Traditionnellement, le procédé de mise en forme par métallurgie des poudres permettait la fabrication de pièces relativement complexes ne nécessitant peu ou pas d'opérations secondaires d'usinage. Toutefois, avec la diversité actuelle de ce procédé, au moins 30% de ces pièces requièrent une ou plusieurs opérations d'usinage afin d'atteindre les exigences géométriques demandées en service. L'usinage de ces pièces, particulièrement celles fabriquées à partir d'acier autotrempant, est cependant limité étant donné les complications qui en découlent. L'usinage de pièces à cru fabriquées par métallurgie des poudres est une alternative intéressante afin de diminuer les coûts de production et d'ainsi concurrencer les autres procédés de mise en forme. Depuis les années 90, des procédés de fabrication ont été développés dans le but d'augmenter la résistance des pièces à cru et de rendre l'usinage de ces dernières envisageable. Toutefois, avant d'utiliser industriellement ce type d'usinage, certaines considérations doivent être étudiées. Cette thèse vise à caractériser et à optimiser l'usinabilité, selon diverses opérations d'usinage, de pièces de haute résistance à cru fabriquées par métallurgie des poudres. La durée de vie d'outils de coupe, de même que les effets de l'usure de ces derniers sur l'usinabilité des pièces à cru, ont également été caractérisés. Les propriétés mécaniques de pièces usinées à cru ont été mesurées suite à l'opération de frittage et comparées à celles de pièces usinées conventionnellement, c'est-à-dire après le frittage. Par ailleurs, des copeaux recueillis lors de l'usinage de pièces à cru ont été ajoutés un mélange de poudres de composition similaire pour la fabrication de nouvelles pièces. Les résultats ont montré qu'une vitesse de rotation suriacique élevée et une vitesse d'avance faible améliorent l'usinabilité des pièces à cru. Par exemple, en perçage, la taille de la zone où des particules ont été arrachées est de 115 um pour une vitesse de rotation surfacique de 140 m/min (7000 tour/min) et pour une vitesse d'avance de 0,0254 mm/r. Cette taille d'arrachement, mesurée lors des essais de perçage, est environ la moitié de celles répertoriées dans la littérature. La durée de vie des outils de coupe en usinage à cru est largement supérieure à celle mesurée lors de l'usinage de pièces frittées. Toutefois, lorsque la pointe de l'outil se détériore, la qualité des pièces usinées diminue. Par exemple, pour une opération de dressage, la taille moyenne de la zone d'arrachement est de 150 um lorsqu'un outil neuf est utilisé alors que cette taille augmente à 300 um pour une usure d'outil de 0,20 mm. Les essais mécaniques effectués sur des pièces frittées ayant subies une opération d'usinage à cru ont montré que les propriétés mécaniques de ces pièces sont similaires à celles mesurées sur des pièces usinées conventionnellement. De plus, les résultats montrent que 20%-poids de copeaux obtenus lors de l'usinage de pièces à cru peut être mélangé à un mélange de poudres de même composition sans en affecter les propriétés de mise en œuvre et les propriétés après frittage. / Traditionally, the powder metallurgy process allowed manufacturing components with relatively complex geometries requiring little machining operations. However, with the current diversity of this process, approximately 30% of these components require one or more machining operations to reach geometrical conformances. Unfortunately, the machining of powder metallurgy components, particularly those made from sinter-hardenable steel powders, is limited due to poor machinability of the latter. The machining of green powder metallurgy components is an attractive process to reduce production costs and to compete with other shaping processes. During the last decade, different strategies were developed to increase the strength of green powder metallurgy component enabling the machining of the latter. However, before using this type of machining in an industrial environment, certain considerations must be studied and optimized. This thesis is aimed at characterizing and optimizing the machinability of high green strength powder metallurgy components for various machining operations. The cutting tool life, as well as the effects of the tool wear on the machinability of green components, are also characterized. Powder metallurgy components machined in their green state were sintered and then subjected to mechanical tests to compare their sintered strength to that of components machined conventionally, i.e. after sintering. The results showed that a high surface speed and a low feed rate improve the machinability of green powder metallurgy components. For example, in drilling, the average width of breakouts is 115 um when a surface speed of 140 m/min (7000 rpm) and a feed rate of 0,0254 mm/r are used. Such width of breakouts, measured during the drilling tests, is approximately one half of those presented in the literature. The tool life of the cutting tool in green machining is largely higher than that measured during the machining of sintered components. However, for a worn cutting tool, the quality of the machined components decreases. In facing, the average width of breakouts is 150 um for a brand new cutting tool while this width of breakouts increases to 300 um for a worn one (tool wear: 0,20 mm). Mechanical tests done on sintered parts having undergone an operation of green machining showed that the mechanical properties of these parts are similar to those measured on components machined conventionally. Results showed that 20 wt.% of chips reclaimed during the machining of green specimens can be admixed to a similar premix without affecting of the compaction and the sintered properties.

Ce travail évalue le comportement mécanique des matériaux cimentaires à différentes échelles de distance. Premièrement, les propriétés mécaniques du béton produit avec un bioplastifiant à base de microorganismes efficaces (EM) sont etudiées par nanoindentation statistique, et comparées aux propriétés mécaniques du béton produit avec un superplastifiant ordinaire (SP). Il est trouvé que l’ajout de bioplastifiant à base de produit EM améliore la résistance des C–S–H en augmentant la cohésion et la friction des nanograins solides. L’analyse statistique des résultats d’indentation suggère que le bioplastifiant à base de produit EM inhibe la précipitation des C–S–H avec une plus grande fraction volumique solide. Deuxièmement, un modèle multi-échelles à base micromécanique est dérivé pour le comportement poroélastique de la pâte de ciment au jeune age. L’approche proposée permet d’obtenir les propriétés poroélastiques requises pour la modélisation du comportoment mécanique partiellement saturé des pâtes de ciment viellissantes. Il est montré que ce modèle prédit le seuil de percolation et le module de Young non drainé de façon conforme aux données expérimentales. Un metamodèle stochastique est construit sur la base du chaos polynomial pour propager l’incertitude des paramètres du modèle à travers plusieurs échelles de distance. Une analyse de sensibilité est conduite par post-traitement du metamodèle pour des pâtes de ciment avec ratios d’eau sur ciment entre 0.35 et 0.70. Il est trouvé que l’incertitude sous-jacente des propriétés poroélastiques équivalentes est principalement due à l’énergie d’activation des aluminates de calcium au jeune age et, plus tard, au module élastique des silicates de calcium hydratés de basse densité. / This work assesses the mechanical behavior of cement-based materials through different length scales. First, the mechanical properties of concrete produced with effective microorganisms (EM)-based bioplasticizer are investigated by means of statistical nanoindentation, and compared to the nanomechanical properties of concrete produced with ordinary superplasticizer (SP). It is found that the addition of EM-based bioplasticizer improves the strength of C–S–H by enhancing the cohesion and friction of solid nanograins. The statistical analysis of indentation results also suggests that EM-based bioplasticizer inhibits the precipitation of C–S–H of higher density. Second, a multiscale micromechanics-based model is derived for the poroelastic behavior of cement paste at early age. The proposed approach provides poroelastic properties required to model the behavior of partially saturated aging cement pastes. It is shown that the model predicts the percolation threshold and undrained elastic modulus in good agreement with experimental data. A stochastic metamodel is constructed using polynomial chaos expansions to propagate the uncertainty of the model parameters through different length scales. A sensitivity analysis is conducted by post-treatment of the meta-model for water-to-cement ratios between 0.35 and 0.70. It is found that the underlying uncertainty of the effective poroelastic proporties is mostly due to the apparent activation energy of calcium aluminate at early age and, later on, to the elastic modulus of low density calcium-silicate-hydrate.

Les maladies cardiovasculaires représentent une des principales causes de décès dans le monde et différentes actions sont en place depuis des décennies pour comprendre les mécanismes d’action de ces maladies et leur impact sur le corps humain. Dans l’optique de venir en aide aux personnes souffrant de ces maladies, le génie tissulaire vasculaire émerge comme une technologie prometteuse afin de favoriser la régénération des tissus et des organes endommagés. Cependant, les modèles issus du génie tissulaire, en plus d’être biologiquement et chimiquement comparables au tissu natif, doivent également présenter des propriétés mécaniques permettant aux modèles de répondre aux différentes fonctions physiologiques. Dans cette optique, il est nécessaire de concevoir, optimiser et développer une série d’essais permettant de vérifier les performances mécaniques des constructions regénérées. De nombreuses approches ont été déployées dans ce domaine contenant chacune ses avantages et ses inconvénients, mais il n’existe pas, à l’heure actuelle, aucun standard sur le protocole des essais mécaniques à préconiser avec un échantillon spécifique. Dans ce contexte, le projet de ce mémoire a été de concevoir et de valider des protocoles de caractérisation mécanique non-conventionnels appliqués spécifiquement à des tissus vasculaires. Tout d’abord, un protocole pour la caractérisation mécanique de gels de collagène en configuration plane à été développé. Ensuite, ce protocole à été étendu pour la modélisation numérique afin d’étudier l’applicabilité d’un modèle poro-viscoélastique. Par la suite, des protocoles expérimentaux ont été développés afin de permettre la densification de gel de collagène ainsi que leur caractérisation mécanique. Enfin, une caractérisation expérimentale d’aortes de souris calcifiées à été réalisée. Dans son ensemble, l’étude exécutée dans le cadre de cette maîtrise à permis l’approfondissement des connaissances dans le domaine de la caractérisation mécanique des tissus mous viscoélastiques. Ce mémoire présente également d’autres techniques de caractérisation mécanique pour différents types de tissus vasculaires. D’autres protocoles de tests développés dans le cadre de collaboration avec d’autres groupes de recherche sont décrits dans ce mémoire. / Cardiovascular diseases represent one of the principal causes of death worldwide. It is therefore of high importance to improve our understanding of their mechanisms of action and their impact on health. To help people suffering from these diseases, tissue engineering is emerging as a promising technique for developing regenerated constructs to replace diseased tissues and organs. However, apart from being biologically compatible, the developed construct also needs to have mechanical properties like the one of native tissues. It is therefore necessary to perform mechanical characterization on the tissue engineered construct to validate its suitability. When it comes to mechanical characterization, a lot of approaches are used by different research groups as there is absolutely no standard in this field. In this context, the objective of this thesis is to develop and validate non-conventional mechanical characterization protocols specific to soft tissues for vascular application. First, a testing protocol was developed to characterize disk-shaped collagen gel samples. Secondly, the same collagen gel, but in tubular geometry, were densified and also characterized. Finally, a mechanical testing protocol and device was developed in order to characterize very small caliber blood vessels, such as mouse aortas. This thesis also presents other techniques for mechanical characterization used for vascular tissue, as along with protocols developed in the process of external collaboration with different research groups.

Combiner les avantages des nanoparticules d'argile et celles d'une phase élastomère dispersée peut conduire à de meilleures propriétés mécaniques. L'amélioration à la fois des propriétés mécaniques en traction (module, contrainte et déformation à la rupture) et des propriétés au choc (résistance et énergie de rupture) peut conduire à de nouvelles applications industrielles. Cependant, le renforcement d'une matrice polymère ductile par des charges minérales classiques se traduit de manière quasi-systématique par une fragilisation importante de celle-ci. Les nanocomposites utilisant comme renforts des microplaquettes d'argile permettent une approche originale de ce problème de la fragilité du fait de la taille des renforts, de leur dispersion, de leur surface spécifique élevée et des possibilités de fonctionnalisation des surfaces. Les nanocomposites à matrice polypropylène renforcés par un type de nanoparticules d'argile sont mis en œuvre à l'état fondu dans un mélangeur interne. L'ajout d'oligomères fonctionnalisés favorise la dispersion de l'argile dans le polypropylène. Une exfoliation partielle est ainsi obtenue par cisaillement intense d'un milieu hautement visqueux. Grâce à leur facteur de forme (longueur sur épaisseur) très élevé (>100), des fractions volumiques de particules inorganiques aussi basses que 2-3% suffisent pour engendrer un réseau de particules percolant conférant au nanocomposite final des propriétés mécaniques comparables aux composites classiques chargés par 30 à 50% de fibres de verres, sans altérer grandement la densité et la transparence de la matrice. Par ailleurs, même si on augmente le module et éventuellement la contrainte à la rupture, les propriétés au choc et la déformation à la rupture se trouvent diminuées. En revanche, dans le domaine des polymères, l'ajout d'une phase élastomère améliore les propriétés au choc et augmente la déformation à la rupture. Cette amélioration se fait au détriment du module qui diminue en fonction de la teneur en phase élastomère. La dispersion est analysée par diffraction des rayons X et microscopie. Les matériaux sont soumis à des essais mécaniques en traction et au choc.

L’objet de ce travail est de produire et de caractériser des composites structuraux à base de polypropylène et de mousse. La première partie est consacrée au renforcement du polypropylène avec des fibres de chanvre en étudiant l’effet de la concentration de la fibre, de la taille des fibres et de la concentration en agent de couplage sur les propriétés mécaniques. Une étude morphologique par photomicrographies a permis d’expliquer les résultats mécaniques en tension et flexion. On montre que 2% d’agent couplant est suffisant pour optimiser les modules. Dans la deuxième partie, des mousses de polypropylène sont produites par compression avec différentes concentrations d'agent gonflant afin de déterminer l’effet de la réduction de densité et du profil de densité sur les propriétés en tension et flexion. Une caractérisation complète de la morphologie des mousses en termes de taille de cellules, de densité de cellules et d’épaisseur de la peau est faite. L'utilisation du profil de densité est nécessaire afin d’obtenir une bonne prédiction des propriétés mécaniques. Finalement, des structures sandwich avec différents pourcentages de peau et de densité de cœur sont produites. Une analyse morphologique du cœur est rapportée avec les propriétés mécaniques en tension et flexion. On montre qu’une très bonne prédiction peut être faite en utilisant simplement la loi des mélanges et le modèle quadratique avec le profil de densité pour l’effet de la peau et du cœur, respectivement. / The aim of this work is to produce and characterize polypropylene structural composite foams. To do so, the work is divided in three parts. The first part is devoted to study the reinforcement of polypropylene with hemp fibres by changing the fibre content, fibre size and coupling agent concentration. Micrographs are used to explain the results of the mechanical properties measured under tensile and flexural stress. It is found that 2% of coupling agent gives the optimum modulus values. In the second part, polypropylene foams are produced by compression moulding with different concentrations of blowing agent to determine the effect of density reduction and density profile on the tensile and flexural properties. The morphological characteristics (cell size, cell density and skin thickness) of the foams are also examined. It is found that the use of the complete density profile is necessary to predict with high precision the mechanical results. Finally, sandwich structures are produced with different skin ratio and core densities. A complete morphological analysis is reported with mechanical properties (tensile and flexural). It is shown that the simple law of mixture and the square power-law combined with the density profile are enough to predict the effect of the skins and core, respectively.

L'objectif principal de cette étude a été d'établir l'effet de la teneur en humidité d'équilibre sur les propriétés du bois à deux niveaux de température. Deux espèces feuillues tempérées ont été étudiées, soit le bouleau jaune et le hêtre à grandes feuilles. La région près du point de saturation des fibres (PSF) a été particulièrement visée. Deux méthodes de désorption d'humidité aux températures de 25ʻC et 50ʻC ont été appliquées, soit la méthode des solutions salines saturées et celle de la membrane poreuse sous pression. Celles-ci ont été couplées avec des mesures du retrait ainsi qu'à des essais de compression tangentielle. Les résultats ont montré qu'à l'équilibre de sorption, le retrait du bois a commencé avant même d'atteindre le PSF. Alors, ces résultats indiquent qu'une perte de l'eau hygroscopique a lieu en présence d'eau liquide. L'eau liquide qui reste à ce moment serait localisée dans les tissus les moins perméables du bois, soit les rayons ligneux. Une augmentation de la température augmenterait la perméabilité de ces tissus en facilitant la désorption de l'eau restante. Ainsi, la teneur en humidité d'équilibre marquant le début des changements des propriétés du bois diminue avec une augmentation de la température. Cette valeur se rapprocherait ainsi du PSF au fur et à mesure que la température s'élève. De plus, le retrait du bois de hêtre à 50ʻC semble avoir été affecté par un léger collapse localisé dans les zones plus faibles du bois. Enfin, l'hygroscopicité et les propriétés mécaniques du bois ont été plus faibles à 50ʻC qu'à 25ʻC.

Les lames de plancher d’ingénierie (LPI) sont des composites multicouches à base de bois. La structure en couches croisées est conçue pour donner aux LPI une bonne stabilité dimensionnelle pendant les changements de conditions environnementales. Toutefois, pendant la saison d’hiver en Amérique du Nord, l’humidité relative dans les habitations peut descendre de façon significative et générer une déformation en tuilage de LPI importante. L’amplitude de cette déformation dépend des propriétés physiques et mécaniques de chaque couche et du changement d'humidité. Le contreplaqué est largement utilisé comme substrat dans la fabrication de LPI. L’industrie canadienne des lames de plancher utilise couramment le contreplaqué de bouleau baltique (CBB [russe et finlandais]) dans leurs constructions de LPI haut de gamme. L’objectif général de ce projet de doctorat était de développer un panneau OSB (Oriented Strand Board) spécial afin de remplacer le contreplaqué utilisé comme substrat dans la fabrication de LPI. Les objectifs spécifiques de ce travail de recherche étaient de développer un panneau OSB spécial en vue d’être utilisé comme substrat dans les LPI, de fabriquer et évaluer des prototypes de LPI en utilisant ce substrat, de comparer les propriétés de ces prototypes avec celles d’autres LPI usuels et de caractériser les contraintes développées dans les LPI jusqu’à l’apparition des délaminations. Des panneaux OSB composés de trois couches ont été fabriqués à partir de deux types de lamelles de bois : un mélange de 90% de peuplier faux-tremble (Populus tremuloides Michx.) et 10% de bouleau à papier (Betula papyrifera Marsh.) et 100% de pin ponderosa (Pinus ponderosa Dougl. ex Laws.). Une expérience factorielle a été utilisée pour évaluer l’effet de trois facteurs de fabrication sur les propriétés des panneaux. Les facteurs choisis ont été la teneur en adhésif, le profil de densité et le rapport entre les couches de surface et la couche médiane. Afin de choisir les meilleures combinaisons de trois facteurs, des tests de flexion, de cohésion interne et de gonflement en épaisseur ont été effectués pour chaque type de panneaux. Des prototypes de LPI ont été fabriqués en utilisant comme substrat : l’OSB grade sheating, l’OSB web stock, le contreplaqué russe et les deux types de panneaux d’OSB spéciaux. Ces prototypes ont été testés dans une chambre de conditionnement. Les constructions de LPI ayant un substrat en contreplaqué russe ont présenté les plus faibles valeurs en tuilage. Des différences non significatives ont été observées entre les LPI utilisant comme substrat le contreplaqué russe et le panneau OSB fabriqué à partir du mélange peuplier/bouleau. Cependant, des délaminations dans le substrat en OSB ont été observées après le test en chambre de conditionnement. La modélisation par éléments finis a été utilisée afin de caractériser les contraintes développées dans le substrat de LPI pendant les changements de teneur en humidité. Les propriétés mécaniques et physiques du substrat en OSB nécessaires à la modélisation ont été déterminées expérimentalement sur des panneaux OSB avec un profil de masse volumique aplati. La modélisation par éléments finis a été réalisée à l’aide du code MEF++. Une bonne corrélation a été trouvée entre la déformation en tuilage de LPI mesurée en chambre de conditionnement et celle calculée par le modèle. Le champ de contraintes simulé correspond aux délaminations observées sur les échantillons de LPI. Les résultats obtenus, montrent la faisabilité d’utiliser le panneau OSB comme substrat dans la fabrication de LPI. / Engineered wood flooring (EWF) is a multilayer composite flooring product. The cross layered structure is designed to give EWF good dimensional stability under transient environmental conditions. However, during winter season in North America the indoor relative humidity could dramatically decrease and generate an important cupping deformation. The magnitude of this distortion depends on the physical and mechanical properties of each layer and moisture content changes. Baltic Birch Plywood (BBP [Russian and Finnish]) is widely used as substrate in the high quality EWF products, especially by Canadian manufacturers. The overall objective of this study was to develop an oriented strand board (OSB) as a substitute for the plywood used as a substrate for EWF. The specific objectives of this project were to develop a special OSB formulation to be used as a substrate for EWF; to manufacture and evaluate the EWF prototypes made with this substrate, to compare the prototype properties with those of commonly-used EWF; and to characterize the stresses developed in the substrate until delamination appears. Three-layers oriented strand boards were manufactured from two types of strands: a mixture of 90% aspen (Populus tremuloides Michx.) and 10% paper birch (Betula papyrifera Marsh.), and 100% ponderosa pine (Pinus ponderosa Dougl. ex Laws.). The OSB panels were fabricated following a factorial design of three resin contents, two vertical density profiles, and three weight ratios of the face and core layers. In order to choose the best combinations of the three factors, tests to determine bending properties, density, internal bond and thickness swelling were performed for each type of panel. Prototypes of EWF were made using five types of substrates: BBP, sheathing grade OSB, web stock OSB and the two prototypes of specialty OSB panels. The tests in conditioning chamber showed that BBP substrate constructions present the lowest distortion between humid and dry conditions. There were no significant differences in the distortion measured for BBP and aspen/birch OSB substrates. However, delaminations were observed in the OSB substrate after the test in conditioning chamber. A finite element model was used in order to characterize stresses developed in the EWF substrate in transient moisture content conditions. The physical and mechanical properties of OSB substrate were experimentally determined in laboratory on the OSB panels with a flat density profile. The finite element (FE) modeling was performed using the FE code MEF++. Good agreement has been found between the numerical and experimental EWF cupping deformation. The high stress regions in the distribution correspond to the delaminations observed on the OSB substrate. The results of this work demonstrate the potential of OSB to be used as substrate in EWF construction.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’une optimisation industrielle et économique des éléments de structure en BFUP permettant d’en garantir la ductilité au niveau structural, tout en ajustant la quantité de fibres et en optimisant le mode de fabrication. Le modèle développé décrit explicitement la participation du renfort fibré en traction au niveau local, en enchaînant une phase de comportement écrouissante suivie d’une phase adoucissante. La loi de comportement est fonction de la densité, de l’orientation des fibres vis-à-vis des directions principales de traction, de leur élancement et d’autres paramètres matériaux usuels liés aux fibres, à la matrice cimentaire et à leur interaction. L’orientation des fibres est prise en compte à partir d’une loi de probabilité normale à une ou deux variables permettant de reproduire n’importe quelle orientation obtenue à partir d’un calcul représentatif de la mise en oeuvre du BFUP frais ou renseignée par analyse expérimentale sur prototype. Enfin, le modèle reproduit la fissuration des BFUP sur le principe des modèles de fissures diffuses et tournantes. La loi de comportement est intégrée au sein d’un logiciel de calcul de structure par éléments finis, permettant de l’utiliser comme un outil prédictif de la fiabilité et de la ductilité globale d’éléments en BFUP. Deux campagnes expérimentales ont été effectuées, une à l’Université Laval de Québec et l’autre à l’Ifsttar, Marne-la-Vallée. La première permet de valider la capacité du modèle reproduire le comportement global sous des sollicitations typiques de traction et de flexion dans des éléments structurels simples pour lesquels l’orientation préférentielle des fibres a été renseignée par tomographie. La seconde campagne expérimentale démontre les capacités du modèle dans une démarche d’optimisation, pour la fabrication de plaques nervurées relativement complexes et présentant un intérêt industriel potentiel pour lesquels différentes modalités de fabrication et des BFUP plus ou moins fibrés ont été envisagés. Le contrôle de la répartition et de l’orientation des fibres a été réalisé à partir d’essais mécaniques sur prélèvements. Les prévisions du modèle ont été confrontées au comportement structurel global et à la ductilité mis en évidence expérimentalement. Le modèle a ainsi pu être qualifié vis-à-vis des méthodes analytiques usuelles de l’ingénierie, en prenant en compte la variabilité statistique. Des pistes d’amélioration et de complément de développement ont été identifiées. / This Ph.D. project has been prepared within the context of an industrial and economic optimisation of UHPFRC structural elements to ensure ductility at the structural level, while adjusting the amount of fibre and optimising the manufacturing process. The model developed explicitly describes the participation of local fibre reinforcement in tension, thanks to a hardening behaviour followed by a softening one. The constitutive law is a function of the local fibre content, of the fibre orientation with respect to tensile principal directions, of the fibre slenderness and other usual material parameters related to the fibres, the cementitious matrix and their interaction. The fibre orientation is taken into account using a normal probability distribution with one or two variables to reproduce any orientation either obtained from a representative simulation of casting fresh UHPFRC or informed by experimental analysis on prototypes. Lastly, the model reproduces the cracking of UHPFRC based on the principle of smeared rotating crack models. The constitutive law is implemented in a structural finite element software as a predictive tool of reliability and overall ductility of UHPFRC elements. Two experimental campaigns were carried out, one at Laval University in Québec and one at Ifsttar, Marne-la-Vallée. The first one is used to confirm the model ability to reproducethe overall behaviour under typical tensile and bending loads in simple structural elements for which the preferential fibre orientation was measured by microtomography. The second experimental campaign demonstrates the capabilities of the model, in an optimisation process, to help manufacture relatively complex ribbed triangular plates of industrial interest in which different manufacturing process and fibre volume have been considered. The identification of fibre distribution and orientation has been performed using mechanical tests on sawn samples. The model predictions have been compared to the global structural behaviour, and to the ductility demonstrated experimentally. The model could be qualified through comparison with conventional analytical engineering methods, taking into account the statistical variability. Improvement and additional developments have been identified.

La déformation en trois dimensions est calculée pour des globules rouges prisonniers à l'aide de trappes optiques dans le cadre de théories analytique et numérique d'élasticité membranaire. Comme la distribution de stress radiale à la membrane est couplée à la déformation de celle-ci, nous calculons cette distribution de stress sur le globule déformé et obtenons les déformations subséquentes itérativement en utilisant une méthode d'élément fini numérique. Ce principe doit s'appliquer jusqu'à ce que l'équilibre final soit atteint entre la distribution de stress et la déformation de la membrane. L'expérience est produite avec des globules rouges soumis à une pression osmotique pour qu'ils prennent une forme sphérique et en suspension dans le médium. L'élasticité de la membrane est obtenue en comparant les résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques. Cette approche a la particularité de pouvoir être appliquée à de larges déformations et étendue à d'autres particules soumises à des trappes optiques.

Ce travail présente une méthode de calcul rapide de déformations et de forces mécaniques destinée à la simulation d'applications chirurgicales. La simulation de chirurgie vise à offrir aux praticiens des outils leur permettant de pratiquer des entraînements intensifs et de pouvoir planifier avec précision certaines interventions. La conception de tels simulateurs nécessite de disposer de modèles géométriques et mécaniques précis des organes du corps humain, et d'algorithmes de calcul suffisamment rapides pour être capable d'utiliser ces modèles dans des conditions de temps réel. La plupart des simulateurs existants utilisent des modèles mécaniques extrêmement simples, basés sur les lois de l'élasticité linéaire. Or de nombreux résultats de biomécanique indiquent que les tissus biologiques se comportent selon des lois beaucoup plus complexes, incluant des effets non-linéaires et visco-élastiques importants. Pour cette raison, nous avons développé une méthode permettant le calcul rapide de déformations et de forces incluant des effets mécaniques non-linéaires et visco-élastiques. Cette méthode utilise la théorie des éléments finis et a été conçue comme une extension de l'algorithme dit des masses-tenseurs pour l'élasticité linéaire. Son principe consiste à pré-calculer un certain nombre de tenseurs dépendant des caractéristiques géométriques et mécaniques de chaque élément fini, qui sont ensuite combinés dans la phase de simulation proprement dite. Notre modèle non-linéaire ne présage d'aucune forme particulière de loi mécanique, de sorte que la méthode proposée est suffisamment générique pour s'appliquer à une grande variété de comportements et d'objets. Après la description de l'algorithme, de ses performances en terme de temps de calcul et de ses conditions de stabilité numérique, nous démontrons que cette méthode est capable de reproduire avec précision le comportement mécanique d'un tissu biologique mou. Ce travail s'inscrivant plus spécifiquement dans le cadre du développement d'un système de simulation de la cryochirurgie du foie, nous avons étudié expérimentalement les propriétés du foie lors de sa perforation par une aiguille à biopsie. Le modèle de masses-tenseurs non-linéaire et visco-élastique construit à l'aide des paramètres expérimentaux a pu reproduire avec une bonne précision les propriétés observées. / This work presents a method for the fast computation of mechanical deformations and forces for the simulation of surgical applications. Surgery simulation aims at providing physicians with tools allowing extensive training and precise planning of given interventions. The design of such simulation systems requires accurate geometrical and mechanical models of the organs of the human body, as well as fast computation algorithms suitable for real-time conditions. Most existing simulation systems use very simple mechanical models, based on the laws of linear elasticity. Numerous biomechanical results yet indicate that biological tissues exhibit much more complex behaviour, including important non-linear and visco-elastic effects. For this reason, we developed a method allowing the fast computation of mechanical deformations and forces including non-linear and visco-elastic effects. This method uses finite element theory and has been constructed as an extension of the so-called tensor-mass algorithm for linear elasticity. It consists in pre-computing a set of tensors depending on the geometrical and mechanical properties of each finite element, which are later combined in the simulation part itself. Our non-linear model does not assume any particular form of mechanical law, so that the proposed method is generic enough to be applied to a wide variety of behaviours and objects. Following the description of the algorithm, of its performances in terms of computation time, and of its numerical stability conditions, we show that this method allows to reproduce the mechanical behaviour of a biological soft tissue with good precision. As this project is part of a broader effort aiming more specifically at developing a simulation system for liver cryosurgery, we experimentally characterized the properties of liver in perforation by a biopsy needle. The non-linear and visco-elastic tensor-mass model constructed from experimental parameters succeeded in accurately reproducing the observed properties.