Caractérisation vibratoire de structures par méthodes inverses et mesures plein champ

Doctorant : Nicolas Madinier

Laboratoire INSA : LVA

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

Le développement de nouveaux matériaux alliant résistance mécanique et légèreté est un enjeu d'actualité dans de nombreux secteurs industriels. Afin de pouvoir utiliser ces matériaux, il est nécessaire de connaître leurs propriétés mécaniques. Pour les déterminer, des méthodes inverses analysant le comportement vibratoire de la structure peuvent être utilisées. Dans ce travail de thèse, deux méthodes sont utilisées : la Résolution Inverse (RI) et la Méthode des Champs Virtuels (MCV).
Dans un premier temps, les méthodes sont appliquées avec la déflectométrie optique, une méthode de mesure plein champ. L'utilisation de cette méthode de mesure avec les deux méthodes inverses permet d'obtenir des cartographies précises de la rigidité de flexion et de l'amortissement de la structure étudiée. La déflectométrie optique mesure les pentes du champ de déplacement. Une opération de gradient inverse permet de remonter au champ de déplacement. Afin de supprimer cette opération, le développement de formalismes sur les pentes de RI et de la MCV est proposé. Ces formalismes sont testés avec des simulations numériques puis une étude expérimentale est présentée.
Dans un second temps, une variante de la MCV est développée. Cette variante a pour but d'appliquer la méthode en hautes fréquences où RI et la MCV ne sont plus applicables. La Résolution Inverse Corrigée est une variante de RI qui a pour but d’appliquer la méthode dans les hautes fréquences.
La variante de la MCV qualifiée de Méthode des Champs Virtuels Adaptée en Fréquence consiste à déterminer à chaque fréquence la taille de l’intervalle d’intégration des intégrales du Principe des Travaux Virtuels (une forme faible de l'équilibre local sur laquelle se base la MCV). Elle est développée pour la poutre d'Euler-Bernoulli et la plaque de Love-Kirchhoff et est testée sur des données expérimentales pour identifier la rigidité de flexion complexe d'une plaque amortie localement.

 

« Advanced signal processing methods for source identification using references »

Doctorant : Muhammad Nabil Mustafa ALBEZZAWY

Laboratoire INSA : LVA

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

Les techniques de référence à rang réduit sont couramment employées pour résoudre les problèmes d’extraction de source et de resynchronisation de champs physiques, lorsque le nombre de références dépasse celui des sources incohérentes. Dans ce cas, la matrice inter-spectrale devient mal conditionnée, rendant la solution des moindres carrés invalide. Bien que la décomposition en valeurs singulières tronquée (DVST) soit utilisée pour résoudre ce problème, elle n'est valable que pour un bruit scalaire sur les références. De plus, il est difficile de définir un seuil de troncature lorsque les valeurs singulières diminuent progressivement. Cette thèse propose une solution nommée technique de référence maximale-cohérente (RMC), basée sur la recherche d’un ensemble de références virtuelles maximalement corrélées avec les mesures de champ. Cette technique est optimale, surtout en présence d’un bruit corrélé sur la référence. Cependant, elle nécessite également une troncature des valeurs propres, exigeant la connaissance ou l’estimation préalable du nombre de sources incohérentes, un problème inverse mal posé et peu étudié. La thèse présente trois méthodes d’énumération des sources applicables à toutes les techniques de référence : un test du rapport de vraisemblance contre le modèle saturé, une technique de bootstrap paramétrique et une approche de validation croisée. Une étude comparative basée sur des données numériques et expérimentales montre deux résultats importants. D'abord, le nombre de fenêtres spectrales utilisées affecte grandement la performance des trois méthodes, qui se comportent différemment selon ce nombre. Ensuite, le bootstrap paramétrique s’avère être la meilleure méthode en termes de précision et de robustesse par rapport au nombre de fenêtres utilisées. Enfin, la technique RMC accompagnée de bootstrap a été utilisée pour l’extraction de source et la resynchronisation de données réelles provenant d’expériences en laboratoire et d’un moteur électrique, fournissant de meilleurs résultats que la solution des moindres carrés et la DVST dans les mêmes conditions.

 

Interactions rayonnement-atmosphère en milieu urbain : modélisation avancée et analyse de leurs effets sur le rafraîchissement

Doctorant : Félix SCHMITT

Laboratoire INSA : CETHIL

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

Avec l'urbanisation mondiale croissante et des vagues de chaleur de plus en plus intenses et fréquentes, la surchauffe urbaine a des conséquences délétères sur le confort et la santé des citadins. Prédire les conditions microclimatiques urbaines est dès lors crucial pour comprendre et atténuer cette surchauffe. Ce travail de thèse propose un modèle micro-météorologique avancé, capable de simuler les interactions entre rayonnement infrarouge thermique (IRT) et atmosphère urbaine à micro-échelle. Il s’agit du couplage entre un solveur CFD basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau et la simulation des grandes échelles, et un solveur IRT en milieu participant. Le solveur IRT est d’abord appliqué dans une rue canyon dont les parois sont plus chaudes que l'air. Les résultats montrent que le flux IRT moyen absorbé aux parois est surestimé de 4 à 12 W/m2 en considérant l'air comme transparent, pour un rapport d'aspect compris entre 0,75 et 2,4. Des simulations de convection mixte sont ensuite réalisées dans une rue canyon à échelle réduite, dont les parois sont chauffées, démontrant la capacité du solveur à reproduire les caractéristiques moyennes et turbulentes de l'écoulement mixte et des transferts de chaleur, par comparaison des solutions à des mesures en soufflerie. Enfin, des simulations micro-météorologiques couplées IRT- CFD dans une rue canyon à échelle réelle, sous des conditions météorologiques réalistes, sont effectuées afin d’évaluer l’impact des interactions IRT/air sur l’écoulement et le rafraîchissement de la rue après le coucher du soleil. Les résultats indiquent que l'écoulement mixte n’est pas affecté par les interactions. Le refroidissement moyen de surface est 4 à 8 % plus rapide avec les interactions. L'ensemble de ce travail conforte la pertinence d'un niveau de modélisation élevé dans une configuration de rue pour l'étude dynamique des microclimats urbains sous l'influence des interactions IRT/atmosphère.

Tribological study of metallic glasses and in situ temperature measurement by luminescence thermometry

Doctorant : Zhijian ZHOU

Laboratoire INSA : LaMCoS

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

Les verres métalliques reçoivent de plus en plus d'attention dans le domaine de la tribologie en raison de leur structure amorphe unique et de leurs propriétés mécaniques supérieures. Des études ont montré que, dans certaines conditions, la performance tribologique des verres métalliques peut surpasser celle des alliages traditionnels. Pour obtenir une compréhension plus complète de la manière dont les verres métalliques répondent à différentes conditions expérimentales, cette thèse commence par examiner le comportement tribologique et les mécanismes de frottement des verres métalliques à base de Ni et de Zr sous diverses pressions. Cependant, il a été noté dans la communauté que les propriétés mécaniques des verres métalliques deviennent très sensibles à la température près de leur température de transition vitreuse, qui varie largement en fonction de la composition. Ce phénomène influence les propriétés tribologiques du matériel. La mesure précise de la température locale dans les contacts tribologiques a historiquement été un défi. L'avènement de micro-sondes luminescentes sans contact a ouvert de nouvelles voies pour des mesures de température précises et non invasives en tribologie. Cette thèse applique par la suite une méthode de mesure de la température basée sur le temps de vie de la luminescence émise par des centres de défauts S3 excités à l'intérieur de micro-diamants aux contacts tribologiques secs des verres métalliques, en passant par toutes les étapes, y compris la fabrication de micro- sondes, la construction de bancs expérimentaux, le traitement des données, la comparaison avec thermocouple, la simulation utilisant la Méthode des Éléments Finis. Cette technique a le potentiel de mesurer avec précision la température dans les systèmes tribologiques.

Order-based beamforming and its application to rotating machines

Doctorant : Kalasagarreddi KOTTAKOTA

Laboratoire INSA : LVA

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

Dans les machines tournantes, l'identification des sources de bruit joue un rôle essentiel dans le raffinement acoustique. Lorsque ces machines fonctionnent à des vitesses variables, les techniques traditionnelles de formation de voies basées sur la fréquence ne sont plus appropriées car les phénomènes vibroacoustiques générés sont non stationnaires et comportent des tonalités modulées appelées ordres. Le suivi d’ordre est une méthode importante pour traiter les mesures à vitesse variable qui permet d'extraire les ordres, dont les fréquences évoluent proportionnellement à la vitesse de l'arbre de référence. Cette thèse présente une technique appelée Order-Based Beamforming(OBBF) qui combine la formation de voies et le suivi d’ordre pour réaliser une imagerie acoustique sur les ordres. L'OBBF établit une correspondance entre les enveloppes complexes des signaux du réseau de microphones et de la source, ce qui permet d'identifier les sources de bruit tonales en vitesse variable. L'OBBF produit des films sur le rayonnement de la source, chaque image représentant une carte de formation de voies à un régime donné. La thèse présente également le Multi-Pass Order-Based Beamforming(MPOBBF), une application de l'OBBF. Cette méthode permet la resynchronisation des champs sonores tonaux, capturés séquentiellement à partir de multiples mesures d’antenne microphonique à vitesse variable, avec la connaissance de la position angulaire de l'arbre. Les enveloppes complexes d'un ordre extraites de plusieurs mesures séquentielles sont concaténées en un seul ensemble de données, sur lequel l'OBBF est appliqué pour identifier les sources de bruit tonal. La solution proposée permet d'agrandir ou de densifier synthétiquement les antennes microphoniques devant des objets 3D en les capturant successivement à l'aide d'un réseau mobile. Les deux techniques sont détaillées et évaluées à l'aide de simulations numériques et de données obtenues sur un banc d'essai de moteur à induction.

 

Prédiction du bruit rayonné d'une structure immergée à partir de données capteurs parcimonieuses

Doctorant : Matthieu DECAUX

Laboratoire INSA : LVA

École doctorale :  ED 162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Energétique, Génie civil, Acoustique)

Le bruit rayonné des plateformes navales représente un enjeu majeur. Dans le domaine civil, la nécessité de réduire l'impact des activités humaines sur l'environnement pousse à contrôler et diminuer ce bruit. Dans le domaine militaire, il est primordial de maîtriser la signature acoustique des navires et des sous-marins afin d'avoir un avantage acoustique. L'objectif de cette thèse est de prédire ce bruit rayonné à partir de données accélérométriques. Pour répondre à cet objectif, nous étudions des méthodes permettant de relier des mesures accélérométriques à la pression rayonnée. Nous explorons plusieurs voies : la méthode KH (Kirchhoff-Helmholtz) et l'OTPA (Operational Transfer Path Analysis) en particulier. La méthode KH consiste à discrétiser l'intégrale de rayonnement dans le cas de géométries dont la solution analytique est connue. Le nombre de capteurs est la principale limite de cette approche. L'OTPA, quant à elle, est une méthode permettant d'établir des fonctions dites de "transmissibilité". Elle se caractérise par la résolution directe d'un système "Multiple Input Multiple Output" (MIMO). Elle se décompose en deux étapes : un apprentissage à partir de mesures pour établir une matrice de transmissibilité puis l'utilisation de cette matrice pour reconstruire un nouvel état vibro-acoustique à partir d'un nombre limité de capteurs. Les deux principales limites de la méthode sont le nombre d'états vibratoires lors de la construction de la matrice et l'effet de la nature de l'excitation. Nous testons les performances des approches innovantes sur des systèmes vibroacoustiques de complexité croissante allant d'une plaque à un cylindre immergé. Des études numériques et expérimentales sont menées sur ces cas d'application pour mettre en avant les avantages et inconvénients de chaque approche.

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.

Vibration-based damage assessment of rolling element bearings: cage cyclostationarity & trend analysis

Doctorant : Adrien MARSICK

Laboratoire INSA : LVA

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

Cette thèse aborde le thème de l'estimation de la gravité des défauts de roulements à partir de signaux vibratoires. Cette tâche, compliquée pour des machines opérantes dans des conditions stationnaires, devient un réel défi dès que les systèmes à surveiller fonctionnent à vitesses et chargements variables. Cette thèse s'inscrit principalement dans un contexte de surveillance de la ligne d'arbre d'éoliennes de l'entreprise Engie Green, partenaire de ce projet. Ce rapport explore deux thématiques pour une meilleure exploitation des signaux vibratoires, avec l'objectif d'aider aux prises de décisions de maintenance. Premièrement, les outils de traitement du signal classiques reposent sur une hypothèse de cyclicité des propriétés statistiques des signatures de défauts par rapport à la rotation des arbres supportant les roulements. Les phénomènes de glissement lors du fonctionnement dégradent les capacités des outils existants. Ce travail propose de lever ce verrou grâce à une réinterprétation de ces propriétés cyclostationnaires en changeant le référentiel de rotation, de l'arbre vers la rotation de la cage. Les causes de ce glissement sont d'abord étudiées. Armé de méthodes d'estimation de la vitesse de rotation de la cage, une méthode de restauration des propriétés cyclostationnaires est proposée. Fort de cette restauration, une adaptation des techniques de moyennage synchrone au cas des roulements est étudiée. Deuxièmement, l'estimation de la dégradation repose sur la capacité à suivre finement l'évolution de différents indicateurs. À ce titre, il manque cruellement d'outils permettant le traitement de séries de signaux vibratoires, la plupart étant centrés sur l'analyse séparée de chaque signal. Les statistiques de rang offrent un cadre robuste et non-paramétrique pour l'analyse de tendance. En se basant sur le test de Mann-Kendall, deux outils sont proposés pour répondre à deux problématiques de la surveillance vibratoire : la sélection de bande informative fréquentielle et l'analyse spectrale.

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.