Effets de la troncature sur l'épaisseur de film dans les contacts ponctuels elastohydrodynamiques pivotants

Doctorant : Tristan PATRIGEON

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures
École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Cette thèse est consacrée à l'étude des contacts pivotants situés à l'interface entre l'extrémité du rouleau et la collerette des roulements à rouleaux. Le but de cette étude est d'analyser l'influence de la proximité et de la forme du bord d'un solide sur l'épaisseur de film dans un contact élastohydrodynamique. De plus on étudie comment un mouvement de rotation peut affecter un contact tronqué. Afin d'approcher des mécanismes réalistes, l'importance de la géométrie au bord du solide est prise en compte. Une double approche numérique-expérimentale est proposée. L'épaisseur du film est calculée numériquement à l'aide d'une méthode d'Eléments Finis et est validée à l'aide de deux bancs d'essais dédiés: Jerotrib et Tribogyr. Une comparaison de l'épaisseur centrale et minimale du film est effectuée pour une arête vive, un chanfrein et un congé pour différentes distances entre le bord du solide et le centre de la zone de contact théorique. L'analyse montre une diminution exponentielle de l'épaisseur minimale du film lorsque le contact s'approche du bord, et notamment lorsque le bord entre dans la zone théorique de contact. L'influence de l'angle du chanfrein et du rayon du congé sur l'épaisseur du film est déterminée.

 

Rôle de la rhéologie et de la physicochimie de l'interface dans la réponse tribologique et dynamique des systèmes frottants en composites C/C

Doctorant : Simone CIPRARI

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

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Les matériaux composites carbone/carbone (C/C) sont utilisés dans de nombreuses applications de freinage haute performance, telles que le freinage aéronautique, dans lesquelles la légèreté et la résistance thermique représentent des exigences cruciales. En raison de l'intérêt croissant pour cette classe de matériaux, un grand nombre de travaux de recherche ont étudié leur réponse tribologique. Un comportement complexe, caractérisé par l'existence de différents régimes de frottement en fonction des principaux paramètres de contact (température, pression, vitesse de glissement, etc.), a été mis en évidence. Malgré la quantité de travaux consacrés à ce sujet, seuls quelques groupes de recherche ont étudié la relation entre la réponse en frottement des matériaux C/C et l'apparition de vibrations instables induites par le frottement (FIV) du système mécanique, soulignant un rôle fondamental joué par la rhéologie de l'interface sur les comportements de frottement conduisant à l'apparition d'instabilités dynamiques au contact. Dans ce cadre, cette thèse étudie le rôle du troisième corps (c'est-à-dire la couche d'interface formée par les particules d'usure et externes) sur la réponse tribologique et dynamique des systèmes de friction C/C. À cette fin, une nouvelle méthode expérimentale d'évaluation du rôle rhéologique du troisième corps est développée, en adoptant une approche indirecte. La technique de nettoyage par ultrasons est appliquée pour retirer la couche de troisième corps d'un contact C/C, ce qui permet d'effectuer des tests sur les mêmes échantillons en présence et en absence de la couche d'interface. La comparaison entre les comportements mesurés met en évidence un rôle prédominant du troisième corps dans le contrôle de la réponse globale en frottement du système, en particulier dans des conditions de température élevée. La réintroduction dans le contact d'un troisième corps externe est également étudiée, en utilisant les échantillons nettoyés, obtenus après des conditions de freinage réelles et après l'élimination de leur troisième corps naturel, en tant que substrats. La validation de cette procédure ouvre la voie à l'essai d'échantillons de troisième corps introduits artificiellement. Des observations MEB complémentaires ont été effectuées pour caractériser la couche de troisième corps observée sur les surfaces de frottement des matériaux C/C conditionnés pendant la vie en service. Des familles morphologiques du troisième corps en accord avec la littérature existante ont été identifiées, et un accent particulier a été mis sur les contaminants hétérogènes observés dans le troisième corps carboné. Ces observations ont conduit au développement des spécimens artificiels du troisième corps, destinés à reproduire le mieux possible la morphologie du troisième corps naturel, en contrôlant la présence et la morphologie des contaminants hétérogènes. À l'aide de cette méthodologie, le rôle du troisième corps et de ses caractéristiques, telles que la morphologie et la composition chimique, sur la réponse frictionnelle et dynamique du contact C/C a été analysé. L'effet de certains contaminants du troisième corps est étudié, révélant une forte sensibilité de la réponse de frottement C/C sur la nature du contaminant, même en présence d'une faible fraction d'éléments hétérogènes dans la couche de troisième corps. Chaque type de contaminant est caractérisé en termes d'effet sur les valeurs moyennes de frottement et sur la relation coefficient de frottement - vitesse, deux aspects fondamentaux pour évaluer leur impact sur l'apparition de vibrations instables induites par le frottement. Des scénarios rhéologiques sont ensuite proposés pour expliquer la réponse tribologique mesurée, en clarifiant les comportements de frottement qui conduisent à l'apparition d'une réponse dynamique instable du système.

 

Contribution à la compréhension du phénomène de bruit fantôme des dentures d'automobiles

Doctorant : Julien FINOT

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

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Au cours des dernières années, l'industrie automobile a entrepris une transformation majeure de ses groupes motopropulseurs afin de se conformer à des réglementations plus strictes concernant les émissions de CO2. Cela a conduit Stellantis à fabriquer des véhicules électriques qui sont plus silencieux que les véhicules à essence ou Diesel en raison de l'absence de ce type de groupe motopropulseur. La boîte de vitesses existe toujours, et le bruit d'engrènement, également appelé bruit de sirène, devient plus audible à l'intérieur de la voiture. De plus, un autre type de bruit, appelé bruit fantôme, peut apparaître et devenir insupportable pour les utilisateurs du véhicule. La manière dont ce bruit fantôme est créé est encore sujet à discussion, mais il est clairement lié au processus de superfinition des flancs des dents des roues dentées et en particulier au processus de rectification par génération des roues dentées. Comme il s'agit du processus de superfinition le plus rapide pour l'usinage des dents, il est impératif pour l'industrie automobile de maîtriser ce phénomène de bruit. Tout d'abord, une introduction à l'évolution de la fabrication des engrenages chez Citroën et de l'architecture des boîtes de vitesses est faite pour mettre en évidence la transformation constante de cette industrie. Ensuite, une revue de la littérature traitant du phénomène de bruit fantôme est réalisée, abordant plusieurs sujets tels que: - La mesure et l'analyse de la micro-géométrie. - Les causes racines du bruit fantôme. - La détection du bruit fantôme lors de !'engrènement. - La simulation de la rectification par génération des roues dentées... Ensuite, différentes méthodologies sont créées ou améliorées afin d'étudier l'effet des flancs de dents avec des défauts d'ondulations sur l'apparition du bruit fantôme : - Une nouvelle analyse de la micro-géométrie testée en production automobile ; - L'amélioration de la simulation de !'engrènement en prenant en compte des écarts d'ondulations sur les flancs des dents ; - La conception et la validation d'une machine de mesure de l'erreur de transmission sans charge pour corréler les résultats de la simulation
d'engrènement; - Une simulation cinématique de la rectification des dentures par génération avec la possibilité d'ajouter des défauts cinématiques et d'étudier leurs effets sur les flancs des dents usinées. Enfin, une importante campagne de tests réalisée avec un fabricant de machines de rectification de denture est présentée et les résultats sont construits en utilisant les méthodologies développées précédemment. Sur la base des résultats, des lignes directrices pour maîtriser le phénomène de bruit fantôme sont données.
 

Élément fini solide-poutre pour l'analyse mésoscopique du comportement des renforts textiles à fibres continues

Doctorant : Baptiste LACROIX

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

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

Les renforts textiles à fibres continues sont utilisés pour la fabrication de matériaux composites, ce qui implique parfois des étapes de mise en forme. La maîtrise des étapes de celle-ci requiert des simulations à différentes échelles de représentation : macro, méso ou microscopique qui correspondent respectivement à celle du renfort, de la mèche ou de la fibre. L'analyse mésoscopique de la mise en forme de ces renforts permet de mettre en évidence les défauts apparaissant au niveau des mèches : leur flambement, leur écartement et leur désorientation. Leur prédiction est cruciale car ils sont responsables d'une diminution locale des propriétés mécaniques de la structure. Les méthodes permettant des simulations numériques à cette échelle nécessitent parfois des modèles complexes au nombre de degrés de liberté élevé et sont donc coûteux d'un point de vue calculatoire. Pour limiter ces coûts, certaines approches utilisent des modèles fondés sur des hypothèses simplificatrices qui ne permettent pas de capturer l'ensemble des mécanismes à l'œuvre dans la transformation des milieux fibreux. Pour répondre à cette problématique, l'objectif de la thèse est de développer une nouvelle stratégie de modélisation frugale pour l'analyse mésoscopique des renforts à fibres continues. Dans ce travail, nous proposons une approche de solide-poutre pour décrire les mèches. Cette approche repose sur une actualisation de la méthode proposée par Charmetant, basée sur des éléments volumiques et une loi de comportement hyperélastique isotrope transverse. Dans le cas du solide-poutre développé ici, l'élément volumique est enrichi par des poutres fictives utilisant une extension 3D de la méthode dite des éléments voisins et permettant de prendre en compte la raideur en flexion de la mèche. L'approche est implémentée dans un code de calcul interne utilisant la méthode des éléments finis avec un schéma d'intégration temporelle explicite. Des simulations de compaction non confinée, de flexion cantilever et de flambement d'une mèche sont réalisées afin d'observer l'influence de chaque mode de déformation sur la transformation de la mèche. Au travers de simulations numériques sur des mèches, des catégories de comportement de milieux fibreux (associées à des jeux de paramètres matériau) sont mis en évidence ; une classification est proposée en utilisant des ratios de propriétés. La pertinence de cette stratégie est démontrée par des comparaisons entre des simulations numériques et des essais sur des matériaux modèles. Enfin, des simulations de compaction et de pull-out hors plan sont réalisées sur un échantillon de renfort taffetas. Ces exemples numériques démontrent la capacité de notre modèle à capturer des défauts qui apparaissent lors d'opérations de mise en forme.

Développement d’outils pour le diagnostic et le traitement des maladies neurodégénératives

Maître de conférences des universités (MCU) : Adina-Nicoleta LAZAR

Laboratoire INSA :  LaMCoS

Composition du jury : 

Rapporteurs : Elmira Arab-Tehrany, Marc Dhenain, Sophie Lecomte

Jury : 

Civilité	Nom et Prénom	Grade/Qualité	Établissement
Mme	ARAB-TEHRANY Elmira	Rapporteur	Université de Lorraine
Mme	LECOMTE Sophie	Rapporteur	CBMN, Université de Bordeaux
M.	DHENAIN Marc	Rapporteur	MIRCen, Université Paris-Saclay
Mme	BERNOUD-HUBAC Nathalie	Examinateur	INSA Lyon
Mme	MANITI Ofelia	Examinateur	Université Lyon 1
M.	DELATOUR Benoît	Examinateur	ICM, Sorbonne Université, Paris

 

Développement d'un modèle éléments finis thermomécanique macroscopique pour l'estimation de l'impact du meulage sur les contraintes résiduelles dans les assemblages soudés.

Doctorante : Audrey MICHON

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

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

Le meulage, une opération d'enlèvement de matière utilisée dans diverses industries, en particulier dans le secteur nucléaire (EDF), est principalement appliqué aux composants soudés. Ce procédé, impliquant un outil de meulage composé de liants et de particules abrasives, fait partie des procédés de parachèvement pour améliorer la qualité des pièces soudées. Cependant, la nature manuelle du meulage introduit une variabilité en raison de facteurs tels que le type d'outil, le savoir-faire de l'opérateur, les matériaux utilisés et les paramètres opératoires de meulage. De plus, le meulage influence les contraintes résiduelles près de la surface traitée et, suivant la nature des matériaux, peuvent favoriser les mécanismes de fissuration par Corrosions Sous Contraintes (CSC). Cette thèse examine comment le meulage modifie l'état des contraintes résiduelles, façonné par l'historique thermomécanique du composant. Le meulage peut introduire de nouvelles contraintes résiduelles. Pour comprendre l'impact des paramètres de meulage sur ces contraintes, nous proposons une chaîne numérique complète, validée par des essais sur un banc de meulage semi-automatique développé par Framatome. L'objectif est d'évaluer l'interaction complexe entre les paramètres opératoires (procédé) du meulage et l'état des contraintes résiduelles dans les composants soudés. Le défi dans la modélisation du meulage provient des nombreux phénomènes physiques en jeu, allant de l'enlèvement de matière aux interactions thermomécaniques au cours du contact outil-pièce. Pour s'aligner sur les exigences d'EDF, une approche macroscopique a été adoptée, adaptée pour analyser les effets du meulage à l'échelle du composant. Notre recherche a conduit au développement d'un modèle tridimensionnel de meulage utilisant Code_Aster, le code open source d'éléments finis développé par EDF. Le procédé de meulage est simulé comme une charge thermomécanique équivalente, pré-calculée en utilisant un code de contact semi-analytique interne ISAAC développé au LaMCoS. Ces simulations couvrent plusieurs étapes successives d'enlèvement de matière. Pour valider notre modèle, nous avons effectué des essais sur une maquette soudée pour anticiper l'impact du meulage sur les contraintes résiduelles des soudures. Les résultats obtenus permettent non seulement de montrer l'effet du meulage sur les soudures, en termes de contraintes résiduelles, mais aussi de montrer la capacité du modèle à reproduire les tendances observées expérimentalement.

Multi-stabilité et rupture de symétrie dans un système vibro-impact non linéaire avec jeu annulaire : analyse expérimentale et numérique des bifurcations

Doctorant : Pau BECERRA ZUNIGA

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

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

Dans les générateurs de vapeur, les vibrations induites par l'écoulement génèrent des impacts qui peuvent provoquer l'usure des tubes intérieurs au fil du temps. Afin de mieux comprendre la réponse non linéaire de ces structures, une maquette représentant un tronçon de tube de générateur de vapeur a été conçue, consistant en un tube droit bi-encastré vibrant en flexion avec une butée annulaire à jeu avec un dispositif pour contrôler l'excentrement tube-butée. Parallèlement, un modèle d'ordre réduit a été construit afin de prédire la réponse la maquette et un algorithme de continuation basé sur la méthode d'équilibrage harmonique (HBM} a été utilisé pour calculer ses réponses stationnaires multistables. Cet algorithme ainsi qu'une technique de suivi des bifurcations ont été implémentés dans Cast3M (code de calcul du CEA}. Les résultats expérimentaux ont montré la coexistence de différents régimes pour le même ensemble de paramètres, ce qui a été correctement prédit par le modèle. Ensuite, les résultats expérimentaux et numériques ont été confrontés pour différentes symétries de tube-butée et malgré le modèle d'ordre réduit, les deux correspondaient remarquablement. Ces comparaisons ont été effectuées pour différentes configurations de symétrie tube-butée et l'analyse de bifurcation s'est avérée particulièrement précise pour prévoir l'apparition de régimes multi-stables. En outre, le suivi des bifurcations a été utilisé pour analyser l'influence d'un modèle de frottement glissant régularisé. Enfin, l'influence du nombre de modes retenus dans le modèle d'ordre réduit a également été examinée. Ces résultats démontrent la coexistence de plusieurs réponses dynamiques dans une maquette assez simple, tout en mettant en évidence la robustesse et les points faibles des outils numériques développés au cours de ce travail.
 

Simulation numérique de la croissance d'anévrisme de l'aorte ascendante pour l'aide à la décision chirurgicale

Doctorante : Kexin YAN

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

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Prévoir l'évolution de la croissance des anévrismes de l'aorte ascendante (AscAA) représente un défi majeur en raison de l'interaction complexe entre la géométrie aortique, le comportement des tissus et la dynamique des flux sanguins. Cette étude explore un modèle de Fluide-Structure­ Croissance (FSG), basé sur la théorie Homogenized constrained mixture model (HCMM), pour simuler de manière réaliste la croissance des AscAA. Le modèle par éléments finis est initialisé avec une zone de dégradation de l'élastine, définie par la distribution des contraintes de cisaillement pariétales moyennes (TAWSS) dérivées des simulations de dynamique des fluides computationnelle. Dans un premier temps, nous menons une étude paramétrique pour évaluer l'influence de paramètres d'entrée spécifiques-tels que la direction du jet d'entrée, qui détermine les zones de TAWSS élevé, et la prédéformation initiale, qui impacte l'état homéostatique des tissus-ainsi que des paramètres matériaux sur les résultats de simulation de croissance. Ensuite, nous calibrons ces paramètres pour reproduire la croissance observée dans cinq cas patients, dont un cas disposant de données longitudinales. Nous parvenons à reproduire cette croissance longitudinale en tenant compte des mises à jour du TAWSS et de la rigidité du support élastique. Nos résultats montrent que l'approche FSG proposée, combinée à un ajustement des paramètres sensibles, permet de reproduire avec succès les schémas de croissance observés cliniquement, en validant à la fois le diamètre de l'anévrisme et la distribution des déplacements par comparaison à l'imagerie CT de suivi. Ce travail montre un potentiel prometteur pour une application à d'autres cas patients, contribuant ainsi aux efforts visant à développer un outil prédictif pour soutenir la prise de décision clinique.

Hydruration secondaire et fragilisation d'une gaine M5(Framatome) après sollicitation de type APRP

Doctorant : Apou Martial KPEMOU

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures
École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique
 

L'hydruration secondaire, qui fait référence à une prise massive d'hydrogène par la gaine combustible due à l'oxydation à haute température de la surface interne de la gaine, peut survenir pendant un transitoire APRP (Accident de Perte de Réfrigérant Primaire), en cas d'éclatement de gaine permettant à la vapeur de pénétrer à l'intérieur. Ce phénomène peut ensuite induire une fragilisation de la gaine combustible et conduire à une rupture lors de la phase de renoyage. Plusieurs instituts de recherche internationaux réalisent des essais dits semi-intégraux afin de caractériser le comportement des gaines combustibles en APRP. Ces essais combinent plusieurs phénomènes interconnectés, rendant complexe une étude fine et à effets séparés du phénomène d'hydruration secondaire. Ces travaux de thèse ont pour objectif d'améliorer la compréhension du phénomène d'hydruration secondaire par le biais d'essais analytiques dédiés et couplés à des simulations physico-chimiques et mécaniques. Un protocole expérimental a été mis en place, pour simuler le phénomène d'hydruration secondaire en conditions APRP, afin de caractériser l'effet de divers paramètres. Les résultats expérimentaux obtenus indiquent que la quantité d'hydrogène absorbée par la gaine augmente à la fois avec la température d'oxydation (1100-1200°C) et la durée d'oxydation (100-1400s). Une tendance similaire a été observée en étudiant l'influence de différentes tailles de gap (80, 130 et 230 µm) et de différents diamètres d'ouverture (02 et 04 mm). Différentes méthodes de mesure de l'hydrogène ont été utilisées pour caractériser la distribution de l'hydrogène au sein du matériau après oxydation :la mesure par fusion dégazage, l'imagerie par neutrons et la µ-LIBS. Des techniques d'analyses locales (EPMA et µ-LIBS) ont également été employées afin de déterminer la distribution locale de l'oxygène et de l'hydrogène. Les essais à effets séparés ont été modélisés à l'aide du logiciel SHOWBIZ de l'ASNR. Les simulations réalisées ont permis de mettre en évidence les mécanismes de transport des gaz à l'intérieur de la gaine, ainsi que l'influence de différents paramètres. La tendance des résultats de simulations est en bon accord avec les résultats expérimentaux. Enfin, les effets de fragilisation combinés des réactions d'oxydation et d'hydruration de la gaine ont été étudiés par le biais d'essais de flexion 4 points et par une modélisation mécanique de la rupture.

The role of length scales in material failure

[Soutenance publique]

Chargé de recherche CNRS : Gergely MOLNAR

Laboratoire INSA : LaMCoS

Rapporteurs : ​

• Samuel Forest (MINES Paristech,
• David Rodney (UCBL),
• Jean-François Molinari (EPFL)

Jury

Civilité	Nom et Prénom	Grade/Qualité	Établissement
M.	FOREST Samuel	Directeur de Recherche	MINES Paristech
M.	RODNEY David	Professeur des universités	Université Claude Bernard Lyon 1
M.	MOLINARI Jean-François	Full professor	EPFL
Mme.	DE LORENZIS Laura	Full professor	ETH Zürich
M.	MOËS Nicolas	Professeur des universités	UCLouvain
M.	GRAVOUIL Anthony	Professeur des universités	INSA Lyon