L'objectif de ce travail de thèse est de dégager des méthodes et des outils permettant de mieux comprendre le rôle joué par les phénomènes de transport (cellulaire, hydraulique et chimique) dans la mise au point de stratégies thérapeutiques de réparation osseuse. Pour cela, nous avons choisi d'associer deux approches : la réalisation d'études expérimentales et la mise au point de modèles numériques. Nous avons ainsi pu, lors d'une première étude présentée dans le chapitre 2 de ce document, relier la perméabilité intrinsèque d'un milieu poreux, paramètre déterminant dans l'étude du transport de fluide en son sein, à la structure géométrique de ses pores. Nous avons également mis en évidence l'importance des interactions électrochimiques lors de la progression d'une solution ionique (telle que les fluides physiologiques) à travers le tissu osseux, en raison de la structure poreuse et de la composition chimique (présence de fibres de collagènes chargées par exemple) de ce dernier. Ces outils ont ensuite permis d'analyser, en première approche, les résultats expérimentaux obtenus lors de la réalisation de tests de perméabilité sur des échantillons de périoste fémoral ovin, dans le but d'identifier les phénomènes physico-chimiques à l'origine du comportement particulier de cette membrane (chapitre 5). Nous nous sommes par ailleurs intéressés au développement d'implants osseux associant un substrat minéral biocompatible et des cellules souches mésenchymateuses, afin de favoriser une reconstruction tissulaire en volume des lésions de grande taille. Nous avons ainsi pu mettre en place, dans le chapitre 3, un dispositif expérimental permettant de réaliser de manière reproductible un test d'ensemencement cellulaire et d'évaluer le nombre, la répartition et le taux de viabilité des cellules greffées sur le biomatériau utilisé. A partir des résultats expérimentaux issus des tests d'ensemencement cellulaire, nous avons ensuite développé un modèle numérique dans le chapitre 4, pour dégager un ensemble de critères à respecter dans l'élaboration d'un substitut osseux qui favoriserait un développement tissulaire homogène contrôlé lors des premières étapes de la culture in vitro de ce type d'implants. Ce modèle constitue une première étape dans la détermination d'un cahier des charges géométrique de tels substrats / This study aims to set up methods and tools to improve our understanding of the role played by transport phenomena (transport of cells, fluid and chemical species) in the development of new therapeutic protocols for bone reconstruction, using a double approach: experimental studies and numerical simulations. Hence, in the second chapter of this document, we have been able to link the intrinsic permeability of a porous medium – a key parameter regarding fluid transport through porous media – to the geometric structure of its pores. We have also highlighted the influence of electrochemical interactions on the flow of an ionic solution (such as physiologic fluids) through cortical bone, due to its porous structure and its chemical composition (presence of electrically charged fibers). These tools have then enabled us to analyze, at first glance, the experimental results of permeability tests conducted on ovin femoral periosteum, to identify the chemical-physical phenomena responsible for the specific behavior of this membrane (chapter 5). We also focused on the development of large bone implants coupling a mineral substitute and mesenchymal stem cells to enhance a volumic reconstruction of critical-sized bone defects. We have therefore designed, in chapter 3, a custom experimental set up that allows one to perform a reproducible cell seeding test on a porous scaffold and quantify the number of seeded cells as well as their viability rate. The experimental results provided by these tests have then initiated the numerical model exposed in chapter 4, that aims to highlight criteria to meet regarding the design of new bone substitutes that would enhance a homogeneous volumic tissue growth during the first stages of the extit [in vitro} development of coupled implants

Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés aux phénomènes de transport au sein du réseau lacuno-canaliculaire (RLC) et de l'ostéon dans le tissu osseux cortical. Pour étudier la mécanotransduction ostéocytaire amenant au remodelage osseux, nous avons développé un modèle à trois échelles où sont pris en : l'électrcompte ostatique (modélisée par l'équation de Poisson Boltzmann), l'écoulement du fluide (représenté textit{via} une équation de Stokes modifiée et la conservation de la masse fluide) et le transport ionique (régi par l'équation de Nernst-Planck). L'étude de la distribution du potentiel électrique, a mis en exergue l'importance des double-couches électriques au voisinage des parois chargées des pores. Ces double-couches électriques, ainsi que la composition chimique du fluide donnent lieu à des phénomènes d'osmose et d'électroosmose intervenant dans l'écoulement du fluide interstitiel, et influençant la diffusion efficace des ions dans les pores. L'étude a démarré à l'échelle du pore canaliculaire pour être propagée à l'échelle du canalicule puis de l'ostéon, en utilisant une procédure d'homogénéisation périodique asymptotique. Une étude paramétrique nous a permis de cibler les paramètres agissant sur les phénomènes de transport et pouvant faire réagir les ostéocytes. Il est ressorti de cette étude que les effets électro-chimiques jouent rôle important. Nous avons donc choisi de nous focaliser sur la chimie et plus particulièrement sur les effets des flux ioniques physiologiques sur les ostéocytes dans le RLC. Des expériences, mises en place pour étayer ces aspects ont souligné l'importance des échanges chimiques entre les cellules et le fluide qui les entoure. Finalement, nous avons montré que les phénomènes de transports ayant lieu dans le RLC et dans l'ostéon interagissent les uns les autres, parachevant ainsi la description à trois échelles du tissu cortical / Transport phenomena appearing within the cortical bone lacuno-canalicular network (LCN) and the osteon were the objective of this study. We developped a three-scale model to investigate the osteocyte mechanotranduction which is at the origin of the bone remodeling process. This model took into account three physical phenomena : the electrostatics (through the Poisson-Boltzman equation), the interstitial fluid flow (modeled by a modified Stokes equation) and the ionic transport (governed by a Nernst-Planck equation). Analysis of the electrical potential distribution highlighted the importance of the electrical double layers close to the pore charged surface. These electrical double layers, as well as the interstitial fluid chemical composition, induce osmotic and electroosmotic fluid flows and affect the ionic effective diffusion within the pores. Using a periodic asymptotic homogeneisation procedure, the model at the canalicular pore scale was upscaled at the canalicular scale and then at the osteonal scale. A parametric study pointed out the relevant parameters acting on the transport phenomena and possibly affecting osteocyte mecanosensitivity. Our results emphasized the importance of the electro-chemical effects. We thus focused on the chemistry and more especially on the effects of the physiological ionic fluxes on the osteocyte. In vitro experiments and numrical simulations were performed to elucidate these questions. Our results underlined the importance of the chemical exchanges between the osteocyte and the surrounding fluid. Finally, we showed that fluid flow and chemical transport occuring within the LCN and the osteon interact with each other, thus achieving a three-scale description of the transport phenomena in the osteon

La question de limpact des transferts de gaz sur le comportement poro-mécanique des matériaux argileux se révèle être un axe de recherches essentiel pour sassurer de la faisabilité des solutions denfouissements de déchets radioactifs dans des couches géologiques profondes. En effet, que ce soit la ventilation permanente des galeries ou la migration du gaz produit par corrosion des composants métalliques, les écoulements de gaz influencent la distribution des pressions de pores dans le massif. Les importants couplages hydro-mécaniques affectent dès lors la roche hôte argileuses, que ce soit par une modification de létendue et des caractéristiques de la zone endommagée à proximité de la paroi suite à une désaturation accentuée par la ventilation ou par le développement dans le massif de chemins préférentiels découlement suite à une rapide et forte montée en pression de gaz. Ces sollicitations peuvent induire des changements importants dans les caractéristiques de la barrière de confinement et compromettre lisolation des matières radioactives. Face au besoin de comprendre et de quantifier ces phénomènes, notre travail se propose dapporter des éléments de réponses dans les domaines de lexpérimental, du développement de modèles constitutifs mais surtout dans la modélisation hydro-mécanique des problèmes de transferts de gaz dans les roches argileuses dans un code aux éléments finis. Linteraction entre un matériau poreux et latmosphère qui lentoure a été étudiée tout dabord dun point de vue expérimental, en développant des essais des essais de séchage convectif. Ces essais ont été analysés sur base dune approche novatrice en géomécanique, basée sur lexistence dune couche limite en surface contrôlant les échanges de vapeur deau et de chaleur avec lextérieur. Une condition limite thermo-hydraulique non conventionnelle a ensuite été développée et introduite dans un code aux éléments finis et permet de reproduire les échanges observés en surface. Des modélisations de validation de la condition limite et dapplication dans un problème proche de celui rencontré dans le contexte du stockage de déchets radioactifs permettent enfin de mettre clairement en évidence linfluence des coefficients de transfert de la couche limite sur le comportement mécanique du massif rocheux. Les essais d'injection de gaz sur le long terme dans les matériaux argileux indiquent des instabilités dans les écoulements qui sont certainement associées à des ouvertures et des fermetures de chemins localisés à travers l'échantillon. Ces ouvertures/fermetures pourraient résulter d'une combinaison de plusieurs processus : outre les effets capillaires, il semble nécessaire de prendre en compte un fort couplage avec la mécanique. Les modèles classiques qui reposent sur une approche biphasique continue des écoulements ne permettent en effet pas la reproduction de tels comportements. Un couplage hydro-mécanique supplémentaire est proposé en considérant une évolution de la perméabilité et de la courbe de rétention avec les déformations. La simulation de deux essais en laboratoire montre quun tel modèle semble être une piste intéressante pour reproduire des chemins localisés et plus conducteurs observés expérimentalement, mais cela nécessite d'avoir une description complémentaire sur l'origine de la localisation de la migration du gaz dans les matériaux argileux. Plusieurs exemples mettent également en évidence limportance dune détermination expérimentale précise de la courbe de rétention et de la perméabilité au gaz dans la zone quasi saturée, ce qui est actuellement rendu délicat et complexe par les méthodes expérimentales à notre disposition.

Les travaux consignés dans cette thèse concernent un système endulaire de récupération de l'énergie des vagues en forte puissance (de l'ordre du MW) (SEAREV). Ils ont été menées en vue de la conception optimale de la chaîne électrique de récupération. Dans cet objectif, il a fallu prendre en compte les différents couplages hydrodynamique - mécanique - électrique - contrôle, ceci dans un contexte de sollicitations fluctuantes. Grâce à une collaboration avec le LMF de l'école Centrale de Nantes, nous avons pu disposer des modèles hydrodynamiques adaptés, et ainsi développer une méthodologie de dimensionnement de la chaîne de récupération sur cycles complexes. Différents modes de contrôle du système pendulaire ont été étudiés et comparés, notamment celui à amortissement optimal avec écrêtage de la puissance qui permet un meilleur dimensionnement de la chaîne électrique. Ces travaux ont permis de déterminer les profils de couple et vitesse du pendule et donc de la machine permettant le dimensionnement d'une architecture électromagnétique à flux radial et à aimants permanents en surface. Les résultats sont principalement présentés sous forme de front de Pareto : coût des parties actives / pertes énergétiques sur cycle. Des études de sensibilité de quelques paramètres (machine et ressource) ont été menées et analysées afin de conserver un regard critique sur les résultats.

Depuis quelques années on assiste à la prolifération de capteurs (pression, accélération, température) autonomes sans fil qui s'appuient sur la disponibilité d'une part d'éléments sensibles petits et performants et d'autre part sur de nouveaux circuits électroniques de communication à faible coût entre 300MHz et 3GHz. Ces composants répondent à la demande croissante pour des réseaux de capteurs communicants autonomes pour des applications distribuées de surveillance, d'analyse ou encore de diagnostic. Cependant, le développement de ces réseaux de capteurs communicants sans fil a mis en évidence une limitation intrinsèque de l'utilisation de la plupart des cellules de mesures existantes liée à l'autonomie énergétique du système. La majorité des recherches visant à augmenter l'autonomie des capteurs se focalisent d'une part sur la réduction de la consommation des cellules sensibles et des circuits électroniques et d'autre part sur la disponibilité de l'énergie embarquée. Bien que séduisantes, toutes ces solutions potentielles présentent des inconvénients majeurs tels que la complexité des dispositifs à mettre en Suvre, des faibles courants disponibles ou encore une quantité d'énergie stockée peu importante. Dans le cadre de cette thèse, on s'est intéressé au cas particulier des capteurs de pression et on a adopté une toute autre approche. En effet, l'objectif de ce travail consiste à repenser complètement le principe de fonctionnement du capteur en développant un nouveau mode de transduction complètement passif qui ne nécessite pas d'énergie embarquée et qui peut être interrogé à grande distance (plusieurs mètres à quelques dizaines de mètres) par radar. Ce mode baptisé 'transduction électromagnétique' est basé sur la modification de la fréquence de résonance d'une fonction hyperfréquence par la grandeur à mesurer. Cette méthode originale de transduction convertit l'effet d'un gradient de pression en un décalage en fréquence. Dans une première étape, une vali dation théorique, par modélisation électromagnétique, du principe de fonctionnement est présentée. Ensuite, le dimensionnement de la cellule de mesure est réalisé en tenant compte, d'une part de l'aspect électromagnétique lié au circuit résonant, et d'autre part de l'aspect mécanique relatif aux contraintes technologiques pour les structures avec membrane silicium. Par la suite, des simulations électromagnétiques simplifiées ainsi que des simulations tenant compte de la déformation réelle de la membrane ont été réalisées pour valider, par simulation, le décalage en fréquence et ainsi valider le principe de fonctionnement du capteur. L'étape suivante a permis d'identifier les procédés technologiques en salle blanche qui ont permis de réaliser les premiers prototypes du capteur. Une fois les cellules de mesures fabriquées, des mesures RF ont été réalisées et viennent confirmer les résultats de simulations. Ensuite, en utilisant un banc de mesure spécialement dédié à ce type de capteurs, des mesures RF combinées avec des mesures en pression ont été menées pour la caractérisation en pression des prototypes et pour en extraire la sensibilité. Enfin, des perspectives sont ouvertes sur les aspects sans-fil et interrogation Radar du capteur.

De nombreuses études récentes ont montré la présence de quantités élevées de polluants à l'intérieur de l'habitacle automobile. La solution proposée pour pallier ce problème est l'élaboration d'un capteur de gaz capable de détecter les polluants pénétrant à l'intérieur du véhicule, engendrant la fermeture des volets d'aération lors de l'observation d'un pic de pollution. Les micro-capteurs chimiques à oxydes métalliques sont les meilleurs candidats pour résoudre cette problématique : ils présentent une grande sensibilité à de nombreux gaz, des temps de réponse rapides, et leur coût de production est faible. Leur principal défaut est un manque de sélectivité. Les travaux de recherches effectués ont consisté à mettre au point un micro-dispositif intégrant un réseau multicapteur de gaz à détection conductimétrique : sur une même puce micro-usinée en silicium sont intégrées plusieurs couches sensibles différentes, visant à détecter sélectivement plusieurs gaz : le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde d'azote (NO2), l'ammoniac (NH3), l'acétaldéhyde (C2H4O) et le sulfure d'hydrogène (H2S). Pour se faire, trois axes d'études principaux se sont dégagés. La première partie de cette étude s'est portée sur la conception des micro-plateformes chauffantes à l'aide d'un outil de simulations numériques multiphysiques, pour optimiser, d'une part leur structure et leur géométrie afin d'atteindre les performances thermiques escomptées (optimisation du rendement thermoélectrique et minimisation d'interaction d'une cellule à l'autre), et d'autre part les performances thermomécaniques compte tenu de la possibilité d'utiliser un mode de fonctionnement des capteurs en transitoires thermiques rapides. Le modèle obtenu a été validé par comparaison à des mesures physiques. Celui-ci nous a permis d'améliorer le comportement thermique à la surface de la membrane et de réduire les coûts de fabrication en simplifiant le design. La fabrication en centrale technologique de la plateforme multicapteurs a ensuite été réalisée en tenant compte des améliorations proposées par la modélisation. Une étude spécifique sur l'intégration dans le procédé d'une technique industrielle des dépôts des matériaux sensibles par jet d'encre a été menée. Nous avons ainsi mis au point une méthode permettant de déposer rapidement et à bas coûts plusieurs couches sensibles (ZnO, CuO et SnO2) sur une même structure de détection. Enfin, nous avons procédé à l'élaboration d'un système décisionnel, comprenant deux éléments : la mise au point d'un profil optimisé de contrôle des résistances chauffantes et sensibles permettant d'améliorer la sensibilité, la sélectivité et la stabilité, et une analyse multivariée des données. Il a de ce fait été possible de détecter sélectivement la plupart des gaz ciblés (seuls et mélangés) à de faibles concentrations (0,2 ppm de NO2, 2 ppm de C2H4O, 5 ppm de NH3 et 100 ppm de CO).

La conception des microproduits est une activité multidisciplinaire faisant fréquemment appel à la mise en oeuvre de plusieurs principes physiques couplés. Différents acteurs interviennent au cours du processus de conception du produit : spécialistes des principes physiques mis en oeuvre, experts des procédés de fabrications, etc. Ces acteurs doivent collaborer selon les principes de la conception intégrée dans le but de concevoir un produit performant tout au long de son cycle de vie. Le concept de modèle-produit a été développé dans le cadre de la conception d'un "macro" produit, pour permettre l'intégration de l'ensemble des expertises métiers intervenant sur le cycle de vie du produit. Il nous semble donc pertinent d'évaluer dans quelle mesure ce concept pourrait convenir pour la conception de microproduits. Après avoir souligné les limites des modèles existants, la difficulté de les utiliser pour supporter l'étroite collaboration entre les experts des différents principes physiques mis en oeuvre et la gestion des couplages multiphysiques, nous présentons les concepts nécessaires à l'élaboration d'un modèle dédié aux microproduits. Le modèle mis en place et son application à la conception de deux microproduits (un MEMS switch RF et un système microfluidique) sont finalement présentés.

L’objectif de cette étude est de développer une alimentation multisources exploitant la complémentarité batterie/supercondensateurs pour gagner en masse sur le stockage de l’énergie électrique embarquée à bord des aéronefs et des véhicules spatiaux. L’étude se déroule en trois parties :Dans la première partie, un outil d’aide à la décision permettant développer une alimentation hybride pour une application donnée est présenté. Cet outil a pour but d’estimer la masse optimale d’une alimentation hybride à partir des seules informations d’énergies spécifiques et puissances spécifiques des sources candidatesLa deuxième partie de l’étude s’appuie sur la complémentarité d’une étude bibliographique sur le comportement interne des supercondensateurs, couplée avec une campagne expérimentale de caractérisation et de vieillissement des supercondensateurs, pour construire et identifier les modèles multiphysiques de références commerciales de supercondensateurs nécessaires à l’optimisation fine du dimensionnement de l’alimentation hybride.À partir du modèle des sources, la troisième et dernière partie de cette étude a pour objectif de présenter la conception d’une architecture électrique répondant au besoin. En particulier, l’alimentation hybride proposée dans cette partie exploite dynamiquement et au maximum de leur capacité chacune des deux sources, tout en prenant soin de ne pas les contraindre excessivement. De par cette manière de faire, on se prémunit contre d’éventuelles défaillances des sources liées à leur utilisation abusive / The aim of this study is to develop an hybrid power supply using the complementarities between batteries and supercapacitors in order to improve the mass of electrical storage systems on aircrafts and spacecrafts.The study is divided into three parts: In the first part, a decision-making tool to develop a hybrid power supply given a mission profile is presented. Thanks to this tool, an estimation of the optimal mass of the hybrid power supply is done based only on the specific energy and the specific power of the sources.The second part is firstly composed of a synthesis of bibliography results on the internal behavior of supercapacitors; secondly an experimental test campaign is described. Its aim is characterizing, modeling and identifying the multiphysics behavior and ageing of supercapacitors on several commercial references. Those models are required for the fine sizing optimization of the hybrid power supply. Basing on the internal model of the sources, the aim of the third part of this study is to present the development of an hybrid architecture battery/supercapacitors which fulfills the electrical need for a specific application. This hybrid power supply takes dynamically advantage of the electrical sources at the maximum of their possibilities, but without overstressing them at the same time. Thanks to that, the aging rate of the sources and the failure rate of the system are limited

Les problèmes qui se posent aujourd'hui en mécanique numérique et domaines connexes sont complexes, et impliquent de plus en plus souvent plusieurs physiques à différentes échelles de temps et d’espace. Leur traitement numérique est en général long et difficile, d’où l’intérêt d’avoir accès à des méthodes et outils facilitant l’intégration de nouveaux modèles physiques dans des outils de simulation. Ce travail se pose dans la problématique du développement de codes de calcul numérique. L’approche proposée couvre la démarche de développement du modèle numérique depuis la formulation variationnelle jusqu’à l’outil de simulation. L’approche est appliquée à la méthode des éléments finis. Nous avons développé des concepts génériques afin d’automatiser la méthode des éléments finis. Nous nous sommes appuyés sur l'analyse tensorielle dans le contexte de la méthode des éléments finis. Le formalisme mathématique est basé sur l’algèbre tensorielle appliquée à la description de la discrétisation des formes variationnelles. Ce caractère générique est conservé grâce à l'approche logicielle choisie pour l’implantation; orientée objet en Java. Nous proposons donc un cadre orienté objet, basé sur des concepts symboliques, capables de gérer de manière symbolique les développements assistés des contributions élémentaires pour la méthode éléments finis. Ces contributions sont ensuite automatiquement programmées dans un code de calcul. L'intérêt de cette approche est la généricité de la description qui peut être étendue naturellement à tout autre modèle de discrétisation (spatiale ou temporelle). Dans ce travail, les concepts sont validés dans le cadre de problèmes linéaires simples (élasticité, chaleur,...), dans le cadre du traitement de formulations variationnelles mixtes (thermomécanique, Navier-Stokes,…) et dans un cadre Lagrangien (élasticité en grandes transformations, hyperélasticité,…). / The problems occurring today in computational mechanics and related domains are complex, and may involve several physics at different time and space scales. The numerical treatment of complex problems is in general tough and time consuming. In this context, the interest to develop methods and tools to accelerate the integration of new formulations into simulation tools is obvious. This work arises on the issue of the development of computational tool. The proposed approach covers the development process of numerical models from the variational statement to the simulation tool. The approach is applied to the finite element method. We have developed generic concepts to automate the development of the finite element method. To achieve this goal, we relied on tensor analysis applied in the context of the finite element method. The mathematical formalism is based on the tensor algebra to describe the discretization of a variational formulation. The generic character of the approach is preserved through the object-oriented approach in Java. We propose a framework based on object-oriented concepts capable of handling symbolic developments of elemental contributions for finite element codes. The advantage of this approach is the generic description that can be extended naturally to any discretization model in space or time. This concept is fully validated for simple linear problems (elasticity, heat convection, ...), for the treatment of mixed variational formulations (thermo-mechanical, Navier-Stokes for incompressible flows...) and Lagrangian frameworks (elasticity in larges transformations, hyperelasticity, ...).

La miniaturisation constante de composants électroniques, essentiels aux cartes de commande, tels que les générateurs de fréquences, les gyro-vibrants voire certains accéléromètres engendre la diminution de leur masse utile. Ces composants électroniques deviennent alors très sensibles aux sollicitations extérieures et perdent, de manière très importante, leur efficacité et la précision de leurs mesures. Deux stratégies peuvent alors être mises en oeuvre afin de résoudre ce problème : la stabilisation interne active du composant ou son isolation par rapport au support vibrant.<br />Notre étude nous a conduit aux validations, théorique et expérimentale, de ces deux méthodes de contrôle sur des composants sensibles réels. De plus, nous étendons, via une méthode de pénalisation, le champ d'application d'un critère d'optimisation structural de stratégies IFF au cas de stratégies DVF. Par ailleurs, une structure d'isolation originale fondée sur une loi de contrôle utilisant une mesure mixte en accélération absolue et en déplacement relatif est développée.