UPThèses

La littérature montre que la présence de l'eau dans les lubrifiants a de nombreux effets nocifs sur la lubrification. Parmi ces effets, la modification de la viscosité du lubrifiant s'avère la plus dangereuse pouvant aboutir à une défaillance complète du système de lubrification et/ou du composant. De plus, la littérature manque d'études précises qui décrivent la progression de la défaillance avec le temps écoulé après la contamination du circuit de lubrification par de l'eau. Ce travail présente une étude à court terme de l'effet de la contamination par de l'eau du lubrifiant d'une butée hydrodynamique à patins oscillants. La partie expérimentale montre que la présence de 10% d'eau en masse peut ne pas être nuisible à la lubrification. Ce résultat est conditionné par la structure du mélange huile/eau et par le régime de fonctionnement de la butée. Un travail théorique est également conduit dans le but de modéliser l'effet de ce type de contamination sur le comportement de la butée. Celui-ci se base sur l'approximation d'un fluide homogène à l'échelle du film lubrifiant. En effet, le mélange huile/eau est considéré comme une émulsion d'eau dans l'huile. Ainsi, une modélisation de la viscosité de cette émulsion en fonction de la concentration d'eau est réalisée dans une première étape. Cette modélisation a servi ensuite dans le développement d'une théorie de calcul des performances de butées à patins oscillants. Les résultats numériques et expérimentaux montrent les mêmes ordres de grandeur de la variation des caractéristiques des butées due à la présence de l'eau. Cette dernière s'avère ainsi non dangereuse sur la réponse statique de la butée étudiée à court terme.

Les matériaux granulaires sont très divers : les farines, les grains dans l'agroalimentaire, le sable et les roches dans l'industrie minière, les déchets broyés dans l'industrie du recyclage, les poudres et granulés dans l'industrie chimique. Le stockage, le transport et le traitement de ces matériaux font apparaître des phénomènes électrostatiques liés à leur charge par effet triboélectrique. L'analyse de ces phénomènes requiert des modèles numériques prenant en compte les trois aspects (collisions interparticulaires, écoulement du fluide et échange de charges électriques) des écoulements granulaires. L'objectif de ce mémoire est donc la modélisation des écoulements diphasiques 3D, avec la prise en compte des phénomènes tribo-électrostatiques et des forces d'interaction entre le fluide et les particules. Dans la première phase du travail, nous avons utilisé un modèle d'éléments distincts (DEM) pour calculer la dynamique particulaire. Plusieurs études de lits vibrés y sont traitées. La deuxième partie présente un modèle original de charge électrostatique. Ce modèle permet d'étudier l'évolution de la charge des particules au cours du temps. La méthode utilisée pour réaliser le code diphasique par un couplage eulérien-lagrangien est exposée dans la troisième partie. Les études sur la fluidisation de particules qui y sont décrites ont abouties à des pistes intéressantes sur la formation des bulles. Pour finir, nous présentons les algorithmes utilisés pour les modélisations, ainsi que la méthode adoptée pour paralléliser le programme, permettant ainsi de représenter un grand nombre de particules afin de mieux simuler des situations d'intérêts industriels.

Une part importante des systèmes d'étanchéité eest constituée depuis plusieurs décennies par des joints en polymère, aussi bien sur les liaisons statiques (joints toriques, membranes, ...) que pour assurer l'étanchéité de pièces en mouvement (joints à lèvre,...). Par ce travail, nous avons contribué à la mise au point d'une première modélisation d'un organe d'étanchéité dynamique en PTFE, à savoir le joint à hélice circulaire. Nous avons donc modélisé cet organe en procédant ainsi : nous avons déterminé les caractéristiques (E, ν) du matériau utlisé pour fabriquer le joint puis nous avons mesuré sa géométrie fine et caractérisé avec précision son état de surface. Ensuite, nous avons entrepris le calcul de structure avec MSC Marc, afin de modéliser la phase de montage du joint sur l'arbre. Ce travail nous a permis d'accéder à la géométrie déformée du joint, aux différentes largeurs de contact et à la force radiale qu'exerce l'arbre sur le joint. Pour finir, nous avons élaboré la matrice de souplesse qui permet de traduire l'interaction fluide-structure. Tous ces éléments sont indispensables à une modélisation fiable et performante. Cette modélisation est basée sur l'équation de Reynolds modifiée. Cette dernière a été écrite dans le repère adéquat et discrétisée en éléments finis. Une procédure basée sur la méthode de Newton-Raphson a permis de résoudre ce problème fortement non linéaire. Des essais expérimentaux réalisés avec rigueur ont permis la validation du modèle proposé.

Les garnitures mécaniques sont des composants utilisés pour assurer l'étanchéité d'arbres tournants. Elles sont constituées principalement de deux anneaux plans (le rotor et le stator), dont l'interface, qui constitue la barrière d'étanchéité, est lubrifiée par un film fluide. Le fonctionnement optimal est obtenu en minimisant à la fois la fuite et l'usure. Cela correspond à une épaisseur de film de l'ordre du micromètre, et à un régime de lubrification mixte. L'étude bibliographique présentant l'état de l'art a permis de justifier l'utilisation d'une approche multi-échelles pour traiter le problème de lubrification mixte. Une autre partie de cette bibliographie a permis d'identifier les modèles thermiques à mettre en œuvre. Le modèle multi-échelles développé pour l'étude de la lubrification mixte des garnitures mécaniques est ensuite présenté. Ce dernier utilise les surfaces numériquement générées et consiste à décomposer le domaine d'étude en plusieurs sous-domaines. L'équation de Reynolds prenant en compte la cavitation dans le fluide est résolue par la méthode des volumes finis à l'échelle micrométrique dans les sous-domaines de même que le contact normal hertzien des aspérités. Une échelle macroscopique est introduite pour connecter les conditions aux limites aux bornes des sous-domaines. Un champ de pression macroscopique est ainsi obtenu en assurant la conservation globale du débit. Ce modèle prend également en compte, à l'échelle macroscopique, le comportement Thermo-Elasto-HydroDynamique (TEHD) dans les garnitures mécaniques. La discrétisation des équations de chaleur et de déformation est effectuée grâce à la méthode des éléments finis pour une géométrie...

Le travail présenté dans cette thèse est effectué sur deux bancs d'essais différents. Avec le premier banc d'essais, les caractéristiques dynamiques d'un palier aérostatique à air sont étudiées expérimentalement pour une configuration en rotor rigide. Le rotor est entraîné en rotation à 60 krpm par une turbine Pelton et monté horizontalement sur deux paliers aérostatiques identiques alimentés en air jusqu'à des pressions de 11 bar. La charge dynamique est appliquée soit par l'impact d'un marteau, soit par un balourd additionnel. Le banc d'essais permet la mesure de la pression et du débit d'alimentation des paliers, de la vitesse de rotation, la force d'impact, des déplacements dans les deux paliers, et de l'accélération des paliers. Ces données expérimentales et les équations du PFD appliquées au rotor permettent l'identification des coefficients dynamiques des paliers. Une validation de ces coefficients dynamiques expérimentaux est réalisée grâce à la réponse au balourd. La seconde partie, sur le second banc d'essais, présente les résultats d'une étude expérimentale des caractéristiques statiques et dynamiques d'un palier à feuilles de génération 1. Le banc d'essais est de type palier flottant, et peut atteindre des vitesses de 40 krpm. Deux modules différents sont utilisés pour mesurer les grandeurs de démarrage et les coefficients dynamiques. Avec le premier module, le banc d'essais peut mesurer les couples de démarrage. Dans sa seconde configuration, un module différent permet l'identification des coefficients dynamiques du palier à feuilles. Les coefficients de raideur et d'amortissement sont identifiés à partir des impédances complexes et permettent le calcul des fréquences propres. Les résultats expérimentaux montrent que les caractéristiques du palier testé ont une faible dépendance à la vitesse de rotation, mais varient avec la fréquence d'excitation.

Les propriétés d'un atome de gaz noble (He, Ne, Ar, Kr, Xe) en interaction avec une matrice de silicium ou de carbure de silicium cubique ont été déterminées à l'aide de simulations numériques ab initio et d'une technique de recherche des points cols, afin de mieux comprendre les premiers stades de la formation de défauts étendus de type bulle dans ces matériaux. Nous avons ainsi obtenu les configurations les plus stables et leurs énergies de formation, de type interstitiel dans un cristal parfait et de type complexe en présence de monolacunes et de bilacunes. Dans un second temps, nos simulations ont permis la détermination des mécanismes de migration des interstitiels de gaz nobles et des complexes, ainsi que les énergies d'activation associées, dans le cas du silicium. En particulier, nous proposons un nouveau mécanisme d'échange pour la migration d'un complexe gaz noble-bilacune. Dans tous les cas, la plupart des résultats s'explique par un effet stérique découlant du caractère inerte des gaz nobles, avec quelques exceptions concernant l'hélium. Enfin, les mécanismes permettant à un atome d'hélium ou de néon de sortir ou d'entrer dans une bulle déjà formée dans le silicium, ont été déterminés en prenant en compte l'influence de la pression et de la température au sein de la bulle. Ces travaux ont permis de montrer la perméabilité de la surface de Si, ainsi que d'estimer une pression interne comprise entre 3 et 6 GPa pour une bulle remplie d'hélium, en accord avec les expériences.

Un système de spectroscopie de réflectance différentielle de surface est adapté sur un bâti de déposition par pulvérisation magnétron afin de suivre in situ et en temps réel les propriétés optiques de films nanocomposites métal:diélectrique. Cette technique permet notamment d'étudier les toutes premières étapes de formation de nanoparticules de métaux nobles dont la réponse optique est dominée par la résonance de plasmon de surface. Cette résonance est sensible à l'environnement des nanoparticules ainsi qu'à leur morphologie et à leur organisation. Pour établir la corrélation entre les propriétés optiques et les nanostructures, des analyses post mortem sont effectuées par microscopie électronique en transmission, en mode balayage, avec un détecteur annulaire champ sombre à grand angle (HAADF-STEM) et par diffusion rayons X aux petits angles obtenue par illumination en incidence rasante (GISAXS). Le suivi in situ de la résonance de plasmon de surface permet d'interpréter les mécanismes de croissance mais aussi les effets de différents traitements classiques - exposition des nanoparticules à des gaz (O2, N2), recuit thermique - ou plus originaux en utilisant certaines possibilités de la machine de dépôt - exposition des nanoparticules à des gaz (O2, N2) partiellement ionisés ou à un plasma d'Ar à basse énergie. Enfin les effets d'un recouvrement par une matrice protectrice de Si3N4 sont également étudiés. La spectroscopie optique in situ est donc une technique qui permet de contrôler toutes les étapes de fabrication de films nanocomposites. Couplée avec des analyses post mortem, elle permet en outre de comprendre les phénomènes mis en jeu à l'échelle nanométrique...

L'objectif de ce travail est de réaliser la synthèse de matériaux modèles (films minces épitaxiés) de céramiques ternaires, les phases MAX, afin d'étudier leur comportement sous irradiation aux ions. Les modifications micro-structurales induites par l'irradiation ont été suivies à l'aide des spectroscopies de perte d'énergie des électrons et d'absorption X en complément de la diffraction des rayons X et de la microscopie électronique en transmission. La croissance de films minces épitaxiés de Cr2AlC et de Cr2GeC a été obtenue par pulvérisation magnétron tandis que la synthèse de couches texturées de Ti2AlN a été réalisée par nitruration plasma à haute température de multicouches de stœchiométrie Ti2:Al1:N1. Nous avons ensuite caractérisé la structure électronique avant irradiation de Cr2AlC, Cr2GeC, Ti2AlC, Ti3AlC2 et Ti2AlN en interprétant, à partir de calculs ab initio, les résultats obtenus par des techniques spectroscopiques. Cette étude montre que des informations d'ordre structural sont essentiellement obtenues grâce à l'interprétation des structures fines des seuils d'excitation d'électrons de cœur. Après irradiation, l'étude fine des seuil C-K et Al-K de Ti3AlC2 met en évidence que les couches d'octaèdres Ti6C sont très résistantes à l'endommagement alors que les couches d'atomes d'aluminium sont fortement perturbées. Un comportement similaire est suggéré pour Ti2AlC, Ti2AlN et en partie pour Cr2AlC. Tandis que les composés à base titane restent cristallins après irradiation à haute fluence, une amorphisation est rapidement observée pour les composés à base chrome. Une restauration de la structure initiale lors d'un recuit post-irradiation est mise en évidence.

Ce manuscrit est consacré à l'étude des effets de pression sur le cloquage des matériaux revêtus. Des expériences par microscopie à force atomique (AFM) ont tout d'abord été réalisées afin de caractériser les structures cloquées présentes à la surface de composites film/substrat. La mesure AFM de la déflexion maximale de ces structures avant et après découpe par faisceaux d'ions localisés (FIB) a alors mis en évidence une augmentation significative de quelques dizaines de nanomètres de leur déflexion. La détermination des formes d'équilibre des films sous l'action d'une pression et d'une contrainte résiduelle dans le cadre du formalisme de Föppl-von Karman (FvK), puis la comparaison de ces formes avec les profils expérimentaux, a permis de justifier la présence de vide sous les cloques. L'effet combiné de la pression et du caractère "rigide" du substrat sur les structures cloquées a ensuite été exploré. Cet effet a permis d'expliquer la limitation de la dimension latérale des cloques. Le deuxième chapitre, dédié aux tests mécaniques par gonflement de membranes (bulge test), a permis de mettre en évidence les limitations des modèles utilisés pour décrire l'évolution de revêtements soumis au bulge test. Plus particulièrement, une pression critique au delà de laquelle ces modèles ne sont plus adaptés a été déterminée en fonction des différents paramètres du problème. Enfin, dans le dernier chapitre, les effets de couplage pression/contrainte internes sur des cloques circulaires, induites sous certaines conditions spécifiques par les dégâts d'irradiations, ont été étudiés également dans le formalisme de FvK. Une méthode permettant d'estimer à partir de la morphologie...

Le travail présenté concerne la manipulation d'objet avec des mains robotiques. Ce mémoire contribue à la mise en oeuvre d'une plateforme expérimentale dédiée à la manipulation dextre avec une main mécanique à 4 doigts et 16 actionneurs. Une grande partie de ce travail a été effectué dans le cadre d'un projet soutenu par l'ANR intitulé ABILIS. En premier, la mise en situation spatiale de la main à l'extrémité d'un bras manipulateur est présentée. Une nouvelle commande a été développée et une modélisation du système bras-main dans son environnement a été réalisée pour permettre la simulation et le pilotage de l'ensemble. Ensuite, le problème complexe de la synthèse de prise est traité. Pour résoudre ce problème, on procède en deux étapes : la configuration de la main par rapport à l'objet est résolue avec un système expert, et ensuite la configuration des doigts sur l'objet est résolue à l'aide d'une approche évolutionnaire utilisant un algorithme génétique. Nous avons pu évaluer et comparer notre approche roboticienne avec une approche neuroscientiste ; à l'issue de ces travaux nous proposons une nouvelle approche mixte pour la résolution du problème de la synthèse de prise. Enfin, une stratégie générale permettant de réaliser une tâche de manipulation fine en bout de doigt est proposée. La manipulation d'amplitude importante conduit rapidement à des situations de blocage (butées, collisions) ; nous proposons une approche originale qui permet de résoudre ce problème en repositionnant les doigts sur l'objet, et ainsi de poursuivre la manipulation. L'ensemble de ces travaux est illustré par de nombreux résultats expérimentaux permettant de valider les approches proposées.