Les traumatismes du rachis incluent des fractures osseuses, des lésions disco-ligamentaires et des blessures médullaires. Ils impliquent un fort coût pour le système de santé, ainsi qu’une prise en charge (durée d’hospitalisation, atteinte de l’intégrité physique) lourdement handicapante pour leurs victimes. Les séquelles peuvent aller d’une déformation du profil sagittal à la tétraplégie. Leurs causes principales sont les accidents véhicules moteurs, les chutes et les accidents sportifs. Il existe de multiples mécanismes d’apparition des fractures vertébrales (compression, flexion-extension, cisaillement, torsion) et des blessures médullaires (contusion, traction, cisaillement), ce qui rend leur étude complexe. Malgré l’important investissement mis dans la recherche à ce sujet, des lacunes persistent dans la compréhension de ces traumatismes, qui ralentissent la progression des dispositifs de protection du rachis, et le développement des techniques chirurgicales. Dans ce contexte, l’objectif principal de ce doctorat est d’améliorer la compréhension fondamentale des mécanismes de fractures vertébrales et des blessures de la moelle épinière. Une première partie du travail a visé à développer des connaissances fondamentales sur les propriétés géométriques et mécaniques des vertèbres et de la moelle épinière. Ce type de propriétés a été utilisé pour créer et calibrer un modèle par éléments finis du rachis thoracolombaire. Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier le lien entre chargements mécaniques et une classification clinique des patrons de fractures vertébrales, ainsi que l’effet de différents éléments d’influences sur la mécanique de la contusion médullaire. / Spine traumas include bony fractures, intervertebral disc and ligaments lesions, and spinal cord injuries. They imply a high cost for the health system, as well as a highly incapacitating surgical management (length of hospitalization, physical handicap), and result in aftereffects such as sagittal curve deformity or tetraplegia. Their principal causes are motor vehicle accidents, falls and sports accidents. Multiple mechanisms of occurrence exist for vertebral fractures (compression, flexion-extension, shear, torsion) and spinal cord injury (contusion, traction, shear), which makes them complex to study. Despite major investments in research on this topic, there is a lack of the understanding of some aspects regarding these traumas. This slows down the progress in protection devices and surgical strategies development. In this context, the main objective of this Ph.D. is to improve fundamental knowledge of vertebral fractures and spinal cord injuries mechanisms. A first part of this work has been to develop fundamental knowledge on geometrical and mechanical properties of the vertebrae and the spinal cord. This type of properties has been used to create and calibrate a finite element model of the thoracolumbar spine. This model was then used to study the link between mechanical loadings and a clinical classification of vertebral fracture patterns, as well as the effect of various parameters on spinal cord contusion mechanisms.

Cette recherche a pour but de faire la modélisation par éléments finis d'un toit d'hélicoptère, de comparer les données calculées aux données expérimentales et de déterminer si l'on peut appliquer un contrôle optimal sur le système. Le projet fait partie d'un programme visant à réduire le bruit et les vibrations dans une cabine d'hélicoptère. Il est fait en collaboration avec Bell Helicopter Textron Canada Limited, le Consortium de Recherche et d'innovation en Aérospatiale au Québec (CRIAQ) et le Groupe d'Acoustique de l'Université de Sherbrooke. La recherche commence par l'analyse du comportement vibratoire de l'ensemble toit-support de transmission d'un hélicoptère Bell 407. Les chemins de transfert primaires et secondaires ont été identifiés en plaçant des accéléromètres à 63 positions différentes sur le toit et en mesurant les vibrations à ces endroits. En second lieu, le modèle par éléments finis, réalisé avec FEMAP, est présenté ainsi que les paramètres de calculs. Pour valider les résultats, les spectres des chemins de transfert du modèle sont comparés aux chemins de transfert expérimentaux. Ensuite, les forces primaires équivalentes sont calculées. Elles sont appliquées sur le modèle afin de comparer le comportement du modèle à l'excitation primaire expérimentale mesurée sur le toit de l'appareil. Enfin, une simulation du contrôle actif optimal est effectuée sur les signaux expérimentaux et les données numériques. Différentes configurations de capteurs d'erreur ont été comparées. On souhaite connaître la configuration permettant de mieux contrôler les vibrations du toit. Par la suite, cette simulation vise à déterminer si le contrôle actif optimal est possible sur un toit d'hélicoptère se rapprochant de la production en fonction des différentes configurations.

Afin de remplacer les électrodes de carbone consommables dans le procédé d'électrolyse Hall-Héroult, le développement d'anodes inertes résistantes à l'oxydation est un défi technique pour les principaux leaders de la production d'aluminium. Certaines recherches actuelles se focalisent sur des cermets prometteurs et originaux constitués d'une matrice céramique biphasée et de particules métalliques dispersées, ayant une conductivité électrique et une résistance à la corrosion suffisantes à haute température. Jusqu'à présent, les études n'ont pas réellement pris en compte l'aspect thermomécanique qui est d'une importance primordiale pour les céramiques, en raison de leur comportement fragile et de leur sensibilité aux chocs thermiques. Supervisé par le groupe Rio Tinto Alcan et son Centre de recherche de Voreppe, le travail de thèse est axé sur le développement d'outils numériques intégrant le comportement mécanique du matériau pour le calcul des probabilités de rupture d'anodes. Le travail se base sur une étude expérimentale des propriétés mécaniques de la température ambiante à la température de l'électrolyse : paramètres statistiques de Weibull, module d'élasticité, conductivité thermique, coefficient de dilatation thermique, résistance au fluage... Les calculs par éléments finis tiennent également compte de l'oxydation progressive du matériau et des chargements thermomécaniques induits par l'environnement.

Les recherches effectuées sont centrées sur l'intégration de composants piézoélectriques dans des matrices thermodurcissables. Cependant, le problème de recyclage constitue un grand axe nécessitant le remplacement des matériaux thermodurcissables par des matériaux thermoplastiques. Toutefois, les procédés actuels de fabrication des pièces en composite actif à matière thermoplastique ne sont pas directement exploitables pour l'intégration de composants fragiles tels que les composants piézoélectriques. Le travail présenté dans ce mémoire de thèse est dédié à une contribution à la fabrication des structures thermoplastiques intelligentes. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est de déterminer le rapport entre le procédé de fabrication et les modèles de comportement à développer pour l'utilisation des composants piézoélectriques intégrés. Deux études sont réalisées séparément : Une première étude traite les conditions thermiques et mécaniques qui accompagnent la fabrication des structures thermoplastiques. L'influence de ces conditions sur le matériau piézocéramique intégré est analysée dans une deuxième étude. Les résultats des deux études permettent de choisir le matériau approprié pour chaque procédé et condition de mise en œuvre, de manière à minimiser l'endommagement du matériau intelligent. Cet apport permet de surmonter les obstacles relatifs à l'utilisation du thermoplastique dans les structures intelligentes.

Les études d'accidents montrent que l'abdomen est devenu le segment prioritaire à protéger pour un occupant ceinturé lors d'un choc automobile frontal, les lésions étant imputables au phénomène de sous marinage. Par ailleurs, un mauvais positionnement de la ceinture de sécurité peut également être à l'origine de lésions lors du déclenchement des prétensionneurs. Ces deux phénomènes entrainent un chargement dynamique de l'abdomen par la ceinture, les vitesses pouvant aller de 4m/s à 8m/s. Le but de cette étude est d'accroitre notre compréhension du comportement de l'abdomen et des mécanismes lésionnels afin d'élaborer un modèle prédictif du risque lésionnel utilisable pour le développement et l'amélioration des systèmes de protection de l'occupant. Pour étudier la réponse de l'abdomen face à un chargement dynamique par une ceinture huit essais sur huit Sujets Humains Post Mortem (SHPM) ont été réalisés. Quatre essais simulaient le phénomène de sous marinage et quatre celui de la prétension de la ceinture. Des bilans d'efforts complets, des mesures de déplacement, de déformées externes de la paroi abdominale, des radiographies et des mesures de pressions ont été réalisés. Les essais disponibles dans la littérature et les résultats expérimentaux ont conduit à développer un modèle masse-ressort-amortisseur reproduisant les principes pilotant le comportement de l'abdomen. Ce modèle souligne le caractère viscoélastique, non linéaire et inertiel de l'abdomen. L'exploitation des mesures réalisées associées aux bilans lésionnels a permis d'apporter des méthodes de validation des modèles numériques par éléments finis et d'améliorer la formulation du modèle être humain HUMOS2

Afin de mieux comprendre le comportement mécanique de l'os trabéculaire et d'améliorer la prédiction du risque de fracture, l'objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique " bio-fidèle " prenant en compte l'hétérogénéité tissulaire, et de déterminer les contraintes mécaniques au sein des travées osseuses, dans le domaine de déformation élastique. À l'échelle tissulaire, une étude par nanoindentation a permis de dissocier les comportements élastiques et plastiques de l'os en fonction de sa composition (minéral/collagène). Ainsi, le comportement élastique du tissu osseux serait principalement lié à sa quantité de minéral alors que ses propriétés plastiques seraient davantage liées à la phase organique. Une loi reliant le degré de minéralisation de l'os (DMB) au module élastique a été déterminée dans l'os humain. La création d'un modèle numérique reproduisant de manière rigoureuse le comportement élastique de l'os trabéculaire, nécessite la prise en compte de l'hétérogénéité de la quantité de minéral (DMB) et donc son acquisition en 3D. Grâce à une méthode de recalage d'image 2D/3D, les acquisitions de microtomographie ont été comparées aux valeurs obtenues par microradiographie quantitative, méthode de référence de mesure du DMB. Sous certaines conditions, la microtomographie permet une évaluation correcte de l'hétérogénéité minérale. La création et l'analyse d'un modèle numérique par éléments finis de l'os trabéculaire, à partir des images de tomographie, a montré l'importance des paramètres du modèle (taille et formulation des éléments) ainsi que le rôle de l'hétérogénéité minérale sur l'évaluation des contraintes locales appliquées aux travées osseuses.

D’après les données de l’agence International de Prévention de la Cécité, 253 millions de personnes souffrent de pathologies visuelles dans le monde. Il existe des pathologies affectant les photorécepteurs de la rétine causant des millions de déficients visuels sans traitement efficace disponible. Les implants rétiniens ont déjà montré sa capacité pour stimuler de façon électrique les cellules rémanentes de la rétine grâce à un réseau de micro-électrodes de façon à obtenir une réponse neuronale puis une perception visuelle. Ces travaux de thèse en lien avec les implants rétiniens porteront sur deux aspects principaux concernant de nouvelles configurations de micro-électrodes et une analyse comparative des matériaux constitutifs des électrodes avec des tests en vieillissement long terme. Pour le premier aspect, de nouvelles géométries d’électrodes ont été développées en différentes phases : en commencent par une modélisation par éléments finis de la micro-électrode, suivi par la micro fabrication des prototypes et les expériences in-vivo. Pour l’étude du vieillissement des matériaux constitutifs des micro-électrodes, un banc de caractérisation a été développé pour reproduire les conditions de pH, T et stimulation électrique d’un implant réel. Le banc nous permet aussi d’étudier l’évolution de façon comparative des caractéristiques des différents matériaux grâce à la mesure de son impédance électrochimique / Regarding to data provided by the International Agency for Prevention of Blindness, 253 million people suffer some kind of visual impairment around the world. There is a group of diseases that affect the photoreceptors causing millions of impairment cases around the world that do not have an efficacious treatment. Retinal prostheses have proved to electrically stimulate the remaining cells of the retina by means of implantable microelectrode arrays to elicit their response and therefore visual perception. This PhD work tries to study two aspects of these devices: first, new electrode geometries that stimulate the cells in a more efficient manner; and second, the ageing of the different material used for the fabrication of the microelectrodes. For the first aspect new electrode geometries have been developed based on the state of the art. This development has been divided in different phases beginning with a FEM modeling of the electrode, followed by the microfabrication of the structures and their test in-vivo. In order to study the ageing of the microelectrode materials, a characterization bench that reproduces the conditions that an implant has to face during its implantation has been developed. This bench allows us to study in a comparative manner the evolution of the characteristics of the different materials thanks to the measurement of their electrochemical impedance

Pour réduire le poids des structures aéronautiques, plusieurs voies ont été explorées. Parmi elles, l'utilisation des alliages d'aluminium légers et le remplacement des structures rivetées par des structures soudées par Friction Stir Welding (FSW) sont envisagées. La question de la durée de vie de ces structures préoccupe les industriels. Dans ce cadre, cette étude porte sur la sensibilité à la corrosion sous contrainte intergranulaire (CSC-IG) du noyau de soudure par FSW de l'alliage Al-Cu-Li 2050. Ce matériau est composé de grains équiaxes dont la taille diminue de 17 à 4 µm à mesure que l'on s'éloigne de la surface de soudage. Une variation de texture est révélée grâce à des cartographies EBSD formant la microstructure des « onion rings ». La périodicité de ces « onions rings » est égale à l'avancée du pion FSW sur un tour (500 µm pour notre matériau). Ces hétérogénéités microstructurales entraînent des gradients de champs mécaniques locaux quantifiés par corrélation d'images lors des essais mécaniques. Ces hétérogénéités microstructurales et mécaniques favorisent les phénomènes de corrosion localisée lorsque le matériau est soumis à un environnement agressif. Les effets des contraintes et de la microstructure sur la CSC-IG sont mis en évidence par des essais de corrosion et des essais de corrosion sous contrainte (CSC). Les essais de corrosion montrent une sensibilité du matériau à la piqûration alors que les essais de CSC révèlent l'amorçage de fissures intergranulaires. Les plus grosses fissures s'amorcent préférentiellement à la frontière des « onion rings ». Un modèle par éléments finis a été développé dans le but de simuler la propagation des fissures intergranulaires sur des agrégats réels générés par des cartographies EBSD. / To reduce the aircraft components weight, several solutions were explored. Among them, the using of light aluminum alloys and the substitution of riveting by friction stir welding (FSW) are investigated. Industry is concerned by the question of the life of such structures. For this, this study is focused on intergranular stress corrosion cracking (IGSCC) sensitivity of the 2050 Al-Li-Cu alloy friction stir weld nugget. This material consists of equiaxed grains whose size is decreasing with the distance from the weld surface between 17 µm at the top and 4 µm at the bottom. The “onion rings” microstructure is revealed by EBSD cartographies as a texture variation. They appear with a periodicity of 500 µm corresponding to the advance per revolution of the tool. Those microstructural heterogeneities cause local mechanical field gradients quantified by digital image correlation measurements during mechanical tests. Those microstructural and mechanical heterogeneities promote localized corrosion when the material is submitted to an aggressive environnement. Microstructure and stress effects on IGSCC are shown by corrosion tests and stress corrosion tests. The first ones show a sensitivity to pitting corrosion and a stress application reveal initiation of intergranular cracks. The biggest ones preferentially initiate at “onion rings” boundaries. A finite element model was developed in order to simulate intergranular cracks propagation on real aggregates obtained by EBSD cartographies.

Les prothèses totales d’épaule ont une survie limitée due essentiellement au descellement de l’implant scapulaire. Le but de ce travail de recherche est la contribution à la mise au point d’un nouvel implant scapulaire à fixation sans ciment.Une première partie a concerné la caractérisation de l’anisotropie et des hétérogénéités de l’os spongieux de la glène par une expérimentation en compression, cette partie a abouti à l’élaboration d’une loi de comportement de l’os spongieux de la glène. La seconde partie de ce travail s’est focalisée sur la modélisation par éléments finis des contraintes aux points d’ancrage de l’implant.Les résultats des tests de simulation montrent l’incapacité du spongieux à assurer un effet press-fit dans le plan transversal, car on observe le dépassement des contraintes maximales pour un déplacement minime. Ce résultat met en question les modes de fixation primaire utilisés ce jour dans les prothèses sans ciment. Nos résultats montrent que la modification de la direction de chargement serait susceptible d’améliorer la fixation primaire ce qui ouvre des perspectives nouvelles pour le dessin d’une prothèse sans ciment. / Total shoulder prostheses have a limited survival due mainly to the loosening of the glenoid implant. The purpose of this research is the contribution to the development of a new glenoid implant with cementless fixation.The first part concerned the characterization of the anisotropy and heterogeneity of cancellous bone of the glenoid by a compression experimental tests, this part has led to the drafting of a law of behavior of cancellous bone of the glenoid . The second part of this work has focused on finite element modeling of stress around the anchors of the glenoid implant.Simulation test results show the inability of the transversal plane of the glenoid to ensure effective press-fit fixation with stresses above strength properties of the cancellous bone with a minimal displacement. This calls into question the current modes of primary fixation of cementless implant. However, it appears that a change in the direction of loading would be beneficial for the primary fixation, which opens new perspectives for the design of a cementless prosthesis.

L'importance croissante de l'évaluation de la performance des structures soumis au chargement sismique souligne la nécessité d'estimer le risque de liquéfaction. Dans ce scénario extrême de la liquéfaction du sol, des conséquences dévastatrices sont observées, par exemple des tassements excessifs et des instabilités de pentes. Dans le cadre de cette thèse, la réponse dynamique et l'interaction d'un système ouvrage en terre-fondation sont étudiées, afin de déterminer quantitativement le mécanisme de ruine dû à la liquéfaction du sol de la fondation. Par ailleurs, les chargements sismiques peuvent induire dans les ouvrages en terre un mode de rupture générant des bandes de cisaillement. Une étude de sensibilité aux maillages a donc été engagée pour quantifier la dépendance des résultats de l'analyse dynamique. Par conséquent, l'utilisation d'une méthode de régularisation est évaluée au cours des analyses dynamiques. Le logiciel open-source Code_Aster, basé sur la méthode des Eléments Finis et développé par EDF R&D, est utilisé pour les simulations numériques, tandis que le comportement du sol est représenté par le modèle de comportement de l'ECP, développé à CentraleSupélec. En premier lieu, un modèle simplifié de propagation 1D des ondes SH dans une colonne de sol avec comportement hydromécanique couplé non linéaire a été simulé. L'effet des caractéristiques du signal sismique et de la perméabilité du sol sur la liquéfaction est évalué. Le signal sismique d'entrée est un élément important pour l'apparition de la liquéfaction, puisque la durée du choc principal peut conduire à de fortes non linéarités et à un état de liquéfaction étendu. En outre, quand une variation de perméabilité en fonction de l'état de liquéfaction est considérée, des changements significatifs sont observés pendant la phase de dissipation de la surpression interstitielle de l'eau et au comportement du matériau. En revanche, ces changements ne suivent pas une tendance unique. Puis, l'effet d'une méthode de régularisation avec cinématique enrichie, appelée premier gradient de dilatation, sur la propagation des ondes SH est étudié au travers d'une solution analytique. Des problèmes à la réponse dynamique du sol sont observés et discutés quand cette méthode de régularisation est appliquée. Ensuite, un modèle 2D d'un déblai est simulé et sa réponse dynamique est évaluée en conditions sèches, complètement drainées et hydromécanique couplées. Deux critères sont utilisés pour définir le début de la rupture de la structure. Le travail du second ordre est utilisé pour décrire l'instabilité locale à des instants spécifiques du mouvement sismique, tandis que l'estimation d'un facteur de sécurité locale est proposée prenant en compte la résistance résiduelle du sol. En ce qui concerne le mode de ruine, l'effet de la surpression interstitielle de l'eau est de grande importance, puisqu'un déblai stable en conditions sèches et complètement drainées, devient instable lors de l'analyse couplée à cause de la liquéfaction de la fondation. Enfin, un système digue-fondation est simulé et l'influence de la perméabilité du sol, la profondeur de la couche liquéfiable, ainsi que, les caractéristiques du séisme sur la ruine induite par la liquéfaction du sol est évaluée. Pour ce modèle de digue, le niveau de dommages est fortement lié à la fois à l'apparition de la liquéfaction dans la fondation et la dissipation de la surpression d'eau. Une surface d'effondrement circulaire est générée à l'intérieur de la couche du sol liquéfié et se propage vers la crête dans les deux côtés de la digue. Pourtant, lorsque la couche liquéfiée est située en profondeur, la digue n'est pas affectée par la liquéfaction de la fondation pour ce cas particulier de chargement. Ce travail de recherche se concentre sur une étude de cas de référence pour l'évaluation sismique des ouvrages en terre soumis à un séisme et fournit des méthodes et outils de calculs numériques performants accessibles aux ingénieurs. / The increasing importance of performance-based earthquake engineering analysis points out the necessity to assess quantitatively the risk of liquefaction. In this extreme scenario of soil liquefaction, devastating consequences are observed, e.g. excessive settlements, lateral spreading and slope instability. The present PhD thesis discusses the global dynamic response and interaction of an earth structure-foundation system, so as to determine quantitatively the collapse mechanism due to foundation’s soil liquefaction. As shear band generation is a potential earthquake-induced failure mode in such structures, the FE mesh dependency of results of dynamic analyses is thoroughly investigated and an existing regularization method is evaluated. The open-source FE software developed by EDF R&D, called Code_Aster is used for the numerical simulations, while soil behavior is represented by the ECP constitutive model, developed at CentraleSupélec. Starting from a simplified model of 1D SH wave propagation in a soil column with coupled hydromechanical nonlinear behavior, the effect of seismic hazard and soil’s permeability on liquefaction is assessed. Input ground motion is a key component for soil liquefaction apparition, as long duration of mainshock can lead to important nonlinearity and extended soil liquefaction. Moreover, when a variation of permeability as function of liquefaction state is considered, changes in the dissipation phase of excess pore water pressure and material behavior are observed, which do not follow a single trend. The effect of a regularization method with enhanced kinematics approach, called first gradient of dilation model, on 1D SH wave propagation is studied through an analytical solution. Deficiencies of the use of this regularization method are observed and discussed, e.g. spurious waves apparition in the soil’s seismic response. Next, a 2D embankment-type model is simulated and its dynamic response is evaluated in dry, fully drained and coupled hydromechanical conditions. Two criteria are used to define the onset of the structure’s collapse. The second order work is used to describe the local instability at specific instants of the ground motion, while the estimation of a local safety factor is proposed by calculating soil’s residual strength. Concerning the failure mode, the effect of excess pore water pressure is of great importance, as an otherwise stable structure-foundation system in dry and fully drained conditions becomes unstable during coupled analysis. Finally, a levee- foundation system is simulated and the influence of soil’s permeability, depth of the liquefiable layer, as well as, characteristics of input ground motion on the liquefaction-induced failure is evaluated. For the current levee model, its induced damage level (i.e. settlements and deformations) is strongly related to both liquefaction apparition and dissipation of excess pore water pressure on the foundation. A circular collapse surface is generated inside the liquefied region and extends towards the crest in both sides of the levee. Even so, when the liquefied layer is situated in depth, no effect on the levee response is found. This research work can be considered as a reference case study for seismic assessment of embankment-type structures subjected to earthquake and provides a high-performance computational framework accessible to engineers.