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Poly-V belt transmissions are often used in the front-end of engines to transmit power from the crankshaft to the several accessories. Optimizing the power losses coming from this transmission help reducing the engine fuel consumption. To this aim, an optimization method based on a genetic algorithm has been developed; principles of real life (natural selection, cross-over and mutation) applied to computations have been used to minimize power losses. Genetic algorithms are commonly used in optimization because of their adaptability to handle complex engineering problems. For comparison purposes, the dynamic programming which is a technique based on the principle of sub-problematization has also been implemented. In this study, the optimization-problem consists in minimizing the power loss function representing the losses taking place in a front engine accessory belt drive. Results have shown that the total power losses can be reduced by tens of percent by adjusting both the positions of the engine accessories and the belt setting tension. Some experimental data confirm these numerical predictions.

• An efficient Multigrid solver for simulating composites. • A real topology is simulated for the first time by the MultiGrid methods. • MultiGrid application in composite homogenization process. • Factors influencing on surface displacement variation are studied. The subject of this paper is to present the application of MultiGrid (MG) methods in 3D composite material simulations through the solution of the elastic equations. An efficient MG solver is further developed for modeling composite structures with strong discontinuities. Different types of boundary conditions are imposed in the solver. The model is validated by comparing the MG numerical results with the theoretical results existing in the literature and Finite Element (FE) results and a good agreement is found. The potential of MG methods with respect to the homogenization process is illustrated. Then an ideal laminated structure is analyzed and a real topology is simulated for the first time by a MG model. The effect of fiber orientation, interface layer thickness, fiber layer thickness and the ratio of material properties on the surface displacement are investigated. MG results show the detailed local behavior and provide new insights into possible initiation of delamination.

In this thesis, we present and study a new formulation of frictional contact between two elastic bodiesbased on Nitsche's method. This method aims to treat the interface conditions in a weak sense, thanksto a consistent additional term stabilized with the parameter gamma. At first, we introduce the study carriedout in the small strain framwork for an unbiased version of the method. The non-distinction between amaster surface and a slave one will allow the method to be more generic and directly applicable to theself-contact problem. The restrictive framework of small strain allowed us to obtain theoretical results onthe consistency and convergence of the method. Then, we present the extension of the Nitsche methodto the large strain case more relevant for industrial applications and situations of self-contact. ThisNitsche's method is formulated for an hyper-elastic material and declines in the two versions: biased andunbiased. We describe a class of methods through a generalisation parameter theta . Particular variantshave different properties from a numerical point of view, in terms of accuracy and robustness. To provethe accuracy of the method for large deformations, we provide several academic and industrial tests. Wealso study the inuence of numerical quadrature on the accuarcy and convergence of the method. This study covers a comparison of several integration rules proposed in the literature for other integral methods., Dans cette thèse, nous présentons et étudions une nouvelle formulation du problème de contact frottant entre deux corps élastiques se basant sur la méthode de Nitsche. Dans cette méthode les conditions de contact sont imposées faiblement, grâce à un terme de pénalité consistant et stabilisé par un paramètre gamma.Nous introduisons, en premier lieu, l'étude effectuée en petites déformations pour une version non biaisée de la méthode. La non-distinction entre une surface maitre et une surface esclave permettrera à la méthode d’être plus générique et applicable directement au problème d'auto-contact. Le cadre restrictif des petites déformations nous permet d’obtenir des résultats théoriques sur la stabilité et la convergence de la méthode. Ces résultats sont complétés par une validation numérique. Ensuite, nous introduisons l'extension de la méthode de Nitsche au cadre des grandes déformations qui est d’avantage pertinent pour les applications industrielles et les situations d’auto-contact. La méthode de Nitsche est formulée pour un matériau hyperélastique avec frottement de Coulomb et se décline en deux versions : biaisée ou non. La formulation est généralisée à travers un paramètre theta pour couvrir toute une famille de méthodes et chaque variante particulière a des propriétés différentes du point de vue théorique et numérique, en termes de précision et de robustesse.La méthode est testée et validée à travers plusieurs tests académiques et industriels. Nous effectuons aussi une étude de l'influence de l'intégration numérique sur la précision et la convergence de la méthode. Cette étude couvre une comparaison entre plusieurs schémas d’intégration proposés dans la littérature pour d'autres méthodes intégrales.

International audience; The phase field method is a powerful tool for studying microstructural evolution in various domains of material sciences, including phase change, initiation and propagation of fracture. In this work, a new formulation is developed based on the phase field method for modeling stress corrosion cracking (SCC) induced by anodic dissolution. This method was applied for modeling SCC of an aluminum alloy (2xxx series) in a saline medium (NaCl), which allows considering the effects of both electrochemical and mechanical processes. The classical phase transition model for material dissolution is coupled with the mechanical problem in a robust manner, providing an efficient tool for studying the competition between electrochemical and mechanical contributions to fracture. A numerical implementation based on finite elements is elaborated. The numerical results. are compared to experimental data obtained by in situ microtomography.

Presented at the NuMat 2014 Conference, 27–30 October 2014, Clearwater, Florida, USA.; International audience; Graphite is used in many types of nuclear reactors due to its ability to slow down fast neutrons without capturing them. Whatever the reactor design, the irradiated graphite waste management has to be faced sooner or later regarding the production of long lived or dose determining radioactive species such as 14C, 3H or 36Cl. The first carbon dioxide cooled, graphite moderated nuclear reactors resulted in a huge quantity of irradiated graphite waste for which the management needs a previous assessment of the radioactive inventory and the radionuclide’s location and speciation. As the detection limits of usual spectroscopic methods are generally not adequate to detect the low concentration levels (

The systematic use of a so-called Cauchy theory often leads to too much simplification of reality. Indeed, some features of the microstructure are implicitly neglected in these approaches. Materials have microstructures on a fairly large scale (micron, millimeter, centimeter), the effect of which affects the macroscopic behavior. The Cauchy model is insufficient to describe their specific global behavior, linked for example to the concentration of forces or deformations, or to deformation modes characterized by strong local gradients inducing behaviors related to what happens on smaller scales.One of the most promising fields of application for enriched continuous-media theories concerns woven composite reinforcements. This class of materials is formed by the weaving of yarns, whose rigidities are very different in tension and shear: the yarns are very stiff in tension but the angle between them can vary very easily. This very marked contrast of the mechanical properties of the material's mesostructure makes it possible to describe its homogenized properties as part of a second gradient theory. The macroscopic manifestation of the mesostructure can indeed play a major role in shaping reinforcements composites.Furthermore, Cauchy's models are not adapted to the description of the dynamic response of some microstructured materials showing dispersive behaviors or band-gaps. Enriched continuum theories are good candidates for modeling the effects of the presence of a microstructure. They may also have very particular properties with respect to wave propagation, which gives the resulting structures solutions of choice as a screen or wave absorber which may be innovative in the field of vibration control or in the field of stealth., L’utilisation systématique d’une théorie dite de Cauchy conduit souvent à des simplifications trop fortes de la réalité. En effet, certaines caractéristiques de la microstructure sont implicitement négligées dans ces approches. Des matériaux possèdent des microstructures à une échelle assez grande (micron, millimètre, centimètre), dont l’effet se répercute sur le comportement macroscopique. Le modèle de Cauchy est insuffisant pour décrire leur comportement global spécifique, lié par exemple à la concentration d’efforts ou de déformations, ou à des modes de déformations caractérisés par de forts gradients locaux induisant des comportements liés à ce qui se passe à des échelles plus petites.Un des domaines d’application les plus prometteurs des théories de milieux continus enrichis concerne les renforts tissés de composites. Cette classe de matériaux est constituée par le tissage de mèche, dont les rigidités sont très différentes en traction et en cisaillement : les mèches sont très raides en traction mais l’angle entre deux mèches peut varier très facilement. Ce contraste très marqué des propriétés mécaniques de la mesostructure du matériau permet de décrire ses propriétés homogénéisées dans le cadre d’une théorie de deuxième gradient. La manifestation macroscopique de la mesostructure peut en effet jouer un rôle majeur lors de la mise en forme des renforts de composites. Les modèles de Cauchy ne sont pas adaptés à la description de la réponse dynamique de certains matériaux microstructurés montrant des comportements dispersifs ou des band-gaps. Les théories de milieux continus enrichis sont de bonnes candidates pour modéliser les effets de la présence d’une microstructure. Elles peuvent également posséder des propriétés très particulières vis à vis de la propagation d’ondes, ce qui confère aux structures résultantes des solutions de choix comme écran ou absorbeur d’ondes qui peuvent innovantes dans le domaine du contrôle des vibrations ou dans le domaine de la furtivité.

International audience; After the cessation of RT/Duroid 5813, manufacturing tests were performed by CNES and ESA/ESTL in order to find an alternative material. Although PGM-HT was selected as the best candidate, limitations about its tribological capabilities to replace RT/Duroid 5813 were later pointed out. Today, the predictability of the tribological behaviour of those materials is not fully overcome. The motivation to this work is to complement studies of self-lubricating materials by coupling experimental analyses with numerical modelling, in order to predict their tribological behaviour. A Discrete Element Method is chosen to construct the numerical material, because it allows to represent wear and the third body generation at the scale of the ball/retainer contact. An underlying role of the adhesion between components in controlling the tribological properties of the transfer film has been observed.

International audience; Predicting the tribological behaviour of dry lubricants remains difficult because it greatly depends on their mechanical and physicochemical environment. While it is difficult to analytically model dry lubrication, Discrete Element Method (DEM)-based modelling has been able to provide valuable insight into the tribological behaviour of dry lubricated contacts. The present study aims to experimentally define interactions between the discrete elements used for simulating different materials in contact, in order to accurately model and predict the tribological behaviour of dry lubricants. Those interactions are here defined by using the work of adhesion (W) between engineering materials: AISI440C, pristine MoS2 coating, as well as the related transfer film. A method was developed and applied on regular laboratory tribological test samples and ball bearings from the Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) instrument of the James Webb Space Telescope. Measured W values were consistent between all worn surfaces. The first DEM modelling results exhibit behaviours similar to those observed experimentally including surface plasticization and transfer.

International audience; An unexpected behavior of space bearings lubricated with new substitute grease at low speeds was investigated. The complex discontinuous tribological behavior of such a biphasic grease was investigated by combining numerical and experimental approaches. From a numerical point of view, using the Discrete Element Method, the grease tribological behavior seems to be controlled by both the thickener particle size and physico-chemical parameters associated to the interactions between the different grease components (PTFE, oil / surface, volume). From an experimental point of view, the influence of the controlling parameters was investigated on a bearing test bench by using different greases composed of two sizes of PTFE particles and two base oils. The considered grease behaviours were discriminated for a given protocol in terms of bearing torque evolution (presence or not of torque peaks) and of surface morphologies (grease cluster formation, grease structural changes,…). Correlations between modelling and experiments are then proposed.

International audience; A new multi-phase-field method is developed for modeling the fracture of polycrystals at the mi-crostructural level. Inter and transgranular cracking, as well as anisotropic effects of both elasticity and preferential cleavage directions within each randomly oriented crystal are taken into account. For this purpose, the proposed phase field formulation includes: (a) a smeared description of grain boundaries as cohesive zones avoiding defining an additional phase for grains; (b) an anisotropic phase field model; (c) a multi-phase field formulation where each preferential cleavage direction is associated with a damage (phase field) variable. The obtained framework allows modeling interactions and competition between grains and grain boundary cracks, as well as their effects on the effective response of the material. The proposed model is illustrated through several numerical examples involving a full description of complex crack initiation and propagation within 2D and 3D models of polycrystals.

International audience; The phase field method is a powerful tool for studying microstructural evolution in various domains of material science, including initiation and propagation of fracture. In this work, a new formulation is developed within the phase field method for modeling stress corrosion cracking induced by anodic dissolution. The effects of both electrochemical and mechanical processes are taken into account in the new frame work. The classical phase transformation model is coupled with mechanical problem in a robust manner, providing an efficient tool to study the competition between electrochemical and mechanical impact on the fracture phenomena .

International audience; Anisotropy is inherent to crystalline materials (among others) due to the symmetry of the atomic lattice. However, failure anisotropy is questioning the foundations of brittle failure as the equivalence between the principle of local symmetry and the maximum energy release rate criterion is no longer valid. Many experimental observations have been reported in the literature but anisotropic failure is thus still an open path for fundamental research. The aim of the paper is to propose a phase field model that could reproduce (energetically) non-free anisotropic crack bifurcation within a framework allowing for robust and fast numerical simulations. After the model and its finite element implementation have been detailed, its ability to capture the thought phenomenon is illustrated through several examples.

International audience; Self-lubricating polymer-based composites are used in space and in aircraft mechanisms as materials for solid lubricated systems. Such composites mostly consist of a polymeric matrix and fillers of two kinds: hard fillers (fibres made of glass, or of minerals) and solid lubricating particles (made of MoS 2). Their advantages are that they provide their own lubrication, and they can be used in both very high and very low temperatures (from −40 up to ~200 F). Precision ball bearings with these composites are manufactured since the 60's in these bearings the retainer material itself provides the lubrication. From the experimental analyses implemented (X-ray tomography, SEM observations, and experiences in a tribometer); it is possible to observe that the geometry of the fillers has a strong influence on the third body rheology. Nevertheless, the confined nature of the contact does not allow in-situ observation. To overcome this difficulty a combined numerical/experimental approach is carried out. To be able to reproduce the evolution of third-body particles within the contact, Discrete Element Methods (DEM) is used. Such an approach allows to represent wear: by the construction of an equivalent continuous medium resulting from the incorporation of interaction laws between the discrete particles. The motivation to this work is the understanding of the impact of filler geometry o tribological behaviour of these materials. More specifically, the goal is to study the influence of the fibre length in the tribological behaviour of self-lubricating composites by Discrete Element Methods (DEM).

International audience; The secondary creep behavior of Zircaloy-4 (Zr-4) claddings under simulated Loss-Of-Coolant Accident (LOCA) conditions was investigated. A coupled experimental / numerical approach is developed to determine the steady-state creep constitutive law's parameters. The test matrix targets thermal mechanical conditions for which several creep mechanisms are expected to take place (phase transition zone of Zr-4). Ballooning tests were performed on tubular specimens. A heterogeneous thermal mechanical loading was applied to the specimen. The resulting thermal and kinematics fields were measured using full-field optical measurements. Then a Finite Element model was updated to determine a constitutive Norton creep law fitting the kinematic fields measured by way of digital image correlation (DIC). The following methodology enables a significant reduction in the number of tests used for the mapping of creep mechanisms depending on stress and temperature conditions. The results of nine experiments covering stresses from 7 to 45 MPa and temperatures varying from 745 to 850 °C are detailed. In the α-phase domain, the transition from low Norton exponents (∼ 1) to higher ones (∼ 4-5) is observed at a von Mises stress of 26 MPa. The activation energies are consistent in the α-phase domain. For modeling purposes, several tests (T < 810 °C) were then correlated. Three constitutive laws, depending on the stress and creep-rate levels, were determined. Norton exponent and activation energy consistent with the superplasticity observed by Garde et al. were identified in the early stage of the two-phase domain.

The context of this PhD thesis is the modeling and design of mechatronic systems. The study is positioned in the early design stage of the conception cycle (V-Cycle), where the main efforts have to be produced in terms of methodology, to enhance the quality and the functionality of the products, and based on virtual prototyping (modeling and simulation). One of the possible methodology is to reformulate the design problem as an inverse problem, in order to directly use the design specification of the product, usually given in terms of the system outputs, and then solve the design problem. In this context, the Ampere laboratory of INSA Lyon has developed a conception and design methodology, based on inverse approach and using the bond graph formalism, to propose a step-by-step method based on dynamic and energetic criteria, with a structural analysis phase that allows hierarchical analysis steps, depending on the structural physical layout of the model (topological, phenomenological, parameter set). The aim of the present works is to contribute to the development of this methodology, by enhancing it to the class of descriptor systems. This choice is led by the aim to apply the methodology in the context of chassis design and vehicle dynamics, where, among other, multi-body models represented as a differential-algebraic equation (DAE) system could occur. The contributions are proposed at the level of the topology of the model, as well as at the level of the phenomenological / behavioral aspects. A preliminary step is to enhance the existing algebraic framework to support graphical extension (in term of digraph and bond graph). The overall methodological extensions allow, firstly, a generalization of the approach to the class of descriptor systems, and, secondly, to reach a standardization of the procedures, previously dedicated to direct or inverse models, so as no mandatory differences between those models have to be done anymore., Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la conception des systèmes mécatroniques. Les travaux se positionnent dans les premières phases du cycle de conception, là où les principaux efforts méthodologiques sont à mener pour améliorer la qualité et la fonctionnalité des produits, et reposent sur le prototypage virtuel (modélisation et simulation). Une approche méthodologique envisageable est de reformuler le problème de conception sous une forme inverse, pour directement utiliser les spécifications du cahier des charges, usuellement exprimées sur les sorties, pour calculer les inconnues du problème. Dans ce contexte, le laboratoire Ampère développe une méthodologie de conception et dimensionnement, basée sur l'inversion de modèle, utilisant le formalisme bond graph, pour proposer une démarche reposant sur des critères dynamiques et énergétiques, et dont la principale originalité est sa phase d'analyse structurelle, permettant une hiérarchisation d’analyse suivant différents niveaux de la structure physique du modèle (topologie, phénoménologie, paramétrage). L'objectif est de contribuer au développement de cette méthodologie, en l’étendant aux modèles appartenant à la classe des systèmes singuliers, porté par la velléité de décliner la démarche à la conception fonctionnelle du châssis automobile et de ses sous-systèmes, comportant un certain nombre d'abstractions de modélisation et d'idéalisations. Cette déclinaison est proposée, d’une part, au niveau de la structure du modèle et, d’autre part, à un niveau considérant sa phénoménologie et ses lois de comportement. Elle requiert la mise en place préalable d'un référentiel algébrique, essentiellement issu de travaux sur la commande des systèmes, pour constituer une base de validation des extensions graphiques (digraphe et bond graph) proposées. En plus de la généralisation qu'ils constituent à la classe des modèles singuliers, les présents travaux proposent une uniformisation des précédentes approches de la méthodologie, originellement appliquées respectivement aux modèles directs et aux modèles inverses, de sorte qu'il n'est à présent plus nécessaire de les différencier.

International audience; En 2013 les ruptures d'anévrisme de l'aorte abdominale (AAA) étaient la cause de 152 000 décès dans le monde (188 pays), soit une augmentation de 65 % en 23 ans [1]. Suite au dépistage d'un AAA, la pose d'une endoprothèse, afin de dévier le flux sanguin pour prévenir la rupture, fait partie des solutions cliniques. Des phénomènes d'endofuites ou de migrations de l'endoprothèse peuvent ensuite survenir sans causes connues apparentes [2]. Par conséquent, l'étude de ces phénomènes apparaît comme une nécessité médicale. Pour cela, le besoin de posséder un montage expérimental avec un comportement réaliste est alors critique. Nous avons donc, au cours des dernières années, développé un montage expérimental géométriquement biofidèle d'aorte abdominale.1. GBD 2013 Mortality and Causes of Death Collaborators, The Lancet, 2015, 385(9963):117-1712. J. B. Towne, "Endovascular treatment of abdominal aortic aneurysms", The American Journal of Surgery, 2005, 189(2):140-149

cited By 2; International audience; Thermal loadings representative of a welding cycle at a point in the Heat Affected Zone (HAZ) of an Electron Beam Welding (EBW) have been reproduced experimentally. It means that the temperature is continuously varying, first increasing (during heating) and then decreasing (during cooling) without dwell-time at the highest temperature. Tensile tests have been carried out either during heating or during cooling of the specimen. The mechanical properties of two idealized phases - T6 temper and O temper - have been estimated as a function of temperature. To validate the accuracy of this thermo-mechanical database, a comparison between measured and calculated stress-strain curve is then presented which shows that this approach may be useful to predict the tensile behaviour of this alloy at high temperature whatever the experienced temperature history representative of EBW. Finally, a comparison between numerical and experimental residual stresses is presented for a beam girth weld application. © 2016 Elsevier Ltd

This study focuses on the hybrid bearings fatigue (Si3N4 / Duplex M50) which are submitted to extreme stresses. Firstly, we studied the rolling contact fatigue of artificially dented rollers made of through-hardened M50 and Duplex M50, in the case of hybrid contact. We have been consequently able to highlight the prominent role of the sliding. We also characterized and located the damage due to the extreme conditions. What is more, two studies have been led: one about the cracking damage of Duplex M50 rollers, especially radial cracks on dent edges, the other about the cracking damage of silicon nitride rollers, especially C-shaped cracks. These studies allowed to assess the material strength in conditions of severized stresses. Secondly, we developed an assessment method of the plastic gradient through micro-hardness measurings. This process allowed us to characterize the Duplex M50 in the diffusion layer formed during nitriding. The denting process was then simulated using the ABAQUS finite element software. The simulations made it possible to analyze the mechanisms responsible for the cracking of dents made on Duplex M50. Eventually, a tridimensional numerical study focusing on dent over-rolling has been led using the ISAAC semi-analytical code, computed at the LAMCOS laboratory of INSA-Lyon (Lyon, FRANCE). This study made it possible to evaluate the loading path in the vicinity of dents submitted to RCF. The use of Dang Van criterion then allowed to give indications about damage prediction in the vicinity of dents., Ce travail est consacré à l’étude de la fatigue des roulements hybrides (Si3N4 / M50 Duplex) soumis à des sollicitations extrêmes. Dans un premier temps, nous avons étudié le comportement expérimental du M50 trempé et du M50 Duplex sollicités en fatigue de roulement en présence d’indentation artificielle, dans le cas d’un contact hybride. Nous avons alors pu mettre en évidence le rôle prépondérant du glissement et nous avons pu caractériser et localiser l’endommagement relatif à ces conditions extrêmes. Aussi deux études portant sur la fissuration des éléments M50 Duplex, fissures radiales en bord d’indent, et sur la fissuration des éléments céramique Si3N4, sous forme de C-Cracks, ont été réalisées et ont permis d’évaluer la résistance de ces matériaux en sollicitation aggravée. Dans une seconde étape, nous avons mis au point une méthode d’évaluation du gradient de plasticité par mesure de la micro-dureté qui nous a permis de caractériser le M50 Duplex dans la zone de diffusion de la nitruration. Le processus d’indentation a alors été simulé par le logiciel éléments finis ABAQUS. Ces simulations ont permis d’analyser les mécanismes responsables de la fissuration des indents sur M50 Duplex. Enfin une étude numérique tridimensionnelle du roulement sur indent a été réalisée via le code semi-analytique ISAAC, développé au laboratoire LAMCOS de l’INSA de Lyon. Cette étude a permis d’évaluer le cycle de chargement au voisinage d’indents sollicités en fatigue de roulement. L’application du critère de Dang Van à ce cycle de sollicitation a alors permis de donner des indications quant à la prédiction de l’endommagement au voisinage d’indents.

International audience; Estimation of the piezoelectric factor in nonlinear transducers

Contact lubrication is essential in a wide range of mechanical systems like rolling element bearings (REBs). A minimum quantity of clean lubricant all along the bearing life is necessary but difficult to ensure. In fact, lubricants contain inevitably wear debris or external particles, like dust. Carried by the lubricant in the vicinity of elastohydrodynamic (EHD) contacts, particles can be entrapped with disastrous consequences for contacting surfaces. Entrapment of micrometric particles in submicrometric contacting gaps means irreversible damages for the surfaces. Damages weaken the surfaces and reduce significantly the REBs lifetime. The goal of this work is to analyze the critical particle entrainments in the contact inlet. Entrapment of steel spherical particles was investigated from the numerical and experimental point of view. Firstly, the phenomenology of entrapment was explored with a new experimental method based on Particle Image Velocimetry (PIV) technique installed on a tribometer. It enabled the evaluation of velocity profiles in the contact inlet and the tracking of particles within EHD contacts. Secondly, a numerical modelling of the inlet flow for EHD contacts, including the particle tracking, was developed. Finally, tests on a twin-disc machine with a controlled level of well-defined contamination were conducted to validate previous conclusions. A first set of results showed that particle entrapment is highly dependent on the lubricant velocity profile. Depending on contact geometry, from point to wide elliptical contacts, different entrapment probability were revealed. Surprisingly, increasing contact width with wide elliptical contacts leads to a drop of entrapped particles. It was demonstrated that this phenomenon is due to backflows occurring upstream from these contacts. Introducing a hybrid pair of contacting materials (silicon nitride–steel), dents on the surfaces due to entrapped particles were explored. It has been confirmed that silicon nitride surface offers a real ability to resist to indentation. It was also noticed that the entrapment probability for silicon nitride–steel contacts is equivalent to a steel–steel one., Une lubrification suffisante est essentielle au bon fonctionnement des mécanismes et/ou composants comme par exemple les paliers à roulement. Par contre, les lubrifiants contiennent souvent des débris d’usure ou des polluants extérieurs. Ces particules micrométriques peuvent pénétrer des contacts d’épaisseur inférieure au micromètre induisant des empruntes ou indents pouvant conduire à des endommagements irréversibles pour les surfaces en contact. L’objet de ce travail est l’étude du piégeage de polluants solides à l’aide de particules sphériques d’acier, d’un point de vue théorique, numérique et expérimental. Dans un premier temps, une étude phénoménologique a été proposée à l’aide d’une nouvelle méthode expérimentale basée sur la technique PIV combinée à un tribomètre bille/disque. Les trajectoires des polluants à l’entrée du contact ont pu ainsi être identifiées. En parallèle, un modèle numérique d’écoulement du lubrifiant a été développé pour permettre l’évaluation des conditions menant au piégeage ou non de particules. Finalement, des expériences sur une machine bi-disques en conditions de lubrification polluée contrôlée ont permis de valider les tendances observées pour le piégeage. Une première série de résultats a montré que le piégeage de contaminants est fortement dépendant du profil de vitesse du lubrifiant. Un taux de piégeage très hétérogène a été observé sur des contacts avec une ellipticité transverse à l’écoulement variable. De manière surprenante, malgré une augmentation de la largeur de contact, une forte diminution du nombre de particules piégées a été observée dans des contacts elliptiques. Il a été démontré que cette diminution pouvait être imputée à la présence d’importants reflux de lubrifiant dans les contacts elliptiques larges. L’étude de contacts hybrides, nitrure de silicium–acier, a montré une bonne résistance à l’indentation du nitrure de silicium. Il est à noter que les contacts hybrides présentent des niveaux de piégeage similaire à un contact tout acier.

In shipbuilding industry, classical methods to analyze the behavior of structures under extreme loadings are very dependent on the size of the mesh. Moreover, propagation over long lengths with volumetric models requires huge processing power, often inaccessible within this framework. In order to manage these issues and due to the geometry to be considered, a coupling between shell finite element and the extended finite element method (X-FEM) using an adapted propagation criterion is proposed. The developments are made in the fast explicit dynamic finite element code EUROPLEXUS, CEA Saclay. For shell structures involving significant thickness such as submarines, Mindlin-Reissner theory is needed to enable shear strain. Therefore, locking-free element are used to avoid the numerical issue of shear-locking that appears when the shell becomes too thin. The fracture of Mindlin-Reissner plates based on the X-FEM discrete approximation framework is studied by Dolbow and Belytschko with the MITC4. A four node shell element using the same formulation is here only enriched with a step function along the crack line to take into consideration the discontinuity of the displacement field across the crack. The calculation remains accurate without the asymptotic enrichment functions near the crack-tip, as long as the mesh is refined near the crack tip. The numerical integration issue for elements cut by the crack is solved by a partitioning strategy developed by Elguedj. Since the crack is contained in the shell for which the mid plane's position is entirely known, only one information left is needed to locate it. Therefore, a crack is represented by several line segments on the three-dimensional mesh. Only through thickness cracks are considered so far. As regards to the crack propagation, a local criteria proposed by Haboussa is used based on the calculation of mechanical equivalent quantities in the vicinity of the crack tip. The maximum of the equivalent stress tensor near the crack tip is used to decide if the crack propagates as well as its propagation direction, and the Kaninen equation gives the crack velocity., Actuellement, les méthodes classiques (éléments finis, endommagement, critère de rupture) pour analyser la tenue des structures sous des chargements extrêmes sont très dépendantes de la taille de maille du modèle et nécessitent à la fois un savoir-faire spé- cifique dans le domaine et des études de sensibilité au maillage. De nouvelles approches basées sur la méthode des éléments finis étendus permettent de traiter des propagations de fissure sur des structures de petites tailles et volumiques. Cependant, la propagation sur de grandes longueurs avec des modèles volumiques demande une puissance de calcul importante, souvent inaccessible dans le cadre industriel. Cette thèse a pour but de cou- pler des éléments finis de coque avec la méthode des éléments finis étendue (X-FEM). On peut ainsi diminuer la taille des modèles et gagner en temps de calcul. La fissure peut éga- lement évoluer librement dans le maillage. Après avoir fait le choix d’un élément fini de coque simple et de bonne qualité, l’objectif est de modifier cet élément afin de permettre la description d’une fissure au sein même de celui-ci. Ensuite, l’enjeu est d’adapter les critères de propagation qui existent déjà pour des modèles plans ou volumiques pour les matériaux dits "ductiles" afin de les utiliser dans le cadre d’une modélisation coque. Ces critères sont basés sur l’analyse des champs de contrainte et déformation sur un demi- disque aval à la pointe de fissure. Le calcul de la contrainte équivalente extraite de ces champs servant de seuil pour déclencher ou non la propagation est un point clef de ce travail. Cette étude se place dans le cadre de la plasticité généralisée et fait l’hypothèse d’une fissure initialement traversante dans l’épaisseur de la coque. La phase d’amorçage de la fissure n’est pas prise en compte et le défaut initial est supposé préexistant au sein de la structure. En vue de valider le couplage coque/X-FEM et le critère de propagation, des essais de fissuration sur des structures minces sont réalisés et présentés dans ce document.

International audience; The prediction of brittle fracture initiation and propagation in heterogeneous structures is one of the main challenging problems in the field of solidfailure mechanics. Nowadays with the development of X-Ray tomography, it is possible to account for the real micro structure in a computational model. Recently, a new phase field method proposed by Miehe et al. [1] has been developed for describing the brittle fracture propagation, and Nguyen et al. [2] introduced a modied algorithm to simplify the computation of strain tensor split, which makes the problem linear.However, due to the complexity of the heterogeneous structure, its simulation requires dense grids for the very local description of the actual material topology. The effciency of the MultiGrid finite dierence method allows a computational cost that depends linearly on the number of unknowns. This offers great opportunities to simulate the brittle fracture in strongly heterogeneous materials.According to previous work by Boy et al. [3] and Gu et al. [4], an effcient MultiGrid solver simulating a 3D heterogeneous material through the solution the elastic equations has been built. The effciency has been validated as the computing time and allocated memory remains small compared to traditional numerical methods. Based on this, the aim of the current work is to extend the model with the phase field method forbrittle fracture.Following the algorithmic framework proposed in [1, 2], the extension from the current MultiGrid finite difference model at each incremental step is direct and can be summarized as follows:(1) Split strain tensor: (; d).(2) MultiGrid finite difference scheme: compute elastic Lame equation according to (; d).(3) Compute history strain energy: H(; d).(4) MultiGrid finite difference scheme: compute phase field function: d(H).The advantage is that steps (2) and (4) can be solved through a MultiGrid finite difference scheme and are expected to be more efficient compared to the Finite Element scheme in [2].[1] C Miehe et al. A phase field model for rate-independent crack propagation: Robust algorithmic implementation based on operator splits. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 199(45):2765-2778, 2010.[2] T.T Nguyen et al. A phase field method to simulate crack nucleation and propagation in strongly heterogeneous materials from direct imaging of their microstructure. Engineering Fracture Mechanics, 139:18-39, 2015.[3] H Boy et al. Multigrid solution of the 3d stress field in strongly heterogeneous materials. Tribology International, 74:121-129, 2014.[4] H Gu et al. An efficient multigrid solver for the 3d simulation of composite materials. Computational Material Science, 112PA:230-237, 2016.

International audience; Stress corrosion cracking (SCC) is a very common failure mechanism characterized by a slow, environmentally influenced crack propagation in structural components. The mechanisms proposed to explain at the microscopic scale the cracking propagation processes are not able to elucidate all aspects of this phenomenon in different metal/environment systems. This work is concerned with the development of a new multiphysics model for understanding the phenomena of crack propagation under the effect of SCC. This new model is based upon: (i) the Phase field method, based on a variational formulation of brittle fracture with regularized approximation of discontinuities; (ii) a robust algorithm capable to prescribe the displacements (over the boundary of a small sub-volume) and crack onset obtained by image processing based on digital image correlation in the sample during the numerical simulations; (iii) a coupling with diffusion model informed with first-principles computations of diffusion coefficient. In this new model, the phenomenon of environmentally assisted cracking phenomena was successfully represented as well the interactions between cracks and the subsequent shielding effects. The analyses, performed on several samples of Inconel 600 alloy with a crack network, show a remarkable agreement between the cracks morphology and history obtained by the model and by the experiments.

This research work was conducted at the Contact and Structural Mechanics Laboratory (LaMCoS) of LaMCoS - INSA Lyon (UMR CNRS 5259) in partnership with Hispano-Suiza (SAFRAN group). In the context of new turbo jet engine developments, a promising technological solution consists in inserting a planetary / epicyclic gear train between the turbine and the propeller which, in theory, can improve the system performance, especially in terms of efficiency. Increasing power densities and mass reduction constraints lead to more compliant structures which need to be analyzed from a dynamic viewpoint. The present work deals therefore with the dynamic modelling of planetary / epicyclic gears and the effects of assembly errors, tooth shape deviations and deformable structural components. A lumped parameter approach has been favored which combines rigid-body gear elements, beam and lumped parameters elements. A thin-slice model has been used to simulate the time-varying elastic properties of gear teeth with an elemental stiffness and a normal deviation functions attributed to every discrete cell on the contact lines (thin slice) and updated at each time step with respect to the meshing course and the instant positions of the teeth. Ring-gear deformations are introduced via a model of elastic annulus discretized into straight beam elements and connected to the gear elements. Double-helical gears are simulated by linking two gear elements of opposite hands by Timoshenko beam elements. The possibility of helix stagger is implemented by shifting the helix positions in the base plane. Finally, the equations of motion are solved step by step in time by combining a Newmark scheme and a normal contact algorithm which makes it possible to account for partial and total instant contact losses. A number of comparisons with benchmark results from the literature are presented which prove that the proposed theoretical and numerical developments are sound and can actually be used to simulate the influence of planet position errors, helix stagger, pitch errors and ring-gear deformations. The optimization of tooth shape modifications, i.e. profile and lead modifications, re dynamic mesh forces in planetary gears is tackled. Using a genetic algorithm, optimum profile modifications are derived and compared with some analytical results in the literature. Their performance over a range of loads and speeds is assessed for helical and double helical gears with rigid and flexible ring-gears. A quasi-static “equivalent” criterion based on local transmission errors is presented and commented upon. Having proved its relevance, a number of results are derived concerning the influence of helix stagger and lead crowning superimposed on optimum profile modifications. Finally, a deformable ring-gear support is introduced using a sub-structuring technique and its contribution in terms of tooth load distribution is examined., Ces travaux de thèse sont le fruit de la collaboration entre la société Hispano-Suiza et le LaMCoS de l’INSA de Lyon. Dans le cadre du développement de nouveaux systèmes de propulsion, l’implantation d’un train planétaire / épicycloïdal entre la turbine et l’hélice semble être une voie intéressante pour atteindre les performances souhaitées en terme de rendement. L’augmentation des puissances transmises et la réduction des masses embarquées dans les applications aéronautiques tendent à rendre les composants de plus en plus déformables. Lors de ces travaux de recherche, un modèle dynamique de trains planétaires a été développé, incorporant les effets des erreurs de montage, des écarts de forme et des sous-ensembles flexibles. Une approche à paramètres concentrés est utilisée, intégrant notamment des éléments spécifiques d’engrenage et des éléments d’arbre. Pour les éléments d’engrenage, le formalisme des fines tranches juxtaposées est employé pour représenter les dentures. Une raideur élémentaire et un écart normal sont attribués à chacune des tranches et sont réactualisés à chaque pas de temps en fonction de la cinématique des composants et des déviations du profil des dentures. Les déformations de la couronne sont introduites à l’aide d’un anneau discret composé de poutres droites couplé aux éléments d’engrenage. Les dentures double-hélice sont modélisées par deux éléments d’engrenage d’angles d’hélice opposés liés par une poutre de Timoshenko. Finalement, les équations du mouvement sont résolues pas à pas dans le temps par un schéma de Newmark combiné à un algorithme de contact normal, permettant de prendre en compte les pertes de contact partielles ou complètes. Dans un premier temps, un certain nombre d’éléments de validation est présenté et comparé à des résultats tirés de la littérature. Afin d’asseoir notre modélisation, l’influence des erreurs de positionnement des satellites, du décalage des hélices, des erreurs de pas et des déformations de la couronne sur les distributions de charge est abordée pour différentes configurations de train planétaire. Dans un deuxième temps, l’optimisation des corrections de denture dans le but de réduire les vibrations est investiguée. Les corrections de profil sont introduites sur les engrènements de façon (i) linéaire et symétrique en tête de dents et (ii) identique pour tous les satellites mais (iii) différente selon le flanc actif. Dans ce contexte, les corrections sont tout d’abord optimisées vis-à-vis des efforts dynamiques d’engrènement à l’aide d’un algorithme génétique. Puis, leurs performances sont analysées en fonction du couple transmis et de la vitesse de rotation. Par la suite, un critère « équivalent » est dérivé, vérifié et utilisé pour étudier l’influence du décalage des hélices et d’une correction longitudinale parabolique sur ces corrections de profil optimales. Enfin, une sous-structure du porte-couronne est introduite et son impact sur les distributions de charge est exploré.

Worm gears are one of the technical devices for transmitting torque between spatial crossed axes. They provide a simple and cost effective solution in power transmission applications, where a high reduction ratio is required. Comparable conventional parallel axis gearing would normally require two or three stages to achieve the same reduction, with a consequent increase in complexity and number of parts. Surface wear is one of the failure modes observed in life worm gear sets which affects the contact patterns, the other transmission characteristics and the resultant noise. The first step of this work is the development of a numerical model to study provide the quasi-static behavior of worm gears with bronze wheel and steel worm. The model is based on solving of the equation of displacement compatibility and the influence coefficient method. The global effects of bending and local effects of contact are separated. The contact effects are obtained with the theory of Boussinesq. Bending effects are estimated by the combination of one standard FEM computation and interpolation functions. These methods allow, on the one hand, to take into account the environment of the gear (shaft shape, rim, web, bearing location ...) and on the other to reduce significantly the computation time. In a second step, a methodology is proposed for predicting the wear of the wheel tooth surface. In this process, a quasi-static contact model of the load distribution is combined with Archard's wear model. This model assumes that the wear depth is directly proportional to the contact pressure and sliding distance and inversely proportional to the hardness of the material. The wear law is modified to take into account the influence of the lubrication conditions using a local wear coefficient, depending on the lubricant film thickness, relative to the amplitude of surface roughness. Removal of material by wear on the wheel flank affects the pressure distribution, therefore the changes in teeth must be included in the prediction of wear. The calculation of contact pressures must also be updated to take into account the modification of the gear flank geometry. The last step concerns the validation of the numerical. Comparisons have been carried out between the model results and experimental ones issued from the bibliography., Les engrenages roues et vis sans fin sont une solution avantageuse pour transmettre le couple entre des axes perpendiculaires non concourants. Ces engrenages offrent une solution simple et efficace en terme de coût dans les applications de transmission de puissance, où un grand rapport de réduction est nécessaire, en comparaison avec les engrenages classiques à axes parallèles qui nécessitent normalement deux ou trois étapes pour obtenir les mêmes réductions avec une augmentation conséquente de complexité et du nombre de pièces. L’usure de surface est un des modes de défaillance observés dans la vie des engrenages roues et vis sans fin qui influe sur la portée de contact, les caractéristiques de transmission et le bruit résultant. La première étape de ces travaux est la mise au point d’un modèle numérique pour étudier le comportement quasi statique des engrenages roues et vis sans fin avec une roue en bronze et une vis en acier. Le modèle est basé sur la résolution des équations de compatibilité des déplacements ainsi que sur la méthode des coefficients d’influence. Les effets globaux de flexion et les effets locaux de contact ont été séparés. Les effets de contact ont été obtenus par la théorie de Boussinesq. Les coefficients de flexion sont estimés par la combinaison d’un calcul Éléments Finis et des fonctions d’interpolation, permettant d’une part de prendre en compte l’environnement de l'engrenage (la géométrie des arbres, des jantes et des voiles, l’emplacement des roulements,...) et d’autre part de réduire significativement les temps de calculs. Dans une seconde étape, une méthodologie est proposée pour modéliser l’usure de la surface de dent de la roue. Le modèle de contact quasi-statique de la répartition des charges est combiné avec un modèle d’usure d’Archard. Ce modèle suppose que la profondeur d’usure est directement proportionnelle à la pression de contact et à la distance de glissement et inversement proportionnelle à la dureté du matériau. Cette loi d’usure est modifiée pour prendre en compte l’influence des conditions de lubrification en utilisant un coefficient d’usure local, dépendant de l’épaisseur du film lubrifiant, rapportée à l’amplitude des rugosités des surfaces. L’enlèvement de matière par l’usure du flanc de la roue influe sur la répartition des pressions et donc les modifications de la géométrie des dents doivent être incluses dans la prédiction de l’usure. Le calcul des pressions de contact est ainsi mis à jour pour tenir compte des changements de géométrie. Enfin, pour valider le modèle développé des comparaisons du modèle avec des résultats expérimentaux issus de la bibliographie ont été effectuées.

International audience; Recent developments in powder technology gave birth to a new lubricant – powder lubricant. Compared to liquid lubricant, powder lubricant like graphite powder has several advantages, such as good electrical conductivity and good thermal resistance. Such advantages are especially appreciated in sliding electrical contacts. Thus, the study of the electrical transmission ability of a shearing powder layer under different dy-namical constraints appears to have a great interest. Recent works allowed to model the coupling of mechanical and electrical effects in a discrete medium. This algorithm was extended to study the electrical properties of a shearing powder layer with Discrete Element Method. The mechanical and electrical behaviors of the sample were studied in different dynamical regimes, characterized by the inertial number I. The results exhibit an interesting relationship between the average contact resistance and the inertial number I. An exponential increase of the sample's electrical resistance as well as the induced electrical noise are observed closed to the dense flow limit. Such observations underline the fact that to ensure the electrical transmission ability of the powder layer, one must keep the particle size and shear rate small, and a sufficiently large pressure.

A way to improve both electric and hybrid vehicles is to use high speed motors, operating over than 42.000rpm. The goal is to increase the power density and the efficiency of powertrains. Using these new motors, new gearboxes should be developed. This must be done without generating significant additional cost regarding already mastered low speed solutions. High energy performance level also has to be maintained. This PhD comes before the design phase of a high-speed oil bath lubricated gearbox. It aims to identify the warm-up and power loss problems, and propose ways to improve efficiency. This work proposes a thermomechanical modelling of the gearbox’s first stage, using the thermal network method. This model links power losses with temperatures. Particular attention is paid to high speed bearing modelling. A new thermomechanical model of rolling element bearing is developed. As churning losses being significant at high speeds, a method to greatly reduce this power loss is characterized., Une des voies d’amélioration des véhicules hybrides et électriques est l’utilisation de moteurs tournant plus vite, jusqu’à plus de 42.000tr/min. Le but est d’augmenter la densité de puissance et le rendement des groupes motopropulseurs. Pour utiliser ces moteurs de nouveaux réducteurs mécaniques doivent être développés. Cela doit se faire sans générer de surcoût important face aux solutions utilisées à basse vitesse et en assurant un niveau de performance énergétique élevé. Cette thèse se situe en amont de la phase de conception d’un réducteur haute vitesse lubrifié par barbotage. Elle a pour but d’identifier les problèmes d’échauffement et de pertes de puissance ainsi que de proposer des pistes d’amélioration énergétique. Ce travaille propose la modélisation thermomécanique de l’étage grande vitesse (GV) du réducteur, réalisée à l’aide de la méthode des réseaux thermiques. Ce modèle couple les pertes de puissance avec les températures. Une attention particulière est portée sur la modélisation des roulements de l’arbre GV. Un nouveau modèle thermomécanique de roulement est développé. Les pertes par barbotage deviennent importantes à grande vitesse. Une méthode permettant de fortement les réduire est caractérisée.

Pre-impregnated thermoplastic composites are widely used in the aerospace industry for their excellent mechanical properties, impact resistance and fatigue strength all at lower density than other common materials. In recent years, the automotive industry has shown increasing interest in the manufacturing processes of thermoplastic-matrix composites materials, especially in thermoforming techniques for their rapid cycle times and the possible use of pre-existing equipment. An important step in the prediction of the mechanical properties and technical feasibility of parts with complex geometry is the use of modelling and numerical simulations of these forming processes which can also be capitalized to optimize manufacturing practices.This work offers an approach to the simulation of thermoplastic prepreg composites forming. The proposed model is based on convolution integrals defined under the principles of irreversible thermodynamics and within a hyperelastic framework. The simulation of thermoplastic prepreg forming is achieved by alternate thermal and mechanical analyses. The thermal properties are obtained from a mesoscopic analysis and a homogenization procedure. The comparison of the simulation with an experimental thermoforming of a part representative of automotive applications shows the efficiency of the approach., Les matériaux composites sont largement employés dans le domaine aérospatial grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques, leur résistance aux chocs et à la fatigue, tout en restant plus légers que les matériaux conventionnels. Au cours des dernières années, l'industrie automobile a montré un intérêt croissant pour les procédés de fabrication et de transformation de matériaux composites à matrice thermoplastiques. Cela favorisé par le développement et l'optimisation des procèdes de mise en forme tels que le thermostampage, en vue de la réduction de temps de cycle. La modélisation et la simulation de ce procédé sont des étapes importantes pour la prédiction des propriétés mécaniques et de la faisabilité technique des pièces à géométrie complexe. Elles permettent d'optimiser les paramètres de fabrication et du procédé lui-même. À cette fin, ce travail propose une approche pour la simulation de la mise en forme des matériaux composites préimprégnés thermoplastiques. Un modèle viscohyperélastique avec une dépendance à la température a été proposé dans l'objectif de décrire le comportement du composite thermoplastique à l'état fondu. Et permets de faire des simulations de mise en forme à différentes températures. Au cours cette simulation, des calculs thermiques et mécaniques sont effectués de manière séquentielle afin d'actualiser les propriétés mécaniques avec l'évolution du champ température. L'identification des propriétés thermiques sont obtenues par homogénéisation à partir des analyses au niveau mésoscopique du matériau. La comparaison de la simulation avec le thermoformage expérimental d'une pièce représentative de l'industrie automobile analyse la pertinence de l'approche proposée.

This work will focus on two types of degradation by fretting, wear and damage by degradation of materials properties. An energy wear law will be used to quantify the wear of a coated contact under gross slip conditions. A damage model based on the concept of equivalent strain will be used to study the damage evolution in a coated contact. Analysis of a contact problem requires a robust and fast computation tool. Therefore cyclic wear and cyclic damage simulations can be performed in a short time. To achieve this objective, a contact code based on a semi-analytic method is used. Elementary analytical solutions allow to link the normal and tangential stresses to elastic displacements resulting of the contacting surfaces. These elastic displacements are then expressed by a double product of discrete convolution between the coefficients of influence and solicitations in the contact. The consideration of coating requires the integration of a homogenization model in the contact code. An enrichment technique via the equivalent inclusion method of Eshelby, in which the contribution of one or more inclusions is superposed on the elastic solution, is used. The coating / substrate behavior model can be validated by comparison with results obtained with a model based on the Multigrid techniques. The wear law is then implemented and a wear simulation can now be conducted. Wear simulations are performed for a punch-plane contact under gross slip conditions. Numerical wear results are compared to wear-fretting test conducted by the LTDS. For damage, analytical calculations are first performed to analyze the endommageable behavior under uniaxial cyclic loading. Mazars model is then adapted to the contact problem and implemented. Simulations are then conducted to study the behavior of elastic-damageable contact under fretting loading., Ce travail s’attardera sur deux types de dégradation par fretting, l’usure et l’endommagement par dégradation des propriétés matériaux. Une loi d’usure énergétique sera utilisée pour quantifier l’usure en glissement total d’un contact revêtu. Un modèle d’endommagement basé sur le concept de la déformation équivalente sera utilisé pour étudier l’évolution de l’endommagement dans un contact revêtu. L’analyse d’un problème de contact requiert un outil de calcul à la fois robuste et rapide. Dès lors des simulations d’usure et d’endommagement cyclique peuvent être réalisées en un temps court. Pour atteindre cet objectif, un code de contact basé sur une méthode semi-analytique est utilisé. Des solutions analytiques élémentaires permettent de relier les sollicitations normales et tangentielles aux déplacements élastiques résultants des surfaces en contact. Ces déplacements élastiques sont alors exprimés par un double produit de convolution discret entre des coefficients d’influence et les sollicitations dans le contact. La prise en compte d’un revêtement nécessite l’intégration d’un modèle d’homogénéisation dans le code de contact. Une technique d’enrichissement via la méthode de l’inclusion équivalente d’Eshelby, dans laquelle la contribution d’une ou plusieurs inclusions est superposée à la solution en élasticité, est utilisée. Le modèle de comportement revêtement/substrat peut être validé par comparaison avec les résultats obtenus avec un modèle basé sur les techniques Multigrille. La loi d’usure est ensuite implémentée, et une simulation d’usure est alors entreprise. Des simulations d’usure sont effectuées pour un contact poinçon-plan en glissement total. Les résultats numériques d’usure sont comparés à des essais antérieurs effectués par le LTDS. Pour l’endommagement, des calculs analytiques sont premièrement effectués permettant d’analyser le comportement endommageable sous chargement cyclique uniaxial. Le modèle de Mazars est ensuite adapté au problème de contact et implémenté ; des simulations sont alors menées pour étudier le comportement élasto-endommageable du contact sous chargement de fretting.

Temperature and pressure are two relevant parameters for the optimization of lubrication performance in the elastohydrodynamic lubrication (EHL) regime. To date, various experimental methods have been developed to measure these two parameters with more or less success. In a continuation of these efforts, some investigations are presented in the current work in view of developing a new in situ technique allowing for local measurements of these two parameters throughout elastohydrodynamic (EHD) contacts. This technique exploits the photoluminescence (PL) sensitivity of CdSe/CdS/ZnS quantum dots (QDs) to changes in temperature and pressure. In this respect, calibrations have been carried out in order to establish the sensitivity of these QDs to the two parameters. Moreover, the versatility of these QDs for sensing applications have been examined by testing two different lubricants, namely squalane and a mixture of squalane and cyclopentane. Some measurements were also conducted under dynamic conditions, in order to study (i) the influence of the QDs presence on the lubricant rheology and (ii) the influence of shear rate on the PL of QDs. Although these different tests demonstrated the potential of CdSe/CdS/ZnS QDs, they revealed the existence of other parameters that affect, in addition to temperature and pressure, their response. A comprehensive study was thus conducted in order to elucidate the mechanisms behind these findings. More importantly, a methodology was defined in order to minimize these undesired influences and, in fine, enable these QDs to be used as reliable nanosensors., La température et la pression sont deux paramètres particulièrement importants pour l’optimisation des performances du régime de lubrification élastohydrodynamique (EHL). A ce jour, différentes méthodes expérimentales ont été développées, avec plus ou moins du succès, pour la mesure de ces deux paramètres. Ce travail présente, en continuité de ces approches, des investigations visant à développer une nouvelle technique in situ permettant de mesurer localement ces deux grandeurs dans les contacts élastohydrodynamiques (EHD). Cette technique exploite la sensibilité en photoluminescence (PL) des boîtes quantiques (ou en anglais « quantum dots (QDs)) de CdSe/CdS/ZnS aux variations de température et de pression. A cet égard, des calibrations ont été réalisées afin d’évaluer la sensibilité de ces QDs aux deux paramètres. De plus, la versatilité de ces QDs comme nanosondes a été examinée en testant deux lubrifiants différents : le squalane et un mélange de squalane et de cyclopentane. Des mesures ont été également effectuées sous conditions dynamiques afin d’étudier (i) l’influence de la présence des QDs sur la rhéologie du lubrifiant et (ii) l’influence du taux de cisaillement sur la PL des QDs. Bien que ces différents tests aient prouvé le potentiel des QDs de CdSe/CdS/ZnS, ils ont révélé l’existence d’autres paramètres qui peuvent, tout comme la température et la pression, en modifier la réponse. L’étude a été menée afin d’approfondir la compréhension des mécanismes responsables de tels effets. Plus important encore, une méthodologie a été définie pour minimiser ces effets indésirables, et pour in fine, permettre l’usage de ces QDs en tant que nanosondes fiables.

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This thesis presents an effective method to automatically construct trivariate tensor-product spline models of complicated geometry and arbitrary topology. Our method takes as input a solid model defined by its triangulated boundary. Using cuboid decomposition, an initial polycube approximating the input boundary mesh is built. This polycube serves as the parametric domain of the tensor-product spline representation required for isogeometric analysis. The polycube's nodes and arcs decompose the input model locally into quadrangular patches, and globally into hexahedral domains. Using aligned global parameterization, the nodes are re-positioned and the arcs are re-routed across the surface in a way to achieve low overall patch distortion, and alignment to principal curvature directions and sharp features. The optimization process is based on one of the main contributions of this thesis: a novel way to design cross fields with topological (i.e., imposed singularities) and geometrical (i.e., imposed directions) constraints by solving only sparse linear systems. Based on the optimized polycube and parameterization, compatible B-spline boundary surfaces are reconstructed. Finally, the interior volumetric parameterization is computed using Coon's interpolation and the B-spline surfaces as boundary conditions. This method can be applied to reduced order modeling for parametric studies based on geometrical parameters. For models with the same topology but different geometries, this method allows to have the same representation: i.e., meshes (or parameterizations) with the same topology., Cette thèse présente un algorithme automatique pour la construction d’un modèle NURBS volumique à partir d’un modèle représenté par ses bords (maillages ou splines). Ce type de modèle est indispensable dans le cadre de l’analyse isogéométrique utilisant les NURBS comme fonctions de forme. Le point d’entrée de l’algorithme est une triangulation du bord du modèle. Après deux étapes de décomposition, le modèle est approché par un polycube. Ensuite un paramétrage surfacique entre le bord du modèle et celui du polycube est établi en calculant un paramétrage global aligné à un champ de direction interpolant les directions de courbure principales du modèle. Finalement, le paramétrage volumique est obtenu en se basant sur ce paramétrage surfacique. Dans le contexte des études paramétriques basées sur des paramètres de formes géométriques, cette méthode peut être appliquée aux techniques de réduction de modèles pour obtenir la même représentation pour des objets ayant différentes géométries mais la même topologie.

This thesis is dedicated to the study of torus on plane contacts under various operating conditions. They can be found at the interface between the torus roller-end and the flange in roller bearings. The first challenge of this thesis is to deal with unusual mating geometries. The other challenge is the presence of a complex kinematic which operates in these contacts. In order to further develop the understanding of such a contact, a dual approach (experimental and numerical) is adopted. The Jérotrib test-rig enables a first study, by considering that the élastohydrodynamic torus on plane contact can be modelled by an elliptical equivalent contact. Thanks to a differential colorimetric interferometry method which was improved and adapted during the thesis, precise film thickness measurements are carried out under a rather wide range of operating conditions. A thermo-elastohydrodynamic numerical model is developed and validated by comparing its results to the ones of the test-rig. A numerical study on film forming is then proposed and the role of the contact ellipticity is investigated. The numerical model is improved in order to take into account the actual shape of the solids. A film thickness validation of the model is proposed, thanks to measurements performed on the Tribogyr test-rig. The operating conditions are very similar to the one encountered in actual bearings, and the mating solids have representative geometries: it is an actual torus-on-plane contact. It is demonstrated that the lubricant shearing is responsible for the solids temperature rise, which in its turn, reduces the film thickness. It appears mandatory to be able to predict this global warming of the bodies. It is also demonstrated that the pressure and film thickness distributions lose their symmetry because of the spinning kinematic and the solids shape. However, the behaviour of the torus-on-plane contact appears very similar to the one of an elliptical equivalent contact, apart from some limit cases., Cette thèse est dédiée à l’étude des contacts lubrifiés tore-plan sous diverses conditions. Ces contacts se situent à l’interface entre l’extrémité torique des rouleaux et le collet de la bague dans les roulements à rouleaux. La première complexité de cette étude provient de la géométrie particulière des solides concernés. La deuxième est générée par la cinématique complexe qui règne dans ces contacts. Afin de comprendre les mécanismes physiques à l’œuvre, une approche duale (expérimentale et numérique) est adoptée. Le banc d’essai Jérotrib permet une première étude basée sur l’hypothèse que le contact élastohydrodynamique tore-plan est similaire à un contact elliptique équivalent. Grâce à une méthode d’interférométrie optique en lumière blanche qui a été adaptée aux spécificités du contact en question, des mesures précises de l’épaisseur de film ont été effectuées dans un nombre significatif de conditions. Sur cette base, un modèle numérique thermo-élastohydrodynamique a été validé avec précision. Ce dernier a permis d’étudier les écoulements de fluide à l’entrée du contact afin de mettre en évidence leur influence sur le champ d’épaisseur de film. Le modèle numérique a ensuite été amélioré afin de prendre en compte la vraie forme des solides. Il a été validé en épaisseur de film par le banc d’essai Tribogyr, dans des conditions similaires à celles rencontrées dans les vrais roulements. Il a été montré que le cisaillement du fluide est responsable de l’échauffement des solides, qui diminue par suite l’épaisseur de film : ceci souligne la nécessité de modéliser cet échauffement global pour prédire la séparation des surfaces. Par ailleurs, lors de l’étude, le champ de pression et d’épaisseur de film ont perdu leurs symétries à cause de la cinématique et de la forme des solides. Toutefois, le comportement du contact est resté similaire à celui d’un contact elliptique, en dehors de certains cas limites.

International audience

Mechanical behavior of nickel alloy 690 (NY690) is characterized from 25°C to 1100°C and for a strain rate ranging from 10-4 to 5×10-3s-1. The effects of chromium carbides and grain size (50-150 µm) on the tensile properties of NY690, were studied at 25°C and 750°C. Chromium carbides have negligible influence on the yield stress and on the strain hardening whereas the grain size slightly decreases the yield stress and the hardening rate at room temperature. The grain size has little influence on the strain-hardening but increases the steady-state stress. The dislocation density is the major microstructural parameter governing the mechanical behavior of the alloy for the studied experimental conditions. The Kocks-Mecking-Estrin formalism is adapted to a wide range of temperature and strain rate to predict the mechanical behavior., Dans l’industrie nucléaire, différents composants des réacteurs à eau pressurisée sont soudés par le procédé TIG (Tungsten Inert Gas). Pour obtenir une résistance à la corrosion et une tenue en service suffisante, ces pièces sont réalisées en alliage base nickel NY690. La compréhension des phénomènes physiques impliqués durant le soudage est nécessaire afin de connaître l’évolution de la microstructure et leur influence sur le comportement mécanique. Pour améliorer la qualité des produits soudés, il est crucial de déterminer les contraintes résiduelles après soudage ce qui implique de connaître le comportement mécanique de l’alliage NY690. En effet, le soudage de ces pièces massives dont l’épaisseur est comprise entre 50 et 250 mm nécessite un grand nombre de passes et donc grand nombre de cycles thermo-mécaniques. Pour reproduire ces chargements complexes se produisant dans la zone affectée thermiquement, des essais mécaniques ont été réalisés en utilisant la machine Gleeble 3500 et une machine de traction/torsion MTS-809. Des essais de traction et des essais cycliques ont été réalisés pour différents états microstructuraux à température ambiante et à 750°C. Plus précisément, l’influence de la taille de grain et de la présence des carbures de chrome sur le comportement mécanique a été étudiée dans le but de déterminer les paramètres à prendre en compte pour modéliser le comportement mécanique. Le comportement mécanique en chargement monotone a ensuite été modélisé en fonction de la température et de la vitesse de déformation en utilisant le formalisme de Kocks-Mecking-Estrin. Ce modèle ensuite été implémenté sous Sysweld pour simuler des expériences de soudage.

International audience; An efficient stabilized nonlinear LATIN solver dedicated to frictional cracks in the X-FEM framework is proposed. The performance of such a solver has already been emphasized in detail in a previous paper of Gravouil et al. [Stabilized global–local X-FEM for 3D non-planar frictional crack using relevant meshes, Int. J. Numer. Methods Eng. 88 (2011)1449–1475] Here, an optimization of the search direction of the LATIN solver is proposed. Intrinsic a priori formulas are proposed independently on the friction coefficient, the finite element mesh, the geometry and the boundary conditions. About one hundred thousand of calculations have been carried out in order to show the existence of a unique set of parameters ensuring the optimal convergence rate. The number of iterations required to reach the given level of accuracy is plotted versus two numerical parameters introduced, the search direction k and the stabilization operator . A considerable decrease in the number of iterations and thus in the computing time is obtained, an important condition to carry out with a maximum efficiency of 3D simulations.

Numerical simulation with discrete elements leads to several issues for large-scale problems and long loading times, as for the granular dynamic simulations of the ballasted railway behaviour. To reduce computational costs, we study the use of two strategies: domain decomposition methods and shared-memory parallelisation with OpenMP. An example of a maintenance process, the tamping, on a portion of railway track with seven sleepers, is simulated. La simulation numerique par elements discrets presente des difficultes pour l’etude de problemes de grande taille et en temps de sollicitation long, comme la dynamique des milieux granulaires pour le ballast ferroviaire. Afin de resoudre ce probleme a moindre cout, on propose d’allier deux strategies: la decomposition de domaine (DDM) et le calcul parallele (en memoire partagee avec OpenMP). Un exemple traitant d’un procede de maintenance ferroviaire, le bourrage, sur une portion de voie ballastee de 7 blochets de long est etudie.

The actual contact between solid surfaces is generally rough and time dependent. This roughness can only be correctly described using a 3D model. Moreover, severe thermo-mechanical loading induces high stress and temperature gradients within a thin subsurface layer. Even higher gradients are obtained in the case of surface coatings. Consequently, the problem is strongly multiscale: from contact to coating to roughness, the characteristic dimensions range from millimeter to nanometer. A straightforward discretization of this multiscale problem would exceed the memory and CPU capabilities of current computers. The aim of this work is to propose a more efficient numerical model able to deal with this multiscale problem: using 10 9 points and 10 3 timesteps. This paper traces the history of the numerical solutions of the heat equation from the pioneering work of Carslaw and Jaeger, to the current era. The proposed model is based on multigrid techniques within a finite difference frame work. Localized refinement is implemented to optimize memory and computing time costs. The numerical performance of the solver is presented through a comparison with analytical results using different types of boundary conditions. A multisource contact is studied as a first approximation to real asperity interaction.

Contact fatigue is the predominant mode of failure of components subjected to a repeated contact pressure, like rolling element bearings or gears. This phenomenon is known as rolling contact fatigue (RCF). A large number of models have been developed to predict RCF, but there is today no complete predictive life model, and understanding RCF failure mechanism remains a significant challenge. RCF failure mechanisms are known to be very sensitive to a large number of parameters linked to contact conditions (roughness, lubrication) or materials (inclusions, gradients properties, residual stresses…). To improve knowledge about the influence of these parameters on failure mechanisms and life, a numerical model is developed to simulate the progressive damage of a component subject to rolling contact fatigue. Mechanisms associated with the initiation stage of failure process are located at a scale lower than the macroscopic scale. The proposed approach is to develop a grain level model (mesoscopic scale) in order to focus on initiation mechanisms. A Voronoi tessellation is used to represent the material microstructure. The progressive deterioration is simulated by applying the concept of damage mechanics at grain boundaries represented by cohesive elements. This approach has been first applied to a 2D isotropic model. The numerical behaviour of cohesive elements has been investigated: the influence of cohesive stiffness has been analysed and singularities at the triple junctions has been highlighted. The representativeness of the original model was improved by modelling crystal anisotropy. A cubic elasticity model was used to represent the behaviour of grains. Finally, a thorough analysis of the application of the damage concept at grain boundaries highlighted that the initial formulation results in a very low influence of the damage on the intergranular shear stress. A new formulation leading to a direct influence of the damage on the intergranular shear stress has been proposed. This new formulation has resulted in (i) a change in the distribution of micro-cracks, with coalescence between the different micro-cracks, and (ii) a large increase in the RCF life estimated by the model. The order of magnitude of the number of cycles corresponding to the first micro-cracks is comparable to that given by experiments., La fatigue de contact est un des modes de défaillance prédominants des composants tels que les engrenages ou les roulements. Les mécanismes d’initiation de fissures associés à ce mode de défaillance sont fortement liés à la microstructure du matériau. Cependant, la plupart des modèles utilisés pour prédire la durée de vie se situent à l’échelle macroscopique. Un modèle basé sur une représentation de type Voronoi des grains (échelle mésoscopique) est développé afin d’analyser les mécanismes d’initiation. Le concept d’endommagement est appliqué aux joints de grain modélisés par la méthode des zones cohésives. L’objectif de ce modèle est (i) de contribuer à une meilleure compréhension de l’influence de paramètres tels que ceux liés aux conditions de contact (rugosité, lubrification) ou aux matériaux (présence d’inclusions ou gradients de propriétés et contraintes résiduelles générés par les traitements de surface…) sur les mécanismes d’initiation et (ii) de fournir une estimation de la durée de vie jusqu’à cette initiation. Un premier modèle 2D isotrope a permis de mettre en place l’approche proposée et d’analyser le comportement numérique des éléments cohésifs : influence de la valeur des raideurs cohésives et apparition de singularités aux jonctions triples. Cette singularité semble inévitable, mais l’approche consistant à considérer le joint de grain comme une unique entité, et donc à utiliser des valeurs moyennes le long du joint de grain permet de s’affranchir de cette singularité. La représentativité du modèle a ensuite été améliorée par la modélisation de l’anisotropie cristalline. Un modèle de type élasticité cubique a été utilisé pour modéliser le comportement des grains. Enfin, une analyse approfondie de l’application du concept d’endommagement aux joints de grains a permis de proposer une nouvelle formulation entraînant une influence plus réaliste de cet endommagement sur le cisaillement intergranulaire et conduisant à une durée de vie estimée (apparition des premières micro-fissures) d’un ordre de grandeur comparable à celles données par l’expérience.

Whenever relative motion between two system components occurs, through a dry contact interface, vibrations are induced by the frictional contact. The local dynamics at the contact (ruptures and wave generation) couples with the system dynamics, giving origin to vibrations and affecting the macroscopic frictional behavior of the system. In this thesis, in order to develop an overall approach to the investigation of the multi-physic phenomenon, the energy has been pointed out as a coupling physical characteristic among the several phenomena at the different scales. The formulation of a mechanical energy balance is used for distinguishing between two different dissipative terms, i.e. the dissipation by material/system damping and the dissipation at the contact. The energy flows coming from the frictional surfaces, by friction induced vibrations, excites the dynamic response of the system, and vice versa the influence of the system dynamic response on the local energy dissipation at the contact interface affects the related tribological phenomena. The friction-induced vibrations have been analyzed using three different approaches: the finite element approach, to investigate the coupling between the contact and system dynamics by the analysis of the energy flows; the experimental approach to validate the numerical results and observe the influence of phenomena not still included into the numerical model; a lumped parameter model approach to quickly investigate the effects of the system parameters. The numerical analysis by the 2D finite element model allowed investigating the repartition of the energy introduced into the mechanical system between the two dissipative terms (material damping and contact) during both stable and unstable friction-induced vibrations. In particular, it has been shown how the friction-induced vibrations modify the overall capacity of the system to absorb and dissipate energy; an estimation of the power dissipated at the contact, without considering the dynamic behavior of the system (energy flows by friction induced vibrations) can lead to significant error in the quantification of the dissipated energy at the contact, which affects directly several tribological phenomena. The experimental squeal measurements show how the same unstable modes are recovered both experimentally and numerically, validating the use of the 2D transient simulations for the reproduction of the unstable friction-induced vibrations. Once the energy balance formulated, it has been used on the lumped model to approach the instability over-prediction issue characteristic of the complex eigenvalue analysis. By energy considerations, a newer instability index (MAI) has been defined to compare the different unstable modes and to select the mode that becomes effectively unstable during the transient response. The Modal Absorption Index allows quantifying the capability of each mode to exchange energy with the external environment., Chaque fois que se produit un mouvement relatif entre deux systèmes, avec une interface à contact sec, le contact frottant induit des vibrations. La dynamique locale au contact (ruptures et la génération d'ondes) se couple avec la dynamique du système, donnant origine à des vibrations et affectant le comportement frictionnel macroscopique du système. Dans cette thèse, afin de développer une approche globale pour l'investigation des phénomènes multi-physiques, l'énergie a été utilisée comme une caractéristique physique universelle du couplage. La formulation de un bilan énergétique mécanique est utilisé pour identifier deux termes dissipatifs différents, i.e. la dissipation par amortissement matériel/système et la dissipation au contact. Les flux d'énergie, provenant des surfaces en contact et dus aux vibrations induites par frottement, excitent la réponse dynamique du système et, vice versa, l'influence de la réponse dynamique du système sur la dissipation d'énergie locale à l'interface de contact affecte les phénomènes tribologiques connexes. Dans cette thèse, les vibrations induites par le frottement ont été analysées en utilisant: l'approche par éléments finis pour étudier, par l'analyse des flux d'énergie, le couplage entre le contact et la dynamique du système; l'approche expérimentale pour valider les résultats numériques et observer l'influence des phénomènes pas encore inclus dans les modèles numériques; une approche avec une modèle à paramètres concentrés pour évaluer rapidement les effets des paramètres du système. L'analyse numérique par le modèle éléments finis 2D permet une répartition de l’énergie introduite dans le système mécanique entre les deux termes dissipatifs (amortissement matériau et contact), au cours de la réponse transitoire aussi bien en conditions stables qu’instables. En particulier, les vibrations induites par frottement modifient la capacité globale du système à absorber et dissiper l’énergie; une estimation de la puissance dissipée au contact, sans prendre en compte le comportement dynamique du système (flux d’énergie par les vibrations induites par frottement) peut conduire à des erreurs significatives dans la quantification de l’énergie dissipée au contact, ce qui affecte directement plusieurs phénomènes tribologiques. Les mesures expérimentales de crissement montrent comment les mêmes modes instables sont reproduits soit expérimentalement soit numériquement, validant l’utilisation de la simulation 2D transitoires pour l’analyse des vibrations instables induites par le frottement. L’équilibre énergétique a été utilisé sur le modèle à paramétrés concentrés, pour approcher le problème de la surestimation d’instabilité, qui est caractéristique d’une analyse des valeurs propres complexes. Un nouvel indice d’instabilité (MAI) a été défini, par des considérations énergétiques, pour comparer les différents modes instables et pour sélectionner le mode qui devient effectivement instable pendant le crissement.

The present PhD thesis deals with contact problems between heterogeneous materials. Nowadays heterogeneous materials are extensively used in several industrial domains (automotive, aeronautics, aerospace, ...). Heterogeneous materials involve porous materials, aluminum alloys, composites materials (woven composites, interlocks 3D, interlocks 2D), metallic or ceramics materials containing impurities (porosities/precipitates). In this work, a contact model based on semi-analytical method is proposed. A conjugate gradient algorithm is used for a fast resolution of contact equations. The model can account for one or more isotropic/anisotropic inhomogeneities. An approach taking inspiration from the Eshelby equivalent inclusion method is used in the contact solver to account for the effect of inhomogeneities. 2D and 3D Fast Fourier Transforms (FFT) are used to speed up the computation. A numerical method is implemented in order to take into account interactions between many heterogeneities. The semi-infinite space/ matrix can be either elastic or visco-elastic. The model developed in the present PhD thesis can solve indentation, rolling/sliding or fretting contact problems between heterogeneous elastic materials, homogeneous or heterogeneous visco-elactic materials. In the case of visco-elastic materials, the model permits to get the solution in terms of contact pressure distribution, subsurface stresses, apparent friction coefficient, both in the transient and then steady-state regimes. The model has been validated by performing a comparison with the results of a finite element model. The CPU time and memory necessary are greatly reduced in comparison with the classical finite element method. The model developed is fast, robust and extremely easy to use. An original experimental approach was proposed in order to measure the displacement fields at interface of two contacting bodies. A good agreement between experimental results and numerical simulations is obtained. Finally, the model is applied on some industrial applications. A coupling between a finite element model and the semi-analytical code allow to take into account the effects of structure on contact problem., Cette thèse s'intéresse à la problématique du contact entre matériaux hétérogènes. L'industrie (automobile, aéronautique, spatiale, ...) s'intéresse de plus en plus à ces types de matériaux. Il s'agira par exemple des alliages métalliques, des matériaux poreux, matériaux composites (composites tissés, interlocks 3D, interlocks 2D), des billes céramiques contenant des impuretés (porosités/précipités),... Dans ce manuscrit, un modèle de contact basé sur les méthodes semi-analytiques a été développé. Un algorithme de gradient conjugué est utilisé afin de résoudre rapidement le problème de contact. Le modèle permet de prendre en compte la présence d'une ou de plusieurs hétérogénéités isotropes/anisotropes dans le problème de contact. Une approche inspirée de la méthode de l'inclusion équivalente proposée par Eshelby est utilisée dans le solveur de contact pour prendre en compte l'effet de ces hétérogénéités. Les méthodes de transformées de Fourier rapides (FFT) permettent d'accélérer les calculs. Une méthode numérique a été mise en œuvre afin de prendre en compte l'interaction entre plusieurs hétérogénéités. Le massif peut être élastique ou viscoélastique. L'approche développée dans la thèse peut résoudre à la fois les problèmes d'indentation, de roulement/glissement ou de fretting en présence de matériaux élastiques hétérogènes, viscoélastiques homogènes ou hétérogènes. Les solutions sont données en termes de champs de pressions, de cisaillements et de contraintes. Dans le cas des matériaux viscoélastiques le code de calcul est capable de fournir le coefficient de frottement apparent ainsi que toutes les variables de contact aussi bien en régime permanent que transitoire. Le modèle a été validé par comparaison avec la méthode des éléments finis classiques en utilisant le logiciel commercial Abaqus v6.11. Le temps de calcul ainsi que l'espace mémoire nécessaire sont considérablement réduits par rapport à la méthode éléments finis. La parallélisation a été introduite dans le code de contact afin de réduire toujours plus le temps de calcul. Il s'agit d'un code robuste, rapide et facilement utilisable en Bureau d'Etudes. Une approche expérimentale originale a été mise en place afin de mesurer les champs de déplacements à l'interface des corps en contact. De bonnes corrélations essais/calculs ont été obtenues. Enfin quelques applications industrielles ont été présentées. Un couplage entre un code éléments finis structurel et le code semi-analytique de résolution de contact a été également réalisé.

International audience; A 2D X-FEM/LATIN numerical model (eXtended Finite Element Method/Large Time Increment method) is proposed in this paper for the analysis of fretting fatigue problems and the simulation of the crack propagation under such loadings. The half-analytical two-body contact analysis allows to capture accurately the pressure and the cyclic tractions exerted at the interface that induce non-proportional multi-axial loading. These distributions are then used as input data for determining critical location for crack initiation and crack inclination based on Dang Van's criterion. The frictional contact conditions of the fretting fatigue cracks have an important impact on the crack behaviour. In this respect, contact with friction between the crack faces is finely modeled within the X-FEM frame. The obtained results are compared and validated with a half-analytical reference model. The numerical simulations reveal the robustness and the efficiency of the proposed approach for a wide range of fretting loadings and friction coefficients values along crack faces. The crack growth directions are then predicted accurately based on the use of criteria adapted to multi-axial non-proportional fatigue. Four cases dealing with crack propagation are then presented. It is shown how the crack length, the tangential loading modify the crack path during the propagation process.

International audience; Tribo-electrochemical behavior in physiological solution of two β-type (100-x)(Ti-45Nb)-xGa (x = 4, 8 wt%) alloys, alongside β-Ti-45Nb and medical grade Ti-6Al-4V ELI, was investigated. Microstructure and mechanical behavior were evaluated by X-ray diffraction, microhardness and ultrasonic method. Tribocorrosion tests (open circuit potential, anodic potentiostatic tests) were performed using a reciprocating pin-on-disk tribometer under constant load. Degradation mechanisms are similar for the alloys: plastic deformation, delamination, abrasive and adhesive wear. Among the β-Ti-Nb alloys, an improved wear resistance with lower damage was remarked for β-92(Ti-45Nb)-8Ga alloy, attributed to increased microhardness. Content of Ga3+ ions released in the test solutions were found to be in very low amounts (few ppb). Addition of Ga to Ti-45Nb resulted in improved corrosion resistance under mechanical loading.

International audience; In the frame of its research work on nuclear fuel safety, the French “Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire” (IRSN) has highlighted the importance of cladding tube oxidation on its thermomechanical behavior. The occurrence of radial cracking and spallation has been observed as the main mechanisms for the zirconia layer degradation during transient experiments. A study of these two mechanisms has been jointly launched by IRSN and Areva-NP. Thus laboratory air oxidations of fully recrystallized or stress-relieved low-tin Zircaloy-4 cladding tubes have been performed. Representative oxide layer thicknesses varying from 10 to 100 0m have been obtained. SEM micrographs of the obtained oxidised samples show that short circumferential cracks are periodically distributed in the oxide thickness. For specimens with oxide film thickness greater than 30 0m, radial cracks are initiated from the outer surface of the oxide layer and propagated radially. Veins characterised by the lack of circumferentially orientated crack are evidenced. All these phenomena are mainly linked to high compressive stress levels in the zirconia layer. A model describing the stress evolution in the oxide and in the cladding has been developed. This model takes into account the influence of elasticity, cladding creep, oxide growth and thermal expansion. Deflection tests data [15] are used to calibrate the oxide growth modelling. The model enables the evaluation of strain or stress profile in the oxide layer and in the base metal. Numerical results are in good agreement with a large set of axial and circumferential strains measurements. Further a better understanding of cracking mechanisms is achieved considering the good agreement between experimental and numerical analysis.

International audience; The development and selection of coatings or coating combinations is a complex and costly task. Numerical simulations provide a great help to analyze the behavior of coatings and layer interfaces under mechanical and thermal loading through the computation of stress and strain fields. They are also used to fine tune the geometrical configuration and define optimal thermo-mechanical properties related to the applied stress to enhance wear and crack resistance. Coating design has been based mainly on discrete layer models with abruptly changing properties at interface perfectly bonded to a substrate. These assumptions result in discontinuities in stress and temperature fields at the interface between successive layers. These models are based either on integral transform (classically Fourier transform) or finite element (FE) methods. The former cannot handle 3D thermo-mechanical problems. The latter demands huge calculation times, especially when considering thin layers with very small elements. The aim of this paper is to account for materials with continuously changing properties and to obtain an improved prediction of the resistance of such graded materials. This gradation may be linked to surface treatments like nitruration, thermal treatment, or to the deposition of coatings inducing diffuse boundaries between those dissimilar materials. The proposed model aims at providing valuable description and understanding of the behavior and resistance of such graded material. It is based on a second order finite difference (FD) formulation of the continuous thermal and elasticity equations. It can handle any kind of depth dependence of the material properties. Multigrid techniques are implemented to accelerate the convergence, reduce CPU time and thus permit the use of fine grids to accurately describe the variation in the material properties. The first step of this project consists in implementing the above-cited numerical techniques in a 2D plane strain model.

The failure of the mechanical parts is very often initiated by a surface defects. Consequently, the generation of compressive residual stresses on mechanical parts by introducing a heterogeneous plastic strain improves the resistance to fatigue and increases the lifetime of the parts. Among the processes making it possible to introduce residual stresses into the parts, the laser shock peening is more interesting for several reasons. On the one hand, it makes it possible to produce pressures on the surface of material of about 1 to 6 going GPa over short pulse times from 3 to 30 nanoseconds. In addition, he gives the opportunity of introducing residual stresses of compression on a certain depth while preserving the initial state of the treated part. The numerical simulation becomes necessary to determine the best physical phenomena involved. Thus, the semi-analytical method offers a lot of advantages, in particular the simplicity of the models and the computation times saving. This method was never extended to the dynamic problems. In this thesis the semi-analytical method was extended to the dynamic problems and the model implemented is applied for the simulation of the Laser process of shock., La défaillance des pièces mécaniques est très souvent initiée par un défaut de surface. Par conséquent, la génération de contraintes résiduelles compressives sur des pièces mécaniques via une déformation plastique hétérogène améliore la tenue en fatigue et augmente la durée de vie des pièces. Parmi les procédés permettant d'introduire des contraintes résiduelles dans les pièces, le traitement par choc laser est plus intéressant à plusieurs titres. D'une part, il permet de produire des pressions en surface du matériau de l'ordre de 1 à 6 GPa sur de courtes durées d'impulsion allant de 3 à 30 nanosecondes. D'autre part, il offre la possibilité d'introduire des contraintes résiduelles de compression sur une certaine profondeur tout en conservant l'état initial de la pièce traitée. Ainsi, les simulations numériques par réalisation de modèles simples permettent de cerner les physiques mises en jeux. Dans cette perspective, la méthode semi-analytique offre d'énormes avantages, notamment la simplicité des modèles et la réduction des temps de calcul. Cependant, cette méthode n’a jamais été étendue aux problème dynamiques. Dans cette thèse la méthode semi-analytique a été étendue aux problèmes dynamiques et le modèle mis en place été appliqué pour la simulation du procédé de choc Laser

Isogeometric analysis applied to structural mechanics problems is a topic of intense concerns for a decade. Indeed, an exact description of geometries studied is allowed by this discretization method suppressing errors due to a bad description of the spatial domain considered. However, a theoretical problem of refinement propagation appears during mesh localization. Local refinement methods for isogeometric analysis has been developed and implied a complexification of the implementation of such a resolution strategy. This PhD thesis expose a space adaptative refinement strategy for linear elastic problems and a space-time one for transient dynamic using isogeometric analysis. For this purpose, a localization method for isogeometric analysis based on a multigrid resolution is developed for 2D linear elastic problems. This method allow to circumvent mesh refinement propagation inherent to isogeometric analysis, and is easier to implement than existing methods. Moreover, the use of isogeometric analysis simplifies refinement procedures occuring during mesh adaptation and which can be really complex using classical finite element analysis. Then, a space-time adaptative refinement based on a multigrid resolution is developed for one dimensional in space problems. A study on operators structure is exposed in order to choose a well suited time integrator. This strategy's performances are highlighted, then an evolution of this method is set up in order to lower computational costs. The space-time adaptaptive refinement is applied to some academical examples to show it good behavior during localization., L’analyse isogéométrique pour la résolution de problèmes de la mécanique du solide suscite de vifs intérêts depuis une dizaine d’année. En effet, cette méthode de discrétisation autorise la description exacte des géométries étudiées permettant ainsi de supprimer les erreurs dues à une mauvaise description du domaine spatial étudié. Cependant elle pose un problème théorique de propagation de raffinement lors de la localisation de maillage. Des méthodes pour contourner ce problème ont été proposée dans la littérature mais complexifient grandement la mise en œuvre de cette stratégie de résolution. Cette thèse propose une stratégie de raffinement localisé adaptatif en espace pour les problèmes de statique et en espace temps pour les problèmes de dynamique transitoire dans le cadre de l’analyse isogéométrique. Pour cela une méthode de localisation pour l’analyse isogéométrique en statique basée sur une résolution multigrille est tout d’abord développée pour des problèmes en deux dimensions. Elle présente l’avantage de contourner la problématique de propagation de raffinement de maillage due à l’analyse isogéométrique tout en étant plus simple à mettre en œuvre que les méthodes déjà existantes. De plus, l’utilisation de l’analyse isogéométrique permet de simplifier les procédures de raffinement lors de l’adaptation de maillage qui peuvent être complexes lors de l’utilisationd’éléments finis classiques. Une méthode de raffinement adaptatif espace temps basée sur une résolution multigrille est ensuite développée pour des problèmes en une dimension. Une étude sur la structure des opérateurs est proposée afin de choisir un intégrateur temporel adapté. Les performances de cette stratégies sont mises en évidence, puis une modification de la méthode de résolution est proposée afin de diminuer significativement les coûts de calculs associées à cette résolution. La méthode de raffinement adaptatif espace temps est appliquée à quelques exemples académiques afin de valider son bon comportement lors de la localisation.