LOOKING FOR OPTIMAL BIOMECHANICAL CONFIGURATIONS IN WEIGHTLIFTING AND POWERLIFTING : THEORETICAL AND EXPERIMENTAL APPROACHES

This work is part of a big project whose goal is to combine mechanical principles with the physical characteristics of athletes to develop a personalized virtual model optimized to help lifters improve their performance while reducing their injury risks. This study concentrates on the qualitative comparison between a virtual skeleton model of a squatting athlete numerically designed on MATLAB and the squatting patterns of elite athletes of the French national team (n=15). Comparing the results of the two approaches revealed differences in the Center Of Pressure (COP) movement during the squat as well as motor behaviour and velocity. After discussion with the athletes and their coaches it seems that the model lacked reality and more studies are needed

Angiovision - Pose d'endoprothèse aortique par angionavigation augmentée

Nous avons développé un modèle numérique du traitement des anévrismes de l'aorte abdominale (AAA) en utilisant l'analyse par éléments finis (FEA). L'objectif est de simuler les différentes étapes de la procédure endovasculaire dans la phase préopératoire. Pour cela, dans un premier temps, on a fait des études expérimentales Macro et Nano de rupture, indentation, traction, frottement des outils métalliques et des biomatériaux. Ensuite, on a développé une nouvelle approche de la conception des structures anatomiques très angulées et hétérogènes, et enfin, on a crée une maquette numérique de l interaction outils métalliques et biomatériaux. Dans ce modèle, nous avons pris en compte la géométrie réelle reconstituée à partir des scans, une caractérisation locale des propriétés mécaniques guide / cathéter, une cartographie des propriétés des matériaux composites en fonction de la qualité pariétale, et une projection de l'environnement de l artère dans l outil de simulation. Nos résultats ont été validés grâce à un recalage entre les données cliniques et notre simulation pour un groupe donné de patients, dont les artères sont très tortueuses et calcifiées. Cet outil d aide à l acte chirurgical permet de contrôler avec précision la navigation endovasculaire en péropératoire, prédire la faisabilité de la chirurgie avec une fiabilité ainsi que d optimiser le nombre d outils métalliques pour chaque patient, en tenant compte du risque de rupture des zones avec fortes tortuosités et hétérogénéités.We have developed a numerical model of the treatment of abdominal aortic aneurysms (AAA) using finite element analysis (FEA) to simulate the endovascular procedure in the preoperative phase. The goal is to simulate different stages of the endovascular procedure. In the model, we took into account the geometry of the biological region reconstructed from scans, a local characterization of the guidewire/catheter mechanical properties, a mapping of material properties depending on the degree of calcification, and a projection of the aorta environment . Our results were validated based on a tuning between clinical data and our simulation for a given group of patients with very tortuous and calcified arteries. It allows to control with accuracy the delivery system rise during surgery, predict the feasibility of the surgery with reliability as well as choose the best guide for each patient, taking into account the risk of rupture of calcified areas in the case of high angulations.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Influence de l'hétérogénéité des propriétés mécaniques sur la résistance de l'os trabéculaire humain

Afin de mieux comprendre le comportement mécanique de l os trabéculaire et d améliorer la prédiction du risque de fracture, l objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique bio-fidèle prenant en compte l hétérogénéité tissulaire, et de déterminer les contraintes mécaniques au sein des travées osseuses, dans le domaine de déformation élastique. À l échelle tissulaire, une étude par nanoindentation a permis de dissocier les comportements élastiques et plastiques de l os en fonction de sa composition (minéral/collagène). Ainsi, le comportement élastique du tissu osseux serait principalement lié à sa quantité de minéral alors que ses propriétés plastiques seraient davantage liées à la phase organique. Une loi reliant le degré de minéralisation de l os (DMB) au module élastique a été déterminée dans l os humain. La création d un modèle numérique reproduisant de manière rigoureuse le comportement élastique de l os trabéculaire, nécessite la prise en compte de l hétérogénéité de la quantité de minéral (DMB) et donc son acquisition en 3D. Grâce à une méthode de recalage d image 2D/3D, les acquisitions de microtomographie ont été comparées aux valeurs obtenues par microradiographie quantitative, méthode de référence de mesure du DMB. Sous certaines conditions, la microtomographie permet une évaluation correcte de l hétérogénéité minérale. La création et l analyse d un modèle numérique par éléments finis de l os trabéculaire, à partir des images de tomographie, a montré l importance des paramètres du modèle (taille et formulation des éléments) ainsi que le rôle de l hétérogénéité minérale sur l évaluation des contraintes locales appliquées aux travées osseuses.Finite element modeling has become more and more suitable to estimate the mechanical properties of trabecular bone. Such models tend to be used to evaluate bone fracture risk. The main goal of this study was to create a bio-faithful model of trabecular bone to evaluate elastic stresses fields in trabeculae. In a first part, a nanoindentation study lead to a dissociation of elastic and plastic behavior of bone tissue, depending of its composition (mineral/collagen). At osteon level, bone elastic behavior mainly depends on mineral quantity whereas its plastic behavior mainly depends on collagen maturity. The relation between degree of mineralization of bone (DMB) and elastic modulus have been determined for human bone. The purpose of second part of the study was to evaluate DMB heterogeneity inside a 3D model of trabecular bone. Using 2D/3D registration, we compare the results obtain with high resolution microtomography to those from quantitative microradiography, the goldstandard method used to measure DMB. We prove that it was possible to obtain a good evaluation of mineral heterogeneity in trabecular bone by tomography. The last part of this study, is dedicated to the creation of a finite element model of trabecular bone. After analyzing the influence of finite element modeling parameter on the assessment of mechanical response (size and element formulation), we showed that the integration of mineral heterogeneity at the tissue level lead to strong modifications of stress fields in bone trabeculae. The results of this study prove that bone mineral heterogeneity is an important parameter and should be taken into account when evaluating trabecular bone mechanical properties.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Elasto-hydrodynamic lubrication analysis of a porous misaligned crankshaft bearing operating with nanolubricants

In this paper, the combined effects of the characteristic size and concentration of inorganic fullerene-like tungsten disulphide nanoparticles (IF-WS2 NPs) or molybdenum disulphide nanoparticles (IF-MoS2 NPs) on the nonlinear dynamic behaviour of a gasoline engine crankshaft bearing subject to an arbitrary force torsor (effective applied force and moment vector) are theoretically and numerically investigated using the V. K. Stokes micro-continuum theory. These NPs are the most common additives for lubrication purposes due to their excellent tribological characteristics along with their effect on reducing friction and wear. It is assumed that the journal (crankshaft) currently made of a forged steel is rigid and the main bearing consists of a thin poroelastic liner made of low elastic modulus materials like Babbitt metals fixed in a stiff housing as defined by ASTM B23-00. The Krieger-Dougherty law is included in the proposed EHD model to account for the viscosity variation with respect to the volume fraction of nanoparticles dispersed in the base lubricant. On the other hand, the characteristic size of nanomaterials is introduced by a new material entity, denoted l, which is responsible for a couple-stress property. The Reynolds equation is derived in transient conditions and modified to account for the size of nanoparticles and the bearing-liner permeability property. For an arbitrary force torsor, the hydrodynamic pressure distribution, the squeeze film velocities, and the misalignment angular velocities are determined simultaneously by solving the discretized Reynolds equation and the equilibrium equations with the damped Newton-Raphson iterative method at each crank angle step. The crankshaft center trajectories in three sections of the main journal axis as well as the misalignment angles are deduced from the squeeze film velocities and the misalignment angular velocities by means of a Runge-Kutta scheme. According to the obtained results, the combined effects of the size and concentration of fullerene-like nanoparticles on the dynamic behavior of a compliant dynamically loaded crankshaft bearing operating with dynamic misalignment are significant and cannot be overlooked

Linear dynamic analysis of aero-elastic journal bearings considering both the steady-state and dynamic deformations of foils

Air foil bearings find nowadays widespread use in very high speed, lightly loaded oil-free rotating turbo-machinery such as compressors, micro-gas turbines because they have theoretically no speed limitations, and they are environmentally benign. In the design of such bearings, it is of cardinal importance to enhance their steady-state and dynamic performance characteristics for the safety operation, especially against the external dynamic excitations. Most of elasto-aerodynamic approaches under dynamic conditions proposed in the technical literature include only the steady-state pressure induced deformation of foils. This work deals with a theoretical investigation on the effects of both steady-state and dynamic deformations of the foils on the dynamic performance characteristics and stability of a self-acting air foil journal bearing operating under small harmonic vibrations. To take into account the dynamic deformations of foils, the perturbation method is used for determining the gas-film stiffness and damping coefficients for given values of excitation frequency, compressibility number, and compliance factor of the bump foil. The rotordynamic coefficients serve as input data for the linear stability analysis of rotor-bearing system. The nonlinear stationary Reynolds’ equation is solved by means of the Galerkin’s finite element formulation while the finite differences method are used to solve the first order complex dynamic equations resulting from the perturbation of the transient compressible Reynolds’ equation. As a first approximation, the corrugated sub-foil is modeled as a simple elastic foundation, i. e. the stiffness of a bump is uniformly distributed throughout the bearing surface (first generation foil bearings). It was found that the dynamic properties and stability of the compliant finite length journal bearing are significantly affected by the compliance of foils especially when the dynamic deformation of foils is considered in addition to the steady-state one by applying the principle of superposition

Contribution à l'étude de l'influence de la rugosité et des effets non-Newtoniens dans les contacts sévères lubrifiés

L'étude entreprise dans cette thèse vise à mettre en place un nouveau modèle composé d'une partie analytique et d'une partie numérique utilisant de nouvelles techniques d'analyse dite d'homogénéisation et pouvant prendre en compte la géométrie locale et un comportement non Newtonien des fluides. Les diverses simulations numériques que nous avons effectuées ont permis de valider les équations homogénéisées que nous avons établies ainsi que les modèles numériques mis en œuvre. Le logiciel développé permet de traiter avec rigueur n'importe quel type de rugosité ( quelconque, anisotrope ou quelconques ) et des lois de comportement de fluide de type Maxwell ( visqueux, viscoélastique, voscoélastoplastique ).The study undertaken in this thesis aims at setting up a new model made up of a digital part using of new techniques of analysis and being able to take into account the local geometry and the non-Newtonian effects. Various the digital simulations that we carried out made it possible to validate the homogenized equations which we established as well as the digital model implemented. The development software makes it possible to treat with rigour any type of roughness and the laws of behaviour of the Maxwell type.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Analyse théorique et experimentale de la dynamique de rotor sur paliers à feuilles lubrifié par l'air

Ces dernières décennies de nombreux modèles de paliers à feuilles ont été développés. Aujourd'hui, la limite de ces modèles est apparente notamment au niveau de la compréhension des comportements non linéaire du système rotor palier et de la quantification de sa dissipation énergétique. Il est essentiel pour les développements futurs de maîtriser les instabilités liées au fonctionnement de ces paliers. Grâce à une approche variationnelle et la MEF, la structure flexible a été modélisée comme une structure mince soumise à la pression d'un fluide compressible, isotherme, laminaire puis turbulent. Nous tenons compte dans cette étude, des frottements secs internes en utilisant la loi de Coulomb et la méthode du Lagrangien augmenté. Le modèle de structure est couplé avec équations de Reynolds des films minces afin de déterminer le comportement du rotor à l'aide du principe fondamental de la dynamique. Nous avons montré la pertinence de l'approche choisie, notamment l'utilisation du modèle de structure mince sur le comportement dynamique du rotor et sur le champ de pression hénéré dans le palier. On démontre aussi l'intéraction entre les déflections des bumps et le frottement sec. L'action du flambage est doublement accentué par le phénomène de frottement présent entre les feuilles, modifiant ainsi la dissipation d'énergie dans le palier. Le second objectif a été d'identifier l'origine des phénomènes subsynchrones afin de développer des nouveaux paliers en se dédouanant des instabilités qu'elles engendrent.These last decades numerous model for airfoil bearings have been developed. But nowadays, these models are not sufficiently accurate for the rotor response prediction in the presence of non linearities. It is essential for the future developments to control the instabilities due to the non linear behavior in order to quantify the energy dissipation in the bearings. By means of a variational approach, the flexible structure is modeled as a thin media subjected to a compressible fluid pressure, isothermal and in a laminar then turbulent regime. The model is built up using FEM for the foils response. the internal dry friction is taken into account with Coulomb s law and the updated Lagrangian method. The structure model is coupled with Reynolds equation to calculate the rotor motions, thanks to the basic principle of dynamics (B.P.D). This work is performed, first, to put in evidence the influence of thin structure approach on the rotor behavior and on the field pressure. The link between bumps deflections and dry friction is established. The structure buckling is twice increased by the phenomenon of friction between sheets and energy dissipation. The second objective is to identify the subsynchronous frequencies in order to establish the relevance of the new airfoil model for non linear and instabilities investigations.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocVILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF