Дисертації з теми "Coupe – Vibrations"

Cette thèse porte sur la modélisation des vibrations de l'outil en coupe orthogonale, l'étude de stabilité du processus et la validation expérimentale. Dans ce travail, un modèle à un seul, puis à deux degrés de liberté du processus vibratoire a été développé. Pour des conditions de coupe données, il est possible d'estimer les efforts de coupe instantanés, d'obtenir la réponse dynamique de l'outil et donc l'état de surface final, et de prévoir la limite de stabilité du processus caractérisée par des lobes. Différents effets couplés ont été pris en compte tels que : le frottement à l'interface outil-copeau fonction de la vitesse du copeau, les variations de la quantité de matière usinée dues aux ondulations de la surface à usiner associées aux oscillations de l'outil, les variations instantanées de l'angle de coupe et de dépouille, l'effet de la pente de la surface à usinersur l'angle de cisaillement et le contact en dépouille de l'outil avec la surface nouvellement usinée.

Dans la mise en forme par enlèvement de matière, pour certaines morphologies de pièces et sous certaines conditions de coupe, l'apparition de vibrations auto-entretenues est inévitable.
Pour remédier à ce phénomène en tournage des matériaux, une étude expérimentale originale exploitant la notion de torseur d'efforts est mise en place pour déterminer, très précisément, le comportement dynamique du système usinant (pièce/outil/machine). Les principaux paramètres relatifs au comportement dynamique du système usinant sont identifiés. La localisation des déplacements de la pointe de l'outil dans un plan caractéristique est démontrée. L'existence de ce plan et les corrélations avec les caractéristiques élastiques du système usinant permettent de simplifier le modèle dynamique 3D et de proposer un modèle en accord avec les résultats expérimentaux tout en restant dans une configuration tridimensionnelle de la coupe.
La simulation numérique issue de ce modèle simplifié fournit des résultats en bon accord avec l'expérience.

Dans la mise en forme par enlèvement de matière, pour certaines morphologies de pièces et sous certaines conditions de coupe, l'apparition de vibration auto-entretenues est inévitalbles. Pour remédier à ce phénomène en tournage des matériaux, une étude expérimentale originale exploitant la notion de torseur d'efforts est mise en place pour déterminer, très précisement, le comportement dynamique du système usinant (pièce/machine). Les principaux paramètres relatifs au comportement dynamique du système usinant sont identifiés. La localisation des déplacements de la pointe de l'outil dans un plan caractéristique est démontrée. L'existence de ce plan et les corrélations avec les caractéristiques élastiques du système usinant permettent de simplifier le modèle dynamqiue 3D et de proposer un modèle en accord avec les résultats expérimentaux tout en restant dans une configuration tridimentionnelle de la coupe. La simulation numérique issue de ce modèle simplifié fournit des résultats en bon accord avec l'expérience.

Le talonnage d'un outil lors de l'usinage fait amortir les vibrations générées et impacte la stabilité du processus d'usinage. Alors, il faut prendre en compte ce phénomène lors de la simulation d'usinage. Ce travail de thèse présente une méthode pour l'identification, la modélisation, et la simulation numérique de talonnage d'un outil lors de l'usinage. La modélisation du talonnage est basée sur l'approche classique du calcul du volume de l'interférence entre la face de dépouille et la surface usinée de la pièce. Un dispositif spécifique a été conçu qui peut créer les conditions nécessaires pour générer l'interférence entre la face de dépouille de l'outil et la surface générée de la pièce. Les modèles géométriques de la pièce et l'outil sont représentés par les z-buffers qui permettent de déduire numériquement le volume de l'interférence en fonction des positions relatives de z-buffers à chaque instant. Les coefficients des efforts de coupe liés au talonnage sont estimés à partir de la méthode de la minimisation d'une erreur des efforts de coupe mesurés et les efforts de coupe simulés
The process damping results from the interference between tool clearance face and the workpiece generated surface and affects the stability of a machining process. Therefore it is necessary to take this phenomenon into consideration during the simulation of machining process. This thesis work presents a practical method for identification, modelling, and numerical simulation of process damping during machining of a workpiece. A special fixture has been used which creates the vibrations conditions necessary to generate the interference between tool clearance face and the specifically designed workpiece. The modelling of process damping is based on the numerical calculation of the interference volume between tool clearance face and the workpiece generated surface. The tool and workpiece geometries are represented by z-buffers whose relative positions at each instant permit to evaluate numerically the interference volume. The process damping coefficients are then estimated by minimization of the error between measured cutting force and the simulated cutting forces

Le perçage assisté par vibrations est un procédé assurant la maîtrise dimensionnelle des copeaux pour gagner en fiabilité sur les opérations de perçage. L’ajout d’une oscillation axiale pilotée en amplitude et en fréquence introduit deux nouveaux paramètres à déterminer en adéquation avec les paramètres conventionnels que sont l’avance et la vitesse de coupe. Le paramétrage d’une telle opération n’est donc pas trivial. Afin de fournir un outil d’optimisation du paramétrage du procédé, une nouvelle modélisation prenant en compte l’environnement « Pièce-Outil-Machine » est proposée. L’intégration de la géométrie de l’outil, des spécificités des interactions entre l’Outil et la Matière, et du comportement dynamique de la Machine permet s’adapter aux conditions de mise en oeuvre du procédé. Une méthode d’identification dissociée des éléments de l’environnement « Pièce-Outil-Machine » permet de caractériser les spécificités de chacun de ces éléments. Cette modélisation est validée par une campagne d’essai. La modèle développé dans ces travaux permet donc de prédire le comportement du procédé en vue d’une optimisation des paramètres opératoires
Vibrations assisted drilling is a process which ensures chip shape control in order to increase reliability during drilling operations. The adding of axial oscillation, controlled with amplitude and frequency, introduce two new parameters which must determinate according to the conventional parameters (feed and speed rotation). The optimal setting of vibrations assisted drilling is not obvious. To provide an optimization-tool of the process, a new model which take into account the “Tool-Workpiece-Machine” environment, is proposed. Drill geometry, Tool-Workpiece interactions and dynamic behavior of the Machine are incorporated in the model. Tis specificity allows adjusting behavior of the process with the case of application. An identification methodology is presented to characterize the environment. Simulation’s results and experimental results are compared to validate the model. This model thus allows predicting process behavior in order to optimize the operational parameters

L’optimisation des paramètres de coupe en usinage à grande vitesse impose le passage à travers la modélisation des efforts de coupe en intégrant les erreurs d’usinage ainsi que l’analyse de la topographie. La présente étude porte sur l’analyse de l’effet des paramètres de coupe et des erreurs d’usinage sur la topographie des surfaces fraisées avec une fraise à bout sphérique monobloc. Pour y parvenir on a modélisé la géométrie de la fraise en tenant compte des erreurs d’usinage , la zone d’engagement outil-pièce et le calcul de la largeur et de l’épaisseur de coupe en tenant compte de la trace de la dent précédente afin de montrer l’effet des erreurs d’usinage sur les efforts de coupe. Une analyse de la topographie en fonction de tous ces paramètres et des erreurs d’usinage est réalisée en se basant sur une validation expérimentale
The optimization of the cutting parameters in high-speed machining requires the consideration of the machining errors in the modeling of the cutting forces and the surface topography. Therefore, the present study deals with the analysis of the effect of cutting parameters and machining errors on the surface topography of milled surfaces with a ball-end mill. The tool geometry was modeled taking into account all the machining errors such as runout, bending, vibrations and wear. Then, the Cutter Workpiece Engagement region 'CWE ', the cutting width and the uncut chip thickness were modeled taking into account the trace of the previous tooth. Subsequently, thermomechanical modeling of cutting forces in the milling process with a ball-end tool is made considering these errors. Finally, an analysis of the topography according to all these parameters and machining errors was carried out based on experimental validation

Dans cette étude, on s’intéresse à un système de production par usinage qui est l’un des procédés de fabrications les plus adoptés par les différentes industries mécaniques (automobile, aéronautique, ferroviaire…). L'objectif de cette thèse pluridisciplinaire (Mécanique et Génie Industriel) est double : (1) le développement d’un nouveau modèle thermomécanique de la coupe oblique, avec vibration, en usinage à sec et (2) la maximisation du profit afin d’établir conjointement une stratégie de production et un plan de maintenance préventive. Le couplage entre l’opération d’usinage et la partie « optimisation simultanée des coûts de production et de maintenance » se fait à travers la prise en compte de l’effet des conditions de coupe sur l’état de la surface généré et sur l’usure de l’outil de coupe. Dans l’approche proposée, l’usure est prise en compte via la loi empirique de Taylor et l’état de la surface usinée est prédite à travers une nouvelle modélisation des vibrations en coupe oblique. Le premier objectif de la thèse concerne le développement d’une nouvelle modélisation thermomécanique de la coupe oblique avec vibration. Dans ce modèle analytique de coupe, le système vibratoire outil-porte outil est assimilé à un système à un seul degré de liberté dans la direction d’avance. On prend en compte le couplage entre les oscillations de l’outil, le processus thermomécanique de formation du copeau ainsi que l’effet régénératif. Ce dernier résulte de la variation de la quantité de matière à usiner entre deux passes successives. Les sorties de l’outil de la zone de coupe en fonction des conditions de coupe sont également considérées. Le couplage entre l’ensemble de ces mécanismes rend le problème à résoudre fortement non linéaire. Un algorithme de résolution permettant de réduire le temps de calcul a été mis en place. Le deuxième objectif de la thèse est réalisé par le biais du développement d’un modèle analytique. Dans ce modèle, le profit à maximiser, intègre les revenus de vente du produit fini, les coûts de production et de maintenance tout en considérant l’impact des conditions d’usinage sur les coûts de production, la qualité des pièces usinées ainsi que la dégradation du système de production. On prend donc en compte d’une manière simultanée l’impact des conditions d’usinage sur trois aspects fondamentaux pour la partie « optimisation simultanée des coûts de production et de maintenance ». Le premier concerne l’impact des conditions d’usinage sur la durée et les coûts de production. Le deuxième concerne l’impact sur la dégradation du système d’usinage et par conséquent sur le plan de maintenance optimal à adopter. Le troisième concerne l’impact sur la qualité du produit fini qui affecte directement les coûts de vente et plus précisément les coûts de reviens. Ces interactions sont prises en considération par le biais du développement d’un modèle analytique afin d’établir un plan optimal de maintenance intégrée à la production pour le système d’usinage
In this study, we are interested in a machining production system which is one of the manufacturing processes most adopted by the various mechanical industries (automotive, aviation…etc.). The objective of this multidisciplinary thesis (Mechanics and Industrial Engineering) is double: (1) the development of a new thermomechanical model of oblique cutting in dry machining and (2) the maximization of profit in order to establish a strategy production and a preventive maintenance plan.The coupling between the machining operation and the part "simultaneous optimization of production and maintenance costs" is done by considering the effect of cutting conditions on the generated surface quality and on the tool wear. In the proposed approach, wear is taken into account through Taylor's empirical law and the machined surface quality is predicted via a new model of vibrations in oblique cutting.The first objective of this work concerns the development of a new thermomechanical model of the oblique cutting with vibration. In this analytical cutting model, the vibratory system is assimilated to a system with a single degree of freedom in the tool feed direction. We take into account the coupling between tool oscillations, the thermomechanical process of chip formation as well as the regenerative effect. The latter results from the variation in the material quantity to be machined between two successive passes. The coupling between all of these mechanisms makes the problem to be solved strongly nonlinear. A resolution algorithm making it possible to reduce the computation time has been implemented.The second objective of the thesis is achieved through the development of an analytical model where the optimization consists in maximizing a profit integrating selling price of finished product, production and maintenance costs. We note the originality of this part consists in considering the impact of the machining conditions, especially the cutting speed, on the production durations and costs, the quality of the machined parts as well as the degradation of the production system. The impact of machining conditions on three fundamental aspects is therefore considered simultaneously for the "simultaneous optimization of production and maintenance costs" part. The first concerns the impact of machining conditions on production time and costs. The second concerns the impact on the degradation of the machining system and therefore on the optimal maintenance plan to be adopted. The third concerns the impact on the quality of the output product which directly affects the selling costs and more specifically the total profit. These interactions are taken into account through the development of an analytical model to establish an optimal integrated production maintenance plan for the machining system, illustrated by the optimal switching date for changing cutting speed and the optimal numbers of batches to produce before every preventive maintenance action for every production phase. Every production phase is characterized by a cutting speed

L'objectif principal de ce projet est d’apporter des informations destinées à clarifier la physique des vibrations en usinage à partir de la coupe orthogonale en tournage. Le premier chapitre comprend la caractérisation des procédés d'usinage en utilisant les efforts de coupe en présence de vibrations. Nous réalisons une évaluation dans le domaine fréquentiel des dynamomètres piézoélectriques et de l'influence des composants de montage, ce qui dévoile les problèmes des mesures dynamiques. A la fin de cette première partie nous proposons une méthode de correction sur les mesures des dynamomètres piézoélectriques au-delà de leur bande passante et nous présentons également une application de cette méthode. Le second chapitre est consacré à la compréhension des sources de vibration en coupe orthogonale. Nous analysons spécialement la formation du copeau segmenté dentelé et son évolution en fonction des conditions de coupe, puisque le rôle de ce phénomène comme source d'excitation n’est pas suffisamment éclairé dans la littérature. De plus, nous discutons les effets des excitations régénératives, qui dépendent de l’interaction entre les conditions de coupe et de la reponse structurelle de la machine-outil. Le troisième chapitre comprend l'identification expérimentale des causes des vibrations durant l'usinage. Nous avons identifié et caractérisé la formation du copeau dentelé et la réponse dynamique de la machine-outil. Le dernier chapitre comprend la modélisation, laquelle contribue à l'éclaircissement de la physique du processus de coupe, ce qui peut être utilisé pour étudier des aspects comme l’usure de l’outil, la finition des pièces ou la conservation des tolérances
The main objective of this project is furnishing information to clarify the vibrations physics in machining from orthogonal cutting. First chapter contains the machining process characterisation by means of cutting forces. We evaluate the piezoelectric dynamometers in frequency domain and the influence of assembly components. These evaluations reveal the dynamic measurements problems. At the end of this part, we propose a correction method of piezoelectric dynamometer measurements to frequencies higher than dynamometer bandwidth. Also, we present an application of the method. Second chapter comprises the understanding of vibration sources. We analyse specially the segmented chip formation because its excitation role is not clear in literature. Also, we consider the effects of regenerative excitations, which depend of interaction between cutting conditions and machine-tool dynamic response. Third chapter includes the experimental identification of vibration sources during machining. We have identified and characterized the segmented chip formation and the machine-tool dynamic

L'usinage est un processus de fabrication d'une grande importance économique qui se base sur l'utilisation d'un outil de coupe affuté pour couper et enlever mécaniquement de la matière d'une pièce afin d'obtenir une géométrie souhaitée. Compte tenu des exigences toujours croissantes en termes de qualité, de variabilité des produits et de réduction des coûts, les systèmes de surveillance de l'état des outils ainsi que de la qualité de la pièce usinée, basés sur des techniques du domaine de l'intelligence artificielle (IA), constituent une solution potentielle pour en avoir des processus de fabrication plus fiables et économiques. Les récents développements dans le domaine de l'IA, ont montré un grand potentiel pour transformer le domaine de la fabrication avec des outils avancés dédiés à l'analyse et à la modélisation des données. En particulier, les algorithmes d'apprentissage machine supervisé (ML), constituent un outil puissant pour modéliser les relations complexes entre les variables d'entrée et de sortie sur la base d'un ensemble de données contenant des exemples, c'est-à-dire, de paires d'entrées-sorties. Néanmoins, l'un des principaux inconvénients de ces techniques de modélisation est qu'une grande quantité de données, généralement obtenues par la réalisation d'expériences (souvent longues et coûteuses à réaliser), est nécessaire pour former des modèles précis et fiables. Ce qui limite l'applicabilité de ces types de modèle dans un contexte industriel. Compte tenu de ce contexte, l'étude menée vise à contribuer à l'identification de méthodologies pour le développement de modèles ML dédiés à la surveillance d'usinage en conditions industrielles, dans lesquelles le temps et les ressources pour la réalisation d'expériences sont souvent limités. A cet effet, il est considéré dans cette étude que, bien que les expériences puissent parfois être coûteuses, dans l'industrie, il est courant qu'avant de lancer des productions d'usinage avec un nouvel outil ou un nouveau matériau, des expériences de réglage soient effectuées afin de déterminer les paramètres de coupe les plus appropriés pour réaliser cette production. Compte tenu de cette nécessité (ou recommandation), il sera investigué dans cette thèse, les performances prédictives qui peuvent être atteintes si des données, issues de ces expériences de réglage, sont utilisées pour générer des modèles prédictifs pour la surveillance de l'usinage. Plus précisément, des expériences de réglage issues de la méthodologie normalisée Couple-Outil-Matière (NF E 66-520) sont considérées. Soucieux d'obtenir de bonnes performances prédictives avec une quantité limitée de données expérimentales, des capteurs pour la mesure des efforts, de la température et des vibrations de coupe sont choisis comme instrumentation du système de surveillance à développer, en raison de ses relations étroites avec la cinématique du procédé d'usinage. A ce propos, une attention particulière est accordée à l'étape d'ingénierie des caractéristiques. Autrement dit, le processus qui consiste à transformer les données brutes disponibles, par exemple, les signaux enregistrés par les capteurs, en caractéristiques, c'est-à-dire, des informations, représentant plus précisément le problème sous-jacent au modèle prédictif. Finalement, étant donné que, dans l'industrie, le changement de référence de l'outil de coupe peut se produire assez souvent, il sera aussi étudié si les modèles développés pour un type d'outil de coupe cible peuvent être appliqués à d'autres types d'outils légèrement différents (variations sur le rayon de bec, substrat et revêtement) et si, pour l'entrainement de modèles ML, l'utilisation de bases de données plus volumineuses, mais contenant des observations relatives pas seulement l'outil cible, mais aussi à d'autres outils légèrement différents de celle-ci, sera plus avantageuse, par rapport à l'utilisation d'une base de données moins volumineuse, mais spécifique à l'outil cible
Machining is an economically important manufacturing process that relies on the use of a sharpened cutting tool to mechanically cut and remove material from a part to achieve a desired geometry. Given the ever-increasing demands for quality, product variability and cost reduction, tool condition and workpiece quality monitoring systems based on artificial intelligence (AI) techniques are a potential solution are a potential solution for a more reliable and economical manufacturing processes. Recent developments in the field of AI, have shown great potential to transform the manufacturing domain with advanced tools dedicated to data analysis and modeling. In particular, supervised machine learning (ML) algorithms are a powerful tool for modeling complex relationships between input and output variables based on a dataset containing examples, i.e., input-output pairs. Nevertheless, one of the main drawbacks of these modeling techniques is that a large amount of data, usually obtained through experiments (often long and expensive to perform), is required to train accurate and reliable models. This fact limits the applicability of these types of models in an industrial context. Considering this context, this study aims to contribute to the identification of methodologies for the development of ML models dedicated to machining monitoring within industrial conditions, in which time and resources for the realization of experiments are often limited. For this purpose, it is considered in this study that, although experiments can be onerous, in the industry it is common that, before starting large scale machining productions with a new tool or material, setup experiments are performed to determine the most appropriate cutting parameters to perform that production. Given this need (or recommendation), it will be investigated in this thesis, the predictive performances that can be achieved if data, obtained from these tuning experiments, are used to generate predictive models for machining monitoring. More precisely, setting experiments from the standardized methodology Couple Tool-Material protocol (NF E 66-520) are considered. In an effort to obtain good predictive performance with a limited amount of experimental data, sensors for measuring cutting forces, temperature and vibrations are chosen as instrumentation for the monitoring system to be developed, given its close relationship with the kinematics of the machining process. In this matter, special attention is given to the feature engineering step. That is, the process of transforming the available raw data, for example, the signals recorded by the sensors, into features, i.e., information, that more accurately represent the problem underlying the predictive model. Finally, since in the industry the changes in cutting tool reference can occur quite often, it will also be investigated whether the models developed for a given target tool can be applied to other slightly different tools (variations on nose radius, substrate and coating) and whether, for the training of ML models, the use of larger databases, but containing observations related not only to the target tool but also to other tools slightly different from it, will be more advantageous, compared to the use of a smaller database specific to the target tool

Le diagnostic des outils de coupe joue un rôle dans l’industrie où il est important de maîtriser les coûts ainsi que la qualité des produits finis tout en maintenant la sécurité et la sûreté des biens et des personnes. L’objectif de cette thèse est l’analyse vibratoire des outils de coupe d’une opération de fraisage pour le diagnostic de leur état de dégradation. Dans une première partie nous avons étudié les possibilités offertes par les traitements statistiques synchrones des signaux vibrations issus d’une opération d’usinage pour étudier leur état de fonctionnement. Les signaux vibratoires traités ont la particularité d’être cyclostationnaires, c'est-à-dire périodiques dans leurs propriétés statistiques. La prise en compte de cette propriété permet l’utilisation des descripteurs capables de caractériser instantanément les processus vibratoires, en liaison avec la cinématique mécanique de l’opération d’usinage. De plus lorsque associé à l’échantillonnage angulaire, la cyclostationnarité conduit vers la proposition d’estimateurs statistiques synchrones commodes à mette en œuvre. Les statistiques synchrones d’ordre l et d’ordre 2, la corrélation spectrale ainsi que le bispectre cyclique sont définis avec leurs interprétations et leurs estimateurs. Un modèle des signaux de fraisage est donné. Cette modélisation vise à démontrer la cyclostationnarité de ces signaux. L’emploi de ces indicateurs est illustré sur des signaux réels et comparé avec des indicateurs classiques pour le diagnostic de dégradation des outils de coupe. Dans une deuxième partie, la déconvolution aveugle de la réponse impulsionnelle d’un processus cyclostationnaire est réalisé, en utilisant seulement les statistiques d’ordre deux. Pour cela on exploite la propriété de cyclostationnarité pour estimer la phase du système, même si le système est à phase non minimale. Deux méthodes sont présentées, paramétrique Ding-p et non paramétrique Ding-n. Ces méthodes ont été validées sur des signaux de simulation des signaux vibratoires issus des machines tournantes. Deux applications ont été faites, la première est d’estimer la réponse impulsionnelle d’un système broche-outil-pièce de fabrication. La deuxième c’est de reconstruire les forces de coupe, exerçants sur la pièce de fabrication, afin de faire le monitoring
The identification of the state of a cutting tool is important in any metal cutting process. An additional cost - in terms of scrapped components, machine tool breakage and unscheduled downtime - occurs as a result of tool defects. The thesis objective is the cutting tool vibration analysis of a milling operation for the diagnosis of their state of degradation. In the first part, the possibilities offered by the synchronous statistics, applied to vibration signal captured from a milling process, are studied to examine the cutting tool condition. The processed vibration signals are cyclostationary, i.e their statistical properties are periodic. Taking into account this property, the use of descriptors able to characterize the process, in conjunction with the kinematics of the mechanical machining operation. Furthermore, when combined with the angular sampling, the cyclostationarity led to the proposed synchronous statistical estimators convenient to implement. First order and second order synchronous statistics, the spectral correlation and the cyclic bispectrum are defined with their interpretations and estimators. A model of milling vibration signal is given. This model aims to demonstrate the cyclostationarity of the signals. The use of these indicators is illustrated on real signals and compared with conventional indicators for diagnosing degradation of cutting tools.In the second part, the blind deconvolution of the impulse response of a cyclostationary process is

L'optimisation des systèmes de forage nécessite une meilleure compréhension des vibrations indésirables comme le stick-slip. Ce phénomène vibratoire, qui affecte principalement les outils PDC (Polycristalline Diamond Compact), met en péril l'intégrité des équipements de forage et réduit considérablement la vitesse de pénétration de l'outil. Plusieurs travaux ont été menés ces dernières années pour déterminer ses origines. Les observations réalisées en fond de puits montrent que ces oscillations s'accompagnent systématiquement d'une baisse du couple à l'outil en fonction de sa vitesse de rotation. De nombreux groupes de recherche attribuent cette baisse de performance à l'occurrence du stick-slip.L'objectif de ce travail est de développer un modèle élémentaire de coupe qui permet d'analyser l'effet de la vitesse de coupe sur la forabilité des roches dans des conditions opératoires réalistes. Dans le cadre de cette thèse, nous avons réalisé une série d'essais de coupe en utilisant des taillants et des outils à échelle réelle dans trois roches de propriétés hydromécaniques différentes, et ceci à pression atmosphérique et sous pression de fluide. Les essais réalisés à pression atmosphérique montrent que les efforts élémentaires de forage augmentent avec la vitesse de coupe. Sous pression de boue, cet effet dépend largement de la perméabilité de la roche. En effet, nous avons observé que l'effet de la vitesse est relativement faible dans les formations de faible et de moyenne perméabilité sous pression de boue de 20 MPa. En revanche, cet effet augmente d'un ordre de grandeur dans les roches très perméables.Afin de comprendre ces observations, nous avons développé un modèle hydromécanique d'interaction taillant-roche construit à partir de la théorie de la poroélastoplasticité. D'abord, le problème est résolu analytiquement en s'inspirant des travaux existants. Par la suite, nous avons apporté une résolution numérique aux éléments finis des équations de la promécanique appliquées à la coupe des roches sous pression de boue. Les deux modèles montrent que le phénomène de dilatance génère une baisse de la pression de pore qui augmente la résistance de la roche au forage. Cette chute de pression dépend de la vitesse de coupe ainsi que des caractéristiques hydrodynamiques de la roche. Les résultats théoriques ont été comparés aux nombreux résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de ce travail
The optimization of the drilling practice requires a better understanding of drillstring harmful vibrations such as stick-slip. This form of torsional vibrations is a typical problem of PDC (Polycristalline Diamond Compact) drillbits. It can reduce the rate of penetration drastically and can raise fatigue of the drilling devices. Many attempts were carried out in the last years in order to determine the causes of stick-slip phenomenon. Field observations show that torque on bit decreases as a function of bit velocity during stick-slip oscillations. Hence, it is widely believed that this decreasing relationship is the root cause of stick-slip.The purpose of this work is to examine cutting speed influence on rock drillability as a function of operating conditions and hydromechanical properties of the drilled formation. For this, a set of drilling tests was performed in three sedimentary rocks of different permeability using a full scale PDC drillbit and a single PDC cutter. In the first step, dry tests were carried out at atmospheric pressure. As previously observed in literature, single-cutter tests showed that drilling forces increase with cutting velocity. In a second step, we performed the same experiments at 20 MPa bottom-hole pressure. It appears that rate effect on cutting forces in the medium and low-permeability rocks is relatively low. By contrast, rate effect in the highly permeable rock increases by one order of magnitude in comparison with dry experiments.In order to understand this phenomenon, a steady state solution of the cutting model is derived in the framework of the theory of poroelastoplasticity. The problem is firstly solved analytically using some assumptions derived from previous works. Then, a numerical resolution based on finite element method is presented to solve the fully coupled problem ensuring the satisfaction of poro-material physics basic equations. Using these two different approaches, we show that pore pressure in shear-dilatant rocks decreases as a function of cutting velocity depending on rock permeability and interstitial fluid properties. This change has a hardening effect resulting in an increase of rock drilling resistance. Comparison between theory and experience shows good agreements

L'optimisation des systèmes de forage nécessite une meilleure compréhension des vibrations indésirables comme le stick-slip. Ce phénomène vibratoire, qui affecte principalement les outils PDC (Polycristalline Diamond Compact), met en péril l'intégrité des équipements de forage et réduit considérablement la vitesse de pénétration de l'outil. Plusieurs travaux ont été menés ces dernières années pour déterminer ses origines. Les observations réalisées en fond de puits montrent que ces oscillations s'accompagnent systématiquement d'une baisse du couple à l'outil en fonction de sa vitesse de rotation. De nombreux groupes de recherche attribuent cette baisse de performance à l'occurrence du stick-slip.L'objectif de ce travail est de développer un modèle élémentaire de coupe qui permet d'analyser l'effet de la vitesse de coupe sur la forabilité des roches dans des conditions opératoires réalistes. Dans le cadre de cette thèse, nous avons réalisé une série d'essais de coupe en utilisant des taillants et des outils à échelle réelle dans trois roches de propriétés hydromécaniques différentes, et ceci à pression atmosphérique et sous pression de fluide. Les essais réalisés à pression atmosphérique montrent que les efforts élémentaires de forage augmentent avec la vitesse de coupe. Sous pression de boue, cet effet dépend largement de la perméabilité de la roche. En effet, nous avons observé que l'effet de la vitesse est relativement faible dans les formations de faible et de moyenne perméabilité sous pression de boue de 20 MPa. En revanche, cet effet augmente d'un ordre de grandeur dans les roches très perméables.Afin de comprendre ces observations, nous avons développé un modèle hydromécanique d'interaction taillant-roche construit à partir de la théorie de la poroélastoplasticité. D'abord, le problème est résolu analytiquement en s'inspirant des travaux existants. Par la suite, nous avons apporté une résolution numérique aux éléments finis des équations de la promécanique appliquées à la coupe des roches sous pression de boue. Les deux modèles montrent que le phénomène de dilatance génère une baisse de la pression de pore qui augmente la résistance de la roche au forage. Cette chute de pression dépend de la vitesse de coupe ainsi que des caractéristiques hydrodynamiques de la roche. Les résultats théoriques ont été comparés aux nombreux résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de ce travail
The optimization of the drilling practice requires a better understanding of drillstring harmful vibrations such as stick-slip. This form of torsional vibrations is a typical problem of PDC (Polycristalline Diamond Compact) drillbits. It can reduce the rate of penetration drastically and can raise fatigue of the drilling devices. Many attempts were carried out in the last years in order to determine the causes of stick-slip phenomenon. Field observations show that torque on bit decreases as a function of bit velocity during stick-slip oscillations. Hence, it is widely believed that this decreasing relationship is the root cause of stick-slip.The purpose of this work is to examine cutting speed influence on rock drillability as a function of operating conditions and hydromechanical properties of the drilled formation. For this, a set of drilling tests was performed in three sedimentary rocks of different permeability using a full scale PDC drillbit and a single PDC cutter. In the first step, dry tests were carried out at atmospheric pressure. As previously observed in literature, single-cutter tests showed that drilling forces increase with cutting velocity. In a second step, we performed the same experiments at 20 MPa bottom-hole pressure. It appears that rate effect on cutting forces in the medium and low-permeability rocks is relatively low. By contrast, rate effect in the highly permeable rock increases by one order of magnitude in comparison with dry experiments.In order to understand this phenomenon, a steady state solution of the cutting model is derived in the framework of the theory of poroelastoplasticity. The problem is firstly solved analytically using some assumptions derived from previous works. Then, a numerical resolution based on finite element method is presented to solve the fully coupled problem ensuring the satisfaction of poro-material physics basic equations. Using these two different approaches, we show that pore pressure in shear-dilatant rocks decreases as a function of cutting velocity depending on rock permeability and interstitial fluid properties. This change has a hardening effect resulting in an increase of rock drilling resistance. Comparison between theory and experience shows good agreements

On définit ici la "mobilité énergétique": elle relie la puissance active injectée sur une bande de fréquences en un point d'une structure au niveau carré de la vitesse vibratoire obtenue en un autre point. On l'utilise sur une structure isolée pour définir une "additivité énergétique" d'injections simultanées de puissance active pour calculer localement les niveaux carrés de vitesse par bande. On l'utilise sur un assemblage, avec des "facteurs de connexion", pour calculer localement les niveaux carrés de vitesse par bande après couplage en fonction de ceux des sous-structures avant couplage. On remarque que la mobilité énergétique entre deux points non couplés change peu après couplage et que la mobilité énergétique est asymptotiquement invariante si au point excité on ajoute une masse concentrée. On définit aussi le concept de "sources de puissance active" par bande de fréquence et on souligne ses avantages. L'approche par mobilités moyennes énergétiques (EMMA) permet d'effectuer des calculs énergétiques prédictifs approchés et locaux avec uniquement des quantités moyennées par bande de fréquence. Suivent des simulations d'assemblages multipoint (rigides ou élastiques et dissipatifs) de plaques homogènes et hétérogènes, avec l’étude des différentes erreurs de méthode et une application expérimentale sur des assemblages de plaques et de cylindres
The energetic mobility is defined: it links the active injected power in a frequency band at a given point on a structure to the squared velocity level at another point. On a single structure it can be used to add the contributions of several active power injection and obtain the frequency averaged squared velocity level at any point. On an assembly it allows predicting the local frequency averaged squared velocity level after coupling using those on the substructures before coupling. The energetic mobility between two uncoupled points is almost invariant after coupling the structure and the energetic mobility is asymptotically invariant if one adds a mass at the injection point. The concept of active power sources in a frequency band is also defined and declaimed. The energetic mean mobility approach (EMMA) allows one to make local energetic predictions using exclusively frequency band averaged quantities. Numeric tests of multipoint (rigid or elastic and dissipative) coupling of homogeneous and heterogeneous plates follow, with the study of the different errors of the method and with an experiment on plate and cylinder assemblies

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire concerne le développement de nouvelles stratégies de commande pour atténuer les pulsations de couple d'une motorisation hybride diesel/électrique. Sur un moteur diesel, les pulsations de couple sont quasi-périodiques pour une vitesse de rotation donnée. Nous présenterons deux stratégies de commande pour des régimes moteur fixe et variable. La première approche est basée sur une projection du modèle d'état dans un référentiel tournant à la fréquence de l'harmonique à rejeter. Cette modélisation particulière conduit à considérer une pulsation harmonique comme un signal exogène constant. La présence d'un degré d'intégration dans le correcteur couplé à un critère H∞ permet de rejeter la perturbation par un retour de sortie dynamique. La deuxième approche est basée sur une commande par modèle interne. Le correcteur possède une copie du modèle de la perturbation exogène. C'est un problème de rejet de perturbation persistante et de suivi de consigne. Ces deux approches de commande ont été adaptées pour des vitesses variables. Dans ce cas, les modèles des systèmes et les correcteurs sont à paramètres variant (Linear Parameter Varying). Une technique de synthèse basée sur la S-procedure et les multiplieurs de rang plein est utilisée pour résoudre le problème du retour de sortie. Ces stratégies sont appliquées à un banc d'essai expérimental constitué d'un monocylindre diesel couplé à une machine synchrone à aimants permanents
The research presented in this PhD thesis concerns the development of new control strategies to attenuate the insanteneous torque ripples of a hybrid diesel/electric propulsion. On a diesel engine, torque ripples are quasiperiodic for a given rotational speed. We present two strategies to control fixed and variable speed to reduce torque ripples. In the first approach, the state model is expressed in a rotating frame at the frequency of the harmonic rejection. This particular model leads to consider a harmonic ripple as a exogenous constant signal. This control strategy is based on a dynamic output feedback synthesis. The second approach is based on internal model control. The controller has a copy of the exogenous disturbance of the model. This is a problem of persistent disturbance rejection and reference tracking. We will adapt these approaches for control of variable speeds. In this case, the system models and controllers are with varying parameters (Linear Parameter Varying). We present a synthesis method based on S-procedure and full-block multipliers to solve the problem of output feedback. These strategies are applied to an experimental benchmark consists of mono-cylinder diesel engine coupled to a permanent magnets synchronous machine

Les procédés de fabrication de pièces mécaniques par enlèvement de matière (tournage, fraisage, perçage, ...) connaissent une utilisation massive dans l’industrie aéronautique et l’automobile. Les pièces obtenues par ces procédés doivent satisfaire à des propriétés géométriques, métallurgiques et à des caractéristiques de qualité. Pour répondre à ces exigences, plusieurs essais expérimentaux basés sur le choix des conditions de coupe sont souvent nécessaires avant d’aboutir à une pièce satisfaisante. Actuellement, ces méthodes empiriques basées sur l’expérience des fabricants et des utilisateurs des outils coupants sont souvent très longues et coûteuses, donnent une large plage de choix des paramètres en fonction de leurs besoins. Toutefois, le coût très élevé d’un essai limite fondamentalement le nombre d’expériences, avoir une pièce respectant les caractéristiques souhaitées avec un coût acceptable devient une tâche difficile
Manufacturing processes of mechanical parts by removal of material (turning, milling, drilling ...) have extensive use in aeronautic and automobile industry. The components obtained using these methods must satisfy geometric properties, metallurgical and quality characteristics. To meet these requirements, several experimental tests based on the selection of cutting conditions are often necessary before manufacturing. Currently, these empirical methods based on the experience of manufacturers and users of cutting tools (charts, diagrams with experimental findings, ...) are often very lengthy and costly. However, the high cost of a trial limits the number of experiments, so to have a deserted component with an acceptable cost is a difficult task. The importance of cutting conditions monitored by limitations is related to the type of material to be machined, since it determines the behavior of the machining

Es van estudiar les característiques mecàniques i elèctriques de les pel·lícules fines de coure unides a laminats epoxi FR4, sota càrrega tèrmica i mecànica. A la 1a etapa, es van determinar paràmetres modals de manera experimental i analítica mitjançant un mètode d’elements finits per a quatre grups de mostres, per tal d’estudiar els efectes geomètrics i la presència d’un forat central de diferents diàmetres. S'ha comprovat que aquestes mides són adequades per utilitzar-se com a plaques de circuits electrònics que experimenten canvis de freqüència significatius que van des de 40 Hz fins a 1 kHz. Es va trobar que la freqüència de ressonància fonamental de tots els exemplars era inferior a 40 Hz i la influència d’un forat central no va ser significativa per afectar les propietats modals. Durant la segona etapa de la investigació realitzada, es va determinar l'efecte de les vibracions d'alta freqüència sobre les propietats elèctriques. Experimentalment, es va trobar que les tensions induïdes a les pel·lícules primes a causa de l’alta freqüència i el nombre de cicles afecten significativament la resistència de la làmina de material i altres propietats elèctriques com la resistivitat i la conductivitat. Aquestes càrregues mecàniques redueixen en última instància el rendiment elèctric de les pel·lícules fines de coure (PCB). Les imatges SEM van mostrar la formació d'esquerdes a prop de la zona d'alta tensió; aquestes esquerdes propaguen posteriorment la fallada de l'equip. El canvi de temperatura superficial de 25ºC a 45ºC va mostrar un petit canvi en la resistència de la làmina de les pel·lícules de coure primes. Aquesta tesi ha estat, doncs, una contribució a una millor comprensió de la relació entre l'acumulació de danys i el rendiment elèctric de les plaques PCB i MEMS i pot conduir a millores en la seva fabricació. Això fa que els resultats tinguin una gran importància pràctica i que la metodologia d’assaig desenvolupada es pugui estendre a altres pel·lícules primes.
Se estudiaron las características mecánicas y eléctricas de películas delgadas de cobre adheridas a laminados epoxi FR4, bajo carga térmica y mecánica. En la 1ª etapa se determinaron de forma experimental y analítica los parámetros modales como las frecuencias naturales y los ratios de amortiguamiento utilizando un método de elementos finitos para cuatro grupos de muestras, con el fin de estudiar los efectos geométricos y la presencia de un agujero central de diferentes diámetros. Se ha descubierto que estos tamaños son adecuados para su uso como placas de circuitos electrónicos que sufren cambios de frecuencia significativos que van desde 40 Hz a 1 kHz. Se encontró que la frecuencia de resonancia fundamental de todas las muestras era inferior a 40 Hz y la influencia de un orificio central no fue significativa para afectar las propiedades modales. Durante la segunda etapa de la investigación realizada, se determinó el efecto de las vibraciones de alta frecuencia sobre las propiedades eléctricas. Se encontró experimentalmente que las tensiones inducidas en las películas delgadas debido a la alta frecuencia y al número de ciclos afectan significativamente la resistencia de la hoja del material y otras propiedades eléctricas como la resistividad y la conductividad. Estas cargas mecánicas finalmente reducen el rendimiento eléctrico de las películas delgadas de cobre (PCB). Las imágenes SEM mostraron la formación de grietas cerca de la zona de alta tensión; estas fisuras propagan posteriormente la avería del equipo. El cambio de temperatura de la superficie de 25ºC a 45ºC mostró un pequeño cambio en la resistencia laminar de las películas delgadas de cobre. Por lo tanto, esta tesis ha sido una contribución a una mejor comprensión de la relación entre la acumulación de daños y el rendimiento eléctrico de las placas de PCB y MEMS y puede conducir a mejoras en su fabricación. Esto hace que los resultados sean de gran importancia práctica y la metodología de ensayo desarrollada se puede extender a otras películas delgadas.
Mechanical and electrical characteristics of thin copper films bonded to FR4 epoxy laminates, under thermal and mechanical loading, were studied. At the 1st stage modal parameters such as Natural frequencies and damping ratios were determined experimentally and analytically using a finite element method for four groups of samples, in order to study the geometric effects and the presence of a central hole of different diameters. It has been found that these sizes are suitable to be used as electronic circuit boards that undergo significant frequency changes ranging from 40 Hz to 1 kHz. The fundamental resonance frequency of all the specimens was found to be less than 40 Hz and the influence of a central hole was not significant to affect the modal properties. During the second stage of the accomplished research, the effect of high frequency vibrations on the electrical properties were determined. It was found experimentally that the stresses induced in the thin films due to high frequency and number of cycles significantly affect material sheet resistance and other electrical properties such as resistivity and conductivity. These mechanical loadings ultimately reduces electrical performance of thin copper films (PCBs). SEM images showed formation of cracks near the high stress zone; these cracks later propagates the failure of the equipment. The surface temperature change from 25ºC to 45ºC showed a little change in sheet resistance of thin copper films. This thesis has thus been a contribution to a better understanding of the relationship between damage accumulation and electrical performance of PCB boards and MEMS and may lead to improvements of their fabrication. This makes the results of great practical importance and the developed assay methodology can be extended to other thin films.

Cette thèse porte sur l’optimisation du contrôle des Machines Synchrones à Réluctance Variable (MSRV) et en particulier sur la compensation des phénomènes vibratoires. Elle comprend trois points forts : le développement d’une méthode de minimisation des pulsations de couple et sa validation expérimentale, l’études des facteurs qui peuvent influencer la méthode et l’influence de cette méthode sur les autres performances de la MSRV.Tout d’abord, une méthode de contrôle permettant de compenser les ondulations de couple d’une MSRV existante a été développée. Premièrement, une équation analytique du couple est proposée et analysée afin d’exprimer la relation analytique harmonique entre le couple et les courants d’alimentation. La notion de « fonction de couple » est ensuite introduite. Une stratégie basée sur l’utilisation de cette fonction pour minimiser les ondulations du couple est présentée. Deux méthodes de réduction des ondulations de couple utilisant les différents harmoniques de la fonction de couple sont mises en évidence en. Elles ont été analysées et comparées pour répondre aux différents objectifs. Par la suite, la méthode a été validée par les résultats des simulations pour trois technologies de rotor de MSRV parmi les plus répandues. La méthode est aussi validée par la modélisation analytique et la simulation dynamique à l’aide du logiciel Matlab/Simulink ainsi que par les résultats d’expérimentation avec l’aide du banc d’essai.Ensuite, les facteurs qui peuvent influencer la méthode proposée pour réduire les ondulations de couple et les performances dynamiques ont analysés. Dans un premier temps, une amélioration sensible de l’aptitude au démarrage de la MSRV lorsque la compensation des ondulations de couple est mise en œuvre est mise en évidence. D’autre part la sensibilité de la méthode aux erreurs de mesure de position est évaluée afin de quantifier sa fiabilité dans le cas de l’utilisation d’estimateurs lors du contrôle sans capteur. Enfin, l’influence de la saturation sur la méthode proposée est aussi étudiée à l’aide d’une analyse par éléments finis du comportement magnétique de la MSRV.Finalement, l’influence de la méthode de compensation des ondulations de couple sur d’autres performances de la MSRV est analysée. Les courants optimaux ont plus harmoniques que les courants originaux. Par conséquent, les pertes dans le cuivre, dans le fer et dans les semi-conducteurs de l’onduleur sont modélisées analytiquement, calculées et comparées. Les conclusions montrent que les pertes dans le cuivre sont les plus sensibles à la compensation des harmoniques de couple tandis que les pertes dans le fer et dans l’onduleur sont faiblement affectées. D’autre part, la réduction des ondulations de couple peut changer le comportement vibro-acoustique de la MSRV. La dernière partie est consacrée à l’étude de la relation entre les ondulations de couple et le bruit. Une équation est proposée pour évaluer la variation du bruit produit par la compensation des ondulations de couple. Dans cette partie, les simulations dans Flux 2D sont effectuées pour calculer la variation du bruit. En outre, le logiciel professionnel Manatee réalisant l’analyse des vibrations et de l’acoustique est utilisé dans le but de conforter les résultats obtenus par la modélisation analytique
This thesis aims to study the control and optimization of a synchronous reluctance machine for the purpose of improving the vibrational performance. The main works of the thesis can be classified into three parts: the proposed torque ripple reduction method, the factors which can influence the proposed method and the influence of the proposed method.At first, the torque ripple of synchronous reluctance machine is reduced by a control method. Firstly, a torque equation is proposed in order to present the relationship between torque ripple and the optimal currents. Then a new parameter, torque function, is put forward. Based on the torque function, the torque ripple reduction strategy is presented. Two different torque ripple minimizations are proposed by applying different torque function harmonics. They are analyzed and compared in order to define the optimal method. In order to test the proposed method further, the selected torque ripple minimization approach is applied to three SynRMs. The results of finite element simulations imply that the proposed method is effective to decrease the torque ripples of these three SynRMs. The proposed torque ripple reduction method is verified according to the models built in MATLAB/Simulink and the experiment results respectively.Then the factors which could influence the proposed torque ripple reduction method are analyzed. Firstly, torque function is a function of rotor position, current angle and saturation. Based on the model in Simulink, the influence of different starting position on the performance of the studied SynSR is analyzed. Besides, the estimated position errors produced by senserless control could also affect the toque ripple minimization by changing torque function. At last, the influence of saturation on the proposed torque ripple reduction method is introduced because the amplitudes of the optimal currents are increased.In addition, the influence of torque ripple reduction on the other perfomances of SynRM is analyzed. The optimal currents have more harmonics than the original sinusoidal currents. So three losses (copper losses, iron losses and inverter losses) are modeled, calculated, analyzed and compared. According to the results, the copper losses are the most sensible losses. The iron losses and the inverter losses are a little increased and the increased parts can be neglected. Besides, reducing torque ripple by adding stator currents could influence the vibro-acoustic of the studied SynRM. Thus this section aims to explain the relationship between torque ripple reduction and acoustic noise. An analytical equation is proposed in order to evaluate the variation of noise produced by torque ripple reduction. Simulations in Flux 2D have been performed in order to calculate the variation of noise resulted by torque ripple reduction. At last, the software Manatee which is professional in studying the vibration and noise is applied for the purpose of comparing the results with those of the finite element analysis

Le taux de déformation des matériaux est élevé pendant le soudage / formage à grande vitesse, le découpage, le sertissage, etc. Les propriétés des matériaux sous déformation à grande vitesse ne suivent pas la même loi que dans le cas de chargement quasi statiques. La caractérisation des matériaux à taux de déformation important est assez difficile et nécessite des équipements sophistiqués. Grâce au développement de la technologie de formage électromagnétique, le test d'expansion d'anneau électromagnétique présente un grand potentiel à utiliser pour caractériser les matériaux à haute vitesse de déformation. Pendant le test d’expansion de l’anneau électromagnétique, la pièce à usiner peut atteindre une vitesse d’expansion de l’ordre de 100m/s et une vitesse de déformation de 104 s-1. Par conséquent, ce test peut être utilisé pour prédire les paramètres du matériau, tels que la dureté et la ductilité à déformation à grande vitesse. Pour d’atteindre cet objectif, un modèle approprié décrivant le processus est nécessaire. Ce modèle doit contenir un couplage électromagnétique-mécanique-thermique pour bien décrire le problème multi-physique. Il existe deux méthodes principales de modélisation dans la littérature, viz. Les méthodes semi-analytiques et les méthodes des éléments finis (parfois combinées avec la méthode des éléments limitants). Les méthodes semi-analytiques nécessitent un temps de calcul court mais offrent une faible précision par rapport aux méthodes des éléments finis. Cependant, en raison de la complexité du couplage multi-physique, l’erreur de calcul est difficile à estimer. De plus, les déformations hétérogènes ainsi que les états de contrainte compliqués peuvent influencer l’identification. Dans ce sens, cette thèse s’est principalement concentrée sur les méthodes d’analyse et de modélisation du test d’expansion d’anneau électromagnétique, incluant les comportements locaux et les phénomènes dynamiques à l’aide des outils expérimentaux et numériques. Par ailleurs, cette thèse comprend aussi le développement d’un méthode semi-analytique permettant le couplage multi-physique, ce qui a été validé par un modèle numérique idéal et par des tests expérimentaux. Les résultats expérimentaux ont été obtenus à l’aide d’une caméra à grande vitesse et du vélocimétrie photovoltaïque Doppler (PDV) pour différents cas tests. Ils ont été utilisés pour déterminer les paramètres du processus et du matériau à l’aide des modèles numériques. Les modèles adaptés pour analyser les états de contrainte et de déformation durant le test d’expansion d’anneau montrent que ce dernier n’est pas un test de traction uniaxial pur comme revendiqué par les chercheurs. En outre, le phénomène de vibration qui se produise de la récupération élastique a été étudié par simulations multi-physiques et par systèmes PDV. Cette étude de récupération élastique permet de mieux comprendre les paramètres influençant du test, ce qui pourrait être utilisé pour contrôler le rebond dans d’autres processus électromagnétique. La méthode de modélisation semi-analytique pour le test d’expansion de l’anneau électromagnétique, qui comprend quatre parties de calcul (partie mécanique, thermique, force de Lorentz et courant de Foucault), a été analysée à l’aide de simulations numériques. Les résultats obtenus ressemblent étroitement aux résultats obtenus par un test idéal et un test expérimental. L’analyse d’erreur des différents aspects physiques permet d’améliorer la précision de calcul semi-analytique, ce qui pourrait être utilisé comme outil supplémentaire d’obtention rapide des paramètres de contrôle dans les tests. Il pourrait aussi être utilisé pour l’identification des paramètres des matériels à déformation à grande vitesse
High stain rate material deformations are prevalent during high speed impacts, high speed forming/welding, cutting, crimping, blast etc. Characteristics of materials under high strain rate deformation do not follow the same as it occurs under the quasi-static loading conditions. However, characterization of materials under high strain rate deformation is always challenging and it requires sophisticated equipment. Thanks to the development in electromagnetic forming technology, the electromagnetic ring expansion test shows a great potential to be used to characterize materials under high strain rate conditions. During the electromagnetic ring expansion test, the workpiece can reach deformation velocities in the order of 100 m/s and a strain rate of up to 104 s-1. Consequently, this test can be used to predict the material parameters such as the strain rate hardening and ductility under extremely high strain rates (strain rates in the order of 103 – 104 s-1). In order to achieve this goal, an appropriate model is required to describe the process. The model should contain an electromagnetic-mechanical-thermal coupling to obtain the accurate multi-physics nature of the problem. There exist two main modeling methods in literature, viz., the semi-analytical methods and finite element methods (sometime combined with boundary element method). Normally, the semi-analytical methods require short calculation time while it provides lower accuracy in comparison with finite element methods. However, due to the complexity of multi-physics coupling, the calculation error is difficult to be analyzed. Moreover, errors in calculation and identification assumptions may also result from heterogeneous deformations or localized specific phenomena (such as local necking at multi points or electric current localization, skin effect, edge effect of Lorentz force etc.) that could influence identification work as well as stress and strain states. Therefore, this thesis mainly focused on the analysis and modeling methods of ring expansion test including local behaviors and dynamic phenomena with the help of experimental and numerical tools. Moreover, this thesis also includes a development of a semi-analytical method with multi-physics coupling capabilities, which has been validated using a theoretical model and experimental frameworks. Experimental measurements were obtained using high-speed cameras and photonic Doppler velocimetry (PDV) for various test cases are used together with numerical models to investigate the process and material parameters. The models used to analyze the stress and stain states during a ring expansion test show that the ring expansion test is not a pure uniaxial tensile test as claimed by researchers. Besides, another potential process behavior, the vibration phenomena that occurs during the elastic recovery was investigated using multi-physics simulations and PDV systems. This investigation of the elastic recovery helps to understand the potential influencing parameters of the test those are applicable and could be used to control the springback phenomenon during other electromagnetic forming processes. The semi-analytical modeling method for ring expansion test including four calculation parts (mechanical part, eddy current, Lorentz force calculation, thermal part) were analyzed with the help of numerical simulations. The results obtained from analytical work closely resemble with the numerical simulations for both theoretical model and an experimental case study. The error analysis of various physical aspects allows improving the accuracy of semi-analytical calculation that could be used as an additional platform to obtain rapid calculation of the test conditions. This semi-analytical method could be extended in the future to identify material parameters under high strain rate deformations

Le mémoire traite de la machine à réluctance variable en proposant d'une manière simultanée et du point de vue conception des solutions à ses deux inconvénients majeurs à savoir les ondulations de couple et les efforts radiaux. Les premières se propagent le long de la chaine de transmission diminuant ainsi le confort des usagers et les deuxièmes sont à l’origine d’une nuisance sonore. Dans une première partie et en s’intéressant à une structure axiale caractérisée par une faible force radiale, un bilan sur cette structure est donc établi. En effet, une configuration à deux stators et un rotor est la plus adéquate pour éventuellement remplacer la machine radiale de référence. Cette structure axiale est comparée à cette machine de référence après avoir établi des règles de passage d’une structure à une autre. Un premier passage est effectué en gardant le même encombrement et un deuxième passage en dimensionnant la machine axiale pour satisfaire le même cahier des charges que la machine radiale. Dans une deuxième partie, le travail s’oriente vers la modification de la structure radiale de la machine de référence et son optimisation. Plusieurs modifications sont proposées dont une structure avec une cale magnétique qui est la plus performante. Des optimisations géométriques à l’aide de l’algorithme génétique sur un point de fonctionnement sont ensuite effectuées pour remédier aux deux problèmes. A la fin, un récapitulatif de plusieurs structures optimisées est proposé pour servir de référence. Le choix de la machine la plus adéquate pourra donc être effectué en faisant un compromis entre la maximisation du couple, la réduction de ses ondulations et la réduction des efforts radiaux
This report deals with switched reluctance motor by offering design solutions to the drawbacks of torque ripples and radial forces in the same time. Torque ripples reduce the user comfort and radial forces are the origin of noise. In the first part, an axial structure characterized by low radial force is analysed. Indeed, an axial configuration with two stators and one rotor is the most appropriate to replace the reference radial machine. Ones the rules of passage from one structure to another are established, the axial structure is then compared to the reference one. A first passage is made by keeping the same volume and a second one by sizing the axial machine with the same specifications as the radial one. In the second part, the work concerns the modification of radial structure of the reference machine and its optimization. Several modifications are proposed including a structure with a magnetic wedge which is the most efficient. Geometric optimization using genetic algorithm are then performed on operating points to remedy the both problems. In the end, several optimized structures are proposed. The choice of the most suitable machine can be done by making a compromise between the torque maximization, reducing its ripples and reducing radial forces

Etude bibliographique, theorique et experimentale (experiences du cerchar et du v. S. Bureau of mines, minneapolis) de deux techniques: abattage assiste au jet d'eau, et abattage par vibration forcee (la premiere seule apparait prometteuse)

La robotisation des procédés d’usinage suscite l’intérêt des industriels en raison du grand espace de travail et le faible coût des robots par rapport aux machines-outils conventionnelles et la possibilité d’usiner des pièces de formes complexes. Cependant, la faible rigidité de la structure robotique favorise le déclenchement de phénomènes dynamiques liés à l’usinage sollicitant le robot en bout de l’outil qui dégradent la qualité de surface de la pièce usinée. L’objectif de ces travaux de thèse est de caractériser le comportement dynamique des robots en usinage. Ces travaux ont suivi une démarche en trois étapes : La modélisation d’un premier modèle considéré de référence où le robot est au repos. Ensuite l’identification du comportement dynamique du robot en service. Enfin, l’exploitation des modèles dynamiques du robot en vue de prédire la stabilité de coupe. L’originalité de ces travaux porte sur le développement des méthodes d’identification modale opérationnelles. Elles permettent d’intégrer les conditions réelles d’usinage et d’élaborer des modèles plus précis que le premier modèle de connaissance sans être biaisés par l’effet des harmoniques de rotation de l’outil. Enfin, des préconisations sur le choix de configurations du robot et sur la direction des forces d’excitation sont proposées pour assurer la stabilité de la coupe lors de l’usinage robotisé
Machining robots have major advantages over cartesian machine tools because of their flexibility, their ability to reach inaccessible areas on a complex part, and their important workspace. However, their lack of rigidity and precision is still a limit for precision tasks. The stresses generated by the cutting forces and inertia are important and cause static and dynamic deformations of the structure which result in problems of workpiece surface. The aim of the thesis work is to characterize the dynamic behavior of robots during machining operation. This work followed a three-step approach : Modeling a first model considered as a reference where the robot is at rest. Then the identification of the dynamic behavior in service. Finally, the prediction of the cutting stability using the robot dynamic model. The originality of this work is the development of new operational modal identification methods. They integrate the machining conditions and result into a more accurate model than the first model of reference without being biased by harmonics. Finally, guidlines of robot’s configurations and excitation forces’ direction are proposed to ensure the robotic machining stability

La commande intermittente a pour but principal d'augmenter le rendement de l'ensemble machine-convertisseur par une réduction des pertes. Dans le but de maintenir le couple moyen de la machine requis par la charge, cette commande augmente le couple de référence et éteint quelques phases pendant chaque période électrique ou chaque période mécanique. Par ce fait, elle réduit les pertes du convertisseur et les pertes ferromagnétiques de la machine. Elle dispose également d'une liberté de sélection des phases activées qui influence des fréquences générées du courant, de la force radiale et du couple. Par conséquent, cette stratégie de la commande intermittente, qui est appelée le glissement, peut éviter l'excitation de fréquences naturelles du stator, ou bien celles de la chaine cinématique. Elle a pour but de réduire les effets négatifs de la commande intermittente vis-à-vis de comportements vibratoire du stator et pulsatoire de la chaine cinématique qui sont respectivement à l'origine du bruit acoustique et des à-coups mécaniques. En fin, la commande intermittente est validée sur des cycles de conduite et peut économiser jusqu’à 5,17 % de l’énergie électrique consommée
The intermittent control aims to increase the efficiency of the machine-converter system by reducing the losses. In the purpose to maintain the average torque of the machine required by the load, this control increases the reference torque and turns off some phases during each electrical period or each mechanical period. By this fact, it reduces the converter losses and the ferromagnetic losses of the machine. It also has a freedom in the selection of the activated phases which influences the generated frequencies of the current, the radial force and the torque. Therefore, this strategy of the intermittent control, which is called sliding strategy, can avoid the excitation of the natural frequencies of the stator, or those of the drivetrain. It aims to reduce the negative effects of the intermittent control vis-à-vis the vibration of the stator and the pulsation of the drivetrain which are respectively at the origins of acoustic noise and mechanical jerks. Finally, the intermittent control is validated on driving cycles and can save up to 5.17 % of the consumed electrical energy

La première partie du travail de thèse a consisté en l'établissement d'un état de l'art sur les méthodes de dimensionnement en fatigue sous environnement vibratoire. Nous avons ainsi étudié la représentation mathématique des vibrations aléatoires, les méthodes classiques de dimensionnement en fatigue pour des chargements uni-axiaux et multiaxiaux ainsi que les méthodes de dimensionnement en fatigue formulées dans le domaine spectral. Ces dernières ont été définies pour la problématique des vibrations aléatoires, dans le cadre d'un certain nombre d'hypothèses de travail, et montrent des temps de calculs nettement plus faibles que des méthodes de dimensionnement classiques. La deuxième partie de travail de la thèse a consisté à développer une méthode de dimensionnement en fatigue formulée dans le domaine spectral valide sur tout le domaine de fatigue, aussi bien en oligo-cyclique qu'en endurance. Les travaux ont portés sur l'intégration du comportement élasto-plastique confiné des matériaux dans les méthodes spectrales. L'approche proposée a fait l'objet d'une étude numérique comparative avec les méthodes existantes. Le dernier volet de la thèse est la comparaison de la méthode proposée avec des essais. Pour cela, le développement d'une éprouvette spécifique à la problématique a été réalisé. Les résultats obtenus montrent une bonne corrélation entre les approches numériques et expérimentales.

Cela fait environ soixante ans que l'on s'intéresse à la compréhension et à la modélisation du comportement Elastohydrodynamique (EHD) des joints à lèvres. Cependant, on peut considérer que, jusqu'à présent, leur modélisation n'a pas été totalement et rigoureusement traitée. En effet, même si de nombreuses études ont été consacrées à cette modélisation, plusieurs questions ont été soulevées et font toujours l'objet de controverses entre les chercheurs, à savoir l'impact sur les performances des joints à lèvre de l'effet des surfaces texturées de l'arbre, de la loi adoptée pour le comportement mécanique des joints à lèvre, de la démarche utilisée pour l'élaboration de la matrice de compliance (matrice de souplesse), de l'importance de supposer l'arbre lisse ou rugueux, ainsi que la valeur du rapport entre la largeur du contact et la longueur d'onde du défaut suivant la direction circonférentielle de la lèvre.Dans cette thèse, nous avons tenté d'apporter de façon rigoureuse des réponses claires et précises à toutes ces questions en élaborant et en validant un outil de simulation EHD complet pour les joints à lèvre qui tienne compte de presque tous les paramètres, à savoir une loi de comportement du matériau du joint précise, une matrice de souplesse rigoureusement validée et un arbre qui peut être lisse, rugueux et/ou texturé. De plus, un second modèle analytique est proposé. Il traite le comportement vibratoire du "squeeze film", en tenant compte de la non linéarité des caractéristiques intrinsèques du joint et du film
It's about sixty years that we are interested in understanding and modeling the Elastohydrodynamic behavior (EHD) of rotary lip seals. However, we can consider that, until now, their modeling has not been accurately treated. Even though many studies have been devoted to this model, several questions have been raised and are still the subject of controversy among researchers, namely the parameters influencing on the rotary lip seals performance, such as: the shaft surface textured, the law adopted for the mechanical behavior of lip seals, the approach used to develop the matrix of compliance, the importance of assuming the smooth or rough shaft, and finally the ratio between the width of contact and the wavelength according the circumferential direction of the lip roughness.The main goal of this thesis is to answer rigorously these questions by developing and validating a numerical tool for EHD rotary lip seals modeling, that takes into account: the lip law behavior, the compliance matrix rigorously validated by assuming smooth shaft case, or rough and textured shaft case. In addition, an analytical approach is proposed, models the vibratory behavior of the "squeeze film". This implies a nonlinear comportment that is taken into account

Ce sujet de thèse s'intéresse à l'étude des effets des charges aérodynamiques sur le comportement dynamique non linéaire d'une éolienne à axe vertical de type Darrieus. Cette dernière présente, comparativement aux autres éoliennes, des profits très importants à exploiter, notamment dans les milieux urbains. Il s'agit d'une technologie fiable caractérisée surtout par son fonctionnement omnidirectionnel ainsi que son adaptation à tout type de vent. Généralement, ces éoliennes, ayant des phénomènes aérodynamiques complexes, sont affectées par des vibrations au niveau de leur système de transmission de puissance. En fait, ces vibrations commencent à se manifester à partir des pales du rotor jusqu'au génératrice. L'écoulement autour de ses pales présente également un fort caractère instationnaire. Cette caractéristique augmente d'avantage les vibrations aérodynamiques, qui sont automatiquement transmise au système d'engrenage d'éolienne. À ce niveau, nous avons développé un code de calcul numérique permettant de simuler la complexité des aspects aérodynamiques instationnaires tout en gardant un compromis entre la fiabilité des prédictions et la rapidité de calcul. Les simulations sont réalisées suivant une méthode de mécanique des fluides numérique (CFD) instationnaire bidimensionnel. Les résultats de simulation comparés avec ceux disponibles dans la littérature sont en bonne concordance, le rendement aérodynamique étant optimisé, qui présente un apport scientifique notable. Cette étude numérique a été l'objectif de l'analyse de l'impact des charges aérodynamiques vis-à-vis le comportement dynamique du système d'engrenage de l'éolienne en régime non-stationnaire. Dans ce contexte, une étude paramétrique a été développée afin d'établir le fonctionnement optimal de l'éolienne, caractérisé par un couple aérodynamique plus performant associé à des niveaux de vibrations dynamiques acceptables. En général, il est difficile d'identifier précisément la réponse dynamique des éoliennes à cause du caractère turbulent et stochastique des charges aérodynamiques. Par conséquent, il est indispensable de tenir en compte la variabilité des paramètres d'entrée pour assurer la robustesse du système étudié. Adoptons l'objectif de dimensionnement robuste. Une méthode d'évaluation basée sur des approches stochastiques, particulièrement la méthode du Chaos Polynomial, est utilisée pour simuler le comportement dynamique non-linéaire du système d'engrenage d'éolienne, en tenant compte des incertitudes. Ces dernières sont au niveau des charges aérodynamiques, inhérentes au calcul des niveaux vibratoires du système d'engrenage. Ce qui implique un apport scientifique important. Les résultats obtenus par l'approximation par Chaos Polynomial démontrent une forte dispersion des charges aérodynamiques aléatoires dans la réponse dynamique du système d'engrenage, contrairement aux études déterministes. Ce qui prouve l'insuffisance de telles études pour une analyse de robustesse. Les résultats mettent également en évidence la forte corrélation entre les phénomènes aérodynamiques complexes et les vibrations dynamiques. Le couplage établi constitue l'originalité de notre travail
This thesis focuses on the study of the aerodynamic loads effects on the nonlinear dynamic behavior of Darrieus--type vertical axis wind turbine. The latter has received more attention due to its efficiency in urban regions compared to other wind turbines. In fact, the wind flow speed in urban regions continuously changes direction and is extremely turbulent. The inherent characteristics of its omni-directionality make it more suitable to harnessing this kind of flow. It is known that Darrieus wind turbine is characterized by an inherently unsteady aerodynamic behavior and a complex flow around rotor blades. The non-stationary behavior of the mentioned turbine increases vibration. These aerodynamic vibrations are transmitted to the gearing mechanism. We have, firstly, developed a numerical simulation, allowing to simulate the complexity of the unsteady aerodynamic phenomena keeping a compromise between the reliability of prediction and the rapidity of calculation. This numerical simulation has been carried out using a two-dimensional unsteady Computational Fluid Dynamics (CFD) method. Simulation results compared to those available in the literature are in good agreement. The Darrieus turbine efficiency is also optimized; thus introducing a significant scientific contribution. The latter is the objective of analyzing the aerodynamic load impact in the dynamic behavior of the Darrieus turbine in non-stationary regime. In this context, a parametric study has been developed in order to find optimal functioning of the studied turbine, which is characterized by the most performing aerodynamic torque associated with acceptable levels of dynamic vibration. In general, it is difficult to predict the dynamic response of the wind turbine with a good level of accuracy due to the aerodynamic loads turbulence and uncertain characteristics. It becomes necessary to take into account the uncertainty in the input parameters to ensure the robustness of the Darrieus turbine geared system. In a robustness study objective, the Polynomial Chaos method is adopted to predict the nonlinear dynamic behavior of the gearing system taking into account uncertainties which are associated to the performance coefficient of the input aerodynamic torque. This leads to an important scientific research contribution. The results have shown a large dispersion of the random parameter in the dynamic response of the gearing system compared to the deterministic study. That proves the insufficiency of that study for a robustness analyses. They have also proved that the Polynomial Chaos method is an efficient probabilistic tool for uncertainty propagation. Finally, the new proposed robust mechanical analysis indicates a good capacity to investigate the dynamic behavior of the Darrieus turbine thanks to its superior predictive capabilities in coupling complex aerodynamic phenomena with a mechanical gearing system vibration. Where the originality of such correlation in our work

[EN] Phononic crystals are artificial materials formed by a periodic arrangement of inclusions embedded into a host medium, where each of them can be solid or fluid. By controlling the geometry and the impedance contrast of its constituent materials, one can control the dispersive properties of waves, giving rise to a huge variety of interesting and fundamental phenomena in the context of wave propagation. When a propagating wave encounters a medium with different physical properties it can be transmitted and reflected in lossless media, but also absorbed if dissipation is taken into account. These fundamental phenomena have been classically explained in the context of homogeneous media, but it has been a subject of increasing interest in the context of periodic structures in recent years as well. This thesis is devoted to the study of different effects found in sonic and phononic crystals associated with transmission, reflection and absorption of waves, as well as the development of a technique for the characterization of its dispersive properties, described by the band structure. We start discussing the control of wave propagation in transmission in conservative systems. Specifically, our interest is to show how sonic crystals can modify the spatial dispersion of propagating waves leading to control the diffractive broadening of sound beams. Making use of the spatial dispersion curves extracted from the analysis of the band structure, we first predict zero and negative diffraction of waves at frequencies close to the band-edge, resulting in collimation and focusing of sound beams in and behind a 3D sonic crystal, and later demonstrate it through experimental measurements. The focusing efficiency of a 3D sonic crystal is limited due to the strong scattering inside the crystal, characteristic of the diffraction regime. To overcome this limitation we consider axisymmetric structures working in the long wavelength regime, as a gradient index lens. In this regime, the scattering is strongly reduced and, in an axisymmetric configuration, the symmetry matching with acoustic sources radiating sound beams increase its efficiency dramatically. Moreover, the homogenization theory can be used to model the structure as an effective medium with effective physical properties, allowing the study of the wave front profile in terms of refraction. We will show the model, design and characterization of an efficient focusing device based on these concepts. Consider now a periodic structure in which one of the parameters of the lattice, such as the lattice constant or the filling fraction, gradually changes along the propagation direction. Chirped crystals represent this concept and are used here to demonstrate a novel mechanism of sound wave enhancement based on a phenomenon known as "soft" reflection. The enhancement is related to a progressive slowing down of the wave as it propagates along the material, which is associated with the group velocity of the local dispersion relation at the planes of the crystal. A model based on the coupled mode theory is proposed to predict and interpret this effect. Two different phenomena are observed here when dealing with dissipation in periodic structures. On one hand, when considering the propagation of in-plane sound waves in a periodic array of absorbing layers, an anomalous decrease in the absorption, combined with a simultaneous increase of reflection and transmission at Bragg frequencies is observed, in contrast to the usual decrease of transmission, characteristic in conservative periodic systems at these frequencies. For a similar layered media, backed now by a rigid reflector, out-of-plane waves impinging the structure from a homogeneous medium will increase dramatically the interaction strength. In other words, the time delay of sound waves inside the periodic system will be considerably increased resulting in an enhanced absorption, for a broadband spectral range.
[ES] Los cristales fonónicos son materiales artificiales formados por una disposición periódica de inclusiones en un medio, pudiendo ambos ser de carácter sólido o fluido. Controlando la geometría y el contraste de impedancias entre los materiales constituyentes se pueden controlar las propiedades dispersivas de las ondas. Cuando una onda propagante se encuentra un medio con diferentes propiedades físicas puede ser transmitida y reflejada, en medios sin pérdidas, pero también absorbida, si la disipación es tenida en cuenta. La presente tesis está dedicada al estudio de diferentes efectos presentes en cristales sónicos y fonónicos relacionados con la transmisión, reflexión y absorción de ondas, así como el desarrollo de una técnica para la caracterización de sus propiedades dispersivas, descritas por la estructura de bandas. En primer lugar, se estudia el control de la propagación de ondas en transmisión en sistemas conservativos. Específicamente, nuestro interés se centra en mostrar cómo los cristales sónicos son capaces de modificar la dispersión espacial de las ondas propagantes, dando lugar al control del ensanchamiento de haces de sonido. Haciendo uso de las curvas de dispersión espacial extraídas del análisis de la estructura de bandas, se predice primero la difracción nula y negativa de ondas a frecuencias cercanas al borde de la banda, resultando en la colimación y focalización de haces acústicos en el interior y detrás de un cristal sónico 3D, y posteriormente se demuestra mediante medidas experimentales. La eficiencia de focalización de un cristal sónico 3D está limitada debido a las múltiples reflexiones existentes en el interior del cristal. Para superar esta limitación se consideran estructuras axisimétricas trabajando en el régimen de longitud de onda larga, como lentes de gradiente de índice. En este régimen, las reflexiones internas se reducen fuertemente y, en configuración axisimétrica, la adaptación de simetría con fuentes acústicas radiando haces de sonido incrementa la eficiencia drásticamente. Además, la teoría de homogenización puede ser empleada para modelar la estructura como un medio efectivo con propiedades físicas efectivas, permitiendo el estudio del frente de ondas en términos refractivos. Se mostrará el modelado, diseño y caracterización de un dispositivo de focalización eficiente basado en los conceptos anteriores. Considérese ahora una estructura periódica en la que uno de los parámetros de la red, sea el paso de red o el factor de llenado, cambia gradualmente a lo largo de la dirección de propagación. Los cristales chirp representan este concepto y son empleados aquí para demostrar un mecanismo novedoso de incremento de la intensidad de la onda sonora basado en un fenómeno conocido como reflexión "suave". Este incremento está relacionado con una ralentización progresiva de la onda conforme se propaga a través del material, asociado con la velocidad de grupo de la relación de dispersión local en los planos del cristal. Un modelo basado en la teoría de modos acoplados es propuesto para predecir e interpretar este efecto. Se observan dos fenómenos diferentes al considerar pérdidas en estructuras periódicas. Por un lado, si se considera la propagación de ondas sonoras en un array periódico de capas absorbentes, cuyo frente de ondas es paralelo a los planos del cristal, se produce una reducción anómala en la absorción combinada con un incremento simultáneo de la reflexión y transmisión a las frecuencias de Bragg, de forma contraria a la habitual reducción de la transmisión, característica de sistemas periódicos conservativos a estas frecuencias. En el caso de la misma estructura laminada en la que se cubre uno de sus lados mediante un reflector rígido, la incidencia de ondas sonoras desde un medio homogéneo, cuyo frente de ondas es perpendicular a los planos del cristal, produce un gran incremento de la fuerza de
[CAT] Els cristalls fonònics són materials artificials formats per una disposició d'inclusions en un medi, ambdós poden ser sòlids o fluids. Controlant la geometría i el contrast d'impedàncies dels seus materials constituents, és poden controlar les propietats dispersives de les ondes, permetent una gran varietatde fenòmens fonamentals interessants en el context de la propagació d'ones. Quan una ona propagant troba un medi amb pèrdues amb propietats físiques diferents es pot transmetre i reflectir, però també absorbida si la dissipació es té en compte. Aquests fenòmens fonamentals s'han explicat clàssicament en el context de medis homogenis, però també ha sigut un tema de creixent interés en el context d'estructures periòdiques en els últims anys. Aquesta tesi doctoral tracta de l'estudi de diferents efectes en cristalls fonònics i sònics lligats a la transmissió, reflexió i absorció d'ones, així com del desenvolupament d'una tècnica de caracterització de les propietats dispersives, descrites mitjançant la estructura de bandes. En primer lloc, s'estudia el control de la propagació ondulatori en transmissió en sistemes conservatius. Més específicament, el nostre interés és mostrar com els cristalls sonors poden modificar la dispersió espacial d'ones propagants donant lloc al control de l'amplària per difracció dels feixos sonors. Mitjançant les corbes dispersió espacial obtingudes de l'anàlisi de l'estructura de bandes, es prediu, en primer lloc, la difracció d'ones zero i negativa a freqüències próximes al final de banda. El resultat és la collimació i focalització de feixos sonors dins i darrere de cristalls de so. Després es mostra amb mesures experimentals. L'eficiència de focalització d'un cristall de so 3D està limitada per la gran dispersió d'ones dins del cristall, que és característic del règim difractiu. Per a superar aquesta limitació, estructures axisimètriques que treballen en el règim de llargues longituds d'ona, i es comporten com a lents de gradient d'índex. En aquest règim, la dispersió es redueix enormement i, en una configuració axisimètrica, a causa de l'acoblament de la simetría amb les fonts acústiques que radien feixos sonors, l'eficiència de radiació s'incrementa significativament. D'altra banda, la teoria d'homogeneïtzació es pot utilitzar per a modelar, dissenyar i caracteritzar un dispositiu eficient de focalització basat en aquests conceptes. Considerem ara una estructura periòdica en la qual un dels seus paràmetres de xarxa, com ara la constant de xarxa o el factor d'ompliment canvia gradualment al llarg de la direcció de propagació. Els cristalls chirped representen aquest concepte i s'utilitzen ací per a demostrar un mecanisme nou d'intensificació d'ones sonores basat en el fenòmen conegut com a reflexió "suau". La intensificació està relacionada amb la alentiment progressiva de l'ona conforme propaga al llarg del material, que està associada amb la velocitat de grup de la relació de dispersió local en els diferents plànols del cristall. Es proposa un model basat en la teoria de modes acoblats per a predir i interpretar este efecte. Dos fenòmens diferents cal destacar quan es tracta d'estructures periòdiques amb dissipació. Per un costat, al considerar la propagació d'ones sonores en el plànol en un array periòdic de capes absorbents, s'observa una disminució anòmala de l'absorció i es combina amb un augment simultani de reflexió i transmissió en les freqüències de Bragg que contrasta amb la usual disminució de transmissió, característica dels sistemes conservatius a eixes freqüències. Per a un medi similar de capes, amb un reflector rígid darrere, les ones fora del pla incidint l'estructura des de un medi homogeni, augmentaran considerablement la interacció. En altres paraules, el retràs temporal de les ones sonores dins del sistema periòdic augmentarà significativament produint un augmen
Cebrecos Ruiz, A. (2015). Transmission, reflection and absorption in Sonic and Phononic Crystals [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/56463
TESIS
Premiado

Face aux problèmes vibratoires en usinage, deux approches ont été développées. L'une consiste à prédire les vibrations grâce à des modélisations de plus en plus élaborées des opérations d'usinage. La deuxième est une approche plus expérimentale, d'instrumentation des machines dans le but de surveiller et de comprendre le comportement de l'outil pendant l'usinage. Dans le cadre de cette deuxième approche, de nombreuses technologies de capteurs sont utilisées. Le but de ces travaux est d'étudier le comportement de l'outil grâce à des capteurs de déplacement sans contact qui mesurent directement les vibrations de l'outil pendant l'opération d'usinage. Ces capteurs d'abords utilisés en fraisage puis en tournage permettent l'étude des différents aspects de l'interaction entre l'outil et la pièce. Le premier point étudié est l'investigation du phénomène de la coupe, avec la possibilité de tracer en trois dimensions ou dans le plan la trajectoire de l'outil. Le deuxième point est l'étude de la stabilité ou de l'instabilité de l'usinage. Par la suite, les mesures de déplacement sont utilisées pour déterminer les efforts de coupe, que ce soit en fraisage ou en tournage. Les efforts appliqués sur l'outil vont provoquer sa déformation qui sera mesurée par les capteurs sans contact. Dans le cas du fraisage, une méthode de calcul spécifique à partir de la Fonction de Réponse en Fréquence (FRF) de l'outil a été mise en œuvre pour calculer ces efforts de coupe pour des vitesses de rotation importantes. Le dernier aspect traité est la reconstruction de l'état de surface de la pièce usinée. Les déplacements mesurés de l'outil sont superposés à la trajectoire théorique de l'outil pour déterminer l'aspect et le profil de la surface réellement usinée lors de l'opération.

碩士
國立臺灣科技大學
機械工程系
104
This study investigated the vibration characteristics of two piezoelectric plates coupled with bounded compressible inviscid fluid by theoretical analysis. The Rayleigh–Ritz method and the coupled equation of hydrostatic equilibrium were developed to study two kinds of Fluid-Structure Interaction (FSI) system. The first FSI system in this study is two piezoelectric circular plates placed on the top and the bottom of a cylindrical container, respectively. The governing equation of piezoelectric circular plate is obtained by using the constitutive equations of piezoelectric plate and the equilibrium of mechanic. The governing equation of fluid is obtained from acoustic wave equation. The FSI between the piezoelectric plate and bounded fluid are obtained by employing the integral transformation technique. The frequency eigenfuction of the FSI system can be derived by the Rayleigh–Ritz method. Finally, the dynamic characteristic of the FSI system, including resonant frequencies, corresponding mode shapes, and pressure field of the fluid can be obtained from theoretical solution. The second FSI system in this study is two piezoelectric retangular cantilever plates immersed in the wall of rectangular container which is symmetric to the middle plane of container. The vibration displacement of piezoelectric retangular cantilever plate is obtained by the governing equation of piezoelectric plate and the superposition method. The governing equation of fluid is obtained from acoustic wave equation. The FSI between the piezoelectric plate and fluid are obtained by employing the integral transformation technique. The frequency eigenfuction of the FSI system can be derived by the coupled equation of hydrostatic equilibrium. Resonant frequencies, corresponding mode shapes, and pressure field of the fluid can be obtained by solving the characteristics equation.The vibration characteristics of theoretical analysis are verified with the results from finite element method(FEM). Furthermore, the theoretical solution was used to discuss the effects of the compressibility, density, depth of fluid on the resonant frequency.

Le talonnage d'un outil lors de l'usinage fait amortir les vibrations générées et impacte la stabilité du processus d'usinage. Alors, il faut prendre en compte ce phénomène lors de la simulation d'usinage. Ce travail de thèse présente une méthode pour l'identification, la modélisation, et la simulation numérique de talonnage d'un outil lors de l'usinage. La modélisation du talonnage est basée sur l'approche classique du calcul du volume de l'interférence entre la face de dépouille et la surface usinée de la pièce. Un dispositif spécifique a été conçu qui peut créer les conditions nécessaires pour générer l'interférence entre la face de dépouille de l'outil et la surface générée de la pièce. Les modèles géométriques de la pièce et l'outil sont représentés par les z-buffers qui permettent de déduire numériquement le volume de l'interférence en fonction des positions relatives de z-buffers à chaque instant. Les coefficients des efforts de coupe liés au talonnage sont estimés à partir de la méthode de la minimisation d'une erreur des efforts de coupe mesurés et les efforts de coupe simulés.

Cette thèse contribue à la modélisation et à létude de la dynamique de la coupe vibratoire, ayant comme application immédiate et comme objectif, la validation du perçage vibratoire par tête auto-vibrante. Les modèles de la coupe vibratoire qui ont été développés ont fait lobjet dune analyse de stabilité et dune étude détaillée par simulations numériques. Les phénomènes non linéaires engendrés par la coupe vibratoire ont été mis en évidence par simulations et par une campagne dexpérimentations. Les modèles et les études issus de cette thèse donnent une vue densemble de la dynamique compliquée de la coupe vibratoire et apportent une compréhension fine des aspects pratiques du perçage vibratoire par tête auto-vibrante. Les moyens expérimentaux développés et mis en uvre constituent un outil dinvestigation performant et indispensable à lanalyse systématique du procédé, dans le but de son industrialisation.

Dans le domaine de la fabrication, des nouvelles contraintes environnementales imposent de limiter au maximum l'utilisation de fluide de coupe. En perçage, de nombreuses techniques permettant d'usiner à sec ou avec très peu de lubrification commencent à voir le jour. Le perçage vibratoire est un nouveau procédé générant des vibrations axiales auto-entretenues à basse fréquence dans le but de créer une coupe discontinue. Les vibrations sont générées par un porte-outil spécifique utilisable sur tout centre d'usinage. Le copeau résultant est fractionné et peut s'évacuer naturellement. L'opération de perçage peut ainsi être réalisée à sec. Le travail réalisé s'articule autour de la modélisation de l'ensemble du phénomène de coupe en perçage vibratoire. Le modèle mis en place est couplé à une stratégie expérimentale de recalage qui abouti à l'identification précise de l'effort de coupe pour tout couple Outil/Matière. Une étude virtuelle du comportement dynamique de la tête est réalisée à l'aide d'un simulateur de perçage vibratoire intégrant les modèles établis. Plusieurs campagnes expérimentales ont mis en évidence l'influence de la géométrie des outils, des conditions de coupe et des paramètres de réglage de la tête, sur le domaine de vibration. L'ensemble des campagnes expérimentales a été effectué sur une application spécifique de perçage dans un acier à vilebrequin. L'optimisation du procédé a montré la faisabilité d'un perçage vibratoire long à sec dans le cadre d'une utilisation industrielle. La qualité de perçage obtenue est similaire à celle d'une opération de perçage traditionnel et la productivité a été multipliée par cinq par rapport à celle d'un forage avec foret ¾.

Le milieu des Services à l'automobile est un secteur d'activité important, tant par son nombre d'entreprises que de travailleurs. Au fil des ans, quelques études ont présenté que ce milieu est touché d'une manière importante par les troubles musculo-squelettiques aux membres supérieurs (TMS-MS). Plusieurs auteurs ont établi un lien entre les postures de travail, les outils utilisés et le développement de TMS-MS. Cette étude avait pour objectif d'évaluer des stratégies utilisées lors du boulonnage à la clé à chocs pneumatiques par des mécaniciens d'expérience ayant préalablement été observés par Giguère et al. (2007) lors d'une étude exploratoire portant sur les TMS-MS dans le secteur des Services à l'automobile. Ces stratégies avaient été identifiées en raison de leur potentiel à diminuer les contraintes physiques aux membres supérieurs associées au boulonnage à la clé à chocs pneumatique. Seize sujets ont réalisé cinq manoeuvres de boulonnage, mais les résultats de seulement treize d'entre eux ont été utilisés pour les analyses statistiques multifactorielles. Ces sujets devaient réaliser seize conditions expérimentales qui furent créées à partir de la combinaison de quatre variables indépendantes. Ces variables comportaient: les plans de travail (horizontal et vertical), les positions du coude (en flexion et en extension), les types de saisie (à une main et à deux mains) et les caractéristiques des clés à chocs pneumatiques (modèle lourd et modèle léger). Lors du boulonnage sur le plan horizontal avec le coude fléchi, une rallonge de 45 centimètres a été utilisée pour assurer le dégagement de la tête. Lors du boulonnage des cinq vis, le couple de serrage à atteindre d'au moins 115 Nm était mesuré à l'aide d'un capteur IMADA DL-1M. La demande musculaire a été mesurée avec l'électromyographie (EMG) de surface pour neuf muscles des membres supérieurs. L'évaluation des moments de force externes exercés par les outils au niveau de la prise a aussi été faite. La vidéo a permis d'évaluer le positionnement angulaire des membres supérieurs et les capteurs de force (accéléromètre et couple de serrage) ont servi à établir la durée du boulonnage ainsi que le nombre de coups pour atteindre le couple de serrage final. La perception psychophysique de l'effort associée aux différentes conditions expérimentales a aussi été recueillie pour chacun des sujets. Selon les résultats de l'EMG, l'utilisation d'une rallonge de 45 centimètres qui permettait de boulonner sur le plan horizontal avec le coude fléchi a permis de réduire les pourcentages d'une contraction volontaire maximale de 29 % pour le trapèze supérieur et de 23,6% pour le deltoïde antérieur. Cette baisse suggère la posture et parfois plus importante que l'ajout d'un poids supplémentaire de 800 grammes (poids de la rallonge), pour induire une réduction de la demande musculaire. Les résultats ont aussi démontré que le manque de puissance de la clé à chocs légère entraînait toujours durée de boulonnage plus importante par rapport à celle plus lourde. Il serait intéressant de poursuivre cette étude en tentant d'identifier clairement qu'elles sont les caractéristiques d'une clé à chocs pneumatique qui permettent de réduire les contraintes physiques associées au boulonnage avec cet outil. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Mécanique automobile, Trouble musculo-squelettique au membre supérieur, Ergonomie, Électromyographie, Biomécanique, Couple de serrage, Boulonnage.