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Section 60 - Mécanique, génie mécanique, génie civil

Les thèses se rapportant à la section CNU "Section 60 - Mécanique, génie mécanique, génie civil"

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  • Etude de la fatigue de contact de roulement : approche expérimentale dans un matériau fragile et modélisation numérique    - Abbouchi Houssein  -  11 décembre 2008

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    Ce travail a consisté à étudier le phénomène de la fatigue de contact de roulement (RCF). Les avaries qui apparaissent par RCF se caractérisent, à la surface des pièces roulantes, par des fissures, des piqûres et des écaillages. Les fissures de RCF sont mal décrites, dans leur forme géométrique, dans les travaux précédents. Ceci a conduit à une approche expérimentale utilisant un dispositif bi-disques dans lequel le disque éprouvette est réalisé dans un matériau transparent. La conception du dispositif permet d'imposer une force tangentielle et de créer des conditions de roulement avec glissement partiel. On résume les résultats expérimentaux par :-faire apparaître une famille de fissures débouchantes.-suivre avec précision l'évolution des fissures, dans la matière en 3D.-proposer des équations paramétriques pour décrire la forme géométrique du front de fissure.-constater que l'endommagement de RCF, à sec, s'est établi pour la position 'menant' de l'éprouvette.-et l'existence d'un pas quasi régulier entre les fissures. On a proposé un modèle numérique pour comprendre les deux derniers points. Le calcul a été réalisé avec le logiciel MSC.MARC. On a réalisé quatre plans d'expériences. On a décrit l'action d'un contact roulant sur un massif fissuré de façon incrémentale. Ceci permet d'obtenir les répartitions de pression et de cisaillement dans ce contact conformes à la loi de frottement et à la cinématique expérimentale. Ce modèle a montré que la contrainte de 'peau' sxx atteint des niveaux plus élevés pour la position 'menant'. C'est en accord avec les résultats expérimentaux. En s'appuyant sur la valeur de sxx max, on a expliqué le pas quasi régulier de fissures.

  • Aérodynamique d'un profil d'aile battante à bas nombre de Reynolds    - Andro Jean-Yves  -  08 décembre 2008

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    Les récents progrès des microtechnologies permettent le développement de microdrones d'une envergure inférieure à 15 cm devant assurer des missions d'observation ou d'intervention en milieu risqué. Une approche biomimétique utilisant un système de locomotion par ailes battantes semble notamment prometteuse car elle permettrait une capacité de vol stationnaire et une grande manoeuvrabilité en milieu confiné. Cependant, l'aérodynamique des ailes battantes à bas nombre de Reynolds diffère sensiblement de l'aérodynamique des applications classiques en raison du phénomène de lâcher tourbillonnaire et de la superposition de nombreux mécanismes instationnaires. Dans le cadre de cette thèse, nous avons dans un premier temps étudié le lâcher tourbillonnaire derrière un profil d'aile en caractérisant théoriquement et expérimentalement l'apparition de ce lâcher puis en le simulant numériquement. Des essais en bassin hydrodynamique précisent enfin l'influence des effets 3D et du nombre de Reynolds sur les efforts créés par le lâcher tourbillonnaire. Dans un deuxième temps, nous avons étudié par simulation numérique directe (DNS) les mouvements fondamentaux du vol battu, c'est-à-dire le pilonnement pur et le tangage pur, afin de mettre en évidence les mécanismes instationnaires, de différencier les stratégies du vol battu et de proposer des modèles simplifiés pouvant décrire les efforts instantanés.

  • Optimisation de la modélisation des régimes de fonctionnement des garnitures mécaniques d'étanchéité : analyse théorique et expérimentale    - Ayadi Khouloud  -  15 décembre 2014

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    Les garnitures mécaniques sont des composants d'étanchéité d'arbres tournants. Elles sont constituées de deux surfaces planes annulaires dont le contact est lubrifié par le fluide à étancher. L'opération de recherche « Jointlub » du département D3 de l'institut P' a développé des outils de simulation du comportement des garnitures par des méthodes analytiques, semi analytiques et numériques. En s'appuyant sur ces acquis, l'objectif de cette thèse vise à définir une méthodologie d'analyse préalable permettant l'optimisation de la modélisation du fonctionnement d'une garniture mécanique en fonction de la solution technologique choisie. Ceci consiste à proposer un procédé de choix d'outils de modélisation parmi les principaux types existants. Un ensemble d'indicateurs et de critères est développé afin de déterminer les phénomènes physiques prépondérants lors du fonctionnement d'une garniture dans des conditions données. Le modèle retenu pour la simulation devra prendre en compte les phénomènes identifiés. Des validations expérimentales ont été réalisées pour une garniture mécanique opérant dans différents régimes de fonctionnement. Une étude de l'évolution de la topographie des faces de frottement, du couple de frottement, du débit de fuite et du comportement thermique ont été effectués. Les expériences ont montré que le comportement des garnitures dépend fortement du régime de lubrification : mixte, hydrodynamique ou thermo-élasto-hydrodynamique. Les modèles théoriques ont été comparés aux résultats expérimentaux. Une bonne corrélation est obtenue dans leur domaine de validité, défini à partir des indicateurs. Des écarts plus importants sont observés lorsque les modèles sont utilisés dans des zones où ils ne prennent pas en compte l'ensemble des phénomènes physiques. Cette comparaison a montré que les indicateurs et critères de la méthode de choix proposée sont pertinents et permettent une bonne identification des phénomènes physiques à prendre en compte.

  • Étude du comportement tribologique d'un couple de matériaux ferromagnétique acier XC48 en contact mécanique et magnétique à sec    - Ba Adji Cathy  -  13 décembre 2016

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    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.

  • Analyse expérimentale des paliers et des butées aérodynamiques à feuilles    - Balducchi Franck  -  12 décembre 2013

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    Ce document présente les analyses expérimentales de deux types de composants aérodynamiques, lubrifiés en air : les butées à feuilles et les paliers à feuilles. Ces éléments constituent une nouvelle génération d'organes de guidages, et gagnent à être implémentés dans des machines tournantes dont les performances sont critiques. En effet, ils permettent d'atteindre des vitesses élevées, sans usure en régime établit, et diminuent la puissance dissipée en comparaison à des solutions fonctionnant avec de l'huile. Ce mémoire est une contribution à l'étude de chacun de ces éléments, dont les niveaux respectifs de maturité technologique ne sont pas similaires. Le palier à feuilles possède une littérature plus riche que la butée, dont aucune analyse expérimentale dynamique n'a été menée jusqu'à présent. Un banc d'essai, destiné à l'étude de butées à feuilles, sous des charges statiques et dynamiques, est conçu. Les caractéristiques de démarrage montrent une augmentation linéaire du couple de démarrage avec la charge statique, une augmentation linéaire du couple en fonctionnement aussi bien avec la charge statique qu'avec la vitesse de rotation, et enfin, une augmentation globale de la vitesse de décollage avec la charge statique. Les essais dynamiques montrent, pour la raideur dynamique, une augmentation non linéaire avec la fréquence d'excitation (entre 150 Hz et 750 Hz) ainsi qu'avec la charge statique appliquée. L'amortissement visqueux équivalent diminue avec la fréquence d'excitation, mais augmente avec la charge statique. Les essais montrent, à charge équivalente, une diminution de la raideur et de l'amortissement avec l'augmentation de la vitesse de rotation. Les facteurs d'amortissements structurels diminuent avec l'augmentation de la fréquence d'excitation, et augmentent avec la charge statique. Afin de se rapprocher d'une architecture de turbomachine, un banc d'essai existant est adapté à l'utilisation de paliers à feuilles. L'étude du comportement de deux rotors rigides (un léger et un lourd) est menée. Celle-ci s'effectue de deux façons : par l'analyse de spectrogrammes enregistrés suivant deux directions du plan de chaque palier, ou bien en étudiant la réponse synchrone à différents balourds. Une confrontation avec deux modèles théoriques est effectuée, en comparant soit la réponse synchrone au balourd dans chaque palier, soit les spectrogrammes. Les balourds sont comparés avec un modèle de rotor rigide linéaire (analyse en petites perturbations) à 4 degrés de libertés, dans lequel les coefficients dynamiques des paliers obtenus grâce au code Foil sont utilisés. les spectrogrammes montrent des vibrations sous-synchrones, qui sont reproduites dans ce mémoire au moyen d'un modèle simplifié de force dynamique. Les résultats expérimentaux actuels montrent les limites des modélisations des paliers à feuilles existantes. Afin d'améliorer la connaissance et la prédiction de ces composants, il est dorénavant nécessaire d'établir un nouveau modèle dynamique, non linéaire, permettant de prédire les réponses synchrones aux balourds ainsi que la richesse sous-synchrone de la signature dynamique d'un rotor supporté par ces paliers.

  • Étude numérique et expérimentale de l'écoulement turbulent au sein des passes à poissons à fentes verticales. Analyse de l'écoulement tridimensionnel et instationnaire    - Ballu Aurélien  -  20 mars 2017

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    L'objectif de cette thèse est de caractériser l'influence de la présence d'obstacles dans les passes à poissons à fentes verticales. Deux types d'éléments sont couramment insérés, à l'heure actuelle, dans les passes : les seuils et les macro-rugosités. Dans un premier temps, l'effet de ces deux dispositifs à la fois sur l'écoulement et sur le comportement des poissons est étudié. Dans le but de favoriser le passage des petites espèces à travers le dispositif de franchissement, une solution technique est ensuite proposée, sous la forme de plusieurs rangées de cylindres flexibles placées en sortie de fente. La caractérisation du comportement hydraulique d'une passe à poissons équipée de ces obstacles est effectuée par des mesures expérimentales de niveau d'eau à l'aide de sondes acoustiques et des mesures de vitesses tridimensionnelles avec un vélocimètre acoustique à effet Doppler (ADV). La base de données générée par ces mesures est ensuite utilisée pour définir une loi de dimensionnement, qui prend en compte les paramètres influençant le fonctionnement hydraulique de l'ouvrage en vue d'améliorer sa conception. Les simulations numériques 3D instationnaires URANS et LES de l'écoulement permettent une analyse volumique fine des grandeurs caractéristiques de la turbulence qui règne dans les bassins en fonction du type d'obstacle inséré. En obstruant une partie de la fente, la présence d'un seuil accentue la tridimensionnalité de l'écoulement tandis que les macro-rugosités créent une zone de plus faible vitesses et des abris utilisables par les espèces de fonds. L'insertion des structures souples permet une meilleure dissipation de l'énergie du jet et réduit l'énergie cinétique turbulente dans une partie du volume des bassins. Les manipulations réalisées avec différentes espèces de poissons, permettent de mieux comprendre l'effet de la modification des grandeurs cinématiques de l'écoulement, par l'insertion d'obstacles, sur le comportement des poissons pour pouvoir adapter les passes à poissons existantes aux espèces dotées de faibles capacités de nage.

  • Apport des méthodes volumiques dans la confrontation théorie-expérience : application à la rupture fragile et aux contacts conformes    - Barranger Yoann  -  06 décembre 2010

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    Les mesures photomécaniques permettent à l'expérimentateur d'accéder sans contact à diverses informations mécaniques lors de la sollicitation d'un matériau. Les progrès réalisés dans ce domaine permettent de nos jours de dépasser le cadre des mesures surfaciques pour accéder, de manière quantitative, à des mesures au sein de la matière. Ce mémoire porte sur l'intérêt de ces méthodes expérimentales volumiques dans la confrontation avec des modèles analytiques et numériques. Cette démarche de confrontation est appliquée à deux problèmes mécaniques distincts : un cas académique de fissuration et un cas industriel de contact. Le but pour chacun d'entre eux est d'affirmer ou infirmer les hypothèses relatives à l'établissement de ces modèles. Le problème de fissuration porte sur une éprouvette élastique fissurée épaisse de type SEN, sollicitée en mode I. La méthode de Corrélation d'Images Volumiques est associée à la microtomographie par rayons X pour déterminer les champs expérimentaux de déplacements. Ces derniers sont par la suite comparés à ceux obtenus numériquement (par une modélisation éléments finis) et analytiquement (par la théorie de la mécanique de la rupture). Le problème de contact porte sur un système industriel de vis à billes utilisée en aéronautique. Le but de cette étude, réalisée en collaboration avec l'Ecole des Mines d'Albi et l'IUT de Figeac, est de valider les modélisations numériques relatives à chacune des étapes de simplification du système. Les franges photoélastiques obtenues par photoélasticimétrie 2D, puis photoélasticimétrie 3D par découpage optique, sont utilisées à travers cette étude pour faire évoluer et valider les modèles numériques établis.

  • Détermination d'une méthodologie de caractérisation des effets d'installation appliquée aux aéronefs propulsés par des moteurs à hélices rapides    - Barry Martin  -  06 juillet 2015

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    Dans le contexte actuel, l'open-rotor contrarotatif connaît un regain d'intérêt. Cependant, en l'absence de carter extérieur, la prédiction des effets d'installation devient une problématique primordiale du cycle de conception. L'objectif de ces travaux de thèse est de construire une méthode de calcul qui permette à la fois de rendre compte de l'impact du bloc moteur sur la traînée de l'avion et de l'impact de l'installation sur les performances aérodynamiques des hélices. Suite à une étude bibliographique, nous nous sommes orientés vers le couplage des codes ligne portante LPC2 et RANS elsA, développés à l'Onera. La méthode de couplage se base sur la condition de disque d'action et est itérative afin de rendre compte de l'interaction. Dans un second temps, des résultats de calculs instationnaires et d'essais en soufflerie ont été comparés aux résultats fournis par le couplage afin de confirmer que ce dernier rendait bien compte des performances aérodynamiques du moteur en configuration installée. Afin de valider sur un large domaine de calcul, plusieurs configurations ont été utilisées, prenant en compte différentes installations, différentes hélices et plusieurs points de vol. Enfin, nous avons proposé une amélioration de la condition de disque d'action par une modélisation de la turbulence représentant l'impact du passage des hélices sur l'écoulement. En effet, en l'état actuel, cette condition n'est pas en mesure de retranscrire l'impact des hélices sur la turbulence, en particulier sur l'augmentation du taux de turbulence. C'est pourquoi une formulation originale d'un modèle de turbulence, basée sur les travaux de Mr Benay, a été proposée.

  • Étude expérimentale et numérique du décrochage dynamique sur une éolienne à axe vertical de forte solidité    - Beaudet Laurent  -  10 juillet 2014

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    L'éolienne Darrieus connaît un intérêt accru ces dernières années parce qu'elle représente une solution alternative potentielle de production d'électricité dans les milieux urbains. En particulier,une éolienne de forte solidité peut être choisie car certaines de ses propriétés peuvent être avantageuses pour son implantation proche de zones habitées. A l'inverse, certaines difficultés aérodynamiques émergent. Ce type d'éolienne fonctionne à de faibles vitesses réduites pour lesquelles le décrochage dynamique a un rôle très significatif. L'objectif de ce travail de thèse consiste à compléter la connaissance du phénomène de décrochage dynamique sur une éolienne à axe vertical afin d'améliorer les modèles numériques de prédiction existants. Cette étude s'appuie sur une analyse combinée de résultats numériques et expérimentaux. Les simulations numériques sont produites avec une méthode des panneaux bidimensionnelle instationnaire. Les effets de la viscosité sont introduits par des corrections utilisant notamment un modèle semi-empirique de décrochage dynamique. Le travail expérimental s'est concentrée sur la dynamique tourbillonnaire à proximité immédiate du rotor résultante du décrochage dynamique. Le montage se compose d'une éolienne à pale droite placée dans une soufflerie. Des mesures instationnaires de la répartition de pression pariétale le long de la corde et des mesures de champ de vitesse par vélocimétrie par images de particules ont été accomplies. Les résultats révèlent la manière dont les caractéristiques du décrochage dynamique sont conditionnées par la vitesse réduite. Le retard au décrochage, l'intensité de l'effet du tourbillon de décrochage dynamique et sa convection ont été quantifiés. Enfin, un examen critique de l'applicabilité du modèle de Leishman-Beddoes pour simuler efficacement les effets du décrochage dynamique a été réalisé.

  • Élaboration d'une méthode tomographique de reconstruction 3D en vélocimétrie par image de particules basée sur les processus ponctuels marqués    - Ben Salah Riadh  -  03 septembre 2015

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    Les travaux réalisés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre du développement de techniques de mesure optiques pour la mécanique des fluides visant la reconstruction de volumes de particules 3D pour ensuite en déduire leurs déplacements. Cette technique de mesure volumique appelée encore Tomo-PIV est apparue en 2006 et a fait l'objet d'une multitude de travaux ayant pour objectif l'amélioration de la reconstruction qui représente l'une des principales étapes de cette technique de mesure. Les méthodes proposées en littérature ne prennent pas forcément en compte la forme particulière des objets à reconstruire et ne sont pas suffisamment robustes pour faire face au bruit présent dans les images. Pour pallier à ce déficit, nous avons proposé une méthode de reconstruction tomographique, appelée (IOD-PVRMPP), qui se base sur les processus ponctuels marqués. Notre méthode permet de résoudre le problème de manière parcimonieuse. Elle facilite l'introduction de l'information à priori et résout les problèmes de mémoire liés aux approches dites "basées voxels". La reconstruction d'un ensemble de particules 3D est obtenue en minimisant une fonction d'énergie ce qui définit le processus ponctuel marqué. A cet effet, nous utilisons un algorithme de recuit simulé basé sur les méthodes de Monte-Carlo par Chaines de Markov à Saut Réversible (RJMCMC). Afin d'accélérer la convergence du recuit simulé, nous avons développé une méthode d'initialisation permettant de fournir une distribution initiale de particules 3D base sur la détection des particules 2D localisées dans les images de projections. Enfin cette méthode est appliquée à des écoulements fluides soit simulé, soit issu d'une expérience dans un canal turbulent à surface libre. L'analyse des résultats et la comparaison de cette méthode avec les méthodes classiques montrent tout l'intérêt de ces approches parcimonieuses.

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