Les systèmes réels, sièges d’interactions fluides structures, sont constitués de milieux hétérogènes soumis à des sollicitations externes complexes ; la résolution de problèmes d’évolution requiert la
modélisation de leur comportement au voisinage de points singuliers. Il peut s’agir d’interfaces matérielles comme des surfaces libres, de puits ou de sources, ponctuels ou répartis, et leurs effets peuvent être perçus à différentes échelles. Plusieurs stratégies sont proposées pour aborder les analyses de stabilité et différentes situations critiques sont illustrées. La réduction de la dimension est également considérée avec des méthodes appropriées pour utiliser la connaissance accessible et les données mesurables en fonction de l’importance de la non linéarité. Dans certains cas, en présence de milieux poreux, on a recours à l’homogénéisation, en mécanique des sols par exemple. Plus récemment, des algorithmes par réseaux de neurones ont été intégrés à des modèles physiques pour les corriger par assimilation de données. L’identification inverse peut être combinée à des approches directes dans le cadre de la détection de défauts ou de l’évaluation de charges. Les exemples d’applications sont issus de projets à visées industrielles faisant intervenir des problèmes de statique ou de dynamique sur des temps longs ou courts. On peut citer la stabilité dynamique des échangeurs de chaleur, la maîtrise de la dispersion de polluants, l’optimisation de la performance de parcs de production d’énergie éolienne terrestres ou offshore, la tenue mécanique d’ouvrages d’art en air ou en eau, le dimensionnement de barrages au séisme, l’adaptation de forme de pales par morphing et contrôle actif, le dimensionnement de technologies prothétiques ou orthétiques autoadaptatives, la conception
de systèmes mécaniques actifs capables de s’adapter à leur environnement de manière optimale en temps réel ou encore la fabrication de matériaux fonctionnalisés optimisés à l’aide de traitements avancés. Ils concernent les secteurs de l’énergie, transport terrestre, aérien ou maritime, génie civil ou biomécanique. Les travaux présentés s’inscrivent dans le cadre plus large de projets visant à réduire les incertitudes sur les points de fonctionnement de systèmes de grandes dimensions ; ils utilisent notamment la virtualisation et l’intégration des modèles à des jumeaux numériques couplés aux systèmes réels pour prédire et améliorer leur comportement. Ils associent le calcul intensif et la réduction de modèle dans un cadre déterministe ou stochastique afin de résoudre des problèmes couplés multi-physiques multi-échelles.

In the first part of the talk, we will investigate the mechanisms by which organs acquire their functional structure and realize its maintenance (or homeostasis) over time, by means of a two-dimensional Individual Based Model (IBM) of interacting cells and extra-cellular-matrix fiber elements. The mechanical model shows that the emergence of organized structures could be explained by simple mechanical interactions between the cells and the collagen fibers. Our assumption is that the fiber network resists the pressure induced by the growing cells and forces them to regroup into clusters. Reciprocally, cell clusters force the fibers to merge into a well-organized network. When applied to adipose tissues, the model produces structures that compare quantitatively well to the experimental observations and seems to indicate that cell clusters could spontaneously emerge as a result of simple mechanical interactions between cells and fibers and surprisingly, vasculature is not directly needed for these structures to emerge. In the second part of the talk, we extend this model to account for mechanisms of tissue repair after injury, and use it to explore the mechanisms responsible for adipose tissue regeneration. The model successfully generates regeneration or scar formation as functions of few key parameters, and seems to indicate that the fate of injury outcome could be mainly due to ECM rigidity.

La mise en place d’une prothèse totale de genou (PTG) permet un retour aux activités de la
vie quotidienne du patient par la diminution des douleurs et l’optimisation des mobilités
articulaires dans un contexte de gonarthrose sévère. Bien que les douleurs fémoropatellaires
fassent partie des étiologies les plus fréquentes d’insatisfaction rapportée, il est toujours
difficile de prédire cliniquement une évolution fémoropatellaire défavorable après PTG.
Ainsi, une évaluation biomécanique fémoropatellaire semble nécessaire pour comprendre la
survenue de douleurs antérieures en fonction des techniques d’implantation.
La technique chirurgicale d’implantation conventionnelle, dite par « alignement mécanique »,
a pour objectif un alignement neutre du membre inférieur dans le plan frontal (180°± 3),
pouvant s’accompagner d’une modification postopératoire du phénotype fémoral. Une étude
clinique préliminaire a été réalisée pour cette thèse, au CHU de Montpellier, sur une cohorte
de 129 patients opérés d’une PTG primaire dans un contexte de déformation en varus, afin
d’analyser la relation entre la variation d’obliquité de l’interligne fémoral et les scores
fonctionnels postopératoires. Les patients avec une obliquité modifiée de l’interligne fémoral
présentaient des scores fonctionnels significativement inférieurs (HSS Patella score, KOOS-
12, FJS-12) au recul moyen de 34 mois. Chaque degré de variation d’obliquité fémorale était
associé à une diminution de 2,5 points en moyenne de ces scores.
Le rôle de tension des retinaculum patellaires reste incertain dans la survenue de douleurs
antérieures, alors que la capacité du patient à fléchir son genou aussi bas que possible à partir
d’une position en extension est souvent considérée comme représentative des activités de la
vie quotidienne, et corrélée aux résultats cliniques. Si plusieurs modélisations en éléments
finis (MEF) ont été rapportées dans la littérature, peu d’études se focalisent sur une évaluation
fémoropatellaire lors de la flexion. Les conditions aux limites et de chargement très différent
selon les modélisations rendent difficile leur comparabilité. Ainsi, les objectifs de cette thèse
étaient de développer et de valider un modèle numérique en éléments finis d’une PTG
permettant l’analyse des efforts fémoropatellaires au cours d’une simulation de squat pilotée
en efforts et moments, et de comparer l’influence de différentes techniques d’implantation
prothétique sur le comportement fémoropatellaire.
Dans un premier temps, une modélisation du membre inférieur en éléments finis avec
implantation d’une PTG postéro-stabilisée à plateau fixe était développée. Afin de simuler les
conditions mécaniques d’un squat en appui bipodal, une charge constante de 130 N était
appliquée au centre du genou prothétique. Les efforts appliqués au tendon quadricipital, les
efforts de contact et les contraintes de Von Mises observés sur l’implant patellaire, les efforts
et leur répartition sur l’insert tibial, ainsi que la mise en contact du système plot-came étaient
évalués jusqu’à 100° de flexion. Les efforts appliqués au tendon quadricipital augmentaient
au cours de la flexion jusqu’à 6 fois le chargement initial. Les contraintes à la surface de
l’implant patellaire augmentaient jusqu’à 16 MPa à 100° de flexion. Cette simulation
retrouvait des efforts de contact fémorotibiaux et fémoropatellaires, une répartition de ces
efforts entre compartiment médial et latéral, ainsi que la mise en contact du système plot-
came compatibles avec de nombreux travaux publiés.
Dans un deuxième temps, l’implantation de la même PTG sur un morphotype en varus avec
interligne fémoral oblique était réalisée par alignement mécanique (obliquité modifiée) et
cinématique (obliquité restituée). Des conditions identiques de chargement étaient appliquées
afin de comparer les contraintes de Von Mises et leur répartition observées sur l’implant
patellaire, de même que les efforts observés sur le retinaculum latéral, à 60° et 100° de
flexion. Le non-respect de l’obliquité de l’interligne fémoral distal était associé à une
augmentation des efforts du retinaculum latéral et à une surface de contact sur l’implant
fémoral plus large, pouvant engendrer des douleurs antérieures. Néanmoins, l’alignement
cinématique présentait un pic d’efforts sur l’implant patellaire lors de la flexion, questionnant
le dessin suboptimal des implants fémoraux actuels pour cette technique d’implantation.

Dans un objectif de réduction des impacts environnementaux, l’industrie montre actuellement
un intérêt croissant pour le développement de matériaux composites innovants et
fonctionnels intégrant des éléments issus de la biomasse, biodégradables, renouvelables et
préférentiellement locaux. Plusieurs verrous freinent encore leurs utilisations notamment une
résistance mécanique limitée et une faible stabilité thermique, pour permettre un accès à des
usages de plus en plus techniques.
Dans ce contexte, des fibres végétales lignocellulosiques comme la fibre de bois ou de lin
peuvent être utilisées comme renforcement de polymères thermoplastiques ou
thermodurcissables, en substitution aux fibres synthétiques généralement employées pour
ces matériaux. Associées à des matrices de type biopolymères, de nouveaux matériaux
biosourcés ainsi développés pour diverses applications (construction, transport, biomédical)
seront exposés.
Toutefois, l’utilisation de renforts végétaux nécessite une bonne connaissance des
mécanismes à l’interface fibre/matrice qui, à la fois assure le transfert des efforts
mécaniques entre les fibres et la matrice et joue un rôle protecteur des fibres végétales
particulièrement sensibles à l’environnement. Une bonne adhésion/adhérence à l’interface
conduit indéniablement à une amélioration des propriétés des composites.
Des stratégies de fonctionnalisation de surface de différentes biomasses lignocellulosiques
(fibres végétales, lignine, tannins) ont montré des résultats prometteurs pour améliorer les
propriétés mécaniques et apporter de nouvelles propriétés fonctionnelles (hydrophobicité,
retardateur de flamme) dans des biocomposites.

Ce séminaire présentera mes activités en enseignement, mon implication avec la plateforme Pro3D et les projets menés avec l'équipe BIOTIC.
Je présenterai ces projets en lien avec mes spécialités : le design industriel, la conception CAO 3D et la fabrication additive (impression 3D).
- Opencad.fr plus de 200 produits à imprimer en 3D, réalisations des élèves en Master 1 en Conception De Produits Industriel.
- Produits innovants master 2, consultant design produit pour les projets.
- Oneshape et Solidworks, formation à l'utilisation des logiciels CAO 3D pour la fabrication additive.
- WordPress, création et animation des sites web du département mécanique et de Pro3D
- Pro3D, aide au développement de la plateforme technologique. Formations, actions de communication, correspondant côté recherche.
- Stent aortique, conception et fabrication additive de l'outillage pour les stents, et d'une aorte souple.
- Banc de test de genou, conception et réalisation d’un banc de test de prothèses de genou sur pièces anatomiques.

L'objectif de cette présentation est de présenter mes travaux afin de me faire mieux connaître et discuter de collaborations possibles au sein du laboratoire.

La miniaturisation des satellites représente un défi technologique important pour l’accès à l’espace en réduisant les coûts et les délais de développement. L’augmentation considérable des lancements de nanosatellites est une preuve de leur intérêt dans de multiples applications.

Les antennes paraboliques réflectrices sont largement utilisées pour des applications de télécommunication, d’observation de la terre, de navigation et de science (exploration de l’espace lointain). C’est la solution la plus utilisée pour des antennes satellitaires qui ont besoin d’un gain élevé, car elles possèdent un bon rendement et peuvent supporter n’importe quelle polarisation. En général, le diamètre d’une antenne à géométrie fixe va dépendre de la taille et de la capacité d’aménagement de la plateforme du satellite. Mais quand une antenne à géométrie fixe n'est pas envisageable, alors une architecture déployable est considérée. Avec les petits satellites comme les MicroSats et les CubeSats, une antenne parabolique doit obligatoirement être une structure déployable.

Cette thèse réalisée au Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC) de Montpellier, cofinancée par le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) et la région Occitanie, s’inscrit dans la continuité d’une collaboration entre le service mécanisme du CNES et la partie structure innovante de l’équipe SIGECO du LMGC.

L’objectif est de proposer un concept de structure porteuse de réflecteurs auto‑déployables à l’échelle des CubeSats. Ce sont des structures qui sont pliées pour obtenir une configuration gerbée compacte lors du lancement, et qui présentent une bonne tenue mécanique en configuration déployée. Le passage entre les deux configurations s’effectue uniquement par libération d’énergie élastique stockée dans des joints, sans apport d’énergie extérieure.

Afin d’assurer le déploiement fiable et précis des mécanismes envisagés, il faut être capable de comprendre et de modéliser le comportement des structures. L’approche proposée associe donc modélisation, conception, prototypage et caractérisation expérimentale. Les travaux de cette thèse ont menés à la fabrication et l’intégration de deux prototypes de type EM (Engineering Model). Afin de valider le modèle de ces réflecteurs, les prototypes ont été déployés et testés dans en environnement de microgravité, pendant une campagne de 3 vols paraboliques.

Les disques intervertébraux (DIV) sont des tissus fibro-cartilagineux qui lient les vertèbres du rachis en permettant la mobilité ainsi que la stabilité de celui-ci. La faible vascularisation de ce tissu peut provoquer une dégénérescence discale qui, lorsque symptomatique, peut mener à la hernie discale ou à des douleurs neurologiques. Lorsque le traitement médical a échoué, il reste la solution chirurgicale qui consiste en une discectomie suivie d’une fusion
(arthrodèse) ou de la pose d’une prothèse. La fusion réduit la mobilité alors que la prothèse la conserve mais sans apporter le comportement mécanique non-linéaire du DIV naturel ou ses propriétés amortissantes. Dans ce cadre, ces travaux de thèse visent à étudier les propriétés de microstructures basées sur des Structure Minimales Triplement Périodiques (TPMS) pour mimer le comportement du DIV cervical humain dans le but de réaliser une prothèse par
stéréolithographie. Le matériau utilisé, développé par Thomas Brossier pendant sa thèse effectuée en parallèle de ces travaux, un polymère hybride composé de PolyCarbonate de TriMéthylène (PTMC) et de gélatine, a été validé en terme de biocompatibilité par nos collaborateurs. L’influence des paramètres d’impression par stéréolithographie (épaisseur de couche, durée d’irradiation par couche, puissance du laser, …) a aussi été explorée. Notre travail a consisté dans un premier temps à évaluer les propriétés mécaniques de ces polymères en fonction du taux de greffage du PTMC sur la gélatine.
Ensuite, les tenseurs de rigidité des microstructures de type TPMS ont été calculés en se basant sur les résultats d’homogénéisation périodique par développement asymptotique. Dans notre cas la cellule est périodique, initialement cubique. Puis, nous avons exploré les modifications de classes de matériaux et des valeurs du tenseur de rigidité effectif en faisant varier les dimensions de la cellule (en gardant une cellule parallélépipédique) ainsi que sa
fraction volumique. Pour visualiser l’influence de ces paramètres sur le comportement de la microstructure, des surfaces de module de Young sont utilisées ce qui permet de représenter explicitement l’anisotropie de ces structures et d’identifier les angles principaux de rigidité.
L’étude de ces surfaces de module de Young permet de mettre en évidence l’influence de la fraction volumique ainsi que de la forme de la cellule sur la forme de ces surfaces : par exemple si la structure est isotrope, la surface est une sphère. A partir de ces résultats, il est possible de déterminer laquelle des 5 TPMS étudiées permet de reproduire le comportement élastique anisotrope du DIV cervical humain. Les résultats de ces travaux ne se limitent pas à une application au DIV, il existe d’autres applications d’ingénierie tissulaire ou encore pour du remplissage de prothèse.

Les gaines en alliage de zirconium qui contiennent les combustibles nucléaires sont la première barrière de sécurité des réacteurs à eau pressurisée français. Leur comportement au fluage lors de la phase de ballonnement des scenarii d’accidents de dimensionnement a une importance non négligeable sur l’efficacité des dispositifs de mitigation des accidents. En fonction du type de scénario d’accident, les gaines sont hypothétiquement soumises à des chargements thermiques pouvant aller jusque 1200°C à des vitesses allant de 5°C.s-1 jusque plus de 1000°C.s-1, à des chargements mécaniques en pression interne jusque 70bar avec un taux de biaxialité variable sous vapeur d’eau. De plus, l’alliage de zircaloy-4 étudié comporte une transformation de phase allotropique : phase α hexagonale compacte en dessous de 824°C vers la phase β cubique centrée au dessus de 1000°C et un domaine biphasé entre ces deux températures. Les effets de l’irradiation ne sont pas pris en compte dans les travaux présentés.
Le LaMCoS en étroite collaboration avec l’IRSN a mis au point un dispositif expérimental appelé ELLIE qui permet de simuler les conditions thermomécaniques des scenarii d’accidents sous
environnement contrôlé afin d’étudier le comportement structural au ballonnement des gaines. Le dispositif permet d’appliquer un chargement mécanique biaxial (pression interne + traction/compression) sous balayage inerte ou oxydant sur un portion de gaine. L’éprouvette est de plus soumise à un chargement thermique par induction. Une attention particulière a été portée sur le développement des mesures des champs thermique et cinématique couplées. Le chargement thermique hétérogène au sein de la région d’intérêt offre une grande richesse de résultats pour l’identification des paramètres de fluage via des stratégies de recalage par éléments finis.
Plusieurs études à complexité graduelle ont été menées à l’aide de ce dispositif. Une première étude a permis de caractériser le comportement au fluage isotherme de gaines vierges en atmosphère inerte sous scénario simulant un accident de perte de réfrigérant primaire (APRP) dans le domaine alpha et le début du domaine biphasé [1]. Une seconde étude a mis en évidence l’influence de l’état initial (gaine préoxydée) et de l’atmosphère oxydante (Argon + O2) sur le comportement au fluage en APRP à 800°C [2].
Enfin, l’étude de transitoires thermiques rapides caractéristiques des accidents d’injection de réactivité (RIA, Montée en température de l’ordre de 1000°C.s-1) a permis de mettre en évidence l’influence du changement de phase hors équilibre sur le comportement au fluage isotherme depuis la fin du domaine α jusqu’au domaine β de l’alliage [3].

Campello D., Thèse de doctorat, INSA-LYON, 2016
Djeumen Nkwechen E. B., Thèse de doctorat, INSA-LYON, 2022
Jailin T., Thèse de doctorat, INSA-LYON, 2020