Dans le cadre de l'étude de la morphogénèse des plantes, bien que la génétique soit intensivement étudiée, le concept clé de rhéologie à différentes échelles : cellulaire, tissulaire ou de l'organisme entier, qui gouverne directement la croissance des organismes et devrait permettre la connaissance de l'évolution de la plante reste encore très pauvrement analysé.Ce travail porte ainsi sur la description des paramètres mécaniques des cellules de plantes, à travers la réalisation de modèles numériques physiques et réalistes de différents sous-domaines de l'organisme Arabidopsis thaliana. Dans ce projet, une approche systématique sera développée pour la réalisation de ces modèles où nos structures s'appuieront sur des données expérimentales (images des différents organes de la plante) décrivant précisément la structure interne d'A. thaliana, ce qui permettra l'obtention de structures et maillages réalistes.Ensuite l'étape de modélisation permettra d'une part de retrouver, à travers le champs de déformation de l'organe décrit, les caractéristiques mécaniques sous-jacentes au modèle, ce qui constitue une forme de problème inverse biologique complexe. Nous appliquerons cette méthodologie à différents sous-domaine de notre plante archétype, commençant par les jeunes tiges, puis les racines et enfin le meristème qui constitue la zone première de croissance de la plante.D'autre part, nous développerons un cadre théorique, sur lequel pourront s'appuyer les biologistes, décrivant un modèle d'organe d'A. thaliana réaliste, typiquement le meristème, et qui permettra de valider ou d'infirmer certaines hypothèses de manipulations encore sujettes à débat, notamment dans le cadre d'utilisation de microscope à force atomique afin d'extraire expérimentalement les propriétés mécaniques des tissus.Enfin, nous présenterons une nouvelle approche mécanique hiérarchique couplant des modèles de simulation à différentes échelles : Multifarious Hierarchy of Mechanical Models. Cette nouvelle approche est à la fois éclectique, car elle permet de coupler des modèles physiques variés (sans maillages, physique modale, éléments finis...), mais aussi flexible, car elle autorise la modularité des différents domaines des modèles sous-jacents, et enfin efficace par l'obtention de gains de performance et de temps face à des simulations éléments finis s'appuyant sur le même niveau de détail. Cette approche devrait permettre le développement d'algorithmes rapides pour les simulations physiques où un niveau de détail local est requis. Par exemple, elle pourrait s'appliquer aux simulations de microscope à force atomique décrites dans la partie précédente. / Morphogenesis in plants is an active field of research. While genetics influence on plant shape has been extensively studied, rheology through scales: from cells to the whole organism through various tissues or organs, is still poorly analysed. Nevertheless, it should lead to the understanding of plants evolving, since it directly drives the organism growth.This work aims at understanding the mechanical caracteristics of plant cells, through several realistic and physically based models of various sub-domains of our plant archetype: Arabidopsis thaliana. In this project, a systematic approach has been developped, where the structures underlying such models rely on experimental data (images of different plant organs), describing precisely the inner structure of A. thaliana, which allows the use of realistic meshesfor our simulations.Then physical modelling allows us to retrieve, through the deformation field of different plant sub-domains, the mechanical properties underlying each type of structure described, which is a typical inverse problem form of a complex biological system. We apply this optimization methodology to several plant organs, beginning with embryonic stem, then with roots and finally with meristems, which constitute the zone where cells can divide and growthtypically takes place.Then, we develop a theoretical framework, on which biologists may rely, describing a realistic model of plant sub-system, typically a meristem. We hope that this conceptual framework will help experimentalists to validate some hypothesis regarding plant manipulations that are still subject to debate, as the use of Atomic Force Microscopy to experimentaly extract mechanical parameters from various plant tissues.Finally, we present a new approach coupling a coarse physically based simulation to a more detailed one : the Multifarious Hierarchiy of Mechanical Models. MHMMs are eclectics as they combine arbitrarily any type of physically based simulation (meshless, modal physics, Finite Elements, ...). Moreover, they are flexible as they allow the modularity of the various domainscontaining the underlying models. Finally MHMMs are much faster than full Finite Element simulation, at the same level of detail. This should allow the development of fast algorithm for local detailed simulation, as was the case for the numerical Atomic Force Microscope in previous part.

Nous nous intéressons aux simulations mécaniques pour des applications de synthèse d'images, particulièrement en temps réel, comme les jeux vidéos ou les simulateurs d'apprentissage de gestes techniques. La simulation physique interactive a fait des progrès remarquables ces dernières années, mais n'a pas encore atteint un niveau de maturité suffisant pour être applicable par des non-spécialistes à une grande variété de modèles. Nous présentons ici des contributions permettant de lever un certain nombre de verrous technologiques. La modélisation d'objets souples repose généralement sur une décomposition en cellules déformables. Nous avons proposé des éléments finis tétraédriques rapides et robustes, et généralisé à des grilles hexaédriques simplifiant grandement les problèmes de maillage et de contrôle de la résolution. La détection et la réponse aux collisions posent des problèmes géométriquement complexes et mécaniquement discontinus, qui causent bien souvent les principaux goulots d'étranglement des simulations. Nous avons proposé des solutions au problème du contrôle du temps de calcul, de la diversité des modèles géométriques des surfaces de contact, ainsi que de la robustesse des réponses et de leur calcul accéléré sur GPU. Une grande attention a été portée aux architectures logicielles permettant d'accroître la modularité et les performances des simulateurs. Nous avons proposé un graphe de scène mécanique permettant de hiérarchiser les modèles et décomposer les algorithmes en modules indépendants. Noua avons également exploré la distribution des simulations sur architectures parallèles, rendue nécessaire par l'évolution des matériels.

L'usage d'humains virtuels s'est démocratisé à de nombreuses activités ces dernières années.Au-delà de la chirurgie virtuelle, les corps virtuels sont de plus en plus utilisés pour concevoir des dispositifs médicaux, des véhicules et des outils de notre quotidien plus généralement.Ils se sont avérés être également d'extraordinaires supports à l'apprentissage de l'anatomie.De récents films (Avatar, Le seigneur des anneaux, etc) ont démontré que l'anatomie et la biomécanique peuvent être utilisées pour concevoir des personnages d'une grande qualité.Cependant, reproduire le comportement des structures anatomiques demeure une tâche complexe, et de nombreuses connaissances variées sont nécéssaires à la mise en place de simulation de qualité de nos organes. Ceci fait de la modélisation pour la simulation d'humains une problématique non résolue, une tâche fastidieuse, mais également un sujet de recherche fascinant.À travers ces travaux de thèse, nous abordons cette problématique de la construction de systèmes musculo-squeletiques pour ces domaines variés : animation, biomécanique et aide à l'apprentissage.Notre objectif est de simplifier le processus entier de création en le rendant plus intuitif et plus rapide.Notre approche consiste à pallier à chacune des difficultés, à savoir : la représentation et la manipulation de connaissances anatomiques, la modélisation géométrique et la simulation efficace de systèmes musculosquelettiques grâce à trois principalescontributions introduites durant ces travaux de recherche.Notre première contribution se focalise sur la construction biomécanique d'un modèle hybride du rachis lombaire.Dans ces travaux, nous montrons que les approches hybrides combinant des systèmes de corps rigides et des modèles éléments finis permettent d'obtenir des simulations en temps intéractifs, précises, et respectant les principes de l'anatomie et de la mécanique.Notre seconde contribution s'intéresse aux problématiques liées à la complexité des connaissances anatomiques, physiologiques et fonctionnelles. En se basant sur une ontologie de l'anatomie et une ontologie inédite de la physiologie humaine, nous introduisonsun pipeline pour la construction automatique de modèles simulant les fonctions de nos organes.Celles-ci permettent d'exploiter les connaissances anatomiques complexes via des requêtes simples.Les sorties de ces requêtes sont utilisées pour créer des modèles simulables retranscrivant les aspects fonctionnels tels qu'ils ont été formalisés et décrits par les anatomistes.Enfin, notre troisième contribution : le transfert d'anatomie, permet d'adapter les modèles géométriques et mécaniques à la morphologie de patients spécifiques.Cette nouvelle méthode de recalage permet de reconstruire automatiquement l'anatomie interne d'un personnage défini par sa peau en transférant les organes d'un personnage de référence.Elle permet de pallier à la nécessité de re-construire ces géometries pour chaque nouvelle simulation, et contribue ainsi à accélérer la mise en place de simulations spécifiques à une grande variété d'individus de morphologie différente. / The use of virtual humans has spread in various activities in recent years.Beyond virtual surgery, virtual bodies are increasingly used to design medical devices, vehicles, and daily life hardware more generally.They also turn out to be extraordinary supports to learn anatomy.Recent movies (Avatar, Lord of the Rings, etc) demonstrated that anatomy and biomechanics can be used to design high-quality characters.However, reproducing the behavior of anatomical structures remains a complex task, and a great amount and variety of knowledge is necessary for setting up high quality simulations.This makes the modeling of human body for simulation purposes an open problem, a tedious task, but also a fascinating research subject.Through this PhD, we address the problem of the construction of biomechanical models of the musculoskeletal systems for several domains : animation, biomechanics and teaching.Our goal is to simplify the entire process of model design by making it more intuitive and faster.Our approach is to address each difficulty : the representation and use of anatomical knowledge, the geometrical modeling and the efficient simulation of the musculoskeletal system thanks to three novel contributions introduced during these research works.Our first contribution focuses on the biomechanical construction of a hybrid model of lumbar spine.In this work, we show that hybrid approaches that combine both rigid body systems and finite element models allow interactive simulations, accurate, while respecting the principles of anatomy and mechanics.Our second contribution addresses the problem of the complexity of anatomical, physiological and functional knowledge.Based on a novel ontology of anatomical functions of the human body, we introduce a novel pipeline to automatically build models that simulate physiological functions of our bodies.The ontology allows us to extract detailed knowledge using simple queries.The outputs of these queries are used to set up simulation models of the functional aspects as they were formalized and described by anatomists.Finally our third contribution, the anatomy transfer, allows the mapping of available geometrical and mechanical models to the morphology of any specific individual.This novel registration method enables the automatic construction of the internal anatomy of any character defined by his skin, by transferring organs from a reference character.It allows to overcome the need to re-construct these geometries for each new simulation, and it contributes to accelerate the simulations setup for a range of people with different morph

Dans un contexte d’évaluation de la criticité des chargements, les travaux de thèse ont les objectifs suivants : prendre en compte les phénomènes sous-jacents à le rupture ductile : les phénomènes de dissipation volumique (plasticité et endommagement) et surfaciques (fissuration). On s'intéresse également à régulariser la solution vis-à-vis du maillage, à prédire le phénomène de transition de mode de rupture plan vers un mode de propagation oblique observé pour certains essais. La méthode utilisée est basée sur la méthode des discontinuités fortes. Un des enjeux majeurs de ces travaux est d’étendre son champ d'application au cadre de la modélisation de la rupture ductile, notamment en présence de plasticité et d'endommagement dans le volume. Une première partie des travaux est consacré à l'établissement d'un modèle en hypothèse de petites déformations, avec un modèle matériau de plasticité et d'endommagement couplé de Lemaitre pour le volume et un modèle cohésif endommageable pour le comportement surfacique. Les deux modes de rupture I et II ont été considérés dans les essais numériques. Des résultats montrant les capacités de régularisation de la méthode employée ont été présentés pour divers essais. Une seconde partie des travaux a été consacré à la formulation d'un modèle en hypothèse de grandes transformations, avec également des résultats probants en termes de régularisation de la dépendance à la taille de maille. Les deux éléments présentés ont été implémentés en formulation implicite et explicite, dans FEAP (Finite Element Analysis Program), logiciel académique développé à UC Berkeley par Taylor, et plus récemment dans le logiciel de calcul Eléments Finis Abaqus. / In the context of loadings criticality analysis, the thesis work have the following objectives : to take into account the underlying phenomena to ductile fracture : the volumetrie (plasticity and damage) and surfacic (fracture) dissipativ mechanisms. We also aim at regularizing the solution with regards to meshing, predicting the transition from a straigh crack propagation to a slant fracture mode observed for certain tests. The chosen method relies on the stron discontinuity method. One of the major challenges of this work is to extend its framework to the ductile fractur modeling framework, by accounting for plasticity and damage in the bulk. The first part of this work is dedicated to th establ'ishment of a model in small strain hypothesis, with a material model that takes into account coupied plasticity an damage in the QUik and a damageable model for the cohesive surfacic behavior. Both modes 1 and Il have been taken int) account in thnumerical examples. Results attesting the regularizing capabilities of the method are presented fo different tests. The second part of this work is dedicated to the formulation of a finite strain mode!, and results showin the good regularizing capabilities of the method are also shown. Both elements have been implemented in FEAP (Finit Element Analysis Program), an academie software developed at UC Berkeley by Taylor, and more recently in the finit element software Abaqus.

Partant de la spécification d'un univers d'objets a comportement mécanique, dynamique et visuel, le système anima propose un langage alpha-graphique a l'utilisateur pour la description de ses objets, et le moyen d'expérimenter en temps réel leur animation. On étudie l'élaboration de ressources indispensables a une phase compositionnelle, telles que mémoires de geste et mémoires d'images. Le système est vu comme la maquette d'un outil de création destine a des articles, construit autour d'un modèle général de simulation integrant les comportements vibratoires et sonores des objets.

Dans ce travail de thèse, on s’intéresse au traitement endovasculaire de l’anévrisme de l’aorte abdominale (EVAR). Cette technique mini-invasive couramment utilisée et connaît une croissance importante depuis 10 ans. Elle repose sur l’exclusion du sac anévrismal par le déploiement au niveau de l’anévrisme d’une ou plusieurs endoprothèses introduites par voies fémorales. Au cours de l’intervention, plusieurs types d’outils de rigidité variable sont introduits pour permettre la navigation de l’endoprothèse. La structure vasculaire subit alors des déformations importantes. Ces déformations sont en général sans incidence sur le bon déroulement de l’intervention. Cependant dans certains cas, notamment pour les patients présentant des anatomies défavorables (fortes tortuosités ou angulations, important degré de calcification, longueur importante des artères iliaques communes et externes) les déformations produites par l’insertion des guides rigides peuvent avoir des conséquences sur le déroulement de l’intervention. Actuellement leur anticipation repose principalement sur l’expérience du chirurgien. La simulation mécanique semble être un outil adapté pour fournir des indicateurs plus objectifs et utiles au praticien lors du planning de son intervention : cette pratique permettrait en guidant et sécurisant le geste chirurgical de diminuer potentiellement les risques de complications peropératoires et postopératoires. La première étape du travail a consisté à développer un modèle mécanique de la structure aorto-iliaque et une méthode de simulation permettant de répondre au problème mécanique posé. Ce modèle a été paramétré de façon patient-spécifique à partir des données préopératoires disponibles. Puis la deuxième étape du travail a consisté à valider la modélisation développée en la confrontant à des données peropératoires réelles obtenus sur 28 cas de patients opérés au CHU Rennes. L’ensemble des méthodes développées à enfin été intégré à un module de démonstration du logiciel EndoSize® (Therenva, France). / Endovascular Aneurysm Repair (EVAR) is a mini-invasive technique that is commonly used to treat Abdominal Aortic Aneurysms (AAA). It relies on the exclusion of the aneurysm sac by introducing one or more stent-grafts through the femoral arteries and deploying them inside the aneurysm. During the procedure, several tools of varying stiffness are introduced to enable the delivery of the stent graft to its deployment site. During this process, the vascular structure undergoes major deformations. Usually, these have no consequence on the smooth progress of the procedure. However, in some instances, particularly when the patient presents an unfavorable anatomical profile (major tortuousness or angulation, deep calcification, long length of the common and external iliac arteries), the deformation caused by the insertion of stiff guidewires can have major consequences. Today, their prediction relies mainly on the surgeon’s experience. Numerical simulation appears to be an appropriate tool to give the practitioner more objective and more useful indicators when planning the procedure: guiding the surgical act and making it safer using such an approach would potentially reduce the risks of intraoperative and postoperative complications. In the first step of the work, we developed a mechanical model of the aorto-iliac vascular structure and a simulation methodology to answer the mechanical problem. This patient-specific model has been parametrized based on available preoperative data. Then the second step of the work consisted in the validation of this model by confronting the simulation results to real intraoperative 3D data that were collected on 28 cases of patients operated at the University Hospital of Rennes. All the methods that were developed during this PhD were integrated in demonstration module of EndoSize® software (Therenva, France).

Les pieds d’aubes de soufflantes de turboréacteurs étant soumis à des sollicitations de type fretting, l’introduction de matériaux composites dans la nouvelle génération de moteur d’avion a rendu nécessaire le développement d’outils permettant de modéliser le contact entre des matériaux hétérogènes. En particulier, le comportement tribologique et l’endommagement de ces matériaux est encore mal compris. La mise en place de méthodes numériques capable de prédire les endommagements dans le contact permettrait de mieux prédire la durée de vie des pièces en service et de garantir la sécurité des passagers. Cette thèse porte sur le développement de méthodes semi-analytiques pour la modélisation de l’endommagement dans des conditions de fretting et de roulement. / The blade/disk interface in turbofan is subject to fretting loading. Fan blade of the new generation of aircraft engines are made of woven composite materials. The introduction of these new kind of materials create the need for a new numerical tool able to simulate the contact between heterogeneous materials. The tribological behavior and the damage mechanism associated with these kind of material are still not well understood. The developpment of new numerical tool able to model the damage in the contact area would allow to predict the life of engines parts and to guarantee the security of passengers. This PhD is about the developpment of semi-analytical methods for modeling the damage in fretting and rolling contact conditions with some applications to heterogeneous materials.