UPThèses

Cela fait environ soixante ans que l'on s'intéresse à la compréhension et à la modélisation du comportement Elastohydrodynamique (EHD) des joints à lèvres. Cependant, on peut considérer que, jusqu'à présent, leur modélisation n'a pas été totalement et rigoureusement traitée. En effet, même si de nombreuses études ont été consacrées à cette modélisation, plusieurs questions ont été soulevées et font toujours l'objet de controverses entre les chercheurs, à savoir l'impact sur les performances des joints à lèvre de l'effet des surfaces texturées de l'arbre, de la loi adoptée pour le comportement mécanique des joints à lèvre, de la démarche utilisée pour l'élaboration de la matrice de compliance (matrice de souplesse), de l'importance de supposer l'arbre lisse ou rugueux, ainsi que la valeur du rapport entre la largeur du contact et la longueur d'onde du défaut suivant la direction circonférentielle de la lèvre. Dans cette thèse, nous avons tenté d'apporter de façon rigoureuse des réponses claires et précises à toutes ces questions en élaborant et en validant un outil de simulation EHD complet pour les joints à lèvre qui tienne compte de presque tous les paramètres, à savoir une loi de comportement du matériau du joint précise, une matrice de souplesse rigoureusement validée et un arbre qui peut être lisse, rugueux et/ou texturé. De plus, un second modèle analytique est proposé. Il traite le comportement vibratoire du "squeeze film", en tenant compte de la non linéarité des caractéristiques intrinsèques du joint et du film.

Un des enjeux de la Directive Cadre sur l'Eau (2000) est de rétablir la migration piscicole aval à travers notamment une baisse de la mortalité des poissons au niveau des turbines des centrales hydroélectriques. Les grilles ichtyocompatibles constituent une des solutions possibles grâce à un arrêt physique des poissons couplé à un guidage vers un exutoire de contournement. Dans ce contexte, nous avons mené une étude expérimentale et numérique afin de caractériser différents types de grilles en termes de pertes de charge et de courantologie. Cela a permis de déterminer d'une part les pertes d'énergie liées à la proximité des barreaux pour diverses configurations et d'autre part les vitesses que les poissons sont susceptibles de rencontrer le long des grilles jusqu'à l'exutoire. Ces deux sujets complémentaires ont été abordés via l'utilisation de deux installations hydrauliques couplées à plusieurs systèmes de mesure adaptés à nos modèles de grille. Des mesures de hauteur d'eau ont permis d'établir des nouvelles lois de pertes de charge tandis que des mesures de vitesse avec des systèmes de vélocimétrie acoustique par effet Doppler (ADV) et de vélocimétrie par images de particules (PIV) ont permis de déterminer les angles pour lesquels les grilles satisfont les critères d'ichtyocompatibilité. Certains points de l'étude, liés à la caractérisation des exutoires notamment, ont été résolus grâce à des simulations numériques avec le logiciel OpenFOAM. L'ensemble des résultats obtenus a permis de dimensionner et de comparer les différentes solutions de grilles dans un cas de prise d'eau réel, soulignant ainsi les avantages et problématiques inhérents à chacune des solutions.

Le développement de techniques de mesure optiques de surfaces libres permettant la mesure des ondes générées par un modèle de navire en bassin des carènes est proposé dans ce mémoire. Trois méthodes, toutes basées sur un système de prises de vues stéréoscopiques, sont présentées. La première repose sur l'emploi de procédures d'inter-corrélation des images des caméras composant le système de stéréovision. La seconde s'appuie sur la théorie de la réfraction de la lumière au travers de l'interface air/eau. La troisième méthode est basée sur l'identification des projections de faisceaux laser sur la surface libre vue par un système stéréoscopique. Ces méthodes sont appliquées à la mesure du champ de vague autour d'un modèle de navire tracté dans le bassin des carène de l'Institut Pprime et dans un bassin des carènes de grande taille (B600 de la DGA Techniques hydrodynamique) et permettent la reconstruction et l'analyse du sillage. Les principales caractéristiques des champs de vagues et leurs dépendances au nombre de Froude sont étudiées en détail. Afin de compléter l'étude de l'écoulement généré par le modèle de navire, des mesures de PIV stéréoscopique autour de la carène, des mesures spécifiques de la vague d'étrave et des simulations numériques sont réalisées. L'ensemble de ces données permettent l'analyse de champs de vitesse tridimensionnelle proche de la coque et l'identification du lien des caractéristiques du champ de vague de l'étrave jusqu'au champ lointain.

Dans le cadre de la conservation et de la réhabilitation des bâtis anciens, les matériaux utilisés pour leur construction doivent être caractérisés vis-à-vis de leurs propriétés de transferts thermiques et hydriques. La première étape du travail de recherche a concerné la mise au point d'un capteur de conductivité thermique et de teneur en eau des matériaux inorganiques poreux (pierres, bétons, enduits) constitutifs des monuments. Les méthodes d’investigation doivent rester non intrusives. Dans cet objectif, la voie suivie a été d'adapter la mesure de conductivité thermique par une méthode simplifiée du fil chaud, précédemment développée pour les fluides corrosifs, aux pierres de taille utilisées dans le bâti ancien. Afin de transférer cette technologie des fluides vers les solides, plusieurs étapes ont été effectuées : (1) des mesures avec le fil intégré, (2) des mesures de surface, (3) estimation de l'influence de la rugosité de la surface et (4) utilisation de la méthode pour l'estimation de la teneur en eau des matériaux tests. La seconde étape de la recherche a consisté en deux suivis microclimatiques effectués sur deux sites historiques : l'Hypogée des Dunes et l'abbatiale de Saint-Savin-sur-Gartempe. Le travail de thèse a consisté à évaluer l'impact des travaux effectués sur les conditions climatiques dans l'hypogée, et à déterminer l’influence des variations climatiques sur la formation d'un voile biologique dans la crypte de Saint-Savin. Pour ce faire, l'analyse corrélatoire est appliquée au traitement des donnés climatiques.

Nous nous intéressons à la conception des mains mécaniques anthropomorphes destinées à manipuler des objets dans un environnement humain. Via l'analyse du mouvement de sujets humains lors d'une tâche de manipulation de référence, nous proposons une méthode pour évaluer la capacité des mains robotiques à manipuler les objets. Nous montrons comment les rapports de couplage angulaires entre les articulations et les limites articulaires, influent sur l'aptitude à manipuler dynamiquement des objets. Nous montrons également l'impact du poignet sur les tâches de manipulation rapides. Nous proposons une stratégie pour calculer les forces de manipulation en bout de doigts et dimensionner les moteurs d'un tel préhenseur. La méthode proposée est dépendante de la tâche visée et s'adapte à tout type de mouvement dès lors qu'il peut être capturé et analysé. Dans une deuxième partie, consacrée aux robots manipulateurs, nous élaborons des algorithmes de commande optimale. En considérant l'énergie cinétique du robot comme une métrique, le modèle dynamique est formulé sous forme tensorielle dans le cadre de la géométrie Riemannienne. La discrétisation temporelle est basée sur les Éléments Finis d'Hermite. Nous intégrons les équations de Lagrange du mouvement par une méthode de perturbation. Des exemples de simulation illustrent la superconvergence de la technique d'Hermite. Le critère de contrôle est choisi indépendant des paramètres de configuration. Les équations de la commande associées aux équations du mouvement se révèlent covariantes. La méthode de commande optimale proposée consiste à minimiser la fonction objective correspondant au critère invariant sélectionné.

La compréhension et la modélisation d'un contact lubrifié en présence de texturation nécessitent une description physique très fine pour comprendre les analyses contradictoires et pour expliquer les résultats très différents en termes de performance présentes dans la littérature internationale. De nombreuses études théoriques et expérimentales ont montré que la texturation des surfaces pourrait améliorer les caractéristiques tribologiques des contacts. La capacité de charge, le coefficient de frottement et la résistance à l'usure sont les principales caractéristiques susceptibles d'être améliorées. La texturation de surface fait appel à de nombreux paramètres géométriques, qui peuvent agir de façon très différente selon le contact. Enfin, les phénomènes supposés expliquer l'apport de la texturation ne font pas l'unanimité dans la communauté scientifique. Ainsi, les différentes contradictions font que ce domaine de recherche est en pleine évolution. Dans ce contexte scientifique, l'objectif principal de cette thèse est de conduire, à travers une étude théorique et numérique approfondie, vers une meilleure compréhension des effets induits par la texturation dans un contact lubrifié. Les paramètres géométriques, essentiels par rapport aux phénomènes physiques générés, font l'objet d'une analyse étendue. Les éléments théoriques obtenus à travers cette étude permettront une optimisation opérationnelle de tous types de dispositifs fonctionnant dans un milieu lubrifié. Parmi ces nombreuses applications, la butée en régime hydrodynamique a été choisie afin d'illustrer la pertinence des résultats de nos recherches.

La tête de bielle n'est pas un solide mono-corps mais un solide multi-corps. Le serrage non-adapté des vis d'assemblage et les discontinuités des solides peuvent produire des phénomènes indésirables comme le glissement du coussinet dans son logement. Malgré des logiciels de calculs performants permettant de prédire le comportement des paliers il existe encore de nombreuses avaries notamment liées aux contacts entre le coussinet et son logement. La difficulté de la modélisation du contact coussinet/logement réside principalement dans l'interaction entre les différents solides et les conditions de fonctionnement. Cette étude propose une solution pour analyser ce problème par couplage entre un logiciel de calcul élatohydrodynamique (ACCEL) et un logiciel permettant le calcul du contact avec frottement entre les coussinets et le corps de bielle (ABAQUS). Après une étude bibliographique des études antérieures dédiées à la modélisation numérique et expérimentale des paliers de tête de bielle, la première partie est dédiée à une description des modèles numériques utilisés pour prédire le comportement élastohydrodynamique de paliers lubrifiés ainsi que les techniques employées pour étudier le contact sec avec frottement en mécanique. La deuxième partie présente la solution adoptée pour réaliser le couplage entre le logiciel ACCEL et le logiciel ABAQUS. Le modèle a été premièrement validée dans le cas d'un palier soumis une charge tournante. Par la suite, plusieurs calculs paramétriques, réalisés sur un cas type de palier de tête de bielle, nous ont permis de montrer l'influence des conditions de fonctionnement (diagramme de charge, vitesse de rotation, etc.) ainsi que d'autres caractéristiques de la bielle (coefficient de frottement, épaisseur du coussinet, etc) sur le comportement du palier et plus précisément sur le glissement relatif entre les coussinets et le corps de bielle.

Ce travail porte sur l'étude des effets thermiques dans un palier hydrodynamique, alimentée par une rainure circonférentielle (CGJB) sous charge statique, en tenant compte des phénomènes de rupture de film dans la zone divergente. La recherche expérimentale a été réalisée à l'Université de Poitiers ; elle a permis une détermination minutieuse des champs de pression et de température sur la portée située à l’avant d’un CGJB et dans la section médiane de sa rainure. Ces mesures sous un régime stationnaire sont originales par rapport celles existantes, quel que le type de palier, de par le grand nombre de points de mesure, 180 pour la pression et 144 pour la température, l'instrumentation de haute précision, la large plage de conditions d'exploitation (pression spécifique variant de 0,125 à 2 MPa et vitesse linéaire de l’arbre allant de 5,25 à 21 m/s). Des études du régime transitoire de démarrage au régime stationnaire établi ont été effectuées pour de faibles charges. Des expériences effectuées à l'Université "Politehnica" de Bucarest ont montré une bonne corrélation entre la perte de portance, anti-portance et la rupture du film sur un patin Rayleigh (RSP), ce qui est essentiel pour l'évaluation des phénomènes de rupture dans les paliers. Quelques modèles théoriques ont été utilisés pour évaluer les risques de serrage au démarrage qui est une instabilité thermoélastique catastrophique. Les principaux résultats sont l’obtention d’une base fiable de données expérimentales permettant le développement des modèles théoriques avancés et l’infirmation d’une répartition de pression constante dans la zone divergente et de pression et température constantes dans la rainure d'alime

Le but de ce travail est de proposer une démarche structurée pour l'étude des liaisons lubrifiées bielle/vilebrequin. Bien que cette source de déperdition énergétique ne soit pas primordiale, il n'en est pas moins vrai que la maîtriser est un enjeu pour les motoristes. Les normes anti-pollution imposées aux constructeurs automobiles étant de plus en plus strictes, un effort doit être réalisé sur l’ensemble des composants afin de réduire de façon significative les pertes d’énergie dans les moteurs. La tendance actuelle est à la diminution de la viscosité du lubrifiant, toutefois ce n'est pas sans conséquence sur l'intégrité des liaisons. La démarche proposée, qui s'appuie sur un logiciel TEHD consiste à utiliser la méthode des plans d’expériences afin de créer des métamodèles de la puissance dissipée et de la sévérité du cas traité. Une optimisation multi-objectifs (déperdition et sévérité) par algorithme évolutionnaire et utilisant les métamodèles est ensuite menée afin de déterminer les combinaisons de facteurs offrant les meilleurs compromis par rapport à ces deux objectifs. La méthodologie proposée s'avère pertinente puisque des modèles analytiques simples se substituent très avantageusement aux lourds calculs TEHD. Afin de valider le logiciel TEHD sur l'évaluation des puissances dissipées, une comparaison numérique/expérimentale est conduite sur un banc d’essais permettant de reproduire les conditions réelles de fonctionnement des bielles dans les moteurs.

L'objectif de ce travail est de concevoir une nouvelle interface haptique en vue de son exploitation pour la chirurgie mini-invasive. La technique d'anastomose ciblée consiste à réunir deux parties désolidarisées d'une artère par des sutures et des nœuds. Ceci est effectué par des outils chirurgicaux introduits à travers de petites incisions. Une étude expérimentale de cette tâche a été effectuée en collaboration avec des chirurgiens afin de caractériser leurs gestes. L'enregistrement de l'opération par un système de capture de mouvement a permis d'identifier la nature et les gestes canoniques de cette technique. Une structure parallèle sphérique a été ensuite adoptée comme base de l'interface haptique. Cette architecture présente un centre fixe de rotation semblable au point d'incision réel et offre les trois degrés de liberté de rotation nécessaires autours de ce point. Une étude détaillée de cette architecture suivie d'une phase d'optimisation, a permis d'adapter la structure à l'application chirurgicale. L'optimisation, basée sur un algorithme générique, a porté dans un premier lieu sur l'espace de travail de la tâche. La dextérité de la structure a été ensuite prise en compte. Une phase de conception basée sur les paramètres résultants de cette optimisation a aboutie à la réalisation d'un premier prototype. L'influence des erreurs de fabrication sur l'orientation de la plateforme a été aussi traitée dans ce travail afin de déterminer les plages des défauts admissibles. Une modélisation, utilisant les torseurs de petits déplacements, a été élaborée. La dernière partie de ce travail porte sur la commande a retour d'effort de l'interface. Un banc d'essais à 1 degré de liberté a été réalisé afin de tester les différents schémas de contrôle pour la téléopération. Les essais en simulation on permit de dresser une vue comparative de ces schémas.