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Bentahar Mourad. Acoustique non-linéaire : application à la caractérisation ultrasonore de l'endommagement des matériaux hétérogènes et à la prédiction de la durée de vie. 2005 / Thèses / accès à la bibliothèque (document papier)
Résumé
Résumé
Dans ce travail, nous avons étudié les potentialités des méthodes d'évaluation non destructive (END) par ondes acoustiques non-linéaires en résonance pour la caractérisation et le suivi de l'endommagement des matériaux hétérogènes (bétons et composites base polymère). Pour cela, un dispositif expérimental permettant une réception avec et sans contact et pouvant s'adapter à différentes géométries a été développé. Pour les deux matériaux, les variations de la fréquence de résonance observées en fonction du niveau d'excitation (dynamique rapide) sont directement corrélées aux niveaux d'endommagement. Après une forte excitation (conditionnement) des éprouvettes endommagées, un décalage vers les plus basses fréquences est observé pour les deux matériaux. Ce décalage ne disparaît pas immédiatement après l'arrêt de la forte excitation, mais se résorbe en fonction du logarithme du temps, fortement lié au degré d'endommagement. A travers ce phénomène appelé " dynamique lente " nous avons pu définir de nouveaux indicateurs d'endommagement ayant une grande sensibilité aux premiers états de dégradation du matériau. Pour le béton, ces observations, traduisant le comportement hystérétique non-linéaire des matériaux endommagés, sont étayées qualitativement et quantitativement par un modèle unidirectionnel, basé sur l'approche d'interaction locale dans le cadre de la description phénoménologique de Preisach-Mayergoitz. Enfin, nous avons trouvé d'intéressantes corrélations entre les indicateurs non-linéaires d'endommagement (dynamiques rapide et lente) et l'énergie élastique libérée sous forme d'émission acoustique par le matériau lors du processus d'endommagement. Ce résultat liant pour la première fois le comportement acoustique hystérétique non-linéaire et l'émission acoustique ouvre d'intéressantes perspectives pour la caractérisation de l'état de santé des matériaux hétérogènes et l'évaluation de leur potentiel restant.
In this work, we have studied the potentials of nondestructive evaluation methods using resonant nonlinear acoustics phenomena to characterize and follow damage induced in heterogeneous materials (concrete and polymer composites). For this, we have conceived an experimental device adapted to different geometries, which allows contact and contactless reception. for both materials, changes of the resonance frequency with increasing excitation level "fast dynamics" were correlated to the damage level. As a response to the application a strong excitation, resonance frequency of damage samples shifts to low frequencies. This shift does not disappear instantaneously when the strong excitation is removed but changes as a logarithm of time. The duration of the frequency recovery is strongly dependent on the damage state. Through this phenomenon, called "slow dynamics", we have defined new damage indicators very sensitive to primary damage states. For concrete, these observations, which manifest hysteretic nonlinear behavior of damaged materials, are supported qualitatively and quantitatively by a one-dimensional model based on the phenomenological description of Preisach-Mayergoitz. We have found interesting correlations between the different nonlinear damage indicators (slow and fast dynamics) and the elastic energy, freed by the material during the damage process, calculated through acoustic emission signals. This result, linking for the first time hysteretic nonlinear acoustics emission, offers a good opportunity and future prospects for structural health monitoring of heterogeneous materials and their remaining life determination.
Mot(s) clés libre(s) : MATERIAUX, CONTROLE NON DESTRUCTIF, ESSAI NON DESTRUCTIF, EMISSION ACOUSTIQUE, ACOUSTIQUE NON LINEAIRE, RELAXATION, DUREE DE VIE, ENDOMMAGEMENT, BETON, COMPOSITE MATRICE POLYMERE
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Bentahar Mourad. Acoustique non-linéaire : application à la caractérisation ultrasonore de l'endommagement des matériaux hétérogènes et à la prédiction de la durée de vieNonlinear acoustics. 2005 / Thèses / accès à la bibliothèque (document papier)
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Résumé
Dans ce travail, nous avons étudié les potentialités des méthodes d'évaluation non destructive (END) par ondes acoustiques non-linéaires en résonance pour la caractérisation et le suivi de l'endommagement des matériaux hétérogènes (bétons et composites base polymère). Pour cela, un dispositif expérimental permettant une réception avec et sans contact et pouvant s’adapter à différentes géométries a été développé. Pour les deux matériaux, les variations de la fréquence de résonance observées en fonction du niveau d'excitation (dynamique rapide) sont directement corrélées aux niveaux d'endommagement. Après une forte excitation (conditionnement) des éprouvettes endommagées, un décalage vers les plus basses fréquences est observé pour les deux matériaux. Ce décalage ne disparaît pas immédiatement après l’arrêt de la forte excitation, mais se résorbe en fonction du logarithme du temps, fortement lié au degré d'endommagement. A travers ce phénomène appelé « dynamique lente » nous avons pu définir de nouveaux indicateurs d’endommagement ayant une grande sensibilité aux premiers états de dégradation du matériau. Pour le béton, ces observations, traduisant le comportement hystérétique non-linéaire des matériaux endommagés, sont étayées qualitativement et quantitativement par un modèle unidirectionnel, basé sur l'approche d'interaction locale dans le cadre de la description phénoménologique de Preisach-Mayergoitz. Enfin, nous avons trouvé d’intéressantes corrélations entre les indicateurs non-linéaires d’endommagement (dynamiques rapide et lente) et l’énergie élastique libérée sous forme d’émission acoustique par le matériau lors du processus d’endommagement. Ce résultat liant pour la première fois le comportement acoustique hystérétique non-linéaire et l’émission acoustique ouvre d’intéressantes perspectives pour la caractérisation de l’état de santé des matériaux hétérogènes et l’évaluation de leur potentiel restant.
In this work, we have studied the potentials of nondestructive evaluation methods using resonant nonlinear acoustics phenomena to characterize and follow damage induced in heterogeneous materials (concrete and polymer composites). For this, we have conceived an experimental device adapted to different geometries, which allows contact and contactless reception. for both materials, changes of the resonance frequency with increasing excitation level “fast dynamics” were correlated to the damage level. As a response to the application a strong excitation, resonance frequency of damage samples shifts to low frequencies. This shift does not disappear instantaneously when the strong excitation is removed but changes as a logarithm of time. The duration of the frequency recovery is strongly dependent on the damage state. Through this phenomenon, called “slow dynamics”, we have defined new damage indicators very sensitive to primary damage states. For concrete, these observations, which manifest hysteretic nonlinear behavior of damaged materials, are supported qualitatively and quantitatively by a one-dimensional model based on the phenomenological description of Preisach-Mayergoitz. We have found interesting correlations between the different nonlinear damage indicators (slow and fast dynamics) and the elastic energy, freed by the material during the damage process, calculated through acoustic emission signals. This result, linking for the first time hysteretic nonlinear acoustics emission, offers a good opportunity and future prospects for structural health monitoring of heterogeneous materials and their remaining life determination.
Mot(s) clés libre(s) : MATERIAUX, ESSAI NON DESTRUCTIF, EVALUATION NON DESTRUCTIVE, ACOUSTIQUE NON LINEAIRE, EMISSION ACOUSTIQUE, RELAXATION, DUREE VIE, ENDOMMAGEMENT, BETON, COMPOSITE BASE POLYMERE
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Lecomte Gwenaële. Analyse d'images radioscopiques et fusion d'informations multimodales pour l'amélioration du contrôle de pièces de fonderie. 2005 / Thèses / accès numérique libre
Résumé
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Dans le cadre d'un projet du 5ème PCRD Européen, une machine de contrôle non destructif a été développée pour des pièces de fonderie, combinant trois techniques : la radioscopie, la spectrométrie et la vibration. Nous présentons dans ce rapport de thèse le traitement des images radioscopiques, utilisant le filtre morphologique du chapeau haut de forme et le seuillage par hysteresis. Des caractéristiques sont extraites automatiquement des objets détectés pour les classer en fausse alarme ou en défaut. L'analyse des caractéristiques est réalisée avec l'étude des courbes ROC. Un indice de confiance est calculé à partir de trois caractéristiques. Il donne une bonne performance de classification entre défaut et fausse alarme pour les 684 images analysées. La fusion des trois modalités de contrôle se déroule en trois étapes successives, entre les images radioscopiques, puis avec la spectrométrie, et enfin avec l'analyse vibratoire. La théorie de Dempster-Shafer a été choisie pour la fusion afin de modéliser la part de doute liée aux informations. Nous présentons la méthodologie de calcul des jeux de masses pour les 3 étapes successives de fusion : au niveau local pour chaque objet détecté dans les images radioscopiques, puis pour les volumes de mesures en spectrométrie, puis au niveau global de la pièce pour le contrôle vibratoire. La cadre de discernement est adapté à chaque étape de fusion. Les résultats obtenus montrent l'intérêt de la fusion des images radioscopiques entre elles qui augmente la part de confiance attachée à chaque défaut détecté. Les autres modalités de contrôle demandent à être améliorées pour que la fusion soit intéressante. Les premiers résultats montrent un manque de fiabilité de ces deux modalités
In the frame of the 5th european PCRD, a non destructive control machine was developed to control casting samples by merging three techniques : radioscopy, spectrometry and vibration. We present in this report the image processing based on the top hat morphological and the hysteresis filters. Features are automatically extracted to classified detected objects as defect or false alarm. A confidence defect index is calculated with three features and gives good classification performance for the 684 analysed images. Thanks to the explicit geometric model developed for the X rays control system, the detected objects are matched with objects from the three others images, taken with other sample orientations. The three non destructive techniques are fused with the Dempster-Shafer theory, which takes into account the information ignorance. The fusion is done in three steps : first between radioscopic detected objects, secondly between radioscopic and spectrometric objets and to finish at the sample level with the vibration analysis. For each control, the confidence level estimations are presented, respectively at the detected objet level, at the control volume level and at the sample level. The frame of decision is adapted for each step. Results show that the fusion of radioscopic detected objets together increases the defect hypothese confidence. The spectrometry and vibration techniques must be improved to supply reliable information.
Mot(s) clés libre(s) : INFORMATIQUE, TRAITEMENT IMAGE, IMAGE RADIOSCOPIQUE, FUSION DONNEE, METROLOGIE, CONTROLE NON DESTRUCTIF, PIECE FONDERIE
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Lecomte Gwenaële. Analyse d'images radioscopiques et fusion d'informations multimodales pour l'amélioration du contrôle de pièces de fonderie. 2005 / Thèses / accès à la bibliothèque (document papier)
Résumé
Résumé
Dans le cadre d'un projet du 5ème PCRD Européen, une machine de contrôle non destructif a été développée pour des pièces de fonderie, combinant trois techniques : la radioscopie, la spectrométrie et la vibration. Nous présentons dans ce rapport de thèse le traitement des images radioscopiques, utilisant le filtre morphologique du chapeau haut de forme et le seuillage par hystérésis. Des caractéristiques sont extraites automatiquement des objets détectés pour les classer en fausse alarme ou en défaut. L'analyse des caractéristiques est réalisée avec l'étude des courbes ROC. Un indice de confiance est calculé à partir de trois caractéristiques. Il donne une bonne performance de classification entre défaut et fausse alarme pour les 684 images analysées. Grâce à la modélisation du banc radioscopique que nous avons développée, les objets sont mis en correspondance géométrique (3D) avec ceux détectés dans les trois autres images de la même pièce, prises sous des angles différents. La fusion des trois modalités de contrôle se déroule en trois étapes successives, entre les images radioscopiques, puis avec la spectrométrie, et enfin avec l'analyse vibratoire. La théorie de Dempster - Shafer a été choisie pour la fusion afin de modéliser la part de doute liée aux informations. Nous présentons la méthodologie de calcul des jeux de masses pour les 3 étapes successives de fusion : au niveau local pour chaque objet détecté dans les images radioscopiques, puis pour les volumes de mesures en spectrométrie, puis au niveau global de la pièce pour le contrôle vibratoire. Le cadre de discernement est adapté à chaque étape de fusion. Les résultats obtenus montrent l'intérêt de la fusion des images radioscopiques entre elles qui augmente la part de confiance attachée à chaque défaut détecté. Les autres modalités de contrôle demandent à être améliorées pour que la fusion soit intéressante. Les premiers résultats montrent un manque de fiabilité de ces deux modalités.
In the frame of the 5th european PCRD, a non destructive control machine was developed to control casting samples by merging three techniques : radioscopy, spectrometry and vibration. We present in this report the image processing based on the top hat morphological and the hysteresis filters. Features are automatically extracted to classified detected objects as defect or false alarm. A confidence defect index is calculated with three features and gives good classification performance for the 684 analysed images. Thanks to the explicit geometric model developed for the X rays control system, the detected objects are matched with objects from the three others images, taken with other sample orientations. The three non destructive techniques are fused with the Dempster-Shafer theory, which takes into account the information ignorance. The fusion is done in three steps : first between radioscopic detected objects, secondly between radioscopic and spectrometric objets and to finish at the sample level with the vibration analysis. For each control, the confidence level estimations are presented, respectively at the detected objet level, at the control volume level and at the sample level. The frame of decision is adapted for each step. Results show that the fusion of radioscopic detected objets together increases the defect hypothese confidence. The spectrometry and vibration techniques must be improved to supply reliable information.
Mot(s) clés libre(s) : INFORMATIQUE, TRAITEMENT IMAGE, IMAGE RADIOSCOPIQUE, FUSION DONNEE, METROLOGIE, CONTROLE NON DESTRUCTIF, PIECE FONDERIE
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Diab Yasser. Analyse des pertes de puissance dans les transmissions par engrenages à grande vitesse : applications aux réducteurs industriels et aux machines textiles. 2005 / Thèses / accès numérique libre
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Les pertes de puissance dans les transmissions par engrenages grandes vitesses peuvent être importantes et doivent être prises en compte dès la conception afin de dimensionner au mieux les systèmes de refroidissement et d'éviter la rupture du mécanisme du fait des dilatations thermiques. Il est généralement admis que les principales dissipations d'énergie sont dues au frottement entre les dents, au procédé de lubrification (barbotage ou jet d'huile), au piégeage d'un mélange air-huile durant l'engrènement et à la ventilation de la denture. L'objectif du travail présenté est d'une part de développer différents modèles pour mieux évaluer chacune des pertes, modèles validés sur plusieurs bancs d'essais, d'autre part d'analyser le rendement et les pertes attendues de quatre transmissions à engrenages.
Power losses in high-speed gears can be significant and must be taken into consideration at the design stage in order to define the cooling systems, and to avoid mechanism failures due to thermal distortions. It is generally accepted that the total power loss in gears can be decomposed into the contributions of the friction between the teeth, the lubrication process (oil splash or jet), the trapping of air-oil mixture during meshing and finally, tooth windage. The purpose of this work is twofold; on the one hand, to develop various validated models in order to analyse the contribution of each power loss source and, on the other hand, to calculate the efficiency and the expected power losses of four different geared transmissions.
Mot(s) clés libre(s) : MECANIQUE INDUSTRIELLE, ENGRENAGE, TRANSMISSION, PERTE PUISSANCE, FROTTEMENT, DENTURES, VENTILATION
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Diab Yasser. Analyse des pertes de puissance dans les transmissions par engrenages à grande vitesse : applications aux réducteurs industriels et aux machines textiles. 2005 / Thèses / accès à la bibliothèque (document papier)
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Les pertes de puissance dans les transmissions par engrenages grandes vitesses peuvent être importantes et doivent être prises en compte dès la conception afin de dimensionner au mieux les systèmes de refroidissement et d'éviter la rupture du mécanisme du fait des dilatations thermiques. Il est généralement admis que les principales dissipations d'énergie sont dues au frottement entre les dents, au procédé de lubrification (barbotage ou jet d'huile), au piégeage d'un mélange air-huile durant l'engrènement et à la ventilation de la denture. L'objectif du travail présenté est d'une part de développer différents modèles pour mieux évaluer chacune des pertes, modèles validés sur plusieurs bancs d'essais, d'autre part d'analyser le rendement et les pertes attendues de quatre transmissions à engrenages.
Power losses in high-speed gears can be significant and must be taken into consideration at the design stage in order to define the cooling systems, and to avoid mechanism failures due to thermal distortions. It is generally accepted that the total power loss in gears can be decomposed into the contributions of the friction between the teeth, the lubrication process (oil splash or jet), the trapping of air-oil mixture during meshing and finally, tooth windage. The purpose of this work is twofold; on the one hand, to develop various validated models in order to analyse the contribution of each power loss source and, on the other hand, to calculate the efficiency and the expected power losses of four different geared transmissions.
Mot(s) clés libre(s) : MECANIQUE INDUSTRIELLE, ENGRENAGE, TRANSMISSION, PERTE PUISSANCE, FROTTEMENT, DENTURES, VENTILATION
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Gao Yan. Analyse modale et sous-structuration tridimensionnelle : application aux ponts thermiques. 2005 / Thèses / accès à la bibliothèque (document papier)
Résumé
Résumé
[...] L’élaboration d’outils de modélisation dédiés aux concepteurs doit donc trouver le meilleur compromis entre les limites des capacités de leur matériel informatique et le niveau de précision de la modélisation nécessaire à la résolution d’un problème particulier. C’est dans ce contexte que se placent les travaux que nous présentons dans cette thèse. Le premier chapitre aborde une des technique possible pour obtenir un modèle d’ordre réduit : l’identification. Cette technique semble bien maîtrisée et est illustrée par l’exemple d’un pont thermique représentatif d’un coin 3D d’un bâtiment qui est un cas de référence pour les calcul numériques tri-dimensionnels et qui est parfaitement décrit dans la norme européenne EN ISO 10211-1. Le deuxième chapitre concerne l’application des méthodes de réduction aux transferts thermiques à travers les éléments d’enveloppe des bâtiments et plus particulièrement les ponts thermiques. Après dicrétisation spatiale du problème conductif et linéarisation des échanges convectifs et radiatifs, un modèle d’état de grande dimension est obtenu, il est nécessaire d’obtenir un modèle d’état de taille réduite pour bien représenter les relations « entrées/sorties » (flux conduits dus aux sollicitations en température, par exemple). Le troisième chapitre est consacré à la mise en œuvre des technique de réduction présentées au chapitre précédent et les résultats sont comparés à ceux d’une expérimentation en vraie grandeur disponible au laboratoire. Dans le dernier chapitre nous proposons une nouvelle méthode permettant la prise en compte, dans les code de calcul consacrés à la simulation du comportement thermo-aéraulique des bâtiments, du surplus de flux engendré par les ponts thermique. En effet la plupart de ces codes de calcul ne considèrent que les flux traversant la partie courante des murs constituant l’enveloppe du bâtiment et ne traite la conduction qu’en unidirectionnel. Le modèle proposé par le candidat permet de combler cette lacune. Il est obtenu par différence du modèle d’état réduit du cas 3D (ou 2D) représentant la situation réelle et du modèle d’état réduit du cas 1D généralement traité par les codes actuels. Cette méthodologie est illustrée sur l’exemple d’un bâtimen programmé dans l’environnement TRNSYS et nous montrons sur cet exemple qu’un flux additionnel moyen de 10% n’est pas pris en compte par les méthodes classiques.
[...] Even for some that do account for the deficiency, the transient behavior of thermal bridge is almost never taken into account in transient state approach. To make up (compensate) this shortcoming, in this theses, we propose and model multi-dimensional heat transfer in building components by state-space methods and solve its order-reduced by different ways to get a simplified model. Furthermore, a thermal bridge additional heat loss model was proposed and implanted this model into thermal simulation code to satisfy our demands for simulation. Firstly, induced the state-space model, and constructed heat transfer equation for thermal bridge by spatial discritation. Then, a ‘generator’ which can directly create the mathematic expression after the data physical and geometric for problem analyzed were input. Secondly, two methods for simplifying high-order model were used, transfer-function method from multi-dimensional state-space model and sub-space identification method. Then, reduced model is used for solving the high-order problem and a modal equilibrated was also proposed for efficient calculation. Compared among three reduced model method, realized equilibration method (Moore method) is accepted and suggested for getting low-order model. The results were validated through experimental data. The conception of thermal bridge additional heat loss matrix was proposed to deal with thermal calculation for thermal bridge in the code modeled heat transfer in un-dimensional. By this way, thermal bridge heat loss can be included and coupled with entire building thermal dynamic process. At the last, thermal bridge additional heat loss low-order model was implanted and connected in simulation code TRNSYS. Building simulation was realized in complex thermal phenomenon coupling with thermal equipment with heat bridge consideration.
Mot(s) clés libre(s) : ENERGIE, TRANSFERT CHALEUR, PONT THERMIQUE, SIMULATION THERMIQUE, SIMULATION NUMERIQUE, ANALYSE MODALE, SIMULATION PAR ORDINATEUR, BATIMENT, GENIE CIVIL
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Haj Mourad Ahmad Hachem. Analyse physique de la formation des transformations tribologiques superficielles : cas des matériaux métalliques sollicités sur un dispositif à enclumes opposées de "Bridgman". 2005 / Thèses / accès numérique libre
Résumé
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Dans la plupart des contacts secs, le frottement et l'usure dépendent de la rhéologie et des débits de 3ème corps solide. En dehors des phénomènes d'adhésion, d'abrasion, de fissuration..., ce 3ème corps est le plus souvent produit naturellement à partir des transformations tribologiques superficielles (TTS) des 1ers corps. L'objectif de cette thèse est de comprendre la formation des TTS. Pour cela, des essais ont été réalisés avec une machine à enclumes opposées de " Bridgman ", qui permet de solliciter des échantillons cylindriques (D = 3 mm, e = 0,3 mm) en cisaillement sous pression (1 GPa), c'est-à-dire sous des conditions proches de celle d'un essai de frottement, mais mieux contrôlées. Trois matériaux de structures métallographiques différentes (taille de grain, présence ou non de joint de grains) ont été utilisés comme traceur de la formation des TTS. Les évolutions de la structure de ces matériaux, suivies à partir d'essais interrompus, ont été interprétées à partir des grandeurs mécaniques macroscopiques mesurées (couple, variation d'épaisseur). Les résultats montrent que lorsque le couple croît, la microstructure cristalline s'allonge puis se fragmente jusqu'à atteindre un état flou' généralisé dans le volume et pour les trois matériaux. Ensuite, c'est-à-dire au-delà des déformations plastiques classiques et pratiquement sans augmentation de couple, la peau de l'échantillon (15 m) se réarrange sous forme de grains micrométriques. La localisation de cette " zone ré-arrangée " correspond aux gradients de déformations les plus importants (4 m-1) calculés à partir d'un modèle par éléments finis développé en parallèle de ce travail, ce qui fournit un premier critère mécanique de formation des TTS.
Superficial Tribological Transformations (or STT) are usually the less damaging response of materials to tribological conditions by producing the proper solid third body for safe behaviour of 'dry' contacts. As a consequence, one solution to control wear is to control STT's formation. The main objectives of this work are to produce STT (i) in more controlled mechanical conditions than in a contact and (ii) if possible, in a volume which is more important and finally to follow the SST's formation to indentify their driving mechanism. A Bridgman Anvil Apparatus is used to shear by rotation pure iron cylindrical samples under a quasi-hydrostatic pressure of 1 Gpa. Two STT layers are observed to appear after about 240 of anvil rotation within the 'skins' of a sample (i.e. the first 20 micrometer below the surface). The sample structural evolution is analysed as a function of measured global parameters: the torque (C), the hydrostatic pressure (Ph), sliding (S) and sample depth (h). The first experimental analysis is coupled with finite element analysis to calculate sample local solicitations. Modelling allows to better identifying local different driving mechanisms that control experiments: volume shearing, material work hardening, sliding at the interfaces. The experimentally observed STT areas are directly correlated to a specific calculated behaviour of the sample 'skin'.
Mot(s) clés libre(s) : MECANIQUE, FROTTEMENT, USURE, MECANIQUE DES CONTACTS, MECANIQUE DES SOLIDES, TRIBOLOGIE, RHEOLOGIE, TTS, TRANSFORMATIONS TRIBOLOGIQUES SUPERFICIELLES, DEFORMATIONS PLASTIQUES, CISAILLEMENT, PRESSION
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Haj Mourad Ahmad Hachem. Analyse physique de la formation des transformations tribologiques superficielles : cas des matériaux métalliques sollicités sur un dispositif à enclumes opposées de "Bridgman". 2005 / Thèses / accès à la bibliothèque (document papier)
Résumé
Résumé
Dans la plupart des contacts secs, le frottement et l’usure dépendent de la rhéologie et des débits de 3ème corps solide. En dehors des phénomènes d’adhésion, d’abrasion, de fissuration…, ce 3ème corps est le plus souvent produit naturellement à partir des transformations tribologiques superficielles (TTS) des 1ers corps. L’objectif de cette thèse est de comprendre la formation des TTS. Pour cela, des essais ont été réalisés avec une machine à enclumes opposées de « Bridgman », qui permet de solliciter des échantillons cylindriques (D = 3 mm, e = 0,3 mm) en cisaillement sous pression (1 GPa), c'est-à-dire sous des conditions proches de celle d’un essai de frottement, mais mieux contrôlées. Trois matériaux de structures métallographiques différentes (taille de grain, présence ou non de joint de grains) ont été utilisés comme traceur de la formation des TTS. Les évolutions de la structure de ces matériaux, suivies à partir d’essais interrompus, ont été interprétées à partir des grandeurs mécaniques macroscopiques mesurées (couple, variation d’épaisseur). Les résultats montrent que lorsque le couple croît, la microstructure cristalline s’allonge puis se fragmente jusqu'à atteindre un ‘état flou’ généralisé dans le volume et pour les trois matériaux. Ensuite, c'est-à-dire au-delà des déformations plastiques classiques et pratiquement sans augmentation de couple, la peau de l’échantillon (15 µm) se réarrange sous forme de grains micrométriques. La localisation de cette « zone ré-arrangée » correspond aux gradients de déformations les plus importants (4 µm-1) calculés à partir d’un modèle par éléments finis développé en parallèle de ce travail, ce qui fournit un premier critère mécanique de formation des TTS.
Superficial Tribological Transformations (or STT) are usually the less damaging response of materials to tribological conditions by producing the proper solid third body for safe behaviour of ‘dry’ contacts. As a consequence, one solution to control wear is to control STT’s formation. The main objectives of this work are to produce STT (i) in more controlled mechanical conditions than in a contact and (ii) if possible, in a volume which is more important and finally to follow the SST’s formation to indentify their driving mechanism. A Bridgman Anvil Apparatus is used to shear by rotation pure iron cylindrical samples under a quasi-hydrostatic pressure of 1 Gpa. Two STT layers are observed to appear after about 240° of anvil rotation within the ‘skins’ of a sample (i.e. the first 20 micrometer below the surface). The sample structural evolution is analysed as a function of measured global parameters: the torque (C), the hydrostatic pressure (Ph), sliding (S) and sample depth (h). The first experimental analysis is coupled with finite element analysis to calculate sample local solicitations. Modelling allows to better identifying local different driving mechanisms that control experiments: volume shearing, material work hardening, sliding at the interfaces. The experimentally observed STT areas are directly correlated to a specific calculated behaviour of the sample ‘skin’.
Mot(s) clés libre(s) : MECANIQUE, FROTTEMENT, USURE, MECANIQUE DES CONTACTS, MECANIQUE DES SOLIDES, TRIBOLOGIE, RHEOLOGIE, TTS, TRANSFORMATIONS TRIBOLOGIQUES SUPERFICIELLES, DEFORMATIONS PLASTIQUES, CISAILLEMENT, PRESSION
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Saulot Aurélien. Analyse tribologique du contact roue-rail : modélisation et expérimentations. 2005 / Thèses / accès numérique libre
Résumé
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Depuis plus d'un siècle, les rails des transports urbains ferrés (tramways, métros) sont affectés d'une usure périodique de leur surface de contact appelée "usure ondulatoire". Lors du passage d'un train sur une voie en étant affectée, il apparaît d'importantes nuisances sonores et vibratoires dont les niveaux dépassent fréquemment les normes fixées par la loi. Les réseaux urbains sont alors contraints de procéder à des opérations coûteuses et répétées d'abrasion mécanique de la surface des rails par meulage, actuellemnt le seul moyen efficace de contrôle du développement de l'usure ondulatoire. Depuis des décennies, cette usure a été l'objet d'études centrées principalement sur des analyses vibratoires de ses conséquences plutôt que sur des analyses temporelles des interactions locales de contact à l'origine de sa formation. Afin de pallier ce manque, une démarche centrée sur l'analyse tribologique locale du contact roue-rail est proposée et appliquée aux cas particuliers de l'usure ondulatoire des voies rectilignes en zone d'accélération et celle des voies courbes de faible rayon. Tout d'abord, les résultats des analyses tribologiques des surfaces frottantes ont permis, dans les deux cas, de caractériser le circuit tribologique de l'usure ondulatoire établie. Cependant, l'influence de sa géométrie sur les débits qui ont mené initialement à sa formation reste à déterminer. Dans le cas de l'usure ondulatoire des voies rectilignes, un modèle numérique longitudinal en 2-dimensions de contact roue-rail a été mis en oeuvre pour pallier le manque d'instrumentation physique du contact. Dans des conditions reproduisant l'accélération d'un train, des régimes d'instabilités (adhérence-glissement) se développent naturellement dans le contact et ont pour conséquence d'induire des températures de contact et des déformations plastiques périodiques de la surface du rail qui sont comparables à celles de l'usure ondulatoire étudiée expérimentalement. Dans le cas de l'usure ondulatoire des voies courbes, une instrumentation sur site à l'échelle de la roue et du rail (collaboration RATP et Railtech) a été mise en oeuvre. Des glissements latéraux périodiques spécifiques des zones d'usure ondulatoire ont alors été identifiés. Confirmés par des essais sur banc visant à reproduire ce type d'usure (collaboration Lucchini et Politecnico di Milano), ces glissements latéraux périodiques sont bien à l'origine de la formation de l'usure ondulatoire des voies courbes.
For more than a century, the periodical wear of the rail surface, called corrugation, has remained a major issue for mass transit authorities. Misled by this phenomenon's periodicity, the previous studies have thus abandoned the analysis of the wheel-rail contact local conditions, chore of the problem, for the global frequencial analysis of the vehicule-track interactions. To compensate for this lack, the proposed process in this thesis is centered on the wheel-rail contact conditions analysis. Thus, by adding a posteriori tribological analysis of rails affected by corrugation with, on the one hand, dynamic numerical simulations by finite elements of the wheel-rail contact and, on the other hand, on site and laboratory experimentations, the tribological circuits leading to the creation of corrugation on straight tracks in acceleration on straight tracks in acceleration conditions and of corrugation on curved tracks have finally been determined.
Mot(s) clés libre(s) : MECANIQUE INDUSTRIELLE, TRIBOLOGIE, USURE ONDULATOIRE, CONTACT ROUE RAIL, THERMOMECANIQUE, ELASTOPLASTICITE, ELEMENTS FINIS, DYNAMIQUE, MODELISATION, EXPERIMENTATION
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