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Starting slowly by slowly. Although their static design seems well established, the understandingof the dynamical behavior remain a challenge.This work aim at modeling and simulating the dynamical behavior of a translating cablesubjected to unilateral constraint, friction and punctual loads. The interaction between the cable,the tower and the sheaves is modeled via frictional contact in order to satisfy a given line speed.This work first focuses on the development of system equations according to Lagrangianmechanics. The latter is believed more applicable to any constitutive law and any constraintsincluding obstacles.Those same equations are used to derive a versatile cable element that can be used for any cablesystem. The treatment of contact and friction is realized thanks to the Siconos platform. Ritz-Galerkin methods are often used in the literature to treat the nonlinear dynamics of cables. Herewe proposed a general derivations of the latter which we compare to finite element methods.Some applications focused on the dynamics of aerial ropeways are proposed to model thepossible scenarios leading to global instabilities ate the scale of an installation.; En France, les installations de transports par câble sont majoritairement présentes en régionsmontagneuses mais leur implantation en zone urbaine se développe. Bien que leurdimensionnement statique semble maîtrisé, leur comportement dynamique n’est à ce jour pastotalement cerné.Ce travail s’intéresse à la modélisation de la dynamique d’une installation de transport par câble.Plusieurs approches sont proposées avec pour objectif d’ouvrir des pistes sur la prise en comptedes chargements ponctuels mais aussi de l’interaction entre le câble, les appuis et les poulies de laligne. Le contact entre le câble et ces éléments est supposé frottant dans le but de prendre encompte l’entraînement de câble à une certaine vitesse.Ce travail se concentre d’abord sur les équations de la dynamique d’un câble formulée de tellesorte que l’inclusion de contraintes tant sur la rhéologie que sur la présence d’obstacles soitpermise. A partir de ces équations, un élément fini de câble non-compressible est proposé. Cedernier a été formulé pour permettre de simuler des systèmes variés non conscrits aux seulstéléphériques. Le traitement numérique du frottement et du contact est fait par résolution deproblèmes non lisses à l’aide de la plateforme Siconos. Des méthodes plus classiques et plusrépandues dans la littérature reposant sur des méthodes de Ritz-Galerkin sont développées dans lebut d’être comparées aux éléments finis. Des applications centrées sur le cas des téléphériquessont présentées dans les derniers chapitres du manuscrit.

Fuel assemblies deform progressively by a few millimeters within the core of pressurized water reactors. The main reasons are the hydraulic forces exerted by the coolant, the creep under irradiation and the contact-friction of the rods in the grids. In the end, these irreversible deformations can generate minor damages or handling delays. The detailed calculation of the deformations of all the assemblies within the core by the finite element technique would be prohibitively large. Therefore, we seek to establish an a posteriori reduced model of the fuel assembly that would reduce the execution time of a core calculation by several orders of magnitude without significantly degrading its accuracy. In order to achieve this objective, we were inspired by the NTFA, a non-linear homogenization technique (Michel and Suquet, 2003), whose particularity is to implement an evolution law in reduced basis. This method has been adapted to a representative elementary volume of slender structure without scaleseparation in order to obtain a reduced model for the heterogeneous creep of the fuel assembly. The order reduction of the contact model, meanwhile, builds on the work of (Balajewicz et al., 2016), which uses a positive mode basis obtained by NMF to represent the Lagrange multipliers of the contact and reduce the number of Signorini conditions. Three primal or mixed formulations are then defined, validated and compared. Finally, the reduction of the Coulomb friction model is based on a POD basis of sliding modes and uses the normal forces solution of the contact problem. The threshold vector of the friction forces is approximated at any time by superposition of the normal forces and by spherical interpolation of the sliding direction with respect to the modal directions. The friction criterion in reduced basis being defined, a regularization facilitates its implementation. All the test cases show speed-ups ranging from 40 to 1000 depending on the case.; Les assemblages combustibles se déforment progressivement de quelques millimètres au sein du cœur des réacteurs nucléaires à eau pressurisée. Les forces hydrauliques exercées par le caloporteur, le fluage sous irradiation et le contact-frottement des crayons dans les grilles en sont la cause. In fine, ces déformations irréversibles peuvent générer des endommagements mineurs ou des délais de manutention. Le calcul simultané et détaillé des déformations de tous les assemblages au sein du cœur par la technique des éléments finis serait de taille prohibitive. On cherche donc à établir un modèle réduit d’assemblage combustible a posteriori qui permette de réduire de plusieurs ordres de grandeur la durée d’exécution d’un calcul de cœur sans dégrader significativement sa précision. Afin d’atteindre cet objectif, nous nous sommes inspirés de la NTFA, technique d’homogénéisation non-linéaire (Michel et Suquet, 2003), dont une particularité est de mettre en œuvre une loi de comportement en base réduite. Cette méthode a été adaptée au traitement d’un volume élémentairereprésentatif de type structure élancée sans séparation d’échelle afin d’obtenir un modèle réduit pour le fluage hétérogène de l’assemblage combustible. La réduction du modèle de contact s’appuie, quant à elle, sur les travaux de (Balajewicz et al., 2016), qui utilise une base de modes positifs obtenue par NMF pour représenter les multiplicateurs de Lagrange du contact et réduire le nombre des conditions de Signorini. Trois formulations de type primale ou mixtes sont alors définies, validées et comparées. Enfin, la réduction du modèle de frottement de Coulomb s’appuie sur une base POD de modes de glissements et sur les efforts normaux issus du problème de contact. Le vecteur seuil des forces de frottement est approché à chaque instant par superposition des efforts normaux et par interpolation sphérique de la direction de glissement par rapport aux directions modales. Le critère de frottement en base réduite étant défini, une régularisation en facilite la mise en œuvre. L’ensemble des cas-tests fait apparaitre des speed-up allant de 40 à 1000 suivant les cas.

International audience

Aeronautical compressor fans, currently, operate with minimal blade–casing clearance. Therefore, this makes the occurrence of rub events very likely. Under specific circumstances, the blade undergoes excessive amplification of contact-induced oscillations, called hereafter divergence, which can be critical for the structural integrity of the engine. This article proposes an investigation of the mechanisms responsible for the blade divergence. Experiments are conducted on a fully instrumented laboratory setup, consisting of a single flat blade being moved toward a rotating cylinder to initiate interactions, while monitoring the vibrations and the evolution of wear on the abradable coating. Two synchronization mechanisms have been identified as facilitating the divergence: (i) the inherent setup synchronization between the vibration modes related to the horizontal and vertical motion of the blade; (ii) the preferential blade–coating interactions in the vicinity of periodically distributed irregularities of the abradable coating, which act as a source of excitation of the vibrations.

Thin hydrogel films find applications in biomedical engineering (synthetic articular cartilage, contact lenses) or optics (anti-fog coatings) thanks to their biocompatibility, transparency, and lubricating properties. The frictional properties of these systems in water, which are crucial for their use, arise from the complex coupling of several physical mechanisms. Fluid film lubrication, poroelastic flows in the gel due to pressure gradients, and molecular interactions at the interface between the gel and the sliding surface are all involved in gel friction.In the present work, we provide a description of the role played by interfacial molecular interactions on friction of hydrogels in water. To this end, we built an experimental set up in which both poroelastic flows and water film lubrication are suppressed. By sliding a spherical silica lens with a rotative trajectory over a micrometer-thick polydimethylacrylamide gel film immersed in water, under imposed normal force and velocity, we measure the frictional forces and observe the gel/silica contact by interferometry. By functionalizing the silica with various silanes, we show an effect of surface chemistry of the silica lens on the measured friction forces and their dependence on sliding speed, over three decades in velocity. In transient regime, we demonstrate an ageing phenomenon of the interface when the lens is maintained in contact with the gel over long times before sliding initiation. We derive a model for steady state friction based on the thermodynamic adsorption/desorption of polymer chains on the sliding surface. This model successfully accounts for our experimental observations with a set of molecular parameters which agree with the physico-chemistry of our silanated systems., Les films minces d’hydrogel sont des systèmes prometteurs pour des applications en ingénierie biomédicale (cartilage articulaire synthétique, lentilles de contact) ou optique (revêtements anti-buée) grâce à leur biocompatibilité, leur transparence et leurs propriétés lubrifiantes. Les propriétés frictionnelles de ces systèmes dans l’eau, cruciales pour leur utilisation, sont complexes car elles mettent en jeu plusieurs mécanismes physiques souvent couplés. La lubrification par un film d’eau, les écoulements poroélastiques dans le gel sous l’effet de gradients de pression et les interactions moléculaires à l’interface entre le gel et la surface glissante sont évoqués pour expliquer le frottement des gels.Dans ce travail de thèse, nous avons mesuré puis décrit le rôle des interactions moléculaires interfaciales dans le frottement des hydrogels dans l’eau. Pour cela, nous avons développé un dispositif expérimental permettant de supprimer à la fois les contributions poroélastiques et de lubrification par un film d’eau. En faisant glisser une lentille sphérique de silice en rotation sur un film de gel de polydiméthylacrylamide d’épaisseur micrométrique immergé dans l’eau, sous force normale et vitesse imposées, nous mesurons les forces de frottement et nous observons le contact gel/silice par interférométrie. En fonctionnalisant la silice par des silanes variés, nous mettons en évidence un effet important de la chimie de surface de la lentille de silice sur les forces de frottement mesurées et leur dépendance en vitesse de glissement, laquelle est variée sur trois ordres de grandeur. En régime transitoire, nous mettons en évidence un phénomène de vieillissement de l’interface lorsque la lentille est maintenue en contact avec le gel sur des temps longs avant d’initier le glissement. Pour discuter ces observations, nous proposons un modèle de frottement en régime stationnaire basé sur l’adsorption/désorption thermodynamique des chaînes polymères sur la surface glissante. Ce modèle rend compte des observations expérimentales à partir de paramètres moléculaires en accord avec la physicochimie des silices silanisées.

Every autumn, incidents related to the degradation of the adhesion of a wheel-rail contact are reported by train drivers. This is caused especially by the presence of dead leaves on the surface of a rail. They cause security problems and numerous delays occuring mainly at the beginning and end of a day. At these times, the air temperature reaches the dew point temperature, creating moisture on the rail surface. Oxides reacting with the dead leaves on the rails generate physical and chemical changes in this third body. When a train is passing over this organic layer, mechanical stresses are generated decreasing the adhesion of the contact. The objective of this study is to present a tribological approach aimed at characterising the adhesion of a wheel-rail contact with a third external organic body. To do this, two axes of study are followed.The first one consists in a capitalisation of the results and limits of the most relevant research works carried out on this subject. This is used to create a collection of tribological, mechanical and physico-chemical data. It is completed by morphological analyses of real third bodies taken from tracks following an adhesion loss.The second axis of study consists of carrying out a parametric test campaign on the Triboring test bench, which is a ring-roller type tribometer representative of a wheel-rail contact at a 1/15 scale. The study of adhesion variations is thus carried out by taking into account the mechanical and physico-chemical interactions linked to the addition of a third organic body. The latter are highlighted through an analysis of mechanical (friction factor), energetic (energy dissipated by friction) and spectroscopic (chemical bonding, composition) quantities. Finally, the activation of several tribological flows highlights repeatable phenomena modifying the consequences of a train’s adhesion loss on the distances traveled. This research work is being carried out in partnership with SNCF Réseau, using multidisciplinary tools (tribology, mechanics, physical chemistry) that combine experimental data (from real tracks and representative experiments of the wheel-rail contact) with tribological and physical-chemical analysis., Chaque automne, des incidents liés à la dégradation de l’adhérence du contact rail-roue sont signalés par les conducteurs de trains. Ils sont notamment causés par la présence de feuilles mortes en surface d’un rail. Ils génèrent des problèmes de sécurité, de nombreux retards et se produisent principalement en début et fin de journée. À ces moments, la température de l’air atteint celle du point de rosée créant de l’humidité en surface des rails. Des oxydes réagissant avec les feuilles mortes présentes génèrent des modifications physico-chimiques de ces troisièmes corps. Le passage d’un train sur cette couche organique est à l’origine de sollicitations mécaniques diminuant alors l’adhérence du contact. L’objectif de cette thèse est alors de proposer une démarche d’étude tribologique, visant à caractériser l’adhérence d’un contact rail-roue, en présence d’un troisième corps externe organique. Pour ce faire, deux axes d’études sont suivis. Le premier consiste en une capitalisation des résultats et limites des principaux travaux de recherche effectués sur ce sujet. Cette étape sert à créer un recueil de données tribologiques, mécaniques, et physico-chimiques. Elle est complétée par des analyses morphologiques de troisièmes corps réels prélevés en voie, à la suite d’une perte d’adhérence. Le second axe d’étude consiste en la réalisation d’une campagne d’essais paramétriques sur le banc d’essais Triboring, tribomètre de type galet-anneau représentatif du contact rail-roue à l’échelle 1/15ème. L’étude des variations d’adhérence est ainsi effectuée en prenant en compte les couplages mécaniques et physico-chimiques liés à l’ajout d’un troisième corps organique. Ces dernières sont notamment mises en évidence au travers d’une analyse de grandeurs mécaniques (facteur de frottement), énergétiques (énergie dissipée par frottement) et spectroscopiques (liaison chimique, composition). Enfin, l’activation de plusieurs débits tribologiques met en exergue des phénomènes répétables modulant les conséquences d’une perte d’adhérence d’un train sur les distances parcourues. Ce travail de recherche est effectué en partenariat avec SNCF Réseau, à l’aide d’outils pluridisciplinaires (tribologie, mécanique, physico-chimie) couplant l’obtention de données expérimentales (issues de voies réelles et d’essais représentatifs du contact rail-roue) à des analyses tribologiques et physico-chimiques.

When manipulating objects, humans rely on their sense of touch to perceive subtle movements and micro slippages. This synergy between sensations and motion permits them to manipulate an impressive range of objects of different sizes, shapes, and surface properties. This incredible dexterity relies on fast and unconscious adjustments of the grip force by placing a 20% safety margin before slip that holds an object strong enough to avoid a catastrophic fall yet gentle enough not to damage it. In addition to being accurate, this regulation is swift: only a hundred milliseconds after first making contact, grip forces are already adjusted by taking into account the actual frictional strength of the contact. This astonishing performance is owed to the sense of touch, which informs on the physical properties of the surrounding world and contact state. Within the fingertip, thousands of mechanoreceptors convert the complex mechanical interaction into action potentials. However, how the brain copes with large amounts of data to infer the state of the contact is still debated.This thesis covers how the cutaneous tactile afferent made it possible for a swift and precise regulation of the grip. Firstly, I show that humans can assess friction without slippage, suggesting that the radial stretch of the skin can provide enough information to regulate grip at the contact initialization. Secondly, I show that the perceptual system uses a compact code to estimate the safety margin from the skin deformation during an incipient slip, suggesting a mechanism to explain the rapid reactions. Finally, I expose a new model based on contact mechanics to quantify the sensitivity of the mechanoreceptors to the patterns of skin deformation highlighted in the first two chapters. This model also correlates the spatial and temporal detection threshold to detect a moving stimulus, suggesting a persistence of touch that bridges discrete sensations into a continuous stimulus.Taken together, these results reveal how the perception of friction is encoded in the spatio-temporal deformation of the skin. The findings are useful for designing bio-inspired tactile sensors for robotics or prosthetics and for improving haptic human-machine interactions.; Lorsque nous manipulons des objets, nous nous fions à notre sens du toucher pour percevoir les mouvements subtils et les micro glissements. Cette synergie entre sensations et mouvement nous permet de manipuler une grande variété d’objets de différentes tailles, formes ou matériaux. Cette remarquable dextérité repose sur une régulation rapide et inconsciente de notre force de préhension, en maintenant une marge de sécurité avant glissement de 20% nous permettant ainsi de serrer l’objet suffisamment fort pour éviter une perte d’adhérence, mais suffisamment délicatement pour ne pas l’endommager. En plus d’être précise, cette régulation est très rapide : après seulement une centaine de millisecondes après l’initialisation du contact, la force de préhension est déjà ajustée en fonction du frottement disponible à l’interface. Nous devons cette performance hors-du-commun au sens du toucher qui nous informe sur les propriétés physiques du monde qui nous entoure ainsi que de l’état de contact. Le doigt humain est équipé de milliers de mécanorécepteurs qui convertissent l’interaction mécanique complexe en potentiels d’actions. Cependant, comment le cerveau reconstruit l’état de contact à partir de ce volume considérable de données, continue à faire débat.Cette thèse explore comment les afférents tactiles cutanés rendent possible une régulation rapide et précise de la force de préhension. Tout d’abord, une expérience psychophysique a permis de montrer que les humains étaient capables d’apprécier le frottement à l’interface sans glissement, indiquant qu’une expansion radiale de la peau peut apporter suffisamment d’informations pour réguler la force de préhension à l’initialisation du contact. Dans un second temps, je propose un encodage compact qui pourrait être utilisé par le système perceptuel pour estimer la safety margin à partir de la déformation de la peau lors d’un glissement partiel, suggérant un mécanisme pour expliquer nos promptes réactions. Enfin, j’expose un nouveau modèle basé sur la mécanique du contact pour quantifier la sensibilité des mécanorécepteurs aux motifs de déformation mis en évidence dans les deux premières parties. Ce modèle corrobore également avec les seuils de détection spatial et temporel, évoquant la présence d’une persistance tactile comblant un signal discret en stimulus continu.Dans leur ensemble, ces travaux révèlent l’encodage de la perception du frottement dans la déformation spatio-temporelle de la peau. Ces résultats pourront être utiles pour le design de capteurs tactiles bio-inspirés pour la robotique ou les prothèses. Ils ont également vocation à améliorer les interactions haptiques homme-machine.

The main objective of this thesis has been to obtain a better understanding of the onset of sliding of dry elastomer contacts. Because real surfaces are rough, contact interfaces are usually multi-contacts made up of a myriad of individual micro-contacts between antagonist asperities. The macroscopic behavior of such interfaces is thus a complex sum of the individual responses of all micro-contacts. Here, we aimed at better characterizing the micro-contact behavior through a systematic study of model PDMS sphere/glass plate shearing experiments. In addition to macroscopic force measurements during shearing experiments, the work mainly relied on the analysis of in-operando images of the contact interface.We first revisited recent literature experiments about shear-induced real contact area reduction in elastomeric interfaces, the origin of which was highly debated. Using particle-seeded elastomer samples, a particle tracking technique and original trajectory analyses, we demonstrated the coexistence of several area reduction elementary mechanisms acting simultaneously and quantified their relative contribution to the global reduction. We identified contact lifting as the main mechanism and also proved the existence of an annular-like slipping zone that progressively replaces the central stuck area. Through comparison with a continuum mechanics model, we showed that, at large normal loads, area reduction originates from large strains and the related non-linearities, rather than from the adhesive effects put forward in the literature.Shear-induced contact area reduction had previously been studied in two separate and distinct normal load ranges in the literature: either in the millinewton or in the newton ranges. We thus performed the first experiments bridging the gap between those two ranges with the very same sample and experimental setup. The results indicate that the large normal load behavior holds down to about 0.1 N, below which adhesive effects presumably become non-negligible. At low normal loads, we also show that area reduction continues after the tangential peak force, which calls into question the definition of the exact moment of the transition to sliding. Most of the literature studies consider shearing experiments at a constant normal load, while micro-contacts in a sliding rough-rough interface undergo important normal load variations with time. To address the effect of those variations, we introduced controlled tilts in the experiment. After carefully correcting the force measurements by the effect of such tilts to extract the real force at play at the interface from the raw measurements, we could propose the first empirical behavior law for contact area evolution due to simultaneous normal and shear force variations. All those results on the friction behavior of single elastomer contacts provide the necessary basis to understand and/or design more complex functional multi-asperity interfaces., L’objectif principal de cette thèse était d’obtenir une meilleure compréhension de la mise en glissement des contacts secs en élastomère. Lors de la mise en contact de deux surfaces réelles, généralement rugueuses, l’interface crée est bien souvent constituée d’une myriade de micro-contacts individuels entre des aspérités antagonistes. Ainsi, le comportement macroscopique d’une telle interface multi-contact est la somme complexe des réponses individuelles de tous les micro-contacts. Dans cette étude, nous avons cherché à mieux caractériser le comportement des micro-contacts grâce à une étude systématique basée sur des expériences modèle de cisaillement d’une sphère en PDMS sur une plaque de verre. En plus des mesures de force macroscopique lors des expériences de cisaillement, le travail s’est principalement appuyé sur l’analyse in-operando de l’évolution de de l’interface de contact par une méthode optique. Nous avons d’abord revisité les expériences récentes de la littérature sur la réduction de la zone de contact réelle induite par le cisaillement dans les interfaces élastomériques, dont l’origine a été très débattue. À l’aide d’échantillons d’élastomères ensemencés de particules, d’une technique de suivi des particules et d’analyses de trajectoire originales, nous avons démontré la coexistence de plusieurs mécanismes élémentaires de réduction d’aire réelle de contact agissant simultanément et quantifié leur contribution relative à la réduction d’aire globale. Nous avons identifié le soulèvement comme mécanisme principal et avons également prouvé l’existence d’une zone de glissement de type annulaire qui remplace progressivement la zone centrale initialement collée au sein de l’interface. Par comparaison avec un modèle de mécanique des milieux continus, nous avons montré que, à des charges normales importantes, la réduction de surface provient des grandes déformations mise en jeu et des non-linéarités qui y sont associées, plutôt que des effets adhésifs mis en avant dans la littérature. La réduction de l’aire réelle de contact induite par le cisaillement avait déjà été étudiée, dans la littérature, principalement pour deux gammes de charges normales distinctes : soit dans le millinewton, soit dans la gamme du newton. Nous avons ainsi réalisé les premières expériences qui comblent l’écart entre ces deux gammes avec le même échantillon et la même configuration expérimentale. Les résultats indiquent que le comportement observé aux charges normales élevées se maintient jusqu’à environ 0.1 N, en dessous de cette limite les effets adhésifs deviennent vraisemblablement non négligeables. Aux faibles charges normales, nous montrons également que la réduction d’aire se poursuit après le pic en force tangentielle, ce qui remet en question la définition du moment exact de la transition vers le glissement. La plupart des études de la littérature considèrent des expériences de cisaillement à charge normale constante, alors que, dans une interface glissante rugueuse, les micro-contacts subissent vraisemblablement d’importantes variations de charge normale lors du cisaillement. Pour traiter l’effet de ces variations, nous avons introduit des inclinaisons contrôlées dans notre expérience. Après avoir soigneusement corrigé les mesures de force brutes par l’effet de telles inclinaisons pour extraire la force réellement en jeu à l’interface, nous avons pu proposer la première loi de comportement empirique pour l’évolution de la surface de contact due aux variations simultanées des forces normales et de cisaillement. Tous ces résultats sur le comportement en frottement des contacts élastomériques modèles fournissent la base nécessaire pour mieux comprendre et/ou concevoir des interfaces multi-aspérités fonctionnelles plus complexes.

National audience; Le dimensionnement et l’optimisation des assemblages boulonnés à l’aide d’un modèle éléments finis volumiques boulon par boulon sont généralement coûteux en termes de mise au point et de temps de calcul. Un modèle simplifié de liaison boulonnée basé sur des paramètres de conception (précharge, coefficient de frottement, matériau...) est ici proposé et dont l’identification, l’utilisation et l’exploitation se font de manière aisée dans les codes de calcul couramment utilisés en bureaux d’études. Ce modèle ne cherche pas à représenter de façon fine la solution au voisinage du boulon mais à prédire de façon satisfaisante des quantités d’intérêt globales comme la rigidité, le décollement/glissement des pièces assemblées, la plastification du boulon... Le modèle simplifié, de type connecteur, se substitue au boulon et encapsule les phénomènes de frottement localisés au voisinage du boulon, permettant ainsi d’utiliser des interfaces de contact sans frottement ailleurs. Sa cinématique est celle d’une poutre de Timoshenko à comportement élasto-plastique, représentant le boulon, en parallèle d’un mécanisme de frottement affectant uniquement le comportement tangentiel du connecteur. Le comportement normal, dans l’axe du connecteur, prend en compte la raideur de la vis et permet d’installer automatiquement la précharge. L’identification du comportement se fait à partir d’un modèle volumique de liaison générique à un boulon représentatif de la liaison étudiée. Implanté dans AbaqusTM sous forme d’un élément utilisateur, le modèle proposé permet de représenter de façon satisfaisante les glissements au niveau de chaque boulon par rapport au modèle de référence tout volumique.Le modèle simplifié conduit à une réduction importante du temps de calcul. Par sa simplicité de mise en œuvre, il permet également un gain de temps significatif dans la mise en données du problème.[1] R. Verwaerde, P.-A. Guidault, P.-A. Boucard (2020) « A nonlinear finite element connector for the simulation of bolted assemblies », Computational Mechanics, 65, pp. 1531-1548.[2] R. Verwaerde, P.-A. Guidault, P.-A. Boucard (2021) « A non-linear finite element connector model with friction and plasticity for the simulation of bolted assemblies », Finite Elements in Analysis and Design, (soumis).

Previous studies highlighted that friction value measured on real road surface textures covered by particles depends on particle sizes. This paper focuses on identification of particles behaviours at the tyre/road interface in the presence of particles. Identification is made by visual observations through high-speed camera, focus-variation microscopy and Scanning Electron Microscopy on the contaminated surface as scratch analysis on the surface. Two particle types were collected into samples picked next to roads. They are composed of clay and quartz which have different behaviours at the interface and affect the friction. Clay has a lasting effect due to its adhesive behaviour. Quartz has a scratching and rolling behaviour and is quickly ejected to the contact area due to a pinching effect.

The composite materials recycling is facing many problems. The objective of this study is to find an alternative process to current recycling solutions for thermosetting composites, particularly for big parts like boats or wind turbine blades. A new method adapted to the recycling of unsaturated polyester glass fibers reinforced composite is studied in this work: the rolling at a temperature at which the mechanical properties of the resin are significantly modified. It is a thermomechanical process. At first, the convenient thermomechanical and tribological characterizations of the chosen unsaturated polyester glass fibers composite and its matrix are carried out under different conditions. They were used to set the parameters and the conditions of this process adaptedto the composite and the resin. Secondly, the rolling is modeled mechanically by the slice method using the Bland & Ford and the hydrodynamic models. A finite element model is compared to the analytical calculations. The thermal model is calculated using a finite difference method.Finally, the experimental results of the rolling of the composite, at the convenient temperature, are compared to the results given by the mechanical and thermal models. It was found that the rolling allows forming the thermoset composite or its matrix. However, reducing the thickness of the composite was not possible; Le recyclage des matériaux composites est une problématique de plus en plus prégnante pour le développement de la filière. L’objectif de cette étude est de trouver une alternative aux méthodes de recyclage reconnues des composites thermodurcissables, particulièrement lorsqu’ils sont de grande taille. Un nouveau procédé de recyclage des composites à matrice polyester renforcée fibres de verre est ainsi étudié dans ce travail : le laminage avec une calandre chauffée, à une température à laquelle une modification significative des propriétés mécaniques de la résine est observée. Il s’agit donc d’une méthode thermomécanique qui a comme but la mise en forme de composite (par gauchissement ou dégauchissement) à une température aux alentours de sa température de transition vitreuse.Dans un premier temps, les caractérisations thermomécaniques et tribologiques du composite et de sa matrice ont été réalisées dans différentes conditions.Ces caractérisations permettent de fixer les paramètres et les conditions du procédé retenu pour les appliquer à notre composite. Dans un second temps, le comportement mécanique en laminage est modélisé analytiquement par la méthode des tranches en utilisant le modèles de Bland & Ford et le modèle hydrodynamique. Une modélisation mécanique obtenue par éléments finis est comparée aux précédentes. Le couplage thermique est modélisé par une méthode de différences finies.Enfin, les résultats expérimentaux du laminage du composite sont comparés aux résultats donnés par les modèles analytiques ainsi qu’à ceux de la modélisation thermomécanique. Il a été trouvé que le laminage permet de modifier la forme de pièces réalisées avec notre composite thermodurcissable ou avec de la résine seule, en les redressant ou gauchissant. En revanche, il n’a pas été possible de diminuer l’épaisseur des plaques laminées à cause de leur viscoélastisité.

Cylinder liner-piston-rings contact is the major responsible of mechanical energy loss by friction in internal combustion engines. Tribological performance of this system depends on operating conditions, surface characteristics and properties of lubricants. In this context, the objective of this work is to study the mutual effect of textured surface of cylinder liner used in the automotive field and of lubricating additives on the tribological behavior of cylinder liner-piston-rings contact (friction law, tribofilm formation, wear) in boundary/mixed regime.This work is based on the implementation of experimental techniques of tribometry in order to evaluate friction and wear of samples extracted from real engine cylinder liners in the presence of two lubricants: base oil and formulated oil. Experiments are realised under different contact conditions such as temperature, pressure and operating duration. The additives contained in formulated lubricants react with surfaces and produce a tribofilm that eases the relative sliding of the surfaces in contact by reducing friction and wear.The chemical composition of these tribofilms is characterized by spectroscopy techniques (XPS, ToF-SIMS) and their structure analyzed by FIB, TEM and EDX, making it possible to understand the physicochemical interactions of additives with surfaces. The results show that textured surface favor tribofilm formation.Furthermore, a new experimental approach is proposed in tribometry by using an oscillating tribometer (innovative device developed at LTDS laboratory). This later is based on the analysis of free dynamic responses of a rubbing oscillator. This non-invasive technique makes it possible to apprehend the friction laws in an original way. It especially allows distinguishing velocity-dependent and velocity-independent friction contributions. The originality of the introduced approach consists in following free dynamic responses as a tribofilm gradually forms, as well as quantifying dissipated energy as a function of the aforementioned friction contributions. The results show that the reduction of friction coefficient induced by tribofilm results from the drastic reduction of the velocity-independent friction contribution., Le contact segment-piston-chemise (SPC) est l’une des premières origines des pertes d'énergie mécanique par frottement dans les moteurs à combustion interne. Les performances tribologiques de ce composant dépendent des conditions du fonctionnement, de l'état des surfaces en contact et des propriétés des lubrifiants utilisés. Dans ce contexte, ce travail de thèse a pour objectif d’étudier l'effet conjoint de la texturation des chemises moteur utilisées dans le domaine automobile et des additifs de lubrification en régime limite/mixte sur le comportement tribologique du contact SPC (loi de frottement, formation de tribofilms, usure). Ce travail s'appuie sur la mise en œuvre de techniques expérimentales en tribométrie permettant d'évaluer le frottement et l'usure des échantillons provenant de chemises moteur réelles en présence de deux lubrifiants : une huile de base et une huile formulée, sous différentes conditions de température, pression et durées de fonctionnement. Les additifs dans les huiles formulées permettent de former un tribofilm réducteur de frottement et d’usure. La composition chimique de ce tribofilm est caractérisée par des techniques de spectroscopie (XPS, ToF-SIMS) et sa structure analysée par FIB, MET et EDX, permettant de comprendre les interactions physico-chimiques des additifs avec les surfaces. Les résultats montrent que la texturation des surfaces favorise la formation du tribofilm.Par ailleurs, on propose une approche nouvelle en tribométrie, mettant en œuvre un dispositif préexistant du laboratoire (tribomètre oscillant) et basée sur l’analyse de la réponse libre d'un oscillateur frottant. Cette technique non invasive permet d’appréhender les lois de frottement de manière originale en distinguant notamment les contributions dépendantes et indépendantes de la vitesse de glissement. La nouveauté de l’approche introduite consiste au suivi des réponses libres tout au long de la formation du tribofilm ainsi qu’au suivi des énergies dissipées en fonction des contributions susdites au frottement. Les résultats montrent que la diminution du coefficient de frottement induite par le tribofilm résulte de la diminution drastique de la seule contribution au frottement indépendante de la vitesse de glissement.

Engineering plastics are widely used for sliding components including worm wheel in worm reducer used in the automotive electric power steering (EPS). To apply the EPS to much larger vehicles or downsize the worm reducer, the developments of polymer material and design of the worm reducer which can ensure good durability and lower friction are requested. This study clarified the tribological properties of unreinforced and fiber-reinforced PA66 in contact with steel counterpart under grease lubrication to improve the tribological properties of polymer sliding components. Various sliding tests were conducted in a contact geometry which simulated that of the EPS worm reducer; PA66 or composite ring specimens were in contact with fixed four steel cylinders under mainly grease lubrication. Wear or creep resistances of glass fiber (GF)-reinforced PA66 composite were related to the typical sliding surface damage (peeled off fibers and PA66 scratching) and surface mechanical properties, and GF orientation influenced the wear resistance of the composite and steel. In addition, steel hardness influenced the tribological properties. The influence of temperature on the tribological properties of unreinforced or GF-reinforced PA66 under boundary lubrication with grease was also studied when considering the temperature dependence of the mechanical properties on the sliding surface of PA66 and the tribochemical reaction to zinc carboxylate additives in grease. The friction mechanism of the contact between PA66 or GF-reinforced composite and a steel under PAO8 oil or grease lubrication was discussed by focusing on various parameters including the normal load (contact pressure), sliding speed, temperature, and hardness of the steel counterpart. To explain the friction coefficient obtained under different test conditions, the theoretical minimum oil film thickness under oil lubrication was calculated using the equation of the soft elastic hydrodynamic lubrication regime, considering the contributions of the oil film and lubricated solid/solid contact to the friction coefficient. Subsequently, the differences in the friction behavior between PAO8 oil and grease lubrication were investigated. The effect of the composite composition on the tribological properties was also investigated to aid in the development of a composite with optimal tribological properties. As important parameters of the compositions of GF composite, the types of GFs (GF surface treatment agent and GF diameter) and PA66 molecular mass were deeply studied. Particularly, as a way to increase the PA66 molecular mass of the fiber composite, reactive extrusion using poly-carbodiimide composite was used, and reactive extrusion mechanism and mechanical properties of glass or aramid fibers-reinforced PA66 with added carbodiimide were clarified. In addition to GF composite, the tribological mechanism of carbon fiber-reinforced PA66 composite was investigated under both dry and grease lubricated conditions. The effects of the PA66 molecular mass, the hardness of the counterpart steel, and the temperature on the tribological properties were studied under grease lubrication and compared to unreinforced and GF-reinforced PA66. In addition, the effect of the water absorption of GF-reinforced PA66 on the tribological properties was investigated. The analysis of all these experimental results can provide guidelines for the selection of polymer-based material and for the design of optimal parts for the industrial application., Les plastiques techniques sont largement utilisés dans la fabrication de pièces de frottement, dont les engrenages à denture hélicoïdale des réducteurs à vis sans fin utilisés dans les systèmes de direction assistée électrique (EPS) des véhicules automobiles. Pour étendre ce dispositif aux véhicules plus puissants ou pour réduire la taille de ces réducteurs, le développement de matériaux polymères et d’un design de réducteurs garantissant une bonne durabilité et un frottement réduit est nécessaire. Cette étude a permis de comprendre les propriétés tribologiques du PA66 et de composites à base de PA66 renforcés de fibres en contact avec un contre-corps en acier sous lubrification à la graisse afin d'améliorer les propriétés tribologiques des composants en polymère. Les essais de frottement ont été réalisés avec une géométrie de contact simulant celle du réducteur ; les bagues composites étant en contact avec quatre cylindres fixes en acier avec une lubrification principalement à la graisse. Les résistances à l'usure ou au fluage du composite PA66 renforcé de fibres de verre étaient liées à un endommagement de surface caractéristique (arrachement des fibres et rayures du PA66) ainsi qu’aux propriétés mécaniques de la surface. L'orientation des fibres de verre influençait la résistance à l'usure du composite et de l'acier. De plus, la dureté de l'acier a influencé les propriétés tribologiques. L'influence de la température sur les propriétés tribologiques du PA66 non renforcé ou renforcé de fibres de verre dans le cas d’une lubrification limite avec de la graisse a également été étudiée en considérant les effets de la température sur les propriétés mécaniques de surface du PA66 et sur la réaction tribochimique des additifs de carboxylate de zinc dans la graisse. Le mécanisme de frottement du contact entre le PA66 ou le composite renforcé de fibres de verre et l’acier sous lubrification à l'huile PAO8 ou à la graisse a été examiné en se concentrant sur divers paramètres dont la charge normale (pression de contact), la vitesse de glissement, la température et la dureté du contre-corps en acier. Afin d’expliquer le coefficient de frottement obtenu sous les différentes conditions d'essai, l'épaisseur minimale théorique du film d'huile en lubrification à l'huile a été calculée selon l'équation du régime de lubrification élasto-hydrodynamique souple en considérant les contributions du film d'huile et du contact solide/solide lubrifié sur le coefficient de frottement. Ensuite, les différences de comportements au frottement entre la lubrification à l'huile PAO8 et à la graisse ont été analysées. L'effet de la composition du composite sur les propriétés tribologiques a également été étudié pour aider au développement d'un composite aux propriétés tribologiques optimales. Identifiés comme des paramètres importants de la composition des composites renforcés de fibres de verre, les types de fibres (traitement de surface et diamètre) et la masse moléculaire du PA66 ont été étudiés en détails. En particulier, l'extrusion réactive du composite avec le poly-carbodiimide a été utilisée comme moyen d'augmenter la masse moléculaire du PA66 dans le composite. Le mécanisme d'extrusion réactive et les propriétés mécaniques du PA66 renforcé de fibres de verre ou d'aramide avec ajout de carbodiimide ont été précisés. En plus du composite avec fibres de verre, le mécanisme tribologique du composite PA66 renforcé de fibres de carbone a également été étudié en frottement sec et en lubrification à la graisse. Les effets de la masse moléculaire du PA66, de la dureté du contre-corps en acier et de la température sur les propriétés tribologiques ont été étudiés avec lubrification à la graisse et comparés au cas du PA66 non renforcé et renforcé de fibres de verre. De plus, l'effet de l'absorption d'eau par le PA66 renforcé de fibres de verre sur les propriétés tribologiques a été étudié. […]

Over the past 20 years, hydrogels have been widely studied. This material has a large range of application due to its different properties and capacities. Hydrogels, thanks to their nearly 90 % of water, have atypical reservoirs or absorbent capacities. However, their resistance have been lacking. Recently a new generation of hydrogels was created making them much tougher. This technology consists of two interpenetrating polymers networks. It is called Double Network hydrogel or DN gel. This double network confers great shear, compressive and tensile stress resistance. Thus, this material can fit to more and more applications. So far, studies focused on the mechanical properties of DN gel, however, depending on the different applications, tribological properties of this material must be investigate. Then, this Ph.D. work brings some keys in order to investigate the potential of Double Network hydrogel (DN gel) as a covering film for a low friction system application. The DN gel and SiC friction interface is understood and the cells support capacity of DN gel is also clarify. DN gel basic tribological properties were determined. The capacity of DN gel film as a material creating a super low friction interface (μ < 0.01) was highlighted and our experiments allows to draw the Stribeck curve of this material. Finally the run-in process during friction focused the attention and was understood to be the key for the low friction comprehension. Indeed by varying the thickness of the DN gel film, a lower friction coefficient is obtained by using a thick (6 mm) and a thin (1.5 mm) DN gel. Based on the qualitative aspect of the run-in period the mechanisms are found out to be different depending on the DN gel film thickness. Complementary studies about the resulting wear on the DN gel surface and in-situ friction tests confirm and contribute to the understanding of the corresponding mechanisms. Finally, for the bio application of this material as a support for cartilage self-regeneration, the DN gel material can easily be manageable to change its influent parameters on the growth of chondrocytes such as its elastic modulus and its surface texture., Les hydrogels ont suscité l’intérêt au cours des 20 dernières années. Grâce à ses propriétés et capacités hors norme, ce matériau répond à une large gamme d'applications. Composé à près de 90% d’eau, les hydrogels, ont des capacités de réserve et d'absorption atypiques. Cependant, leur résistance leur fait défaut. Récemment, une nouvelle génération d'hydrogels a été créée, les rendant beaucoup plus résistants, nommé l’hydrogel à double réseau ou le DN gel (de l’anglais « Double Network hydrogel »). Cette technologie est basée sur le principe d’interpénétration de deux réseaux de polymères. Ce double réseau lui confère une grande résistance au cisaillement, à la compression et à la traction ce qui permet à ce matériau de s'adapter à de plus en plus d'applications. Jusqu'à présent les études se sont focalisées sur les propriétés mécaniques du DN gel, cependant, afin de répondre aux contraintes des différentes applications, les propriétés tribologiques de ce matériau doivent également être connues. Ce travail de thèse apporte quelques clés afin de comprendre le potentiel du DN gel en tant que film inter-matériau. Nous avons clarifié l'interface de frottement DN gel et Carbure de Silice (SiC), ainsi que les éléments caractéristiques du DN gel jouant un rôle dans la qualité de repousse cellulaire. Dans un premier temps, les propriétés tribologiques de base du gel DN ont été déterminées. La capacité du DN gel à créer une interface à très faible frottement (μ

The thesis proposes a new approach to predict the galling defect encountered during cold forming of aluminum alloys. Numerous experimental studies show that this defect is strongly linked to the conditions of contact and friction and is a function of the roughness of the manufacturing tools. Models to predict the appearance of this defect are rare and are generally based on indirect observables, such as pressure or temperature fields, without explicitly taking into account the influence of first-order factors such as lubrication and 'surface condition of the materials in contact. The proposed methodology of our work assumes that the defect appears when the material of the part near its contact surface reaches a critical level of damage. However, in a previous study, it was shown that damage models based exclusively on hydrostatic pressure, such as GTN or Lemaitre models, were only able to predict damage if they model roughness. surfaces. This leads to multi-scale numerical simulations which are very costly in terms of computation time and incompatible with the modeling of real industrial processes. To get around this difficulty, the present study proposes to use damage models considering the shear effects generated by the friction contact. The influence of roughness is then based on a relevant choice of the friction law. First, a bibliographical chapter deals with damage models. Particular attention is paid to models using the Lode parameter to consider the effect of shear stresses on the evolution of damage variables. Secondly, a bibliographical review of friction and lubrication models is presented. The study notably highlights models based on a mesoscopic approach to lubrication, with the modeling of the crushing of roughness during rubbing contact. At the end of these chapters, the damage model developed by L. Xue and a lubrication model explicitly considering the value of surface roughness is used to predict seizure in different contact configurations. Initially, this numerical methodology is applied to the study of the flat drawing process of 6082-T4 aluminum alloy plates. Then the methodology is applied to a pion / plane contact on 6082-T6 alloy plates. Finally, a process for spinning before cylindrical slips is studied with the same digital tools. These different configurations are tested with or without lubricant and with tools having different roughness values. The results show that the proposed procedure allows in most of the cases tested to predict the appearance of the defect, whether in configurations with or without lubricant. The predictions are nevertheless optimistic, the slip distances before the onset of digital seizure being generally greater than the distances measured experimentally. The results are however promising, and several perspectives are presented to improve the precision of the proposed methodology.; La thèse propose une nouvelle approche pour prédire le défaut de grippage rencontré lors de la mise en forme des alliages d’aluminium à froid. De nombreuses études expérimentales montrent que ce défaut de grippage est fortement lié aux conditions de contact et de frottement, et est notamment fonction de la rugosité des outils de fabrication. Les modèles permettant de prédire l’apparition de ce défaut sont rares et reposent généralement sur des observables indirects, tel que les champs de pression ou de température, sans prendre explicitement en compte l’influence des facteurs de premier ordre que sont la lubrification et l’état de surface des matériaux en contact. La méthodologie proposée de nos travaux repose sur l’hypothèse que le défaut apparait lorsque la matière de la pièce au voisinage de sa surface de contact atteint un niveau d’endommagement critique. Toutefois, dans une étude précédente, il a été montré que les modèles d’endommagement reposant exclusivement sur la pression hydrostatique, tels que les modèles GTN ou de Lemaitre, n’étaient capable de prédire l’endommagement qu’à condition de modéliser la rugosité des surfaces. Cela conduit à des simulations numériques multi-échelles très couteuses en temps de calcul et incompatibles avec la modélisation de procédés industriels réels. Pour contourner cette difficulté, la présente étude propose d’utiliser des modèles d’endommagement prenant en compte les effets de cisaillement générés par le contact frottant. L’influence de la rugosité repose alors sur un choix pertinent de la loi de frottement. Dans un premier temps, un chapitre bibliographique traite des modèles d’endommagement. Une attention particulière est portée aux modèles utilisant le paramètre de Lode afin de prendre en compte l’effet des contraintes de cisaillement sur l’évolution des variables d’endommagement. Dans un second temps une revue bibliographique des modèles de frottement et de lubrification est présentée. L’étude met notamment en avant les modèles reposant sur une approche mésoscopique de la lubrification, avec la modélisation de l’écrasement des rugosités lors du contact frottant. A l’issue de ces chapitres, le modèle d’endommagement développé de L. Xue et un modèle de lubrification prenant explicitement en compte la valeur des rugosités des surfaces sont utilisés pour prédire le grippage dans différentes configurations de contact. Dans un premier temps cette méthodologie numérique est appliquée à l’étude du procédé d’étirage plan de plaques en alliage d’aluminium 6082-T4. Puis la méthodologie est appliquée à un contact pion/plan sur des plaques en alliage 6082-T6. Enfin un procédé de filage avant de lopins cylindriques est étudiés avec les mêmes outils numériques. Ces différentes configurations sont testées avec ou sans lubrifiant et avec des outils ayant différentes valeurs de rugosités. Les résultats montrent que la procédure proposée permet dans la majorité des cas testés de prédire l’apparition du défaut, que ce soit dans des configurations avec ou sans lubrifiant. Les prédictions sont néanmoins optimistes, les distances de glissement avant l’apparition du grippage numérique étant généralement supérieure aux distances mesurées expérimentalement. Les résultats sont toutefois prometteurs et un certain nombre de perspectives sont présentées afin d’améliorer la précision de la méthodologie proposée.

An object is said to be slender if at least one of its dimensions is small compared to the others. This characteristic makes it possible to impose important deformations on it while remaining in the elastic domain. If we assemble several of these objects, predicting the mechanical response of the assembly requires taking into account contact effects including friction and adhesion. In this thesis, we study two kind of assemblies. The first one is ensemble of plates and the second one of beams. We study in the first part two booklets whose pages are inserted two by two, a type of assembly that has become popular for the impressive results it produces when made with phonebooks. We have characterized the origin of the force that keeps the two booklets interleaved. In the second part we study the compression of a bundle of fibers connected by their ends. We also discuss the link between these experiments and the physics of painting., On dit d'un objet qu'il est élancé si au moins l'une de ses dimensions est petite devant les autres. Cette caractéristique permet de lui imposer des déformations importantes en restant dans le domaine élastique. Si on assemble plusieurs de ces objets, prédire la réponse mécanique de l'ensemble nécessite de prendre en compte des effets de contact dont notamment le frottement et l'adhésion. Dans cette thèse, nous étudions deux assemblages de ces objets. Le premier est un assemblage de plaques et le deuxième de poutres. Nous examinons dans la première partie deux livrets dont les pages sont intercalées deux à deux, un type d'assemblage devenu populaire pour les résultats impressionnants qu'il produit quand il est réalisé avec des annuaires. Nous avons caractérisé l'origine de la force qui maintient les deux livrets entremêlés. Dans La deuxième partie nous étudions la compression d'un faisceau de fibres reliées par leur extrémité. Nous discutons aussi lien entre ces expériences et la physique de la peinture.

Lors de l’application d’un champ magnétique autour d’un contact d’un couple ferromagnétique, ce dernier modifie largement le comportement du frottement et de l’usure du contact. Les tests de frottement sont réalisés dans deux environnements gazeux différents: à l'air ambiant et sous vide à 5.10-5 Pa. A l’air ambiant, l’effet du champ magnétique sur le taux d’usure est significatif, remarquant que l’application d’un champ magnétique suffisant (H = 10 kA/m) diminue le taux d’usure de 6 à 10 fois. L’effet du champ magnétique sur la tribologie du contact à l’air libre reste valable jusqu’à une intensité limite H = 40 kA/m. Au-delà de cette limite, d’autres effets se manifestent: augmentation de l'attraction magnétique et de la température de contact due aux courants de Foucault. De plus, les particules d’usure non oxydées, résultant de l’usure abrasive au début du glissement, restent piégées à cause de la forte attraction magnétique. Le processus d'usure sous vide est complètement différent. Notons ici que l’usure est adhésive et sévère. L’adhésion provoque un transfert de particule entre le pion et le disque. En revanche, sous vide le champ magnétique ne génère pas de couche d’oxyde, car le taux d’oxygène dans cet environnement est négligeable.

In an aeronautics industry increasingly concerned by the environmental issues of our time, the mastery of dynamic behavior is of particular interest in terms of compliance with the environmental legislation. Indeed, this allows the structures to be designed as accurately as possible and therefore optimizes the total weight of the turbojet engine, while maintaining an exemplary level of reliability and safety as well as excellent performances. Fully integrated into this theme, the problematics of mistuning and nonlinear dynamics are eminently studied by present academic research, leading to the development of numerical methods that allow these two effects to be taken into account simultaneously. However, the representativity of these numerical methods with respect to the behavior of an actual engine can hardly be evaluated because of the few tests available in the literature. In addition to improving the understanding and prediction of bladed disks vibratory phenomena, this doctoral work has a twofold objective: experimental and numerical. The latter aimed at investigating the representativity of numerical models and methods, particularly developed at the LTDS on the problematics of mistuning and nonlinear dynamics, in comparison with rotating tests on a latest-generation industrial fan made of composite materials. For this purpose, the PHARE#1 test bench, developed over the last few years at the LTDS, allows the testing of bladed disks on a 1:1 scale, rotating in vacuum, while exciting the blades by means of piezoelectric actuators. The numerical methods used to simulate the fan are based on the concept of substructuring associated with a triple modal synthesis, thus allowing the consideration of mistuning within nonlinear problems of industrial size. Two case studies, both experimental and numerical, were conducted and analyzed during this doctoral work. These studies exploit an excitation by means of piezoelectric actuators whose modeling required the development of an electrical degrees of freedom condensation technique in order to benefit from the numerical methods of purely mechanical reduction and resolution. The first study has been carried out on a fan blade embedded in clamping jaws. This application made possible to focus on the nonlinear aspects of contact and friction at the dovetail by comparing the test results and the numerical simulations. The second study was performed on the composite bladed fan rotating in vacuum, thus achieving analyses and comparisons concerning the mistuning of the response and modal shapes coupled with nonlinear effects. The results obtained show a very good representativity of the numerical simulations with respect to the rotating tests in terms of mistuning, especially with respect to the decompositions in diameter components and the spatial distributions of the vibration amplitudes of the blades., Dans une industrie aéronautique de plus en plus concernée par les enjeux environnementaux de notre époque, la maîtrise du comportement dynamique revêt un intérêt tout particulier dans le respect des normes environnementales. En effet, celle-ci permet un dimensionnement au plus juste des structures et donc une optimisation de la masse totale du turboréacteur, tout en permettant de maintenir un niveau exemplaire de fiabilité́ et de sureté́ ainsi que d’excellentes performances. S’intégrant pleinement dans cette thématique, les problématiques de désaccordage et de dynamique non-linéaire sont éminemment étudiées par la recherche académique actuelle, aboutissant au développement de méthodes numériques permettant de prendre en compte ces deux effets simultanément. Toutefois, la représentativité́ de ces méthodes par rapport au comportement en fonctionnement peut difficilement être évaluée en raison du peu d’essais disponibles dans la littérature. Outre le perfectionnement de la compréhension et de la prédiction des phénomènes vibratoires des roues aubagées, ces travaux de thèse revêtent un double enjeu : expérimental et numérique. Celui-ci vise à étudier la représentativité́ des modélisations et méthodes numériques, notamment développées au LTDS sur les problématiques de désaccordage et de dynamique non-linéaire, par rapport à des essais en rotation sur une soufflante industrielle de dernière génération en matériau composite. À cet effet, le banc d’essais PHARE#1, développé́ ces dernières années au LTDS, permet de tester des roues aubagées à l’échelle 1:1, en rotation dans le vide, tout en excitant les aubes au moyen d’actionneurs piézoélectriques. Les méthodes numériques exploitées pour simuler la soufflante reposent sur le concept de sous-structuration associé à une triple synthèse modale, permettant ainsi la prise en compte du désaccordage au sein de problèmes non-linéaires de taille industrielle. Deux cas d’études, présentant un aspect expérimental et numérique, ont été réalisés et analysés durant ces travaux de thèse. Ces derniers exploitent une excitation au moyen d’actionneurs piézoélectriques dont la modélisation a nécessité́ le développement d’une technique de condensation des degrés de liberté́ électriques dans le but d’exploiter les méthodes numériques de réduction et de résolution purement mécaniques. La première étude a été accomplie sur une aube de la soufflante enchâssée dans un mors, ce qui a permis de concentrer les analyses et les comparaisons, entre essais et simulations numériques, sur les aspects non-linéaires de contact et de frottement en pied d’aube. La seconde étude a été réalisée sur la soufflante composite en rotation dans le vide parvenant ainsi à des analyses et comparaisons concernant le désaccordage de la réponse et des formes modales, couplé à des effets non-linéaires. Les résultats obtenus permettent de montrer une très bonne représentativité́ des simulations numériques par rapport aux essais en rotation en termes de désaccordage, notamment à l’égard des décompositions en composantes à diamètres et des répartitions spatiales des amplitudes vibratoires des aubes.

In an aeronautics industry increasingly concerned by the environmental issues of our time, the mastery of dynamic behavior is of particular interest in terms of compliance with the environmental legislation. Indeed, this allows the structures to be designed as accurately as possible and therefore optimizes the total weight of the turbojet engine, while maintaining an exemplary level of reliability and safety as well as excellent performances. Fully integrated into this theme, the problematics of mistuning and nonlinear dynamics are eminently studied by present academic research, leading to the development of numerical methods that allow these two effects to be taken into account simultaneously. However, the representativity of these numerical methods with respect to the behavior of an actual engine can hardly be evaluated because of the few tests available in the literature. In addition to improving the understanding and prediction of bladed disks vibratory phenomena, this doctoral work has a twofold objective: experimental and numerical. The latter aimed at investigating the representativity of numerical models and methods, particularly developed at the LTDS on the problematics of mistuning and nonlinear dynamics, in comparison with rotating tests on a latest-generation industrial fan made of composite materials. For this purpose, the PHARE#1 test bench, developed over the last few years at the LTDS, allows the testing of bladed disks on a 1:1 scale, rotating in vacuum, while exciting the blades by means of piezoelectric actuators. The numerical methods used to simulate the fan are based on the concept of substructuring associated with a triple modal synthesis, thus allowing the consideration of mistuning within nonlinear problems of industrial size. Two case studies, both experimental and numerical, were conducted and analyzed during this doctoral work. These studies exploit an excitation by means of piezoelectric actuators whose modeling required the development of an electrical degrees of freedom condensation technique in order to benefit from the numerical methods of purely mechanical reduction and resolution. The first study has been carried out on a fan blade embedded in clamping jaws. This application made possible to focus on the nonlinear aspects of contact and friction at the dovetail by comparing the test results and the numerical simulations. The second study was performed on the composite bladed fan rotating in vacuum, thus achieving analyses and comparisons concerning the mistuning of the response and modal shapes coupled with nonlinear effects. The results obtained show a very good representativity of the numerical simulations with respect to the rotating tests in terms of mistuning, especially with respect to the decompositions in diameter components and the spatial distributions of the vibration amplitudes of the blades.; Dans une industrie aéronautique de plus en plus concernée par les enjeux environnementaux de notre époque, la maîtrise du comportement dynamique revêt un intérêt tout particulier dans le respect des normes environnementales. En effet, celle-ci permet un dimensionnement au plus juste des structures et donc une optimisation de la masse totale du turboréacteur, tout en permettant de maintenir un niveau exemplaire de fiabilité́ et de sureté́ ainsi que d’excellentes performances. S’intégrant pleinement dans cette thématique, les problématiques de désaccordage et de dynamique non-linéaire sont éminemment étudiées par la recherche académique actuelle, aboutissant au développement de méthodes numériques permettant de prendre en compte ces deux effets simultanément. Toutefois, la représentativité́ de ces méthodes par rapport au comportement en fonctionnement peut difficilement être évaluée en raison du peu d’essais disponibles dans la littérature. Outre le perfectionnement de la compréhension et de la prédiction des phénomènes vibratoires des roues aubagées, ces travaux de thèse revêtent un double enjeu : expérimental et numérique. Celui-ci vise à étudier la représentativité́ des modélisations et méthodes numériques, notamment développées au LTDS sur les problématiques de désaccordage et de dynamique non-linéaire, par rapport à des essais en rotation sur une soufflante industrielle de dernière génération en matériau composite. À cet effet, le banc d’essais PHARE#1, développé́ ces dernières années au LTDS, permet de tester des roues aubagées à l’échelle 1:1, en rotation dans le vide, tout en excitant les aubes au moyen d’actionneurs piézoélectriques. Les méthodes numériques exploitées pour simuler la soufflante reposent sur le concept de sous-structuration associé à une triple synthèse modale, permettant ainsi la prise en compte du désaccordage au sein de problèmes non-linéaires de taille industrielle. Deux cas d’études, présentant un aspect expérimental et numérique, ont été réalisés et analysés durant ces travaux de thèse. Ces derniers exploitent une excitation au moyen d’actionneurs piézoélectriques dont la modélisation a nécessité́ le développement d’une technique de condensation des degrés de liberté́ électriques dans le but d’exploiter les méthodes numériques de réduction et de résolution purement mécaniques. La première étude a été accomplie sur une aube de la soufflante enchâssée dans un mors, ce qui a permis de concentrer les analyses et les comparaisons, entre essais et simulations numériques, sur les aspects non-linéaires de contact et de frottement en pied d’aube. La seconde étude a été réalisée sur la soufflante composite en rotation dans le vide parvenant ainsi à des analyses et comparaisons concernant le désaccordage de la réponse et des formes modales, couplé à des effets non-linéaires. Les résultats obtenus permettent de montrer une très bonne représentativité́ des simulations numériques par rapport aux essais en rotation en termes de désaccordage, notamment à l’égard des décompositions en composantes à diamètres et des répartitions spatiales des amplitudes vibratoires des aubes.

Covalently bonded hydrogel layers are generated by C-H insertion crosslinking in which subsequent UV irradiation leads to simultaneous crosslinking of the polymer chains and attachment of the network to the substrate. In this work, tribological behavior of surface-attached hydrogel pairs have been investigated under relatively high pressures and sliding velocities. Recent work on tribology of surface-attached hydrogels revealed that adhesion is a negligible term in such layers, as interpenetration between these layers are avoided due to entropic reasons. We proposed a model that gives insight into the influential parameters in determination of the frictional behavior by considering contribution of the different force components in the friction force. Furthermore, we studied the role of the confinement imposed by the stiff substrate on the lubrication of surface-attached hydrogels, as extremely low coefficient of friction of these layers appears to be the consequence of the high confinement. Finally, the influence of surface micro-structuring and surfactant addition on the frictional behavior of the surface-attached hydrogels was investigated., Les couches d'hydrogel covalentes sont obtenues par une réaction de réticulation par insertion de C-H durant laquelle l'irradiation UV entraîne une réticulation simultanée des chaînes polymères et la fixation du réseau au substrat. Dans ce travail, le comportement tribologique d’interfaces composées de deux couches d’hydrogels fixés en surface a été étudié sous des pressions et des vitesses de glissement relativement élevées. Des travaux récents sur la tribologie des hydrogels fixés en surface ont révélé que l'adhésion est négligeable entre ces couches, car l'interpénétration est prescrite pour des raisons entropiques. Nous avons proposé un modèle qui décrit le comportement en frottement de ces systèmes comme une somme de contributions à la force de frottement, et qui est fonction de plusieurs paramètres influents. En outre, nous avons étudié le rôle du confinement imposé par le substrat rigide sur la lubrification des hydrogels fixés en surface, car le coefficient de frottement extrêmement faible de ces couches semble être la conséquence de confinement élevé. Enfin, l'influence de la microstructure de surface et de l'ajout de tensioactifs sur le comportement en frottement des hydrogels fixés en surface ont été explorés.

Gears and rolling elements that are parts of transmissions are sometimes subjected to rolling contact fatigue failures as micro-pitting. It usually results from a lubrication loss or an uncontrolled surface finishing. First layers of the material are consequently overstressed. Microscopic material wrenching then occurs and is called micro-pitting. Such transmission parts failures may potentially lead to the whole system dysfunction. Several studies have already been performed in the literature concerning this topic. However, few of them take into account both surface roughness and material microstructure analyses which impact rolling contact fatigue mechanisms. Thus, a model with those characteristics is developed from literature theories and tools and presented in this thesis. A parametrical study is then conducted so as to estimate the influence of specific contact parameters (among sliding, friction, pressure and roughness) on three fatigue criteria results. However the use of an additional criterion is necessary in order to give more accurate conclusions. Intergranular shear stresses are subsequently studied and make the analysis of the complete stress history possible. Moreover, a life expectancy to micro-cracks nucleation is computed. An identification of sliding-linked local shear stress oscillations which result from successive rough peaks passing over the material surface is also made. Finally, numerical results are compared to an experimental investigation conducted on FZG-type gears. The most at risk areas regarding micropitting in the relevant applications are thus identified among the addendum, the dedendum and the pitch., Le micro-écaillage est une défaillance en fatigue de contact qui intervient sur les composants de transmissions mécaniques tels que les roulements et les engrenages. Le plus souvent, il est le résultat d’un manque de lubrification ou d’un écart avec les spécifications d’état de surfaces. La conséquence est alors l’apparition de sur-contraintes dans le matériau qui évoluent vers des arrachements microscopiques de matière. Ces derniers sont appelés micro-écailles et peuvent éventuellement amener à des dysfonctionnements de la transmission dans laquelle les pièces impactées sont en jeu. La littérature a alors mené de nombreuses études à ce sujet mais manque de travaux liant dans la même analyse, la représentation de l’état de surface à l’origine de la défaillance d’une part et la simulation d’un état microstructural du matériau sollicité qui rentre en compte dans les mécanismes de création de la fatigue de contact, d’autre part. Les travaux de cette thèse présentent donc d’abord, un modèle regroupant ces deux caractéristiques, construit à partir des outils et théories de la littérature. Une étude paramétrique est alors conduite et permet d’estimer l’influence de plusieurs paramètres de contact (glissement, frottement, pressions, rugosité) sur les résultats de trois critères en fatigue de contact. La mise en place d’un critère complémentaire est alors nécessaire pour apporter des précisions là où les premiers critères semblent insuffisants. A partir de l’étude des contraintes de cisaillement au niveau des joints de grains du matériau, la prise en compte de l’historique complet de la sollicitation est possible. Elle permet notamment de proposer une durée de vie avant initiation des microfissures et d’identifier dans le cas du glissement, des cycles locaux complémentaires de sollicitation. Ces derniers résultent des passages répétés des pics rugueux en surface du matériau. Finalement, une comparaison avec une application expérimentale sur composant denture d’engrenages apporte des éléments d’identification des zones à risque vis-à-vis du micro-écaillage dans les applications concernées.

Gears and rolling elements that are parts of transmissions are sometimes subjected to rolling contact fatigue failures as micro-pitting. It usually results from a lubrication loss or an uncontrolled surface finishing. First layers of the material are consequently overstressed. Microscopic material wrenching then occurs and is called micro-pitting. Such transmission parts failures may potentially lead to the whole system dysfunction. Several studies have already been performed in the literature concerning this topic. However, few of them take into account both surface roughness and material microstructure analyses which impact rolling contact fatigue mechanisms. Thus, a model with those characteristics is developed from literature theories and tools and presented in this thesis. A parametrical study is then conducted so as to estimate the influence of specific contact parameters (among sliding, friction, pressure and roughness) on three fatigue criteria results. However the use of an additional criterion is necessary in order to give more accurate conclusions. Intergranular shear stresses are subsequently studied and make the analysis of the complete stress history possible. Moreover, a life expectancy to micro-cracks nucleation is computed. An identification of sliding-linked local shear stress oscillations which result from successive rough peaks passing over the material surface is also made. Finally, numerical results are compared to an experimental investigation conducted on FZG-type gears. The most at risk areas regarding micropitting in the relevant applications are thus identified among the addendum, the dedendum and the pitch.; Le micro-écaillage est une défaillance en fatigue de contact qui intervient sur les composants de transmissions mécaniques tels que les roulements et les engrenages. Le plus souvent, il est le résultat d’un manque de lubrification ou d’un écart avec les spécifications d’état de surfaces. La conséquence est alors l’apparition de sur-contraintes dans le matériau qui évoluent vers des arrachements microscopiques de matière. Ces derniers sont appelés micro-écailles et peuvent éventuellement amener à des dysfonctionnements de la transmission dans laquelle les pièces impactées sont en jeu. La littérature a alors mené de nombreuses études à ce sujet mais manque de travaux liant dans la même analyse, la représentation de l’état de surface à l’origine de la défaillance d’une part et la simulation d’un état microstructural du matériau sollicité qui rentre en compte dans les mécanismes de création de la fatigue de contact, d’autre part. Les travaux de cette thèse présentent donc d’abord, un modèle regroupant ces deux caractéristiques, construit à partir des outils et théories de la littérature. Une étude paramétrique est alors conduite et permet d’estimer l’influence de plusieurs paramètres de contact (glissement, frottement, pressions, rugosité) sur les résultats de trois critères en fatigue de contact. La mise en place d’un critère complémentaire est alors nécessaire pour apporter des précisions là où les premiers critères semblent insuffisants. A partir de l’étude des contraintes de cisaillement au niveau des joints de grains du matériau, la prise en compte de l’historique complet de la sollicitation est possible. Elle permet notamment de proposer une durée de vie avant initiation des microfissures et d’identifier dans le cas du glissement, des cycles locaux complémentaires de sollicitation. Ces derniers résultent des passages répétés des pics rugueux en surface du matériau. Finalement, une comparaison avec une application expérimentale sur composant denture d’engrenages apporte des éléments d’identification des zones à risque vis-à-vis du micro-écaillage dans les applications concernées.

To characterize foam friction on rough solid surfaces, we introduce plates of controlled roughness in dry monodisperse liquid foams of diverse liquid fractions. During this experiment, we record the force exerted on the rough surface, and the motion of the Plateau borders of the foam. This allowed us to identify three different friction regimes for foams : slip, stick-slip, and anchored regime. We quantify the forces during the entry of the surfaces in each regime, and we propose a new model for the until now unexplored stick-slip regime. We identify a single parameter that dictates whether the friction regime is stick-slip or anchored. After the introduction of the surfaces, the stresses relax to a constant value. We show that the characteristic time of evolution for the relaxation of force is not linked to the friction regimes we identified but is rather a foam property. We show that the constant stress at the end of relaxation for the anchored regime is a good estimate of the yield stress of the foam. At the end of relaxation, the surfaces are extracted out of the foam. We link the forces and the flowing motion in the foam tank during this experiment to the apparition of a foam deposit on the surfaces. In a second part, we observed the capillary rise of foams in different geometries. In particular, we focused on the entry of a single bubble in a tube, allowing us to highlight the pertinence of different modelisations of the motion of liquid interfaces on smooth surfaces., Pour caractériser le frottement de mousses liquides sèches sur des surfaces de rugosités contrôlées, nous introduisons des surfaces rugueuses dans des mousses liquides monodisperses de fraction liquide contrôlée. Dans cette expérience, nous mesurons la force exercée par la mousse sur les surfaces et nous imageons le mouvement des bords de Plateau. Cela nous permet d'identifier trois régimes de frottement des mousses : le glissement, le collé-glissé et le régime d'ancrage des bulles. Nous proposons un unique paramètre pour décrire le passage du régime de collé-glissé au régime d'ancrage. Lors de l'introduction des lames, nous proposons un modèle pour chaque régime de frottement identifié. Lorsque les contraintes relaxent à la suite de l'introduction, nous montrons que le temps de relaxation de la contrainte est une propriété de la mousse et n'est pas affecté par le régime de frottement des mousses. Nous montrons que la contrainte à la fin du régime de relaxation donne accès à une bonne estimation de la contrainte seuil des mousses. Après la relaxation de la contrainte, nous extrayons les surfaces hors des bains de mousse. Nous relions alors l’écoulement de la mousse aux forces mesurées et à l'apparition de dépôts de mousse. Dans une seconde partie, nous observons la montée capillaire de mousses dans différentes géométries. En particulier, nous nous concentrons sur une expérience modèle dans laquelle une unique bulle entre dans un tube en verre. Cela permet de discuter les influences de différents modèles de frottements d'interfaces liquides sur des surfaces lisses sur la montée capillaire de mousses.

Squeal of rail-bound vehicles emitted in tight curves is characterized by high sound pressure levels at pure medium and high frequencies. Many models have been proposed in the literature to explain the occurrence of this noise with different instability mechanisms: negative damping due to falling friction or instability with a constant friction coefficient. The aim of the paper is to contribute to the understanding of the instability mechanisms in the case of a constant friction coefficient. A stability analysis of the wheel/rail contact dynamics in curve is performed by using an equivalent point contact model combined with wheel and rail modal bases. Results show that even with an assumption of a constant Coulomb friction coefficient, two types of instabilities may occur in the wheel/rail system: classical mode coupling and instabilities due to negative damping added to a single wheel mode when the track dynamical behavior, especially in the vertical direction, is included. For this second type of instabilities, an 1-degree of freedom model can be formulated. By using this model, it is found that the equivalent damper behavior of the infinite track is the origin of these instabilities.

Turbomachines optimization requires an excellent control of the vibration phenomena of the whole structure, especially in regards to the interactions between the different parts of the engine. The coupling between global dynamics and blade dynamics of a shaft line alters the vibration behavior of the bladed-disks, which are usually designed separately. The study of these phenomena comes with large sized models which require specific numerical tools with low-cost solving strategy. These energy exchanges are particularly difficult to predict in the case of a bi-rotor architecture coupled with a bearing system. When the equations of motion of both structures are written simultaneously, the rotating speed difference introduces time-periodic coefficients which yield expensive time resolution. The main purpose of this thesis is to develop a new methodology for the projection of the equation of motion of a bladed bi-rotor system in order to restore a regular equation form compatible with classical frequency solving methods. Compared with time resolution taken as reference, this new approach gives accurate results when applied on simple finite element models submitted to mono- and multi-frequency excitation forces. This substantially time-saving method makes it possible to study the forced response of a characteristic system of two coupled bladed-disks, on a large range of rotation speeds. Two vibratory interaction phenomena are thus revealed, directly related to the occurrence of energy exchanges through the inter-shaft bearing. A graphic detection of unstable areas according to both rotation speeds is established and validated thanks to a double ring model. The proposed projection methodology of the equation of motion is then extended to consider two current industrial challenges. First, in the case of friction nonlinearity present on one bladed-disk, the harmonic balance method is adapted to fit the new form of equation obtained after projection. Finally, the impact of the coupling mechanism is studied by replacing the bearing with a gearbox.; L'optimisation des turboréacteurs nécessite une excellente maîtrise des phénomènes vibratoires de la structure complète et notamment des interactions entre les différents organes constitutifs du moteur. Dans le cas d'une ligne d'arbre, le couplage entre dynamique d'ensemble et dynamique d'aubages modifie le comportement des roues aubagées, généralement dimensionnées individuellement. La prise en compte de ce phénomène fait intervenir des modèles de grandes tailles, justifiant la nécessité de développer des outils numériques spécifiques intégrant une stratégie de résolution peu coûteuse. Ces échanges énergétiques sont d'autant plus difficiles à prévoir pour une architecture bi-rotor possédant un palier inter-arbre: lors de la mise en équation simultanée des deux rotors, leur différence de vitesse de rotation génère des coefficients périodiques problématiques, impliquant une résolution temporelle onéreuse. L'objet principal de ce mémoire de thèse consiste à développer une nouvelle méthode de projection de l'équation du mouvement d'un bi-rotor aubagé, dans le but de se ramener à une forme traditionnelle d'équation permettant d'appliquer les méthodes de résolution fréquentielles classiques. La validation par comparaison avec une résolution temporelle de référence donne d'excellents résultats sur des modèles éléments finis simples soumis à des excitations mono- et multi- fréquentielles. Le gain notable en temps de calcul permet d'exploiter la méthode pour étudier, sur de larges plages de vitesse, la réponse forcée d'un système caractéristique de deux roues aubagées couplées. Deux phénomènes d'interaction vibratoire notables sont ainsi mis en évidence, traduisant des échanges énergétiques au travers du palier inter-arbre. Une détection graphique des zones d'instabilité en fonction des deux vitesses de rotation est également établie puis validée à l'aide de formulations bi-anneau. Par la suite, la méthode de projection de l'équation du mouvement est étendue à deux problématiques industrielles actuelles. Dans le cas où une non-linéarité de frottement est présente sur l'une des roues aubagées, une adaptation de la méthode de résolution non-linéaire par équilibrage harmonique est proposée afin de traiter la forme d'équation obtenue après projection. L'influence de la nature du couplage est finalement abordée en remplaçant le palier inter-arbre par un réducteur à engrenages.

Turbomachines optimization requires an excellent control of the vibration phenomena of the whole structure, especially in regards to the interactions between the different parts of the engine. The coupling between global dynamics and blade dynamics of a shaft line alters the vibration behavior of the bladed-disks, which are usually designed separately. The study of these phenomena comes with large sized models which require specific numerical tools with low-cost solving strategy. These energy exchanges are particularly difficult to predict in the case of a bi-rotor architecture coupled with a bearing system. When the equations of motion of both structures are written simultaneously, the rotating speed difference introduces time-periodic coefficients which yield expensive time resolution. The main purpose of this thesis is to develop a new methodology for the projection of the equation of motion of a bladed bi-rotor system in order to restore a regular equation form compatible with classical frequency solving methods. Compared with time resolution taken as reference, this new approach gives accurate results when applied on simple finite element models submitted to mono- and multi-frequency excitation forces. This substantially time-saving method makes it possible to study the forced response of a characteristic system of two coupled bladed-disks, on a large range of rotation speeds. Two vibratory interaction phenomena are thus revealed, directly related to the occurrence of energy exchanges through the inter-shaft bearing. A graphic detection of unstable areas according to both rotation speeds is established and validated thanks to a double ring model. The proposed projection methodology of the equation of motion is then extended to consider two current industrial challenges. First, in the case of friction nonlinearity present on one bladed-disk, the harmonic balance method is adapted to fit the new form of equation obtained after projection. Finally, the impact of the coupling mechanism is studied by replacing the bearing with a gearbox., L'optimisation des turboréacteurs nécessite une excellente maîtrise des phénomènes vibratoires de la structure complète et notamment des interactions entre les différents organes constitutifs du moteur. Dans le cas d'une ligne d'arbre, le couplage entre dynamique d'ensemble et dynamique d'aubages modifie le comportement des roues aubagées, généralement dimensionnées individuellement. La prise en compte de ce phénomène fait intervenir des modèles de grandes tailles, justifiant la nécessité de développer des outils numériques spécifiques intégrant une stratégie de résolution peu coûteuse. Ces échanges énergétiques sont d'autant plus difficiles à prévoir pour une architecture bi-rotor possédant un palier inter-arbre: lors de la mise en équation simultanée des deux rotors, leur différence de vitesse de rotation génère des coefficients périodiques problématiques, impliquant une résolution temporelle onéreuse. L'objet principal de ce mémoire de thèse consiste à développer une nouvelle méthode de projection de l'équation du mouvement d'un bi-rotor aubagé, dans le but de se ramener à une forme traditionnelle d'équation permettant d'appliquer les méthodes de résolution fréquentielles classiques. La validation par comparaison avec une résolution temporelle de référence donne d'excellents résultats sur des modèles éléments finis simples soumis à des excitations mono- et multi- fréquentielles. Le gain notable en temps de calcul permet d'exploiter la méthode pour étudier, sur de larges plages de vitesse, la réponse forcée d'un système caractéristique de deux roues aubagées couplées. Deux phénomènes d'interaction vibratoire notables sont ainsi mis en évidence, traduisant des échanges énergétiques au travers du palier inter-arbre. Une détection graphique des zones d'instabilité en fonction des deux vitesses de rotation est également établie puis validée à l'aide de formulations bi-anneau. Par la suite, la méthode de projection de l'équation du mouvement est étendue à deux problématiques industrielles actuelles. Dans le cas où une non-linéarité de frottement est présente sur l'une des roues aubagées, une adaptation de la méthode de résolution non-linéaire par équilibrage harmonique est proposée afin de traiter la forme d'équation obtenue après projection. L'influence de la nature du couplage est finalement abordée en remplaçant le palier inter-arbre par un réducteur à engrenages.

The aim of this work is to identify the molecular mechanisms driving the friction of liquid polymers on a solid substrate.First, we studied the effect of the temperature T on the slippage properties of PDMS melts. Using a velocimetry technique based on photobleaching, we measured the temperature dependence of the slip length of PDMS and checked the validity of Navier’s hypothesis, which defines the friction coefficient k as the ratio between the bulk viscosity to the slip length. Far above the glass transition temperature, k(T) increases exponentially with 1/T, a result that we confirmed with an independent measurement of k for the friction of crosslinked PDMS lenses. The friction mechanism of melts is a thermally activated process. The comparison of the activation energies for the friction and for the viscosity allows one to predict if the slip length increases or deacreases with temperature.We then focused our work on the identification of the friction mechanisms of semi diluted polymer solutions. Based on slip experiments of PS in DEP solutions, we evidenced a transient onset of slippage regime. Considering the viscoelasticity of the fluid and its friction properties, we developed a mechanical model of friction of a Maxwell-like fluid that well describes our experimental data.In the stationary slippage regime, we studied the influence of the polymer volume fraction φ on the slippage of solutions of polymer. In the Newtonian regime, the measured scaling law for k φ as a function of the volume fraction highlights the dependence of the friction coefficient on the distance to the glass transition temperature of the solution. Thus, the friction of the PS in DEP solutions can be attributed to the friction of blobs on the surface, rather than to the existence of a depletion layer.We directly observed the solid / polymer solution interface thanks to neutron reflectivity: these experiments reveal the formation of an adsorbed polymer layer and we could measure its concentration profile close to the solid wall. The interdigitation between volume and surface polymer chains plays a key role in the slippage of the solutions.; Le but de ce travail de thèse est d'identifier les mécanismes moléculaires mis en jeu lors du frottement de polymères liquides sur une paroi solide.Dans une première partie, nous avons étudié l'influence de la température T sur le glissement de fondus. Grâce à la technique de vélocimétrie par photoblanchiment, nous avons mesuré la longueur de glissement de PDMS pour plusieurs températures et vérifié l'hypothèse de Navier, qui permet de définir le coefficient de frottement interfacial k comme le rapport entre la viscosité et la longueur de glissement. Loin de la température de transition vitreuse, k augmente exponentiellement avec 1/T, tendance que nous avons vérifiée par une mesure indépendante pour des lentilles de PDMS réticulé. Ainsi, le mécanisme de frottement d'un fondu de polymère est un processus thermiquement activé. La comparaison des énergies d'activation du frottement et de la viscosité prédit le sens de variation de la longueur de glissement avec la température.Le second volet de notre travail s'est focalisé sur l'identification des mécanismes moléculaires du frottement de solutions semi-diluées de polymère. Les expériences de glissement pour des solutions de PS dans le DEP nous ont permis de mettre en évidence un régime transitoire de glissement des solutions, correspondant à une mise en glissement du fluide. Nous avons proposé un modèle de glissement d'un fluide de Maxwell en accord quantitatif avec les expériences.Dans le régime de glissement stationnaire, nous avons étudié l'influence de la fraction volumique φ en polymère sur le frottement des solutions. En régime newtonien, la loi d'échelle mesurée pour k φ en fonction de la fraction volumique met en évidence la dépendance du coefficient de frottement interfacial avec l'écart à la température de transition vitreuse des solutions. Nous attribuons le frottement des solutions de PS dans le DEP au frottement des blobs sur la paroi et non à la formation d'une couche déplétée en polymère.Enfin des expériences de réflectivité de neutrons nous ont permis d'observer directement l'interface solide / solution de polymère. Nous avons mis en évidence l'existence d'une couche adsorbée en polymère. Nous avons mesuré son profil de concentration en fonction de la distance à la paroi. L'interdigitation des chaînes libres et de surface affecte le glissement des solutions.

This paper deals with the computation of non-linear dynamic steady-state solutions of autonomous non-smooth contact systems prone to mono-instability. The addressed issue is the use of the shooting method in order to determine periodic solutions of self-excited mechanical systems subject to friction-induced vibrations. The method is tested in the case of a non-smooth contact dynamical system (non-regularized Signorini unilateral contact and Coulomb friction laws) with damping and planar friction. In order to initiate the shooting algorithm, an initial solution is calculated using an original approach combining the results of the linear stability analysis for the shapes and the period with a non-linear power balance for the amplitude. It significantly enhances the computational efficiency of the method since convergence is reached in a few iterations. Steady-state limit cycles exhibiting adhesion or separation behaviors (i.e. stick-slip or contact-separation phenomena) are in good agreement with those provided by a full time integration method. It demonstrates the potential of the proposed method to estimate the self-sustained vibrations of non-smooth contact dynamical systems for which loss of contacts and inelastic shocks occur.