Les structures aéronautiques sont aujourd’hui largement réalisées à partir de matériaux composites, permettant ainsi d’en diminuer la masse. L’impact sur structure composite est une des sources de dommage la plus courante et la plus pénalisante. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle prédictif d’impact sur stratifiés unidirectionnels de faible épaisseur afin, dans un premier temps, de mieux comprendre les mécanismes d’endommagement mis en jeu et, dans un deuxième temps, de pouvoir proposer des pistes d’amélioration de la tenue de ces structures. La première étape de ces travaux a consisté à développer un modèle éléments finis explicite de stratifiés composite unidirectionnel, en s’appuyant sur les travaux d’impact sur pale d’hélicoptère réalisés par F. Pascal. Ainsi, un nouvel élément capable de représenter le comportement à l’impact des plis unidirectionnels a été formulé. Le comportement des paquets de fibres est représenté par des éléments barres stabilisés grâce à des éléments 2D spécifiques. La dégradation de ces éléments est pilotée par des lois d’endommagement déduites d’observations expérimentales. La stratégie de modélisation proposée a été identifiée sur la base d’essais expérimentaux pour deux matériaux : T700/M21 et HTA7/913. Les résultats donnés par le modèle ont ensuite été validés par une comparaison avec des essais d’impact à basse vitesse. Enfin, dans le but d’optimiser la tenue des stratifiés, des impacts à basse et moyenne vitesse sur des stratifiés hybrides unidirectionnels/tissus composites ont été étudiés expérimentalement et numériquement grâce à la stratégie de modélisation proposée. / Today, composite materials are largely used in the manufacturing of aeronautical structures, in order to lighten their weight. Impact on composite structures is one of the most detrimental loading. The present study aims to develop a predictive modelling of impacts on thin unidirectional laminates in order to, firstly, better understand the damage mechanisms involved, and, secondly, be able to provide guidance for a strength improvement of these structures. First, an explicit finite element modelling of unidirectional laminates is developed based on the work of F Pascal dealing with impact modeling on helicopter blades. Thus, a new element that can represent the impact response of unidirectional plies is formulated. The behavior of the bundle of fibers is modeled with rod elements stabilized with specific 2D elements. The degradation is managed using damage based on experimental observations. The parameters of the proposed modelling strategy are identified on the basis of experimental tests carried out on T700/M21 and HTA7/913 composites. The results provided by the modeling are then validated by a comparison with experimental low velocity impact results. Finally, in order to improve the laminate strength, low velocity and medium velocity impacts on hybrid unidirectional/woven composite laminates are studied experimentally and with the developed modelling strategy.

La contention, c'est-a-dire une action mécanique appliquée sur un membre humain dans le but d'aider le sang à refluer vers le coeur, est de plus en plus répandue et pénètre le marché du grand public. Notamment, la contention progressive telle que proposée par BVSport® pour les membres inférieurs est actuellement utilisée lors d'efforts musculaires prolongés ou lors de la récupération musculaire après l'effort. Des essais cliniques ont aussi montré son efficacité dans le cas d'insuffisances veineuses légères à modérées. Les développements récents vont maintenant vers une personnalisation de la prescription et une adaptation de la contention aux différents degrés d'insuffisance veineuse. Cependant, actuellement, aucun moyen de mesure ne permet de déterminer la pression qui est réellement appliquée sur un patient donné par l'article de contention présent, encore moins la pression transmise au système vasculaire profond. L'apport majeur de ce travail réside dans la mise en oeuvre d'une méthodologie qui permet de répondre à ces deux problématiques.Cependant, actuellement, aucun moyen de mesure ne permet de déterminer la pression qui est réellement appliquée sur un patient donné par l'article de contention présent, encore moins la pression transmise au système vasculaire profond. L'apport majeur de ce travail réside dans la mise en oeuvre d'une méthodologie qui permet de répondre à ces deux problématiques. Pour cela, il est d'abord nécessaire d'identifier de manière atraumatique et non-invasive les propriétés mécaniques in vivo des tissus biologiques de la jambe. Les caractérisations in vivo des tissus mous biologiques sont rares dans la littérature (elles concernent principalement la peau), car aucune méthode de mesure atraumatique de la déformation des tissus internes n'a été validée jusqu'à présent. Dans ce travail, la contention progressive est utilisée comme chargement mécanique. Des images IRM de la jambe sont prises sous différents niveaux de contention et un modèle EF 2D du mollet sous contention a été développé en déformations planes. Le modèle est soumis a une pression qui tient compte du rayon de courbure de la jambe (lot de Laplace) et cette pression est déduite de la réponse du tricot aux essais de traction spécifiques mis en place. L'identification des paramètres mécaniques du modèle est réalisée en optimisant la mesure de similarité entre les images de la jambe comprimée et les images déformées par le modèle. Finalement, une fois l'identification réalisée, le modèle numérique 2D permet alors un calcul biofidèle et personnalisé des pressions internes au mollet engendrées par le port d'un tricot de contention donné. Cela permet d'une part de déterminer la répartition spatiale des pressions à l'intérieur du mollet et d'autre part de comparer les pressions appliquées sur le mollet à celles prescrites. On montre ainsi que l'effet de la contention progressive dépend de manière non négligeable de la morphologie des tissus sous-jacents (muscles et graisse sous-cutanée). La méthodologie développée dans ce travail doit maintenant être appliquée sur un nombre de patients significatif pour pouvoir dégager les principales tendances de distributions des pressions internes en fonction des différents morphotypes.

En Union Européenne les accidents frontaux font 28% des accidents routiers et sont responsables de 49% de mortalité, les fractures thoraciques étant la cause principale de décès. Les modèles en éléments finis du corps humain sont un outil important pour la simulation de chocs réels et la prédiction des risques d'endommagement. Cette thèse a permis de développer un modèle simple en éléments finis de la cage thoracique suffisamment souple d'utilisation et facilement paramétrable. Ce modèle est validé expérimentalement avant d'être utilisé pour une étude paramétrique. Cette étude a permis de caractériser l'influence de différents paramètres structurels et géométriques sur le comportement de la cage thoracique sous chargement dynamique. Le travail réalisé au cours de cette thèse est divisé en trois parties : Modélisation de la cage thoracique entière avec des éléments finis de type poutre dont les propriétés mécaniques sont déterminées à partir d'essais de flexion trois points sur des segments de côtes et complétées par des éléments de la littérature, Validation du modèle dont les résultats sont suffisamment proches des résultats des essais de chargement dynamique antéro-postérieur menés par Vezin et Berthet [Vez09], Etude paramétrique sur l'influence paramètres, géométrie des sections droites et géométrie globale de la cage thoracique (inclinaison des côtes, forme et taille globale de la cage thoracique). A partir de cette étude nous trouvons que le module d'Young et l'épaisseur du cortical ont une influence identique sur la raideur globale de la cage thoracique ainsi que sur la rotation et la déformation des côtes. Avec l'augmentation de ces deux paramètres la rigidité du thorax augmente et le taux de compression maximal diminue. D'autre part les côtes tournent plus et se déforment moins. La raideur des liaisons costo-verterbales a une influence directe sur la rotation latérale qui diminue avec l'augmentation de cette raideur alors que les déformations augmentent ; tandis que la raideur globale de la cage thoracique est légèrement modifiée. L'inclinaison des côtes est le facteur ayant la plus grande influence sur la déformation des côtes et donc sur le risque d'endommagement : plus les côtes sont proches de la direction de chargement la raideur de la cage thoracique augmente et la déformation des côtes augmente / In the European Union, 28% of road accidents are frontal impacts which provoke 49% of fatalities where the thoracic fractures are the main cause of death. The finite element models of the human body are an important tool for the simulation of real impacts and the prediction of damage. This thesis has led to develop a rib cage simplified finite element model sufficiently flexible and easily customizable. First, this model is experimentally validated and then used in a parametric study. This study allowed us to characterize the influence of different structural and geometric parameters on the behavior of the rib cage under dynamic loading. This work is divided into three parts : Modeling the rib cage using beam elements whose mechanical properties are determined by three-point bending tests on rib segments and supplemented from literature, Validating the model by simulating the anteroposterior dynamic loading tests led by Vezin and Berthet [Vez09], Performing a parametric study on the influence of the mechanical parameters (Young modulus, stiffness of costo-vertebral joints), the geometry of the rib sections and the overall geometry of the rib cage (ribs slope, shape and overall size of the rib cage). This study permitted to find that Young modulus and the thickness of the cortical have the same influence on the overall stiffness of the chest as well as on the rotation and deformation of the ribs. By increasing these parameters, the stiffness of the chest increases and the maximum compression ratio decreases. Besides, we'll find more rotation and less deformation of the ribs. The stiffness of the costoverterbal joints has a direct influence on the lateral rotation : it will decrease by increasing of the stiffness while deformation will increase. However, the overall stiffness of the chest is slightly modified by modifying the costovertebral joint stiffness. The initial inclination of the ribs accordingly to the load direction has the greatest influence on the deformation of the ribs and therefore on the damage risk. When the ribs are closer to the loading direction, the stiffness of the rib cage and the deformation of the ribs increases

Les robots dits à fort élancement, utilisés pour des opérations d'inspection et de maintenance en environnement hostile à l'homme, encombré, et accessible uniquement par des orifices de très faible diamètre, sont caractérisés par leur très grand ratio longueur sur diamètre. Aujourd'hui, malgré l'emploi de composants et de matériaux sophistiqués, ces robots ont atteint leur limite de performances. Franchir significativement cette limite nécessite un changement de paradigme. La TRIZ (théorie de résolution des problèmes inventifs), qui construit un processus systématique de résolution de problème technique, conduit naturellement à identifier l'origine de la contradiction : le poids propre des robots, et par conséquent leur masse en présence de gravité. Elle propose notamment de postuler l'existence d'un robot sans masse. L'analyse des propriétés d'un tel robot conduit à l'élaboration du concept breveté de robot ultraléger gonflé, ayant un volume constant unique et des articulations préservant le diamètre de la section. Ce nouvel objet aurait de nombreux autres avantages tels que la facilité de mise en œuvre, l'innocuité par rapport à l'environnement et donc des contacts sans dommages avec celui-ci. Son grand son rayon d'action et son coût prévisionnel très réduit peuvent lui donner accès à de nombreuses applications nouvelles. L'objet de ce travail de thèse est donc l'élaboration des concepts techniques et des méthodes de dimensionnement adaptés à ce robot ultraléger gonflé. Ainsi, les performances du robot gonflable en termes de capacité de charge et de portée sont validées analytiquement. Des expérimentations et une modélisation par éléments finis permettent d'effectuer un pré-dimensionnement des articulations. Différents modes de réalisation ont été prototypé en partenariat avec une entreprise spécialiste du textile technique. Ces articulations font aussi l'objet d'un modèle simplifié de type masse-ressort pour la simulation rapide des déformations d'un robot à degrés de liberté. Les actionneurs et capteurs font l'objet d'une préconception et une transmission originale à base de câble et adaptée à la cinématique particulière des articulations est développée. Enfin des modèles géométriques et cinématiques sont définis et le problème de la commande d'un tel robot est posé en vue des travaux à venir.