La réalisation de revêtements métalliques en surface de matériaux composites à matrice organique est possible par le procédé cold spray. La construction de tels revêtements à partir de particules de cuivre sur un substrat contenant des fibres de carbone n'a pu aboutir que grâce à l'ajout d'une poudre polymère. Malgré son rôle dans la construction des dépôts, le polymère présente le désavantage d'être un très bon isolant électrique ayant, de ce fait, une influence très néfaste sur la conductivité des dépôts cold spray. Ces travaux ont donc été concentrés sur l'étude de l'influence de la microstructure de ces dépôts sur leur conductivité électrique. Plusieurs poudres de cuivre ont été mélangées dans diverses proportions avec du PEEK, un polymère thermoplastique. La projection cold spray de ces mélanges a abouti à la formation de dépôts homogènes sur les substrats composites. L'influence des caractéristiques des poudres et des paramètres de projection sur les caractéristiques des dépôts a été étudiée. De même, la déformation du PEEK lors de la projection a été analysée car elle joue un rôle important dans la construction du dépôt. L'étude des propriétés mécaniques du PEEK et des conditions de projection ont permis de simuler sa déformation. Dans la microstructure du dépôt, la présence du PEEK limite les contacts entre les particules de cuivre, abaissant fortement la conductivité électrique des dépôts. Un modèle morphologique de la microstructure a été développé afin d'étudier l'influence de la morphologie de la phase de cuivre sur la conductivité des dépôts. Ce modèle a permis de simuler des microstructures présentant diverses morphologies en 3 dimensions. Il ouvre ainsi la possibilité d'étudier numériquement l'influence de la morphologie de la microstructure des dépôts sur leur conductivité électrique. La conductivité a été mesurées expérimentalement sur des échantillons de dépôt. Un mélange de poudre et des paramètres optimaux ont alors pu être identifiés pour obtenir un dépôt cold spray sur un substrat composite à matrice organique avec une conductivité satisfaisante mais encore inférieure à celle du cuivre massif. / The Cold Spray process allows to manufacture metallic coatings onto Carbon Fiber-Reinforced Composite (CFRP). This process relies on the spraying of high-velocity powder particles to result in high deformation and build up to form a dense coating. However, forming a coating made of copper particles onto a substrate containing carbon fibers was achieved out only by mixing metallic powder with a polymer powder. Although the polymer allow to build up the coating onto CFRP, it is highly electrically insulating. It would therefore decrease the electrical conductivity of the coating drastically. Investigations were carried out on the influence of the coatings microstructure on electrical conductivity. Various copper powders, with different morphologies, granulometry and oxygen contents were mixed with PEEK powder, i.e. a thermoplastic polymer. Cold spray of these powders leads to homogeneous coatings onto CFRP. The characteristics of these coatings were studied as a function of the influence of powder characteristics and spraying parameters. The deformation of the PEEK was also investigated as it governed the build up of the coating. Mechanical testing of PEEK samples and in-situ spraying measurements were performed to feed impact simulations. Then, simulated and experimental impact morphologies of copper particles onto PEEK were compared. The PEEK behavior under impact also prevented sound contacts between copper particles, which decreased the coatings electrical conductivity significantly. A morphological model of the microstructure of the coating was developed to reproduce microstructures in 3D numerically. It allows to investigate numerically the influence of the copper phase morphology on coating conductivity. This conductivity was measured experimentally for various starting copper powders. A carefully selected blend of copper and PEEK powders and optimized spraying parameters lead to homogeneous coatings onto CFRP with an acceptable electrical conductivity but still below bulk copper conductivity.

Cette thèse est un travail prospectif sur la caractérisation multi-échelle de matériaux à gradient de propriétés générés par des traitements de surface de type mécanique (grenaillage à air comprimé ou par ultrasons) ou thermochimique (nitruration, implantation ionique, cémentation basse température). Les apports de plusieurs techniques de caractérisation (microscopie électronique à balayage, spectrométrie, indentation instrumentée, microscopie interférométrique), à différentes échelles, et l’existence possible d’une signature des traitements de surface étudiés sur le matériau ont été examinés. Une analyse multi-échelle des échantillons grenaillés par ultrasons a permis d’établir un lien entre les paramètres procédé et la rugosité du matériau. Une approche originale statistique a été proposée pour déterminer la dureté d’un matériau modifié par un traitement de surface donné sans altérer la surface par une rectification. Elle a permis d’établir un lien entre la rugosité des échantillons grenaillés par ultrasons et leur dureté. Une recherche bibliographique détaillée a été réalisée sur la simulation de l’essai d’indentation instrumentée par éléments finis en étudiant une centaine d’articles afin d’évaluer l’influence des hypothèses des modèles sur leurs résultats. A l’aide d’un modèle éléments finis, la sensibilité des courbes d’indentation à une variation des paramètres matériau a été examinée. Cela a permis de mettre en place une réflexion sur l’identification des propriétés d’un matériau à gradient à l’aide de l’essai d’indentation. / This thesis is a prospective work on the multiscale characterization of plastically graded materials obtained with mechanical (shot peening using air pressure or ultrasounds) or thermochemical (nitriding, ion implantation, low temperature carburizing) surface treatments. The benefits of several characterization techniques (scanning electron microscopy, spectrometry, instrumented indentation, interferometric microscopy), at different scales, and the possible existence of a signature of the studied surface treatments on the material were examined. A multiscale analysis of the ultrasonically shot-peened specimens linked the process conditions with the material roughness. A novel statistical approach was proposed to determine the treated material roughness without deteriorating the surface through resurfacing. The latter enabled to establish a link between the shot-peened specimen roughness and their hardness. A detailed literature review of a hundred articles examined the IV simulation of the instrumented indentation test with finite elements in order to assess the effect of different hypotheses on the simulation results. Using a finite element model, the sensitivity of indentation curves to a variation of material parameters was examined. The latter enabled to reflect on the identification of the properties of plastically grade materials using the instrumented indentation test.

Les aciers ferritiques présentent une transition du mode de rupture passant progressivement d'une rupture fragile (clivage) à une rupture ductile lorsque la température augmente. Le suivi du décalage de la température de transition des aciers de cuve par l'établissement de courbes de résilience, fait de l'essai Charpy une partie intégrante du programme de surveillance des centrales nucléaires françaises à eau sous pression. Malgré les avantages qui lui sont propres notamment son coût, l'essai Charpy ne permet pas d'obtenir directement une grandeur qui caractérise la résistance à la propagation d'un défaut de type de fissure, comme la ténacité, utilisée pour qualifier l'intégrité mécanique d'une structure.<br />Cette étude contribue à l'établissement du passage résilience-ténacité dans le domaine de transition de l'acier de cuve 16MND5 à partir d'une approche non-empirique basée sur l'approche locale de la rupture. La rupture fragile est décrite par le modèle Beremin (1983), qui permet de décrire la dispersion inhérente à ce mode de rupture. La description de la déchirure ductile est réalisée par le modèle GTN (1984) et le modèle Rousselier (1986). Ce dernier modèle a été modifié afin d'obtenir une description réaliste de l'endommagement ductile dans le cas de sollicitations rapides et d'échauffement locaux.<br />La méthode proposée pour déterminer les paramètres des modèles d'endommagement s'appuie uniquement sur des essais sur éprouvettes entaillées et les données inclusionnaires du matériau. Le comportement est décrit par une formulation originale paramétrée en température qui permet de décrire l'ensemble des essais réalisés dans cette étude. Avant d'appliquer cette méthodologie, une étude expérimentale du comportement et des modes de rupture de l'acier 16MND5 a été effectuée. A partir des essais de résilience en conditions quasi-statiques et dynamiques, il a été mis en évidence que cet acier ne présentait pas de décalage important de sa courbe de résilience dû à l'effet de vitesse. Dans le domaine de la transition, des échauffements locaux de l'ordre de 150°C ont été mesurés en fond d'entaille, ainsi que des déformations plastiques supérieures à 100 %.<br />Après une étude fractographique permettant l'identification de la nature des sites à l'origine du déclenchement du clivage, l'étude numérique montre, notamment, l'effet de l'échauffement adiabatique et de la prise en compte de la germination de cavités autour d'une seconde population de particules (carbures) sur la déchirure ductile. L'application de la méthodologie proposée permet de décrire les données de résilience jusqu'à des énergies moyennes de l'ordre de 70 J, englobant les indices TK28 et TK 68. Au delà, il faut introduire une faible dépendance apparente de la contrainte du clivage avec la température. D'autre part, l'évolution de la ténacité peut être décrite jusqu'à des valeurs moyennes de 170 MPa?m sans introduire de dépendance de la contrainte de clivage avec la température.

Le récent développement de la Fabrication Additive de pièces métalliques permet d'élaborer directement des structures à partir de modèles 3D. En particulier, la technologie "Electron Beam Melting" (EBM) permet la fusion sélective, couche par couche, de poudres métalliques. Elle autorise la réalisation de géométries très complexes mais apporte de nouvelles contraintes de fabrication.Ce travail se concentre sur la caractérisation géométrique et mécanique de structures treillis produites par cette méthode. Les pièces fabriquées sont comparées au design initial à travers des caractérisations par tomographie aux rayons X. Les propriétés mécaniques sont testées en compression uni-axiale. Pour les poutres de faibles épaisseur, la différence entre la structure numérique et celle fabriquée devient significative. Les écarts au design initial se traduisent pour chaque poutre par un concept de matière mécaniquement efficace. D'un point de vue modélisation, ce concept est pris en compte en remplaçant la poutre fabriquée par un cylindre avec un diamètre mécaniquement équivalent. Ce diamètre équivalent est utilisé dans des simulations et optimisations "réalistes" intégrant ainsi les contraintes de fabrication de la technologie EBM.Différentes stratégies sont aussi proposées pour réduire la proportion de volume "inefficace" et améliorer le contrôle de la taille des poutres, soit en jouant sur les paramètres procédé et les stratégies de fusion, soit en effectuant des post-traitements. / The recent development of Additive Manufacturing for the fabrication of metallic parts allows structures to be directly manufactured from 3D models. In particular, the "Electron Beam Melting" (EBM) technology is a suitable process which selectively melts a powder bed layer by layer. It can build very complex geometries but brings new limitations that have to be quantified.This work focuses on the structural and mechanical characterization of lattice structures produced by such technology. The structural characterization mainly rely on X-ray tomography whereas mechanical properties are assessed by uni-axial compression. The geometry and related properties of the fabricated structures are compared with the designed ones. For small strut size, the difference between the designed structure and the produced one is large enough to impact the desired mechanical properties. The concept of mechanical efficient volume is introduced. For the purpose of simulation, this concept is taken into account by replacing the struts by a cylinder with a textit{mechanical equivalent diameter}. After validation, it has been used into "realistic" simulation and optimization procedures, thus taking into account the process constraints.Post-treatments (Chemical Etching and Electro-Chemical Polishing) were applied on lattice structures to get rid of the inefficient matter by decreasing the surface roughness. The control of the size of the fabricated struts was improved by tuning the process strategies and parameters.

Cette thèse présente une étude expérimentale et numérique d'essais de chute libre et de vibrations aléatoires d'emballages en carton ondulé contenant différents calages en mousse. Un modèle d'homogénéisation efficace pour le carton ondulé a été développé. Dans ce modèle homogénéisé, le carton ondulé est représenté par une plaque 2D. Au lieu d'utiliser une loi de comportement locale (reliant les déformations aux contraintes) à chaque point d'intégration, l'homogénéisation conduit aux rigidités globales (reliant les déformations généralisées aux forces résultantes) pour la plaque équivalente homogène. Ce modèle a été implémenté dans le logiciel Abaqus. Le comportement de la mousse a été déterminé expérimentalement et modélisé avec un modèle de mousse déformable d'Abaqus. Les emballages sont soumis à des tests de chute libre d'une hauteur donnée sur un sol rigide et des essais de vibrations aléatoires type bruit blanc sur table vibrante. Les résultats numériques obtenus en utilisant la simulation avec le modèle homogénéisé concordent bien avec les résultats expérimentaux. Nous avons également montré que la contribution de la caisse en carton ondulé à la réponse au choc et à la vibration aléatoire ne pouvait pas être négligée dans la conception des calages. / This thesis presents experimental and numerical studies of drop tests random vibrations of corrugated cardboard packaging containing different foam cushions. An efficient homogenization model for the corrugated cardboard has been developed. In this homogenized model, the corrugated cardboard is represented by a 2D plate. Instead of using a local constitutive law (relating the strains to the stresses) at each material point, the homogenization leads to global rigidities (relating the generalized strains to the resultant forces) for the equivalent homogeneous plate. This model was implemented into the FE software Abaqus. The foam behaviour was experimentally determined and modelled using a crushable foam model of Abaqus. The packages are tested in free fall from a given height on a rigid floor and submitted to white noise random vibrations. The numerical results obtained using the FE simulation with the homogenized model agree well with the experimental results. We have also shown that the contribution of the corrugated cardboard box to the shock and random vibration responses could not be neglected in the design of cushioning package.

Les traitements de surface mécaniques sont appliqués dans la plupart des secteurs industriels comme procédé de finition afin de renforcer les propriétés des composants métalliques. Le grenaillage de précontrainte est probablement l’un des plus répandu. Ce procédé introduit des contraintes résiduelles de compression en générant un gradient de déformation plastique dans la profondeur de la pièce traitée. L’objectif de ce travail est de comprendre et prédire l’effet de la géométrie des composants sur la redistribution des contraintes résiduelles post-grenaillage. En effet, même lorsqu’elle est maîtrisée, l’opération de grenaillage peut générer un champ de contraintes résiduelles complexe qui dépend fortement de la géométrie de la pièce. Par suite, parmi les paramètres influents sur le comportement en fatigue des composants grenaillés, le paramètre géométrique peut donc avoir un rôle majeur. Puisque les approches conventionnelles de modélisation ne sont pas transposables aux géométries non planes, et ne sont pas conformes aux contraintes industrielles en termes de temps de calcul, une méthodologie basée sur la Méthode de Reconstruction des Eigenstrains est proposée. L’approche développée est construite à partir de relations analytiques pour des massifs plans traités de façon homogène. La principale contribution est la comparaison entre modélisation et expérimentation. Les données expérimentales sont obtenues à partir d’analyses de la microstructure et par diffraction des rayons X réalisées sur des échantillons d’un superalliage base nickel, pour plusieurs géométries complexes élémentaires (plaques minces, formes convexes et concaves). Par ailleurs cette étude vise à prendre en compte l’effet des contraintes résiduelles équilibrées sur la durée de vie en fatigue. A partir du critère de fatigue multiaxial de Crossland, la méthodologie complète est appliquée à des démonstrateurs industriels à géométrie complexe. / Most manufacturing industries perform mechanical surface treatments at the end of the manufacturing chain to reinforce relevant working parts. Shot peening is probably the most common of those processes. This treatment induces compressive residual stresses by generating in-depth plastic strains. The objective of this work is to understand and predict the effect of the geometry on the redistribution of residual stresses into shot peened mechanical parts. Indeed, even when properly controlled, shot peening treatment may induce a complex residual stress field depending on the geometry of the treated part. Hence, among the variables which affect the fatigue behaviour of shot peened components, the geometry could play a major role. Because the traditional approaches for the modelling of residual stresses are not convenient for complex non-flat geometries and not consistent with industrial constraints in terms of computing time, a methodology based on the Eigenstrains Reconstruction Method is proposed. The developed approach is built with analytical relationships for massive and plane geometries homogeneously treated. The main contribution lies in the capacity to provide a comparison between modelling and experiment. Experimental data are obtained by microstructural observation and by X-ray diffraction analyses, which are carried out on Ni-based superalloy samples with elementary complex geometries (thin sheets, convex and concave shapes). In addition, this study aims to take into account the effect of the rebalanced residual stresses for fatigue life prediction. Thus, using a Crossland criterion for high cycle fatigue regime, the complete methodology is applied on industrial demonstrator samples with complex geometry.

Les standards d’économie de carburant à venir génèrent un développement rapide des véhicules électriques et hybrids. Ces contraintes régulatrices vont affecter le design des boîtes de vitesse qui conduit à des changements au niveau du type, de la taille et de la qualité des engrenages. Ainsi, les fabricants de roues dentées ont besoin de créer des flancs de dentures de haute qualité avec des modifications topologiques spéciales. Les objectifs principaux sont l’accroissement de la capacité de tenue en chargement et la réduction de la bruyance denture. En effet, la surface des flancs est au cœur des mécaniques de l’engrènement et un des éléments générateur d’excitations. Les mécanismes d’usure les plus communs sont les micro-piqûres, les piqûres et l’écaillage, qui apparaissent dans les premières étapes de défaillance. Bien que les effets des défauts macro-géométriques des surfaces des flancs de denture ont été largement étudiés, les échelles micro- et méso-métriques et leur influence n’est pas encore entièrement compris. De plus le choix et l’optimisation de procédé de finition denture (rectification, powerhoning…) pour améliorer le confort acoustique des conditions d’engrènement reste une issue majeure dans la fabrication des engrenages. Ces travaux proposent une approche multiéchelle de la fabrication, à la fois expérimentale et numérique, dans le but d’identifier l’effet d’échelle des défauts micro- et méso-métriques sur les vibrations de l’engrenage. Un banc d’essai vibratoire instrumenté de faible puissance a été développé et validé par la comparaison de mesures sur boîte de vitesse sur un moyen industriel Renault. Les études expérimentales des relations entre la finition des surfaces des flancs, caractérisée par l’utilisation d’une décomposition multiéchelle basée sur la transformée par ondelettes continues, et les modes vibratoires générés mettent en avant un impact non-négligeable de des échelles de rugosité et d’ondulation. Les mesures de bruit de frottement sur les flancs ont par ailleurs permis de comprendre le lien entre la cinématique du contact (vitesse), les échelles de surface (espacement entre aspérités) et les fréquences vibratoires. Une simulation 3D d’un contact rugueux a alors été développée. Les résultats couplés avec une analyse statistique des contributions des paramètres surfaciques et de contact ont montré un large effet des échelles micrométriques. Enfin, un modèle éléments finis d’un engrenage hélicoïdal intégrant des topographies réelles mesurées et calculant l’erreur de transmission a aussi été développé et validé expérimentalement. L’importance de la qualité des engrenages et de leurs caractéristiques topologiques sur la densité de puissance et les problématiques acoustiques a alors été calculée et discutée. / Upcoming fuel economy standards result in the rapid development of electric and hybrid vehicles. Such regulatory demands will affect the transmission design, which drives changes in the type, size and quality levels of gears. Thus, gear manufacturers need to create high quality gear flanks with special topological modifications. The main objectives are to increase the load-carrying capacity of gears, and also to reduce the gear noise behavior. The teeth surface is indeed at the heart of the gear meshing mechanics and one of the elements generating excitations. The most common wear mechanisms in gear are micro-pitting, pitting and spalling, which occur on the teeth surface at the early stage of failure. While the effect of the macro-geometric defects of the gear teeth surface on the acoustics response of spur gear pair has been studied quite thoroughly, the micro and meso scales and their influence are not entirely understood. Moreover, the choice and optimization of the tooth flank finishing process (grinding, powerhoning…) to manage the acoustic comfort of the meshing conditions is still a major issue in gear manufacturing. This study addresses a multiscale manufacturing approach, both experimental and numerical, in order to identify the scale effect of micro/meso defects on gear vibrations. A low-powered instrumented vibratory test bench has been developed and validated by comparing the measurements with the ones done at the industrial scale on a gear box test rig from Renault. The experimental work investigated the relationship between the surface finish of tooth flanks, which was characterized using a multiscale decomposition based on continuous wavelet transform, and the modes of the generated vibrations as a function of roughness and waviness scales. The friction noise measurements on tooth flanks have besides permitted to understand the link between the contact kinematics (speed), the surface scales (space between the asperities) and the vibration frequencies. A 3D finite-element simulation model of a rough contact was hence developed. The results coupled with the statistical analysis of the contributions of the surface and contact parameters have shown the large effect of the micro-scales. A 3D finite-element gear simulation using real measured topographies and transmission error calculation has also been performed and experimentally validated. The prevalence of the gear quality and its topological features on power density and sound issues are hence computed and discussed.

Le comportement mécanique du verre silico-sodo-calcique soumis à un contact ponctuel peut être amélioré par trempe. Les effets de trempe se manifestent par des gradients de propriétés sur le comportement du verre rendant la modélisation plus complexe. Ce travail a porté sur la modélisation et la simulation des verres non trempés et trempés soumis aux essais de nano-indentation et de nano-rayage. Les outils de simulation par éléments finis ont été développé et validés sur le verre métallique, choisi en raison de son comportement plastique connu. En comparant avec les données expérimentales, nous avons observé que les paramètres du matériau et les conditions expérimentales pouvaient donner la même réponse sur la courbe force-déplacement et l'empreinte. L’identification des propriétés du matériau doit être basée sur des comparaisons avec des simulations considérant la géométrie réelle de l'indenteur, la souplesse de la machine et le tilt de surface de l'échantillon. Les stratégies développées permettent de faire des identifications sur le comportement du verre silico-sodo-calcique. Dans la famille du verre silicaté, le verre silico-sodo-calcique a un comportement plastique semblable au verre de silice qui est affecté non seulement par le mécanisme de cisaillement mais aussi par la densification. Il est essentiel donc d'étudier le comportement densification/cisaillement du verre de silice car il est largement discuté dans la littérature. La comparaison des résultats de simulation par plusieurs modèles avec les courbes force-déplacement et les images d'empreinte a montré que la modélisation de la densification, en prenant en compte l'écrouissage et la modification des modules élastiques, est suffisante pour décrire le comportement des verres silicatés. Enfin, les connaissances sur les simulations des essais à chargement ponctuel et la modélisation du comportement du verre ont guidé une étude sur les effets du gradient de propriétés dans les verres trempées thermiquement et chimiquement. / The mechanical behavior of soda-lime-silica glass subjected to contact damage can be improved by tempering. The effects of tempering created tailor properties and the glass behavior more complicated. Therefore, this work studied the modeling and simulation of non-tempered and tempered glasses subjected to the nano-indentation and nano-scratch tests. The finite element simulation tools have been primarily validated and the metallic glass was chosen for the studies because of its known plastic behavior. By comparing with the experimental data, we have observed that the parameters of material model and the experimental conditions could give the same response on load displacement curve and imprint. The evaluation of material properties must be based on the comparisons with fully modeled simulation considering the real geometry of the indenter, the compliance of the instrument and the tilting of the sample surface. The developed strategies allow identification of soda-lime-silica glass behavior. Similar to that of silica glass, the plastic behavior of soda-lime-silica glass is not only affected by the shear mechanism but also the densification. Hence, it is essential to study the shear/densification behavior of silica glass as it is widely discussed in the literature. The comparison of simulation results by several models with the load displacement data and the images of imprint showed that the modeling of densification by taking into account the hardening and the change in elastic moduli is sufficient for describing the behavior of silicate glasses. Finally, the knowledge about the simulation of the contact loading tests and the modeling of glass behavior guided a study on the coupling of tailored properties effects in the thermally and chemically tempered glasses.

Le corps humain (adulte) est composé de 206 os (“Anatomy and Physiology | Simple Book Production” n.d.) qui sont des tissus denses et composent la majeure partie du squelette humain. Le squelette, étant hautement vascularisé, est l’endroit le plus communément affecté par le cancer métastatique (Coleman 1997). L’apparition de ces métastases osseuses fragilise l’os et peut provoquer des fractures pathologiques. Toutefois la prédiction de telles fractures est difficile et loin d’être automatique. Une possibilité pour créer un outil de diagnostic plus performant serait les simulations éléments finis (FEA en anglais pour « Finite Elements Analysis »). Des études ont montré que la FEA spécifique au patient était capable de surpasser l’expertise des cliniciens dans le cas d’étude ex vivo avec défauts osseux induits mécaniquement (dont Derikx et al. 2012). Les recherches portant sur le cancer osseux sont toutefois dur à mettre en place, les échantillons étant rare. De manière à contourner la difficulté de trouver des échantillons humains rarement disponibles, la souris a été utilisé comme modèle squelettique dans plusieurs cas, incluant la tenue mécanique d’os atteint de métastases ex vivo (Mann et al. 2008). Ainsi, de manière à pouvoir étudier l’implication du tissu métastatique dans la résistance globale de l’os sur échantillons réels, nous avons utilisé ce modèle animal pour créer des échantillons tumoraux.Notre but était double : premièrement, quantifier l’apport de la prise en compte des propriétés mécaniques de la métastase dans la résistance globale de l’os. Deuxièmement, statuer sur le fait qu’un modèle plus simple que celui proposé dans la littérature (reposant sur des propriétés purement élastiques plutôt qu’élasto-plastiques (Eggermont et al. 2018) pouvait permettre d’améliorer la prédiction de fractures pathologiques.Tout d’abord, les résultats obtenus avec nos modèles hétérogènes (ne prenant pas en compte la tumeur) ont montré une bonne consistance avec la littérature, la corrélation entre tous les modèles hétérogènes (n=43 pattes) quant à la fracture simulée et expérimentale étant du même ordre de grandeur que celles d’une étude analogue menée sur vertèbres de souris (Nyman et al. 2015). Ensuite, le modèle prenant en compte les propriétés des tumeurs n’as pas permis d’améliorer la prédiction de fracture, au contraire, la moyenne des différences de ces modèles étant de 30±21% (n=11 pattes tumorales) contre 12±9% (n=43 pattes). De plus le modèle spécifique (prenant en compte le module des tumeurs) étant plus difficile à obtenir que le modèle hétérogène (ne nécessitant pas de segmentation entre os et tumeur), le premier ne semble pas être judicieux dans la prédiction de fracture d’os long présentant des lyses osseuses. Enfin, un critère de détection reposant sur la différence entre valeurs de forces ultimes globale et locale a permis de détecter la majorité des instabilités mécaniques constatées dans cette étude (sensibilité de 85% et spécificité de 100%). Un autre critère, basé sur le ratio entre poids des individus et la force ultime locale prédite via FEA a permis de correctement diagnostiquer l’ensemble des cas (100% de sensibilité et de spécificité). Ce résultat pourrait s’avérer être d’une grande aide quant à la prise de décision d’intervention chirurgicale dans le cas d’os long atteints de métastases osseuses. Bien sûr, avant cela la route à parcourir reste longue, ce résultat devant d’abord être confirmé cliniquement (possiblement en ayant recours à l’étude d’un cohorte rétrospective, comme cela a déjà pu être fait dans d’autres études (Eggermont et al. 2018). Cette étude vient d’être initiée dans le cas du projet MEKANOS (étude multicentrique en France) porté par le Professeur Cyrille Confavreux (rhumatologue) / The human body (adult) is composed of 206 bones ("Anatomy and Physiology | Simple Book Production" n.d.) that are dense tissues and make up the bulk of the human skeleton. The skeleton, being highly vascularized, is the most commonly affected site for metastatic cancer (Coleman 1997). The development of these bone metastases weakens the bone and can cause pathological fractures. However, the prediction of such fractures is difficult and far from automatic. One possibility for creating a more powerful diagnostic tool would be finite element simulations (FEA). Studies have shown that patient-specific FEA is able to surpass the expertise of clinicians in the case of ex vivo studies with mechanically induced bone defects (including Derikx et al., 2012). Research on bone cancer, however, is hard to put in place as samples are rare. In order to overcome the difficulty of finding human samples that are rarely available, the mouse has been used as a skeletal model in several cases, including the mechanical resistance of bones with ex vivo metastases (Mann et al., 2008). Thus, in order to study the involvement of metastatic tissue in the overall bone resistance of real samples, we used this animal model to create tumor samples. Our goal was twofold: first, to quantify the contribution of taking into account the mechanical properties of metastasis in the overall resistance of the bone. Secondly, to see if a simpler model than that proposed in the literature (based on purely elastic rather than elastoplastic properties (Eggermont et al., 2018) could improve the prediction of pathological fractures. First, the results obtained with our heterogeneous models (not taking tumor into account) showed a good consistency with the literature, the correlation between all the heterogeneous models (n = 43 legs) regarding the agreement of simulated and experimental fracture were of the same order of magnitude as a similar study conducted on mouse vertebrae (Nyman et al., 2015). Then, the model taking into account the properties of the tumors did not make it possible to improve the fracture prediction. The average of the differences of models taking tumor into account being of 30 ± 21% (n = 11 tumor limbs) against 12 ± 9% (n = 43 limbs). In addition, the specific model (taking into account the modulus of the tumors) being more difficult to obtain than the heterogeneous model (not requiring segmentation between bone and tumor), the first does not seem to be a wise choice in the prediction of long bone fracture presenting bone lysis. Finally, a detection criterion based on the difference between global and local ultimate force values made it possible to detect the majority of the mechanical instabilities observed in this study (sensitivity of 85% and specificity of 100%). Another criterion, based on the ratio between individual weights and the local ultimate force predicted via FEA, made it possible to correctly diagnose all cases (100% sensitivity and specificity). This result could prove to be of great help in making surgical decision making in the case of long bone with bone metastases. Of course, before that, the road ahead is long, this result having to be clinically confirmed first (possibly through the study of a retrospective cohort, as has already been done in other studies (Eggermont et al., 2018). This study has just been initiated in the case of the project MEKANOS (multicenter study in France) led by Professor Cyrille Confavreux (rheumatologist)

Les techniques d'insertion d'aiguille font partie des interventions chirurgicales les plus courantes. L'efficacité de ces interventions dépend fortement de la précision du positionnement des aiguilles dans un emplacement cible à l'intérieur du corps du patient. L'objectif principal dans cette thèse est de développer un système robotique autonome, capable d'insérer une aiguille flexible dans une structure déformable le long d'une trajectoire prédéfinie. L’originalité de ce travail se trouve dans l’utilisation de simulations inverses par éléments finis (EF) dans la boucle de contrôle du robot pour prédire la déformation des structures. La particularité de ce travail est que pendant l’insertion, les modèles EF sont continuellement recalés (étape corrective) grâce à l’information extraite d’un système d’imagerie peropératoire. Cette étape permet de contrôler l’erreur des modèles par rapport aux structures réelles et ainsi éviter qu'ils divergent. Une seconde étape (étape de prédiction) permet, à partir de la position corrigée, d’anticiper le comportement de structures déformables, en se reposant uniquement sur les prédictions des modèles biomécaniques. Ceci permet ainsi d’anticiper la commande du robot pour compenser les déplacements des tissus avant même le déplacement de l’aiguille. Expérimentalement, nous avions utilisé notre approche pour contrôler un robot réel afin d'insérer une aiguille flexible dans une mousse déformable le long d'une trajectoire (virtuelle) prédéfinie. Nous avons proposé une formulation basée sur des contraintes permettant le calcul d'étapes prédictives dans l'espace de contraintes offrant ainsi un temps d'insertion total compatible avec les applications cliniques. Nous avons également proposé un système de réalité augmentée pour la chirurgie du foie ouverte. La méthode est basée sur un recalage initial semi-automatique et un algorithme de suivi peropératoire basé sur des marqueurs (3D) optiques. Nous avons démontré l'applicabilité de cette approche en salle d'opération lors d'une chirurgie de résection hépatique. Les résultats obtenus au cours de ce travail de thèse ont conduit à trois publications (deux IROS et un ICRA) dans les conférences internationales puis à un journal (Transactions on Robotics) en cours de révision. / Needle-based interventions are among the least invasive surgical approaches to access deep internal structures into organs' volumes without damaging surrounding tissues. Unlike traditional open surgery, needle-based approaches only affect a localized area around the needle, reducing this way the occurrence of traumas and risks of complications \cite{Cowan2011}. Many surgical procedures rely on needles in nowadays clinical routines (biopsies, local anesthesia, blood sampling, prostate brachytherapy, vertebroplasty ...). Radiofrequency ablation (RFA) is an example of percutaneous procedure that uses heat at the tip of a needle to destroy cancer cells. Such alternative treatments may open new solutions for unrespectable tumors or metastasis (concerns about the age of the patient, the extent or localization of the disease). However, contrary to what one may think, needle-based approaches can be an exceedingly complex intervention. Indeed, the effectiveness of the treatment is highly dependent on the accuracy of the needle positioning (about a few millimeters) which can be particularly challenging when needles are manipulated from outside the patient with intra-operative images (X-ray, fluoroscopy or ultrasound ...) offering poor visibility of internal structures. Human factors, organs' deformations, needle deflection and intraoperative imaging modalities limitations can be causes of needle misplacement and rise significantly the technical level necessary to master these surgical acts. The use of surgical robots has revolutionized the way surgeons approach minimally invasive surgery. Robots have the potential to overcome several limitations coming from the human factor: for instance by filtering operator tremors, scaling the motion of the user or adding new degrees of freedom at the tip of instruments. A rapidly growing number of surgical robots has been developed and applied to a large panel of surgical applications \cite{Troccaz2012}. Yet, an important difficulty for needle-based procedures lies in the fact that both soft tissues and needles tend to deform as the insertion proceeds in a way that cannot be described with geometrical approaches. Standard solutions address the problem of the deformation extracting a set of features from per-operative images (also called \textit{visual servoing)} and locally adjust the pose/motion of the robot to compensate for deformations \cite{Hutchinson1996}. [...]To overcome these limitations, we introduce a numerical method allowing performing inverse Finite Element simulations in real-time. We show that it can be used to control an articulated robot while considering deformations of structures during needle insertion. Our approach relies on a forward FE simulation of a needle insertion (involving complex non-linear phenomena such as friction, puncture and needle constraints).[...]