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.

Nouvelles variantes et méthodes de résolution pour les problèmes de transport à la demande, application au transport d'enfants en situation de handicap

Doctorant : Timothée CHANE-HAÏ

Laboratoire INSA : DISP

Ecole doctorale : ED512 Infomaths

Cette thèse introduit de nouveaux modèles et méthodes de résolution pour les problèmes de transport à la demande (DARP). Ce travail s’applique au transport régulier d'enfants en situation de handicap entre leurs domiciles et leurs lieux de prise en charge. Pour des raisons de coûts et de qualité de service, il doit être effectué aussi efficacement que possible.
Aucune méthode de la littérature ne peut résoudre les problèmes réels car leur taille est trop importante (plusieurs milliers d'usagers). De plus, les recherches se concentrent sur l'organisation des tournées de véhicules. Cependant, l'intégration d'autres éléments gravitant autour du transport serait bénéfique pour les systèmes de santé dans leur ensemble.

Nous apportons des éléments de réponse à ces enjeux dans les trois chapitres principaux de cette thèse.
Premièrement, deux méthodes d'apprentissage automatique sont appliquées : une méthode offline extrait les caractéristiques des bonnes solutions et les utilise pour créer de nouvelles heuristiques ; une méthode online dénommée NRPA construit la meilleure séquence d'usagers à insérer.

Deuxièmement, nous présentons le problème journalier de transport à la demande (Com- DARP). Dans cette variante, chaque usager a un trajet aller le matin, un trajet retour le soir, et un temps de trajet maximal journalier. La dépendance entre les deux demandes de trajet est utilisée pour améliorer le transport à l'échelle de la journée. Nous résolvons le problème avec une métaheuristique de recherche à petit et grand voisinage couplée à un filtre de précédences (SLNS-PF).

Troisièmement, nous introduisons le problème d'affectation et transport à la demande (ADARP). Cette variante élargit le champ d'application du problème de tournées de véhicules en incluant l'affectation des usagers et l'allocation des ressources. Le problème est résolu par une nouvelle matheuristique nommée recherche itérative d'itinéraires (IRS).
Dans chaque chapitre, les résultats expérimentaux sont analysés pour fournir de nouvelles perspectives théoriques et pratiques.
 

Rigid inclusions under wind turbine foundation: experimental behaviour and numerical studies

Doctorant : Adnan SAHYOUNI

Laboratoire INSA : GEOMAS

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Les éoliennes terrestres ont une durée de vie de 20 à 25 ans. Après cette période, l'exploitant est confronté au problème du rééquipement du parc. La question est d'autant plus explosive qu'un tiers des éoliennes terrestres en Europe ont atteint la fin de leur durée de vie. D'autre part, la technologie des éoliennes est en constante évolution. Aujourd'hui, la puissance du matériel tend à augmenter de manière significative, ainsi que la hauteur du mât. Cela génère des forces accrues à la base du mât. La semelle de fondation en béton armé n'est plus adaptée aux nouvelles contraintes selon les codes usuels. La solution actuellement envisagée est de déconstruire complètement la semelle en béton armé et de reconstruire une semelle plus lourde. FEDRE (Fondations d'Eoliennes Durables et REpowering) est un projet de recherche impliquant le laboratoire GEOMAS de l'INSA de Lyon, la société Menard et d'autres partenaires industriels. L'objectif de ce projet est de trouver des solutions pour la réutilisation des fondations existantes lors des phases de repowering, lorsqu'une éolienne est remplacée par une nouvelle machine potentiellement plus puissante. L'intérêt de la recherche du projet est d'étudier la complexité du transfert de la charge du vent cyclique, ainsi que l'effet mécanique de la structure sur le sol renforcé par des inclusions rigides, type CMC, en simplifiant le mécanisme complexe du système par l'étude de ses composants individuels. La recherche est divisée en trois domaines principaux : (1) l'instrumentation d'une fondation d'éolienne de nouvelle génération basée sur des CMC, (2) la modélisation numérique tridimensionnelle et non linéaire par la méthode des éléments finis en utilisant les données calibrées par l'instrumentation, et (3) le développement d'un macro-élément multi-échelle pour un sol renforcé par des inclusions rigides sous charge axiale, horizontale et un moment de renversement est développé et validé numériquement puis expérimentalement.

Elaboration de matériaux multicouches à base de polymères bio- ressourcés par le procédé de coextrusion

Doctorante : Nour JAOUADI

Laboratoire INSA : IMP

Ecole doctorale : ED34 Matériaux de Lyon

L'objectif de ce travail était d'étudier des systèmes multiphasiques à base d'acide polylactique (PLA) et de polyamide 11 (PA11) allant des mélanges aux structures multicouches. Etant donné que ces deux composants n’étant pas totalement miscibles entre eux, des stratégies de comptabilisation avec un époxyde multifonctionnalisé, le Joncryl, visant à contrôler la qualité et la nature de l’interface entre les substituants sont proposées et discutées lors du processus d’élaboration des mélanges par extrusion réactive dont l’objectif d’améliorer l’ensemble des propriétés finales. Les comportements thermiques, morphologiques, rhéologiques et mécaniques de ces matériaux ont été examinés. Le rôle du Joncryl en tant qu'agent de compatibilisation pour le système PLA/PA11 a été démontré par son fort impact sur les propriétés rhéologiques, la réduction significative de la taille des particules et de la tension interfaciale, ainsi que par le passage des propriétés en traction vers un comportement ductile.
Sur la base de ces résultats, une transposition de l’étude à la réalisation de films multicouches destinée principalement à l’emballage alimentaire par le procédé de coextrusion à assemblage forcé était réalisée. Cette approche nous a permis de combiner les propriétés des polymères en une seule structure micro-/nano-couches. L'objectif était d’évaluer les performances de ces mélanges traités en augmentant le nombre de couches pour mieux comprendre les propriétés interfaciales, y compris le comportement rhéologique, mécanique ,morphologiques et barrières.
Lors de la mise en œuvre, la multiplication des couches présente un effet notable sur la microstructure, la morphologie, l'orientation cristalline ainsi que les propriétés barrières des mélanges, en particulier dans le cas des nanocouches. Cela nous a permis d'explorer le contrôle de l'interface/interphase dans ces systèmes multicouches ainsi que l'effet de confinement résultant de l’assemblage forcé pendant le processus de coextrusion à micro-/nanocouche sur la cristallisation et la structure des couches, en fonction de la nature des polymères confineurs.

Electrochemical Virtual Sensor Development for Lithium-ion Batteries

Doctorant : Mian Mohammad Arsalan ASIF

Laboratoire INSA : AMPERE

Ecole doctorale : ED160 : EEA

In this doctoral thesis, the author focuses on advancing the modeling and design of observers for lithium-ion batteries (LiBs). LiBs play a critical role in the transition to renewable energy and vehicle electrification, but they still present challenges in terms of performance, safety and management. The author develops a multi-particle model with electrolyte dynamics (MPMe) to better represent the behavior of LiBs. Additionally, state observers are designed to estimate the lithium concentration in the electrolyte and the solid lithium concentration. These observers are validated using simulations, demonstrating their effectiveness in real-time monitoring of LiBs. This research aims to improve the performance, safety and reliability of LiBs, thereby contributing to wider adoption of electric vehicles and sustainable electrification of the transport sector.

Optimisation énergétique d’un groupe frigorifique au CO2 transcritique

Doctorante : Ana Maria PAEZ ALVAREZ

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Le dioxyde de carbone (CO2, R744) est une alternative prometteuse pour les systèmes de réfrigération car il ne contribue pas à l'appauvrissement de la couche d'ozone et a peu d'impact sur le réchauffement climatique par rapport aux autres fluides frigorigènes conventionnels tels que les HFC et les HFO. De plus, contrairement à certains fluides naturels, il n'est ni toxique, ni inflammable, ni corrosif. Toutefois, les systèmes de réfrigération au CO2 ont des performances limitées en raison de leur basse température critique, qui peut être inférieure à la température extérieure. Par conséquent, ils doivent fonctionner en régime transcritique, à une très haute pression.

Cette thèse a pour objectif d'améliorer les performances des systèmes de réfrigération au CO2 dans la production de froid positif pour les vitrines des supermarchés ou pour des applications de climatisation. Dans un premier temps, une étude bibliographique a été menée sur les différentes configurations proposées dans la littérature, ainsi qu'une étude expérimentale de la performance des différents agencements (y compris l'ajout d'échangeurs de chaleur et d'un multi-éjecteur liquide) installés dans un banc d'essai régulé de taille industrielle (40 kW froid). Les résultats ont également été utilisés pour estimer les performances de machines au CO2 dans différentes zones climatiques de la France et avec une puissance frigorifique représentative des supermarchés. Ensuite, des modèles de simulations dynamiques ont été développés sous Dymola (Modelica 4.0) et validés avec les résultats expérimentaux obtenus précédemment. Les écarts entre la simulation et l'expérimentation sont très satisfaisants, étant inférieurs à 8 %. Dans un deuxième temps, différentes améliorations du cycle thermodynamique ont été proposées : les résultats de la thèse montrent une augmentation du coefficient de performance (COP) au-delà de 17 %. Enfin, une brève étude énergétique et d'inflammabilité a été réalisée sur les mélanges CO2/propane comme alternative pour optimiser le COP d'une installation transcritique au CO2.

Optimisation énergétique dans la rénovation du bâtiment

Doctorant : Souleymane DANIEL

Laboratoire INSA : CETHIL

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

Ce travail de thèse s’intéresse à la prise des décisions pour les choix de solutions de rénovation énergétique des bâtiments résidentiels collectifs. Comme seulement 1 % des nouvelles constructions sont ajoutées au parc immobilier chaque année en France, la rénovation est le levier principal dans la sobriété énergétique. L'objectif de la thèse est d'aider les acteurs de la rénovation énergétique à élaborer une stratégie de rénovation en utilisant une méthode d'aide à la décision adaptée. Le projet de recherche s'appuie sur un cas d'étude concret, une résidence qui comprend 67 logements répartis dans trois bâtiments.