UPThèses

Bien qu’un consensus sur les conséquences du balancement des bras dans la marche humaine semble s’établir, ce n’est pas encore le cas pour ses causes. Ceci est principalement dû à la difficulté de dissocier les parties passives et actives de la génération du balancement des bras, notamment liée à la complexité de l’identification des paramètres nécessaires à la modélisation du corps humain. L’hypothèse que l’étude de la bipédie d’un robot humanoïde, plus simple, pourrait apporter des éléments de réponse à la problématique est le point de départ de cette thèse. Par ailleurs, une optimisation dimensionnelle des bras des robots humanoïdes permettrait d’améliorer la performance dynamique de leur marche et constituerait une aide à la conception. La conduite de ces deux études nécessite de disposer d’un modèle de dynamique directe et inverse permettant la modification à la volée des paramètres inertiels et géométriques afin de pouvoir qualifier leurs impacts. Compte tenu de son utilisation dans les contextes d’identification et d’optimisation, l’évaluation d’un tel modèle doit être la plus rapide possible pour considérer de grands nombres de configurations dans des temps de simulation raisonnables et ainsi pouvoir accorder de la confiance aux valeurs obtenues. Un algorithme de génération de modèles dynamiques symboliques pour les structures polyarticulées ouvertes répondant à ces exigences a donc été écrit et testé sur plusieurs exemples dont deux sont présentés dans cette thèse : • La figure du passement filé effectuée par une gymnaste à la barre, dont la réalisation est très sensible à la finesse du modèle et à la précision des calculs, afin d’évaluer la fidélité du modèle en comparaison à une référence mesurée optoélectroniquement. • La marche du robot humanoïde ORHRO, équipé en simulation de bras aux paramètres modifiables, afin d’étudier le balancement des bras généré passivement par le déplacement de la partie locomotrice ainsi que l’impact de ce balancement sur des critères de stabilité et de déterminer les valeurs optimales des paramètres de conception. Cet algorithme de modélisation dynamique d’arborescence a montré son efficacité à modéliser et simuler des mouvements dynamiques sur des architectures complexes et variées permettant son utilisation dans la synthèse de mouvement et l’optimisation dimensionnelle de mécanismes.

Lorsque deux matériaux sont frottés l’un contre l’autre ou simplement mis en contact, ils acquièrent chacun une charge électrique de signes opposés. Ce mécanisme d’acquisition de charge, connu depuis l’antiquité et portant le nom de triboélectricité, n’est toujours pas totalement maitrisé. Différentes explications et plusieurs théories et hypothèses contradictoires existent. C’est pour cela que les recherches sur ce sujet doivent toujours continuer et essayer d’élucider plusieurs mystères et répondre à différentes questions qui persistent autour de la triboélectrification. Le travail mené dans le cadre de cette thèse de doctorat a eu comme un de ses objectif l'étude de l'influence de différents facteurs (temps de traitement, épaisseur du diélectrique, distance inter-électrodes...etc.) de la décharge à barrière diélectrique (DBD) sur l'évolution de la rugosité de surface de plaques de polypropylène exposées à un plasma froid. Ce travail a visé également à mettre en évidence les corrélations qui pourraient exister entre la modification de la rugosité et le potentiel électrique généré par effet triboélectrique à la surface du polypropylène traité par DBD atmosphérique. En effet, le traitement DBD a une influence directe sur la rugosité et sur le potentiel électrique de surface : l'exposition au plasma froid conduit à une surface plus rugueuse, qui se charge mieux par effet triboélectrique que la surface initiale. L’influence de l’humidité ambiante sur le comportement triboélectrique des polymères a également été étudiée, confirmant son influence sur le niveau de charge ainsi que son signe.

Le tir à l’arc olympique est une discipline où la performance dépend d’une multitude de paramètres comprenant le matériel, l’archer et l’environnement. Outre l’influence des conditions extérieures qu’un archer peut juste minimiser, la maîtrise de l’équipement et du geste lui permet d’être précis et répétable, deux qualités indispensables à haut niveau. Le travail réalisé s’articule donc autour du matériel composé d’un arc et de flèches, qui une fois caractérisés, sera suivi par une étude biomécanique sur des archers entraînés. Pour commencer, les propriétés mécaniques des branches d’arc utilisées par des archers membres du Pôle France de tir à l’arc sont mesurées à l’aide d’un banc d’essai afin d’identifier celles qui sont les plus efficientes et permettent d’emmagasiner le plus d’énergie potentielle. Ensuite, un deuxième banc de mesure permet la caractérisation des tubes de flèches, qui une fois montées sont tirées à l’aide d’une machine de tir, s’affranchissant ainsi de la variabilité liée à l’humain. L’influence de chacune de propriétés mécaniques des futs sur leur position finale en cible à la distance olympique de 70 mètres a pu alors être étudiée, conduisant à l’amélioration du processus de sélection des futs pour le compte des archers de l’équipe de France. Enfin, sachant que le lâcher de la corde est une perturbation volontaire de l’équilibre postural établi par les archers pendant la phase de visée, une étude a porté sur le lien entre la performance et les ajustements posturaux anticipés au tir à l’arc. L’existence de tels ajustements a pu être observé aussi bien chez des archers experts membres de l’équipe de France olympique, que chez des archers plus jeunes pensionnaires du Pôle France Relève de Bordeaux, avec des différences néanmoins sur leur instant de déclenchement, témoins de deux stratégies temporelles distinctes. Cette thèse CIFRE réalisée en lien étroit avec la Fédération Française de tir à l’arc vise alors l’amélioration de la performance des archers élites, en optimisant la sélection de leur matériel, puis à mettre en exergue un mécanisme de contrôle postural précédant le lâcher de corde qui pourrait y contribuer.

De nos jours, des matériaux innovants sont de plus en plus recherchés pour créer de nouveaux traitements photoniques différenciants. La nanostructuration des couches minces, omniprésente dans notre quotidien (médical, biomimétisme), est un moyen de rupture technologique. L’étude des propriétés optiques contrôlées par la nanostructuration de surface via la technique de dépôt PVD en incidence oblique (Oblique-Angle Deposition) est principalement adressée dans cette thèse. Cette technologie efficace et originale forme des architectures 3D nanoporeuses utilisées dans de nombreux domaines d’application (biomatériaux, capteurs). Son avantage majeur réside dans la grande modularité des indices de réfraction accessibles par un contrôle précis de la porosité des couches via les conditions de dépôt. La morphologie du film peut également être influencée en changeant l’orientation du porte-échantillons in situ lors du dépôt, ce qui permet de contrôler l'indice de réfraction dans les trois dimensions de la couche. Les films résultants sont complexes (anisotropie, gradients de porosité, diffusion) et nécessitent donc une caractérisation optique avancée. Des moyens uniques d’élaboration ont permis de contrôler précisément la croissance des nanostructures et de développer de nouvelles morphologies. De parfaites corrélations ont été démontrées entre nanostructures et propriétés optiques. La diffusion de ces nanostructures a également été étudiée par éléments finis pour optimiser les performances optiques des traitements de surface. Leur empilement a été maitrisé, ce qui a permis de les intégrer dans des designs multicouches de fonctions optiques nouvelles ou existantes de hautes performances. Les traitements antireflets large bande dans le Visible-SWIR, de 400 à 1800 nm, ont été optimisés en développant leur omnidirectionnalité. L’ensemble du travail a permis d’élargir l’utilisation de la technique OAD à une nouvelle application : les filtres polarimétriques.

Le présent travail s’inscrit dans le cadre du labCom ANR Optifum. Il concerne l’étude des phénomènes d’incendie dans les conduits de cheminée. Face à la grande diversité des dépôts qui peuvent être impliqués dans de tels sinistres, une étude expérimentale préliminaire a permis d’identifier le lignite comme matériau représentatif. Dans un premier temps, la décomposition thermique du lignite est étudiée à petite échelle. À partir de l'analyse des courbes expérimentales de perte de masse obtenues en analyseur thermogravimétrique, des mesures DSC et de la littérature, quatre mécanismes de pyrolyse sont proposés : un détaillé et trois simplifiés afin de déterminer le niveau de complexité nécessaire à inclure dans le modèle cinétique pour décrire correctement la chimie de la décomposition thermique du lignite. Les modèles numériques ont été validés sous différentes conditions de chauffage avec la détermination des paramètres cinétiques associés aux schémas cinétiques. Ensuite, la décomposition thermique du lignite est étudiée sous atmosphère oxydante. Trois mécanismes réactionnels sont proposés. A l’échelle suivante, des phénomènes supplémentaires tels que les processus de transfert de chaleur et de masse s’ajoutent et doivent être pris en compte. La description de la décomposition thermique nécessite la connaissance de paramètres physiques et thermiques du lignite et du char formé. Ces propriétés sont déterminées expérimentalement et constituent les données d’entrée des modèles. Les quatre modèles de pyrolyse déjà proposés et validés en 0 D sont implémentés en 1 D dans le code PATO. Les résultats numériques de la perte de masse, de la vitesse de perte de masse et des températures à l'aide des 4 modèles sont validés expérimentalement. A échelle croissante nous avons investigué la décomposition thermique et l’inflammation d’un milieu poreux constitué de lignite. Pour cela, trois campagnes d'essais expérimentaux ont été menées. Dans un premier temps, la décomposition thermique du lignite a été étudiée en cône calorimètre à atmosphère contrôlée sous différentes conditions (atmosphère inerte et oxydante, faible et grande puissance…) et structures de lits poreux (taille des particules les constituant). Dans un deuxième temps, un front de gaz traversant à contre-courant le front de pyrolyse a été imposé pour différentes atmosphères (N₂, 10% d’O₂, 18% d’O₂ et 21% d’O₂), puissances et structures de lits poreux. Pour cela, le cône a été modifié spécifiquement pour se positionner dans des configurations et pour des conditions permettant une certaine représentativité des feux au sein des conduits (dynamiques d’écoulement, conditions d’oxygénation, etc.). L’analyse comparative des résultats de la première et de la deuxième campagne montre le rôle important que peuvent avoir la structure du lit poreux et les réactions d’oxydation dans l’accélération de la combustion hétérogène du lignite. La 3ème campagne a été menée avec un dispositif spécifiquement développé et instrumenté à l’échelle du conduit de cheminée, pour ce travail. Les principaux paramètres qui influent le temps d’inflammation et sa sévérité ont été investigués avec la détermination des conditions minimales d’inflammation. Il a aussi s’agit de comprendre la décomposition thermique et la combustion d’un lit de lignite à travers l’analyse des résultats de pertes de masse et les températures associées sous différentes conditions : température d’air, pourcentage d’oxygène, structures du lit de lignite…

Les robots parallèles à câbles sont des manipulateurs dont l'organe terminal est relié à la base fixe uniquement via des câbles. Ils sont ainsi flexibles, transportables, légers et possèdent un grand espace de travail translationnel. Cependant, leur précision est affectée par les vibrations des câbles, les incertitudes du modèle du robot et la configuration de la position initiale de l'organe terminal. De plus, leur espace de travail rotationnel est limité à cause du risque de collision entre ses éléments en mouvement et de la nature unidirectionnelle des câbles. Cette thèse, s'inscrivant dans le cadre d'un projet PHC-Utique entre la Tunisie et la France, vise le développement optimal et le contrôle des robots parallèles à câbles dédiés à la rééducation fonctionnelle du membre supérieur. Ce manuscrit détaille donc les étapes suivies pour aboutir à la fabrication des prototypes, à savoir, l'étude du geste de rééducation, les formulations des problèmes d’optimisation, le contrôle/commande des robots et enfin la validation expérimentale du travail. Des solutions aux principaux défauts de cette famille de robots tels que son espace de travail rotationnel restreint et son imprécision sont ainsi proposées.

L'objectif principal de la présente thèse est de valider, reconfigurer et renforcer un logiciel de simulation (déjà créé par le laboratoire) capable de reproduire les phénomènes tribologiques à l'intérieur d'un palier lisse. Le logiciel et le savoir-faire seront transférés et utilisés dans l'industrie - AKIRA Tech. La thèse est construite autour d'un programme expérimental réalisé sur un banc d'essai spécial appelé MEGAPASCALE. Deux types de bielles ont été utilisés. La première est une Renault RS et la seconde une Kawasaki ZX10. Pour les deux bielles, différentes positions d'alimentation en huile ont été testées. Dans le cas de la bielle Kawasaki, plusieurs jeux sont testés. De plus, des capteurs d'écart à courants de Foucault sont installés pour mesurer la position du tourillon. Et la technique de différence du potentiel est utilisée pour décrire qualitativement le fonctionnement du palier. La température du palier, la pression d'alimentation, la vitesse et la charge ont été surveillées. Une attention particulière est accordée à l'étalonnage des capteurs ainsi qu'aux mesures métrologiques des paliers. Les simulations ACCEL correspondent aux mesures expérimentales, ce qui témoigne non seulement de la précision des résultats, mais aussi de la qualité de la méthode d'étalonnage.

Cette étude expérimentale s'intéresse au bruit tonal de bord de fuite sur un profil NACA 0012, et en particulier aux effets de l'inhomogénéité en envergure de l'écoulement sur les sources de bruit. L'originalité de l'approche consiste dans la mesure simultanée du bruit rayonné par antennerie acoustique et des champs de vitesse dans le sillage par Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) résolue en temps (fréquence de 20 kHz afin de résoudre les échelles de temps acoustiques). Une expérience préliminaire retrouve, comme dans la bibliographie, des résultats de PIV altérés pour des fréquences inférieures à la limite de Shannon, et permet d'identifier l'allure des distorsions liées à cette erreur. La précision de la synchronisation entre le signal focalisé par formation de voies temporelle et les champs de vitesse est ensuite évaluée, et est de l'ordre du centième de milliseconde. La mesure acoustique révèle un bruit tonal (constitué d'un ou plusieurs pics fréquentiels) pour des conditions d'écoulement en accord avec la littérature. La formation de voies permet alors d'identifier des zones sources le long de l'envergure, distinctes pour chaque fréquence. Cela constitue un apport intéressant car les modèles théoriques utilisés pour décrire la formation de bruit tonal au bord de fuite sont bidimensionnels. L'analyse fréquentielle des champs de vitesse dans un plan parallèle au profil d'aile indique un détachement tourbillonnaire variable en fonction de la position en envergure, avec les mêmes fréquences dans les mêmes zones que les sources de bruit identifiées. Il est aussi montré que les zones sources de bruit sont celles où la cohérence transverse du détachement tourbillonnaire présente un maximum. Une mesure dans le plan perpendiculaire à l'aile permet le suivi temporel des tourbillons détachés au bord de fuite, et une comparaison entre le signal de vorticité et le signal acoustique focalisé sur la zone de mesure aboutit à un taux de corrélation satisfaisant, de l'ordre de 60%.

La décharge corona est largement utilisée non seulement pour modifier les caractéristiques physiques des surfaces des matériaux diélectriques, mais aussi comme technique de charge pour les mélanges granulaires en vue de leur séparation électrostatique. L’uniformité de la charge électrique déposée à la surface des matériaux isolants est un indice de performance majeur pour toute électrode corona. L’objectif de cette thèse a été d’explorer les limites des techniques de charge corona, et plus particulièrement l’uniformité de charge atteignable lors de l’utilisation d’électrodes corona multi-pointes, compte tenu de leur utilisation possible pour le traitement de surface des plaques diélectriques ou pour la séparation électrostatique de mélanges granulaires. L’utilisation d’un voltmètre électrostatique sans contact pour mesurer le potentiel électrique de surface après l’exposition à la décharge corona s’est avérée être une méthode pratique pour étudier la distribution et l’évolution de la quantité de charge déposée sur les matériaux isolants. Une étude « statique » réalisée avec des plaques de PVC au repos et soumises à l’action de la décharge corona générée par des électrodes corona multi-pointes a permis d’évaluer l’effet de chaque facteur : la tension appliquée, la hauteur des pointes au-dessus de la surface du diélectrique, et le temps d’exposition. Une étude « dynamique », dans laquelle les échantillons étaient en mouvement relatif par rapport aux électrodes de type multi-pointes, a permis de quantifier ces effets dans des conditions plus proches de celles qui devraient être rencontrées dans les applications industrielles. Ce travail a montré que la non-uniformité de la charge corona peut être réduite à moins de 5% de la valeur moyenne en choisissant des valeurs appropriées de la distance inter-électrodes et de la hauteur des extrémités des électrodes au-dessus de la surface exposée à la décharge corona.

Les interactions fluide-structure (IFS) sont aujourd’hui des phénomènes fortement étudiés, car elles interviennent dans un grand nombre d’applications. Dans les domaines maritime et fluvial, les dispositifs de récupération d’énergie, les systèmes de protection des cotes ou des berges ou encore les systèmes de ralentissement des crues sont basés sur ces IFS avec des structures artificielles ou naturelles. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectifs d’évaluer les conséquences de la présence de structures flexibles sur un écoulement turbulent dans différentes configurations. Les éléments flexibles utilisés sont des cylindres circulaires dont les caractéristiques mécaniques sont inspirées des propriétés de structures végétales aquatiques. Lorsque ces structures sont placées dans un écoulement, elles subissent de grandes déformations dont les phénomènes observables sont caractérisés par l’Interaction Fluide-Structure pour laquelle le paramètre majeur est le nombre de Cauchy. Trois études principales composent ces travaux, avec dans un premier temps le cas fondamental d’une structure isolée dans un écoulement, dans un second temps l’étude de pertes de charge causées par un faisceau de structures et pour finir une application sur un dispositif hydraulique d’une canopée de structures flexibles sur le radier d’une passe à poissons à fentes verticales. Chacune de ces études a été menée expérimentalement et a conduit à la création d’un modèle numérique d’une part et d’autre part à l’étude d’une modélisation 1D sur la base des phénomènes mis en jeux. Les expériences menées ont nécessité la mise en place de mesures de hauteurs d’eau par sondes acoustiques, de vitesses tridimensionnelles locales avec sonde ADV (Vélocimètre Acoustique à effet Doppler), de vitesse 2D à deux composantes par méthode PIV (Vélocimétrie par Images de Particules) et des mesures de déformations des structures flexibles par ombroscopie. Les simulations numériques 3D instationnaires LES à surface libre avec IFS par couplage fort ont été réalisées et ont été validées à partir des résultats expérimentaux. Ces résultats de simulation ont permis de compléter les observations expérimentales en offrant des informations complémentaires sur les grandeurs des écoulements et sur les comportements des structures flexibles. De façon générale, pour une structure flexible isolée dans l’écoulement, son comportement dynamique (déplacements longitudinaux et transversaux) et les vitesses de l’écoulement dans son sillage dépendent des caractéristiques des régimes de l’écoulement et de la rigidité de la structure. Les fréquences du lâcher tourbillonnaire dans le sillage de la structure ont notamment été étudiées. Lorsque ces structures sont implantées en faisceaux de différentes densités, leur capacité de flexion réduit la résistance à l’écoulement et donc les pertes de charge par rapport à des structures rigides. Dans le cas où une canopée de structures flexibles est implantée sur le radier d’une passe à poissons, alors l’écoulement est modifié avec une réduction des vitesses et de l’énergie cinétique turbulente dans la canopée et une augmentation de la vitesse au-dessus. Le comportement hydraulique est modifié avec une baisse des coefficients de débits et des topologies très instationnaires dans les bassins.