Rôle de la rhéologie et de la physicochimie de l'interface dans la réponse tribologique et dynamique des systèmes frottants en composites C/C

Doctorant : Simone CIPRARI

Laboratoire INSA : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

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

Les matériaux composites carbone/carbone (C/C) sont utilisés dans de nombreuses applications de freinage haute performance, telles que le freinage aéronautique, dans lesquelles la légèreté et la résistance thermique représentent des exigences cruciales. En raison de l'intérêt croissant pour cette classe de matériaux, un grand nombre de travaux de recherche ont étudié leur réponse tribologique. Un comportement complexe, caractérisé par l'existence de différents régimes de frottement en fonction des principaux paramètres de contact (température, pression, vitesse de glissement, etc.), a été mis en évidence. Malgré la quantité de travaux consacrés à ce sujet, seuls quelques groupes de recherche ont étudié la relation entre la réponse en frottement des matériaux C/C et l'apparition de vibrations instables induites par le frottement (FIV) du système mécanique, soulignant un rôle fondamental joué par la rhéologie de l'interface sur les comportements de frottement conduisant à l'apparition d'instabilités dynamiques au contact. Dans ce cadre, cette thèse étudie le rôle du troisième corps (c'est-à-dire la couche d'interface formée par les particules d'usure et externes) sur la réponse tribologique et dynamique des systèmes de friction C/C. À cette fin, une nouvelle méthode expérimentale d'évaluation du rôle rhéologique du troisième corps est développée, en adoptant une approche indirecte. La technique de nettoyage par ultrasons est appliquée pour retirer la couche de troisième corps d'un contact C/C, ce qui permet d'effectuer des tests sur les mêmes échantillons en présence et en absence de la couche d'interface. La comparaison entre les comportements mesurés met en évidence un rôle prédominant du troisième corps dans le contrôle de la réponse globale en frottement du système, en particulier dans des conditions de température élevée. La réintroduction dans le contact d'un troisième corps externe est également étudiée, en utilisant les échantillons nettoyés, obtenus après des conditions de freinage réelles et après l'élimination de leur troisième corps naturel, en tant que substrats. La validation de cette procédure ouvre la voie à l'essai d'échantillons de troisième corps introduits artificiellement. Des observations MEB complémentaires ont été effectuées pour caractériser la couche de troisième corps observée sur les surfaces de frottement des matériaux C/C conditionnés pendant la vie en service. Des familles morphologiques du troisième corps en accord avec la littérature existante ont été identifiées, et un accent particulier a été mis sur les contaminants hétérogènes observés dans le troisième corps carboné. Ces observations ont conduit au développement des spécimens artificiels du troisième corps, destinés à reproduire le mieux possible la morphologie du troisième corps naturel, en contrôlant la présence et la morphologie des contaminants hétérogènes. À l'aide de cette méthodologie, le rôle du troisième corps et de ses caractéristiques, telles que la morphologie et la composition chimique, sur la réponse frictionnelle et dynamique du contact C/C a été analysé. L'effet de certains contaminants du troisième corps est étudié, révélant une forte sensibilité de la réponse de frottement C/C sur la nature du contaminant, même en présence d'une faible fraction d'éléments hétérogènes dans la couche de troisième corps. Chaque type de contaminant est caractérisé en termes d'effet sur les valeurs moyennes de frottement et sur la relation coefficient de frottement - vitesse, deux aspects fondamentaux pour évaluer leur impact sur l'apparition de vibrations instables induites par le frottement. Des scénarios rhéologiques sont ensuite proposés pour expliquer la réponse tribologique mesurée, en clarifiant les comportements de frottement qui conduisent à l'apparition d'une réponse dynamique instable du système.

 

Perception de la direction et de la largeur des sources fantômes dans un contexte de reproduction audio en environnement automobile

Doctorant : Thomas CHARPENTIER

Laboratoire INSA : LVA - Laboratoire Vibrations Acoustique

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique
 

Cette thèse a pour but d'identifier et de caractériser quelques attributs relatifs à la spatialisation sonore dans une voiture, c'est-à-dire ce qui concerne la dispersion spatiale des sources et de l'environnement d'enregistrement. Cette thèse se concentre principalement sur les contenus stéréophoniques à deux canaux, droite et gauche, qui sont le format le plus largement diffusé aujourd'hui. Dans un premier temps, une recherche bibliographique a permis d'identifier et de hiérarchiser les attributs liés à la scène sonore qui peuvent être divisés en deux groupes: la localisation et l'immersion. En comparant les résultats de plusieurs études dans le premier chapitre, il est montré que la direction et de la largeur des sources virtuelles sont les attributs les plus importants dans le contexte automobile. Ainsi, un protocole expérimental de perception de la direction a été développé dans une seconde partie. Une fois le protocole validé, plusieurs expériences ont été réalisées dans des voitures. Les données provenant de ces expériences ont été comparées avec plusieurs modèles perceptifs, basés sur des enregistrements binauraux ou sur des données géométriques. Il est démontré qu'un de ces modèles a la capacité de prédire la position perçue des sources virtuelles. Dans un dernier chapitre, en utilisant les connaissances issues de la première partie ainsi que de la littérature, plusieurs réglages audio ont été proposés afin que le centre d'une piste stéréophonique soit perçu devant un ou les deux passagers avant. A partir de ces réglages, une expérience perceptive de la direction et de la largeur a été réalisée dans une voiture. Les résultats de cette expérience démontrent les limites du modèle validé dans la première partie, car celui-ci fonctionne seulement dans un certain cadre. Cependant, les résultats ont permis de valider et de comparer les différentes approches de réglages. Enfin, les données expérimentales sur la largeur ont été comparées avec plusieurs modèles perceptifs. Deux modèles ont révélé être cohérent avec les données expérimentales : un modèle binaural, basé sur le calcul des indices interauraux et de la probabilité que ceux-ci correspondent à des sources réelles à différents degrés d'azimut, et la fraction latérale de l'énergie. Pour conclure, cette thèse a permis de mettre en lumière un modèle capable de prédire la perception de la direction des sources sonores virtuelles dans le plan horizontal au sein d'un habitacle automobile. Bien qu'il ait été démontré que ce modèle fonctionne uniquement dans un cadre bien défini, le fait même qu'il ait fonctionné nous apporte de précieuses informations sur le mécanisme de perception de la scène sonore dans un tel contexte. De plus, en s'inspirant de ce modèle et d'autres études, il a été prouvé expérimentalement que plusieurs méthodes de réglage permettent de positionner une source virtuelle à une position donnée, de manière à ce qu'elle soit perçue de la même façon par les passagers de gauche et de droite dans leur propre référence. L'avantage de ces méthodes réside dans leur automatisation quasi totale. Par ailleurs, le modèle binaural permet d'estimer la qualité de restitution des sources virtuelles en termes de largeur sur le plan horizontal, et même de direction dans certains cas. Ce modèle peut ainsi être utilisé pour comparer différentes architectures audio ou réglages sans a priori sur les algorithmes employés. Bien entendu, d'autres études sont nécessaires, par exemple pour développer un modèle capable d'estimer la direction d'une source virtuelle dans tous les contextes. De plus, d'autres attributs perceptifs méritent d'être étudiés, tels que la perception de la distance et de l'immersion.

 

Mise en place de références métrologiques pour la mesure de conductivité thermique par microscopie thermique à balayage

Doctorante : Sarah DOURI

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

La demande croissante de la gestion thermique dans diverses industries (énergie, micro et nanoélectronique...) a fait naître le besoin de techniques de caractérisation thermique fiables à l'échelle micro et nanométrique. La microscopie thermique à balayage (SThM pour « Scanning Thermal Microscopy » en anglais) est un outil intéressant pour la caractérisation des propriétés thermiques et l'étude des mécanismes de transfert de chaleur à ces échelles. Cependant, certains aspects métrologiques restent un défi pour la mesure quantitative et traçable de la conductivité thermique avec la technique SThM. L'objectif de ce travail est d'améliorer la métrologie associée à la mesure de la conductivité thermique avec le SThM pour obtenir des mesures quantitatives, traçables et fiables. L'une des principales contributions de ce travail est l'établissement d'un nouveau modèle 3D par la méthode en éléments finis (MEF) pour la deuxième génération de la sonde Palladium afin de décrire plus précisément la dissipation de la chaleur en son sein ainsi que les différents mécanismes de transfert de chaleur qui se produisent entre la pointe et l'échantillon. Les résultats de simulation révèlent l'influence de la résistance thermique d'interface sur la réponse thermique et la sensibilité de la technique à ce paramètre tant dans l'air que dans le vide. Le transfert de chaleur par conduction en régime balistique (au contact), qui est généralement négligé dans les modèles existants dans la littérature, a été intégré dans le modèle 3D. L'étude met en évidence la nécessité de prendre en compte ce transfert de chaleur lorsque les mesures sont effectuées dans le vide. Une étude comparative entre le modèle 3D MEF et le modèle analytique généralement utilisé expérimentalement pour étalonner les sondes résistives évalue l'applicabilité de l'approche analytique pour les mesures de conductivité thermique et met en évidence ses limites et les améliorations possibles. La partie expérimentale de ce travail se concentre sur l'amélioration de l'installation expérimentale du Laboratoire de mesure et d'essais et des protocoles de mesure pour une mesure plus précise et répétable (reproductible). En outre, une courbe d'étalonnage expérimentale est établie et l'incertitude associée est évaluée à l'aide d'une nouvelle approche. Les résultats montrent que les améliorations apportées à l'installation et aux protocoles de mesure réduisent l'incertitude associée au mesurande, diminuant ainsi l'incertitude associée à l'estimation de la conductivité thermique. L'analyse expérimentale met en évidence que des mesures quantitatives et traçables de la conductivité thermique (pour des échantillons où le transfert de chaleur est principalement diffusif) avec la technique SThM sont possibles pour les matériaux à faible conductivité thermique (actuellement limitée à la plage de 0,187 W.m-1.K-1 jusqu'à 10 W.m-1.K-1) avec une incertitude associée <20 % (k=2).
 

Vers une qualification interdisciplinaire de la vulnérabilité sanitaire individuelle et des vécus face aux fortes chaleurs : croisement et mise à l'épreuve de la modélisation du stress et des astreintes thermiques avec le terrain ethnographique

Doctorante : Célia Sondaz

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

L'exposition aux vagues de chaleur, de plus en plus fréquentes, longues et intenses, altère la santé et le bien-être des habitants, notamment en milieu urbain. Les interactions entre les individus et leur environnement physique et social à l'origine de cette altération sont complexes, multifactorielles et multidimensionnelles. C'est pourquoi cette thèse propose et expérimente une approche interdisciplinaire de qualification des conséquences des surchauffes urbaines sur la santé individuelle et de la vulnérabilité associée. Deux méthodes sont ainsi croisées : (i) la modélisation et la simulation numérique des ambiances thermiques intérieures et des réactions thermo-physiologiques associées, (ii) le recueil et l'analyse des réactions à la chaleur, des stratégies d'adaptation, des percepts et des représentations individuelles et sociales, via une enquête qualitative de terrain. Cette approche a été expérimentée sur une population épidémiologiquement vulnérable aux fortes chaleurs, les femmes âgées, et en se consacrant principalement à l'exposition à l'intérieur des logements. Dans cette thèse, la modélisation a pour objectif d'étudier l'exposition thermique dans le logement ainsi que les réactions physiologiques induites. Pour cela, le modèle thermo-physiologique multisegments et multi-nœuds JOS-3 a été adapté pour simuler les astreintes thermiques, hydriques et cardiovasculaires. Ainsi, le nouveau modèle développé, aJOS-3, inclut un bilan hydrique complet, le calcul de la fréquence cardiaque et les limites de thermorégulation dues aux astreintes hydriques et cardiovasculaires. Des études de sensibilité de aJOS-3 à ses paramètres d'entrée, au pas de temps et aux asymétries en entrée ont montré la pertinence, en première approximation, de réaliser des simulations en série avec le modèle de STD de bâtiment EnergyPlus avec un pas de temps de 15 minutes. En parallèle de la modélisation, l'enquête de terrain réalisée auprès de 7 femmes de plus de 70 ans vivant seule dans trois modes d'habiter différents durant les étés 2022 et 2023 a reposé sur: (i) des mesures thermiques en continu dans les logements, (ii) des entretiens semi­ directifs, et (iii) un suivi quotidien à l'aide de carnets de bord et d'entretiens téléphoniques. Les résultats montrent notamment que les réactions psychologiques, sociales et comportementales sont au moins aussi problématiques que les symptômes physiques pour les participantes. Les percepts thermiques sont influencés par de multiples facteurs, et les représentations de la chaleur et de la vulnérabilité jouent un rôle clé dans l'adoption de stratégies d'adaptation ainsi que dans la tolérance à la chaleur et à ses conséquences. Au travers de deux études de cas, la chaîne de modèles EnergyPlus - aJOS-3 a été mise à l'épreuve du terrain afin d'évaluer son apport pour la compréhension des réactions à la chaleur. La comparaison des astreintes physiologiques simulées avec les vécus estivaux rapportés suggère que ce croisement des approches constitue un outil pertinent pour personnaliser les stratégies d'adaptation à conseiller. De plus, la modélisation des astreintes avec aJOS-3 semble plus représentative de la répartition temporelle des réactions physiques que l'estimation d'indices de stress thermique classiques tels que la PET. Le développement méthodologique, l'analyse du terrain et les études de cas montrent comment le croisement de la modélisation du stress et des astreintes thermiques avec le terrain permet d'appréhender les vécus et réactions en périodes de forte chaleur, par exemple par l'identification des réactions les plus marquantes, par celles des facteurs affectant l'exposition, les percepts ou la tolérance aux réactions, etc. L'approche interdisciplinaire permet également d'identifier les besoins, atouts, limites et perspectives propres aux différentes méthodes ainsi que les enjeux liés à leur croisement interdisciplinaire.

Contribution à la compréhension du phénomène de bruit fantôme des dentures d'automobiles

Doctorant : Julien FINOT

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Au cours des dernières années, l'industrie automobile a entrepris une transformation majeure de ses groupes motopropulseurs afin de se conformer à des réglementations plus strictes concernant les émissions de CO2. Cela a conduit Stellantis à fabriquer des véhicules électriques qui sont plus silencieux que les véhicules à essence ou Diesel en raison de l'absence de ce type de groupe motopropulseur. La boîte de vitesses existe toujours, et le bruit d'engrènement, également appelé bruit de sirène, devient plus audible à l'intérieur de la voiture. De plus, un autre type de bruit, appelé bruit fantôme, peut apparaître et devenir insupportable pour les utilisateurs du véhicule. La manière dont ce bruit fantôme est créé est encore sujet à discussion, mais il est clairement lié au processus de superfinition des flancs des dents des roues dentées et en particulier au processus de rectification par génération des roues dentées. Comme il s'agit du processus de superfinition le plus rapide pour l'usinage des dents, il est impératif pour l'industrie automobile de maîtriser ce phénomène de bruit. Tout d'abord, une introduction à l'évolution de la fabrication des engrenages chez Citroën et de l'architecture des boîtes de vitesses est faite pour mettre en évidence la transformation constante de cette industrie. Ensuite, une revue de la littérature traitant du phénomène de bruit fantôme est réalisée, abordant plusieurs sujets tels que: - La mesure et l'analyse de la micro-géométrie. - Les causes racines du bruit fantôme. - La détection du bruit fantôme lors de !'engrènement. - La simulation de la rectification par génération des roues dentées... Ensuite, différentes méthodologies sont créées ou améliorées afin d'étudier l'effet des flancs de dents avec des défauts d'ondulations sur l'apparition du bruit fantôme : - Une nouvelle analyse de la micro-géométrie testée en production automobile ; - L'amélioration de la simulation de !'engrènement en prenant en compte des écarts d'ondulations sur les flancs des dents ; - La conception et la validation d'une machine de mesure de l'erreur de transmission sans charge pour corréler les résultats de la simulation
d'engrènement; - Une simulation cinématique de la rectification des dentures par génération avec la possibilité d'ajouter des défauts cinématiques et d'étudier leurs effets sur les flancs des dents usinées. Enfin, une importante campagne de tests réalisée avec un fabricant de machines de rectification de denture est présentée et les résultats sont construits en utilisant les méthodologies développées précédemment. Sur la base des résultats, des lignes directrices pour maîtriser le phénomène de bruit fantôme sont données.
 

Étude expérimentale du transport de microparticules plastiques modèles au sein d'une bifurcation à surface libre

Doctorant : Okba MOSTEFAOUI

Laboratoire INSA : LMFA - Laboratoire de Mécanique des Fluides et Acoustique

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

De nombreux produits plastiques en fin d'usage échappent aux filières de traitement et de valorisation et se retrouvent, volontairement ou non, dans les compartiments de la biosphère, notamment les environnements aquatiques (rivières, lacs, océans). Les zones urbaines constituent la principale source de génération des microplastiques, issus, principalement, de la fragmentation des emballages plastiques, de l'abrasion des pneus sur les routes ou du relargage de fibres synthétiques dans les machines à laver. Cette thèse se concentre sur le transport des microplastiques au sein des déversoirs d'orage, interface entre le réseau d'assainissement urbain et l'environnement et principal vecteur urbain de pollution en microplastiques. L'objectif principal est d'identifier les zones d'accumulation et les modes de dispersion des microplastiques dans un écoulement de bifurcation à surface libre modélisant un déversoir d'orage. L'enjeu est donc de comprendre « comment les microplastiques, selon leurs caractéristiques physico-chimiques, sont distribués dans la branche latérale d'une bifurcation ? » Pour répondre à cette problématique, des protocoles d'élaboration de microparticules modèles, reproduisant les caractéristiques de microplastiques présent dans les milieux environnementaux, ont été développées pour une utilisation au sein d'un dispositif expérimental. Le premier protocole a permis de concevoir des particules aux propriétés physiques contrôlées, intégrant un colorant fluorescent pour améliorer leur suivi par des méthodes optiques. Le second protocole a permis un vieillissement accéléré des microparticules par photo-oxydation UV, simulant la dégradation chimique des microplastiques prélevés dans un bassin de rétention urbain. Concernant l'écoulement de bifurcation, une méthode de mesure 3D a permis de caractériser les structures tridimensionnelles présentes dans la branche latérale. Les mesures ont révélé l'absence systématique de fermeture de la zone de séparation. Deux formes d'écoulements de recirculation hélicoïdale ont été identifiées : l'une portée par un axe vertical, associée à un temps de
résidence plus long dans la zone de recirculation, et l'autre portée par un axe horizontal, favorisant un meilleur mélange transverse. En aval, ces deux structures génèrent des écoulements secondaires qui accentuent le mélange entre l'écoulement lent et rapide à l'intérieur et à l'extérieur de la zone de séparation. La dynamique des microparticules modèles a ensuite été étudiée expérimentalement par PTV-4D dans un écoulement de bifurcation, en faisant varier leurs caractéristiques physiques et leur position d'injection. Au-delà de l'effet de densité qui donne lieu à une accumulation près du lit ou en surface, il est observé que les microplastiques possédant un faible nombre de Stokes (caractérisant le temps de réponse des particules) se dispersent plus et sont susceptibles d'entrer dans la zone de recirculation. Par ailleurs, la position d'injection joue un rôle clé dans la formation initiale des zones d'accumulation, bien que cette hétérogénéité tende à s'atténuer en aval. Cette thèse a aussi conduit au développement d'un code numérique de transport de microparticules, adapté aux écoulements aqueux à petite échelle, sans ajustement de coefficients. Les résultats de la thèse améliorent la compréhension du comportement des microplastiques dans un écoulement turbulent et de bifurcation à surface libre modélisant un déversoir d'orage. Ils mettent en évidence l'influence des caractéristiques physico-chimiques des particules sur leur dispersion et leur taux d'accumulation, pilotés par les formes des structures d'écoulements. De plus, le développement de protocoles d'élaboration de microparticules modèles, représentatives de microplastiques, et d'un code numérique adapté, ouvre la voie à de nouvelles études et une meilleure prédiction de leur dynamique dans les environnements aquatiques urbains.
 

Élément fini solide-poutre pour l'analyse mésoscopique du comportement des renforts textiles à fibres continues

Doctorant : Baptiste LACROIX

Laboratoire INSA : LaMCos  - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Les renforts textiles à fibres continues sont utilisés pour la fabrication de matériaux composites, ce qui implique parfois des étapes de mise en forme. La maîtrise des étapes de celle-ci requiert des simulations à différentes échelles de représentation : macro, méso ou microscopique qui correspondent respectivement à celle du renfort, de la mèche ou de la fibre. L'analyse mésoscopique de la mise en forme de ces renforts permet de mettre en évidence les défauts apparaissant au niveau des mèches : leur flambement, leur écartement et leur désorientation. Leur prédiction est cruciale car ils sont responsables d'une diminution locale des propriétés mécaniques de la structure. Les méthodes permettant des simulations numériques à cette échelle nécessitent parfois des modèles complexes au nombre de degrés de liberté élevé et sont donc coûteux d'un point de vue calculatoire. Pour limiter ces coûts, certaines approches utilisent des modèles fondés sur des hypothèses simplificatrices qui ne permettent pas de capturer l'ensemble des mécanismes à l'œuvre dans la transformation des milieux fibreux. Pour répondre à cette problématique, l'objectif de la thèse est de développer une nouvelle stratégie de modélisation frugale pour l'analyse mésoscopique des renforts à fibres continues. Dans ce travail, nous proposons une approche de solide-poutre pour décrire les mèches. Cette approche repose sur une actualisation de la méthode proposée par Charmetant, basée sur des éléments volumiques et une loi de comportement hyperélastique isotrope transverse. Dans le cas du solide-poutre développé ici, l'élément volumique est enrichi par des poutres fictives utilisant une extension 3D de la méthode dite des éléments voisins et permettant de prendre en compte la raideur en flexion de la mèche. L'approche est implémentée dans un code de calcul interne utilisant la méthode des éléments finis avec un schéma d'intégration temporelle explicite. Des simulations de compaction non confinée, de flexion cantilever et de flambement d'une mèche sont réalisées afin d'observer l'influence de chaque mode de déformation sur la transformation de la mèche. Au travers de simulations numériques sur des mèches, des catégories de comportement de milieux fibreux (associées à des jeux de paramètres matériau) sont mis en évidence ; une classification est proposée en utilisant des ratios de propriétés. La pertinence de cette stratégie est démontrée par des comparaisons entre des simulations numériques et des essais sur des matériaux modèles. Enfin, des simulations de compaction et de pull-out hors plan sont réalisées sur un échantillon de renfort taffetas. Ces exemples numériques démontrent la capacité de notre modèle à capturer des défauts qui apparaissent lors d'opérations de mise en forme.

Preuve de concept d'une pompe à chaleur élastocalorique pour la réfrigération à température proche de la pièce utilisant du caoutchouc naturel

Doctorante : Marianne SION

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

De nos jours, la plupart des systèmes de réfrigération se basent sur la compression de gaz. L'utilisation de ces gaz compressés a révélé des problèmes, notamment une dégradation de la couche d'ozone et un potentiel de réchauffement climatique élevé. Plusieurs générations de gaz réfrigérant se sont succédées et ont été finalement bannies à cause de leur toxicité, de problèmes de sécurité ou de leur impact négatif sur l'environnement. Une alternative est l'utilisation de matériaux caloriques qui peuvent être utilisés pour faire de la réfrigération liquide-solide avec des systèmes régénératifs ou de la réfrigération solide-solide en utilisant des systèmes de réfrigération à étage unique. Les matériaux caloriques sont connus pour être sujets à des variations de températures lorsqu'ils sont soumis à un chargement externe. Ces matériaux sont divisés en quatre catégories : magnétocalorique, électrocalorique, barocalorique et élastocalorique, suivant le type de chargement, champ magnétique, champ électrique, pression ou contrainte uniaxiale, respectivement. Les matériaux élastocaloriques sont divisés en deux catégories, les alliages à mémoire de forme, tels que les alliages de Nickel Titane (Ni-Ti) et les polymères, tels que le caoutchouc naturel. Les polymères n'ont pas été beaucoup étudiés pour la conception de système de réfrigération élastocalorique. Cependant, le caoutchouc naturel est un matériau intéressant pour la réfrigération solide car il est peu coûteux et a un faible impact environnemental. L'utilisation du caoutchouc naturel, qui peut être considéré comme un matériau isolant thermiquement, représente un défi. Le but de ce travail est de mieux comprendre comment le caoutchouc naturel peut être un bon candidat pour la réfrigération solide pour un système de réfrigération à étage unique. Il est nécessaire de comprendre quels sont les paramètres clés les plus importants pour obtenir les meilleures différences de température et puissance de refroidissement. Les principales questions scientifiques se posant sont sur la possibilité d'obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de transfert et de déterminer si une mise à l'échelle du système de réfrigération peut permettre d'obtenir de plus larges différences de température et de plus hautes puissances de refroidissement. Afin de répondre à ces questions, cette thèse se concentre sur le développement et l'évaluation des performances d'un système de réfrigération élastocalorique utilisant du caoutchouc naturel. Le Chapitre 1 de ce travail présentera le contexte et l'état de l'art sur les différents effets caloriques et certains systèmes de réfrigération utilisant ces effets. Dans le Chapitre 2, un système de réfrigération à étage unique à 4 temps est présenté et testé, afin de mieux comprendre les mécanismes de transfert de chaleur. Dans le Chapitre 3, une comparaison de neuf échantillons de caoutchouc naturel est présentée, afin d'étudier l'impact de l'épaisseur et de la composition des matériaux sur les performances du système. Dans le Chapitre 4, un deuxième système expérimental est étudié. C'est un système de réfrigération à 2,5 temps, qui a pour spécificité de mettre le caoutchouc en contact avec l'échangeur chaud lorsqu'il est toujours en cours de chargement. Dans le Chapitre 5, un modèle analytique est développé et utilisé afin d'étudier le transfert de chaleur entre le caoutchouc naturel et les échangeurs de chaleur. Finalement, une conclusion générale pour rappeler les principaux résultats de la thèse et les perspectives d'amélioration du système de réfrigération élastocalorique.

Développement d'un modèle éléments finis thermomécanique macroscopique pour l'estimation de l'impact du meulage sur les contraintes résiduelles dans les assemblages soudés.

Doctorante : Audrey MICHON

Laboratoire : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED 162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Le meulage, une opération d'enlèvement de matière utilisée dans diverses industries, en particulier dans le secteur nucléaire (EDF), est principalement appliqué aux composants soudés. Ce procédé, impliquant un outil de meulage composé de liants et de particules abrasives, fait partie des procédés de parachèvement pour améliorer la qualité des pièces soudées. Cependant, la nature manuelle du meulage introduit une variabilité en raison de facteurs tels que le type d'outil, le savoir-faire de l'opérateur, les matériaux utilisés et les paramètres opératoires de meulage. De plus, le meulage influence les contraintes résiduelles près de la surface traitée et, suivant la nature des matériaux, peuvent favoriser les mécanismes de fissuration par Corrosions Sous Contraintes (CSC). Cette thèse examine comment le meulage modifie l'état des contraintes résiduelles, façonné par l'historique thermomécanique du composant. Le meulage peut introduire de nouvelles contraintes résiduelles. Pour comprendre l'impact des paramètres de meulage sur ces contraintes, nous proposons une chaîne numérique complète, validée par des essais sur un banc de meulage semi-automatique développé par Framatome. L'objectif est d'évaluer l'interaction complexe entre les paramètres opératoires (procédé) du meulage et l'état des contraintes résiduelles dans les composants soudés. Le défi dans la modélisation du meulage provient des nombreux phénomènes physiques en jeu, allant de l'enlèvement de matière aux interactions thermomécaniques au cours du contact outil-pièce. Pour s'aligner sur les exigences d'EDF, une approche macroscopique a été adoptée, adaptée pour analyser les effets du meulage à l'échelle du composant. Notre recherche a conduit au développement d'un modèle tridimensionnel de meulage utilisant Code_Aster, le code open source d'éléments finis développé par EDF. Le procédé de meulage est simulé comme une charge thermomécanique équivalente, pré-calculée en utilisant un code de contact semi-analytique interne ISAAC développé au LaMCoS. Ces simulations couvrent plusieurs étapes successives d'enlèvement de matière. Pour valider notre modèle, nous avons effectué des essais sur une maquette soudée pour anticiper l'impact du meulage sur les contraintes résiduelles des soudures. Les résultats obtenus permettent non seulement de montrer l'effet du meulage sur les soudures, en termes de contraintes résiduelles, mais aussi de montrer la capacité du modèle à reproduire les tendances observées expérimentalement.

Multi-stabilité et rupture de symétrie dans un système vibro-impact non linéaire avec jeu annulaire : analyse expérimentale et numérique des bifurcations

Doctorant : Pau BECERRA ZUNIGA

Laboratoire : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED 162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Dans les générateurs de vapeur, les vibrations induites par l'écoulement génèrent des impacts qui peuvent provoquer l'usure des tubes intérieurs au fil du temps. Afin de mieux comprendre la réponse non linéaire de ces structures, une maquette représentant un tronçon de tube de générateur de vapeur a été conçue, consistant en un tube droit bi-encastré vibrant en flexion avec une butée annulaire à jeu avec un dispositif pour contrôler l'excentrement tube-butée. Parallèlement, un modèle d'ordre réduit a été construit afin de prédire la réponse la maquette et un algorithme de continuation basé sur la méthode d'équilibrage harmonique (HBM} a été utilisé pour calculer ses réponses stationnaires multistables. Cet algorithme ainsi qu'une technique de suivi des bifurcations ont été implémentés dans Cast3M (code de calcul du CEA}. Les résultats expérimentaux ont montré la coexistence de différents régimes pour le même ensemble de paramètres, ce qui a été correctement prédit par le modèle. Ensuite, les résultats expérimentaux et numériques ont été confrontés pour différentes symétries de tube-butée et malgré le modèle d'ordre réduit, les deux correspondaient remarquablement. Ces comparaisons ont été effectuées pour différentes configurations de symétrie tube-butée et l'analyse de bifurcation s'est avérée particulièrement précise pour prévoir l'apparition de régimes multi-stables. En outre, le suivi des bifurcations a été utilisé pour analyser l'influence d'un modèle de frottement glissant régularisé. Enfin, l'influence du nombre de modes retenus dans le modèle d'ordre réduit a également été examinée. Ces résultats démontrent la coexistence de plusieurs réponses dynamiques dans une maquette assez simple, tout en mettant en évidence la robustesse et les points faibles des outils numériques développés au cours de ce travail.