Etude expérimentale et numérique de l'impact de la microstructure sur l'endommagement des roulements de ligne d'arbre moteur sous indentation

Doctorant : Amakoe Komlanvi AHYEE

Laboratoire INSA : LamCos

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Les roulements sont des composants mécaniques essentiels qui facilitent la transmission de puissance et le guidage en rotation avec un frottement réduit. L’endommagement en surface reste aujourd’hui la principale source de défaillance des roulements, il est la plupart du temps dû à la présence de défauts en surface tels : les rugosités et les indents.
Cette étude porte donc sur la compréhension des mécanismes d'endommagement en surface des roulements dus à l'écrasement des particules. Ainsi une caractérisation des matériaux des roulements (M50, 32CDV13, M50NiL, M50NiLDH) ayant subi des traitements thermochimiques a permis d’identifier le gradient de micro-dureté ainsi que les lois de comportement matériau et leurs évolutions. Des modèles semi-analytiques prenant en compte les effets des bords ont été élaborés, mettant en évidence que les bords libres induisent une augmentation de l’amplitude de la pression de contact de Hertz ainsi qu’un décalage de cette dernière. Ainsi l’utilisation des solutions de Hertz pour résoudre le contact peut entraîner des erreurs pouvant atteindre jusqu’à 20% de la pression maximale de Hertz dans le cas d’un massif de dimension finie. Les effets de bords disparaissent et peuvent être négligés à partir d’une distance d/a ≥ 4. Pour simuler l’indentation sur les pistes de roulement, un modèle par éléments finis de type « couplé Euler-Lagrange » a été adapté afin de reproduire le processus d’indentation réel des roulements et d’en étudier les influences. Une étude paramétrique exhaustive du processus d’indentation a été menée, révélant ainsi que la taille, la nature, la forme et la position de la particule, les matériaux des roulements, la présence de glissement et son taux critique, ainsi que les contraintes résiduelles ont une influence significative sur la formation du bourrelet. L’étude de la fatigue de surface a impliqué l’utilisation de critères de fatigue notamment des critères dérivés de Dang van afin de localiser les sites d’amorçage des fissures. En s’appuyant sur la limite d’endurance expérimentale identifiée dans les travaux de Jacq et al. un critère d’endommagement basé sur la pente moyenne des bourrelets a été identifié. Ce critère permet de relier les propriétés des particules ainsi que les dimensions de l’indent. La pente moyenne critique ainsi que la hauteur de bourrelet critique sont donc identifiées via l’utilisation des expressions analytiques établies traduisant l’évolution des paramètres d’indentation.

 

A gridless method for three-dimensional acoustic imaging based on unconstrained sonons

Doctorant : Zijian NIU

Laboratoire INSA : LVA

Ecole doctorale : ED162 MEGA

L'imagerie acoustique tridimensionnelle par les antennes de microphones est une mission compliquée. En effet, des limitations surviennent lors de la réalisation de mesures tridimensionnelles en raison du nombre significatif de microphones nécessaires et des recherches exhaustives associées aux méthodes basées sur un maillage. Dans ce contexte, au lieu de créer un maillage d'une région de l'espace pour identifier les distributions de sources acoustiques, l'objectif de ce travail est de proposer une nouvelle méthode sans maillage pour reconstruire le champ acoustique à l'aide d'un ensemble équivalent de sources ponctuelles aux coordonnées non restreintes, appelées "sonons acoustiques". Leur rayonnement est censé reproduire les mêmes propriétés acoustiques que le champ acoustique mesuré, telles que son niveau de pression, sa directivité et sa cohérence spatiale en récupérant les informations de phase. Il est constaté que le concept proposé de sonons, tout en étant très flexible, offre efficacement des représentations équivalentes pour diverses distributions de sources. Les résultats de simulation montrent que la méthode peut s'adapter à diverses situations de champ acoustique, qu'il s'agisse de sources élémentaires ou de densités de sources volumétriques complexes. Le problème est formulé dans un cadre probabiliste, à travers un modèle bayésien hiérarchique inféré par un algorithme dédié de Monte Carlo par les chaînes de Markov. Les performances de la méthode sont évaluées sur des problèmes de rayonnement analytique, et sa capacité à reconstruire la directivité est testée pour deux cas de rayonnement en champ lointain et un cas industriel.

Blood velocity reconstruction with contrast enhanced X-ray CT

Doctorant : Shusong HUANG

Laboratoire INSA : Creatis

Ecole doctorale : ED160 EEA

In this work, we aim to focus on blood flow reconstruction using the Computed Tomography (CT) technique. This non-destructive and non-invasive technique is broadly used in non-medical and medical clinical applications for the human body and brain. X- rays and Computed Tomography have been a breakthrough in the medical field to visualize the tissues and organs of a patient. However, in the past two decades, there are few research works concentrating on in vivo blood velocity measurement with X-ray CT. Blood flow velocity reconstruction with contrast enhanced X-ray CT is a complex inverse problem. The acquisition of 2D CT projections perpendicular to the major flow propagation direction is considered for the reconstruction of blood flow, with a tracer injected into the vessel. In order to solve the inverse problem of contrast-enhanced CT reconstruction of vascular blood flow, a function is minimized with a data term taken into account the projections coupled with a partial differential equation (PDE) describing the transport of the tracer used as a constraint. The PDE models the propagation of the contrast agent with a convection term depending on a flow velocity field.

The objectives of this work are blood velocity components reconstruction with X-ray CT with accelerated convergence, reduced calculation cost, and reduced radiation dose. To accomplish these objectives, the adjoint method is initially considered for solving the tomographic inverse problem with a constraint based on a PDE. Additionally, to accelerate convergence, the proper orthogonal decomposition (POD) method combined with the adjoint method is proposed in this work. Finally, the new Proper Orthogonal Decomposition-Deep Learning (POD-DL) approach for solving the considered inverse problem is investigated to reduce effectively the computation costs in our work. The effectiveness of proposed approaches for blood flow reconstruction is demonstrated by employing the blood velocity reconstruction in a simulation vessel.

Flowshop scheduling problem including learning and fatigue effects: theoretical contributions and case study

Doctorante : Yenny Alexandra PAREDES-ASTUDILLO

Laboratoire INSA : DISP

Ecole doctorale : ED512 : InfoMaths

Despite the rise of automation, hand-intensive production systems are still in use due to the need for workers to be extremely flexible and precise in completing certain tasks. Interest is generated by the impact of learning and fatigue on manual task productivity. The focus of this study is on a flowshop scheduling problem (FSSP) that considers the effects of learning and fatigue. Firstly, a literature review was conducted on the scheduling problem with learning and deterioration effect. After that, a theoretical approach was used to address the problem of FSSP with learning effect. Mathematical models that minimize the makespan were presented. Exact methods and heuristics were proposed for solving the problem in small and large instances. As fatigue is a type of deterioration, a multi-agent model was proposed to validate the integration of muscular fatigue into the FSSP by minimizing the total fatigue dose. Finally, the framework was validated by a case study application that took place in a manual picking line. The modeling of learning and fatigue effects and the computation of model parameters from real data were discussed. A bi-objective approach was proposed to minimize both makespan and total fatigue dose simultaneously. Break policies are recommended depending on the company's needs and the objective to prioritize. The aim of this work is to inspire future work that is interested in addressing operations research problems with a responsible incorporation of human factors.

Elaboration, characterization, and reliability of Copper-Copper connections for the assembly of advanced technology microelectronic devices

Doctorant : Romain HAEFFELE

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Dans les composés microélectroniques, la connexion électrique entre le circuit intégré et son boîtier est généralement effectuée par un procédé de câblage qui implique une soudure entre un fil et deux plots de connexion. Une récente technologie permet de réaliser ce câblage sans soudure intermétallique (liaison cuivre-cuivre). Cependant, lors des procédés d'assemblage et du fonctionnement du produit, le pad de cuivre est exposé à des environnements agressifs (température, humidité et contaminants halogénés). La corrosion des plots de cuivre peut entraîner une rupture du câblage et une baisse de la fiabilité du dispositif. Il est donc essentiel de maîtriser l'état de surface des plots tout au long de l'assemblage précédent le procédé de câblage. Une couche d’alumine ultra-mince (< 15 nm) est déposée sur le cuivre pour le protéger tout en permettant le câblage thermosonique. Cependant, des phénomènes de corrosion localisée ont été observés. Il est question dans cette thèse d’étudier les mécanismes de dégradation de ces systèmes revêtus Cu/Al2O3 pour proposer un revêtement qui permet de répondre au cahier des charges. Une caractérisation fine du substrat a été réalisée par des techniques de microscopie avancées. Il a été montré que l’état de surface du cuivre est un facteur très important. En effet, la surface du substrat présente des excroissances de grains (zones de fortes contraintes entre les grains), qui ne permettent pas une bonne tenue de la couche d’alumine. Une étude approfondie de la réactivité par voie électrochimique du système revêtu a permis de comprendre les mécanismes de dégradation du cuivre en milieu aqueux et chloruré. Sur la base de ces nouvelles connaissances, un revêtement innovant capable de résister à la fois à l'environnement agressif et aux contraintes mécaniques du substrat a été proposé. Le nouveau système revêtu a été validé sur un dispositif réel et son intégration dans le procédé de câblage a été réalisée avec succès.

Compréhension et optimisation du pompage énergétique multiphysique dans les absorbeurs de vibrations non-linéaires hybrides

Doctorant : Louis MESNY 

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Les absorbeurs passifs, également connus sous le nom de Tuned Mass Dampers (TMD), sont couramment utilisés pour réduire les vibrations. Leur principal avantage réside dans leur facilité de mise en œuvre. Cependant, leur plage d'efficacité est limitée, car ils sont conçus pour fonctionner à une fréquence spécifique. Au cours des dernières décennies, deux nouvelles voies ont émergé. Premièrement, l'hybridation qui combine des techniques de contrôle actif impliquant des actionneurs, des capteurs et des lois de contrôle avec un contrôle passif. Ce système combiné apporte une caractéristique "fail safe", ce qui signifie qu'il est robuste face aux défaillances des composants actifs et présente généralement des performances supérieures par rapport aux systèmes purement passifs. Deuxièmement, la fonctionnalisation des non-linéarités dans les absorbeurs de vibrations, on parle alors d'absorbeurs non-linéaires. Ces derniers peuvent être purement non linéaires, tels que le Nonlinear Energy Sink (NES), ou disposer en plus d'une partie linéaire, comme le Nonlinear Tuned Vibration Absorber (NLTVA). L'introduction de ces non-linéarités élargit la gamme d'applications des absorbeurs. Cependant, les non-linéarités peuvent également entraîner des phénomènes indésirables, tels que des solutions isolées ou des points de bifurcation, qui doivent être identifiés pour assurer un fonctionnement sûr et efficace. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est de combiner ces approches afin de surmonter leurs limitations individuelles. Le manuscrit fournira un aperçu détaillé des outils utilisés pour analyser les systèmes à dynamique non-linéaire couplés à un contrôle actif. Ces outils serviront ensuite de base pour la compréhension et la validation d'un absorbeur non-linéaire hybride expérimental.

Study on the effect of environment on internal fatigue crack propagation in Ti-6Al-4V

Doctorant : Louis HÉBRARD

Laboratoire INSA : MatEiS

Ecole doctorale : ED 34 : Matériaux de Lyon

In Very High Cycle Fatigue regime (fatigue lives longer than $10^8$ cycles), the fatigue cracks tend to initiate internally. This makes the visual detection impossible during maintenance operations. Consequently, engineers need robust fatigue datasets to prevent internal crack initiation to lead to the fracture of a critical part. For that purpose, in-situ experimental techniques are developed. In particular, micro-computed tomography allows to acquire direct images of internal fatigue cracks. In this study, a combination of in-situ micro-tomography and ultrasonic fatigue cycling has been applied to internally notched specimen in order to collect fatigue datasets. More preciselly, the crack shape of internal fatigue cracks has been monitored in 3D at different instant of their propagation up to the Very High Cycle Fatigue regime. Internal notches have also been linked to the specimen surface and so to the ambient atmosphere in order to study the influence of environment on internal fatigue cracks. This expermental procedure allowed to acquire for the first time, in-situ observations of internal fatigue cracks propagating with and without air in a Ti64 alloy. In this context, temperature measurements were also carried out to evaluate the effect of the environment on the plasticity at the crack tip. Finally, the fatigue data obtained at ultrasonic frequencies allowed to evaluate the influence of the cycling frequency on crack growth rates.

Multifunctional materials for intelligent textile: Toward automotive applications

Doctorant : Leopold DIATEZO

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED162 : MEGA

Ce projet de recherche de doctorant concerne l’élaboration et l’utilisation de matériaux multifonctionnels imprimable, en mettant l’accent sur les compromis entre propriétés matériaux et spécification applicative, avec un focus autour des fonctions de chauffage par effet joule et d’électroluminescence. L’originalité des travaux repose sur une approche couplée entre matériaux multifonctionnels et intégration textile. Le premier point de l’étude concerne la sélection des matériaux multifonctionnels jugés comme potentiellement intéressants pour la création de textiles intelligents adaptés aux secteurs cibles de la société TESCA-groupe. Cette sélection impliquait la caractérisation des propriétés électriques et thermiques des matériaux conducteurs ainsi que du substrat textile. De plus, des analyses à l'aide d'appareils de microscopie électronique à balayage (MEB)/ spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) et diffraction de rayon X (DRX) étaient effectuées pour étudier la microstructure, notamment l'adhérence, l'épaisseur des couches déposées et la composition chimique des matériaux. Le second aspect met l’accent sur une étude du vieillissement accéléré sur des éprouvettes unitaires des substrats textiles revêtus d'encre conductrice, en conformité avec les spécifications requises de la société Tesca. L'objectif de cette démarche était d'identifier les limites inhérentes à chaque matériau, telles que la déformation maximale, les variations de température, l'adhérence, la compatibilité des processus, etc., dans le but de proposer des axes d'optimisation ou de tenir compte de ces limitations lors de la conception des transducteurs intégrés sur substrat textile. Cette première étape nous permettait d'établir une base de matériaux multifonctionnels pouvant être utilisés pour des applications spécifiques, telles que les nappes chauffantes, les interrupteurs capacitifs ou résistifs, les transducteurs, les capteurs de grandeurs mécaniques, entre autres.
Le troisième volet de cette recherche consistait à assembler ces éléments de base pour créer des sous-fonctions qualifiées d’intélligente. En effet, la réalisation de transducteurs impliquait généralement la combinaison de différents matériaux multifonctionnels afin de répondre aux exigences spécifiques de l'application visée.
 

 

Switched Battery DC-DC Converters for Low-Power Applications

Doctorant : Carlos Augusto BERLITZ

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED 160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Avec la popularisation récent des dispositifs électroniques portables, des capteurs sans fil et de l'Internet des objets (IoT), la demande de solutions de gestion d'alimentation efficaces et adaptables a atteint des sommets sans précédent. Les applications à faible puissance, couvrant un large éventail de domaines et sont devenues essentielles à notre mode de vie moderne. Ces applications, souvent alimentées par des ressources énergétiques limitées, présentent un ensemble unique de défis et d'opportunités dans le domaine de l'électronique de puissance. Alors que les convertisseurs CC-CC traditionnels ont démontré leur efficacité dans de nombreuses situations, leurs conceptions conventionnelles pourraient ne plus suffire à répondre aux exigences distinctes et strictes des systèmes à faible et ultra-faible puissance. La recherche des nouveaux convertisseurs CC-CC commuté spécifiquement adaptés aux applications à faible puissance est au cœur de cette thèse.

Traditionnellement, les convertisseurs CC-CC reposent sur des inducteurs ou des condensateurs pour une conversion à haute efficacité. Cependant, malgré les avancées dans des nombreux domaines de l'électronique de puissance, certaines limitations physiques et intrinsèques subsistent dans le comaine de failbe-puissance, telles que les pertes de partage de charge ou la difficulté de miniaturisation des inducteurs. De telles contraintes appelent à des solutions innovantes pour ce genre d'application des convertisseurs CC-CC.

Cette thèse proposer une solution pour relever les défis intrinsèques aux convertisseurs CC-CC traditionnels, une nouvelle famille de topologies de convertisseurs CC-CC à basse fréquence et faible puissance basée sur des batteries en tant que dispositif passif volant. Cette nouvelle famille de topologies est validée expérimentalement avec des avantages par rapport aux convertisseurs CC-CC traditionnels dans les mêmes conditions. Cela ouvre également un nouveau domaine d'étude pour les technologies passives jusqu'alors non explorées dans ce contexte, comprennent des batteries et piles à combustible.

Enhanced Grover's Algorithm Solutions for 5G Active User Detection

Doctorant : Muhammad Idham HABIBIE

Laboratoire INSA : CITI

Ecole doctorale : ED160 : EEA

5G includes features like Ultra-reliable low-latency communication (URLLC) and Massive Machine Type Communication (mMTC) to minimize delays and connect numerous devices. This necessitates an Active User Detection (AUD) scheme, requiring real-time detection by the Base Station (BS). Maximum Likelihood (ML) is the top performer for AUD but is complex. To simplify, alternatives like CCR and ZF have been introduced but cannot match ML's performance. To address this, we explore Grover's algorithm, known for its superposition abilities (working with 0 and 1 at the same time). However, Grover's algorithm, when constrained by the function f (x) = δ, does not perform as well as ML; it is more similar to CCR and ZF. To match ML's performance, Grover's algorithm needs modification to find the minimum distance, like ML does.
We propose a new algorithm, namely Improved Iterated Minimum Searching Algorithm (IIMSA), aimed at enhancing the existing Boyer-Brassard-Høyer-Tapp (BBHT) and Durr-Hoyer Algorithm (DHA), which are the promising method to find minimum using Grover's algorithm, to reduce their complexity while maintaining high performance. The idea is to use any random solution rather than carrying out random L iterations as suggested by DHA. We also incorporate classical methods such as ZF and CCR to enhance their performance and reduce the complexity. We also adapt Grover's algorithm in the context of AUD in this thesis.
We also introduce an Enhanced Grover's algorithm inspired by a quantum-hybrid solution that leverages both quantum and classical elements. The primary goal is to increase the success probability Ps and reduce complexity of the original Grover's algorithm. The concept involves using fewer Grover's iterations than the optimal number, denoted as Lopt, and combining it with classical success probability. We believe that this approach has the potential to alter the complexity behavior and achieve high success probability.