UPThèses

Les joints à brosse sont des joints compliants utilisés dans les turbomachines. Ils sont constitués d'une brosse de fils très fins compactés entre deux plaques, de telle manière que l'ensemble comble l'écart séparant le stator du rotor. Les fils sont le plus souvent constitués d'un alliage à base de cobalt appelé Haynes 25 (d'autres matériaux peuvent être utilisés, tels que le Kevlar). Le comportement de ces joints présente un fort couplage entre l'écoulement du fluide et la déformation de la brosse. Ce type de joints peut être modélisé en considérant la brosse comme un milieu poreux. Cette méthode présente l'avantage de permettre un calcul relativement simple de l'écoulement, mais elle demande l'usage de données expérimentales afin de calibrer ses perméabilités (i.e. sa capacité à laisser un fluide s'écouler à travers lui). L'objectif de cette thèse est de proposer une modélisation par milieu poreux indépendante des données expérimentales. Une simulation itérative entre le calcul de la déformation des fils sous l'action des efforts de pression et la résolution de l'écoulement dans le milieu poreux formé par la brosse déformée a été mise au point. Elle repose sur le calcul numérique des perméabilités obtenues à partir de la perte de charge générée par un réseau de cylindres représentatifs de la brosse. Des joints de faible diamètre en Haynes 25 ont été testés avec de l'air afin de vérifier la validité des résultats donnés par la simulation. L'évolution du débit avec la différence de pression et avec l'interférence des joints avec le rotor a été étudiée. Les déplacements du rotor et la température des joints ont été suivis durant les essais.

Les milieux poreux font partie des formations géologiques assez répandue dans la nature et son sujet d'études intensives. L'engouement de ce sujet vient des multiples secteurs d'applications de ces recherches et leur importance dans notre société. Que ce soit de la part des sociétés pétrolières qui souhaitent optimiser leurs moyens de productions, les agences de contrôles environnementaux qui veulent prévenir la contamination de nappe phréatique et la fuite de déchets nucléaires ou encore des industriels avec des problèmes de drainages et de réhabilitation de mines, tous ces acteurs dépendent des recherches faites dans ce domaine. Cependant, un des principaux problèmes de ce sujet est l'inaccessibilité des milieux que nous voulons étudier. Pour palier à cela de nombreuses équipes se sont tournées vers la simulation numérique. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre et utilise le module PARADIS du logiciel d'hydrogéologie H2olab pour modéliser le transport de particules dans des milieux poreux fortement hétérogènes. Grâce aux données obtenues et à des comparaisons avec la littérature nous montrerons l'effet du passage au 3D sur la topologie de l'écoulement et les répercussions sur le transport de particules ainsi que l'effet de la diffusion moléculaire sur les coefficients de macro-dispersion. Enfin nous proposerons deux lois de transport reliant macrodispersion, variance du champ de perméabilité et diffusion moléculaire.

Ce mémoire s'inscrit dans l'étude du comportement tribologique d'un couple de matériaux ferromagnétique acier XC48 en contact mécanique et magnétique à sec. Le but consiste à identifier les effets liés à la présence ou à l'absence d’un champ magnétique au niveau de l'interface de contact statique et de contact glissant. La première étape a été d'établir des équations de contraintes qui régissent la réponse linéaire, ponctuelle et surfacique des solides sous chargements donnés, en utilisant des modèles développés dans la théorie d'élasticité. Elles ont ensuite été simulées sous Mathématica pour obtenir des résultats analytiques des champs de contraintes en sub-surfaces. Dans la deuxième étape, des essais par contact sec effectués au moyen d'un tribomètre du type pion-disque nous révèlent une augmentation du coefficient de frottement avec le champ magnétique sur le tribocontact. L'analyse en diffraction des rayons X montre que les débris d'usures lors des essais avec champ magnétique comportent la présence d'oxyde de fer. La caractérisation en microscopie électronique à balayage et en profilométrie du matériau usé met en évidence l'état de la sub-surface avec modification de la structure des grains et une présence d'usure douce due aux essais avec champ magnétique. La mesure en photoélasticimétrie montre l'influence du champ magnétique sur les champs de contraintes. En faisant varier les paramètres cinématiques de l'essai sur notre modèle numérique, nous observons une augmentation des champs contraintes. Ces paramètres mécaniques, magnétiques et physico-chimiques sont complexes et l'étude contribue à comprendre ces problématiques liées au frottement sec.

Lors de diverses opérations de maintenance, des dégradations au niveau des rotors et des organes de supportage du groupe turbo-alternateur ont pu être constatées. Celles-ci se traduisent souvent par la présence de rayures au niveau des paliers hydrodynamiques, synonymes de fortes discontinuités dans le film d'huile. C'est dans ce contexte que s'inscrivent ces travaux de thèse. L'objectif est d'avoir une meilleure compréhension et prédiction de leur impact sur le fonctionnement du palier. Pour cela, les paliers à géométrie fixe sont étudiés théoriquement et expérimentalement. L'étude théorique présente un modèle de résolution en régime thermoélastohydrodynamique (TEHD) permettant de prendre en compte les déformations introduites par les champs de pression et de température. Le développement d'un code capable de faire des calculs en régime hydrodynamique (HD) pour des paliers à géométrie fixe a été réalisé. L'étude expérimentale permet d'étudier le comportement d'un palier à deux lobes symétriques pour diverses positions et profondeurs de rayure placée sur l'arbre. Pour tous les cas, différentes configurations de charge et de vitesses sont testées, 25 au total. Les résultats obtenus pour les cas rayés permettent de mettre en avant l'importance de la profondeur de la rayure sur le comportement du palier. Pour les cas de fonctionnement réalisés, il apparaît que les champs de pression sont plus fortement impactés par la présence d'une rayure que les champs de température. Ces résultats sont comparés à ceux obtenus par le calcul avec l'utilisation d'un code interne à EDF qui permet la résolution de problèmes en régime TEHD.

Le travail présenté s'intéresse à la problématique générale de la mise en oeuvre de mains robotiques à haut niveau de dextérité. Dans ce contexte, nous nous intéressons à la synthèse de prise d'objets en prenant en compte les contraintes propres à la tâche de manipulation visée. La manière dont l'objet est saisi a une importance capitale sur le bon déroulement d'une tâche. Le développement d'algorithmes capables de générer automatiquement des prises optimales implique avant tout la nécessité de définir la notion de prise optimale au regard de la tâche cible. Pour répondre à ce problème, la communauté scientifique propose dans la littérature de nombreux critères de qualité et continue à en développer de nouveaux. Dans cette thèse, nous présentons une extension des travaux proposés avec une étude approfondie de ces critères dans le cadre de la manipulation dextre. Ces critères sont évalués avec une main robotique entièrement actionnée à quatre doigts et seize articulations. Nous quantifions l'efficacité de ces critères dans le cadre de la réalisation de tâches de manipulation fine avec trois types d'objets spécifiques. Deux groupes de critères sont étudiés : d'une part des critères s'appuyant uniquement sur la position des points de contact, et, d'autre part, des critères prenant en compte la cinématique du préhenseur. Cette étude nous a permis de sélectionner un ensemble de critères pertinents pour résoudre le problème de synthèse de prise que nous avons mis en oeuvre dans un processus basé sur une approche évolutionnaire. Cette approche a été validée dans l'environnement de simulation OpenRAVE, puis expérimentalement avec la nouvelle main RoBioSS.

Le silicium obtenu par croissance cristalline de lingots massifs est l'une des matière les plus utilisées dans l'industrie du photovoltaïque (PV) en tant que substrat. Des contraintes résiduelles faibles apparaissent durant les procédés thermiques et mécaniques de fabrications. Malgré leurs faibles intensités, ces contraintes sont néfastes et induisent des casses importantes durant la mise en forme et la mise en fonctionnement des cellules solaires. Le but de l'étude est de caractériser ces contraintes résiduelles. La photoélasticimétrie infrarouge est une méthode adaptée pour déterminer ces champs de contraintes de quelques MPa de façon non-destructive, sans contact et in-situ à l'échelle du substrat. Un dispositif spécifique a été développé afin de mener à bien l'étude. Les origines des contraintes résiduelles ont été mises en relation avec les différents procédés de fabrication.

Dans le cadre du projet européen Clean Sky, Snecma construit un démonstrateur de Contra Rotating Open Rotor (CROR). La conception du système de régulation du moteur nécessite d'avoir connaissance du comportement aérodynamique de chacune des hélices du doublet. Les objectifs de cette thèse sont dans un premier temps de comprendre les interactions entre les différents éléments constitutifs d'un CROR ayant un effet sur les performances des hélices, d'isoler leurs contributions respectives et dans un deuxième temps de développer un modèle prédictif des performances individuelles des hélices d'un CROR intégrable dans un environnement de calcul de cycles thermodynamiques. Pour cela, le comportement des hélices en doublet est rapproché de celui d'hélices isolées dont les effets macroscopiques sont bien connus. Des calculs Euler et NS3D ont servi de base pour proposer un couplage entre les hélices isolées permettant de retrouver le champ de vitesses induits entre les hélices d'un calcul doublet. Pour respecter les exigences de rapidité d'exécution et de robustesse numérique imposées par l’environnement de calcul de cycles thermodynamiques, les performances individuelles des hélices du doublet sont calculées à partir de champs hélice isolée. Une approche monodimensionnelle permet de calculer les vitesses induites propres des hélices à partir de la traction et de la puissance absorbée et une méthode pour estimer les vitesses induites mutuelles à partir des vitesses induites propres est donnée. Le calcul des performances individuelles des hélices d'un doublet contrarotatif est itératif. Cette méthode estime les performances avec une erreur relative inférieure à 5%. Elle est utilisée dans le développement du système de régulation du démonstrateur CROR SAGE2.

Ce mémoire présente une étude expérimentale des effets de confinement de la voie d'eau et de courant sur les sillages et la résistance à l'avancement des navires. Deux formes de carènes génériques et représentatives de navires maritimes et fluviaux ont fait l'objet de mesures dans le bassin des carènes de l'Institut Pprime dans différentes configurations bathymétriques. Des méthodes de mesure de déformée de surface libre par moyens optiques stéréoscopiques ont été mises en place pour caractériser les sillages générés. L'étendue spatiale et la résolution des mesures optiques permet de mener une analyse fine du sillage dans l'espace spectral, afin de le décomposer en une composante hydrodynamique dans le champ proche de la carène et une composante ondulatoire dans le champ lointain. Les résultats obtenus dans une configuration de voie d'eau profonde mettent en évidence la non-linéarité des sillages. Les résultats obtenus dans une configuration de voie d'eau peu profonde mettent en avant une modification de la forme des sillages et une répartition différente de l'énergie entre les différents systèmes de vagues. L'influence de la forme et de la vitesse des navires sur l'amplitude de la réponse hydrodynamique et du courant de retour est mise en avant. Des mesures en présence de contre-courant montrent une augmentation de l'amplitude des vagues du sillage et un élargissement de la zone de réflexion au niveau des parois du canal. Des mesures de forces de traînée avec un dynamomètre donnent accès aux courbes de résistance dans chaque configuration. L'augmentation de la résistance à l'avancement en eau peu profonde est mise en parallèle avec l'augmentation de l'amplitude et de la longueur d'onde des ondes transverses.

Le travail mené dans cette thèse est une contribution au développement mécatronique d'interfaces haptiques pour un système de télé-opération dédié aux applications médicales du type chirurgie mini-invasive. Dans un premier temps, nous avons mené une évaluation d'une interface « maître » existante, ayant une architecture parallèle sphérique et développée au sein de l'équipe robotique de l'Institut PPRIME. Cette évaluation a montré la présence de singularités, en particulier des singularités parallèles, à l'intérieur de l'espace du travail de l'interface. La présence de singularités altère le comportement cinématique en amplifiant les erreurs de résolution du modèle géométrique direct d'une part et les couples actionneurs lors du retour d'effort d'autre part. Dans un deuxième temps, différentes approches ont été proposées pour résoudre les problèmes liés à la présence des singularités. La première approche a consisté à utiliser la redondance de capteurs et la redondance d'actionneurs pour palier à ces effets dans la structure existante. Dans la seconde approche, nous avons proposé une nouvelle architecture mécanique optimale qui élimine les singularités présentent dans l'espace de travail. Les résultats obtenus, avec cette nouvelle structure à travers les essais expérimentaux réalisés sur le prototype, sont conformes aux objectifs fixés. Les deux interfaces haptiques ont été utilisées pour contrôler avec succès un robot dédié à la chirurgie mini-invasive. Le comportement du système global « robot esclave interface haptique » ouvre des perspectives prometteuses aussi bien pour de futures études scientifiques que pour un transfert industriel.

Le joint à rainures hélicoïdales (JRH) est l'une des solutions techniques d'étanchéité sans contact utilisées dans les machines tournantes. Ce dispositif est conçu pour des applications bien particulières qui nécessitent une durée de vie et une non-tolérance aux fuites au-delà des limites que peuvent satisfaire les joints à contact. Le JRH est caractérisé par l'absence d'usure due au jeu radiale nettement supérieure aux amplitudes des aspérités et les défauts de fabrication. L'étanchéité est obtenue grâce aux rainures hélicoïdales présentes sur l'une des ses surfaces internes. Ces rainures sont à l'origine de phénomènes hydrodynamiques synthétisant un débit de pompage de même ordre que le débit de fuite. Dans ce travail, un modèle numérique pour le calcul d'étanchéité dans les JRH est proposé. Basé sur la théorie des films minces, le comportement de ce dernier est déterminé par le calcul du champ de pression et du remplissage qui satisfont l'Equation de Reynolds Modifiée (ERM). Cette dernière permet de bien gérer les frontières de rupture et de reformation du film. La résolution est faite par la méthode des éléments finis. La caractérisation du pouvoir d'étanchéité du JRH est faite par « la longueur utile » qui spécifie largeur, dans la direction axiale, de la zone occupée par le fluide lorsque l'étanchéité s'établisse. Cette étendue du domaine étant une inconnue du problème, on itère sur la longueur du joint jusqu'à l'obtention d'un débit axial nul sur le bord. Néanmoins, l'étanchéité dans le JRH dépend d'un certain nombre de paramètres géométriques et de fonctionnement. Il s'agit de la forme des rainures, leurs inclinaisons ainsi que la vitesse de rotation. Tout d'abord, une géométrie optimale de fonctionnement a été déterminée. Les aspects turbulents de l'écoulement et le comportement thermique, selon un bilan thermique global, sont également étudiés. Enfin, l'introduction des effets d'excentricité a permis de statuer sur les phénomènes dynamiques dans le JRH.