La problématique du vieillissement pathologique du tissu osseux (ostéoporose) est un enjeu important de santé publique. La densité minérale osseuse est considérée comme un des facteurs principaux affectant cette dégénérescence tissulaire, sans toutefois expliquer complètement le risque fracturaire. L’accumulation du micro-endommagement en lien avec cette pathologie présente un nouvel angle d’investigation intéressant. Dans ce contexte, une méthode d’acousto-élasticité dynamique (DAET) associant une onde acoustique basse fréquence et des impulsions ultrasonores a été développée au laboratoire pour la quantification du micro-endommagement dans l’os trabéculaire. La DAET permet de mesurer les non-linéarités élastiques et dissipatives, respectivement associées aux variations de temps de vol et d’amplitude des impulsions pour différents états de contrainte basse fréquence auxquels est soumis le tissu osseux.Ce travail a consisté à étudier la sensibilité et la reproductibilité de l’approche DAET à détecter/quantifier in vitro le niveau de micro-endommagement -natif ou induit mécaniquement par fatigue en compression- dans des échantillons osseux trabéculaires issus de calcanéums humains. De forts niveaux de non-linéarités acoustiques ont toujours été corrélés à une densité de micro-endommagements importante (analyse histologique). La présence de microbulles d’air (fortement non linéaires) et l’apparition d’un phénomène de conditionnement des échantillons par l’onde acoustique basse-fréquence ont tempéré la reproductibilité de l’approche DAET. Cette difficulté ne remet toutefois pas en cause la pertinence de cette méthode dans le cadre d’une application in vivo de la mesure DAET. / Bone tissue pathological aging (osteoporosis) is an important public health issue. Bone mineral density (BMD) is considered as a major factor of the bone tissue strength, but does not fully explain the fracture risk. The accumulation of microdamage in connection with this disease open up an interesting perspective of investigation. In this context, a dynamic acoustoelastic testing (DAET) method associating a low frequency acoustic wave and ultrasonic pulses was developed in the laboratory to quantify microdamage in trabecular bone.The purpose of this work was to assess the sensitivity and the reproducibility of the DAET approach to monitor in vitro (either native or mechanically induced fatigue) microdamagein trabecular samples extracted from human calcanei.High levels of acoustic nonlinearities were always correlated with a high density of microdamage (histological analysis). Nevertheless, the presence of highly nonlinear air bubbles and conditioning effects induced by the low-frequency wave moderated the DAET reproducibility.This difficulty, however, does not question the relevance of this method for in vivo DAET application.

Le but principal de cette thèse est de développer un modèle numérique pour modéliser les phénomènesde bifurcation et du branchement des fissures. Pour réaliser cet objectif, il était indispensablede posséder un modèle permettant un couplage fort entre le modèle de Plasticité cristalline etcelui de l'Endommagement régularisé. Dans un premier temps, quelques outils de post-traitement ont été développés pour analyser les systèmes de glissement actifs. Ces outils ont été utilisés surdes simulations d'éprouvettes réelles, et comparés à des résultats expérimentaux. Par ces comparaisons, l'application du modèle de Plasticité cristalline aux superalliages monocristallins a été validée. Ce modèle a ensuite été couplé avec le modèle d'endommagement régularisé. Le couplage a été réalisé dans les deux sens, c'est-à-dire que l'évolution de la plasticité a une influence sur l'endommagement et vice-versa. Le nouveau modèle peut être implémenté simplement, avec la méthode traditionnelle des Éléments Finis. Des expériences étudiant la propagation de fissure sous des chargements de types différents ont été simulées à l'aide de ce nouveau modèle :éprouvettes CT,fissuration en Mode II et rupture en fluage. Une méthode pour l'identification des paramètres matériaux a également été proposée.

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation ultrasonore de la qualité osseuse de l'os cortical in vitro.<br />La première partie compare plusieurs techniques d'évaluation ultrasonore de l'os cortical par transmission axiale. Les propriétés ultrasonores mesurées à différentes fréquences au radius in vitro sont comparées à celles mesurées par tomographie quantitative (pQCT) ainsi qu'aux propriétés mécaniques des échantillons. Il en ressort que si les paramètres ultrasonores sont indiscutablement capables de prédire les propriétés mécaniques, leur apport sur les paramètres pQCT (actuellement mesurés en clinique) n'est envisageable que dans le cas d'une approche multi-fréquences et multi-paramètres.<br />La seconde partie porte sur l'étude du micro endommagement, impliqué dans la fragilisation de l'os. Nous avons fait appel à des paramètres ultrasonores nonlinéaires, qui ont fait leurs preuves dans d'autre domaines pour la mesure de l'endommagement des matériaux. Nous avons montré, en utilisant la technique de Spectroscopie Nonlinéaire Ultrasonore en Résonance, la sensibilité du paramètre ultrasonore nonlinéaire a l'endommagement progressivement accumulé dans l'os in vitro. Une relation exponentielle entre le paramètre ultrasonore nonlinéaire et l'âge des donneurs a été mise en évidence. Ceci a permis de montrer le potentiel de l'acoustique non linéaire pour la détection du micro endommagement osseux, même si des efforts doivent encore être fournis pour l'application in vivo de la méthode.<br />De façon plus générale, il ressort de ces travaux que le potentiel des ultrasons pour l'évaluation de la qualité osseuse réside probablement dans une approche multi-fréquences, multi-paramètres.

Le but principal de cette thèse est de développer un modèle numérique pour modéliser les phénomènesde bifurcation et du branchement des fissures. Pour réaliser cet objectif, il était indispensablede posséder un modèle permettant un couplage fort entre le modèle de Plasticité cristalline etcelui de l'Endommagement régularisé. Dans un premier temps, quelques outils de post-traitement ont été développés pour analyser les systèmes de glissement actifs. Ces outils ont été utilisés surdes simulations d'éprouvettes réelles, et comparés à des résultats expérimentaux. Par ces comparaisons, l'application du modèle de Plasticité cristalline aux superalliages monocristallins a été validée. Ce modèle a ensuite été couplé avec le modèle d'endommagement régularisé. Le couplage a été réalisé dans les deux sens, c'est-à-dire que l'évolution de la plasticité a une influence sur l'endommagement et vice-versa. Le nouveau modèle peut être implémenté simplement, avec la méthode traditionnelle des Éléments Finis. Des expériences étudiant la propagation de fissure sous des chargements de types différents ont été simulées à l'aide de ce nouveau modèle :éprouvettes CT,fissuration en Mode II et rupture en fluage. Une méthode pour l'identification des paramètres matériaux a également été proposée. / The main goal of this dissertation was to develop a model to simulate the processes of crack bifurcation and crack branching in anisotropic materials. To achieve this goal, a thorough coupling of crystal plasticity and regularised damage models was deemed necessary. Firstly, post-processing tools were developed to better analyse the results obtained from standard Crystal Plasticity simulations. These were then compared with experiments, thereby validating the use of Crystal Plasticity models for Nickel base single crystal superalloys. The validated Crystalplasticity model was then coupled with a regularised microdamage model such that the evolution of plasticity influenced damage and vice versa. The newly developed model allows for the simulation of cracks using the standard Finite Element Approach. Experiments studying crack propagation under different types of loads were simulated using the newly developed model, including CT, shear andcreep specimens. A methodology was also proposed for the identification of the newly introduced material parameters.