Étude de l'amorçage de l'endommagement du sulfure de zinc (ZnS) sous impacts liquides

Doctorant : Pierre GANTIER

Laboratoire INSA : LaMCos

École doctorale : ED162 : MEGA

Les matériaux infrarouges sont couramment utilisés dans l'industrie de défense et dans l'aéronautique dans des applications de guidage, de détection et de suivi. Le ZnS est un de ces matériaux qui jouie de performances optiques uniques, ce qui en fait un excellent candidat pour la plupart des applications nécessitant l'utilisation de rayonnement infrarouge. Cependant, en conditions de vols, sa résistance aux agressions du milieu extérieurs, et en particulier, aux impacts liquides provoqués par la pluie, le brouillard ou les nuages reste limitée et mal connue. Les travaux de thèse ont donc porté à la fois sur la modélisation numérique de l'impact liquide et sur la mise en place et l'utilisation d'un banc d'essai développé à cet effet.

Nonlinear    rotordynamics    of    a    vibroflot    and    granular    soil interactions during vibro compaction

Doctorant : Florian TEZENAS DU MONTCEL

Laboratoire INSA : LaMCos

École doctorale : ED162 : Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Vibro compaction is a ground improvement technique which aims to deeply densify sandy soil in order to make stable future infrastructure built on it. Loose soil can be compacted through insertion of vibrating probes, called vibroflots, together with a large volume of water. This enables the sand particles to rearrange themselves in a denser formation and thus increases the overall density of the soil.
Since its invention in the 1930s, the vibro compaction knowledge is mainly based on empirical operational experience, but not on well-founded scientific studies based around fundamentals. This work aims at better understanding how the vibroflot behaves underground and at globally improve the efficiency of the technique. To do so, experimentation and numerical modelling are both implemented.
During site trials the whole process is instrumented to measure the vibroflot - soil system dynamics, which allow to understand the different phenomena involved during compaction. Many geotechnical tests, combined with different sets of execution parameters, permit to quantify soil improvement and define the influence of these parameters, judge the relevancy of geotechnical correlations and get soil parameters which are useful for numerical modelling. Indeed, a multi- physics numerical model is created to predict the dynamic behaviour of the vibroflot in interaction with a granular soil. Models of the induction motor, multi-rotor and soil are strongly coupled but do not predict the compaction rate: the objective is to study the vibroflot dynamics rather than the compaction phenomenon. Key parts of the vibroflot, the dynamic properties of the rubber couplings are determined experimentally and numerically. Simple analytical formulations of the equivalent stiffness and damping parameters are then used in the numerical model. Finally, predicted responses are compared to the measurements collected on site.

   

 

Étude des sources de pertes et des transferts thermiques au sein de paliers à éléments roulants

Doctorant : Florian DE CADIER DE VEAUCE

Laboratoire INSA : LAMCOS

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

La transition vers des véhicules électriques impose des vitesses toujours plus élevées au sein des transmissions mécaniques, entraînant davantage de pertes, principalement au niveau des paliers à éléments roulants. Afin d'améliorer l'efficacité énergétique des transmissions mécaniques, en particulier des roulements à billes, une compréhension approfondie des phénomènes physiques associés s'avère essentielle. Le présent travail de thèse se concentre sur l'étude des sources de pertes et des transferts thermiques au sein d'un roulement à billes. Les pertes et les températures de deux roulements à billes sont mesurées pour différentes conditions opératoires. Dans un premier temps, les roulements sont lubrifiés par injection. L'influence de plusieurs paramètres, tels que la vitesse de rotation, le débit et la température de l'huile injectée, sur les dissipations de puissance est analysée. Une modélisation thermo-mécanique du roulement est proposée en associant des modèles de calcul des pertes et un réseau thermique. Dans un second temps, les roulements sont lubrifiés par barbotage. Pour une hauteur faible du bain d'huile, les pertes générées sont égales à celles obtenues pour ces mêmes roulements lubrifiés par injection dans des conditions opératoires similaires. Pour des niveaux d'huile plus élevés, le comportement du bain change, entraînant une augmentation des pertes par traînée. Les modèles actuels ne prennent pas en compte la hauteur du bain et un nouveau modèle de pertes par traînée est donc proposé. Les échanges et les écoulements n'étant pas les mêmes entre les deux modes de lubrification, des modifications ont également été apportées au réseau thermique. Les résultats numériques sont en accord avec les résultats expérimentaux. Une modélisation locale du roulement permet d'avoir une bonne précision sur les valeurs de pertes et de températures prédites, mais nécessite une connaissance de la géométrie interne du roulement. Tandis que les modèles globaux nécessitent un minimum d'information.

Étude du comportement thermomécanique des roulements à billes faiblement chargés

Doctorant : Lionel DARUL

Laboratoire INSA : LaMCoS

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

Les roulements entraînent des pertes de puissance non négligeables. La chaleur générée se dissipe dans les différents éléments du système et impacte à nouveau les pertes de puissance. Ce couplage, entre pertes et thermique, doit donc être pris en compte afin d’avoir une prédiction satisfaisante du comportement du roulement. Cette étude s’intéresse à des conditions de fonctionnement particulières : vitesse de rotation modérée (produit N.d_m<10^6), charge appliquée faible (<5% de la charge statique du roulement) et lubrification par injection de faibles débits d’huile (≤15L/h ). Pour ces conditions, les travaux menés dans la littérature ne permettent pas une estimation et une compréhension satisfaisante du comportement thermomécanique du roulement.
Ces travaux de thèse développent un nouveau modèle thermomécanique de roulement à billes. La thermique est modélisée à l’aide de la méthodologie des réseaux thermiques. Les pertes de puissances sont modélisées à partir de considérations tribologiques. Les modèles développés sont comparés à des mesures expérimentales, réalisées sur un banc d’essai dédié. Ce dernier permet de mesurer le couple de pertes généré par un roulement, tout en contrôlant un certain nombre de paramètres (vitesse, débit, charge). Les températures des bagues du roulement sont également mesurées, afin de maîtriser le comportement thermique.
Il résulte de cette étude que, pour les conditions étudiées, les pertes de puissance dans les roulements à billes sont principalement dues à un phénomène de roulement hydrodynamique. La compréhension de ce phénomène permet notamment d’expliquer l’origine des pertes de puissance indépendantes de la charge, telles que définies dans le modèle de Harris. Concernant la thermique du roulement, l’étude met en avant l’importance de la température des billes, notamment sur les phases de démarrage. En conclusion, le modèle développé permet une prédiction des pertes de puissance à 5% d’erreur et une prédiction des températures des éléments du roulement à ±1-2°C.

Shear-induced diffusion of road minerals within the tire tread: a solid flow modeling using a soft multibody approach

Doctorant : Kévin DAIGNE

Laboratoire : LaMCoS

École doctorale :  ED162 MEGA

Il peut être observé par des coupes longitudinales d'une bande de roulement que les minéraux de la route pénètrent à l'intérieur du pneumatique. L'objectif de ce travail est, pour une configuration expérimentale de référence, d'étudier expérimentalement et numériquement le processus menant à cette pénétration. Un modèle numérique pour étudier la pénétration des minéraux a été réalisé. Il consiste à cisailler une couche de minéraux déposée sur la surface d'un matériau composé de caoutchouc, modélisé comme un ensemble de corps discrets et déformables. Il a tout d'abord été montré que les phénomènes initiaux de pénétration des minéraux dans la matière, sont différents de ceux observés à plus long terme. Notamment, trois modes de pénétration ont pu être définis, que sont le labourage, l'abrasion et la fracturation. Ces modes modifient la vitesse à laquelle les minéraux pénètrent à l'intérieur du matériau. Lorsque les minéraux sont suffisamment incorporés au matériau, ils forment ce qui sera appelé une couche mixée. Les minéraux migrent de plus en plus profondément, du fait de contacts répétés entre agglomérats de minéraux, causés par leurs vitesses relatives (pilotées par le taux de cisaillement). Il est notamment montré que ces contacts conduisent à une évolution stochastique de la position d'un minéral. Si l'ensemble des minéraux est considéré, le comportement devient déterministe et suit une évolution proche de ce qui est attendu pour un processus diffusif. Ce dernier point permet ainsi d'utiliser les outils de la diffusion, notamment d'évaluer un coefficient de diffusion via la fluctuation de vitesse transverse et sa persistance. Il est ainsi montré que ces deux paramètres dépendent fortement de phénomènes plastiques locaux, qui dans le modèle actuel sont pilotés par la cohésion.

 

A new approach of lubricant behavior in highly loaded contact

Doctorante : Marjolaine GONON

Laboratoire INSA : LaMCos

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

This doctoral research focuses on lubricants behavior in highly loaded lubricated contacts (pressure > 1 GPa), or EHD (elastohydrodynamic) contacts, a vital aspect of engineering and industry. Under such high load, the friction coefficient (= tangential force/normal load) measured in these contacts may display a plateau regime at medium to high sliding velocities of the solid surfaces. It means that the macroscopic average shear stress becomes shear rate independent, associated in the literature to the lubricant Limiting Shear Stress (LSS)]. Previous work provided on molecular dynamic simulations revealed homogeneous and linear lubricant velocity profiles across the lubricant film thickness, even in the friction plateau regime, with no sliding at the walls. This implies that the friction plateau should result from an intrinsic property of the lubricant, reminiscent of the lubricant glass transition scenario. The present study investigates three model fluids: squalane, benzyl benzoate, and glycerol. Those fluids have been characterized in a high- pressure diamond anvil cell and a rheometer, both combined to two Brillouin light scattering spectroscopy set-ups. The results obtained from the new VIPA rig have been compared to those from TFP-1 and the literature. The results from high-pressure experiments have been compared to friction measurements previously conducted on squalane and benzyl benzoate. The study shows a correlation between the glass transition of these fluids and the onset of the friction plateau in EHD contacts. This research advances our understanding on friction in highly loaded lubricated contacts and highlights the importance of considering local dynamics when studying complex fluids under extreme conditions.These insights have the potential to improve lubricant development and to address friction-related challenges in engineering and industry.

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.

 

Design d'un procédé de mise en compression par impulsions électromagnétiques post soudage ou fabrication additive

Doctorant : Komlavi Mawuli SENYO

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale :  ED162 MEGA

La mise en compression des pièces est une technique utilisée pour augmenter la durée de vie des pièces. Elle consiste à introduire des déformations plastiques et par la suite des contraintes résiduelles dans des pièces. Pour ce faire, plusieurs procédés ont été mis au point à savoir, le grenaillage, la mise en compression par choc laser, la mise en compression par jet d'eau. Ces procédés biens que permettant d'atteindre l'objectif de déformation plastique et d'introduction de contrainte résiduelle de compression, présentent des limitations et inconvénients. On peut citer la modification de l'état de surface, des profondeurs traitées faibles, des difficultés de contrôles ainsi que la contamination des milieux sensibles, etc. Des études sont menées sur de nouveaux procédés pouvant permettre d'avoir des mêmes résultats voire meilleurs que les procédés précités. Le procédé de mise en compression par impulsions électromagnétiques se classe dans ces nouveaux procédés. Il consiste à la génération d'un puissant champ électromagnétique dans une pièce conductrice de courant. Ce champ favorise la génération des forces de Laplace dans la pièce. Ces forces déforme plastiquement le matériau et en introduisant des contraintes résiduelles de compression dans la pièce. La modélisation et la simulation du procédé de mise en compression par impulsions électromagnétiques fait l'objet de cette thèse. La littérature est quasiment vierge en ce qui concerne ce procédé mise à part quelque travaux de modélisation 2D axisymétrique. Un modèle 2D couplé électromagnétique, mécanique a été mise en place pour simuler le procédé. Ce modèle a permis de confirmer la possibilité de mise en compression des pièces et l'influence de certains paramètres clés du procédé. Il a été utilisé également pour faire une étude de la tenue mécanique de l'inducteur. Enfin une approche de modélisation 3D a été présenté et utilisé pour faire une simulation multi- impacts du procédé.

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.