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.

 

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.

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.

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.
 

 

Modélisation de la distribution spatiale de l’îlot de chaleur urbain à l’échelle locale : mise en place et évaluation d’une approche par réseau de rues

Doctorante : Julie SORIANO

Laboratoire INSA : CETHIL

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

La modélisation du microclimat urbain est un outil précieux pour évaluer différentes configurations urbaines dans un contexte de surchauffes urbaines. Deux types de modèles sont souvent utilisés : des modèles détaillés ayant recours à la CFD, ou des modèles de canopée urbaine qui représentent un motif urbain répété avec les caractéristiques moyennes d’un quartier. Dans cette thèse, un nouveau modèle se plaçant entre ces deux catégories en termes de précision et de temps de calcul est développé. Son objectif est de modéliser l’îlot de chaleur urbain dans la couche de canopée urbaine à l'échelle locale et sur une période de l'ordre d'une saison, en représentant explicitement les bâtiments. Pour cela, une approche en réseau de rues canyon est proposée, inspirée de modèles de dispersion de polluants, notamment SIRANE. Elle consiste à utiliser un maillage zonal dans lequel chaque rue canyon correspond à une maille. Les intersections relient entre elles les rues, formant un réseau. Une première partie du travail de thèse consiste au développement d'un modèle aéraulique, radiatif et thermique de rue canyon. Ce modèle est confronté à des mesures sur des rues expérimentales sans végétation (ClimaBat). Enfin, la modélisation des arbres est comparée qualitativement à des mesures sur une rue expérimentale arborée à Angers. Dans une deuxième partie, un changement d'échelle est effectué et l'approche en réseau de rues est présentée en détail. Par ailleurs, un prétraitement des données météorologiques est développé dans l’optique d'estimer les conditions limites du quartier urbain simulé, à partir de mesures à une station météorologique. Des mesures à Bâle dans le cadre de la campagne BUBBLE ont permis de l’évaluer. Finalement, le modèle complet est appliqué sur un quartier réaliste, dans le but d'évaluer la cohérence des résultats. Dans l'ensemble, cette application a montré le potentiel du modèle pour des études de microclimat urbain.

 

Simulation de la mise en forme de renforts NCF de composites basée sur des approaches mesoscopique

Doctorant : Ruochen ZHENG

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Les méthodes de modélisation mésoscopiques sont de plus en plus utilisées pour les renfort fibreux car elles sont capables de capturer certains défauts locaux tels que les (par exemple les écarts) se produisant pendant le processus de drapage. Ils permettent également de réaliser une caractérisation virtuelle du matériau du tissu, utilisée ultérieurement dans des simulations macroscopiques. Un point clé de la simulation à méso-échelle est de disposer d’un modèle 3D précis basé sur la géométrie réelle afin de déterminer plus précisément les propriétés mécaniques du tissu. Un modèle mésoscopique de NCF biaxial est proposé, qui atténue le coût de calcul et donne une représentation précise du comportement effectif.

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.