Modélisation de l'initiation de fissures en fatigue de contact

Doctorante : Lucas FOUREL

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

La fatigue de contact engendre une dégradation de la surface des composants tels que les roulements à billes, les dentures d'engrenages ou encore les roues et rails ferroviaires. Ce phénomène est causé par l'initiation et la propagation de fissures et implique de multiples phénomènes physiques à différentes échelles. Les approches empiriques sont majoritairement utilisées par les ingénieurs pour modéliser l'endommagement et dimensionner les composants concernés par la fatigue de contact.

Dans cette étude, un modèle numérique de l'initiation de fissures en fatigue de contact est développé afin de mieux comprendre ce phénomène qui est difficilement observable expérimentalement. Le déplacement d'un contact à la surface d'un solide polycristallin est simulé dans un volume élémentaire représentatif en 3D. La microstructure est générée par la méthode de Voronoi et les contraintes mécaniques sont calculées par la méthode Green-FFT. L'amplitude de variation des contraintes au cours du cycle de sollicitation est utilisée pour calculer la position, l'orientation et la durée d'initiation de fissure avec une approche inspirée des travaux de Tanaka et Mura. Cette approche est basée sur l'accumulation de dislocations dans les bandes de glissement des différents grains du matériau. Le caractère aléatoire de la géométrie des grains et de leurs orientations cristallines permet d'obtenir des distributions statistiques.

Deux scénarios d'initiation de fissure en fatigue de contact sont analysés : l'initiation en sous-surface en présence d'une inclusion et l'initiation en surface causée par un indent. Dans le premier scénario, les sites d'initiation de fissures sont différents selon si l'inclusion est plus souple ou plus rigide que les grains. Dans le second scénario, les fissures sont initiées en face de l'épaulement de l'indent et orientées à 45° de la surface. La taille d'inclusion, la taille d'indent et la taille de grains ont une influence importante sur la durée d'initiation moyenne.

Nouvelle architecture de SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) intégrée dans une technologie 3D avancée

Doctorant : Antonin ZIMMER

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : EDA160 : Électronique, Électrotechnique, Automatique

Ces travaux portent sur le développement de nouvelles architectures de SPAD (Single- Photon Avalanche Diode), un type de photodétecteur utilisé notamment pour faire de la mesure de distance par temps de vol en raison de sa bonne résolution temporelle. L’objectif de la thèse est de réduire les dimensions spatiales de la SPAD qui est constituée d'une jonction PN implémentée dans un volume de matériau semiconducteur et polarisée en inverse au-delà de la tension de claquage. Dans ce but, les travaux présentés introduisent une nouvelle architecture de SPAD basée sur le concept de
« focalisation des charges », nommée SPAD sphérique. Ce travail de thèse est composé de trois volets : (1) la présentation de simulations TCAD dont le but est d’étudier les caractéristiques du comportement de la SPAD sphérique par la modélisation de ses critères de performance, (2) la conception de prototypes intégrés dans une technologie CMOS 3D et (3) la caractérisation électro-optique de l’architecture proposée afin de valider les résultats de simulations et d’évaluer les performances réelles des prototypes. Les travaux réalisés ont révélé les limites de la simulation TCAD en 2D et donc la nécessité de développer de nouvelles méthodologies (3D par exemple). Malgré la complexité du procédé technologique employé et les contraintes du contexte industriel, des prototypes fonctionnels ont été réalisés et les résultats des mesures effectuées sur ces derniers montrent le potentiel de l’architecture proposée pour atteindre des performances satisfaisantes au pas de pixel proche de l’état de l’art.

Dosimetry for 177Lu and 90Y radionuclide therapies through imaging and Monte Carlo simulations

Doctorante : Laure VERGNAUD

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : EDA160 : Électronique, Électrotechnique, Automatique

La radiothérapie interne vectorisée est un nouveau type de traitement contre le cancer qui consiste à injecter par intraveineuse un médicament radioactif qui va venir se fixer aux cellules tumorales, être internalisé et les détruire. Il est composé d’un radioisotope (ici le 177Lu) et d’un vecteur sélectionné selon le type de récepteurs sur-exprimés par les cellules tumorales. Ce traitement a démontré son efficacité pour les tumeurs neuroendocrines de l’intestin moyen, progressives et avancées (TNE) et pour les cancers de la prostate métastatiques résistants à la castration.
Cependant, les plans de traitement sont standardisés alors que des études ont montrées que les doses absorbées par les organes à risque et les tumeurs diffèrent d’un patient à un autre. Afin de pouvoir les personnaliser, il est donc nécessaire d’estimer les doses absorbées et de les mettre en regard avec les toxicités et l’efficacité du traitement comme cela est fait en radioembolisation (injection intra-hépatique de microsphères d’90Y).
La dosimétrie est réalisée à partir de la biodistribution du médicament au cours du temps obtenue grâce à une gamma caméra. Cependant, les nombres et les temps d’acquisitions sont conditionnés par les contraintes cliniques. C’est pourquoi, la première contribution a eu pour objectf de fournir un workflow dosimétrique s’adaptant au nombre d’acquisitions disponibles pour les thérapies au 177Lu-DOTATATE (TNE).
Plus récemment, les gamma caméras CZT ont permis de réduire les durées d’acquisition tout en conservant la qualité de l’image. Une seconde contribution a consisté à évaluer les performances quantitatives de ce type de caméra pour la dosimétrie au 177Lu avant de réaliser la dosimétrie des patients traités au 177Lu-PSMA (cancer de la prostate) dont les résultats préliminaires sont disponibles.
Enfin, l’impact de la correction du mouvement respiratoire sur la dosimétrie prédictive en radioembolisation a été évalué (3ième contribution).

 

Relation between molecular architecture and properties of aspartate-based polyurea networks

Doctorant : Adrien TOPALIAN

Laboratoire INSA : IMP
Ecole doctorale : ED34 Matériaux de Lyon

Ce projet vise à comprendre la structure des revêtements de polyurée à base d'esters d'aspartate et à faire le lien avec les variations de propriétés mécaniques observées dans le temps. Les réseaux synthétisés à partir d'une amine réactive spécifique ont tendance à s’assouplir avec le temps, et cette diminution de la rigidité est encore plus rapide lorsque des tensioactifs sont ajoutés à la formulation.
Des systèmes modèles représentatifs des réseaux sont synthétisés et analysés par RMN. La formation d'hydantoïne par réaction des groupements urée avec les groupements ester est mis en avant. La présence d'agents acide au sein du réseau accélére ce phénomène. Ensuite, les paramètres physiques permettant l'accélération de la formation d'hydantoïne sont étudiés, tels que l'humidité, l'épaisseur du film, la mobilité du réseau et le recuit.
Un aspect du travail porte sur l'influence de la formation d'hydantoïne sur les propriétés mécaniques. L’Am1 contient un additif qui peut être un plastifiant. La présence de cet additif entraîne un phénomène d'exsudation au sein des réseaux après recuit. Une autre amine réactive, Am2, sans additif, est utilisée. Les réseaux synthétisés en présence de cette dernière présentent une évolution des propriétés différentes suite à la formation d’hydantoïne.
A partir de ces résultats, il est montré que l'évolution des propriétés mécaniques dépend principalement de deux facteurs. D'une part, l'éthanol piégé dans le réseau a tendance à le plastifier, ce qui entraîne une diminution de la Tg. D’autre part, la présence du plastifiant au sein de l’amine réactive entraîne une variation des propriétés mécaniques. En revanche, l'interaction entre le plastifiant et le réseau diffère lorsque ce dernier contient des groupements hydantoïne ou urée.
Dans la dernière partie, de nouveaux réseaux constitués de fonctions biuret ont été étudiés. Suite à la formation d'hydantoïne au sein de ces réseaux, une réorganisation des liaisons hydrogène est observée. Cette réorganisation augmente le module de Young.
 

 

Contribution to roller chain drive quasi-static modelling for efficiency optimisation. Application to track cycling

Doctorant : Gabriel LANASPEZE

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

L’importante compétition entre cyclistes sur piste de très haut niveau pousse les travaux de recherches à explorer toutes les possibilités d’optimisations. Dans ce contexte, le rendement énergétique des transmissions par chaine à rouleaux est étudié dans le but d’améliorer la compréhension des pertes de puissance et d’en déduire des possibilités d’optimisations.
Dans les transmissions par chaine, les pertes sont majoritairement causées par l’engrènement/dégrènement des maillons sur les pignons. Toutefois, une étude préliminaire a montré que les pertes dues au mouvement des rouleaux le long de leur profil de dent ont une influence significative. Le but de ce travail est donc d’explorer ce phénomène.
Un modèle 2D quasi-statique est tout d’abord présenté. La cinématique générale (comprenant les erreurs de transmission) est déterminée en utilisant des sous-modèles spécifiques aux brins tendu et mou. Un modèle local de pignon est ensuite introduit afin de calculer les tensions dans les maillons ainsi que les forces de contact entre rouleaux et pignons. Le modèle peut être utilisé avec différentes géométries de denture.
Un second modèle est ensuite proposé. En se basant sur les résultats du modèle quasi- statique, il calcule le rendement d’une transmission en prenant en compte les pertes causées par l’engrènement ainsi que les mouvements de rouleaux. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont menées pour valider l’approche proposée.
Le modèle de rendement est ensuite utilisé pour mener une étude paramétrique sur des transmissions par chaines de cyclisme sur piste. L’influence de plusieurs paramètres est explorée : géométrie de denture, couple appliqué, réglage de la tension, nombres de dent des pignons, pas de la chaine et coefficient de frottement. Les interactions entre paramètres sont identifiées. En se basant sur les résultats, des lignes directrices pour de futures optimisations sont proposées.

 

 

Gestion de la Mobilité Urbaine et dans le Réseau Mobile à partir de Données de Téléphonie

Doctorant : Solohaja RABENJAMINA

Laboratoire INSA : CITI
Ecole doctorale : ED512 : Infomaths

Au cours de la dernière décennie, l'utilisation croissante des smartphones a entraîné une augmentation significative du volume de données échangées via les réseaux mobiles des opérateurs téléphoniques. Chaque nouvelle génération de réseau mobile génère davantage de données que la précédente. D'ici à 2027, on estime que 289 EB de données seront échangées par mois, dont 62% proviendront du réseau mobile 5G.
Cette disponibilité massive de données a ouvert de nouvelles perspectives de recherche, notamment dans l'étude de la mobilité. Les données mobiles permettent des études sur une population plus vaste et des zones géographiques étendues.
Dans cette thèse, nous démontrons que les événements décrits dans les données mobiles peuvent être retrouvés dans d'autres sources de données. En comparant les données mobiles avec des capteurs de détection de présence humaine, nous constatons une corrélation satisfaisante. Cependant, certains événements, tels que la synchronisation des pics de présence ou la fin de l'activité en fin de journée, ont une similarité moindre.
Nous utilisons également les données mobiles pour étudier l'impact des confinements imposés par le gouvernement français sur l'utilisation du sol à Paris. Nos résultats montrent que le premier confinement a eu un impact radical sur les habitudes de déplacement et l'utilisation du sol, tandis que les deuxième et troisième confinements ont eu un impact moindre.
Enfin, nous exploitons ces données pour la reconfiguration du réseau mobile dans la gestion de la micro mobilité des utilisateurs, appelée handover. Les eNodeB, composants du réseau d'accès, peuvent avoir différents profils et catégories. En distinguant les utilisateurs mobiles des utilisateurs statiques, nous économisons des ressources en reconfigurant le réseau. La reconfiguration dynamique du réseau, en utilisant différents profils d'eNodeB, permet également d'économiser les ressources utilisées par les utilisateurs mobiles.
 

Etude numérique et expérimentale de l'effet de zones architecturées sur la propagation de fissure

Doctorante : Julie TRICLOT

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Grâce au récent développement des technologies de fabrication additive, il est devenu possible de fabriquer des composants multi-échelles, où l’on contrôle complètement la microstructure. Il se pose aujourd’hui la question de la tenue en service de tels matériaux, notamment dans la perspective de diminuer les marges de sécurité en contrôlant mieux la résistance mécanique. Dans cette thèse, on se propose d’étudier la propagation de fissure sous chargement quasi-statique en présence de zones architecturées. On se concentre ici sur le cas où la fissure ne traverse pas les zones architecturées. Ces zones produisent donc un effet à distance. Cette question est étudiée à travers des approches numériques et expérimentales. Le modèle numérique est basé sur des calculs éléments finis et une propagation de fissure représentée par un algorithme par longueur d'arc. Le dispositif expérimental est constitué d'éprouvettes Compact Tension (CT) ou Tapered Double Cantilever Beam (TDCB) issues de l'impression 3D, la fissuration est faite par chargement lent avec suivi de la fissure grâce aux méthodes de corrélation d'images. La comparaison des approches numériques et expérimentales sur des éprouvettes non-architecturées permet de faire des hypothèses physiquement fondées pour la suite du travail. La prospection numérique permet de mettre en avant des effets intéressants : une augmentation locale de la résistance à la propagation et l'apparition d’une instabilité snap-back. Une validation expérimentale est ensuite recherchée. Les outils de calculs sont utilisés pour affiner les choix de géométries afin de faire face aux problématiques expérimentales. Les deux phénomènes observés dans la phase de prospection numérique sont retrouvés expérimentalement. Une étude paramétrique permet de vérifier que les tendances obtenues numériquement sont retrouvées dans les résultats expérimentaux. Enfin, l'analyse des phénomènes observés mène à une discussion sur la notion de ténacité effective.

 

 

Research and study of A1b type entomotoxins: Application for the protection against the pest of tomato, Tuta absoluta

Doctorante :  Fatima Diya

Laboratoire INSA : BF2I

Ecole doctorale : ED 341 : Evolution, Ecosystèmes, Microbiologie, Modélisation

Pea albumin 1 subunit b, PA1b, is a plant cystine knot peptide, extracted from the seeds of peas Pisum sativum and is composed of 37 amino acids. It is a potential candidate for use to control economic pests such as cereal weevils, major pests of stored grains. The natural diversity of this peptide in the seeds of legumes native to the Middle East and belonging to the Faboideae subfamily was investigated. Additionally, the insecticidal activity of each of the seed flour from the selected seeds were evaluated against the susceptible and resistant strains of weevils. This has led to the identification of Vicia sativa ssp. sativa, a promising species containing potent A1b isoforms. The latter from different geographical regions of this species were biochemically characterized, and their biological activities were evaluated. A putative A1b sequence has been identified from Vicia sativa ssp sativa originating from Turkey. Previously, AG41, a 10-fold more toxic isoform was also identified from the roots of Medicago truncatula. In this study, we have identified the key residues responsible for the enhanced toxicity of this peptide using NMR. As a promising bio insecticide targeting the VATP-ase, a proton pump necessary for the absorption of nutrients, PA1b has been also tested on the major pest of tomato, Tuta absoluta. The peptide delivered through injection was lethal to the larval stage of the pest. This has raised interesting prospects about the potential targets of PA1b in insects.

Computational neuroscience models at different levels of abstraction for synaptic plasticity, astrocyte modulation of synchronization and systems memory consolidation

Doctorante : Lisa BLUM MOYSE

Laboratoire INSA : LIRIS

Ecole doctorale : ED512 Infomaths

Dans cette thèse, des modèles théoriques à niveaux d’abstraction croissants sont développés pour aborder des questions issues d’expériences de neuroscience. Ils sont étudiés par des approches numériques et analytiques. Avec le laboratoire de Laurent Venance (Paris), nous avons développé un modèle du protocole ITDP (input-timing- dependent plasticity) pour la plasticité des synapses cortico- et thalamo-striatales. Le modèle a été calibré par des données ex vivo et permettra de déterminer la présence de plasticité synaptique in vivo, lors d’expériences de comportement visant à déterminer le rôle des entrées corticales et thalamiques dans l’apprentissage moteur. Au niveau des populations neuronales, j’ai étudié la modulation des comportements collectifs neuronaux par les astrocytes, en particulier la synchronisation Up-Down, une alternance spontannée entre des périodes de forte activité collective et des périodes de silence. J’ai proposé des modèles de fréquence de décharge et de réseaux de neurones à spikes de populations interconnectées de neurones et d’astrocytes. Ils proposent des explications sur la façon dont les astrocytes induisent les transitions Up-Down. Les astrocytes sont aussi probablement impliqués dans la génération des crises d’épilepsie, pendant lesquelles la synchronisation neuronale est altérée. Sur la base des modèles précédents, j’ai développé un réseau neurone-astrocyte avec une connectivité en clusters, montrant la transition entre des dynamiques Up-Down et des évènements de très forte activité mimant une crise d’épilepsie. Enfin, au niveau du cerveau lui-même, j’ai étudié la théorie standard de la consolidation, selon laquelle la mémoire à court terme dans l’hippocampe permet la consolidation de la mémoire à long terme dans le néocortex. J’ai cherché à expliquer ce phénomène en intégrant des hypothèses biologiques – taille du néocortex expliquant la lenteur de l’apprentissage, et neurogenèse dans l’hippocampe expliquant l’effacement de sa mémoire – dans un modèle de champs neuronaux interconnectés qui reproduit bien les principales caractéristiques de la théorie.

Etude de la réponse dynamique du bloc réacteur soumis à une sollicitation extrême : co-simulation implicite/explicite multi-echelle en temps pour la dynamique du contact

Doctorant : Yvan LE NÔTRE

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Les centrales nucléaires sont une source de production d'énergie importante en France. Cependant, suite aux différents accidents et aux risques encourus avec cette technologie, la sûreté nucléaire est une préoccupation mondiale. En France, des normes sont imposées continuellement sur les installations nucléaires existantes et sur les prochaines générations en développement. Parmi les nombreux aspects de la sûreté nucléaire, le dimensionnement des structures mécaniques est un sujet important pour les acteurs industriels. L'activité principale de l'entreprise Framatome concerne le dimensionnement et la justification des centrales nucléaires. Celles-ci doivent être conçues pour résister à des conditions extrêmes d'utilisation telles que des séismes, des crashs d'avion ou encore des ruptures de tuyauterie. La modélisation numérique de ce type de chargement passe par des analyses dynamiques temporelles afin de considérer ces phénomènes multi- échelles en temps. Cependant, réaliser ces analyses demande beaucoup de temps CPU et de mémoire. L'objectif de la thèse est le développement d'un nouvel intégrateur hétérogène (différents schémas d'intégration) asynchrone (différents pas de temps), basé sur la méthode de couplage GC, ayant de meilleures propriétés relatives à la conservation énergétique. En effet, les phénomènes multi-échelles en temps présents dans le bloc réacteur sont des cas d'usages favorables aux méthodes multi-échelles en temps, avec un intégrateur explicite pour les zones de contact et un intégrateur implicite pour le reste de la structure. Un démonstrateur de co-simulation est développé entre les logiciels Code Aster et Europlexus pour se rapprocher d'un développement industriel et ainsi montrer le gain sur un modèle tridimensionnel atteignable avec ces méthodes multi- échelles en temps.