« 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.

 

Étude et modélisation des roulements à rouleaux coniques montés dans une roue d’aéronef

Doctorant : Victor PINARDON

Laboratoire INSA : LaMCoS

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

Les roulements à rouleaux coniques présents dans les roues d’aéronefs sont fortement sollicités lors des phases où l’avion est en contact avec le sol. Leur dimensionnement et intégration dans la roue requièrent donc une attention particulière. Cette thèse explore notamment les risques liés à la rotation de la bague externe d’un roulement à rouleaux coniques dans son logement lorsqu'il est soumis à un chargement thermique provenant du frein. En effet, ces roulements sont montés avec un ajustement serré dans le logement. De plus, lors de cas de chargements mécaniques sévères tel qu’un virage de l’avion sur la piste, les efforts internes du roulement peuvent générer un couple de frottement élevé. Ainsi, sous un chargement thermique spécifique et en raison des coefficients de dilatation thermique différents entre la bague et le logement, une perte de serrage peut se produire et entraîner une rotation relative entre la bague externe et le moyeu de la roue dans lequel le roulement est monté. Ce phénomène de glissement dégrade les performances du roulement et peut conduire à de l’endommagement. Une approche semi-analytique est appliquée à un roulement à bagues rigides pour déterminer les efforts de contact entre les rouleaux et les pistes. Ces efforts sont des données nécessaires pour évaluer le couple de fonctionnement du roulement. Le couple est estimé avec des modèles empiriques proposés dans la littérature et basés sur la théorie EHL. Un modèle thermomécanique transitoire est ensuite utilisé pour étudier l'évolution du couple de serrage entre la bague et le moyeu. Enfin, le code de calcul de roulement à bagues rigides est modifié pour intégrer les déformations de la bague externe afin d’évaluer l’impact de ces déformations sur le couple de frottement du roulement. Ces modèles sont appliqués sur deux roues appartenant à des avions différents.

Influence of gear transmission oils degradation on tribological performance and gearbox efficiency

Doctorante : Büşra DURAN

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Les lubrifiants jouent un rôle clé dans la réduction du frottement, mais peuvent se dégrader au cours de leur utilisation, ce qui peut compromettre la fiabilité et l'efficacité des équipements. Définir une stratégie de lubrification optimale nécessite donc une compréhension approfondie des impacts potentiels de la dégradation des huiles.
Pour étudier ce phénomène, plusieurs lots d'huiles de transmission par engrenage ont été analysés et testés afin d'évaluer les changements entre les échantillons neufs et les échantillons prélevés en application. Dans un premier temps, certaines propriétés rhéologiques et chimiques des huiles ont été mesurées et analysées, telles que la viscosité, la composition chimique, l'acidité, la teneur en eau et la contamination en particules solides. Ensuite, les performances tribologiques des huiles ont été évaluées à l'aide de deux tribomètres distincts, complétés par des méthodes optiques de caractérisation des éprouvettes d’essais. Enfin, des essais sur un banc d’essai de transmission ont été effectués sous différentes conditions de fonctionnement pour étudier l'évolution de la dissipation de puissance et du comportement thermique du banc d'essai. De plus, un modèle numérique basé sur un couplage thermique a été utilisé pour exploiter davantage les données expérimentales.
Les résultats de cette étude démontrent une influence claire du fonctionnement des transmissions à engrenages sur les propriétés et la performance des lubrifiants. Les propriétés intrinsèques ont tendance à évoluer avec la dégradation donc les performances tribologiques sont également affectées. Dans le banc d'essai de transmission, la dégradation entraîne une évolution de la puissance dissipée, qui affecte à son tour le comportement thermique. Ces observations semblent également fortement dépendantes des conditions de fonctionnement en application.

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.

« Experimental and numerical study of three-dimensional flows generated by ultrasounds »

Doctorante : Bjarne VINCENT

Laboratoire INSA : LMFA

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

L’acoustic streaming est un écoulement entraîné par l’atténuation d’ondes acoustiques se propageant dans un fluide. Etant peu intrusif, le streaming est idéal pour mettre en mouvement des fluides difficiles d’accès, comme lors de la solidification de semiconducteurs liquides. Dans ces procédés, mélanger le bain fondu et contrôler les instabilités hydrodynamiques est essentiel pour assurer la qualité du lingot solidifié. Ce travail de thèse vise à caractériser le streaming généré par un faisceau ultrasonore avec ou sans réflexion, en vue d’une utilisation à long terme pour le contrôle et le mélange du bain fondu.
Tout d’abord, je caractérise un jet de streaming dans une cavité cylindrique fermée dont la longueur excède la longueur d’atténuation des ondes acoustiques. A l’aide de simulations numériques, j’obtiens des lois d’échelle décrivant l’évolution de la vitesse du jet le long de son axe, permettant ainsi d’avoir une vue d’ensemble des différents régimes d’écoulement.
Ensuite, j’étudie la stabilité de cet écoulement pour différentes tailles de cavité. L’impact du jet sur la paroi opposée à la source acoustique joue un rôle prépondérant dans la déstabilisation de l’écoulement. Outre son effet stabilisant, confiner l’écoulement affecte l’instabilité primaire qui peut être oscillatoire ou non-oscillatoire, sous-critique ou supercritique. Le changement de topologie de la perturbation instable s’explique par l’étude de ses points critiques.
Enfin, j’étudie un écoulement de streaming tri-dimensionnel en vue d’effectuer du mélange. Ce travail expérimental est réalisé dans une cavité cubique remplie d’eau. L’écoulement est forcé par un champ hélicoïdal résultant de plusieurs réflexions d’un seul faisceau sur les parois de la cavité. Avec des mesures optiques de pointe, j’identifie les structures majeures de l’écoulement, et analyse l’évolution de leurs vitesses avec l’intensité du forçage. Je montre que les lois d’échelle d’un jet droit sont valables pour cet écoulement 3D, et peuvent donc être utilisées pour le dimensionner.

Matrix-free weighted quadrature isogeometric analysis applied to thermal and mechanical simulations

Doctorant : Joaquin Eduardo CORNEJO FUENTES

Laboratoire INSA : LaMCoS

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

Ce travail explore le potentiel de l'Analyse Isogéométrique (IGA) pour améliorer les simulations numériques industrielles, en particulier pour le transfert de chaleur et l'élastoplasticité. Bien que la méthode des éléments finis soit couramment utilisée en ingénierie, elle présente des limites de précision et d'efficacité, surtout pour les géométries complexes. L'IGA, en intégrant des techniques avancées comme les méthodes sans matrice, à quadrature pondérée et fast-diagonalization, pourrait offrir une alternative plus précise et efficace. Cette étude démontre l'application de ces méthodes à des équations aux dérivées partielles elliptiques, ainsi que pour des problèmes qui évoluent au cours du temps. Une approche espace-temps pour les problèmes paraboliques non linéaires est également proposée, montrant des performances supérieures aux méthodes actuelles. Cependant, des défis subsistent pour appliquer ces méthodes à des géométries plus complexes et à des applications industrielles à grande échelle. Ce travail ouvre des perspectives pour des simulations plus rapides et fiables, remettant en question les pratiques traditionnelles en ingénierie computationnelle.

Modélisation d'interface endommageable en dynamique explicite dédiée au démoulage de pneumatiques

Doctorant : Paul LAROUSSE

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Le pneumatique est un produit complexe soumis à de nombreuses contraintes. Il doit répondre à un compromis entre coût, performance, sécurité et recyclabilité. Il est formé d'une multitude de couches composées de différents matériaux entraînant des comportements complexes à étudier. Ainsi, le choix de la simulation numérique s’impose, permettant notamment l’étude de nombreux scénarios. Elle permet d'étudier l'impact de chaque étape de fabrication, et notamment celle du démoulage, qui a inspiré cette thèse. Ce problème non-régulier est associé à du contact et de l'endommagement, modélisés à l’aide de modèle de zones cohésives, et à de la dynamique rapide, phénomènes rarement combinés ensemble en simulation.

Le problème à résoudre étant en dynamique transitoire, le choix d’un intégrateur temporel explicite s’impose. L'idée ici est d'utiliser un schéma explicite symplectique possédant ainsi de bonnes propriétés énergétiques en vérifiant les équations de conservation discrètes. Basé sur des travaux antérieurs, le choix est porté sur le schéma explicite CD-Lagrange.

Ainsi, l'étude se concentre sur l'interface de contact entre un solide déformable, et un solide rigide. Une méthode pour résoudre en dynamique des problèmes d’interface est présentée. Un cadre thermodynamique et explicite de résolution est alors proposé, avec un traitement local des non- linéarités et des non-régularités conduisant à un algorithme de résolution "matrix-free". Les formulations sont basées sur le cadre thermodynamique des matériaux standards généralisés et de la mécanique non régulière. Ensuite, l'accent est mis sur les lois d'évolution thermodynamique en étudiant la non-localité temporelle pour limiter la localisation de l’endommagement sur l’interface. Des modèles à effet retard sont alors introduits. L'aspect modulaire de la résolution proposée est montré, avec l’application de plusieurs lois d’interface et de comportement volumique. L'application à des problèmes en grandes transformations est également fournie. Enfin, la faisabilité de l'approche est mise en évidence par son intégration dans un code semi-industriel, MEF++.

 

Numerical modelling of an EHL contact undergoing multiples overrollings

Doctorant : Maxence DECOTE

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Les roulements à biles sont des éléments cruciaux au sein d’une boite de vitesse d’un hélicoptère pour lequel ils lui permettent de voler. En effet, une défaillance au niveau de ces éléments peut entraîner une fin dramatique de l’hélicoptère comme un crash. Ce travail a pour but de mieux comprendre comment un un roulement à billes fonctionne dans des conditions de défaillance de lubrification. Afin de réaliser cela, ce travail ne va pas considérer un roulement entier (trop compliqué). À la place, il va se focaliser sur un contact entre un élément roulant et une bande de roulement. Ce travail constitue une première étape dans la compréhension du fonctionnement d’un roulement à billes en présence d’une panne de lubrification. L’extrapolation des résultats obtenus sur un contact à tout le roulement serait la prochaine étape. Des travaux présentent deux différents comportements, la présence de grippage ou un fonctionnement stable. Un modèle numérique permettant la prise en compte de la sous-alimentation dans un contact ElastoHydroDynamique (EHD) (et Thermo-ElastoHydrodynamique (TEHD)) a été développé dans le but de reproduire ces travaux expérimentaux. La sous-alimentation est introduite par le biais d’une méthode innovante faisant appel au maillage mobile. Ce modèle numérique a été confronté à une référence provenant de la littérature, avec succès. Par la suite, il a été comparé à des résultats expérimentaux en condition de perte de lubrifiant. Des situations stables où le contact fonctionne durant de nombreuses heures sans ajout de lubrifiant ont été obtenues.

High-performance cooling of power semiconductor devices embedded in a printed circuit board

Doctorant : Ahmed Sabry Eltaher AHMED

Laboratoire INSA : AMPERE

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

L'intégration de dispositifs semi-conducteurs de puissance dans un circuit imprimé (PCB) est une solution prometteuse pour réduire les éléments parasites des circuits, simplifier le packaging des dispositifs et réduire les coûts. Cependant, la réduction continue de la taille des puces semi-conductrices, combinée à la faible conductivité thermique des couches diélectriques des PCB nécessitent des solutions de gestion thermique plus efficaces.
Dans ce projet de recherche, deux solutions de gestion thermique sont étudiées. Tout d'abord, un dissipateur de chaleur en graphite avec une haute conductivité thermique (1300 W/(m.K) dans le plan, et 15 W/(m.K) hors plan) est intégré dans le PCB. Deuxièmement, une solution d'extraction de chaleur basée sur la technique de refroidissement par jet d'eau impactant est mise en œuvre pour collecter la chaleur à la surface du PCB. Pour la solution de dissipation de chaleur, les valeurs des résistances thermiques jonction-environnement et jonction-boîtier (RthJA et RthJC, respectivement), des variantes de PCB avec des diodes et des puces MOSFET intégrées, sont réduites jusqu'à 38 % pour RthJA et 30 % pour RthJC, d'après les mesures. Pour la solution d'extraction de chaleur, le refroidisseur à jet d'eau (JIC) présenté réduit expérimentalement RthJA de 33 % par rapport à une plaque froide conventionnelle. Le coefficient de transfert de chaleur effectif (HTC) du JIC est calculé par simulations et s'élève à environ 43 kW/(m².K) avec une chute de pression de 9,7 kPa. Cette performance permet d'atteindre une densité de puissance de 865 W/cm² sans dépasser la limite de température de jonction de 175°C. Augmenter la conductivité thermique de la couche isolante par un facteur de 10 permettra d'atteindre 993 W/cm² (très proche de l'objectif de 1000 W/cm²).
 

Contribution à l'étude du comportement des structures renforcées par des armatures en fibres de carbone

Doctorant : Astérios VALOGIANNIS

Laboratoire INSA : GEOMAS

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

Steel corrosion is one of the main causes of mechanical deterioration of reinforced concrete structures during their lifetime. A promising alternative for their reinforcement is the Fiber Reinforced Polymer (FRP) bars. These bars are also being studied in the context of reinforcing the underground structures that will host the radioactive waste produced in France, through related research projects carried out by the French National Agency for Radioactive Waste Management (ANDRA). The research conducted through this PhD thesis contributes to gaining more knowledge about the behavior of these bars by focusing on their interaction with concrete. Four types of carbon FRP (CFRP) bars were selected for this study, which differ, among others, in their surface treatment as follows: ribbed, sand-coated, smooth and twisted bars. Conventional steel bar is also used for comparison purposes. Steel-reinforced and CFRP-reinforced cubic concrete samples with 20 cm on each side are tested in pull-out loading to evaluate and quantify the concrete/bar bond behavior. Each CFRP bar exhibits a different bond performance attributed mainly to the composition and geometry of their outer surface, with ribbed bar presenting the highest bond strength among CFRP bars. Some of the CFRP-reinforced samples are also subjected to partial pull- out loading, while others remain unloaded. Cylindrical samples of 0.6-2.5cm thickness and 4.2cm in diameter obtained by core drilling from the CFRP-reinforced samples are studied using Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy, indentation and push-out tests. The objective is to understand the interface behavior and its failure mechanisms. One of the notable results is the poor concrete-carbon fibers bond and the good concrete-polymer bond. Bond strength values obtained from pull-out tests with CFRP bars are converted to anchorage length in beams. This additionally requires the determination of parameters resulting from the beams design. A steel- reinforced concrete beam is also studied for comparison purposes.