« Etude de la vulnérabilité sismique de structures de génie civil : dévelopement d'essais pseudo-dynamiques sous-structurés pour lacaractérisation de la perte de portance appliquée aux ouvrages poteaux-poutres »

Doctorant : Jean-Baptiste CHARRIE

Laboratoire INSA : GEOMAS

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

La perte de portance suscite un intérêt croissant en raison du contexte socio-économique : mieux comprendre ce phénomène est nécessaire pour réduire les risques associés. De nombreux essais sont donc réalisés dans le domaine académique. Expérimentalement, les études sont rapidement limitées à cause des coûts et de la complexité de mise en place : une grande partie des essais sont réalisés de manières quasi-statique et sur des sous-assemblages. Le comportement dynamique de structure complète est généralement modélisé numériquement. Cependant, le niveau de confiance dans les modèles est très dépendant des lois de comportements et des paramètres utilisés. De plus, l’importance de la prise en compte du comportement dynamique globale des structures est soulignée aussi bien par l’état de l’art de la recherche que part les recommandations de calcul en vigueur. La méthode des essais pseudo-dynamiques sous-structurés (utilisée dans le génie parasismique) est donc ici adaptée à l’étude de la perte de portance. En se basant sur la méthode des éléments finis, la contribution des effets d’inertie et les efforts visqueux sont calculés ; seule la réponse statique équivalente de la structure est testée expérimentalement. La sous-structuration permet d’associer la partie expérimentale de la structure à un ensemble numérique plus large. L’expérience se concentre ainsi sur la partie critique de la structure, et le comportement dynamique global est tout de même reproduit. La méthode adaptée est appliquée à un portique 2D en béton armé. Les poutres de l’étage inférieur sont testées, et le reste est modélisé avec des éléments finis poutres multifibres non-linéaires. Un couplage de schéma explicite-implicite permet de garantir la convergence de l’ensemble numérique, sans compromettre la mesure expérimentale. Des mécanismes non-linéaires sont observés dans la structure physique. Les résultats d’essais sont présentés et discutés, car la méthode permet d’obtenir des informations supplémentaires sur la réponse de la structure par rapport à un essai quasi-statique.

« Systèmes de Jumeau Numérique pour les systèmes de production : application sur le manufacturing lab »

Doctorante : Xeniya PYSTINA 

Laboratoire INSA : DISP

École doctorale : ED512 : InfoMaths (Informatique et Mathématiques de Lyon)

Traditional production systems face major challenges in transitioning to Industry 4.0 (I4.0). These systems must quickly adapt to fluctuations in demand, supply chain disruptions, and equipment failures. Digitalizing company assets is crucial for seamless communication and data integration across value chains. This transformation requires reorganizing machines and equipment using technologies such as the Internet of Things (IoT), data analytics, and artificial intelligence. Modern production systems, incorporating I4.0 concepts, rely on advanced architectures like RAMI4.0 for designing and implementing Digital Twins (DT).
For these systems to operate effectively in smart production environments, they must meet interoperability, communication, and standardization requirements. However, consistent application of standards, such as ISO 23247, remains a significant challenge. Managing intelligent production systems involves addressing complex structural, operational, and organizational issues. A methodical, integrated approach is essential to align strategic objectives with field operations.
This research aims to develop a structured approach for designing, developing, and implementing DT systems aligned with companies' strategic visions and commercial goals in manufacturing industries. The approach ensures traceability of design attributes, data interoperability, real-time synchronization, and model accuracy, adapting standard DT definitions to meet specific business needs.
The framework is divided into two main parts: (1) Developing a DT system on a smart platform to test various scenarios, such as production order management and rescheduling, considering the production line hierarchy; and (2) Validating the conceptual framework by designing a DT system prototype. This approach provides recommendations on how to develop and use DTs to enhance production system performance and strategic objectives, addressing the challenges of modern production systems.

« Contribution au développement de simulateur haptique pour l’apprentissage du geste chirurgical de l’insertion d’aiguille »

Doctorant : Benjamin DELBOS 

Laboratoire INSA : AMPERE

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Au cours de cette doctorat, l'étude se concentre sur la simulation pour l'apprentissage du geste chirurgical d'insertion d'aiguille. Ce manuscrit explore plusieurs thématiques liées à la conception de simulateurs haptiques utilisant un retour de force via une interface haptique. Deux échelles de travail sont à distinguer.
La première concerne la reproduction haptique de l'interaction outil-tissu, visant à simuler les forces ressenties par le chirurgien lors de la pratique clinique. Bien que cette thématique ne soit pas spécifique à un geste particulier, elle s'applique à l'insertion d'aiguille, présente dans de nombreuses procédures chirurgicales. La problématique principale réside dans la modélisation et l’implémentation des forces d'insertion en simulation haptique, afin de reproduire fidèlement ces forces à travers une interface haptique. Parallèlement, une interface à retour de force a été conçue pour la simulation de l'insertion d'aiguille, optimisant ses performances tout en réduisant le coût des simulateurs, directement lié au coût de l'interface.
La seconde thématique concerne la reproduction de l'interaction chirurgien-patient, spécifique au geste de ponction ventriculaire, un acte courant en neurochirurgie. L'objectif est de fournir une représentation réaliste du geste pour améliorer l'apprentissage via la simulation haptique. Le simulateur développé associe un retour haptique, un retour visuel et un mannequin anatomique. Cette approche multimodale, absente de la littérature, vise à équilibrer la simulation haptique et physique, tout en garantissant la cohérence des retours sensoriels. Enfin, une méthodologie a été établie pour diversifier les cas d'études en simulation patient-spécifique, malgré les contraintes imposées par la présence du mannequin physique, en explorant des méthodes de génération de simulations adaptées.

« Strain Evolution and Mechanical Failure in SiOx-Graphite Blend Electrodes for Li-Ion Batteries: An Experimental and Simulation Study »

Doctorant : Abhilash VALISAMMAGARI

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Silicon is identified as a promising material for negative electrodes in next-generation lithium-ion batteries due to its high lithium storage capacity of 3579 mAh/g, which is nearly 10 times higher than the conventional graphite electrode capacity of 372 mAh/g. However, silicon's practical use faces critical challenges due to its volumetric expansion (up to 300%) during lithiation and delithiation cycles. This leads to mechanical degradation, such as electrode delamination and particle detachment, which diminishes performance and cycle life. To address these issues, researchers have turned to silicon oxides (SiOx), which offer a balance between high capacity and cycling stability by reducing volumetric expansion. Although SiOx has a lower capacity than pure silicon, it still outperforms graphite electrodes. However, the mechanical challenges like particle detachment are still existing, but, to a lesser extent than pure silicon. The objective of this thesis is to observe and understand the impact of particle swelling on the overall structural integrity of the electrode. Particularly, focussing on the loss of connectivity in the electrode and to extract possible information for optimizing SiOx-containing electrodes. For this puropose, experimental investigations, including synchrotron tomography and digital volume correlation, were used to gain high-resolution insights into both global and local strain field distribution within the electrode. Later, considering the granular structure of the electrodes, a particle-based method called Discrete Element Method (DEM) was employed to represent the microstructure of the electrode, and considering the insights from the experimental investigation such as the evolution of strains at the electrode scale, the coupling of particle swelling was performed to reproduce the global strain. Finally, the corresponding impact at the electrode scale swelling and the resulting detachement of the particles was assesed by conducting connectivity study on the assembly.
 

« Use of additive manufacturing for functional rehabilitation »

Doctorant : Valentine DELBRUEL

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Since 2017, Humanity and Inclusion has used Fused Filament Fabrication (FFF) to produce prosthetics and orthotics in low-income countries. The initial outcomes were promising, but reliance on imported PP filaments from Europe led to logistical issues. This project aims to recycle plastic waste into 3D-printing filament for local orthopedic device manufacturing in Togo. First, a study evaluated PET, PP, and TPU materials based on availability, recyclability, printability, and mechanical properties. PP was selected for its semi-rigidity, ensuring patient comfort and support. Second, the printability and properties of PP-PE blends from recycling plants were studied. Thermal and rheological analyses highlighted the most promising composition for FFF: a PP matrix with 30 to 50% HDPE. Satisfactory mechanical properties were obtained due to in-situ compatibilization during processing. Ultimately, recycled blends with 70% PP – 30% HDPE, sourced from post-consumer waste from food packaging and post-industrial waste from orthopedic sheet production scraps, were transformed into filament and 3D-printed into AFOs through an optimization of the processing parameters. Third, durability assessments examined the accelerated aging resistance of PP under Togo weather conditions. Recycled PP was sensitive to thermo- and photo-oxidation due to impurities and degraded stabilizers. However, 3D-printing limited process-induced degradation, showing promise for aging resistance. Finally, mechanical tests on a walking bench compared 3D- printed AFOs from virgin and recycled materials with thermoformed PP AFO. While the thermoformed AFO showed the highest resistance, 3D-printed AFOs exhibited similar resistance, with virgin AFOs showing ductile rupture and recycled AFOs showing brittle rupture, highlighting the potential of recycled materials. To conclude, the perspectives for humanitarian applications are discussed, emphasizing the potential of emerging techniques such as Fused Granular Fabrication, which could simplify the manufacturing process and reduce costs.

Experimental and theoretical analyses of the Rolling Contact Fatigue for indented surfaces

Doctorante : Aurore GOIGOUX

Laboratoire INSA : LAMCOS

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

L’électrification des véhicules induit une modification des conditions opératoires des roulements présents dans les réducteurs. Cette application est caractérisée par une lubrification polluée.

Afin de développer des nouveaux matériaux efficacement, il est nécessaire de comprendre le mécanisme d’endommagement et d’en déduire les paramètres influents, ceci dans des conditions opératoires représentatives. Dans cet objectif, cette étude expérimentale et théorique est menée sur des roulements en 100Cr6 martensitique indentés par des particules dures. Le mécanisme d’endommagement est étudié basé sur deux approches : une caractérisation quantitative des indents et de leur endommagement et une caractérisation multi-échelle de la microstructure. Il est montré que les opérations de finition génèrent une fine couche plastiquement affectée à la surface qui n’évolue plus, ni après indentation, ni après fatigue, excepté sous l’épaulement de l’indent. Ainsi, l’épaulement est clé dans l’initiation de l’endommagement. D’abord, il se déforme et/ou s’use progressivement au cours de l’essai, son aspect de surface change et la zone rodée augmente. L’épaulement amont a un aspect de surface différent de celui aval, ce qui pourrait indiquer une déformation plastique plus avancée, expliquant la position préférentielle de la fissuration. Cette déformation engendre une plasticité avancée sous l’épaulement. Avec l’accumulation des cycles, une fissure s’y initie, certainement sur un défaut, comme l’interface carbure primaire/matrice. La propagation de la fissure n’est pas immédiate et consiste en deux processus distincts caractérisés par deux faciès de rupture différents. La fissure se propage d’abord dans une zone à la microstructure très fine, suggérant une propagation lente. La fissure modifie additionnellement la microstructure au-dessus d’elle, certainement par déformation et cisaillement entre les lèvres. La probabilité de fissuration est corrélée au temps d’essai, à la pression et au volume du creux de l’indent, mais pas à sa pente. L’influence du volume du creux pourrait s’expliquer par un volume d’épaulement plus important.

« Tomographic incompleteness maps and application to image reconstruction and stationary scanner design »

Doctorant : Matthieu LAURENDEAU

Laboratoire INSA : CREATIS

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Computed tomography (CT) is one of the most commonly used modality for three-dimensional (3D) imaging in the medical and industrial fields. In the past few years, new X-ray sources have been developed based on carbon nanotube (CNT) cathodes. Their compact size enables the design of a new generation of multi-source CT scanners. In contrast to traditional systems with a single moving source, these scanners often adopt stationary architectures where multiple sources are static. It would benefit both industry with cheaper and motionless systems and medical applications with light-weight and mobile scanners which could be brought to emergency sites. However, this type of scanner uses a fewer number of measurements, known as projections, and may acquire data with a limited range of angles, leading to well-known image reconstruction challenges. This thesis focuses on the design of such stationary CT scanners. Three axes of study are investigated.

The first contribution is the development of an object-independent metric to assess the reconstruction capability of a given scanning geometry. Based on Tuy's condition, the metric evaluates local tomographic incompleteness and is visualized through 3D vector field maps. It is further extended to handle truncated projections, improving its applicability to real-world configurations. The metric enables ranking different geometries, predicting image quality reconstruction, and identifying the origin of geometric artifacts. It is applied to a variety of geometries, including existing scanners.

The second is a novel local regularization method to address limited-angle reconstruction challenges. The method employs a directional total variation (DTV) regularizer whose strength and directional weights are adaptively selected at each voxel. The weights are determined based on the previously introduced metric. Two approaches for directional weights are explored: ratio-based weighting relative to image axes and ellipse-based weighting. The reconstruction algorithm is evaluated in both 2D and 3D simulations, considering noiseless and noisy data, as well as real data.

The third is a tool for optimizing the geometry of CT scanners. Given a fixed number of sources and the surface area available for their positions, the tool optimizes the placement of sources based on the proposed metric. Several state-of-the-art optimization algorithms are implemented and tested on simple 2D and 3D scenarios.

« Nonstationary    vibration    diagnostics    of    rotating    machinery: application to aeronautic power transmission systems »

Doctorant : Fadi KARKAFI

Laboratoire INSA : LVA

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

Le bon fonctionnement des machines tournantes repose sur la surveillance vibratoire de composants rotatifs fragiles tels que les engrenages et les roulements. Concernant plus particulièrement le cas des systèmes de transmission de puissance en aéronautique, la surveillance vibratoire présente des défis considérables qui sont abordés dans cette thèse
: (i) les régimes de fonctionnement non stationnaires, qui nécessitent l'adoption d'approches synchrones, (ii) les interactions complexes entre différents sous-systèmes, susceptibles de masquer ou perturber les signaux de diagnostic et (iii) le bruit émis par diverses sources, tant environnementales qu’internes, rendant la détection des défauts plus difficile. Pour répondre à ces défis, les principes de diagnostic proposé dans cette thèse s'articulent autour de plusieurs objectifs : (1) une estimation fiable de la vitesse angulaire instantanée, permettant la synchronisation des signaux avec les variations du régime, (2) l'extraction des composantes vibratoires pertinentes pour isoler les composants mécaniques critiques et (3) l'application de diagnostics spécifiques à chaque composant, tenant compte des variations opérationnelles pour garantir robustesse et fiabilité. Les méthodologies développées sont validées par des données expérimentales, démontrant leur potentiel pour améliorer la fiabilité et la sécurité des systèmes de transmission en aéronautique.

« Development of signal processing techniques for vibration-based condition monitoring of industrial rotating machines »

Doctorant : Kayacan KESTEL

Laboratoire INSA : LVA

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

This dissertation introduces novel signal processing techniques and enhances existing ones for vibration-based condition monitoring of complex industrial rotating machines. The vibration-based condition monitoring field literature provides many solutions to reveal faulty patterns from a vibration signal. However, their performance on the vibration signals of modern complex machines has not been tested or is generally limited. Furthermore, they may often lack a robust version ready to be applied to real measurements. This study addresses these limitations with several proposals. Key research areas include the development of a stable blind filtering method to optimize Finite Impulse Response (FIR) filters for efficient fault detection and testing the proposed method on vibration signals obtained from a wind turbine gearbox. Additionally, the thesis advances the use of Generalized Likelihood Ratio test (GLRT)-based indicators for more stable and effective monitoring and proposes new statistical indicators with defined thresholds for improved reliability. Furthermore, it explores the impact of operational and environmental conditions on the vibratory behavior of wind turbine drivetrains, aiming to enhance the understanding and assessment of gearbox health through dynamic behavior analysis under varying conditions. These contributions offer substantial advancements in the practical application of signal processing in condition monitoring.

 

Développement d'un procédé de traitement de surface par impulsions électromagnétiques et étude des transformations mécaniques induites

Doctorant : Loup PLANTEVIN

Laboratoire INSA : LaMCoS

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

Le traitement de surface de métaux est un point clé dans les secteurs nécessitant une forte résistance aux environnements très contraints, car il améliore les caractéristiques de la pièce traitée. Traditionnellement, le grenaillage (impacts de billes sur cette pièce) est la méthode la plus courante. Cette méthode, bien que simple à mettre en place, présente de nombreux inconvénients. Issu donc d'un besoin industriel, le grenaillage par impulsions électromagnétiques est une méthode innovante, traitant plus en profondeur, de manière plus contrôlée et sans pollution ni altération de l'état de surface.

Cette méthode, encore très peu étudiée dans le monde, sera présentée dans ces travaux. Le détail physique du phénomène sera d'abord exposé, afin d'en expliquer le fonctionnement, d'en caractériser ses bénéfices attendus ainsi que de dresser un cahier des charges pour sa réalisation pratique. Une fois ces fondations théoriques posées, une partie expérimentale présentera le dispositif de traitement retenu. De par la grande quantité d'énergie nécessaire pour le traitement, un soin particulier est pris pour la conception de ce dispositif. Celui-ci sera utilisé sur deux géométries d'aluminium AA6061 : un prisme et un cylindre.

Enfin, l'exploitation des résultats obtenus à partir du dispositif expérimental montreront la validation d'excellentes capacités du traitement de surface proposé. Notamment, la méthode a permis de multiplier par 15 la profondeur exploitable de traitement, ce qui ouvre la voie à de nombreuses applications inenvisageables jusque-là.

Par ailleurs, des méthodes originales de mesures et caractérisations ont été étudiées. De nombreux capteurs magnétiques ont été évalués et comparés. Ces capteurs permettent une indication rapide, simple et non-invasive sur la qualité du traitement effectué.