Postdoc of F. Martoïa (2017), Col. with J.F. Bloch, P.J.J Dumont, F. Flin and J. Viguié
Learn morePhD Thesis of T. Laurencin (2017), Col. with P.J.J Dumont, P. Laure, S. Le Corre, S. Rolland du Roscoat, R. Mosko and L. Silva
Learn morePhD of P. Latil (2011), Col. with P.J.J. Dumont, C. Geindreau, S. Le Corre and S. Rolland du Roscoat
Learn morePhD Thesis of D. Ferré Sentis (2017), Col. with P.J.J Dumont, S. Rolland du Roscoat, M. Sager and P. Latil
Learn morePhD Thesis of I. Aseaf (2017), Col. with P. Boisse, N. Hamila and S. Rolland du Roscoat
Postdoc of G. Molnar (2018), Col. with P.J.J Dumont, F. Martoïa, K. Mazeau, Y. Nishiyama and D. Rodney
Learn morePostdoc of M. Toungara (2014), Col. with L. Bailly, V. Deplano and C. Geindreau
Learn morePhD Thesis of F. Martoïa (2015), Col. with M.N. Belgacem, P.J.J. Dumont, M.A. Fardin, S. Manneville and C. Perge
Learn morePhD thesis of T. Cochereau (2018), Col. with L. Bailly, N. Henrich-Bernardoni, S. Rolland du Roscoat, A. McLeer, Y. Robert, X. Laval, T. Laurencin, P. Chaffanjon, B. Fayard, E. Boller
Learn morePostdoc of J. Viguié (2013), Col. with J.F. Bloch, P.J.J Dumont, O. Guiraud, P. Latil, and S. Rolland du Roscoat
Learn morePhD Thesis of B. Gadot (2015), Col. with D. Rodney and S. Rolland du Roscoat
Learn more3SR Lab, Bâtiment Galilée, 1270 Rue de la Piscine, 38400, Saint Martin d'Hères, France (where is that?)
2013 |
Habilitation Thesis Univ. Grenoble Alpes
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1997 |
PhD Mechanics Univ. Joseph Fourier Grenoble
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1994 |
MS in Mechanics of Materials Grenoble Institute of Technology
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1994 |
Eng. Degree in Mechanical Engineering Grenoble Institute of Technology
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2013-now |
Research Director CNRS / 3SR Lab
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1998-2013 |
Research Scientist CNRS / 3SR Lab
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1997-1998 |
PostDoc EPFL (Lausanne, Switzerland)
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1994-1997 |
PhD student Univ. Joseph Fourier Grenoble
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2018-now |
Science Attaché - Solid Mechanics CNRS - Institute for Engineering and Systems (INSIS)
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2018-now |
Head CNRS Research Group (GDR) MECAFIB / Multiscale Mechanics of Fibrous Materials
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2013-2018 |
Head CoMHet Research Group / 3SR Lab
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2013-2016 |
Scientific Director- Mechanics and Geosciences Grenoble Institute of Technology
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2011-2016 |
Co-Head CNRS Research Group (GDR) 3MF / Multiscale Mechanics of Fibrous Materials
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2011-2013 |
Management team Carnot Institute Polynat
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2011-2013 |
Co-Head CoMHet Research Group / 3SR Lab
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2005-2010 |
Management team CNRS French Federation "Rhône-Alpes Matériaux de Structures"
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2017-now |
Scientific Committee of the Carnot Institute Polynat
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2008-2012 |
National Committee for the French Scientific Research (CoNRS, section 9)
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2005-2013 |
Scientific Committee of 3SR Lab
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And also |
Expert for ANR, ANRT, HCERES, CNRS, IFREMER, NSERC (Canada), french regions and universities
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Mechanics of fibrous media
Entangled systems, Structure evolution, Large deformation When deformed, ordered fibrous materials such as woven, knitted or braided fabrics, as well as disordered ones such as non-wovens, papers, mats, or soft and fibrous living tissues exhibit mechanical behaviours with strong non-linearities and size effects. We investigate experimentally, theoretically and numerically these behaviours to propose mechanical models with relevant microstructure descriptors. |
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Rheology of Fibre Suspensions and Gels
Concentrated systems, non-Newtonian suspending fluids, Confinement During their forming processes, short fibre-reinforced composites, nanopapers or nanocomposites made of cellulose nanofibrils (CNF) or nanocrystals of cellulose (NCC) behave as concentrated fibre suspensions or gels, with complex evolution of their fibrous structures, inculding fibre network orientation, (de)consolidation, (dis)agregation. These features are mainly ascribed to the high connectivities of these networks, the slenderness and the flexibility of fibres, and to (non)colloidal fibre-fibre interactions. The aim of our research is to better characterise and model these phenomena. |
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Hygromechanical couplings in biosourced fibrous materials
Hygroexpansion Biosourced fibrous materials, e.g. made of wood fibres (papers, paper boards, polymer composites) or cellulose nanofibrils or crystals (nanopapers, nanocomposites, ice-templated foams), are very sensitive to moisture content. We try to quantify the role of water on the mechanical behaviour of these materials at various scales. |
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Flow in fibrous media
Permeability, non-Newtonian flowing fluids, capillary effects, hydromechanical coupling The impregnation and the permeation of fluids through fibrous media occur in many systems, e.g. during the fabrication of fiber-reinforced composites, filtration processes... These phenomena are difficult to characterise and model, due to the rheology of flowing fluids which can exhibit non-Newtonian effects, and to the anistotropy and deformability of fibrous media. Our work is to better understand and model them. |
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3D imaging of fibrous systems
X-ray microtomography, Image analysis, 3D in situ observations Knowing the inner structures of fibrous materials in 3D and their evolution during deformation is a key to better understand and model the physics and the mechanics of these materials. For that purpose, we use X-ray microtomography, using either laboratory or synchrotron X-ray sources. The last type allows interesting imaging mode such as phase retrieval and fast image acquisition (0.5 s). We also develop and use image analysis routines to characterise and follow fibrous structures during their deformation. |
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Experimental (micro)mechanics
(micro)Mechanical tests, (Stereo) Digital Image Correlation, We study the mechanical behaviour of fibrous materials when subjected to various (combined) mechanical loadings, hygrothermal environments, at various scales (fiber or fibrous media scales) with in situ 2D or 3D imaging techniques in order to analyse microstructure evolutions and deformation micromechanisms. |
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Upscaling
Homogenisation, Micromechanics, Simulation From the knowledge of the physics and mechanics at the fiber scale, we use upscaling processes to determine the existence and properties of the equivalent continuous media. For that purpose, we use the homogenisation method with multiple scale asymptotic expansions for discrete or continuous microstructures, analytical estimates and numerical simulation on Representative Elementary Volumes using different methods: FVM, FEM, DEM, or MD. |
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(Biosourced) Long/Short Fibre-Reinforced Polymer Composites
Automotive and aircraft industry Our work is aimed at better understanding and modelling physical and mechanical phenomena involved during the elaboration and the forming stages of these structural materials with very high specific properties. |
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Soft living tissues and related biomaterials
Voice production, Aneurysm |
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Fibre-based cellular materials
Ice-templated nanocellulose foams, Crumpled papers, Self-entangled wires |
Front cover of Soft Matter, Published in the 2015 "Soft Matter Hot Papers"
<a href="https://www.mdpi.com/2076-3417/8/12/2463" target="_blank">Featured review article of Applied Science</a>
<a href="https://www.mdpi.com/2076-3417/8/12/2463" target="_blank">Featured review article of Applied Science</a>
Front cover of Soft Matter, Published in the 2015 "Soft Matter Hot Papers"
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<a href="https://www.mdpi.com/2076-3417/8/12/2463" target="_blank">Featured review article of Applied Science</a>
Front cover of Soft Matter, Published in the 2015 "Soft Matter Hot Papers"
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Nanocomposites et mousses a base de nanofibrilles de cellulose : rheologie au cours de leur mise en forme et proprietes mecaniques F. Martoïa (2015)
This study focuses on the use of cellulose nanofibrils (NFCs) as bio-based nano-reinforcement in polymer composites and foams. These renewable materials can be used in place of traditional materials to fabricate for instance sandwich panels. This experimental, theoretical and numerical study aims at optimizing the fabrication of NFC-based materials and their use properties. In the first part of this study, the rheology of concentrated NFC suspensions that behave as thixotropic yield stress fluids is investigated at macro- and mesoscales using an original rheoultrasonic velocimetry (rheo-USV) setup, enabling the local flow kinematic to be measured. We show that the flow of NFC suspensions is highly heterogeneous and exhibits complex situations with the coexistence of wall slippage, multiple shear bands and plug-like flow bands. Using this experimental database, we develop an original multiscale rheological model for the prediction of the rheology of NFC suspensions. The model takes into account the anisotropic fibrous nature of NFC networks as well as colloidal and mechanical interaction forces that occur at the nanoscale. The model predictions show that colloidal and hydrodynamic interaction forces as well as the orientation and the wavy nature of NFCs play a major role on the yield stress and shear thinning behaviour of the suspensions. In the second part of this work, NFC-reinforced polymer nanocomposite films are fabricated for a wide range of NFC contents. Using advanced microscopy techniques (AFM, SEM), Xray diffraction and mechanical tests (tensile and DMA tests), we show (i) that NFCs form highly connected nanofibrous structures with in-plane random orientation, (ii) that these connected NFC networks play a leading role on the mechanical behaviour of the nanocomposites and (iii) that the elastic properties of nanocomposite films are much lower than the predictions of the micromechanical models of the literature. In light of these observations, we propose an alternative multiscale model in which the main involved deformation nano-mechanisms are those occurring both in the amorphous segments of the nanofibers and in the numerous nanofiber-nanofiber contact zones. Finally, in a third part we focus on the effect of the processing conditions, the suspension type and the NFC concentration on the microstructure (using X-ray synchrotron microtomography), the mechanical properties (using compression tests) and the deformation micromechanisms (using in situ compression test with X-ray microtomography) of various foams prepared from NFC suspensions by freeze-drying.
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Vers un outil d'aide a la décision pour le traitement des anévrismes par endochirurgie D. Perrin (2015)
L'anévrisme de l'aorte abdominale est une pathologie devant être traitée par chirurgie quand son diamètre atteint 5.5cm, en raison d’un fort risque de rupture qui est la plus souvent mortelle. La chirurgie endovasculaire consiste à déployer une endoprothèse dans l’anévrisme pour l’exclure de la circulation sanguine. Cette chirurgie souffre cependant d'un taux relativement élevé de complications post-opératoires à long terme, nécessitant des interventions coûteuses. Ces complications sont principalement d’origine mécanique et pourraient être anticipées grâce à la simulation numérique. Cette thèse a pour objectif d'élaborer une méthodologie de simulation personnalisée de déploiement d'endoprothèses dans des anévrismes, dans le but final de fournir un outil d'aide à la décision aux praticiens hospitaliers pour améliorer leur planning pré-opératoire. Une méthodologie permettant de déployer numériquement des endoprothèses bifurquées, composées de plusieurs modules, dans des anévrismes aortiques personnalisés, de géométries quelconques, a été conçue. Des simulations numériques ont été effectuées sur plusieurs cas cliniques de patients réels, dont des cas fortement tortueux et complexes à planifier pour les praticiens hospitaliers. La méthodologie a été validée par comparaison des résultats numériques avec la position des stents sur les scanners post-opératoires. La capacité de la méthodologie numérique à simuler le déploiement d’endoprothèses dans des géométries personnalisées d’anévrismes aortiques a été démontrée. Ces simulations possèdent un fort potentiel, en pouvant permettre de mieux adapter les endoprothèses aux patients et d’anticiper les complications post-opératoires dès le planning pré-opératoire.
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Mécanique des milieux fibreux auto-enchevêtrés : application à un alliage à memoire de forme de type Nickel-Titane B. Gadot (2015)
L’objectif de ce travail est d’élaborer et de caractériser pour des applications biomédicales un matériau auto-enchevêtré à base d’une seule fibre d’alliage à mémoire de forme de Nickel-Titane. Nous avons optimisé un procédé de fabrication consistant à enchevêtrer et figer un ressort par des traitements thermiques. Les échantillons ont été caractérisés en compression et traction, avec suivi par caméra optique et tomographie in-situ. Les structures obtenues sont homogènes, isotropes, superélastiques à température ambiante jusqu’à des déformations d’au moins 30%, et peuvent devenir ferroélastiques avec un effet mémoire d’au moins 16% par un traitement thermique additionnel. Leur comportement en compression est consolidant puis dilatant et en traction, légèrement auxétique. Une comparaison avec des milieux similaires constitués de fils ductiles et viscoélastiques, ainsi qu’avec des simulations par éléments discrets sur des milieux élastiques sans frottement, montre que les propriétés mécaniques des structures auto-enchevêtrées sont contrôlées par leur architecture singulière, à mi-chemin entre milieux continus et discrets.
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Etude multi-echelles des couplages entre les proprietes hygroelastiques des papiers et leur microstructure C. Marulier (2013)
The objective of this work is to study the coupling between the hygroelastic properties of papers and their microstructure. The use of images of models acquired by X-ray microtomography papers allowed the characterization in an unprecedented manner of the evolution of microstructural properties of thesematerials according to their production conditions and during tests where they were placed in atmosphere at controlled relative humidity. These results provide a new contribution to the knowledge of the statistical nature of the descriptors of fibre properties (size and orientation) and their contacts (surface, bonding degree ratio), of the architecture of fibrous networks that papers constitute (number of fibre-to-fibre bonds) as well as of the size of the representative elementary volumes of microstructural and elastic properties. Based on this information, various models, more or less sophisticated, were developed in the framework of the theory of homogenisation of discrete periodic structures to describe the mechanical properties of paper. This approach sheds new light on the role of fibre-to-fibre bonds on themechanical behaviour of thesematerials.
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Analyse des performances mécaniques des endoprothèses aortiques par simulation numérique : Application au traitement des anévrismes tortueux. N. Demanget (2012)
The aim of the endovascular repair (EVAR) of abdominal aortic aneurysm (AAA) is to set up a stent-graft (SG) within the aneurysm in order to avoid its rupture. This surgery is mini-invasive and can be used for patients who are ineligible for open surgery. However, complications mainly due to mechanical issues can occur during patient follow-up, such as endoleak or stenosis for example. A better knowledge of SG mechanical behaviour could be useful to improve SG design and durability which still prevents surgeons to use this treatment systematically. A new methodology to model multi-material SGs has been developed. Special attention has been paid to the mechanical characterization of stent and graft materials. SG numerical models have been qualitatively and quantitatively validated on a bending test by the means of tomographic acquisitions and image processing, showing their reliability. Mechanical performances of several marketed SGs have been assessed through various tests increasingly closer to the in vivo conditions undergone by the devices. SGs have been subjected to pure bending tests, then to tests combining bending and pressurisation. SG flexibility and components mechanical response have been compared and SGs have been ranked according to their performances. It has been shown that SG architecture has a significant influence on SG mechanical performances. Finally, SG deployment within two aneurysm models has been successfully simulated. The latter study highlighted other complications, like type I endoleak. This work has many promising perspectives, especially the development of a computer-aided surgery. Finite element analysis of the mechanical performances of aortic stent-grafts: application to the treatment of tortuous aneurysms.
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Micromécanismes de déformation de mèches de fibres saturées P. Latil (2012)
Coming soon
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Rhéologie des suspensions concentrées de fibres : application à la mise en forme des matériaux composites O. Guiraud (2011)
This study focuses on the processing of composite materials reinforced with short fibres or fibres bundles such as SMC or BMC. Firstly, an experimental work was carried-out at the macroscopic scale. This work led to the development of a lubricated compression rheometer and associated analysis methods to better characterize the rheology of SMC and BMC compounds, by accounting for the compressibility of compounds and the possible friction between the rheometer wall and the flowing composite. Numerical simulation was then achieved in order to simulate the forming of a BMC. For that purpose, the constitutive parameters of a simple tensorial rheological model were determined from experimental data obtained with the rheometer. Finally, an experimental work at micrographs and (ii) fibre pull-out experiment to be characterized, and the interaction mechanisms between the fiber bundles forming the fiber reinforcement of these materials to be modelled.
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E?tude des interactions rhe?ologie, fissuration et microstructure pour le de?veloppement d'un outil de formulation : application aux mortiers poreux minces fibre?s de?die?s a? l'ITE F. Chalencon (2010)
Une des solutions intéressante pour l’Isolation Thermique par l’Extérieur (ITE) des bâtiments est constituée d’un isolant recouvert d’un enduit de façade poreux et renforcé par un treillis en fibres de verre, dont la mise en forme est réalisée par machine de projection en plusieurs passes. Le coût prohibitif de cette solution, est lié au procédé de mise en oeuvre séquentiel (enduit/renfort/renfort points singuliers/enduit). Le cout et la durée de mise en oeuvre représentent le principal frein au développement de cette solution. Une voie potentielle d’amélioration serait de concevoir un nouvel enduit auto-renforcé, qui intégrerait une phase fibreuse dans sa formulation et serait projeté en une seule passe. L’objectif de ce travail de thèse était de mettre en place une méthodologie d’optimisation de cette nouvelle solution avec pour principaux critères : ouvrabilité acceptable, microstructure proche de l’enduit non renforcé, comportement mécanique multi-fissurant. Cette méthodologie a été mise en place à partir d’un enduit poreux organo-minéral et de fibres de verre millimétriques commerciaux. Dans ce contexte, un accent particulier a tout d’abord été porté sur la caractérisation fine de la texture multi-échelle de l’enduit auto-renforcé (de l’état frais à l’état solide) par l’association de la microscopie environnementale (l’ESEM), de la microtomographie à rayons X et de la porosimétrie mercure. La rhéologie de l’enduit fibré à l’état frais a ensuite été étudiée en couplant essais sur rhéomètre de grandes dimensions et microtomographie à rayons X. Différents régimes d’écoulement ont été mis en évidence, incompressibles, consolidants et ségréguants. Les deux derniers sont à proscrire. Pour le premier, on montre que l’effet du renfort (fraction volumique, élancement et orientation de fibres) est plutôt bien décrit par certains modèles rhéologiques de suspensions fibreuses semi-diluées de la littérature, ce qui permet d’établir un critère d’ouvrabilité. Le comportement mécanique de l’enduit renforcé solide est ensuite analysé à partir d’essais de traction simple et de fissuration, couplés à des observations au microscope et à des mesures de champs cinématiques par corrélation d’images. Les résultats montrent d’une part que les propriétés mécaniques sont fortement dépendantes des microstructures induites lors de l’élaboration de l’enduit. D’autre part, ils montrent que pour certaines quantités ou élancement de fibres, il est possible d’augmenter sensiblement les propriétés mécaniques de l’enduit (par exemple, 1%m fibre HD de longueur 6 mm et 1%m fibre HP de longueur 24 mm) par multi-fissuration induite par le pontage des fibres au travers des fissures. La microscopie in situ démontre clairement la présence de pontage par les fibres mais également par des microfibrilles polymères en complément des mécanismes classiques. De ce constat, un modèle élémentaire et discret est mis en place pour reproduire la fissuration de l’enduit auto-renforcé. Ce modèle est construit à partir d’essais micromécaniques d’extraction de fibres, utilisés pour estimer les propriétés mécaniques des interfaces fibres-enduit. Combiné au modèle rhéologique, ce modèle est enfin intégré dans un outil de formulation virtuelle permettant, par exemple, d’optimiser géométrie, quantité élancement et orientation du renfort fibreux pour une matrice donnée.
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Rhéologie et microstructures des matériaux composites à matrice polymère thermodurcissable chargée minéralement et renforcée par des fibres de verre T.H. Le (2008)
In this work, the rheology and the microstructures of thermoset polymer composites reinforced with glass fibres, such as Bulk Moulding Compounds (BMC) and Sheet Moulding Compounds (SMC), are analysed. Firstly, the rheology of BMC is studied by using dedicated simple and plane strain compression rheometers. Experimental results emphasize the influences of the strain rate, the type of mineraI fillers, the volume fraction of fibres as weIl as the temperature on the BMC rheology. ID and 3D non-linear viscoelastic rheological models are proposed to reproduce the behaviour of BMC. Secondly, the microstructures of compression moulded SMC plates are analysed by using X-ray phase contrast microtomography. The influences of processing conditions on residual porosity, matrix migration, breakage, bending, compression and orientation of glass-fibre bundles are underlined, allowing a discussion on the relevance of assumptions used to establish rheological models proposed in the literature.
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Influence of thermal and mechanical aspects and of their coupling on the homogenous or localized behavior of NiTi alloys P. Schlosser (2008)
La transformation martensitique thermoélastique apparaissant dans les alliages à mémoire de forme (AMF) de type Nickel-Titane (NiTi) est un mécanisme de déformation conférant à ces matériaux des propriétés remarquables de plus en plus utilisées. Les forts phénomènes de localisation des déformations lors d'essais de traction superélastique remettent en cause l'utilisation de cet essai pour bâtir des lois de comportement, alors que d'autres essais comme la torsion et le cisaillement apparaissent comme plus homogènes. Ce travail de thèse est dédié à l'analyse des mécanismes de déformation des AMF NiTi. Les comportements homogènes et localisés ont été étudiés en fonction des géométries d'échantillons, des types de sollicitations et des conditions d'essais. L'originalité de cette étude est d'utiliser deux méthodes de mesures de champs : (i) la corrélation d'images afin d'obtenir les champs cinématiques et d'observer les localisations de déformation ; (ii) la thermographie infrarouge pour mesurer les champs de température et analyser les phénomènes de changement de phase. Afin d'utiliser ces techniques simultanément, des outils de recalage spatial et temporel des données ainsi que des techniques d'estimation de sources de chaleur ont été développés. Lors d'essais superélastiques, cette étude a permis d'une part de mettre en évidence la présence de changement(s) de phase homogène en début de charge et de décharge, d'autre part de caractériser de manière quantitative les différentes morphologies de localisation. Les outils développés sont une première tentative pour disposer, à l'issue de ce travail, d'une DSC locale sous chargements mécaniques.
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Contribution à l'étude de micromuscles artificiels activables par pression osmotique et implantables en milieu biologique J.P. Vassal (2007)
Le travail de thèse présenté dans ce mémoire est consacré à l’étude des couplages dans les matériaux composites industriels à matrice polymère fortement chargée de fibres courtes. Dans ce contexte, nous tentons d’apporter des éléments de réponses complémentaires aux trois questions suivantes: (i) Quelles évolutions de microstructures induit la mise en forme d’un composite ? (ii) Quel impact a la microstructure sur les propriétés rhéologiques d’un composite ? (iii) Quel impact a la microstructure sur les propriétés d’usage d’un composite, vu à travers l’exemple des propriétés thermiques ?
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Contribution à l'étude de micromuscles artificiels activables par pression osmotique et implantables en milieu biologique V. Gaudin (2007)
This work is a contribution to the development of artificial micromuscles lays on an innovating “in-vivo” way of energy conversion. The idea is to use the osmotic process to convert a chemical energy into a mechanical one. This study is generic as the potential biomedical applications might be numerous; it is based on the design of an inflatable semipermeable membrane structure (joined osmotic) intended to avoid endoleaks occurring from abdominal aorta aneurysm endoprosthesis. After presenting the osmotic phenomenon and the considered applications, the study breaks up into two parts. The first part carries on the osmo-mechanical characterization of the osmotic system water/cellulose-acetate membrane/saccharose. This was made possible thanks to the development of original experimental devices. Regarding the targeted range of use, the membrane’s mechanical behavior is mainly elastoplastic and its permeability strongly depends on its strain state. In the second part, we develop a numerical model of the contact area between the aneurysm neck and the endoprosthesis equipped with an inflatable joint. The modeling of the membrane joint is based on the results of the first part. The mechanical behaviors of the endoprosthesis and the aorta are modelled on the basis of literature’s result, respectively by a simple linear elastic isotropic law and an isotropic hyperelastic potential of Rivlin series. A parametric study then underlines the feasibility of this endoprosthesis and the influences of few design parameters on its performances.
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Modelling the flow of power-law fluids through anisotropic fibrous media Z. Idris (2006)
Many processes in polymer composites, textiles, papers, petroleum, food, cosmetic and pharmaceutical industries involve flows of non-Newtonian fluids through anisotropic porous media. Due to the strong coupling between the porous media geometry and the rheology of the fluid, the extension of the Darcy law to power-law fluid flowing in anisotropic porous media may be tricky. Several authors have proposed quantitative analytical expressions of the flow law which are often restricted to "simple" porous or fibrous media. In this context, we studied the slow flow of a purely viscous incompressible power-law fluid through an anisotropic fibrous media, following the general and theoretical framework obtained by the method of homogenisation of periodic structures. This upscaling process shows that pressure gradient is a homogeneous function of degree n of the macroscopic velocity, where n is the power-law exponent which characterizes the rheology of the fluid at the pore scale. This property was validated by filtration experiments through a fibrous media model performed with Xanthan solutions. Numerical results obtained on 2D periodic arrays of parallel fibers with circular and elliptical cross section were presented. These results show that (i) in the case of on-axis flows, the flow law takes a simple form which explicitly introduces the different microstructural parameters and the fluid rheology, (ii) that the off-axis results do not make it possible to separate the microstructural and rheological effects, (iii) that the only model of macroscopic flow of the literature does not make it possible to suitably reproduce the whole numerical results obtained. Consequently, a novel methodology is proposed to establish the macroscopic tensorial seepage law within the framework of the theory of anisotropic tensor functions and using mechanical iso-dissipation curves. This methodology is illustrated through our numerical results. Its application to the case of the fibrous media model studied in this work, illustrates that this model allows a better description of the numerical results in the whole range of volume fractions of fibers, cross section aspect ratios and power-law exponents that have been investigated.
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Etude des phénomènes de redistribution lors de la mise en forme de matériaux multi-constituants : application à la compression des composites à fibres courtes P. Dumont (2003)
Cette étude porte sur la caractérisation et la modélisation de l'évolution et de l'orientation et de la ségrégation de fibres au cours de l'écoulement de suspensions planes très concentrées. Ces phénomènes sont observés lors du moulage par compression des composites à fibres courtes. Un modèle de comportement monophasique simple est d'abord proposé. Ses paramètres sont identifiés à partir d'essais sur rhéomètres spécifiques. Une technique de changement d'échelles permet alors d'étudier plus précisément l'évolution de l'orientation d'autres auteurs. Le phénomène de ségrégation des fibres est ensuite analysé expérimentalement, puis modélisé par une approche biphasique incorporant les résultats précédents. Ce modèle est implanté dans un code E. F. Spécialement développé pour simuler la compression des composites SMC ou GMT. L'influence sur l'écoulement de divers paramètres procédé et matériau est analysée.
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Etude de la mise en forme par compression des Sheet Molding Compounds (SMC) S. Le Corre (2001)
Ce document est une contribution à l'étude du procédé de mise en forme des Sheet Molding Compounds (SMC), composites faits d'une matrice polymère thermodurcissable renforcée par des fibres de verre courtes. A terme, l'objectif est de développer un logiciel de simulation permettant de prévoir la distribution et l'orientation des fibres au cours du moulage. Le travail s'articule autour de la construction d'un modèle de comportement biphasique basé sur la théorie des mélanges, nécessaire à la prédiction de la redistribution des fibres. Dans cette approche, le SMC est vu comme la superposition d'un milieu fibres et d'un milieu pâte. La construction du modèle s'appuie sur l'étude expérimentale du comportement des SMC sous sollicitations homogènes. Les dispositifs expérimentaux développés et les essais réalisés permettent de quantifier l'influence de la vitesse de déformation, la température et la teneur en fibres sur la rhéologie du matériau. Ils permettent de mieux comprendre les phénomènes physiques qui ont lieu lors du moulage et fournissent les données nécessaires à la spécification du modèle biphasique. Le milieu pâte est assimilé à un fluide en loi puissance, compressible et isotrope dont le comportement est déduit des expériences. Le comportement du milieu fibres est obtenu par homogénéisation des structures discrètes périodiques, ce qui permet d'identifier un modèle de fluide orthotrope en loi puissance reliant les propriétés microstructurales (taux, orientation et géométrie des fibres) aux propriétés macroscopiques. Une loi d'interaction fibres/pâte est proposée grâce à une étude bibliographique sur l'écoulement d'un fluide en milieu poreux anisotrope. La dernière partie de cet ouvrage est consacrée à l'écriture d'un modèle biphasique simplifié. Les observations expérimentales de l'écoulement en conditions industrielles conduisent à adopter une description simplifiée permettant de se ramener à un modèle coque qui sera implanté dans un code de simulation numérique.
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Modélisation du comportement mécanique et de la perméabilité de renforts tissés I. Azehaf (2017)
La mise en forme des pièces composites par Resin Transfert Molding (RTM) nécessite de maitriser, en autre, deux étapes clés : la déformation à sec du renfort et l’injection de la résine. Dans une démarche d’optimisation du procédé, la simulation numérique est un outil
incontournable. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans cette thématique avec deux contributions essentielles :
- Mésomécanique : les renforts textiles sont des milieux poreux périodiques. Ces caractéristiques incitent à les modéliser à l’échelle mésoscopique, où le modèle géométrique se réduit à un Volume Elémentaire Représentatif (VER). A cette échelle, le problème de référence à résoudre est fortement non linéaire : comportement non
linéaire des mèches, grandes transformations et contact entre mèches. La résolution par une méthode élément fini se heurte à une problématique : la formation de surfaces de contact entre le VER et ses voisines. Une partie de la déformation provient de ce contact formé aux frontières de la période. Aucune solution robuste ne permet à l’heure actuelle de prendre en compte ce contact. Le premier objectif de cette thèse est d’apporter une solution à cette problématique.
- Etude de perméabilité : la qualité des pièces composites en fin de chaine de production dépend en partie du processus d’assemblage matrice/renfort. L’un des paramètres qui conditionne le bon déroulement de cet assemblage est la perméabilité du renfort. Expérimentalement, c’est une propriété très difficile à estimer. La
simulation numérique est un moyen alternatif d’y accéder, avec la possibilité d’imposer des conditions aux limites parfaites au sens mathématique. De nombreuses études ont été réalisées dans le cas 2D. Le second objectif de cette thèse est de proposer en parti une méthode pour estimer par le calcul la perméabilité d’un renfort 3D.
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Rhéologie et microstructures des Sheet Moulding Compounds hautes performances au cours de leur mise en forme par compression D. Ferré Sentis (2017)
This study focuses on the compression moulding Sheet Moulding Compounds (SMCs), i.e., short fibre-reinforced thermoset polymer composites. It is part of a wider project aiming at the development of software to simulate the SMC compression moulding. It focuses on the development of tools and methods to characterise the rheology and the microstructures high fibre content and ultralight SMCs in order to build a rheological model that takes into account the noticeable compressibility of these materials. For that purpose, industrial compression using colored sheets were carried out and coupled with 3D images obtained from X-ray microtomography. They highlighted the complexity of flow-induced mechanisms during compression moulding. Compression experiments were also performed on a transparent rheometer to highlight the high compressibility of SMCs which resulted in a two steps flow: a compaction followed by an isovolume flow. The consolidation stage and its links with the initial porosity is then studied through 3D in situ and real time observations of compression tests carried out inside an X-ray synchrotron microtomograph. In addition, various experimental an dedicated rheometers were developed following flow modes close to those encountered during the compression moulding process. Hence, a tensile device was developed and coupled with (i) local kinematic strain field measurements using digital image correlation as well as (ii) microstructural observations obtained from X-ray microtomography. It allowed a better understanding of the stamping phase during the early stage of the SMC compression moulding process. Furthermore, an oedometric compression device equipped with sensors to measure the stress state during compression, together with a simple shear device allowing normal stress to be tuned, were developed in order to study the link between SMC consolidation and their shear behaviour. First of all, experimental results showed strong differences in the microstructures of the studied formulations and in their evolutions during the SMC flow. They also highlighted an anisotropic, compressible, nonlinear viscoelastoplastic mechanical behavior that strongly depended on the initial SMC microstructure. On the basis of these experimental results, a viscous, compressible and transversely isotropic rheological model was proposed and its consitutitve parameters were identified.
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Étude de la rhéologie des suspensions de fibres non-newtoniennes par imagerie et simulation numérique 3D à l'échelle des fibres T. Laurencin (2017)
This study focuses on the processing of short fibre-reinforced polymer composites. The physical and mechanical properties of these materials are mainly affected by the position and orientation distribution of fibres induced during their forming. Thus, we analysed the flow-induced micro-mechanisms that arose at the fibre scale during the forming stage of these complex systems which behave as non-Newtonian fibre suspensions. For that purpose, an original approach was developed by combining 3D imaging technique and direct numerical simulation, both performed at the fibre scale. Hence, several model fibre suspensions with a non-Newtonian suspending fluid and with a concentration regime that ranged from dilute to concentrated were prepared . They were subjected to confined lubricated compression loadings using a rheometer mounted on a synchrotron X-ray microtomograph. Thanks to very short scanning times, 3D images of the evolving fibrous microstructures at high spatial resolution were recorded in real-time. These experiments were also simulated using a dedicated Finite Element library enabling an accurate description of fibre kinematics in complex suspending fluids thanks to high performance computation, level sets and adaptive anisotropic meshing. The efficiency of the numerical simulation from the dilute to semi-dilute concentration regimes was assessed through experimental and numerical comparisons.Then, we showed that the confinement effect and the non-Newtonian rheology of the suspending fluid had a weak effect on the fibre kinematics, if the fibres were sufficiently far from the compression platens, typically the fibre-platen distance should be larger than twice the fibre diameter. Otherwise, confinement effects occurred. Some extensions of the dumbbell model were proposed to correct the fibre kinematics in this flow conditions. In semi-dilute concentration, deviations of the fibre kinematics compared to the Jeffery’s predictions were also observed and related to hydrodynamic interactions between fibres. In this case, the predictions of Jeffery’s model and the related assumption of affine fibre motions are less relevant. In the concentrated regime, even if the overall orientation of fibre suspension could be astonishingly well described by using the Jeffery’s model, strong fluctuations on each fibre motion and rotation were observed. These deviations were induced by the numerous fibre-fibre contacts, which could be correctly predicted by the tube model.
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Caractérisations, défauts et contraintes internes lors du procédé de mise en forme des matériaux composites à matrice thermoplastique par thermoestampage M. Gassoumi (2018)
During their thermo-stamping, prepregs made of thermoplastic polymer matrices and woven fabrics are subjected to large deformation including in-plane and transverse shear, the last deformation mechanism being related to inter-ply friction. Once shaped, prepregs can still deform due to residual stresses induced by their cooling and/or hygrometric variations. In this work, we focused on these two aspects. Firstly, prepregs made of polyamide reinforced by layers of woven fabrics (glass fibre bundles) were subjected to bias extension at high temperatures. The fibrous structure deformed specimens was analysed with X-ray microtomography, allowing fiber
bundles deformation mechanism to be emphasized.Some of them are not taken into account in current rheological model developed for prepregs. In addition, using a dedicated apparatus, we performed transverse shear tests to analyse inter-ply friction within prepregs. Experimental results underline the influence of the normal stress, the shear strain rate and the temperature on the interplay friction coefficient. A friction model based on the Hersey number is then fitted. Secondly, we measure the curvatures of deformed prepregs was to estimate, via the modified laminated theory, residual stresses and their variation with temperature and relative humidity.
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Characterization of deformation and rupture micromechanisms in aortic aneurysm wall C. Cavinato (2019)
The wall of the ascending thoracic aorta retains a complex heterogeneous microstructural
organization which can be subjected to ascending thoracic aortic aneurysms, focal and
irreversible dilatations associated with a degenerative remodeling process of the microstructure.
The latter results in an altered mechanical behaviour of such key tissue whose utmost
consequences are rupture or dissection.
The objective of this doctoral investigation is to address the following hypothesis: the
phenomena which occur at the microscopic fibrous structure of collagen and elastin are
involved or even responsible for the macroscopic mechanical response of ascending thoracic
aortic aneurysms, in particular when close to rupture. Towards an improved understanding of
this structure-to-mechanics relationship, a dedicated experimental methodology enabled the
consistent coupling of several test benches: a mechanical bulge inflation test, an optical device
for the high resolution measurement of the specimen thickness, a digital image correlation setup
for full-field displacement measurements and a confocal two-photon microscopy bench.
Through the combination of these facilities, patient-specific analyses were conducted on ex vivo
specimens of animal and human thoracic aortae, in particular human ascending thoracic aortic
aneurysms, from an unloaded configuration to rupture. The analyses focus on the relationship
between the local mechanical state and the microstructural morphology of the principal fibrous
components of the outer aortic layer, the adventitia, usually considered to the ultimate resistive
barrier before rupture. Moreover, the connection between these data and fundamental specific
information inherent to the clinics or the morphometry are analysed. The resulting contribution
consists of advanced observations of the fibrous progressive recruitment and reactions to the
loading scenario and quantitative links with mechanics and clinics
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Human vocal fold structure and mechanics: multi-scale characterisation and modelling T. Cochereau (2019)
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