Ecole Doctorale

Sciences du Mouvement Humain

Spécialité

Sciences du Mouvement Humain - MRS

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Bio-inspiration,Systèmes mécaniques,Modélisation,,

Keywords

Bio-inspiration,Mechanical systems,Modeling,,

Titre de thèse

Estimation des efforts articulaires dans une patte avant de cheval par modélisation numérique et mesures expérimentales pour la conception de liaisons bio-inspirées.
Estimation of joint reaction forces in a horse forelimb by numerical modeling and experimental measurements for the design of bio-inspired joints

Date

Mardi 2 février 2021 à 13:30

Adresse

IUT AIX MARSEILLE 413 AVENUE GASTON BERGER 13125 AIX EN PROVENCE SALLE DES THESES

Jury

Directeur de these M. Jean-Marc LINARES AixMarseille Université
CoDirecteur de these M. Emmanuel MERMOZ Airbus Helicopters - Aix Marseille Université
Examinateur M. Denis TEISSANDIER Université de Bordeaux
Rapporteur Mme Isabelle BRUANT Université Paris Nanterre
Rapporteur M. Salah RAMTANI Université Sorbonne Paris Nord

Résumé de la thèse

Les liaisons mécaniques suivent depuis des années des méthodes de conception et d’usinage classiques qui ont montré des faiblesses dans la durée de vie des mécanismes. Lorsque l’on regarde la nature et les liaisons biologiques qu’elle a conçues, on peut observer que les formes articulaires sont plus complexes que les formes géométriques parfaites utilisées en conception mécanique. Il pourrait donc être intéressant de s’inspirer des formes articulaires d’animaux présentant des aptitudes physiques hors du commun pour concevoir des liaisons mécaniques bio-inspirées. Cependant, pour valider cette hypothèse et pouvoir plus tard pouvoir dimensionner ces nouvelles liaisons, il est dans un premier temps nécessaire de savoir à quelles charges et pressions elles sont sollicitées dans la nature. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif de déterminer des méthodes pour estimer les efforts auxquels les liaisons biologiques sont soumises. Pour cela, après avoir fait l’état de l’art sur la bio-inspiration, ainsi que sur les différentes manières de mesurer ou estimer les efforts dans les articulations biologiques, la question fondamentale à laquelle cette thèse devait répondre était l’identification de la liaison biologique présentant un intérêt pour la bio-inspiration. Pour cela, il était nécessaire d’identifier les différentes formes de liaisons biologiques façonnées par la nature et donc d’être capable de déterminer une classification des espèces en fonction de la géométrie de leurs liaisons. Suite à l’élaboration de cette classification, il a été décidé de travailler avec le cheval pour la suite des travaux. En effet, ce dernier est un animal domestique et maniable, facilement utilisable pour des mesures in-vivo et in-vitro. De plus, il possède des aptitudes physiques remarquables, notamment lors du saut d’obstacle où ses membres antérieurs sont hautement sollicités. Ainsi, une méthodologie a été définie afin d’estimer les efforts dans les liaisons biologiques de la patte avant d’un cheval par des méthodes basées sur l’exploitation conjointe de mesures expérimentales dynamiques et de simulations mécaniques multi-corps. Ceci a permis de déterminer les efforts articulaires dans la patte avant du cheval au trot et lors du saut d’un obstacle. Finalement, afin de constituer une base solide pour le futur dimensionnement des liaisons bio-inspirées, les pressions de contact dans l’articulation du coude du cheval ont été calculées grâce à des modélisations en éléments finis. Ces données constituent un réel atout pour représenter l’intérêt de la bio-inspiration en mécanique.

Thesis resume

For years, mechanical joints have been designed following classical methods of conception and machining that revealed weaknesses in the lifetime of mechanisms. When looking at the nature and the biological joints that were created, one can observe that the biological articulations forms are much more complex than the perfect geometrical forms used in mechanical design. It could therefore be interesting to get inspiration from the biological joints of animals that present extraordinary physical skills to design bio-inspired mechanical joints. Nevertheless, to validate this hypothesis and be able to later dimension the new bio-inspired joints, it is first necessary to know the loadings and pressures that they are subjected to. In this context, the objective of this PhD is to determine the methodologies to estimate the forces soliciting the biological joints. To this end, after doing the state of art about bio-inspiration and about the different manners to measure or estimate the joint reaction forces, the fundamental question that this PhD needed to answer was the identification of the biological joint that presented an interest for bio-inspired joints design. To this end, it was necessary to first identify the different biological joints forms shaped by nature in order to be able to determine a classification according to the geometry of joints. From this classification, the horse was chosen for the following works. Indeed, the horse is a domestic animal, easy to use for in-vivo or in-vitro measurements. Moreover, it has outstanding physical skills, in particular when jumping an obstacle where its forelimbs are highly solicited. Therefore, a methodology was defined to estimate the joint reaction forces in a horse forelimb by methods based on both the exploitation of experimental dynamics measures and multi-body mechanical simulations. This enabled to determine the joint reaction forces in the forelimb of a horse at trotting and when jumping an obstacle. Finally, in order to build a solid basis for the future dimensioning of bio-inspired joints, the contact pressures in the horse elbow were calculated thanks to finite element modelling. These data constitute a real asset to represent the interest of bio-inspiration in mechanics.