Modélisation multi-phénoménologiques des contacts et pour les procédés

Maître de conférences : Thibaut CHAISE

Laboratoire INSA :  LaMCoS

Composition du jury : 

Rapporteurs :

• DINI, Daniele
• DUMONT, Myriam
• RETRAINT Delphine

Jury :

• DINI Daniele - Full Professor - Imperial College London
• DUMONT Myriam - Professeur des universités - Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers, Lille
• RETRAINT Delphine - Professeur des universités - Université de Technologie de Troyes
• HILLS David - Full Professor - University of Oxford
• JOUBERT Charles - Professeur des universités    Université Lyon 1
• PEREZ Michel - Professeur des universités - INSA Lyon
• NELIAS Daniel - Professeur des universités - INSA Lyon
   

On the effect of coatings and pre-corrosion on the fatigue behaviour of 7075-T6 aluminium alloy samples monitored with Acoustic Emission (AE): towards lifetime estimation

Doctorant : Théophile VIE

Laboratoire INSA : MatéIS

Ecole doctorale : ED534 : Matériaux de Lyon

Ce travail de thèse a pour objectif d’identifier et de quantifier l’impact de différents revêtements ainsi que d’environnements corrosifs sur le comportement en fatigue de pièces en alliage d’aluminium 7075-T6 via un monitoring de l’endommagement effectué par émission acoustique. Des essais mécaniques de traction monotone ainsi que de fatigue cyclique en traction/traction Rσ=0.1 dans le domaine de l’endurance limitée ont été réalisés sur des éprouvettes recouvertes de plusieurs types de revêtements et soumises à différents types de processus de corrosion. Les revêtements étudiés sont composés de combinaisons de trois couches de protection distinctes : Une couche de conversion d’oxide d’aluminium obtenue par procédé d’anodisation sulfurique et deux couches polymères de peintures époxy, un primer et un topcoat. Différents scénarios de pre-corrosion ont été mis en place afin d’étudier l’impact du vieillissement induit par un environnement agressif sur les différentes couches de revêtements ainsi que la corrosion du substrat sur les mécanismes d’endommagement de nos matériaux. L’effet combiné de la corrosion du substrat et vieillissement des revêtements est étudié via couplage galvano statique d’éprouvette immergée dans une solution corrosive de NaCl (pH 4, 30 g/L) avec un défaut local dans les revêtements. L’effet d’un défaut de corrosion seul est étudié via l’application locale d’une solution acide d’HCl (pH 0.1) au niveau d’un défaut dans le revêtement. Finalement l’effet du vieillissement seul est obtenu par immersion d’éprouvette sans défaut apparent des revêtements dans une solution de NaCl (30 g/L). Les mécanismes ainsi que la dynamique d’endommagements de nos matériaux sont étudiés via une étude globale de la réponse d’EA durant les essais mécaniques. L’analyse des résultats d’EA nous a permis l’identification de différentes signatures acoustiques relatifs à des mécanismes d’endommagement spécifiques. Ceux-ci ont été déterminés par analyse microstructurale basée sur des observations au microscope optique et au MEB. Pour tous les types de matériaux testés (différents revêtements et protocoles de pré-corrosion), des indicateurs d’endommagement basés sur les données d’EA sont étudiés avec pour objectif la détermination de temps caractéristiques de l’endommagement donnant une information sur la durée de vie restante avant rupture des éprouvettes (Remaining Useful Lifetime, RUL). Les temps caractéristiques définis sont liés à l’initiation de fissures dans le substrat d’aluminium ainsi qu’à la propagation de la fissure de fatigue principale. Les différentes sources d’EA ainsi que les temps caractéristiques de l’endommagement peuvent être utilisés comme une base donnée à implémenter dans modèle afin d’estimer le temps à rupture de nos matériaux sous chargement cyclique.

 

 

Impact des séries chronologiques de pluies futures à horizon 2100 sur les déversements des réseaux d'assainissement.

Doctorant : Frédéric GOGIEN

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED162 : MEGA

Les maîtres d’ouvrage des systèmes d’assainissement s’interrogent sur la nécessité de prendre en compte l’évolution du climat dans le développement de leur patrimoine. Or les prévisions climatiques accessibles ne sont pas disponibles avec des résolutions spatiales et temporelles compatibles avec une utilisation en hydrologie urbaine.
Dans un premier temps, l’objectif de cette thèse a été de développer une méthode de construction des séries chronologiques de pluies futures utilisables en hydrologie urbaine à partir des sorties de cinq modèles climatiques. Dans un second temps, afin de quantifier l’impact de ces pluies futures sur le fonctionnement des réseaux d’assainissement, deux modèles ont été élaborés en parallèle : un modèle conceptuel distribué et un réseau de neurones de type NARX. Enfin, les séries chronologiques de pluies futures ont été utilisées en entrée de ces deux modèles pour analyser la conformité des systèmes d’assainissement sur la période 2021-2100. Le site d’étude retenu pour ce travail est le système d’assainissement de Valence-Romans Agglo (Drôme).
La méthode de simulation des pluies futures proposée est fondée sur une descente d’échelle spatiale dérivée de la méthode quantile/quantile, combinée à une désagrégation temporelle par recherche d’analogues. Les résultats de modélisation montrent que les deux modèles produisent des volumes déversés au niveau du déversoir principal du système comparables suite aux étapes de calage et de validation. Les simulations réalisées à l’aide du modèle distribué indiquent une évolution des volumes déversés comprise entre +13% et +52% sur la période 2021-2100. Sur la base des mêmes pluies futures, les résultats du réseau de neurones confirment la tendance, particulièrement pour trois des cinq modèles climatiques considérés. L’analyse des déversements à l’échelle du système d’assainissement de Valence permet de conclure que pour un critère d’évaluation de la conformité basé sur le volume, le système sera jugé non conforme de manière plus fréquente dans l’avenir.

Intravascular manometry by clinical color Doppler

Doctorante : Samaneh CHOUPANI

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : EDA162 MEGA

Assessment of the severity of arterial stenosis is critical for therapeutic decisions. Invasive methods using pressure wires to measure trans-stenotic pressure drops can have severe clinical side effects. Therefore, non-invasive methods using ultrasound imaging are preferable. This study aimed at introducing an ultrasound-based approach to estimate trans-stenotic pressure drops in significant arterial stenoses using clinical vascular color Doppler imaging. The proposed physics-constrained optimization method consists of two successive steps: 1) it recovers a regularized two-dimensional velocity vector field from the color Doppler velocity field, and 2) it derives relative pressures by integrating the fluid-dynamics Navier-Stokes equation using a finite difference method. We validated the innovative approach in silico using computational fluid dynamics and acoustics simulations and in vitro through particle image velocimetry and color Doppler experiments.

Méthodes d'accélérations numériques dédiées à la fissuration en fatigue à grand nombre de cycle par champ de phase

Doctorant : Adrien JACCON

Laboratoire INSA : LaMCos

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

La prédiction de l'initiation et de la propagation de fissure de fatigue dans les structures constitue un enjeu majeur de l'industrie, qui cherche à limiter les approches habituellement conservatives pour diminuer les coûts, optimiser les formes, et garantir l'intégrité des structures sur des durées plus longues. Un nombre important de méthodes numériques peuvent être exploité dans ce contexte, et notamment l'approche champ de phase, qui bénéficie d'une grande flexibilité pour traiter des cas de fissuration complexe, et considérer l'initiation et la propagation de fissure de façon unifiée. Cependant, le coût numérique associé à l'application de ce modèle sur des cas réels est aujourd'hui trop important et limite donc son application à des cas académiques. L'objectif de ce mémoire est de proposer plusieurs approches d'accélération pour diminuer ce coût de calcul prohibitif, tout en maintenant le niveau de précision et de robustesse, dans le but de rendre possible l'application sur des cas réels du modèle champ de phase.
Pour ce faire, un modèle champ de phase étendu en fatigue est implémenté dans le code éléments finis Cast3M. Une approche par dégradation de la ténacité est choisie et validée sur plusieurs cas usuels de la littérature champ de phase. Par ailleurs, une nouvelle méthode de décomposition de l'énergie est également mise en place, permettant d'en améliorer l'efficacité et la robustesse. Nous proposons ensuite plusieurs modifications de cette implémentation initiale qui permet d'accélérer les calculs. D'abord, le calcul de cycle est optimisé à travers l'introduction d'un schéma de résolution étagée adapté au cadre en fatigue. Ensuite, nous introduisons plusieurs schémas de saut de cycle permettant de minimiser le nombre de cycles calculés. Enfin, une approche de raffinement adaptatif de maillage est mise en place, afin de permettre d'optimiser le nombre de degrés de liberté pris en compte pendant la simulation. Ces outils répondent en fait aux différentes raisons pour lesquelles le coût de calcul du modèle champ de phase en fatigue est prohibitif: la résolution d'un problème non-linéaire, sur un nombre très important de cycles, avec un maillage extrêmement fin dans la zone endommagée.
Ce cadre champ de phase accéléré est ensuite exploité sur plusieurs cas académiques usuels pour valider son implémentation, et montrer les gains en temps de calcul possibles. Puis, deux cas de comparaisons numériques-expérimentales utilisant l'approche accélérée sont proposés. Ces essais mettent en évidence les capacités du modèle accéléré tout en soulignant d'autres difficultés liées à l'application du modèle sur des cas réels.

A Quantitative Approach to EHD Friction Prediction Based on Rheometry and Molecular Dynamics Simulations

Doctorant : Ruibin XU

Laboratoire : LaMCos

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

Cette thèse présente une approche quantitative de la prédiction du frottement élastohydrodynamique (EHD), basée sur une combinaison de données expérimentales de rhéométrie et de simulations de dynamique moléculaire (MD). L'approche est appliquée à deux fluides de natures différentes : un lubrifiant, le squalane (SQ), et un fluide de type traction, le benzoate de benzyle (BB). La viscosité newtonienne des fluides est déterminée en utilisant des mesures de viscosimètres à haute pression (HPV) tirées de la littérature, ainsi qu'un nouveau modèle de viscosité newtonienne proposé dans ce travail, basé sur un modèle de mise à l'échelle thermique existant dans la littérature. Par la suite, une loi de contrainte d'Eyring complète, couvrant une large gamme de conditions de température et de pression, est construite à partir de simulations de dynamique moléculaire hors équilibre (NEMD). La viscosité newtonienne obtenue et la contrainte d'Eyring sont utilisées pour construire des modèles de viscosité généralisée de type Eyring pour les deux fluides. Celles-ci sont implémentées dans un modèle à éléments finis (FE) d'un contact lubrifié dans le régime élastohydrodynamique, en prenant en compte les effets non- Newtoniens et thermiques (TEHLnN) pour la prédiction du frottement. Les résultats sont comparés avec des mesures de frottement effectuées dans un tribomètre sous les mêmes conditions de contact et montrent une bonne concordance. Notamment, le plateau de frottement et le régime d'amincissement thermique observés expérimentalement sont reproduits avec précision par le modèle TEHLnN. Des recherches supplémentaires ont été menées pour étudier l'origine des plateaux de frottement. Les résultats suggèrent que les plateaux de frottement résultent d'une combinaison d'effets non-Newtoniens et thermiques. Les travaux révèlent également que l'effet thermique se produit presque simultanément avec l'effet non newtonien. Ce travail représente une étape cruciale vers une prédiction quantitative du frottement, en rassemblant la rhéométrie expérimentale, les simulations de dynamique moléculaire et la modélisation du contact.

 

 

 

Development of Alumina-Toughened Zirconia composites reinforced with carbon nanofibers via Direct Ink Writing

Doctorante : Vivian INÊS DOS SANTOS

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

The growing demand for ceramic materials with increasingly complex shapes for biomedical engineering applications cannot be achieved via traditional ceramic processing techniques. Recently, increasing attention has been drawn to ceramic-based materials produced by the additive manufacturing method of direct ink writing (DIW); still, the current challenge remains the achievement of strong mechanical reliability. Hence, in its first chapter, this thesis examines the overall scenario of the DIW field, analyzing the outcomes of published studies, discussing the most innovative approaches and mechanical and biological improvement strategies. The second chapter provides a comprehensive rheological characterization of pastes encompassing an alumina- toughened zirconia (ATZ) powder, a deflocculant, a binder, deionized water and, in some cases, carbon nanofibers (CNFs). Printability tests were also conducted and the results were compared to established printability criteria/parameters (ф, K and FTI), which were found to be suitable for assessing printability with some limitations. Furthermore, a new criterion based on the recovery rate of the storage modulus was introduced, with the potential to predict printability with a single test. The third and last chapter developed DIW-filaments of the same ATZ composite with and without CNFs with the objective of enhancing mechanical properties by CNF orientation. Nozzle diameters of 200-840 µm were used and optimal debinding and sintering conditions were determined, using both Conventional Sintering (CS) and Spark Plasma Sintering (SPS) methods. Were determined: the fracture stress, fracture strain, Young's modulus and mechanical reliability (Weibull modulus). The addition of the CNFs hindered most of the mechanical properties because of their agglomeration. Printing with smaller nozzles improved the Young’s modulus, with ATZ filaments sintered by CS exhibiting transformation-induced plasticity, while those sintered by SPS didn’t. The mechanical properties obtained were comparable to or higher than those achieved through conventional ceramic processing techniques. Similarly, a good level of mechanical reliability was achieved.

Gazéification en lit fixe co-courant : étude des transitoires

Doctorante : Janett RUIZ

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 : MEGA

La gazéification de combustibles alternatifs permet la production locale et non- intermittente d’énergie renouvelable et peut devenir une contribution majeure à la transition énergétique et à la promotion de l’économie circulaire et territoriale. Les réacteurs à lit fixe co-courant sont les mieux adaptés aux enjeux territoriaux liés à la valorisation des déchets. Dans ces réacteurs, le taux de conversion est élevé mais la conversion homogène du combustible est difficile à atteindre et représente une barrière à leur utilisation à des performances optimales. Dans ce contexte, le projet ECoGaz (valorisation Énergétique de COmbustibles alternatifs issus de déchets par GAZéification) vise à accroître les connaissances afin de développer l’utilisation de la gazéification pour la conversion de combustibles alternatifs dans ces réacteurs. Ainsi, le principal objectif de ce travail de thèse est de proposer un modèle numérique fiable de gazéification en lit fixe co-courant permettant de représenter avec justesse la conversion de combustibles complexes. Dans le modèle développé dans cette thèse, les phénomènes réactionnels fortement couplés à l’écoulement de la phase gaz et aux phénomènes de transfert thermique dans le milieu poreux sont simulés de manière satisfaisante. Le tassement a été pris en compte. Le caractère 2D du modèle permet d’observer et de comprendre des phénomènes difficiles à mesurer. Ces informations peuvent être précieuses pour comprendre certains dysfonctionnements des réacteurs à lit fixe. De plus, ce modèle pourrait être utilisé comme outil de dimensionnement du réacteur. L’influence de plusieurs paramètres opératoires pourrait être étudiée, tels que le diamètre du réacteur, la composition de l’agent oxydant, le ratio équivalent ou l’emplacement de l’injection. D’autre part, la composition du combustible, et le diamètre des particules sont des paramètres d’entrée du modèle, qui permettent l’étude de différents intrants hétérogènes afin de valider la faisabilité de leur conversion dans un réacteur à lit fixe co-courant.

 

Formation de voies adaptative et identification de microbulles pour l'imagerie par localisation ultrasonore

Doctorant : Alexandre CORAZZA

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : ED160 : EEA

Caractériser le réseau vasculaire est essentiel pour diagnostiquer des pathologes liées à la structure vasculaire et au flux sanguin. Pour cela, l’imagerie par localisation ultrasonore (ILU) a récemment été élaborée. Son principe réside dans l’injection de microbulles (MBs) par voie veineuse. Des mesures ultrasonores (US) sont acquises au cours du temps. Des séquences d’images US sont construites à partir de celles-ci avec la méthode de formation de voies (FV) standard du Delay and Sum (DAS). Sur ces images, des points brillants en mouvement correspondant aux MBs peuvent être visualisés. L’ILU consiste à identifier les MBs, localiser avec précision leur centre et les suivre au cours du temps pour tracer la carte du réseau vasculaire avec une résolution de l’ordre de la dizaine de micromètre. L’objectif de cette thèse est d’étudier l’influence de l’étape de FV sur les résultats de l’ILU. Cette interrogation est motivée par la capacité de méthodes de FV adaptatives à améliorer la résolution des images US, et/ou à atténuer les tissus biologiques et le bruit sur ces images, ce qui permettrait de faciliter l’identification des MBs. Les contributions s’inscrivent tout d’abord dans l’évaluation des méthodes de FV adaptatives dans le contexte de l’ILU, montrant une augmentation du nombre de MBs détectées sur des données in silico. Sur des données in vivo, il est montré que les méthodes d’identification des MBs de la littérature ne sont pas adaptées pour une comparaison équitable des méthodes de FV. Puis, une nouvelle méthode d’identification de MB basée sur la théorie de la décision est proposée. D’abord évaluée avec le DAS sur des données in vivo, cette méthode d’identification offre une amélioration de la complétion et de la résolution des cartes de réseau vasculaire. Enfin, en combinant cette méthode à la FV adaptative, des cartes du réseau vasculaire plus complètes peuvent être générées.

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Simulation de la diffusion de l'eau dans les tissus biologiques, application au tissu cardiaque

Doctorante : Yuhan JING

Laboratoire INSA : CREATIS
Ecole doctorale : ED205 : EDISS

Cardiovascular diseases remain one of the most serious health problems in the world, motivating research that deepens our understanding of the myocardial function. There are still large shadow areas in the understanding of the relationships between the mechanical function, hemodynamic/perfusion/diffusion/percolation/transfer rate and
the adaptive structural changes emerging in cardiac diseases (Cardiomyopathy, ischemia). To better understand the way the water molecules diffuse within the cardiac tissue, the Ph.D. will build a simulator able to mimic the motion of water molecules through both simple and realistic virtual 3D cardiac tissue models and will couple it to a Virtual
Magnetic Resonance Imaging device able to image the Diffusion (v_DMRI).

 

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