Un assemblage est dit hybride quand il associe deux techniques d’assemblage différentes. La présente étude s’intéresse à la combinaison du collage et du boulonnage. Les jonctions longitudinales de fuselage d’avions civils, montées en simple cisaillement, constituent un cas d’application des travaux. Des outils paramétriques sous la forme de programmes informatiques sont mis au point et donnent la répartition des transferts de charge dans les substrats et dans les fixations ainsi que la répartition des contraintes adhésives, en fonction des paramètres géométriques et mécaniques de l’assemblage. Ces outils reposent sur le développement de modélisations analytiques 1D et 2D, qui supposent un comportement élastique et isotrope des matériaux, et qui sont basées sur la création de nouveaux éléments finis formulés pour simuler deux substrats collés. Un modèle 3D EF est développé afin d’accéder aux comportements mécaniques locaux, et dont l’utilisation est intéressante dans la détermination des raideurs des fixations utilisées dans les modélisations analytiques. La mesure expérimentale du taux de transfert aux fixations sous faibles charges à l’aide de boulons instrumentés valide et calibre les approches analytiques et numériques, tandis que les essais en fatigue estiment les gains en durée de vie.

Le contexte de cette thèse est la conception d'assistants robotiques aux gestes chirurgicaux guidés par IRM. Cette conception est rendue délicate par l’environnement qui impose des contraintes de compacité, de légèreté et de compatibilité. La présence du patient dans cet environnement impose également des impératifs de sécurité qui limitent les architectures robotiques viables. Cette thèse vise à évaluer le potentiel applicatif des mécanismes de tenségrité, et plus généralement des systèmes précontraints, qui présentent de nombreuses propriétés intéressantes qui justifient d’envisager leur emploi dans ce contexte, notamment pour leur capacité de raideur variable bénéfique à la sécurité du patient. Afin de juger de la pertinence de leur utilisation, nous nous concentrons sur l’analyse, la conception et la commande de ces systèmes peu connus des roboticiens, étapes nécessaires à leur évaluation. Nos contributions incluent le développement d’outils numériques pour permettre leur analyse, de méthodes de synthèse pour générer des architectures à raideur variable adéquates, et de stratégies de commande pour piloter leur configuration et leur raideur. / This thesis is focused on the design of robotic assistants for MRI-guided surgeries. This design is submitted to several constraints due to the MR-environment, such as compactness, lightness, or compatibility. Safety issues related to the patient within the scanner also restrict the choice of suitable robotic solutions. This thesis thus aims at evaluating the applicative potential of tensegrity mechanisms, and more generally prestressed systems, that exhibit numerous interesting properties for this context. In particular, their stiffness can be adjusted, which is opportune for the patient safety. The relevance of our approach is assessed through the analysis, the design and the control of these systems that are required to fulfil their evaluation. Our contributions include the development of numerical tools for their analysis, synthesis methods for the generation of suitable variable stiffness designs, and control strategies for the simultaneous control of their configuration and their stiffness.

L'analyse biomécanique du geste sportif vise à mieux comprendre les mécanismes de la performance, en vue de l'améliorer tout en limitant le risque de blessures. Dans le sport de haut niveau, les appuis constituent une des clés de la performance. Couramment utilisée pour l'analyse de la marche, la dynamique inverse permet de quantifier les actions inter-segmentaires, potentiellement traumatiques, au cours du mouvement. Cette méthode comporte toutefois certains biais, dont deux peuvent être particulièrement importants au cours de mouvements sportifs à fortes accélérations : l'artefact des tissus mous et la précision du torseur dynamique. Ce travail a pour premier objectif de proposer des adaptations méthodologiques pour l'analyse par dynamique inverse d'appuis sportifs. D'abord, l'intérêt de la méthode des « centres articulaires moyens », basée sur l'utilisation de clusters rigides, est montré pour l'acquisition de la cinématique segmentaire. Ensuite, l'influence de la fréquence d'échantillonnage et de la méthode de dérivation discrète sur le calcul des accélérations est évaluée. Enfin, la validation d'un modèle volumique personnalisé permettant une meilleure estimation des paramètres inertiels que les modèles proportionnels couramment utilisés est présentée. Le second objectif de ce travail consiste en l'application des méthodes ainsi développées à l'analyse du comportement mécanique de la cheville au cours de sauts de type pliométrique et à l'évaluation personnalisée du risque de blessures du membre inférieur chez des athlètes d'élite en kungfu wushu. Ces analyses seront faites en parallèle de la mesure de caractéristiques spécifiques de l'athlète, telles que l'amplitude articulaire de la cheville et les modules d'élasticité de différentes structures du triceps sural obtenus par élastographie. Les perspectives pour l'application à l'entraînement seront abordées, en termes d'évolution des pratiques et de prévention personnalisée des blessures. / Sports biomechanics aims at better understanding performance mechanisms, to improve them while limiting injury risk. At elite level, stances are a key aspect of performance. Often used in gait analysis, inverse dynamics enables quantification of mechanical actions during motion. However, there are some limits to this method, two of which can become important when studying sports stances: soft tissue artifact and accuracy of dynamic wrenches. The first objective of this work is to propose methodological adaptations for inverse dynamics analysis of sports stances. Firstly, the benefit of the “mean joint centers” method, based on the use of rigid clusters, is shown for segment kinematics acquisition. Secondly, the influences of the sampling frequency and the differentiation method on the calculation of accelerations are evaluated. Thirdly, the validation of a personalized volumetric model enabling better estimation of segment inertial parameters than common proportional models is presented. The second objective of this work is the application of the methods proposed to the analysis of the ankle joint mechanical behavior during plyometric jumps, and to personalized evaluation of the lower limb injury risk in elite wushu athletes. These analyses have been performed in parallel to specific measures of athletes' characteristics, such as the ankle range of motion and the shear modulii of different structures of the triceps surae, using shear wave elastography. Perspectives for training application will be discussed, to address the evolution of training habits and personalized injury prevention.

En radiologie interventionnelle, l’assistance robotisée permet de limiter l’exposition du praticien aux rayons X et d’apporter plus de précision pour effectuer des opérations complexes. La présence de robots dans un environnement humain pose alors la question de la sécurité du patient et de l’équipe médicale, que ce soit lors d’interactions ou de manipulations. Dans cette thèse, nous nous intéressons dans un premier temps aux problématiques de sûreté. Une structure d’actionnement intrinsèquement sûre est proposée. Le prototype réalisé permet d’effectuer des tâches de positionnement en mode automatique. Parallèlement, une stratégie de guidage basée sur une approche passive est proposée. Un système à raideur variable permet d’imposer un effort résistif variable à l’utilisateur en vue de contraindre son geste. Dans une deuxième partie, nous étudions la possibilité d’intégrer de tels systèmes sur un dispositif à plusieurs degrés de liberté, répondant au problème de placement d’aiguille. / In the context of interventional radiology, robotic-assisted surgery limits practitioners’ exposure to radiations and brings more accuracy to perform complex interventions. However, the presence of robot in the environment is a potential danger for the patient and the medical staff in case of unexpected interactions and manipulations.In this PhD thesis, we first focus on safety problems. An intrinsically safe mechanism is proposed. The achieved prototype allows to follow both planned trajectories and moving environments.Secondly, a guidance mechanism based on a passive approach is suggested. With a variable stiffness system, using a compliant mechanism, a resistive force is applied to the user which allows him to be guided in his gesture.Based on medical needs, we then study the possibility to integrate and generalize such systems to multiple degrees of freedom.

Cette thèse traite du développement d’un élément continu de plaques orthotropes, sandwichs et multicouches. La démarche consiste dans un premier temps à établir la matrice de raideur dynamique de plaques orthotropes pour des conditions aux limites naturelles à partir d’une reformulation des éléments de plaques isotropes développés au laboratoire QUARTZ (EA7393). La démarche est basée d’une part sur la décomposition des conditions aux limites libres décrite par Gorman et d’autre part sur la résolution des équations de mouvement en se basant sur les développements en séries de Levy. La matrice de raideur dynamique est ensuite obtenue par projection des déplacements et des efforts de frontières sur des bases fonctionnelles compatibles avec les opérations d’assemblage. Dans un second temps, la formulation des éléments sandwichs et multicouches est décrite par superposition des plaques orthotropes précédemment développées.Les formulations présentées prennent en compte les vibrations de flexion et les vibrations dans le plan, dites vibrations de membrane. La validation de ces éléments est menée par une confrontation systématique de réponses harmoniques non amorties avec celles obtenues par diverses modélisations éléments finis. / This thesis deals with the development of a continuous element for orthotropic, sandwich and multilayer plates. This approach is based essentially on the construction of the dynamic stiffness matrix of orthotropic plates using natural boundary conditions from a reformulation of the isotropic plate elements developed in the QUARTZ laboratory (EA 7393). In order to develop the dynamic stiffness matrix of the studied element we resort on the first hand to the decomposition of free boundary conditions described by Gorman, on the second hand to the resolution of the equations of motion by using Levy series expansions. The dynamic stiffness matrix is then obtained by projecting movements and frontier efforts on functional bases compatible with assembly operations. Finally the continuous sandwich and multilayer plate element is described by superposition of continuous orthotropic plates element previously developed.The formulations presented takes into account the bending vibration and the vibration in the plane, called membrane vibration. The validation of all obtained results is conducted by a systematic comparison of undamped harmonic responses with those obtained by various finite element models.

Dans la mise en forme par enlèvement de matière, pour certaines morphologies de pièces et sous certaines conditions de coupe, l'apparition de vibrations auto-entretenues est inévitable. <br />Pour remédier à ce phénomène en tournage des matériaux, une étude expérimentale originale exploitant la notion de torseur d'efforts est mise en place pour déterminer, très précisément, le comportement dynamique du système usinant (pièce/outil/machine). Les principaux paramètres relatifs au comportement dynamique du système usinant sont identifiés. La localisation des déplacements de la pointe de l'outil dans un plan caractéristique est démontrée. L'existence de ce plan et les corrélations avec les caractéristiques élastiques du système usinant permettent de simplifier le modèle dynamique 3D et de proposer un modèle en accord avec les résultats expérimentaux tout en restant dans une configuration tridimensionnelle de la coupe.<br />La simulation numérique issue de ce modèle simplifié fournit des résultats en bon accord avec l'expérience.

Avec le vieillissement de la population (plus d'un Français sur dix a plus de 75 ans), la perte d'autonomie est devenu un enjeu de santé publique majeur. Ce problème socio-économique est expliqué par le besoin continu de connaissances approfondies sur le sujet âgé ainsi que son équilibre. L'analyse de la raideur musculotendineuse à la cheville et de la posture, peut contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes neuromusculaires intervenant dans le maintenant de l'équilibre, à l'aide de paramètres biomécaniques adéquats. Cette thèse financée par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR-08-TECS-009-04 MIRAS), a pour objectif de caractériser les propriétés élastiques (i.e. raideur musculotendineuse) et l'équilibre en s'intéressant particulièrement au sujet âgé en reprise d'autonomie. Ainsi, une caractérisation globale du profil d'une population âgée hospitalisée pour des soins de suite et de réhabilitation a tout d'abord été réalisée. Ensuite pour une meilleure estimation de la raideur à la cheville, une nouvelle méthode de calcul des paramètres inertiels du pied a été proposée et validée ; et l'approche existante (détente-rapide pour le calcul de la raideur) a pu être vérifiée et améliorée. Finalement, une étude de la raideur et de l'équilibre par approche stabilométrique a été réalisée sur un échantillon de sujets âgés hospitalisés. Les résultats de ce travail, sont utiles à l'amélioration des méthodes de calcul de la raideur musculotendineuse et contribuent à l'approfondissement des connaissances biomécaniques sur l'équilibre du sujet âgé.

Le traitement des sols est une technique connue qui a largement été utilisée dans les constructions ferroviaires et routières. Il améliore la maniabilité des sols en réduisant la teneur en eau et en améliorant les performances hydromécaniques par renforcement et lien des agrégats du sol. Cependant, la durabilité des sols traités reste une question ouverte, elle constitue l'objectif principal du projet ANR TerDOUEST (Terrassements Durables - Ouvrages en Sols Traités, 2008-2012).La présente étude fait partie des travaux réalisés dans le cadre du projet TerDOUEST, et traite de l'effet de la taille des agrégats sur l'évolution de la raideur (Gmax) des sols fins provenant d'Héricourt (70) et traités à la chaux et/ou au ciment, à l'aide de la technique piézo-électrique (bender element). Dans les conditions de laboratoire, quatre tailles d'agrégats ont été étudiées (Dmax = 0.4, 1, 2 et 5 mm). Afin d'obtenir des tailles d'agrégats souhaitées, les sols ont d'abord été séchés, broyés puis tamisés à une taille désirée. Les sols ont ensuite été ramenés à la teneur en eau souhaitée, mélangés au liant hydraulique (chaux et/ou ciment) puis compactés du côté sec et du côté humide de l'optimum du Proctor normal, tout en conservant la même densité sèche. Les mesures de Gmax des sols traités ont été réalisées pendant la cure et pendant l'application de cycles humidification/séchage. Dans les conditions du terrain, qui correspondent au remblai expérimental d'Héricourt, les tailles des agrégats sont nettement plus élevées : Dmax = 20 et 31.5 mm pour le limon et l'argile, respectivement. Les résultats montrent que le comportement hydromécanique des sols traités est fortement influencé par la taille des agrégats, que les sols soient argileux ou limoneux, préparés en laboratoire ou bien dans les conditions du terrain : plus la taille des agrégats est élevée, plus la raideur diminue avec le temps de cure et moins les sols résistent à la succession de cycles humidification/séchage. Une forte hétérogénéité des sols in-situ a aussi été identifiée clairement. Un modèle hyperbolique a été développé afin de permettre l'application des résultats obtenus en laboratoire à ceux obtenus dans des conditions de terrain, étant donné l'effet de la taille des agrégats. La comparaison entre le modèle de prédictions et les mesures expérimentales démontre la performance du modèle proposé, à condition d'utiliser les valeurs moyennes des données expérimentales afin de minimiser l'effet de l'hétérogénéité du sol

Un des outils numériques les plus utilisés en ingénierie est la méthode des éléments finis, qui peut être mise en o euvre grâce à l'utilisation de nombreux codes de calcul. Toutefois, une difficulté apparaît lors de l'utilisation de la méthode des éléments finis, spécialement en géotechnique, lorsque la structure étudiée est en interaction avec un domaine de dimensions infinies. L'usage courant en ingénierie est alors de réaliser les calculs sur des domaines bornés, mais la définition de la frontière de tels domaines bornés pose de sérieux problèmes. Pour traiter convenablement les problèmes comportant des frontières à l'infini, l'utilisation d'éléments discrets "infinis" est maintenant souvent délaissée au profit de la méthode des équations intégrales ou "méthode des éléments de frontière" qui permet de résoudre un système d'équations aux dérivées partielles linéaire dans un domaine infini en ne maillant que la frontière du domaine à distance finie. La mise en oeuvre du couplage entre la méthode des éléments finis et la méthode des éléments de frontière apparaît donc comme particulièrement intéressante car elle permet de bénéficier de la flexibilité des codes de calcul par éléments finis tout en permettant de représenter les domaines infinis à l'aide de la méthode des éléments de frontière. La méthode est basée sur la construction de la "matrice de raideur" du domaine infini grâce à l'utilisation de la méthode des équations intégrales. Il suffit alors d'assembler la matrice de raideur du domaine infini avec la matrice de raideur du domaine fini représenté par éléments finis. L'utilisation de la méthode la plus simple de traitement des équations intégrales, dite méthode de « collocation » conduit à une matrice de raideur non-symétrique. Par ailleurs, la méthode dite «Singular Galerkin» conduit à une formulation symétrique, mais au prix du calcul d'intégrales hypersingulières. La thèse porte sur une nouvelle formulation permettant d'obtenir une matrice de raideur symétrique sans intégrales hypersingulières, dans le cas de problèmes plans. Quelques applications numériques sont abordées pour des problèmes courants rencontrés en géotechnique / One of the most used numerical tools in engineering is the finite element method, which can be implemented through the use of many computer codes. However, a difficulty arises when using the finite element method, especially in geotechnical engineering, where the structure is studied in interaction with a field of infinite dimensions. The commonly used in engineering is then performming the calculations on bounded domains, but the definition of the border of the domain also poses serious problems. To properly solve the problems which have the boundary at infinity, the use of discrete elements "infinite" is now often neglected in favor of the integral equations method or "boundary element method", which allows to solve a linear partial differential equations system in an infinite domain by the discretization of the only boundary of the domain at finite distance. The implementation of coupling between the finite element method and boundary element method is therefore particularly interesting because it allows to benefit the flexibility of computer codes by the finite element method, while the infinite domains is represented by the help of the integral equations method. It is sufficient to assemble the stiffness matrix of infinite domain with the stiffness matrix of finite domain represented by finite elements. Using the simplest method of treatment of integral equations, known as method of "collocation" leads to a non-symmetric stiffness matrix. Furthermore, a method known “Galerkin Singular” leads to a symmetric formulation, but it is at the cost of computing hypersingular integrals. The thesis focuses on a new formulation to obtain a symmetric stiffness matrix without full hypersingular, in the case of plane problems. Some numerical applications are discussed for common problems encountered in geotechnical engineering

Ce mémoire de thèse aborde le problème du flambement de murs en bois lamellé-croisé. Ces panneaux de bois, constitués de planches collées perpendiculairement, sont de plus en plus utilisés dans la construction. La tendance actuelle du marché est de concevoir des immeubles de grande hauteur, ce qui soulève la question de la résistance en compression de ces murs. Il s'avère que le bois est fortement anisotrope. En particulier, la raideur et la résistance en cisaillement perpendiculaire aux fibres, également appelé cisaillement roulant, sont beaucoup plus faibles que dans la direction parallèle aux fibres. Ce fort contraste nécessite un critère de conception plus élaboré que les outils classiques utilisés dans l'ingénierie du bois. Ce travail est organisé en deux parties. Dans la première partie, la raideur équivalente de cisaillement transverse d'un panneau de bois lamellé-croisé est étudiée. Des bornes sont établies par une approche théorique. Ces bornes sont validées par un nouveau dispositif expérimental qui permet la mesure de la raideur en cisaillement roulant avec une variabilité plus faible que le test textit{single-lap} classiquement utilisé. Dans la deuxième partie, ces données sont utilisées dans l'analyse du flambement de panneaux en bois lamellé-croisé en raffinant progressivement le problème. Dans un premier temps, la charge critique de flambement linéaire d'une plaque épaisse sans imperfections est établie. Cette charge critique est basée sur une nouvelle théorie de plaque d'ordre supérieur et montre que la charge critique de flambement basée sur une théorie de plaque mince (Kirchhoff-Love) ne peut pas estimer correctement la résistance de murs en bois lamellé-croisé. Dans un second temps, l'influence des imperfections est étudiée en adaptant l'approche classique de Ayrton et Perry à une poutre de Timoshenko. Cette extension a révélé qu'un nouveau critère de résistance doit être satisfait lors du flambement qui est spécifique aux murs en bois lamellé-croisé. Dans un dernier temps, cette analyse est étendue aux charges permanentes en supposant une loi de fluage simple qui conduit à un nouveau critère de conception simple qui pourrait facilement être adopté dans les codes de conception actuels / This PhD thesis addresses the issue of CLT wall buckling. These wooden panels, made of boards which are glued cross-wise, are more and more used in construction. The current trend of the market is to design high-rise buildings which raises the issue of the compressive strength of such walls. It turns out that wood is a highly anisotropic material. Especially, the shear stiffness and strength perpendicular to the grain (rolling shear) are much weaker than in the direction parallel to the grain. This high contrast requires more elaborate design criteria than classical tools used in timber engineering. This work is organized in two main parts. First, the equivalent rolling-shear behavior of a CLT layer is investigated. Bounds are established for the stiffness of an equivalent layer using a theoretical approach. These bounds are validated by means of a new experimental set-up which allows the measurement of the rolling shear stiffness with less variability than the classical single lap shear test. In the second part, this data is used in the buckling analysis of CLT walls with increasing refinements. First, the linear buckling load of a thick plate without imperfection is established. This load is based on a new higher-order plate theory and reveals that the critical load based on a thin plate theory (Kirchhoff-Love) cannot predict correctly the strength of CLT walls. Then, the influence of imperfections is introduced adapting the classical approach from Ayrton and Perry to the case of a Timoshenko beam. This extension reveals that a new design criterion has to be satisfied under buckling which is specific to CLT. Finally, this analysis is extended to long term loads assuming a simple creep law and leading to a new simple design criterion which may be easily introduced in current design codes