Study of Creep Fatigue Mechanical Characteristics and Constitutive Model of Salt Rock

Doctorant : Zongze LI

Laboratoire INSA : LaMCos

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

To meet the requirements of the United Nations Framework Convention on Climate Change, i.e., the Paris Agreement, countries around the world have developed carbon- peaking and carbon-neutral action programs. The use of renewable energy sources is an effective means of meeting this requirement. Because salt rock has good rheology, low porosity, low permeability and damage self-healing characteristics, compressed air energy storage using salt caverns is an effective way to enhance the efficiency of renewable energy use. Considering the operational requirements for load balancing in compressed air energy storage plants, the surrounding rock of salt cavern reservoirs is subjected to discontinuous cyclic loading with varying gas injection rates and pressures. Through a combination of theoretical analysis, laboratory experiments, and model studies, this research investigated the fatigue-damage mechanical characteristics of salt rocks under different loading rates, the creep-fatigue mechanical characteristics of salt rocks with varying high-stress interval times, and the creep-fatigue mechanical characteristics of salt rocks under different confining pressures. Additionally, the impact of different stress levels on the creep-fatigue damage evolution of salt rocks was monitored and analyzed using acoustic emission devices. Long-term creep-fatigue tests on salt rocks were conducted based on the actual frequency of load balancing in compressed air energy storage plants. The reasons and patterns of the salt rock's interaction between creep and fatigue under different conditions were analyzed. Based on the consideration of the creep-fatigue interaction in salt rocks, a state variable-based creep-fatigue constitutive model for salt rocks was proposed and established, and its validity was verified. The research findings provide important guidance for ensuring the stability of salt cavern reservoirs.

Sustainability of industrial heat decarbonisation strategies through 4E (energy, exergy, economic and environmental) optimisation

Doctorant : Yoann JOVET

Laboratoire INSA : CETHIL

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

Ces travaux ont pour but d’évaluer la performance annuelle globale de différentes solutions de production de chaleur industrielle, par une méthode multicritère 4E (énergie, exergie, économie et environnement). Au-delà de cette évaluation, le travail proposé porte également sur le développement d’une méthode originale permettant de prendre en compte les limites planétaires dans la prise de décision visant à remplacer un moyen de production (généralement chaudières à gaz) par une solution moins carbonée.
L’atteinte de cet objectif a conduit au développement d’un modèle d’optimisation génétique multi- objectif original combinant critères technico-économiques et environnementaux, basés sur une approche par Analyse de Cycle de Vie (ACV). Afin d’être en mesure d’évaluer les transformations à l’échelle d’un secteur industriel, différents pays européens sont considérés sur trois périodes comprises entre 2015 et 2090 pour intégrer les évolutions de contraintes sur les émissions de GES et la disponibilité de technologies de capture et stockage de carbone (CCS). Une approche par regroupement (clustering) est proposée pour réduire l’étude à 100 pas de temps représentatifs de l’année afin de limiter le temps de calcul.
Une étude de sensibilité a été menée pour classer l’ensemble des solutions non-dominées trouvées par l’algorithme, aucune de ces solutions n’étant soutenable sur l’ensemble des critères environnementaux. Pour ce faire, trois approches d’évaluation sont proposées : R1 (Référence ACV de pondérations), R2 (pénalisation linéaire du dépassement des limites planétaires), et R3 (pénalisation exponentielle de ces limites et pénalisation du CCS).
Pour le classement R1, la technologie la plus performante est la pompe à chaleur, complétée par la chaudière biomasse quand le CCS devient suffisamment développé. Pour les méthodes R2 et R3, on observe des combinaisons de technologies qui dépendent du mix électrique : combinaison pompe à chaleur et chaudière gaz pour les mix majoritairement renouvelables ou chaudière biomasse pour les mix basés sur le nucléaire.

Modélisation de l'initiation de fissures en fatigue de contact

Doctorante : Lucas FOUREL

Laboratoire INSA : LaMCos

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

La fatigue de contact engendre une dégradation de la surface des composants tels que les roulements à billes, les dentures d'engrenages ou encore les roues et rails ferroviaires. Ce phénomène est causé par l'initiation et la propagation de fissures et implique de multiples phénomènes physiques à différentes échelles. Les approches empiriques sont majoritairement utilisées par les ingénieurs pour modéliser l'endommagement et dimensionner les composants concernés par la fatigue de contact.

Dans cette étude, un modèle numérique de l'initiation de fissures en fatigue de contact est développé afin de mieux comprendre ce phénomène qui est difficilement observable expérimentalement. Le déplacement d'un contact à la surface d'un solide polycristallin est simulé dans un volume élémentaire représentatif en 3D. La microstructure est générée par la méthode de Voronoi et les contraintes mécaniques sont calculées par la méthode Green-FFT. L'amplitude de variation des contraintes au cours du cycle de sollicitation est utilisée pour calculer la position, l'orientation et la durée d'initiation de fissure avec une approche inspirée des travaux de Tanaka et Mura. Cette approche est basée sur l'accumulation de dislocations dans les bandes de glissement des différents grains du matériau. Le caractère aléatoire de la géométrie des grains et de leurs orientations cristallines permet d'obtenir des distributions statistiques.

Deux scénarios d'initiation de fissure en fatigue de contact sont analysés : l'initiation en sous-surface en présence d'une inclusion et l'initiation en surface causée par un indent. Dans le premier scénario, les sites d'initiation de fissures sont différents selon si l'inclusion est plus souple ou plus rigide que les grains. Dans le second scénario, les fissures sont initiées en face de l'épaulement de l'indent et orientées à 45° de la surface. La taille d'inclusion, la taille d'indent et la taille de grains ont une influence importante sur la durée d'initiation moyenne.

Origami à base de matériaux électroactifs pour la gestion de débris spatiaux

Doctorant : Amaury FIMBEL

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED162 : MEGA (Mécanique, Énergétique, Génie civil et Acoustique)

Ce projet de thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration Cifre entre le LGEF et l’entreprise ArianeGroup. La fluctuation de forme de structures complexes à l'aide de polymères électroactifs est le sujet principal de cette étude. Les matériaux électroactifs, qui, de par leurs structures peuvent réaliser une conversion électromécanique de l’énergie, prouvent progressivement leur potentiel de percée technologique dans de nombreux domaines. En plus de l'hypothèse qu'ils pourraient éventuellement remplacer les capteurs et actionneurs actuellement utilisés, les nouvelles capacités de ces matériaux tant au niveau des performances que des capacités de couplage multiphysique sont une sérieuse source d’espoir pour aborder et résoudre des problèmes issus de secteurs émergents. Ces innovations technologiques potentielles peuvent affecter particulièrement le domaine de l'aérospatial. La combinaison d'une faible masse volumique et d'une densité d'énergie mécanique considérable pour un polymère semble apporter une réponse attrayante à la mise au point de dispositifs innovants, compacts et modulables. Mais certains points restent à explorer pour démontrer tout le potentiel applicatif de cette technologie et aboutir au développement de systèmes intelligents. Une grande partie de ce travail de recherche va donc se concentrer sur cette problématique. Ce projet se focalise ainsi sur l'élaboration et la caractérisation d'un composite à haute performance pour l'actionnement électrostatique et sa tenue en vieillissement en milieu spatial. Les objectifs de l'étude mécanique des structures origami sont de trouver des solutions concernant la compréhension et le développement de systèmes complexes et modulables. L’association de ces deux axes ouvre la voie à la création de structures mécaniques très légères pilotables par un champ électrique. Cette thèse concerne la gestion des débris spatiaux mais peut tout à fait s’ancrer dans un enjeu sociétal plus large comme par exemple le médical, la robotique ou encore le domaine des transports.

Contribution to roller chain drive quasi-static modelling for efficiency optimisation. Application to track cycling

Doctorant : Gabriel LANASPEZE

Laboratoire INSA : LaMCos

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

L’importante compétition entre cyclistes sur piste de très haut niveau pousse les travaux de recherches à explorer toutes les possibilités d’optimisations. Dans ce contexte, le rendement énergétique des transmissions par chaine à rouleaux est étudié dans le but d’améliorer la compréhension des pertes de puissance et d’en déduire des possibilités d’optimisations.
Dans les transmissions par chaine, les pertes sont majoritairement causées par l’engrènement/dégrènement des maillons sur les pignons. Toutefois, une étude préliminaire a montré que les pertes dues au mouvement des rouleaux le long de leur profil de dent ont une influence significative. Le but de ce travail est donc d’explorer ce phénomène.
Un modèle 2D quasi-statique est tout d’abord présenté. La cinématique générale (comprenant les erreurs de transmission) est déterminée en utilisant des sous-modèles spécifiques aux brins tendu et mou. Un modèle local de pignon est ensuite introduit afin de calculer les tensions dans les maillons ainsi que les forces de contact entre rouleaux et pignons. Le modèle peut être utilisé avec différentes géométries de denture.
Un second modèle est ensuite proposé. En se basant sur les résultats du modèle quasi- statique, il calcule le rendement d’une transmission en prenant en compte les pertes causées par l’engrènement ainsi que les mouvements de rouleaux. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont menées pour valider l’approche proposée.
Le modèle de rendement est ensuite utilisé pour mener une étude paramétrique sur des transmissions par chaines de cyclisme sur piste. L’influence de plusieurs paramètres est explorée : géométrie de denture, couple appliqué, réglage de la tension, nombres de dent des pignons, pas de la chaine et coefficient de frottement. Les interactions entre paramètres sont identifiées. En se basant sur les résultats, des lignes directrices pour de futures optimisations sont proposées.

 

 

Techniques de modélisation multi-échelle de l'interface acier- béton pour le calcul de structures en béton armé à grande échelle

Doctorante : Maryam TRAD

Laboratoire INSA : GEOMAS

Ecole doctorale : ED162 MEGA

La caractérisation du comportement mécanique des structures en béton armé est un défi majeur, en particulier lorsque des sollicitations au-delà du niveau de dimensionnement sont considérées. Dans ce cas, des informations locales sur le comportement de fissuration du béton sont indispensables pour évaluer la performance structurale. Cela est observé dans le cas où les ouvrages de génie civil présentent des exigences d’étanchéité. La prise en compte de l’intéraction entre le béton et les armatures en acier dans les simulations numériques joue un rôle important dans l’estimation du phénomène de fissuration. Les approches existantes de modélisation numérique de cette interface acier-béton restent peu satisfaisantes principalement car elles demandent des temps de calcul élevés. Leur application à l’échelle d’un bâtiment industriel reste toujours fastidieuse (Phan et al., 2015). Le but de ce travail de thèse est de proposer des stratégies de modélisation de l’interface acier-béton ayant le coût numérique le plus bas possible et étant applicables à l'échelle de l'ouvrage. Pour cela, une approche multi- échelle est proposée. Cette approche consiste à définir un macro-élément capable de reproduire le comportement de l’acier et de l’interface acier-béton reliés au moyen d’une densité d’efforts d’adhérence. Cette approche est intégrée dans des calculs de structures bidimensionnels (2D) et tridimensionnels (3D). En parallèle, une méthode de modélisation de l’interface dans le cadre d’éléments poutres inspirée des travaux de (Yousefi et al., 2020) et de (Abtahi et Li, 2023) est présentée. Une extension de cette approche vers des éléments plaques est réalisée. Les différentes techniques proposées dans ce travail sont utilisées pour modéliser des tests expérimentaux de caractérisation du comportement de l'interface. Des exemples structuraux de poutres en flexion trois et quatre points sont également modélisés. Les applications présentées démontrent la robustesse des approches proposées et leur capacité à reproduire le comportement expérimental d'éléments structuraux en béton armé.

 

 

Etude numérique et expérimentale de l'effet de zones architecturées sur la propagation de fissure

Doctorante : Julie TRICLOT

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Grâce au récent développement des technologies de fabrication additive, il est devenu possible de fabriquer des composants multi-échelles, où l’on contrôle complètement la microstructure. Il se pose aujourd’hui la question de la tenue en service de tels matériaux, notamment dans la perspective de diminuer les marges de sécurité en contrôlant mieux la résistance mécanique. Dans cette thèse, on se propose d’étudier la propagation de fissure sous chargement quasi-statique en présence de zones architecturées. On se concentre ici sur le cas où la fissure ne traverse pas les zones architecturées. Ces zones produisent donc un effet à distance. Cette question est étudiée à travers des approches numériques et expérimentales. Le modèle numérique est basé sur des calculs éléments finis et une propagation de fissure représentée par un algorithme par longueur d'arc. Le dispositif expérimental est constitué d'éprouvettes Compact Tension (CT) ou Tapered Double Cantilever Beam (TDCB) issues de l'impression 3D, la fissuration est faite par chargement lent avec suivi de la fissure grâce aux méthodes de corrélation d'images. La comparaison des approches numériques et expérimentales sur des éprouvettes non-architecturées permet de faire des hypothèses physiquement fondées pour la suite du travail. La prospection numérique permet de mettre en avant des effets intéressants : une augmentation locale de la résistance à la propagation et l'apparition d’une instabilité snap-back. Une validation expérimentale est ensuite recherchée. Les outils de calculs sont utilisés pour affiner les choix de géométries afin de faire face aux problématiques expérimentales. Les deux phénomènes observés dans la phase de prospection numérique sont retrouvés expérimentalement. Une étude paramétrique permet de vérifier que les tendances obtenues numériquement sont retrouvées dans les résultats expérimentaux. Enfin, l'analyse des phénomènes observés mène à une discussion sur la notion de ténacité effective.

 

 

Electric field induced micro-structuring of thermally conductive composites

Doctorant : Omar ZAHHAF

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED162 : MEGA (Mécanique, Énergétique, Génie civil et Acoustique)

Ce projet de recherche doctorale fournit une étude détaillée des propriétés physiques des composites polydiméthylsiloxane-alumine (PDMS-Al2O3), en mettant l'accent sur l'influence significative de la structuration diélectrophorétique et de divers paramètres clés dans les propriétés résultantes des composites.
Le premier volet de l'étude examine systématiquement l'influence des paramètres de diélectrophorèse, de la nature et de la viscosité de la matrice et de la taille des charges d'alumine sur les propriétés thermiques, diélectriques et mécaniques des composites PDMS-Al2O3. Un examen de l'impact de la fréquence et de l'amplitude du champ électrique révèle comment ces paramètres modulent la structure des composites, affectant ainsi leurs propriétés thermiques et diélectriques. L’étude montre également l’impact de la nature et viscosité du PDMS, examinant deux matrices PDMS distinctes. Par ailleurs, l’investigation souligne également les effets de la taille des charges sur les propriétés diélectriques, thermiques et mécaniques, clarifiant le rôle crucial de ce paramètre.
Le second aspect de l'étude porte sur la structuration diélectrophorétique des composites hybrides, en soulignant le rôle de l'hybridation en taille des charges sur les propriétés des composites. En comparant les composites mono-disperses aux composites hybrides sur une large gamme de taux de charge, l'étude démontre le potentiel de l'hybridation des tailles pour des améliorations significatives de la conductivité thermique. L'influence du rapport de taille et de la composition des charges, identifiés comme des facteurs clés des propriétés physiques des composites hybrides, est également étudiée.
Le troisième volet explore la synthèse hydrothermale des fibres d'Al2O3 en cartographiant les effets des paramètres de synthèse sur la distribution de la taille des fibres d'Al2O3. À travers une analyse détaillée du facteur forme des charges, la recherche permet de comprendre la relation entre les caractéristiques des fibres et les propriétés diélectriques, thermiques et mécaniques des composites PDMS-Al2O3.

Introduction des corps de roue flexibles dans la modélisation dynamique des engrenages coniques

Doctorant : Augustin PIGE

Laboratoire INSA : LaMCoS

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Les moteurs d’hélicoptère contiennent des transmissions de puissance, qui servent à mettre en mouvement divers équipements (pompes à huile et à carburant, génératrice…) ou à transférer la puissance de la turbine vers la boîte de transmission principale. Ces applications se caractérisent par de hautes vitesses de rotations et des exigences contradictoires : assurer une grande fiabilité avec des pièces les plus légères possibles. Des simulations dynamiques précises peuvent donc s’avérer utiles aux concepteurs. Pour des raisons d’intégration, il est parfois indispensable de transmettre un mouvement entre des axes concourants, ce qui est généralement réalisé au moyen d’engrenages coniques. Ces derniers ont été bien moins étudiés que leurs équivalents cylindriques, en particulier en ce qui concerne les corps de roue allégés et flexibles. Ce travail se focalise sur la modélisation d’engrenages coniques prenant en compte la flexibilité des corps de roue. Le modèle proposé combine des sous-structures condensées, des éléments d’arbres de Timoshenko et des corps rigides avec une modélisation originale de l’engrènement. L’élasticité de l’engrènement est non-linéaire et varie au cours du temps. Elle est calculée simultanément à la résolution des équations du mouvement. Le modèle a été confronté à des résultats expérimentaux en quasi-statique et à très haute vitesse. Ensuite, une étude quasi-statique a mis en évidence l’effet de la flexibilité des corps de roue et des efforts centrifuges sur deux engrenages très différents. Enfin, une seconde étude dynamique a été menée pour relever les particularités du comportement des engrenages coniques allégés et les mettre en perspective par rapport aux travaux sur les engrenages cylindriques. Elle a aussi permis de souligner les points à vérifier lors d’une éventuelle campagne expérimentale et de proposer une implantation pour l’instrumentation.
 

Etude de la réponse dynamique du bloc réacteur soumis à une sollicitation extrême : co-simulation implicite/explicite multi-echelle en temps pour la dynamique du contact

Doctorant : Yvan LE NÔTRE

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Les centrales nucléaires sont une source de production d'énergie importante en France. Cependant, suite aux différents accidents et aux risques encourus avec cette technologie, la sûreté nucléaire est une préoccupation mondiale. En France, des normes sont imposées continuellement sur les installations nucléaires existantes et sur les prochaines générations en développement. Parmi les nombreux aspects de la sûreté nucléaire, le dimensionnement des structures mécaniques est un sujet important pour les acteurs industriels. L'activité principale de l'entreprise Framatome concerne le dimensionnement et la justification des centrales nucléaires. Celles-ci doivent être conçues pour résister à des conditions extrêmes d'utilisation telles que des séismes, des crashs d'avion ou encore des ruptures de tuyauterie. La modélisation numérique de ce type de chargement passe par des analyses dynamiques temporelles afin de considérer ces phénomènes multi- échelles en temps. Cependant, réaliser ces analyses demande beaucoup de temps CPU et de mémoire. L'objectif de la thèse est le développement d'un nouvel intégrateur hétérogène (différents schémas d'intégration) asynchrone (différents pas de temps), basé sur la méthode de couplage GC, ayant de meilleures propriétés relatives à la conservation énergétique. En effet, les phénomènes multi-échelles en temps présents dans le bloc réacteur sont des cas d'usages favorables aux méthodes multi-échelles en temps, avec un intégrateur explicite pour les zones de contact et un intégrateur implicite pour le reste de la structure. Un démonstrateur de co-simulation est développé entre les logiciels Code Aster et Europlexus pour se rapprocher d'un développement industriel et ainsi montrer le gain sur un modèle tridimensionnel atteignable avec ces méthodes multi- échelles en temps.