Modeling, characterization and implementation of ferroelectric materials and their phase transitions for energy harvesting under extreme conditions

Doctorant : Gaspard TAXIL

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED160 : EEA

Ce travail de recherche se concentre sur l’utilisation des transitions de phases des matériaux ferroélectriques pour la récupération d’énergie mécanique. La récupération d'énergie mécanique est une approche alternative pour alimenter des dispositifs et des capteurs. Cela est d’un grand intérêt, surtout compte tenu de l’essor des dispositifs interconnectés et du besoin de produire de l’électricité décarbonée. Cette thèse a la particularité de s’intéresser aux systèmes non résonnants, ce qui reste encore peu exploité en récupération d’énergie. L'un des principaux défis avec cette approche est la nécessité de maximiser la récupération d'énergie par cycle pour la rendre viable. Ainsi, l'utilisation de cycles thermodynamiques permet d'optimiser l'énergie récoltée. Le cycle d’Ericsson, communément appelé cycle d’Olsen dans le domaine de la récupération d'énergie pyroélectrique, a attiré l'attention en raison de ses remarquables capacités de conversion d'énergie. Ce cycle comprend deux processus isostatiques et deux processus isoélectriques et il offre une bonne solution pour la récupération d'énergie mécanique non résonante. Dans ce contexte, les matériaux ferroélectriques (une classe particulière des matériaux piézoélectriques) montrent un potentiel significatif pour être utilisés dans la récupération d'énergie mécanique en tant que transducteur en raison de leurs propriétés exceptionnelles. Une caractéristique notable de ces matériaux est leur capacité à afficher des transitions de phase induites par des variations de température, de champ électrique et de contrainte. L'exploitation de ces transitions de phases peut s’avérer prometteur pour améliorer la récupération d'énergie, étant donné que les matériaux présentent des propriétés non linéaires à proximité de ces transitions. Ainsi, ce travail propose grâce à la modélisation, la caractérisation et l’implémentation de ces matériaux ferroélectriques dans des dispositifs de récupération d’énergie, d’utiliser ces non-linéarités induites par la contrainte et par le champ électrique pour améliorer la conversion d’énergie mécanique.

On the use of X-ray computed tomography to investigate the influence of surface integrity on the fatigue properties of additively manufactured Ti64

Doctorant : Florian STEINHILBER

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Manufacturing defects are known to significantly impact the fatigue properties of additively manufactured (AM) components. Notably, the large surface roughness, typical of AM processes, leads to increased stress concentrations that promote crack initiation, thereby reducing fatigue resistance. Traditionally, surface roughness and related defects are evaluated using tools like white light interferometers. However, these instruments offer a limited, single-perspective and only partially three-dimensional analysis. Those limitations do not enable the thorough characterization of the complex surfaces and hidden defects typical in AM components. This study describes a methodology for performing a 3D surface analysis using X-ray Computed Tomography (XCT) data. The method is illustrated on various samples, ranging from simple cylinders to more intricate architected structures. It turns out to be very efficient at detecting critical surface defects, such as notches hidden by partially melted powder particles. The methodology is then applied to examine the effect of surface defects on the fatigue properties of Ti64 produced by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). This analysis includes both as-built surfaces and those subjected to post-treatments, specifically investigating the impact of Plasma electrolytic Polishing (PeP) and surface oxygen contamination (presence of an
\textalpha-case layer) resulting from high-temperature heat treatment 860°C). Using XCT for 3D characterization, defects responsible for fatigue failure are identified, the latter being predominantly surface valleys. The method's ability to predict crack initiation locations is also evaluated, as well as its potential to estimate the fatigue resistance of a specimen before testing.
 

Analysis and rendering of contact vibrational stimuli for tactile perception

Doctorante : Livia FELICETTI

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale :  ED162 MEGA

Among the 5 senses, the sense of touch is between the most articulated and the least understood. While we are able to master the signals that underlie sight and hearing, rendering them using loudspeakers and visual interfaces, the mechanisms underlying the sense of touch are still largely unknown. Touch, originating by the contact between the skin and the explored surface and involving several types of stimuli, requires a strongly multidisciplinary approach and involves a wide range of disciplines, such as Medicine, Neurosciences, Psychology, Dynamics, Tribology, Materials Sciences, and beyond. Tribology and Dynamics are involved in the study of all those complex phenomena that occur at the contact and that generate mechanical stimuli such as Friction-Induced Vibrations and contact forces, at the origin of the stimulation of skin’s mechanoreceptors. This Ph.D. thesis is collocated into a research line closely dedicated to the investigation of the role of Friction-Induced Vibrations (FIV) in mediating between the characteristics of surface textures and the way in which textures are perceived and discriminated. Analyses of vibrational stimuli originating from the exploration of periodic and isotropic textures have been carried out in the present work, revealing different key features in the discrimination of such textures. A tactile rendering device, named PIEZOTACT, has been developed to reproduce/mimic the FIV previously measured during the exploration of real surfaces, conducing as well campaigns on groups of volunteers, to evaluate their ability to discriminate real and simulated textures starting from the sole vibrational tactile stimuli. Finally, a multi-disciplinary collaboration with laboratories form Neurosciences and Psychology has been performed to evaluate the brain's response to the mechanical stimuli generated by the exploration of real and simulated surfaces.

 

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.

 

Building Autonomous Agents with Hybrid Navigation Policies

Doctorant : Assem SADEK

Laboratoire INSA : LIRIS

Ecole doctorale : ED512 Informatique Et Mathématiques de Lyon

Les progrès récents de l'IA, et plus particulièrement de l'apprentissage automatique, permettent aux robots de s'intégrer de manière plus transparente dans nos habitudes quotidiennes. L'objectif de cette thèse est de faire un pas de plus vers le développement d'agents autonomes intelligents qui peuvent être intégrés dans notre environnement quotidien, comme les maisons, les hôpitaux, les centres commerciaux, etc. Ces agents devraient posséder la capacité de naviguer efficacement dans leur environnement pour atteindre un certain objectif, comme atteindre une certaine zone de l'environnement ou trouver un certain objet. C'est pourquoi nous examinons le large éventail de techniques existantes pour la construction d'un agent de navigation incarné. Ces techniques peuvent entièrement être apprises par des réseaux neuronaux (techniques basées sur l'apprentissage) ou elles peuvent être des techniques basées sur la géométrie qui reposent sur une modélisation explicite de l'agent et de son environnement. Dans cette thèse, nous construisons des approches hybrides qui utilisent les deux techniques afin de pouvoir fonctionner, non seulement dans une simulation, mais également dans un environnement physique réel. Il s'agit d'un objectif commun à toutes les contributions à ce travail.

Protocol Emergence with Multi-agent Reinforcement Learning

Doctorant : Mateus MOTA

Laboratoire INSA : CITI
Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Dans ce travail, nous proposons une technique de conception de protocole automatisée appelée émergence de protocole. Lors de l'émergence d'un protocole, les nœuds du réseau échangent des messages de contrôle afin de se coordonner pour transmettre des données à travers le réseau, mais sans aucun accord préalable sur la signification de ces messages. Cela peut être considéré comme une technique conjointe de signalisation et d’optimisation du réseau, le principal problème de réseau sans fil étudié dans ce travail étant la planification.

Premièrement, les principes fondamentaux de l'émergence des protocoles sont présentés en introduisant un cadre décrivant les méthodes d'évaluation, de caractérisation, de coordination entre nœuds et d'interprétation des performances des protocoles. Ce cadre est étudié dans un problème d'accès multiple slotté.

Dans la deuxième partie de ce travail, nous évaluons les performances d'émergence de protocoles dans un scénario plus difficile impliquant une allocation de ressources contiguës. Ce scénario difficile est utilisé pour évaluer les capacités d'apprentissage et les limites de l'émergence de protocoles, illustrant par exemple la robustesse de certains paramètres et les défis liés à l'évolutivité de l'UE.

Dans la troisième partie de ce travail, nous évaluons l'émergence de protocoles sous contraintes de signalisation, dans un scénario d'allocation non contiguë avec signalisation intermittente. Dans cette étude, nous nous concentrons sur la production d’une méthode dans laquelle le débit binaire de contrôle utilisé par le protocole peut être contrôlé. Les résultats mettent en évidence l'effet du coût de signalisation sur la réduction du débit binaire de contrôle et son effet sur la coordination et les performances.

Etude du confort vibratoire et acoustique en cabine d’avion sous l’influence de la rotation des moteurs ou des phénomènes de turbulences

Doctorante : Sarah JIBODH-JIAOUAN

Laboratoire INSA : LVA

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique Energétique Génie civil Acoustique

Airbus répond à la demande croissante des passagers d'avions commerciaux en quête d'un vol confortable, avec moins de bruit et de vibrations. Cependant, les normes actuelles ne correspondent pas toujours aux sensations ressenties par le personnel navigant. De plus, il n'existe actuellement aucun modèle d'inconfort intégrant à la fois les stimuli sonores et vibratoires pour une application dans l’aviation. Dans cette thèse, des tests perceptifs ont été menés pour mieux comprendre et modéliser la perception de l'inconfort causé par différentes sources, à travers deux axes de recherche distincts. Le premier axe s'est concentré sur les vibrations et le bruit générés par la rotation des turboréacteurs synchronisés et désynchronisés. Les résultats ont montré que les participants sont sensibles à la fréquence de rotation des moteurs synchronisés, ainsi qu'à son amplitude. En revanche, pour les moteurs désynchronisés, les variations d'amplitude de modulation ou de fréquence de modulation n'ont pas semblé affecter la sensibilité des participants. La sonie est apparue comme un paramètre pertinent pour évaluer l'inconfort acoustique, bien limitée. En ce qui concerne l'inconfort vibratoire, la norme ISO 2631-1 a été jugée adéquate pour estimer l'inconfort dans le cas des moteurs synchronisés, mais elle ne tient pas compte des phénomènes de modulation. Les participants ressentent les vibrations dans leur ensemble, sans qu'une zone spécifique du corps soit particulièrement touchée. Un modèle linéaire a été développé pour estimer l'inconfort global, intégrant à la fois l'inconfort acoustique et vibratoire, mais uniquement pour les moteurs synchronisés. Pour les moteurs désynchronisés, seul l'inconfort vibratoire était pertinent. Le deuxième axe s'est penché sur la perception subjective et physiologique de l'inconfort vibratoire causé par des turbulences. Les résultats ont montré que l'ISO 2631-1 permettait d'estimer de manière adéquate l'inconfort vibratoire dans ces situations. De plus, des mesures physiologiques, pourraient être utilisées pour soutenir les évaluations subjectives.

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.

Interrogation en phase par holographie au voisinage de singularités de phase de cristaux photoniques : applications à la réalisation de capteurs à haute sensibilité

Doctorant : Théo GIRERD

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

La demande de la part d’acteurs industriels et académiques pour des capteurs dépassant les limites de détection actuelles ne cesse de croître (détections de cancers, procédés industriels).
L’une des approches prometteuses pour obtenir de tels dispositifs repose sur l’utilisation de nano- transducteurs optiques dont les résonances sont sensibles aux variations de l’environnement (indice de réfraction, géométrie de la structure).
Le travail de cette thèse vise ainsi à concevoir et caractériser des dispositifs basés sur l’utilisation de modes optiques Tamm proches de points singuliers, en particulier les points de couplage critique, pour lesquels une variation extrêmement abrupte de la phase à la réflexion est obtenue. Pour se rapprocher au plus près de ces points et explorer expérimentalement la sensibilité en phase du capteur avec sa proximité aux points singuliers, nous avons développé une méthode originale basée sur la nanostructuration de la couche métallique du transducteur. L’élaboration d’un modèle analytique exprimant la sensibilité en phase en fonction de la proximité aux points de couplage critique nous a permis de mettre en exergue les paramètres clés de la structure et du système de mesures pour améliorer la sensibilité en phase de manière significative.
Afin de démontrer expérimentalement ces concepts, nous avons développé un interféromètre original qui permet, grâce à une mise en forme de faisceau assistée par holographie, de mesurer précisément la sensibilité en phase des transducteurs optiques. Nous démontrons ainsi que nos transducteurs nanostructurés associés à un système interférométrique adapté permettent la réalisation d’un capteur de température à très grande sensibilité.
Enfin, nous montrons qu’en adaptant les matériaux de notre transducteur (matériaux diélectriques poreux), le même concept peut être appliqué à des modes de Bloch de surface pour concevoir un capteur de gaz dont les sensibilités théoriques ouvrent la voie à la réalisation de capteurs de gaz à très faible concentration (< 100 ppb).