Academic literature on the topic 'Fatigue thermique – Transfert de chaleur – Simulation par ordinateur'

Le but de ce travail a ete de developper une simulation numerique du choc thermique dans le cas d'echantillons prismatiques a section carree. Cette simulation numerique comprend une determination, par discretisation volumique, des profils de temperature lors d'un choc thermique, une determination des profils de contraintes et la determination spatio-temporelle du coefficient d'intensite de contraintes qui conduit a un critere dimensionnel de stabilite des defauts. Cette methode de simulation par discretisation volumique presente le double avantage d'etre d'utilisation simple et d'etre peu couteuse. Diverses experiences ont ete menees afin de verifier l'accord entre la simulation et les resultats experimentaux, telles que l'allure de la courbe ecart critique de temperature en fonction de la temperature du bain de trempe, l'allure de la fissuration en fonction de la temperature du bain de trempe, l'allure de la fissuration en fonction de la temperature et du positionnement de l'echantillon et la mesure de la profondeur de fissuration. L'accord satisfaisant entre les resultats experimentaux et la simulation semble prouver que la methode de calcul peut etre consideree comme fiable en ce qui concerne les chocs thermiques. Les resultats de simulation de fatigue thermique, en accord avec ceux de la simulation de choc thermique, ne permettent pourtant pas de tirer des conclusions par rapport aux resultats experimentaux. En effet, une forte dispersion des resultats experimentaux et une imprecision sur les valeurs de l'exposant de propagation et du coefficient 1na confirment le faut que seul un calcul prenant en compte les effets probabilistes de la fatigue thermique permettrait d'approfondir cette simulation

Les lignes d’arbres de transmission navale sont soumises à des chargements cycliques complexes. Afin de caractériser en fatigue ces lignes d’arbres, deux objectifs complémentaires sont achevés. Dans un premier temps, les chargements des lignes d’arbres sont caractérisés afin d’identifier des cycles de fatigue pertinents. Lors de cette étape, une méthode paramétrique originale de dimensionnement en fatigue est mise en place. Cette méthode repose sur une modélisation des chargements avec une prise en compte de leur variabilité, de la contrainte moyenne et de la non-proportionnalité. Cette méthode montre qu’il existe deux modes d’endommagement avec un mode associé au régime cyclique établi de la flexion rotative et un mode associé aux manoeuvres du navire. Dans un second temps, une méthode de caractérisation rapide est mise en place afin d’étudier le comportement des aciers des lignes d’arbres en fatigue pour un grand nombre de configurations de chargements. Un modèle permettant d’identifier le comportement en fatigue à grand nombre de cycles, à partir des mesures d’autoéchauffements, est employé. Les aciers de l’étude sont caractérisés en traction-torsion pour diverses configurations de contraintes moyennes et de non-proportionnalité du chargement. Dans ce cadre, la notion de surface d’iso-auto-échauffement est introduite. Elle permet, pour une éprouvette, de modéliser le comportement élastoplastique et dissipatif du matériau dans l’espace dédié des contraintes. Leur utilisation permet de définir un critère de fatigue multiéchelle basé sur les invariants du tenseur des contraintes. Dans l’étude, une modélisation du comportement du matériau est proposée pour les chargements de très faible amplitude (fatigue à très grand nombre de cycles VHCF) montrant une différence forte de dissipation par rapport au régime d’amplitudes plus importantes (i.e. le domaine de la fatigue à grand nombre de cycles HCF)
Marine shaft lines undergo complex cyclic loadings. In order to characterize these structures in fatigue, two complementary objectives are achieved. Firstly, the marine shaft’s loads are characterized in order to identify relevant fatigue cycles. During this step, an original parametric fatigue design method is implemented. This method is based on the definition of an equivalent load considering multiaxiality, variability, non-proportionality and mean stress. This method allows to distinguish two damage modes with a mode associated with the established cyclic regime of rotary bending and a mode associated with the ship’s maneuvers. Secondly, a rapid characterization method is implemented to characterize in fatigue the marine shafts’ steels for a large number of loading configurations. The method is based on a model which enables fatigue identification behaviors from self-heating measurements. The steels of the study are characterized in tension-torsion for various configurations of mean stress and nonproportionality of the loading. In this context, the notion of iso-self-heating surfaces is introduced. It allows, for a specimen, to model the elastoplastic and dissipative behavior of the material in the dedicated stress space. Their use makes it possible to define a multiscale fatigue criterion based on the invariants of the stress tensor. In the study, a modeling of the behavior of the material is proposed for very low amplitude loads (VHCF) exhibiting a strong difference in dissipation compared to the regime of higher amplitudes (i.e. HCF domain)

L'objectif du travail présenté est de réaliser un modèle numérique permettant de déterminer le comportement thermique et le rendement d'une transmission mécanique à engrenages. La méthode utilisée est celle des réseaux thermiques. Elle consiste à diviser le système étudié en éléments supposés isothermes, à relier ces éléments par des résistances thermiques qui tiennent compte des transferts de chaleur rencontrés (conduction, convection, rayonnement) et à injecter en différents noeuds du réseau les quantités de chaleur générées par des pertes de puissance éventuelles. Les pertes prises en compte dans le modèle sont les suivantes : frottement généré par les dentures en contact, pertes dans les paliers hydrodynamiques ou à roulements, frottement aux joints d'étanchéité et dans les synchroniseurs des boîtes de vitesses, pertes liées au phénomène de barbotage. En ce qui concerne cette dernière source de chaleur, une étude particulière a été menée via l'exploitation d'un banc d'essais spécifique et des formulations originales sont proposées pour quantifier la puissance générée. L'originalité du modèle thermique proposé réside dans le fait que chaque élément d'une transmission est assimilé à une forme géométrique simple, ceci permet l'emploi de corrélations standards et rend le modèle générique. Un logiciel a été développé afin de coupler les calculs thermiques à ceux des pertes de puissance. Ce logiciel autorise la résolution de problèmes en régime permanent et dynamique. Des campagnes d'essais ont été menées sur deux types de transmission : une boîte de vitesses manuelle à six rapports et un réducteur industriel. Les résultats obtenus montrent que l'outil numérique est tout à fait prédictif du comportement thermique et des évolutions de rendement observés sur un ensemble à engrenages
The objective of the work presented here is to elaborate a numerical model which can predict the thenmal behaviour and the efficiency of power gearing transmission. The thenmal networks method has been used. This method consists in dividing the geared unit into isothenmal elements and connecting these elements by thenmal resistances which depend on the kind of heat transfer encountered (conduction, convection, radiation). Seme elements of the network represent heat sources and the heat generated is linked to power losses which occur in a gearing transmission. The following sources of power lasses are laken into account : friction due to the meshing c gear teeth, lasses in bearings, friction in shaft seals and in gearbox synchronizer sets, losses due to cil churning. As far as cil churning lasses are concerned, a specifie test rig has been used to study this dissipation source and seme original fonmulations are proposed to quantify the heat generated. The originality of the model thal has been developed lies in the nodal decomposition : each element is considered as having a basic shape. Then classical correlations are used to quantify heat transfers, and it allows to simulate the thermal behaviour of any geared unit. A computational program has been designed in order to solve simultaneously power lasses and thermal calculations. Steady-state and transient problems can be solved. Seme measurements have been carried out with Iwo different power trains transmissions : a manual six-speed gearbox and an industrial gear unit. The results of these experiments show thal the numerical model allows to predict with a good accuracy the thermal behaviour and the efficiency

Cette étude est consacrée aux modélisations analytique et numérique du phénomène de contact thermique périodique entre deux surfaces solide-solide. En particulier, nous utilisons la notion de quadripôle thermique pour résoudre le transfert conductif dans un contact plan-plan monodimensionnel périodique ainsi que dans le cas d'un macro-contact périodique avec constriction. La modélisation est effectuée par un développement en séries de Fourier des variables périodiques en temps. Cette méthode quadripolaire nous permet d'une part, de prédire le comportement thermique du contact de l'interface périodique dans des conditions quelconques et d'autre part, d'analyser l'influence de divers paramètres sur la résistance apparente dans un domaine étendu de fréquence. Les résultats sont alors compares avec ceux des autres modèles, analytiques ou numériques. L’étude bidimensionnelle montre que le modèle monodimensionnel reste valable pour les périodes longues, mais qu'il est nécessaire d'introduire la notion de temps d'établissement de la constriction thermique pour expliquer le comportement du contact pour les périodes courtes et moyennes. Nous étudions analytiquement l'établissement de la constriction dans un cas simple et son influence sur le transfert de chaleur dans le macro-contact. Des représentations simplifiées de la résistance apparente sont données pour les trois cas limites (courtes, moyennes et longues périodes). Une expérimentation monodimensionnelle est mise en place. Les résultats sont compares aux solutions des modèles précédents.

La thèse a été réalisée dans le cadre d'une collaboration entre le LTDS et la société ESI-Software. Le but est de développer une nouvelle méthode directe destinée à la modélisation du couplage physique fort entre les problèmes magnétodynamique et thermo-metallurgique dans une simulation numérique d'un procédé de traitement thermique superficiel par induction. Habituellement, la méthode indirecte classique est utilisée pour résoudre de tels problèmes couplés. Nous avons proposé d'utiliser une nouvelle méthode directe lorsque le courant source est sinusoi͏̈dal. Pour ce faire, les problèmes non-linéaires magnétodynamique et thermo-metallurgique sont résolus ensemble dans le même élément fini et la résolution du problème magnétodynamique repose sur une formulation éléments finis de balance harmonique (ou multi-harmonique). Les contraintes et déformations mécaniques résiduelles à la fin du traitement peuvent ensuite être calculées à partir des distributions de température et de phase
This work has been done in collaboration between the LTDS and the ESI-Software company. The aim is to develop a new direct method for the modelling of the strong physical coupling between magnetodynamic and thermo-metallurgical problems in order to numerically simulate induction hardening process. Usually, the classical indirect method is used to solve such coupled problems. We have proposed to use a new direct method as far as the source current is sinusoidal. Thus, non-linear magnetodynamic and thermal problems are solved together in the same finite element and the resolution of the magnetodynamic problem rests on the harmonic balance (or multi-harmonic) finite element formulation (HBFEM). Residual mechanical stresses and strains at the end of the treatment can be therefore calculated from the temperature and phase distributions

Les joints d'etancheite a faces radiales sont des composants assurant l'etancheite des passages d'arbres tournants dans des applications techniques de hautes performances et qui exigent une grande fiabilite. Leur fonctionnement fait intervenir un ensemble complexe de plusieurs phenomenes interdependants. Le travail de recherche de cette these de doctorat a ete consacre aux deux phenomenes qui sont preponderants lorsque les faces sont lubrifiees par un film liquide ; le comportement dynamique de l'element vibrant du joint et la modelisation des effets thermohydrodynamiques. A partir d'une analyse bibliographique approfondie des etudes sur ce sujet, une modelisation originale du comportement dynamqieu du stator flottant a ete developpee. Il est montre que, sous certaines conditions, l'analyse de stabilite mise au point anterieurement pour des faces lisses peut etre adaptee au cas de faces rainurees. Dans le domaine de stabilite du regime d'entrainement dynamique, les equations du mouvement du stator a trois degres de liberte sont resolues par une methode numerique simple. Le programme realise constitue un outil d'aide a la conception et a l'optimisation des garnitures d'etancheite a faces lisses ou rainurees. Une etude parametrique d'un joint industriel typique est presentee. Elle met en evidence le role des rainures et des defauts de surface qu'elles engendrent. Une large revue bibliographique des etudes thermohydrodynamiques des paliers, butees et joints a aussi ete effectuee. Elle a montre l'opportunite de nouvelles recherches appliquees aux garnitures d'etancheite. Les equations generales du probleme sont presentees sous leur forme tridimensionnelle en regime permanent d'entrainement dynamique. Ces equations sont resolues simultanement, par des methodes numeriques propres a chacune, au cours d'un processus iteratif. Elles sont couplees par les conditions de transfert thermique sur les frontieres communes a leurs domaines. La methode a ete validee dans le cas de la seule etude analytique comparable publiee a ce jour. Les resultats obtenus par la suite montrent l'influence de la fuite et celle des differents types de conditions d'echanges aux frontieres. Ils montrent en outre que les effets des mesalignements ou des ondulations des faces ne peuvent etre negliges.

Dans ce travail, nous avons étudié le traitement thermique en continu des fluides chargés en grosses particules. Dans l'introduction, nous avons énuméré les problèmes posés par la stérilisation en continu des produits à particules dans l'optique de dimensionnement des installations traitant ce type de produits, puis les avantages et les inconvénients que présente cette technique en comparaison aux procédés conventionnels classiques (traitement en batch par autoclave). Un chapitre est consacré à l'état de l'art en matière de résolution des principaux problèmes (distribution des temps de séjour des particules et coefficient de transfert de chaleur par convection fluide-particule) en clarifiant ce qui reste à entreprendre dans ce domaine et les contraintes posées. Le deuxième chapitre décrit les moyens mis en œuvre (plate-forme expérimentale, moyen de mesure) puis les méthodes utilisées pour atteindre ces objectifs. Enfin, le dernier chapitre présente les résultats obtenus en matière de DTS des particules et de l'intégrateur temps-température (ITT) utilisé pour évaluer l'efficacité stérilisatrice du procédé et les conditions à mettre en œuvre pour assurer un bon traitement du fluide et des particules. Un logiciel de simulation numérique a été mis au point afin d'apprécier le traitement subi par les particules. Un excellent accord a été trouvé entre ces résultats numériques et ceux obtenus expérimentalement.

Un appareil de mesure de la diffusivite thermique des materiaux a haute temperature (600 - 1800 k) est etudie. Son principe est base sur la methode periodique en geometrie cylindrique. Un etalonnage sur des materiaux ceramiques (cecorite et alumine) et metalliques (acier inoxydable aisi 304 l et nickel) a ete realise. L'appareil est bien adapte a la mesure des diffusivites inferieures a 0. 1 cm#2. S#-#1 rencontrees dans les ceramiques et les alliages metalliques. En revanche, la forte diffusivite des metaux purs n'est pas mesurable avec le dispositif dans sa forme actuelle. Une etude detaillee des erreurs experimentales montre que la principale source d'incertitude est liee a l'utilisation de capteurs thermoelectriques de contact. En effet, d'une part la taille finie de ces capteurs limite la connaissance de la distance entre les points de mesure, d'autre part, l'imperfection du contact apporte une imprecision par la variation brutale de temperature creee a l'interface capteur / echantillon. Des modeles mathematiques, valides a partir des resultats experimentaux obtenus sur la cecorite et l'alumine, demontrent que ces deux effets entrainent: un ecart apparent entre la valeur de la mesure a partir de l'amortissement du signal thermique et celle issue du dephasage ; une dependance des mesures avec la frequence. Pour les echantillons metalliques, l'emploi de couples thermoelectriques intrinseques minimise l'effet du contact. Sur les echantillons isolants electriques, l'utilisation d'un gaz neutre bon conducteur de la chaleur tel l'helium est preconise. La reduction de la taille des capteurs thermoelectriques est la principale amelioration de la precision envisageable. Le principe de la mesure des conductances thermiques de contact sur un echantillon cylindrique composite, avec le meme appareil, est etabli. Des mesures sur une interface modele nickel / nickel de macrorugosite controlee montrent un accord correct avec les resultats issus d'une modelisation geometrique classique du contact. L'appareil permet la mesure des conductances inferieures a 10 w. Cm#2. K#-#1

Le présent travail concerne l’étude expérimentale et numérique des performances thermiques de réseaux de microcaloducs usinés dans du silicium. Un modèle numérique a été développé pour simuler les comportements hydrodynamique et thermique d’un réseau de microcaloducs, chargé en eau, dont la section transversale est de forme triangulaire. Cette simulation permet de déterminer la densité de flux maximale correspondant à la limite capillaire, la masse de fluide optimale, les profils de températures et les gradients de température maximaux en fonction de la géométrie. Différents réseaux de microcaloducs en silicium ont été conçus, puis réalisés (en collaboration avec le LPM et le LPCS). Le réseau de microcaloducs est constitué de deux plaquettes en silicium d’épaisseur 350 µm. La première plaquette comporte des canaux, de section triangulaire, réalisés par gravure anisotrope au KOH. La seconde plaquette, qui sert à la fermeture des canaux, comporte sur sa face externe des thermistances en silicium polycristallin. Leur assemblage est effectué par adhésion moléculaire. Pour l'étude expérimentale, deux bancs d’essais ont été réalisés : l’un sert au dégazage du fluide, au remplissage des microcaloducs et à la mesure de la charge, l’autre est utilisé pour caractériser les performances thermiques des différents réseaux de microcaloducs. Pour un réseau de microcaloducs à artère (constitué de trois plaquettes), chargé en méthanol, les profils de températures et la puissance thermique ont permis de déterminer, à l’aide d’un modèle 3D, la conductivité thermique équivalente. Par rapport à une plaquette en silicium (de même épaisseur), on obtient une amélioration de la conductivité thermique équivalente de 300 %
Thermal performance of silicon micro heat pipe (MHP) arrays have been studied experimentally and numerically in the present work. A numerical model has been developed in order to simulate the hydrodynamic and thermal behaviour of a water MHP array, whose cross sectional area is triangular. Capillary limit, optimal fluid charge and temperature profiles can be determined according to the geometry. Several silicon MHP arrays have been designed and realised (with the collaboration of LPM and LPCS). The MHP array is made of two silicon wafers of 350 µm thick. V-grooves have been micromachined in the first one using an anisotropic wet-chemical etching (KOH). On the second wafer, used to close the MHP (by fusion bonding with the first wafer), polysilicon thermistors are deposited on the external side. Two experimental set up have been realised for the experimental study. The first one permits to degass the fluid, to charge the MHP array and to measure the charge ; the other one is used to determine the thermal performances of several MHP arrays. For a MHP array made of three wafers and filled with methanol, the temperature profiles and the heat load allow to determine, using a 3D-model, the effective thermal conductivity. Comparing with a silicon wafer (with a same thickness), a noticeable increase in the effective thermal conductivity (about 300 %) is obtained