Dissertations / Theses on the topic 'Modélisation hyperélastique'

Dans le but de modeliser le comportement hyperelastique quasi-incompressible en regime de grandes deformations, l'energie interne a ete decrite par le modele de hart-smith, modifie pour la quasi-incompressibilite. L'identification des differentes caracteristiques du materiau a ete realisee grace a trois essais distincts. Sur le plan numerique, une formulation en lagrangien a ete adoptee. Cette formulation a ete traitee par l'algorithme de newton-raphson associe a un algorithme d'incrementation automatique des pas de chargement. D'autre part, la vectorisation du code sur un cray y-mp 2e s'est averee tres efficace pour diminuer les temps de calculs elementaires et de resolution globale. Les formulations en elements finis ont ete validees grace a deux types de tests elementaires et structuraux. Les resultats numeriques sont en accord avec l'experience et les resultats analytiques. Un probleme industriel de type butee spherique a ete etudie dans cette these

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde et font actuellement l'objet de nombreuses recherches. Dans le cas d'études des artères, un des objectifs est d'améliorer la compréhension des mécanismes biologiques impliqués dans des maladies comme l'hypertension, l'athérosclérose ou l'anévrisme. Les études mécaniques qui ont été menées s'appuient essentiellement sur des approches expérimentales in vitro, ce qui en limite leur intérêt et application dans le diagnostic clinique. Dans ce travail, un modèle théorique de comportement mécanique 3D de l'artère carotide prenant en compte le caractère hyperélastique, anisotrope, actif, précontraint et dynamique de la structure est proposé. Les mesures expérimentales sont obtenues in vivo sur des carotides communes de rats d'une part, et humaines de manière non invasive, d'autre part. Le problème mécanique aux limites est résolu semi-analytiquement sur un cycle cardiaque, considérant le tissu environnant. Les valeurs optimales des paramètres du modèle, en particulier de ceux décrivant les caractéristiques mécaniques de microconstituants pariétaux (élastine, collagène, muscle lisse), sont évaluées par régression non linéaire. Le modèle proposé permet (i) de reproduire les évolutions de pression luminale mesurées in vivo et (ii) de donner une évaluation des distributions de contraintes pariétales cohérentes avec la physiologie artérielle. Une corrélation entre l'âge des patients et les paramètres décrivant les contraintes résiduelles et les fibres de collagène, montre l'intérêt du modèle théorique et l'originalité de cette approche qui pourra donc être utilisée dans l'étude de pathologies artérielles.

Les milieux caoutchouteux présentent un comportement mécanique du type hyperélastique ou visco-hyperélastique. Leur grande déformabilité génère souvent des micros défauts qui naissent et se développent dans la pièce conduisant à la création de fissures macroscopiques pouvant être soit immédiatement visible provoquant la perte de la pièce, soit volumiques invisibles mettant ainsi en danger son utilisation. Cette thèse contribue au développement de modèle de comportement pour la simulation de la mise en forme des structures caoutchoutiques. La formulation mathématique est basée sur la décomposition multiplicative du gradient de déformation en une partie élastique quasi-incompressible et une partie anélastique irréversible et compressible induite par une variable scalaire d’endommagement isotrope. L’approche proposée est généralisée au comportement isotrope des élastomères, ceci en utilisant une densité classique d’énergie en terme d’élongation principale (forme d’Ogden). L’intégration locale des équations non-linéaires est résolue grâce à la méthode itérative de Newton, et peut être réduite à la résolution d’une seule équation après quelques arrangements numériques. Le modèle est intégré dans le code ABAQUS via les routines utilisateurs. Quelques exemples numériques sont présentés pour discuter la capacité du modèle couplé, à prédire l’évolution de l’endommagement isotrope et la variation de volume dans les élastomères chargés pendant le processus de mise en forme avec ou sans remaillage adaptatif
The rubbery environments present the same mechanical behaviour as hyperelastic or viscohyperelastic solids. The finite deformation of these materials often generate microscopic and voluminal defects leading to the creation of micro-cracks inside the structure. This study deals with the constitutive modelling of the mechanical response of filled-elastomer materials. In the framework of Continuum Damage Mechanics, the formulation is based on the decomposition of the gradient of de-formation into a nearly-incompressible elastic part and an irreversible and compressible dam-age part induced by an isotropic variable. The proposed approach is generalized to iso-tropic behaviour of elastomer using classical energy densities as the Ogden form. The local integration is outlined thanks to the Newton iterative scheme applied to a reduced system of one equation after some numerical assumptions. The proposed model is integrated in ABAQUS code via user’s subroutine. Some numerical examples are presented to discuss the capability of the coupled non linear hyperelastic model to predict isotropic ductile damage initiation and growth during forming processes of filled-elastomer using or not remeshing procedure

Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement d’une nouvelle loi de comportement hyperélastique, isotrope et incompressible permettant de modéliser les matériaux caoutchouteux en grande déformation et en grand déplacement. Cette nouvelle loi combine une approche moléculaire et une approche phénoménologique, ce qui permet de couvrir un spectre large de sollicitations. Elle est constituée par la superposition de quatre termes :– un terme lié à la contrainte d’entrelacement des chaînes macromoléculaires observée avec le phénomène de cristallisation. Ce terme est modélisé par une fonction logarithmique provenant de l’énergie phénoménologique de Gent-Thomas,– un terme lié à l’hypothèse des déformations affines observées avec le raidissement final de certaines chaînes macromoléculaires des élastomères. Ce terme provient de la probabilité non-Gaussienne de Langevin. Nous l‘avons modélisé par la loi moléculaire 8-chaines d’Arruda-Boyce avec un aménagement qui consiste à utiliser une approximation originale de la fonction de Langevin inverse,– un terme lié à la contrainte des chaînes ayant des déformations non-affines. Ce terme est modélisé par une fonction Gaussienne sous forme intégrale. Il s’agit de l’une des contributions originale de ce travail de thèse,– une partie volumique standard permettant de prendre en compte l’incompressibilité du matériau.Les deux principales originalités de la thèse concernent donc l’élaboration d’une approximation inédite de la fonction de Langevin inverse ainsi que la construction d’une nouvelle densité d’énergie hyperélastique isotrope, incompressible et hybride.Afin d’étudier la pertinence du modèle proposé, des comparaisons ont été réalisées avec plusieurs jeux de données expérimentales disponibles dans la littérature. Ces comparaisons ayant été couronnées de succès, l’implémentation numérique du modèle que nous proposons a été effectuée dans le code universitaire aux éléments finis FER
This thesis concerns the development of a new incompressible isotropic hyperelastic behavior law allowing the modeling of rubber materials with large strain and large displacement. This new law mixes a molecular approach with a phenomenological one and therefore covers a wide range of loading. It has been built by a sum over four terms:– a term related to the interleaving macromolecular chains observed with the crystallization phenomenon. This term is modeled by a logarithmic function coming from the phenomenological energy of Gent-Thomas,– a term related to the assumption of affine deformations observed with the final stiffening of a part of macromolecular elastomeric chains. This term comes from the non Gaussian probability of Langevin. We have modeled it by the 8-chains molecular law of Arruda-Boyce but with an original approximation of the inverse of the Langevin function,– a term related to the stress occurring with non affine strains. This term has been modeled by a Gaussian function adopting an integral form. This is one of the original contribution of this thesis work,– a classical volumetric term taking into account the incompressibility of the material.The two main originalities of the thesis are therefore the introduction of a new approximation of the inverse of the Langevin function and the development of a new hyperelastic energy density which is isotropic, incompressible and hybrid.In order to study the efficiency of the proposed model, comparisons were made with several experimental data available in the literature. These comparisons have been successful and we have implemented our model in the university finite element software FER

Cette étude doctorale porte sur une matrice polyamide 6.6, utilisé dans les matériaux renforcé fibre de verre courtes, et consiste en la mise en place d'une modélisation thermomécanique, autour de la transition mécanique α du polymère. Une première partie consiste en la mise en évidence expérimentale du comportement thermomécanique du matériau de l'étude. Une campagne d'essais mécanique en traction et cisaillement a été menée, où un effort important sur le protocole expérimental a été mené. Les techniques d'analyse de déformation par corrélation d'images, et de suivi pyrométrique de la température ont, par exemple, été utilisées. La construction de la base expérimentale met à profit les équivalences vitesses / températures, sur une gamme de température comprise entre -10° et +60°, et une gamme de vitesse de déformation comprise entre 10-4 et 10 s-1, soit 21 décades suivant la grandeur caractéristique de ces essais, i.e. la vitesse de déformation équivalente à une température de référence. Une seconde partie consiste en un développement d'un modèle de comportement visco-hyperélastique, décrit dans le cadre formel de la thermodynamique des processus irréversible, et physiquement basé sur les modèles de statistique de chaînes modifiés. L'introduction d'un processus de relaxation, d'une partie de l'énergie élastique emmagasinée dans le réseau comme source d'anélasticité entropique a été proposée, puis confrontée avec la base expérimentale. Le modèle prend en compte les couplages thermomécaniques forts, et permet, avec un nombre de paramètres réduits, de représenter le comportement global de l'ensemble de nos essais expérimentaux.

Le soufflage des bouteilles en polyéthylène téréphtalate (PET) génère des modifications importantes des propriétés mécaniques du matériau comme le montre l'étude de caractérisation des propriétés hétérogènes et anisotropes réalisée sur le fond pétaloïde, une partie 3D de géométrie complexe de bouteille soufflée présentée en fin de mémoire. L'étude principale présentée dans ce rapport s'inscrit dans le cadre du procédé de soufflage par bi-orientation où le matériau, qui se trouve à des températures légèrement supérieures à la température de transition vitreuse (Tg), est fortement biétiré générant ainsi de grandes modifications de morphologie microstructurale. Pour permettre à terme une simulation numérique du procédé qui prenne en compte ces modifications de propriétés en cours de soufflage, l'objectif de la thèse est de décrire le comportement du PET par un modèle visco hyperélastique original en grandes déformations, d'identifier ce modèle couplé à la thermique à partir des données expérimentales très récentes de tension biaxiale à des conditions de vitesse et de température proches du procédé et enfin d'implanter ce modèle pour la simulation du procédé. En parallèle, les aspects thermiques, qui s'avèrent fondamentaux pour le procédé, sont explorés via une identification des propriétés thermiques réalisée sur la base d'essais de chauffage infrarouge et de mesure de champs par caméra thermique. La proximité de Tg rend les propriétés mécaniques très sensibles aux moindres variations de température aussi est-il particulièrement important de prédire correctement les conditions thermique initiales de la préforme avant soufflage. De plus, la très forte viscosité à ces températures génère une dissipation importante et qui contribue à l'auto échauffement du matériau modifiant les propriétés mécaniques au cours du temps. La formulation de ce problème thermo-mécanique couplé est implémenté et résolu par la méthode des éléments finis pour simuler le gonflage des préformes

Le soufflage des bouteilles en polyéthylène téréphtalate (PET) génère des modifications importantes des propriétés mécaniques du matériau comme le montre l'étude de caractérisation des propriétés hétérogènes et anisotropes réalisée sur le fond pétaloïde, une partie 3D de géométrie complexe de bouteille soufflée présentée en fin de mémoire. L'étude principale présentée dans ce rapport s'inscrit dans le cadre du procédé de soufflage par bi-orientation où le matériau, qui se trouve à des températures légèrement supérieures à la température de transition vitreuse (Tg), est fortement biétiré générant ainsi de grandes modifications de morphologie microstructurale. Pour permettre à terme une simulation numérique du procédé qui prenne en compte ces modifications de propriétés en cours de soufflage, l'objectif de la thèse est de décrire le comportement du PET par un modèle visco hyperélastique original en grandes déformations, d'identifier ce modèle couplé à la thermique à partir des données expérimentales très récentes de tension biaxiale à des conditions de vitesse et de température proches du procédé et enfin d'implanter ce modèle pour la simulation du procédé. En parallèle, les aspects thermiques, qui s'avèrent fondamentaux pour le procédé, sont explorés via une identification des propriétés thermiques réalisée sur la base d'essais de chauffage infrarouge et de mesure de champs par caméra thermique. La proximité de Tg rend les propriétés mécaniques très sensibles aux moindres variations de température aussi est-il particulièrement important de prédire correctement les conditions thermique initiales de la préforme avant soufflage. De plus, la très forte viscosité à ces températures génère une dissipation importante et qui contribue à l'auto échauffement du matériau modifiant les propriétés mécaniques au cours du temps. La formulation de ce problème thermo-mécanique couplé est implémenté et résolu par la méthode des éléments finis pour simuler le gonflage des préformes
The stretch blow moulding process for polyethylene terephthalate (PET) bottles generates important modifications of the mechanical properties of the material as it can be shown in an identification study of the orthotropic and heterogeneous elastic properties in the 3D region of the petaloïd bottom of PET bottles. The main topic of this work deals with the modelling of the complex behaviour of the PET during the process that is managed at a temperature slightly above the glass transition temperature Tg. In this range of temperature and considering the high strain rates involved during the process, large changes in the material morphology can be observed and the goal of this work is to propose a visco hyperelastic model to predict the PET behaviour under these severe conditions: large deformations, high strain rate… An original procedure is proposed to manage the identification of the material properties from the experimental data of recent biaxial elongation tests. On the other hand, effects of temperature are of fundamental importance during the injection stretch blow moulding process of PET bottles. Near Tg small variations of temperature have great influence on physical properties: an accurate prediction of the initial temperature field generated by the infrared heating is proposed. Also, the important viscous dissipation induces self-heating of the material during the process which is necessary to be taken into account during the numerical simulation. The identification of the thermal parameters is achieved by an experimental infrared heating study. The global thermo mechanical model is implemented and numerical simulations are managed using the finite element method to solve the free blowing of PET preforms

Les maladies cardiovasculaires représentent la première cause de mortalité dans les pays développés, pour cette raison l'étude des structures artérielles et de leur substitut prothéique constitue un enjeu de première importance pour la recherche biomédicale. Dans ce travail, nous proposons un modèle mécanique de comportement dynamique d'une structure tubulaire composée d'un matériau hyperélastique, anisotrope, compressible et précontraint. Un premier problème aux limites, traduisant le comportement de la paroi artérielle carotide dans des conditions de fonctionnement in-vivo est formulé. Les équations du problème ont été résolues numériquement par la méthode de Runge-Kutta et ont permis d'obtenir les distributions de pressions intraluminales qui ont pu être confrontées à des mesures expérimentales obtenues sur des patients sains ou atteints du PseudoXanthome élastique (PXE). Grâce à ces résultats, nous avons pu (i) montrer que le caractère compressible de la paroi, observé chez certains patients, influence les distributions de contraintes pariétales, (ii) que le PXE modifie certaines caractéristiques mécaniques de la paroi comme la compliance et le module de rigidité au cisaillement. Sur la base de l'approche théorique précédente, un deuxième problème aux limites a été formulé pour étudier un prototype de prothèse vasculaire de petit diamètre soumis à un cisaillement azimutal. Cette cinématique de déformation traduit des effets générés en phase pré et post opératoire. La solution exacte obtenue a permis d'évaluer les effets de l'anisotropie et de la précontrainte sur les distributions dynamiques de contraintes dans la structure prophétique. Ces résultats pourraient permettre d'aider au dimensionnement et à la conception de prothèses vasculaires
Cardiovascular diseases represent the first cause of mortality in the developed countries, for this reason study of the arteiral structures and their prosthetic substitute take an important place in the fields of biomedical research. In this work, we propose a mechanical model to study the dynamic behavior of a tubular structure made of a hyperelastic, anisotropic, compressible and prestressed material. We have first formulated at boundaries values problem of the mechanical behavior of the arterial wall carotid submitted to conditions that mimics in-vivo conditions. The equations of this model were solved numerically by the method of Runge-Kutta at the fourth order. The intraluminal pressures distributions obtained were compared to the experimental measurements obtained both on healthy subject and on patients with the elastic PseudoXanthome (PXE) disease. These results show that (i) the compressible character of the arterial wall, observed in some healthy subject, influences the distributions of parietal stress and (ii) that the PXE disease modifies some mechanical characteristics of the arterial wall like the compliance and the shear modulus. In a second approach, we have formulated the above theoretical model to study a vascular prosthesis prototype of small diameter submitted to an azimutal shear. Results show that kinematics of deformation reproduce the effects of the azimutal shear generated before and after surgery. The obtained analytical solution made possible the evaluation of the anisotropy and the prestressed effects on the dynamic distributions of stress in the prosthetic structure. This approach will make possible the evaluation of the cardiovascular prosthesis and will lead to improve prosthesis prototype in term of mechanical properties and designing

Les matériaux polymères, en particulier les EAP (Electro Active Polymer), sont de bons candidats pour le développement d'actionneurs de nouvelle génération, en particulier par leurs propriétés mécaniques et électriques. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement au cours de cette thèse aux actionneurs polymères à base d'élastomère diélectrique et à leur intégration technologique. Le principe de fonctionnement de ce type d'actionneur est basé sur l'attraction électrostatique entre deux électrodes qui prennent en sandwich l'élastomère qui jouera à la fois le rôle d'entrefer de permittivité relative supérieure à un et de ressort de rappel par ses propriétés élastiques. Les forces d'attraction sont proportionnelles à la constante diélectrique de l'élastomère et inversement proportionnel au module de Young de ce dernier. Notre choix s'est porté sur les polydiméthylesiloxanes (PDMS), matériaux à la fois très souple et pour lesquels une augmentation de la permittivité peut être obtenue par l'addition de nanoparticules. Un procédé original de structuration des couches de " PDMS " sur une plaquette de silicium a été développé. Nous avons formulé ce polymère avec un composant photo-actif pour le rendre photosensible afin de pouvoir l'utiliser à l'image d'une résine lithographique conventionnelle et d'envisager la structuration dans un enchaînement de fabrication compatible avec les technologies microsystèmes. Par ailleurs une caractérisation exhaustive nous a permis de mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques impliqués lors des différentes étapes technologiques de réalisation aussi bien pour le matériau seul qu'additionné de nanoparticules de titanate de baryum. Nous nous sommes également attachés à mesurer la permittivité et les coefficients d'élasticité de ces matériaux à la fin du processus de fabrication vérifiant ainsi le maintien des propriétés initiales qui ont présidées au choix de ces matériaux. Des actionneurs miniaturisés constitués d'une électrode inférieure fixe, d'une couche de PDMS structurée et d'une électrode supérieure libre ont ainsi été fabriqués, caractérisés et modélisés par élément finis à l'aide du logiciel Comsol. Nous avons utilisé des modèles hyper élastiques pour les confronter aux résultats obtenus. Il en ressort que si l'utilisation des dépôts de couches métalliques a permis de fabriquer des structures, la déformation maximale de l'actionneur est limitée néanmoins par l'élasticité de l'électrode métallique. Les résultats nous permettent d'envisager, pour les applications à l'optique, la réalisation de structures à focale variable dont deux exemples sont donnés en perspective.

La simulation des procédés de mise en forme des composites à renforts tissés de type RTM est un enjeu majeur pour les industries de pointe mettant en œuvre ce type de matériaux. Au cours de ces procédés, la préforme tissée est souvent soumise à des déformations importantes. La connaissance et la simulation du comportement mécanique de la préforme à l'échelle macroscopique et à l'échelle mésoscopique s'avère souvent nécessaire pour optimiser la phase de conception de pièces composites formées par de tels procédés. Une analyse du comportement mésoscopique des préformes tissées de composites est d'abord proposée. Une loi de comportement hyperélastique isotrope transverse est développée, permettant de décrire le comportement mécanique de chacun des modes de déformation de la mèche : élongation dans la direction des fibres, compaction et distorsion dans le plan d'isotropie de la mèche, cisaillement le long des fibres. Une méthodologie est proposée pour identifier les paramètres de cette loi de comportement à l'aide d'essais sur la mèche et sur le tissu, et une validation par comparaison avec des essais expérimentaux est présentée. Une analyse du comportement macroscopique des renforts interlocks est ensuite proposée : une loi de comportement hyperélastique orthotrope est développée et implémentée. Cette loi, extension de la loi de comportement pour la mèche, est également basée sur une description phénoménologique des modes de déformation de la préforme. Une méthode d'identification des paramètres de cette loi de comportement est mise en œuvre, utilisant des essais expérimentaux classiques dans le contexte des renforts tissés (tension uniaxiale, compression, bias extension test, flexion). Cette seconde loi de comportement est validée par comparaison avec des essais de flexion et d'emboutissage hémisphérique.

La mousse flexible de polyuréthane est couramment utilisée dans nombreuses applications telles que acoustiques, thermiques et de bâtiment grâce à sa faible densité et à son pouvoir d’isolation thermique et acoustique. Elle est également utilisée dans les applications de confort pour les sièges tels que véhicule, train, avion etc. grâce sa faible raideur et à son pouvoir à absorber l’énergie de déformation. Pour optimiser le confort des systèmes d’assise, il est nécessaire de modéliser le siège et en particulier la partie flexible, c’est-à-dire la mousse de polyuréthane. Les objectifs principaux de cette thèse consistent à identifier puis à modéliser le comportement quasi-statique de la mousse de polyuréthane sous différentes conditions d’essais sous grandes déformations. Des essais de compression/décompressions unidirectionnels monocycle et multicycle à différentes vitesses de déformations ont été réalisés sur trois types de mousse de polyuréthane, afin de comprendre le comportement du matériau. Ces essais ont permis de déduire que les mousses de polyuréthanes sous grandes déformations présentent à la fois un comportement hyperélastique et un comportement viscoélastique. Ils ont également montrés que les mousses de polyuréthanes présentent un phénomène d’assouplissement appelé ‘effet de Mullins’ lors que les essais de compression/décompressions multicycle, c’est-à-dire que les contraintes dans 1er cycle sont moins faibles que les contraintes dans les cycles suivants pour une même déformation. Sur la base des résultats d’expérimentaux et afin de modéliser le comportement quasi-statique de la mousse de polyuréthanne, nous avons développé trois modèles visco-hyperélastiques qui se composent de deux éléments à savoir la partie modèles énergétiques hyperélastiques, utilisés généralement pour des matériaux à comportement caoutchoutique, et la partie modèle à mémoire entier qui tient compte de l’historique et permettant de décrire le comportement viscoélastique. Les paramètres des modèles ont été identifiés en utilisant la méthode d’identification et la méthode d’optimisation appropriée. Les résultats des modélisations du comportement mécanique de la mousse sur les essais monocycles et multicycles ont été comparés aux résultats expérimentaux, monteront à la fois une très bonne capacité à simuler le 1er cycle de charge/décharge, ainsi que les cycles suivant. Nos modèles ont prouvé leur capacité à modéliser l’effet de Mullins sur les mousses de polyuréthane souple. Ces modèles ont été validés sur les trois types de mousse et pour trois vitesses de sollicitation, permettent de conclure leurs efficacités et de leurs représentativités
Flexible polyurethane foam is widely used in numerous applications such as acoustic, thermal and building due to its low density and its ability to absorb thermal and acoustic energy. It is also used for the comfort of the seats such as the vehicle, train, plane due to its low stiffness and its ability to absorb deformation energy. In order to optimize the comfort of the car seat, it is necessary to model the behavior of seat system, particularly the flexible component - polyurethane foam. The main objective of this study is to identify and model the quasi-static behavior of polyurethane foam under different test conditions in large deformations. Compression / decompression uniaxial unicycle and multicycle tests were carried out on three types of polyurethane foam at different strain rates, which allows us to understand the behavior of the material. The results of the tests indicate that the polyurethane foams exhibit a hyperelastic behavior and a viscoelastic behavior under large deformations. They also showed that the polyurethane foams have a stress softening phenomenon which is called 'Mullins effect' during the compression / decompression multicycle tests. In other words, the stress in first cycle is lower than the stresses in the subsequent cycles in the same deformation. ‘Mullins effect’ for the polyurethane foam is also an important study in this dissertation. Based on the experimental results and the goal of modeling quasi-static behavior of the polyurethane foam, three visco-hyperelastic models were developed. These models consist in two elements: hyperelastic models, which is normally used for description the behavior of rubber materials, and entire memory model which takes into account the history and describing the viscoelastic behavior. Model parameters were identified using appropriate identification and optimization methods. The results of modeling the mechanical behavior of the foam on the unicycle and multicycle tests were compared with experimental results. The models showed a very good competence to simulate the first cycle and the following cycles during the charge / discharge tests. Our models have proven its ability to model Mullins effect on flexible polyurethane foams. These models have been validated on three types of foam in order to present a comparative study of their effectiveness and their representativeness

La peau est un matériau complexe, constituée de trois couches (épiderme, derme et hypoderme) et posée sur les muscles. La combinaison d'une technique d'indentation et d'IRM a été développée. Des tests d'indentation ont été effectués sur l'avant-bras gauche de 9 sujets (de 26 à 40 ans). Les images issues de l'IRM ont été traitées via un logiciel de traitement d'images développé en interne. La modélisation par EF à partir des images IRM a été réalisée grâce à un pré-post processeur MSC. Patran et un solveur MSC. Marc. La loi de comportement (LDC) hyperélastique incompressible de type de Néo-Hooke (C1O) a été utilisée. L'identification des paramètres de la LDC a été réalisée grâce à un algorithme de minimisation de Levenberg-Marquardt. La validation numérique a montré que le minimum est unique lorsque l'épiderme et le derme se comportent comme une couche. Les résultats d'identification pour une population de 9 sujets sont: ClO,E+D=[60-370] kPa ; ClO,Hyp. =[0,04-4] kPa ; C1O,Mus. =[0,7-1,7] kPa
The skin is a complex material, consists of three layers (epidermis, dermis and hypodermis) and lies on muscle. The combination of an indentation and MRI techniques has been developed. Indentation tests were performed on the left forearm of 9 subjects (from 26 to 40 years-olds). The images from MRI were processed via images processing software developed in house. FE Modeling trom the MRI images was conducted through MSC. Patran pre-processor and MSC. Marc solver. The NeoHooke hyperelastic incompressible constitutive law (ClO) has been used. The parameters identification of constitutive law was performed through Levenberg-Marquardt minimization algorithm. The numerical validation showed that the minimum is unique when the epidermis and dermis behave as one layer. The results of identification for a population of 9 subjects are: ClO,E+D=[60-370] kPa; CIO,Hyp. =[0. 04-4] kPa; ClO,Mus. =[0. 7-1. 7] kPa

Les travaux de cette thèse s’intéressent au comportement mécanique d’une mousse destinée à l’absorption d’énergie dans une assise de siège pilote. Les méthodes de caractérisation habituelles proposent de solliciter le matériau suivant une seule direction. Cependant, cette caractérisation ne permet pas d’être représentatif des sollicitations lors de l’utilisation de l’assise, qui sont multiaxiales. Cette étude s’intéresse donc à la caractérisation du comportement multiaxial d’une mousse. L’approche originale utilisée est une séparation du comportement en deux contributions: changement de volume (pression-volume) et de forme (distorsion-cisaillement). Un premier moyen d’essais de compression hydrostatique a été développé afin de caractériser le changement de volume. Les résultats mettent en évidence une forte influence de la contribution en changement de volume, lors d’une sollicitation de compression uniaxiale. Un deuxième moyen d’essais a été développé permettant d’appliquer des sollicitations radiales suivant un angle cinématique ϑε, imposant une proportion de volume et de distorsion. Les résultats montrent une forte influence de l’angle cinématique sur les comportements des contributions de changement de volume et de forme. D’autres sollicitations impliquant de la compression et du cisaillement d’une manière séquentielle ont montré une influence du niveau de volume sur le comportement en changement de forme. Enfin, un modèle de simulation 2D par assemblage d’éléments finis 1D, montre une bonne représentation des différents comportements des contributions de changement de volume et de forme obtenus expérimentalement
This thesis is focused on the mechanical behavior of foam designed to absorb energy in an airplane pilot seat cushion. Usually, these materials are characterized using uniaxial compressive test. Nevertheless, this uniaxial characterization doesn’t represent the real in-use loading of cushion. To complete these data, this work focuses on multiaxial behavior characterization of foam. The analysis of behavior is realized by using a separation into two contributions linked to the volume (pressure-volume) and the shape (distortion-shear) change. A hydrostatic testing system was developed with the aim to characterize the volume change behavior. Results highlight a strong influence of the volume change behavior during an uniaxial compression solicitation. A second testing system was developed allowing to apply radial solicitations following a kinematic angle, which imposes a non-proportional variation of volume and distortion. A kinematic angle influence is observed on the volume and shape change behavior. Other solicitations composed of compression and shear applied in a sequential way, permit to observe a volume influence on the shape change behavior. Finally, a 2D simulation model composed of 1D element composition shows a good representation of the volume and shape changes behavior obtained from experimentation

L’étape de mise en forme dans le procédé RTM est importante car elle influence fortement le comportement mécanique du composite en service. Pour mieux prédire l’apparition de défauts éventuels des matériaux composites, les méthodes numériques sont de plus en plus développées compte tenu de la durée et du coût des essais. Déformations et orientations des mèches à l’échelle mésoscopiques sont essentielles pour simuler l’écoulement de la résine dans l’étape d’injection. Etant donné le nombre d’éléments et les interactions complexes, il est difficile d’effectuer les simulations de formage pour toute la pièce du renfort à l’échelle mésoscopique. La présente thèse consiste à développer une méthode multiéchelle qui permet de relier les simulations macroscopiques des renforts et les modélisations mésoscopiques de VER (volume élémentaire représentatif) lors de la mise en forme. D’abord, les simulations numériques macroscopiques pour trois renforts tissés différents sont réalisées à l’aide d’une loi de comportement hyperélastique, par la méthode des éléments finis avec un schéma explicite dynamique. Ensuite, les modélisations géométriques de VER à l’échelle mésoscopique sont reconstituées sur la base des images de tomographie X. Les champs de déplacements-déformations mésoscopiques des renforts tissés sont déterminés à partir des résultats macroscopiques et de la position des mèches. Pour prendre en compte les effets locaux de glissements des mèches, deux approches de simulations mésoscopiques de VER sont développées. Finalement, les résultats numériques mésoscopiques sont comparés avec ceux expérimentaux
The forming stage in the RTM process is crucial because it strongly influences the mechanical behavior of composites in service. In order to better predict the appearance of possible defects of composite materials, numerical simulations are increasingly developed taking into account the duration and the cost of experiences. Deformations and orientations of yarns at the mesoscopic scale are essential to simulate the resin flow in the stage of injection. Given the number of elements and their complex interactions, it is difficult to conduct the shaping simulations for the entire reinforcement at this mesoscopic scale. This present thesis consists in developing a multiscale method that allows linking the macroscopic simulations of reinforcements and the mesoscopic modellings of RVE (representative volume element) during the forming process. Firstly, the numerical simulations for three different woven reinforcements at the macroscopic scale are carried out using an anisotropic hyperelastic constitutive law, by the finite element method with a dynamic explicit scheme. Then, the geometrical modelling of RVE at the mesoscopic scale are reconstituted based on the tomographic images. The mesoscopic displacement-deformation fields of woven reinforcements are determined from the macroscopic results and the position of the yarns. In order to take into consideration sliding effects of yarns, two approaches of mesoscopic simulations of RVE are developed. Finally, the mesoscopic numerical results are compared with the experimental results

Cette thèse est consacrée à la modélisation par transition d’échelles d’une large classe de composites particulaires fortement chargés tels que les propergols solides. L’approche (AM) repose en amont sur une schématisation géométrique et cinématique inspirée des travaux de Christoffersen (1983). L’objectif des présents travaux est double : prouver l’applicabilité de l’AM à la viscohyperélasticité (comportement de la matrice des élastomères chargés) et évaluer quantitativement ses performances. Pour traiter le 1er point, l’AM est appliquée à un composite aléatoire à matrice viscohyperélastique, généré numériquement. On montre le caractère direct de la résolution du problème de localisation-homogénéisation grâce à un algorithme opérant dans l’espace-temps réel. Les résultats obtenus sont qualitativement corrects. Concernant le 2ème point, les effets des hypothèses cinématiques propres à l’AM sont testés au travers de comparaisons entre résultats (locaux et globaux) AM et éléments finis (EF) sur des microstructures périodiques (simple et complexe) satisfaisant la schématisation géométrique et pour des comportements de phase hyperélastiques et viscohyperélastiques. Un certain nombre d’atouts et de points d’amélioration de l’AM sont ainsi dégagés. Enfin, un programme transversal de confrontation des estimations à des résultats expérimentaux et à des calculs EF sur un propergol réel est élaboré. Chaque étape –essais sur composite et constituants, caractérisation morphologique par tomographie, maillage EF automatique de la microstructure réelle, détermination des VER (plusieurs centaines de grains) relatifs aux deux méthodes (AM et EF)– est détaillée et les perspectives annoncées
This study is devoted to multi-scale modelling of a wide class of highly-filled particulate composites such as solid propellants. Inspired by the previous work of Christoffersen (1983), the approach at stake (MA) is based on a preliminary geometrical and kinematical schematization. The objective of this work can be split into two parts : proving the ability of the MA to deal with viscohyperelasticity (behaviour of solid propellants’ elastomeric matrix) and evaluating its quantitative relevance. The first point is treated by applying the MA to a numerically generated composite with random microstructure and viscohyperelastic matrix. The localisation-homogenisation problem is solved in a direct manner thanks to a particular algorithm operating in real time-space domain. Qualitative results are obtained. Concerning the second point, comparisons between MA estimates and finite element (FE) results (global and local levels) are made in order to evaluate the effects of the kinematical hypotheses relative to the MA. These comparisons are made on periodic microstructures (simple and involved) satisfying the MA geometrical schematisation, for hyperelastic ant viscohyperelastic constituents. Some advantages and weaknesses to be improved are highlighted. Finally, a transversal program aiming at confronting MA estimates to experimental and FE results on a real propellant is elaborated. Each step –experimental tests on the composite and its phases, morphological characterisation via tomography, automatic FE meshing of real microstructure, determination of the RVE (a few hundred of grains) relative to both methods (MA and FE)– is detailed and prospective works are presented

Les particules nanométriques à cœur liquide présentent un fort intérêt pour l’imagerie médicale, l’embolothérapie ou la délivrance ciblée de médicaments. Elles permettent de réduire les effets secondaires et la résistance des tumeurs. Leurs fonctions thérapeutiques peuvent être activées mécaniquement à l’aide d’ultrasons focalisés entraînant un changement de phase du liquide interne : c’est le processus de vaporisation acoustique. Un modèle à quatre phases (vapeur+liquide+coque+milieu externe) est proposé pour décrire la dynamique de la vaporisation acoustique, couplant une généralisation de l’équation de Rayleigh-Plesset avec l’équation de la chaleur dans les phases denses. Une attention particulière est donnée à la modélisation des propriétés mécaniques de l’encapsulation et notamment à la prise en compte des grandes transformations engendrées par le changement de phase. Deux types d’encapsulation sont considérés : une coque viscoélastique (viscosité linéaire + hyperélasticité) et une membrane de tensioactifs (tension de surface dynamique). Différents régimes de vaporisation sont définis suivant que la dynamique de la bulle de vapeur présente ou non des rebonds. Ces régimes dépendent, pour un fluide donné (ici des nanogouttelettes de PerFluoroPentane dans de l’eau), de six paramètres clefs : deux paramètres acoustiques (amplitude et fréquence), deux paramètres géométriques (volume de vapeur et volume liquide) et deux paramètres mécaniques (constantes élastiques linéaire et non linéaire pour la coque hyperélastique ou tension de surface initiale et module élastique pour la tension de surface). Un seuil de vaporisation séparant ces différents régimes est alors proposé, dont la sensibilité aux paramètres précédemment cités est étudiée. L’existence d’un optimum d’excitation acoustique minimale en amplitude pour atteindre la vaporisation sans rebond est mise en évidence
Nanodroplets have great, promising medical applications such as contrast imaging, embolotherapy or targeted drug delivery. Their functions can be mechanically activated by means of focused ultrasound inducing a phase change of the inner liquid known as acoustic droplet vaporization (ADV) process. In this context, a four-phases (vapor+liquid+surfactant layer+surrounding environment) model of ADV is proposed. Attention is especially devoted to the large but finite deformation expected after the complete vaporization of the inner liquid. Two kinds of encapsulation are considered: a viscoelastic shell (linear viscosity and hyperelasticity) and a surfactants membrane (dynamical surface tension). Various responses to ultrasound excitation are illustrated, depending on surfactant properties and acoustical excitation parameters. Different classes of ADV outcomes are exhibited within a phase diagram, and a relevant threshold ensuring complete vaporization is defined. The dependence of this threshold with acoustical, geometrical and mechanical parameters is also discussed. Finaly, an optimum point is highlighted in the context of medical applications

La thèse s’axe sur l’identification des propriétés mécaniques des artères faciales. Elle s’inscrit dans le cadre du projet FlowFace, qui porte sur l’étude du réseau artériel facial par Imagerie de Résonance Magnétique (IRM). Elle s’appuie sur une campagne de mesures effectuées sur un échantillon de 30 témoins au CHU d’Amiens, qui a permis d’obtenir de manière non invasive l’évolution de la déformation des vaisseaux, ainsi que la mesure des débits les parcourant. Des pressions diastoliques et systoliques ont été mesurées au niveau du bras, indépendamment des mesures IRM. L’objectif de la thèse a été de modéliser la déformation patient-spécifique des vaisseaux sanguins et de mettre en place une technique d’optimisation, afin de déterminer leurs propriétés mécaniques par analyse inverse. Des simulations du comportement des vaisseaux sanguins ont été réalisées au moyen des logiciels d’ANSYS Inc., en modélisant les interactions fluide-structure aussi bien en couplage fort que faible. L’objectif a été de déterminer les déformations pariétales induites par les conditions hémodynamiques, ainsi que les pertes de charge dans les vaisseaux considérés. Les simulations ont mis en jeu des modèles hyperélastiques grande déformation pour simuler le comportement des parois. Les déplacements prédits par le modèle numérique ont été comparés aux déplacements expérimentaux mesurés par IRM. Les propriétés mécaniques des vaisseaux ont été identifiées au moyen de la technique d’optimisation proposée dans la suite ANSYS et basée sur les algorithmes de gradient et algorithmes génétiques. La méthode d’identification a été validée sur des fantômes de vaisseaux, consistant en des tubes cylindriques en élastomère, et pour lesquelles des mesures de déformation sous écoulement pulsé ont été acquises par imagerie IRM. Les valeurs des propriétés mécaniques ainsi déterminées ont été comparées à celles obtenues par tests de traction et tests de dilatation. Un des points cruciaux de l’identification a consisté en la détermination de l’état non pré-contraint. S’il est un paramètre connu pour les fantômes de vaisseaux, il est à déterminer pour les vaisseaux natifs. Le challenge de cette thèse a aussi été de déterminer les propriétés hyperélastiques des vaisseaux sanguins à partir des valeurs systoliques et diastoliques de pression et déformation. La méthode a permis de conclure que le module tangent en diastole avoisine 200 KPa alors que celui en systole se trouve dans un intervalle entre 300 KPa et 1 MPa
This thesis is based on identifying the mechanical properties of facial arteries. It is part of FlowFace project, which focuses on the study of the facial arterial system by MRI imaging. It is based on a measurement campaign conducted on a sample of 30 people at the Hospital of Amiens, which allowed obtaining noninvasively the evolution of the blood vessel deformation and the measurement of the flow. Diastolic and systolic pressures were measured at the arm independently of the MRI measurements. The aim of the thesis was to model the deformation of blood vessels and to implement an optimization technique to determine their mechanical properties by inverse analysis using MRI measurements of deformation. Simulations of the behavior of the blood vessels were performed, using ANSYS Inc. software, modeling fluid-structure interactions both strong and weak coupling. The objective was to determine the parietal deformations induced by hemodynamic conditions and pressure drops in the vessels concerned. The simulations involved hyperelastic and large deflection models to simulate the behavior of the wall. They allow calculate the numerical displacements that we compared with experimental displacements measured by MRI, the aim is that the difference between numerical and experimental be as low as possible to deduce the adequate mechanical parameters for the artery. To identify the mechanical properties of the vessels, the optimization technique proposed in ANSYS based on genetic algorithms or gradient algorithms was used. The identification method was validated on cylindrical tubes (elastomer), for which deformation measurements were acquired by MRI imaging under pulsating flow. The values of mechanical properties determined were compared with those obtained by traction tests and dilatation tests. One of the crucial points of identification involves the determination of the non-stress state. If it is a known parameter for the elastic tube, it has to be determining for blood vessels. The challenge of this thesis is to determine from a "minimum" quantity of pressure and deformation information, the hyper-elastic properties of blood vessels. The method based on a patient-specific geometry deformation concluded that the tangent modulus in diastole is approximately 200kPa while that in systole is in a range of 300 kPa to 1 MPa

Cette thèse est consacrée à la modélisation par transition d'échelles d'une large classe de composites particulaires fortement chargés tels que les propergols solides. L'approche (AM) repose en amont sur une schématisation géométrique et cinématique inspirée des travaux de Christoffersen (1983). L'objectif des présents travaux est double : prouver l'applicabilité de l'AM à la viscohyperélasticité (comportement de la matrice des élastomères chargés) et évaluer quantitativement ses performances. Pour traiter le 1er point, l'AM est appliquée à un composite aléatoire à matrice viscohyperélastique, généré numériquement. On montre le caractère direct de la résolution du problème de localisation-homogénéisation grâce à un algorithme opérant dans l'espace-temps réel. Les résultats obtenus sont qualitativement corrects. Concernant le 2ème point, les effets des hypothèses cinématiques propres à l'AM sont testés au travers de comparaisons entre résultats (locaux et globaux) AM et éléments finis (EF) sur des microstructures périodiques (simple et complexe) satisfaisant la schématisation géométrique et pour des comportements de phase hyperélastiques et viscohyperélastiques. Un certain nombre d'atouts et de points d'amélioration de l'AM sont ainsi dégagés. Enfin, un programme transversal de confrontation des estimations à des résultats expérimentaux et à des calculs EF sur un propergol réel est élaboré et mis en œuvre sur un composite énergétique : la butalite 400. Chaque étape –essais sur composite et constituants, caractérisation morphologique par tomographie, maillage EF automatique de la microstructure réelle, détermination des VER (plusieurs centaines de grains) relatifs aux deux méthodes (AM et EF)– est détaillée. De multiples confrontations entre les résultats expérimentaux et les premiers résultats numériques (AM et EF) permettent de préciser les perspectives à entreprendre pour terminer la validation.