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

Doctorant : Zhijian ZHOU

Laboratoire INSA : LaMCoS

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

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

Order-based beamforming and its application to rotating machines

Doctorant : Kalasagarreddi KOTTAKOTA

Laboratoire INSA : LVA

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

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

 

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

Doctorant : Matthieu DECAUX

Laboratoire INSA : LVA

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

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

Étude de l'amorçage de l'endommagement du sulfure de zinc (ZnS) sous impacts liquides

Doctorant : Pierre GANTIER

Laboratoire INSA : LaMCos

École doctorale : ED162 : MEGA

Les matériaux infrarouges sont couramment utilisés dans l'industrie de défense et dans l'aéronautique dans des applications de guidage, de détection et de suivi. Le ZnS est un de ces matériaux qui jouie de performances optiques uniques, ce qui en fait un excellent candidat pour la plupart des applications nécessitant l'utilisation de rayonnement infrarouge. Cependant, en conditions de vols, sa résistance aux agressions du milieu extérieurs, et en particulier, aux impacts liquides provoqués par la pluie, le brouillard ou les nuages reste limitée et mal connue. Les travaux de thèse ont donc porté à la fois sur la modélisation numérique de l'impact liquide et sur la mise en place et l'utilisation d'un banc d'essai développé à cet effet.

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

Doctorant : Adrien MARSICK

Laboratoire INSA : LVA

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

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

Nonlinear    rotordynamics    of    a    vibroflot    and    granular    soil interactions during vibro compaction

Doctorant : Florian TEZENAS DU MONTCEL

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Vibro compaction is a ground improvement technique which aims to deeply densify sandy soil in order to make stable future infrastructure built on it. Loose soil can be compacted through insertion of vibrating probes, called vibroflots, together with a large volume of water. This enables the sand particles to rearrange themselves in a denser formation and thus increases the overall density of the soil.
Since its invention in the 1930s, the vibro compaction knowledge is mainly based on empirical operational experience, but not on well-founded scientific studies based around fundamentals. This work aims at better understanding how the vibroflot behaves underground and at globally improve the efficiency of the technique. To do so, experimentation and numerical modelling are both implemented.
During site trials the whole process is instrumented to measure the vibroflot - soil system dynamics, which allow to understand the different phenomena involved during compaction. Many geotechnical tests, combined with different sets of execution parameters, permit to quantify soil improvement and define the influence of these parameters, judge the relevancy of geotechnical correlations and get soil parameters which are useful for numerical modelling. Indeed, a multi- physics numerical model is created to predict the dynamic behaviour of the vibroflot in interaction with a granular soil. Models of the induction motor, multi-rotor and soil are strongly coupled but do not predict the compaction rate: the objective is to study the vibroflot dynamics rather than the compaction phenomenon. Key parts of the vibroflot, the dynamic properties of the rubber couplings are determined experimentally and numerically. Simple analytical formulations of the equivalent stiffness and damping parameters are then used in the numerical model. Finally, predicted responses are compared to the measurements collected on site.

   

 

Étude des sources de pertes et des transferts thermiques au sein de paliers à éléments roulants

Doctorant : Florian DE CADIER DE VEAUCE

Laboratoire INSA : LAMCOS

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

La transition vers des véhicules électriques impose des vitesses toujours plus élevées au sein des transmissions mécaniques, entraînant davantage de pertes, principalement au niveau des paliers à éléments roulants. Afin d'améliorer l'efficacité énergétique des transmissions mécaniques, en particulier des roulements à billes, une compréhension approfondie des phénomènes physiques associés s'avère essentielle. Le présent travail de thèse se concentre sur l'étude des sources de pertes et des transferts thermiques au sein d'un roulement à billes. Les pertes et les températures de deux roulements à billes sont mesurées pour différentes conditions opératoires. Dans un premier temps, les roulements sont lubrifiés par injection. L'influence de plusieurs paramètres, tels que la vitesse de rotation, le débit et la température de l'huile injectée, sur les dissipations de puissance est analysée. Une modélisation thermo-mécanique du roulement est proposée en associant des modèles de calcul des pertes et un réseau thermique. Dans un second temps, les roulements sont lubrifiés par barbotage. Pour une hauteur faible du bain d'huile, les pertes générées sont égales à celles obtenues pour ces mêmes roulements lubrifiés par injection dans des conditions opératoires similaires. Pour des niveaux d'huile plus élevés, le comportement du bain change, entraînant une augmentation des pertes par traînée. Les modèles actuels ne prennent pas en compte la hauteur du bain et un nouveau modèle de pertes par traînée est donc proposé. Les échanges et les écoulements n'étant pas les mêmes entre les deux modes de lubrification, des modifications ont également été apportées au réseau thermique. Les résultats numériques sont en accord avec les résultats expérimentaux. Une modélisation locale du roulement permet d'avoir une bonne précision sur les valeurs de pertes et de températures prédites, mais nécessite une connaissance de la géométrie interne du roulement. Tandis que les modèles globaux nécessitent un minimum d'information.

Étude du comportement thermomécanique des roulements à billes faiblement chargés

Doctorant : Lionel DARUL

Laboratoire INSA : LaMCoS

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

Les roulements entraînent des pertes de puissance non négligeables. La chaleur générée se dissipe dans les différents éléments du système et impacte à nouveau les pertes de puissance. Ce couplage, entre pertes et thermique, doit donc être pris en compte afin d’avoir une prédiction satisfaisante du comportement du roulement. Cette étude s’intéresse à des conditions de fonctionnement particulières : vitesse de rotation modérée (produit N.d_m<10^6), charge appliquée faible (<5% de la charge statique du roulement) et lubrification par injection de faibles débits d’huile (≤15L/h ). Pour ces conditions, les travaux menés dans la littérature ne permettent pas une estimation et une compréhension satisfaisante du comportement thermomécanique du roulement.
Ces travaux de thèse développent un nouveau modèle thermomécanique de roulement à billes. La thermique est modélisée à l’aide de la méthodologie des réseaux thermiques. Les pertes de puissances sont modélisées à partir de considérations tribologiques. Les modèles développés sont comparés à des mesures expérimentales, réalisées sur un banc d’essai dédié. Ce dernier permet de mesurer le couple de pertes généré par un roulement, tout en contrôlant un certain nombre de paramètres (vitesse, débit, charge). Les températures des bagues du roulement sont également mesurées, afin de maîtriser le comportement thermique.
Il résulte de cette étude que, pour les conditions étudiées, les pertes de puissance dans les roulements à billes sont principalement dues à un phénomène de roulement hydrodynamique. La compréhension de ce phénomène permet notamment d’expliquer l’origine des pertes de puissance indépendantes de la charge, telles que définies dans le modèle de Harris. Concernant la thermique du roulement, l’étude met en avant l’importance de la température des billes, notamment sur les phases de démarrage. En conclusion, le modèle développé permet une prédiction des pertes de puissance à 5% d’erreur et une prédiction des températures des éléments du roulement à ±1-2°C.

Shear-induced diffusion of road minerals within the tire tread: a solid flow modeling using a soft multibody approach

Doctorant : Kévin DAIGNE

Laboratoire : LaMCoS

École doctorale :  ED162 MEGA

Il peut être observé par des coupes longitudinales d'une bande de roulement que les minéraux de la route pénètrent à l'intérieur du pneumatique. L'objectif de ce travail est, pour une configuration expérimentale de référence, d'étudier expérimentalement et numériquement le processus menant à cette pénétration. Un modèle numérique pour étudier la pénétration des minéraux a été réalisé. Il consiste à cisailler une couche de minéraux déposée sur la surface d'un matériau composé de caoutchouc, modélisé comme un ensemble de corps discrets et déformables. Il a tout d'abord été montré que les phénomènes initiaux de pénétration des minéraux dans la matière, sont différents de ceux observés à plus long terme. Notamment, trois modes de pénétration ont pu être définis, que sont le labourage, l'abrasion et la fracturation. Ces modes modifient la vitesse à laquelle les minéraux pénètrent à l'intérieur du matériau. Lorsque les minéraux sont suffisamment incorporés au matériau, ils forment ce qui sera appelé une couche mixée. Les minéraux migrent de plus en plus profondément, du fait de contacts répétés entre agglomérats de minéraux, causés par leurs vitesses relatives (pilotées par le taux de cisaillement). Il est notamment montré que ces contacts conduisent à une évolution stochastique de la position d'un minéral. Si l'ensemble des minéraux est considéré, le comportement devient déterministe et suit une évolution proche de ce qui est attendu pour un processus diffusif. Ce dernier point permet ainsi d'utiliser les outils de la diffusion, notamment d'évaluer un coefficient de diffusion via la fluctuation de vitesse transverse et sa persistance. Il est ainsi montré que ces deux paramètres dépendent fortement de phénomènes plastiques locaux, qui dans le modèle actuel sont pilotés par la cohésion.

 

Similitude pour les vibrations et le rayonnement acoustique de plaques planes immergées : prise en compte du fluide lourd, des raidisseurs et de l'excitation par couche limite turbulente

Doctorant : Xavier PLOUSEAU-GUÉDÉ

Laboratoire INSA : LVA

École doctorale : ED162 : Mécanique, énergétique, génie civil, acoustique

Dans le secteur maritime, la maîtrise du bruit propre et du bruit rayonné des véhicules marins est un enjeu primordial. La caractérisation en amont de la réponse vibroacoustique de ces structures est nécessaire pour s'assurer une maîtrise des performances. Cependant, les structures développées dans ce secteur sont grandes, raidies, couplées à un fluide lourd et sont soumises à un écoulement turbulent, ce qui rend difficile, coûteux et chronophage de réaliser des expérimentations. Cette thèse étudie la possibilité de pallier ces contraintes en développant une approche basée sur la théorie des similitudes. Cette théorie permet de relier, par ce qu'on appelle des lois de similitude, deux systèmes et leurs réponses en fournissant les conditions dans lesquelles la réponse du système à taille réelle peut être prédite en évaluant la réponse d'un système à échelle réduite, dont les propriétés en termes de dimensions, de matériau, de fluide environnant et de chargement extérieur sont différentes. Plus particulièrement, ce projet de recherche s'intéresse au cas d'un panneau plan, raidi ou non raidi, chargé par un fluide lourd et excité par une couche limite turbulente. Le développement des lois de similitude fait apparaître des conditions à respecter afin d'obtenir une prédiction exacte de la réponse recherchée. Les lois et conditions de similitude sont tout d'abord étudiées et vérifiées numériquement. Ensuite, une campagne de mesures est réalisée afin de valider ces lois pour des panneaux excités par une couche limite turbulente en air. Une attention particulière est portée à l'estimation de la puissance acoustique rayonnée par les panneaux excités par une couche limite turbulente, en développant deux méthodes : l'une basée sur la matrice interspectrale vibratoire du panneau et l'autre à partir de la pression acoustique en champ proche et du principe d'holographie acoustique.