Caractérisation mécanique d'un composite à matrice céramique (CMC) à température ambiante et à hautes températures

Doctorante : Léonore GINER 

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

Ecole doctorale : n°34 ML - Matériaux

Les composites à matrice céramique (CMC) sont considérés comme des matériaux prometteurs pour alléger les aérostructures tout en résistant à des températures élevées. Contrairement aux céramiques monolithiques, les CMC sont des matériaux tolérants à l’endommagement grâce aux mécanismes d'interaction entre les fibres et la matrice. La qualité de la liaison fibre-matrice joue ainsi un rôle essentiel sur les propriétés mécaniques
finales du composite. Il est donc nécessaire de choisir avec soin les matériaux et de maîtriser le procédé d’élaboration ainsi que ses paramètres afin d’obtenir des composites aux propriétés mécaniques optimales. Dans ce travail, des composites à matrice céramique obtenus à partir de polymères précurseurs et renforcés par des fibres de carbone, et élaborés par un procédé d’infiltration et de pyrolyse de polymères (PIP), sont étudiés. L’influence de différents paramètres d’élaboration sur les propriétés thermomécaniques du composite est évaluée. Dans ce but, des caractérisations mécaniques à température ambiante et à haute température sont réalisées sur différentes nuances du composite, accompagnées d’observations microstructurales avant les essais et post mortem afin d’observer l’évolution de leur microstructure. Premièrement, l’étude des paramètres du cycle de pyrolyse, en particulier la température de pyrolyse et l’état final de la matrice, met en évidence l’influence de la ductilité apportée par une pyrolyse incomplète et la présence de résine polymère. L'influence du traitement thermique des fibres de carbone sur le comportement mécanique du composite est ensuite étudiée. Les résultats montrent que le traitement thermique des fibres modifie la liaison interfaciale fibre-matrice, ce qui permet d’éviter une rupture fragile et d’améliorer la résistance en traction de ce composite. Enfin, l’effet de l’augmentation de la densité des composites, obtenu par des cycles de pyrolyse supplémentaires, sur leurs propriétés mécaniques en traction et en compression est analysée. Afin d’étudier les différents mécanismes d’endommagement et leur chronologie d’apparition, des essais de traction in situ sous MEB et tomographie aux rayons X ont été réalisés. En parallèle, des essais de traction suivis par émission acoustique ont permis d’analyser la cinétique d’endommagement. La combinaison de ces différentes analyses permet de renforcer le lien entre les mécanismes d’endommagement identifiés et le comportement mécanique macroscopique étudié.
 

Identification des sources et des voies de transfert de microplastiques dans un hydrosystème urbain

Doctorante : Zoé IANNUZZI 

Laboratoire INSA : DEEP - Déchets, Eau, Environnement, Pollutions
Ecole doctorale : n°206 Chimie de Lyon

Les microplastiques sont ubiquistes et ont été détectés dans tous les compartiments de l’environnement : les océans, les rivières, les montagnes, le sol, l’air. Cette pollution est directement liée aux activités humaines, principalement concentrées dans les territoires urbanisés. Les villes sont considérées comme des zones multi-sources de microplastiques, bien que les connaissances précises sur leurs origines et sur les voies de transfert vers le milieu naturel restent limitées. Identifier les sources et étudier les conditions de transfert des microplastiques dans les hydrosystèmes urbains est donc nécessaire pour développer des solutions de réduction à la source et limiter la contamination environnementale. Le ruissellement des eaux pluviales représente la principale voie de transfert, phénomène accentué par l’imperméabilisation grandissante des surfaces urbaines. Face à cette pollution chronique, une meilleure compréhension de leur occurrence dans les dispositifs de gestion des eaux pluviales permettra d’en saisir les enjeux environnementaux et sanitaires, et de maitriser l’impact des eaux pluviales sur le milieu naturel. Ce travail de thèse propose l’étude systématique de l’occurrence et de la dynamique des microplastiques en territoire urbain à travers plusieurs infrastructures de gestion des eaux pluviales. L’objectif principal est d’identifier les facteurs explicatifs de leurs caractéristiques et de leur transfert en temps de pluie. À l’échelle de l’agglomération lyonnaise, la caractérisation menée dans plusieurs bassins de rétention a permis d’identifier les relations entre les concentrations observées et l’occupation des sols du bassin versant. Les niveaux observés dans les bassins urbains et à dominante industrielle sont particulièrement élevées, entre 65 775 et 1 218 782 particules/kg de sédiments secs. Au vu des méthodes d’évaluation du risque environnemental lié aux microplastiques, le risque associé à ces sédiments est considéré comme très élevé. Dans un second temps, l’analyse de leur transfert à l’échelle d’un bassin versant industriel, réalisée au cours de cinq évènements pluvieux, a permis d’identifier les principaux paramètres hydrologiques (débit, turbidité) influençant les flux de microplastiques en temps de pluie mais également de confirmer que le phénomène de premier flot n’est pas systématique. La masse microplastique représente 0,3% de la charge totale de matières en suspension en temps de pluie, ce qui revient à estimer des flux microplastiques annuels entre 0,63 et 1,17 kg/an/ha de surface active. Dans la perspective d’identifier les sources majeures de cette pollution, les sédiments d’avaloirs ont été étudiés et le flux associés estimés dans plusieurs sous-bassins versants. L’évaluation de leur contribution relative au fl ux global sortant du bassin a mis en évidence les zones les plus contributives. Enfin, une analyse intégrée de ces zones, prenant en compte les activités socio-économiques et l’aménagement du territoire, a permis de définir des métriques et, à travers une approche statistique, de dégager les premières pistes sur les véritables sources de microplastiques dans les sous bassins les plus contributifs. Cette analyse a notamment mis en évidence l’importance de l’aménagement du territoire dans la diffusion des sources entre les espaces privés et la voie publique.

Approche systémique du maintien opérationnel des systèmes de machine learning pour la maintenance prédictive dans l’industrie nucléaire

Doctorant : Jérémie MARCHAND 

Laboratoire INSA : DISP - Décision et Information pour les Systèmes de Production

École doctorale : n°512 InfoMaths - Informatique et Mathématiques de Lyon

L’essor des technologies numériques, des systèmes connectés et de l’intelligence artificielle ouvre de nouvelles perspectives pour faire évoluer les pratiques de maintenance, en particulier dans l’industrie nucléaire. Ces avancées rendent possible une surveillance des équipements plus continue, plus intelligente et davantage tournée vers l’anticipation des défaillances. S’inscrivant dans cette dynamique, cette thèse industrielle menée en collaboration avec INEO Nucléaire vise à tirer parti des opportunités offertes par l’industrie 4.0 tout en tenant compte de l’évolution progressive des équipements dans le temps dont la durée de vie s’étend sur plusieurs décennies. Elle s’appuie également sur l’expertise des opérateurs de maintenance, qui possèdent une connaissance approfondie des systèmes qu’ils exploitent au quotidien. C’est dans ce contexte que s’inscrit notre question de recherche centrale: Comment assurer la robustesse et la fiabilité d’un système de ML en maintenance prédictive, dans des environnements industriels dynamiques et en évolution constante, notamment dans le secteur nucléaire ? Pour y répondre, un cadre conceptuel a été élaboré, couvrant l’ensemble du cycle de vie des systèmes de ML dans un environnement industriel critique. Ce cadre met l’accent sur la maintenance des modèles, notamment la détection et la gestion des dérives causées par la non-stationnarité de l’environnement dans lequel les équipements opèrent. Adoptant une approche systémique, ce travail se démarque des approches purement algorithmiques en intégrant les enjeux logiciels liés à la mise en œuvre d’un mécanisme de gestion en ligne des dérives. Il en résulte plusieurs contributions complémentaires. La première introduit un architectural pattern centré sur la gestion du concept drift, formalisé comme une solution logicielle encapsulée et réutilisable. Ce pattern fournit un cadre de référence clarifiant une littérature dense et met en lumière les implications techniques qui découlent du choix d’une stratégie de gestion du drift. La seconde contribution souligne l’importance d’une labellisation de qualité, rendu possible par l’intégration de stratégies d’apprentissage actif (active learning), tout en explorant l’usage de l’apprentissage incrémental comme alternative pertinente dans des contextes contraints, notamment sur des infrastructures de type edge computing. Enfin, la dernière contribution présente une architecture logicielle légère, modulaire et évolutive, conçue pour les systèmes de ML dédiés à la maintenance prédictive. Reposant sur une approche microservices, elle distingue clairement les fonctions d’exploitation et de maintenance du système, améliorant sa performance et sa maintenabilité par rapport à une architecture monolithique. Cette solution, directement opérationnelle, renforce la valeur industrielle de la thèse et son applicabilité concrète pour INEO Nucléaire.

Vibro-acoustique appliquée aux sources de bruit ferroviaires : modélisation des crissements et méthodes expérimentales avancées

Chargé de recherche : Olivier CHIELLO

Laboratoire INSA : Unité Mixte de Recherche en Acoustique Environnementale (UMRAE), Université Gustave Eiffel

Composition du jury : 

Rapporteurs : Mme Astrid PIERINGER, M. Francesco MASSI, M. Denis DUHAMEL

Jury : 

Civilité	Nom et Prénom	Grade/Qualité	Etablissement
M.	Denis DUHAMEL	IGPEF, Professeur ENPC	Ecole Nationale des Ponts et Chaussées
M.	Eric JACQUELIN	Professeur des Universités	Université Claude Bernard Lyon 1
M.	Quentin LECLERE	Professeur des Universités	Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
M.	Francesco MASSI	Professeur des Universités	Université de Rome La Sapienza
Mme	Astrid PIERINGER	Maitre de conférences / Chercheure sénior	Université de Technologie de Chalmers
M.	Jean-Jacques SINOU	Professeur des Universités	Ecole Centrale de Lyon

Développement et caractérisation de dispositifs piézoélectriques conformables pour applications biomédicales

Doctorant : Joseph FAUDOU

Laboratoire INSA : LGEF - Laboratoire de Génie Électrique et Ferroélectricité

École doctorale : n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

La régurgitation mitrale est une maladie cardiovasculaire très répandue qui, si elle n'est pas traitée, peut engager le pronostic vital du patient. La réparation mitrale est le traitement privilégié, mais cette chirurgie complexe présente encore un taux de mortalité élevé. Un facteur important contribuant à ces échecs est le manque de moyens d'évaluation objectifs de la réussite de la chirurgie utilisables pendant l'intervention. Dans ce contexte, la mesure peropératoire de la pression de coaptation, correspondant à la force de contact entre les feuillets de la valve mitrale, apparaît comme une méthode prometteuse répondant à ce besoin clinique critique. Cette thèse est le résultat de la collaboration d'experts scientifiques du domaine médical et en science des matériaux. Son objectif est de développer un capteur piézoélectrique conformable à partir de poly(vinylidène fluoride-co-trifluoroéthylène) (P(VDF-TrFE)), spécifiquement conçu pour la mesure de la pression de coaptation. Le prototype proposé présente des caractéristiques uniques: un substrat en polyuréthane thermoplastique (TPU) offrant une grande flexibilité ainsi qu'une sensibilité exceptionnelle; une structure en bimorphe piézoélectrique permettant de distinguer entre des contraintes de flexion et de compression ; un plan de masse flexible qui élimine les signaux parasites ; et la possibilité d'être implémenté sous forme de matrice pour cartographier la distribution des forces sur une surface. La fiabilité du dispositif dans les conditions de l'application médicale est assurée par un ensemble de caractérisations électriques, mécaniques et morphologiques. Après la finalisation de son développement, le capteur a été testé dans une série de modèles de valve mitrale présentant un comportement physiologique de plus en plus réaliste. Notamment, nous présentons la première mesure transcathéter de la pression de coaptation dans des cœurs d'animaux. Ces premiers résultats démontrent le potentiel de cette méthode pour évaluer de manière peropératoire la réussite d'une réparation mitrale, en permettant une distinction claire grâce à la pression de coaptation d'une valve saine avec une régurgitation mitrale. Bien que des développements supplémentaires soient nécessaires avant que le capteur puisse être transposé en un dispositif médical approuvé cliniquement, il permet déjà d'améliorer la compréhension du comportement biomécanique de la valve mitrale.

Élaboration et mise en œuvre de matériaux multifonctionnels pour l'électronique imprimée en environnement sévère

Doctorante : Elsa DOS SANTOS

Laboratoire INSA : LGEF - Laboratoire de Génie Électrique et Ferroélectricité

École doctorale : n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Le Structural Health Monitoring (SHM) vise à évaluer en temps réel l'intégrité des structures à partir de la collecte et de l'analyse de données issues de capteurs. Cependant, le déploiement à grande échelle des systèmes de SHM reste limité par plusieurs verrous technologiques, notamment l'intégration, la fiabilité et le coût des capteurs. Dans cette optique, l'utilisation des ultrasons combinée à la technologie d'électronique imprimée, et plus particulièrement à la sérigraphie, offre une approche prometteuse pour la conception de capteurs miniaturisés, flexibles et économiquement compétitifs. Les composites piézoélectriques à matrice polymère constituent une solution pertinente grâce à leurs propriétés piézoélectriques et mécaniques et leur aptitude à s'adapter aux exigences de différentes applications. Toutefois, un frein subsiste : le manque de données fiables concernant la stabilité et la tenue au vieillissement des encres sérigraphiques, qui conditionne directement la fiabilité des capteurs imprimés en utilisation réelle, notamment lorsqu'elles sont exposées à des hautes températures de par leur environnement. Sur ce constat, ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le LGEF et AEC Sérigraphie. Les objectifs principaux de ces travaux, sont l'étude face au vieillissement d'encres sérigraphiques commerciales conductrices et diélectriques, la formulation d'un composite piézoélectrique imprimable par sérigraphié et le développement d'un capteur piézoélectrique haute température. Une attention particulière est portée au vieillissement thermique et hydrothermal de ces encres, facteur déterminant pour la fiabilité des capteurs en conditions réelles. L'analyse des mécanismes de dégradation, ou encore la caractérisation des propriétés électriques et diélectriques, permet d'identifier les formulations les plus stables. Les résultats obtenus ont conduit à la réalisation de capteurs ultrasonores imprimés sur substrats flexibles par sérigraphie, démontrant la faisabilité du procédé et la pertinence de l'approche pour le SHM. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à une nouvelle génération de capteurs intelligents, intégrables et durables, adaptés aux exigences des secteurs stratégiques tels que l'aéronautique, l'énergie et le génie civil.

Contribution à l’analyse structurelle et à une méthodologie de conception par approche bond graph : application aux systèmes de direction des véhicules routiers

Doctorant : Amine LAARIBI

Laboratoire INSA : Laboratoire Ampère

Ecole doctorale : n°160 EEA - Electronique, Electrotechnique, Automatique de Lyon

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la chaire de recherche VOLVO « Solutions for the future of Road Freight Transport », en partenariat avec l’INSA Lyon et le laboratoire Ampère. Elle vise à répondre aux défis de l’électrification des véhicules routiers, qui rend certains systèmes hérités des véhicules thermiques inadaptés. Dans ce contexte, la thèse se concentre sur les systèmes de direction électrohydrauliques hybrides, combinant assistance électrique et hydraulique, représentant un terrain d’étude particulièrement riche pour explorer des solutions innovantes face aux problématiques de sur- ou sous-actionnement. La méthodologie de conception et de dimensionnement mobilisée s’appuie sur les travaux développés au laboratoire Ampère. Basée sur l’inversion de modèles et utilisant le formalisme bond graph, elle permet d’exploiter directement les spécifications du cahier des charges, généralement exprimées sur les sorties, pour déterminer les inconnues du problème. Sa principale originalité réside dans la phase d’analyse structurelle, qui permet de vérifier l’inversibilité des modèles, les propriétés mathématiques des spécifications et d’identifier des propriétés structurelles indépendantes des valeurs numériques des paramètres. Trois objectifs guident ce travail. Le premier, théorique, concerne la démonstration du calcul des déterminants du faisceau matriciel et de la matrice système issus d’un modèle bond graph sans recours au digraphe, grâce à une approche basée sur le groupe de permutations. Le deuxième approfondit l’étude de la structure finie des systèmes linéaires réguliers, en proposant une méthode de détermination du nombre générique des pôles et zéros finis, notamment via l’introduction de la notion de séparateurs. Le troisième objectif, applicatif, consiste à mettre en œuvre la méthodologie de dimensionnement dans un cadre industriel, à savoir la conception des systèmes de direction pour véhicules routiers. Pour ce faire, un modèle bond graph du véhicule routier, et plus particulièrement de son châssis et de ses sous-systèmes de direction, a d’abord été développé et validé par comparaison avec un modèle de référence industriel utilisé par VOLVO. Ce modèle a ensuite servi de support à l’application de la méthodologie, en particulier pour le dimensionnement des sous-systèmes d’assistance du système de direction.

Détection d'attaques furtives et fiabilité des données dans les systèmes de surveillance ferroviaire

Doctorante : Sara ABDELLAOUI

Laboratoire INSA : Laboratoire Ampère

École doctorale : n°160 EEA - Electronique, Electrotechnique, Automatique de Lyon

La cybersécurité des infrastructures ferroviaires est devenue une préoccupation majeure en raison de la digitalisation croissante et de l'intégration de systèmes de surveillance avancés, ce qui rend le secteur ferroviaire plus vulnérable aux cybermenaces. Les attaques cyber-physiques, en particulier celles qui visent les appareils de voie, peuvent compromettre l'intégrité des données des manœuvres d'aiguillage et altérer les décisions de maintenance, mettant ainsi en péril la sûreté et la sécurité des personnes et des biens. Toutefois, les méthodes de détection existantes ont souvent du mal à faire face aux attaques furtives de falsification des données destinées à masquer les anomalies de fonctionnement ou à déclencher des opérations de maintenance inutiles. Pour traiter ce problème, nous proposons dans cette thèse un nouveau framework de détection et d'évaluation des menaces qui combine l'analyse du cycle de vie de l'appareil de voie TLA (Turnout Lifecycle Analysis), l'analyse du comportement attendu EBA (Expected Behavior Analysis) et l'analyse du comportement reconstruit RBA (Reconstructed Behavior Analysis). Les estimations de la menace provenant de ces approches sont intégrées à l'aide de la théorie de Dempster-Shafer modifiée et pondérée, ce qui améliore les performances de détection tout en réduisant le nombre de faux positifs. Des évaluations expérimentales sur des scénarios d'attaques simulées démontrent l'efficacité du framework, identifiant avec succès des attaques tout en minimisant les fausses alertes. Ces résultats mettent en évidence la capacité de l'approche proposée à fournir aux opérateurs de maintenance ferroviaires des indications plus fiables, permettant une meilleure prise de décision et renforçant ainsi la sécurité et la résilience des infrastructures ferroviaires face aux cybermenaces.

Développement d'un simulateur numérique haptique pour l'apprentissage de la navigation transcathéter destiné à la réparation de la valve mitrale

Doctorante : Kenza OUSSALAH

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Les maladies cardiovasculaires sont l'une des principales causes de mortalité dans le monde. Depuis plusieurs décennies, la chirurgie mini-invasive (ou percutanée) s'impose comme une alternative efficace à la chirurgie ouverte traditionnelle, améliorant significativement les résultats cliniques et réduisant les risques per- et post-opératoires. La navigation endovasculaire (ou transcathéter) est une étape cruciale au cœur des procédures mini­ invasives. Elle consiste en la manipulation d'instruments tubulaires flexibles et longs, en particulier les fils-guides, qui permettent d'explorer la lumière des vaisseaux, de préparer et de sécuriser le trajet d'accès vers la zone cible. La maîtrise du geste de manipulation du fil-guide est déterminante pour le bon déroulement et le succès de la procédure. Cette thèse s'inscrit dans la problématique de la formation des prati-ciens interventionnels, qui s'intègre au cœur des préoccupations des autorités de santé nationales et internationales. En effet, les méthodes d'apprentissage traditionnelles ne répondent plus pleinement aux exi-gences récentes, qui préconisent fortement le recours à des simulateurs de formation. L'objectif de cette thèse, menée dans le cadre du pro-gramme ANR RHU ICELAND (ANR-21-RHUS-0006-04), est de déve-lopper une approche numérique pour la simulation de la navigation transcathéter du fil-guide. L'approche trans-fémorale trans-septale est abordée comme voie d'abord préférentielle pour la réparation de la valve mitrale, procédure privilégiée dans les interventions de réparation de la valve mitrale étudiées par le RHU. Le modèle SINA proposé (Sys-tème Interactif pour la Navigation Assistée par ordinateur), a vocation à être intégré dans un simulateur de formation. Il repose sur deux volets principaux et complémentaires: d'abord, la conception d'un modèle biomécanique en éléments finis (FE) de la navigation du fil-guide, construit à partir de géométries patient-spécifiques issues de l'imagerie médicale, de propriétés mécaniques biologiques et de conditions d'insertion réalistes. Ensuite, l'optimisation du modèle pour le cou-plage haptique interactif, inhérent aux simulateurs de formation, à l'aide de modèles prédictifs d'apprentissage automatique (machine learning) pour la prédiction des forces perçues par l'utilisateur. Un des principaux défis de ce travail consiste à trouver un équilibre optimal entre le réalisme de la simulation et la rapidité de calcul, deux para­ mètres essentiels pour garantir l'efficacité et la pertinence de la forma-tian médicale assistée par ordinateur.

Évaluation non destructive des aciers fortement cémentés à l'aide de la perméabilité magnétique incrémentielle à basse fréquence et de la modélisation FEM multiphysique

Doctorant : Hicham LBERNI 

Laboratoire INSA :  LGEF - Laboratoire de Génie Électrique et Ferroélectricité

École doctorale : n°160 EEA - Electronique, Electrotechnique, Automatique de Lyon

Cette thèse porte sur l'évaluation non destructive de la profondeur de cémentation dans des aciers Ni-Cr (18NiCr5-4, 16NiCrMo13) par la perméabilité magnétique incrémentale basse fréquence (LF-MIP) couplée à une modélisation électromagnétique 3D. L'objectif est de relier de façon quantitative les signatures LF-MIP (« boucles papillon») aux profils de dureté issus de la cémentation et de la trempe. Deux rôles d'échantillons structurent l'étude. (i) Les états Virgin (non cémenté) et Saturated (cémenté à saturation) servent d'extrémités de référence pour encadrer le comportement magnétique et l'enveloppe de réponse. (ii) Les états Medium, Deep, Very-Deep (et, pour la seconde stratégie, Ultra-Deep) constituent le groupe de validation utilisé pour tester la capacité de reconstruction. Les références métallurgiques indépendantes combinent micro­ dureté en profondeur, profils de carbone (WDS/LIBS) et austénite résiduelle (EDXRD en surface). La modélisation est mobilisée de deux façons complémentaires: 1) Identification du comportement: à partir des boucles LF-MIP mesurées sur les échantillons de référence, nous déterminons des lois µr(H) (dépendantes du biais) et des profils de propriétés cohérents (µ, cr) qui bornent la réponse magnétique attendue. 2) Modèle direct (forward) : en régime magneto-quasi-statique (formulation A-q>), ces propriétés alimentent un EF 3D pour calculer l'impédance de la bobine sous polarisation. On établit alors des cartes de référence impédance-biais-profondeur qui servent de base à la reconstruction inverse des profils de dureté. Les mesures (géométries plane et cylindrique) montrent que la largeur, la hauteur et la trajectoire des boucles LF-MIP varient de façon systématique avec la profondeur de couche. Le calage du modèle sur les références, puis l'appariement mesure-carte sur le jeu de validation, permettent d'estimer la profondeur efficace de cémentation et le profil de dureté avec une bonne concordance vis-à-vis des mesures métallurgiques. L'ensemble démontre que la LF-MIP, adossée à un cadre EF 3D et à une structuration références/validation, fournit une voie non destructive robuste pour les cas profonds en milieu industriel.