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.

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.

Les travaux menés dans le cadre de cette thèse portent sur la conception optimale des robots parallèles translateurs. Deux aspects de la synthèse des mécanismes sont évoqués : la synthèse typologique et la synthèse dimensionnelle. Une première partie s’intéresse à la synthèse dimensionnelle de quatre types différents de robots parallèles translateurs, le Delta, le 3-UPU, le Tri-pyramide et le RAF, pour le même espace de travail prescrit. Cette synthèse bien qu’elle nous ait donné une idée sur les performances de chaque type à travers un ensemble de solutions optimales de chacun, elle ne permet pas de sélectionner le robot optimal en termes de dextérité et compacité pour le problème proposé. Dans une deuxième partie, une approche de synthèse évolutionnaire qui traite les deux aspects, type et dimensions, simultanément est élaborée. Elle consiste en un algorithme d’optimisation qui permet à la fois le choix de la typologie optimale et la détermination de ses dimensions pour une application donnée. Cette méthode a été illustrée sur le robot parallèle à câbles LAWEX, conçu au LAboratoire de Robotique et Mécatronique (LARM) à Cassino. Quatre modèles avec différentes configurations des câbles ont été proposés et étudiés. Ces derniers ont fait l’objet d’une synthèse combinée pour sélectionner le meilleur modèle en termes de compacité et tension maximale exercée par les câbles. Cette synthèse a permis la génération du front de Pareto contenant différentes solutions non-dominées des différents modèles du LAWEX. Etant donnée que le robot est dédié à la rééducation physique du membre supérieur, un critère décisif sur la sécurité des patients a été considéré pour sélectionner une solution unique. La solution retenue a été comparée au prototype existant de LAWEX pour évaluer la contribution portée par notre approche de synthèse.

Les paliers lisses hydrodynamiques sont des éléments de machine importants utilisés pour supporter les machines tournantes à hautes vitesses telles que les turbines et les compresseurs, en raison de leur durabilité et de leur capacité de charge élevée. Sous des conditions sévères de fonctionnement, ils peuvent s’endommager par une perte de matière qui peut prendre différentes formes, entraînant une chute de la capacité de charge et donc une réduction significative de l'épaisseur du film d’huile. Les rayures sont un type majeur de dommage de surface dans les paliers ; elles peuvent apparaître aussi bien sur la surface du coussinet que sur la surface de l’arbre, induisant de fortes discontinuités géométriques. Peu de travaux existent dans la littérature mais tous montrent que la présence de rayures a une forte influence sur les performances des paliers. Pour simuler plus précisément et étudier le comportement des paliers lisses rayés, il est donc nécessaire de disposer d'un modèle précis. L'analyse théorique est basée sur la résolution simultanée des équations de Reynolds, d'énergie et de transfert de chaleur dans les solides et dans les fluides. Le modèle thermohydrodynamique développé au moyen de la méthode des volumes finis est écrit en langage FORTRAN. Afin de valider et de compléter la modélisation élaborée, les résultats de la simulation ont été comparés à des données expérimentales de la littérature. Les résultats ont montré de bons accords pour la pression, les profils de température et les paramètres de performance globale du palier. En outre, des études numériques ont également été réalisées pour une large gamme de configurations avec différents nombres de rayures (une, deux et plusieurs), des profondeurs de rayures, des positions de rayures et différents fonctionnements. Les résultats obtenus ont permis d'approfondir les connaissances sur le comportement des paliers lisses rayés.

Le travail qui suit est divisé en trois grandes parties. Premièrement, lorsque nous souhaitons réaliser des études à des échelles plus petites telles que l’échelle micrométrique, nous devons non seulement utiliser un moyen d’observation plus complexe, tel que le microscope électronique à balayage «MEB-FEG» pour obtenir des images exploitables en métrologie optique, mais aussi avoir un marquage (mouchetis) à ces échelles. Actuellement, la corrélation d’images numériques est la technique de mesure de champs cinématique la plus utilisée pour étudier le comportement mécanique des matériaux et des structures sur une zone d’intérêt allant de l’échelle du mètre à l’échelle millimétrique. Ces derniers peuvent être obtenus par diverses techniques comme par exemple en utilisant le Dual-Beam «FIB». Pour la démarche scientifique adoptée nous avons commencé par développer un mouchetis artificiel, avec une profondeur de gravure de l’ordre de 100 nanomètres. Nous nous sommes appuyés également sur des outils statistiques tels que la gamme des niveaux de gris, l’auto corrélation, le nombre de passes et la variation de grossissement qui s’avèrent nécessaires pour valider le marquage et avoir de meilleurs résultats. Ceci a constitué la première partie de cette thèse. Dans la seconde partie, la méthode DIC a été adoptée en utilisant un microscope électronique à balayage (MEB) et un marquage réalisé grâce à un faisceau d’ions focalisés (FIB). Afin de construire une solution métrologique maîtrisée et fiable pour observer et quantifier les mouvements et les déformations de la matière à ces échelles, différents essais ont été réalisés sur deux métaux différents, à savoir, l’Acier 3041 et l’Inconel 718, et ce pour s’assurer de la répétabilité et de la reproductibilité de la procédure. Dans ces essais, nous avons proposé de calculer les déplacements horizontaux et verticaux ainsi que l’erreur liée à ces déplacements. La même démarche a été menée sur les champs de déformations. Différents résultats ont été obtenus en fonction de la variation de l’écart type trouvé dans les données acquises permettant de quantifier les erreurs de mesure ainsi que la répétabilité et la dérive dans le temps. La dernière partie du travail proposé porte sur l’adaptation des méthodes de mesure aux mécanismes particuliers de déformation à ces échelles, comme la localisation de fractures et l’endommagement.Pour étudier le comportement mécanique et prendre en compte les fractures locales, nous avons procédé à l’extraction des déformations d’un matériau fracturé à l’aide d’une méthode de mesure de champ de déplacement. L’approche proposée consistait à extraire les déformations résiduelles des premiers gradients locaux de HDIC les moins perturbés par la fracture. Différents tests ont été effectués pour évaluer la validité de cette nouvelle approche proposée. Une application pour étudier le comportement mécanique d’un composite métallique (Al /ω-Al-Cu-Fe) a été proposée. Une exploitation particulière de tous les champs réside dans la bonne séparation des champs de déformation et de la partie fissurée. Une discussion sur la comparaison entre une analyse DIC conventionnelle et son extension a été présentée sur les zones avec et sans fractures.

Les joints radiaux segmentés (JRS) font parties des systèmes d'étanchéités dynamiques utilisés dans les industries aéronautique et spatiale. Selon leurs constructeurs, ces joints se présentent sous plusieurs types, dont les trois principaux sont; le JRS doté de patins sans poches, le JRS doté de patins avec poches et le JRS à portance augmentée (JRSP) reposant sur un rotor à rainures inclinées. L'objectif de ces différentes configurations est de créer une force d’ouverture du joint pour minimiser le contact entre le rotor et les segments et préserver sa durée de vie, tout en limitant les fuites. Ce travail présente dans un premiers temps le développement d'un modèle numérique permettant la caractérisation statique du fonctionnement des JRS avec et sans poches, afin de déterminer le débit de fuite et les différents efforts appliqués sur le joint. Plusieurs types de poches et différentes dimensions de patins ont ainsi été étudié. Une étude thermo-hydrodynamique a été effectuée et les résultats numériques ont pu être confronté à des résultats expérimentaux. La deuxième partie est dédié à l'étude du JRSP dont le fonctionnement est non stationnaire. Un traitement numérique spécial du motif des rainures inclinées du rotor a été mis. Le développement d'un modèle dynamique a ensuite permis de déterminer les caractéristiques de fonctionnement du joint : le jeu radial, la puissance dissipée et le débit de fuite.

Cette thèse a pour objectif d’étudier expérimentalement l’effet Morton pour différents types de paliers et un rotor rigide ou flexible. L’effet Morton est un phénomène d’instabilité thermique se produisant dans les paliers hydrodynamiques qui a pour conséquence d’influencer le comportement vibratoire du système rotor-palier. L’introduction permet d’évoquer les différents phénomènes d’instabilité thermique, en se concentrant dans un premier temps sur l’effet Newkirk pour en décrire mathématiquement son fonctionnement et comprendre la philosophie des phénomènes d’instabilité thermique. L’étude bibliographique de l’effet Morton est ensuite détaillée (cas industriels, modélisation numérique et analyse expérimentale). La première analyse expérimentale est réalisée pour un rotor rigide supporté par un palier cylindrique. Avant l’analyse des essais dans cette configuration, le banc d’essais est détaillé, les caractéristiques dynamiques du palier sont identifiées expérimentalement. Les essais réalisés à vitesse constante montrent la présence de l’effet Morton « stable ». La seconde étude est conduite avec un rotor flexible et permet de mettre en évidence l’influence du temps de démarrage sur l’apparition d’un comportement instable. La dernière étude expérimentale est réalisée avec le rotor flexible supporté par un palier à patins oscillants à pivots flexibles. Le palier étant d’une conception particulière, une étude bibliographique permet de comprendre son fonctionnement, ses points forts et ses applications. Sa conception, son dimensionnement et sa caractérisation expérimentale sont ensuite détaillés, puis les résultats expérimentaux montrent l’influence du balourd initial sur la stabilité. Pour finir, les résultats expérimentaux de chaque configuration sont comparés et permettent de mieux appréhender le comportement de l’effet Morton dans les paliers hydrodynamiques et son influence sur la dynamique du rotor.

Dans le domaine de machine tournante (turbines à vapeurs, turbocompresseurs et autres turbomachines), l’effet Morton désigne la création d’une source d’excitation synchrone due à la déformation thermique du rotor dans les paliers hydrodynamiques. Par abus de langage, cette source phase des vibrations synchrones du rotor évoluent progressivement dans le temps. Dans la plupart des cas, l’effet Morton reste stable et les influences du balourd thermique sur les vibrations ne sont pas nuisibles au fonctionnement de la machine. Cependant, si les conditions sont favorables, le comportement dynamique du rotor devient instable et l’instabilité de la vibration synchrone, autrement dit l’effet Morton, pourrait se produire. Pour mieux comprendre et analyser les conditions du déclenchement de ce scénario destructif, il est nécessaire de simuler l’effet Morton de manière précise. Cette simulation nécessite de faire intervenir plusieurs phénomènes physiques et coupler plusieurs modèles mathématiques. Ce sont le modèle de la lubrification hydrodynamique, le modèle thermomécanique du rotor et le modèle de la dynamique du rotor. Ce couplage multi-physique n’est pas simple à cause des échelles de temps différentes du phénomène thermomécanique et de la dynamique du rotor. La stratégie du flux thermique moyenné sur une période de rotation permet de surmonter cette difficulté et de réduire le temps de calcul. La modélisation de l’effet Morton est validée par une confrontation entre les résultats numériques et les résultats expérimentaux obtenus à l’Institut Pprime. Une méthode basée sur les coefficients d’influence est ensuite exploitée pour analyser la stabilité de l’effet Morton. Les applications de cette méthode sur des cas concrets permettent de mettre en évidence les phénomènes physiques responsable de l’effet Morton instable.