportement biomécanique multi-échelles, qui ont été mis à profit afin d?optimiser les caractéristiques de la matrice compte tenu du cahier des charges établi. De plus, des caractérisations biologiques ont montré que la matrice était compatible avec la culture de cellules souches, et était susceptible d?accueillir la formation d'un néo-tissu. Par ailleurs, nous avons mis en place un bioréacteur spécifique permettant d'imposer à la matrice de support des cycles de traction-torsion sous environnement contrôlé. L'utilisation des informations locales issues de la modélisation biomécanique, afin d'interpréter ou d'optimiser les résultats de culture cellulaire sous sollicitations cycliques, constitue une perspective majeure du présent travail. Notre investigation permet en outre de penser qu'un nouveau biosubstitut pour le LCA pourrait prochainement être proposé / Tissue engineering, which consists in replacing an injured tissue with a biodegradable scaffold seeded with cells, has the potential to overcome the limitations associated with current reconstructions strategies of the Anterior Cruciate Ligament (ACL). However, no relevant solution has been proposed yet, especially due to the variety of scientific fields involved in this approach. In the current study, the key requirements for the design of a new scaffold have been listed from the current state of art. A scaffold based on P(LL85/CL15) fibers arranged into a multilayer braided structure has been proposed, and the tools needed to process this scaffold have been developed. Dedicated numerical tools have been proposed in order to predict the morphological and multiscale biomechanical behavior of the scaffold. These simulation tools have enabled to optimize the scaffold geometry in order to match the selected key requirements for ACL tissue engineering. Moreover, preliminary biological assessments have shown that the scaffold was suited for the culture of stem cells and for tissue formation. In addition, a dedicated bioreactor has been developed in order to prescribe tension-torsion cycles within a controlled environment. The use of local information issued from the biomechanical simulations open large perspectives as far as the optimization of culture conditions and the understanding of mechanisms that govern the formation of a ligamentous tissue are concerned. As a conclusion, the present study is likely to enable a new solution for ACL tissue engineering to emerge in the next years

A new methodology of polymer pipe lifetime estimation taking into account residual stresses is described in this thesis. Engineering equations derived based on numerical simulations of a hydrostatic pressure test are proposed. Residual lifetime calculations were performed for different loading conditions using experimental data of a creep crack propagation in studied material and stress distribution in the pipe wall. The effects which significantly influence lifetime estimation were quantified with special focus on residual stresses.