Uma implementação computacional baseada nos conceitos da mecânica do contato e no Método dos Elementos de Contorno é desenvolvida para simular a interação entre discos de corte e maciço rochosos. Simula-se o contato considerando-se inicialmente uma superfície potencial de contato que é atualizada durante um processo de carregamento incremental, podendo conter elementos separados, em contato sem deslizamento ou com deslizamento parcial. A cada passo do carregamento incremental estima-se a configuração do modelo e os dados obtidos neste passo serão utilizados como parâmetros no passo seguinte até que todo o carregamento esteja aplicado. O modelo em estudo consiste em dois discos de corte paralelos atuando sobre uma base sólida com característica elástica linear. São feitas duas simulações com os discos de corte. Na primeira delas, compara-se a penetração dos discos utilizando-se como parâmetro os valores calculados em uma análise por elementos finitos. No segundo caso, estuda-se a distribuição de tensões no maciço quando se altera o espaçamento entre os discos para um mesmo carregamento. Além desta análise, duas outras comparações são feitas utilizando como parâmetros soluções analíticas e numéricas de modelos clássicos da mecânica do contato. São estes: cilindro e pilar em base elástica. / A computational implementation based on contact mechanics and on the Boundary Element Method is developed in order to simulate the interaction between disc cutters and rock mass. The contact simulation considers initially a potential contact area which is updated during an incremental load process, in such way the surface can include elements in separation, stick or partial slip. At each incremental load step the configuration of the model shall be evaluated and the values computed at such step are used as parameter to the next load step until the end of the loading process. The investigated model consists in two parallel cutter discs on a flat elastic foundation. In the first simulation the penetration of the discs are studied and the results are compared against a finite element simulation. In the second simulation, the stress distribution in the rock mass is evaluated considering different spacing between the disc cutters by keeping the same load. In addition, two benchmark problems of contact mechanics, such as the cylinder and the flat punch on a elastic foundation, were modeled in order to validate the proposed algorithm. The obtained results were compared against analytical and numerical solutions.

Orientador: Alberto Luiz Serpa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-22T21:32:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ferreira_LuanJoseFranchini_M.pdf: 31334961 bytes, checksum: 0c668b476e8b23fc3d0c578acdda9020 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O vibro-impacto de vigas ocorre devido ao contato intermitente das estruturas na presença de folgas, gerando desgaste excessivo, vibração com grandes amplitudes, falhas prematuras de componentes e altos níveis de ruído. A determinação da resposta no domínio do tempo do sistema, ou seja, deslocamentos, velocidades e acelerações, juntamente com os esforços de contato são de fundamental importância para o projeto desses sistemas, na prevenção de falhas e no controle de vibrações e ruído. Foi desenvolvido um código utilizando a linguagem MATLAB que a partir dos dados de uma malha de elementos finitos de viga, determina a resposta dinâmica da viga sobre a condição de vibro-impacto. A resposta dinâmica foi obtida utilizando a integração numérica da equação do movimento discretizada. Os métodos de integração numérica da diferença centrada, Newmark e alpha-HHT foram implementados para o caso de contato intermitente e utilizados na determinação da resposta dinâmica da estrutura. A condição de contato intermitente originada pelo processo de vibro-impacto foi tratada avaliando a condição de não penetração dos corpos nos instantes de tempo específicos definidos pelo intervalo de tempo utilizado na integração numérica. Os modelos de contato mecânico utilizados foram os modelos de força de contato proporcional e o cúbico / Abstract: The vibro-impact of beams occurs due to intermittent contact of the structures in the presence of clearances, generating excessive wear, vibration with large amplitudes, premature failure of components and high noise level. A MATLAB code was developed using the finite element model of the beam, obtaining the dynamic response of the beam with the vibro-impact condition. The dynamic response was obtained using numerical integration of the discretized equation of motion. The numerical integration method of the central difference, Newmark and alpha-HHT were implemented for the case of contact and used for the determination of the structure time response. The contact condition caused by vibro-impact process was treated evaluating the condition of nonpenetration bodies in specific instants of time defined by the numerical integration method. The mechanical contact models proportional force and cubic force were used / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Les enjeux environnementaux actuels, ainsi que la hausse continue du prix du pétrole, ont incité les constructeurs automobiles du monde entier à améliorer le rendement de leurs véhicules. Les propriétés tribologiques des lubrifiants des moteurs et boîtes de vitesses ont une influence considérable sur le rendement global des véhicules. Ils réduisent en effet le frottement généré par un grand nombre de contacts, et permettent parfois la réduction de la taille de différents composants en leur conférant une meilleure résistance à l’usure. Les avancées récentes en termes de synthèse de nanoparticules ont ouvert de nouvelles perspectives en termes d’additivation de lubrifiants avec, par exemple, la découverte des excellentes propriétés tribologiques des nanoparticules inorganiques de type fullerène comme le disulfure de molybdène ou de tungstène. L’objectif de ce manuscrit est d’évaluer le potentiel tribologique des nanoparticules IF-MoS2 dans l’optique d’une application automobile. L’influence de la taille et de la structure des nanoparticules a d’abord été étudiée. Les nanoparticules peu cristallines se sont révélées être plus aptes à maintenir un tribofilm performant sur des surfaces en acier dans des conditions de lubrification limite, indépendamment de leur taille. Toutes les nanoparticules testées ont cependant atteint des performances équivalentes lorsqu’une recirculation de l’huile était imposée, permettant de maintenir une alimentation continue du contact en nanoparticules. Une fois incorporées dans une formulation d’huile complète, les nanoparticules IF-MoS2 perdent leurs propriétés tribologiques. Les dispersants contenus dans l’huile, bien que permettant une bonne dispersion des IF-MoS2, semblent responsables de leur inefficacité en empêchant la formation de tribofilms sur les surfaces antagonistes. Une fois correctement dispersées, les nanoparticules pénètrent toujours le contact et se retrouvent bien exfoliées. Une adsorption excessive des dispersants sur les feuillets de MoS2 ainsi libérés et/ou sur les surfaces en acier semble nuire à l’adhésion du tribofilm. Un équilibre entre dispersion des nanoparticules et performance tribologique a ensuite été trouvé, en utilisant de très faibles concentrations de dispersants. Le comportement des huiles dopées en nanoparticules dans des conditions plus proches d’une application automobile a finalement été exploré. Les IF-MoS2 ont permis une réduction significative du frottement et de l’usure à température ambiante et en roulement/glissement, à la fois pour des surfaces lisses et rugueuses. Les risques associés à la présence de nanoparticules dans l’huile dans les régimes de lubrification en film complet ont été partiellement levés. Aucun impact significatif n’a en effet été constaté sur le coefficient de frottement pour l’ensemble des conditions d’essais retenues. Le potentiel des nanoparticules IF-MoS2 pour la protection des surfaces soumises à la fatigue de contact a enfin été démontré. / The growing environmental concerns, along with the continuous increase in the price of fossil fuels, have highly motivated car manufacturers worldwide to improve the efficiency of their vehicles. The tribological properties of engine and gearbox lubricants have a significant impact on the global efficiency of vehicles, as they contribute to reducing friction in many contacts and allow the downsizing of various components by providing their surfaces with anti-wear protection. The recent breakthroughs in nanoparticle synthesis have opened new prospects in terms of lubricant additivation, with the discovery of the excellent friction and wear reducing properties of nanoparticles such as Inorganic Fullerene-like (IF-) molybdenum or tungsten disulfides. The tribological potential of IF-MoS2 for automobile applications was investigated in this work. The respective influences of nanoparticle size and structure were first of all studied, revealing that poorly crystalline nanoparticles were more efficient in maintaining low-friction tribofilms on steel substrates in severe boundary lubrication regimes regardless of size (for the range studied). All the nanoparticles tested however showed similar performances when proper oil recirculation was ensured, providing a continuous feeding of the contact in nanoparticles. The IF-MoS2 nanoparticles lost their lubricating abilities when added to fully-formulated lubricants. This behavior was attributed to the presence of dispersants in the oil, which dispersed the nanoparticles effectively but prevented them from forming tribofilms on the rubbing surfaces. The well-dispersed IF-MoS2 were shown to enter the contact and exfoliate, but an excessive adsorption of the dispersants on the released MoS2 platelets and/or the steel surfaces is thought to prevent tribofilm adhesion. A balance between nanoparticle dispersion and tribological performance was then found, by using very low concentrations of dispersants. The behavior of nanoparticle-doped oils in various scenarios related to automobile applications was finally explored. The IF-MoS2 provided significant friction and wear reduction at ambient temperature and in milder rolling/sliding test conditions, for smooth and rough surfaces. The risks related to the presence of nanoparticles in the oil in full-film lubrication regimes were partially lifted, with no significant influence on friction witnessed for all the test conditions considered. The ability of IF-MoS2 nanoparticles to protect steel surfaces from surface-initiated Rolling Contact Fatigue was finally shown.

Le comportement local au contact et son interaction avec la dynamique globale du système sont à l'origine d’innombrables problèmes de contact concernant plusieurs disciplines telles que la tribologie, la géophysique, la mécanique de vibration ou la mécanique de la rupture. Lorsque deux corps élastiques sont en mouvement relatif avec une interface de frottement, des vibrations induites se produisent dans le système. Dans un point de vue macroscopique, le scénario macroscopique de stick-slip survenant pendant le mouvement relatif est caractérisé par la chute soudaine de la force de frottement (état de glissement), séparées par des périodes d'accumulation d'énergie élastique (état d’adhérence). Autrement, une instabilité dynamique se produit quand un mode de vibration du système mécanique devient instable en raison des forces de frottement. Ces types d'instabilités, générées par des forces de frottement, ont été principalement objet de publies traitant de problèmes spécifiques dans différents domaines. Dans ce contexte, des analyses expérimentales et numériques ont été ici mis en place pour comprendre comme le comportement de l'interface locale affecte la réponse macroscopique du système et vice-versa, au cours de scénarios d'instabilité. Les scénarios macroscopiques (instabilité de « stick-slip macroscopique », instabilité modale, glissement continu stable), survenant entre deux milieux élastiques simples en mouvement relatif, ont été étudiés numériquement et expérimentalement. Un dispositif expérimental dédié (TRIBOWAVE) a été développé et a permis de reproduire et examiner les différents scénarios de frottement dans des conditions aux limites bien contrôlées. Les mêmes scénarios de frottement ont été reproduits par des simulations numériques transitoires. Une loi de frottement en fonction du temps d’adhérence (stick) a été définie à partir des essais expérimentaux. La loi de frottement obtenue a été mise en œuvre dans le modèle numérique, conduisant à une validation quantitative des scénarios de frottement par les expériences. Les simulations transitoires non linéaires, l’analyse aux valeurs propres complexes et les tests expérimentaux ont permis de dessiner des cartes de scénarios d'instabilité en fonction des paramètres clés du système. Validé par la comparaison avec les mesures des signaux expérimentaux globaux (forces, accélérations / vitesse), le modèle numérique a permis d'étudier le couplage entre le comportement du contact local (distribution de l'état du contact, propagation des ondes et des ruptures, précurseurs) et la réponse dynamique du système au cours du « stick-slip macroscopique », de l’instabilité due au couplage modale et du glissement continu stable. La compréhension du couplage entre le contact et la dynamique des systèmes apportera de nouvelles améliorations sur le contrôle des instabilités de contact et les problèmes d'usure connexes. / Local contact behavior and its interaction with the global dynamics of the system are at the origin of innumerable contact issues concerning several different disciplines like tribology, geophysics, vibration mechanics or fracture mechanics. When two elastic media are in relative motion with a frictional interface, friction induced vibrations arise into the system. By a macroscopic point of view, the “macroscopic stick-slip” scenario occurring during relative motion is characterized by sudden friction force drops (sliding state) along the time, separated by periods of elastic energy accumulation (stick state). Instead, the mode dynamic instability occurs when a vibration mode of the mechanical system becomes unstable, due to frictional contact forces. This kind of instabilities, generated by frictional forces, have been mainly object of papers dealing with specific issues in different domains. In this context, experimental and numerical analyses have been focused here on understanding how the local interface behavior affects the macroscopic frictional response of the system, and, conversely, during instability scenarios. The macroscopic frictional scenarios (macroscopic stick-slip instability, mode coupling instability, stable continuous sliding) arising between two simple elastic media in relative motion have been investigated numerically and experimentally. A newer experimental setup (TRIBOWAVE) has been developed and it allowed to reproduce and to investigate the different scenarios under well-controlled boundary conditions. The same frictional scenarios have been reproduced by transient numerical simulations. A dedicated friction law as a function of adherence (sticking) time has been recovered by means of experimental tests. The obtained friction law has been implemented in the numerical model, leading to a quantitative validation of the simulated scenarios by the experiments. Nonlinear transient simulations, complex eigenvalue analyses and experimental tests allowed for drawing instability maps as a function of system key parameters. The numerical model, validated by the comparison with the experimental global measurements (forces, accelerations/velocity), allowed for investigating the coupling between the local contact behavior (contact status distribution, wave and rupture propagation, precursors) and the system dynamic response during macroscopic stick-slip instability, mode coupling instability and stable continuous sliding. The understanding of the coupling between contact and system dynamics will bring to further improvements on the control of contact instabilities and related wear issues.

Des simulations numériques rapides et précises du contact élastohydrodynamique (EHD) sont recherchées pour aider au développement de produits. L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle compact pour le problème du contact EHD en appliquant des méthodes de réduction de modèle. Dans ce but l'équation de Reynolds (non-linéaire), l'équation d'élasticité (linéaire) et l'équilibre de la charge, sont résolus dans un système d'équations unique par la méthode de Newton. La réduction s'effectue par projection sur un sous espace de faible dimension, qui repose sur des solutions du système complet. De plus, une approximation du système est effectuée, dans laquelle les matrices du système réduit sont approximées. Pour le problème du contact EHD stationnaire, un algorithme de génération automatique des modèles compacts est présenté. L'algorithme fournit des modèles réduits stables et rapides sur une région de paramètres définies. La méthode de Newton réduite est également étendue aux fluides non-newtoniens. Les résultats du modèle réduit sont en très bon accord avec ceux du système complet, malgré un temps de calcul clairement plus petit. Par ailleurs, une nouvelle formulation pour le problème de contact EHD transitoire est introduite, dans laquelle la région de calcul est adaptée à la taille du contact. Ceci permet d'obtenir des modèles réduits efficaces, en particulier pour des excitations à grandes amplitudes. Alternativement, la méthode "Trajectory-Piecewise-Linear" (TPWL) est appliquée au problème du contact EHD transitoire. Cette méthode permet une accélération du calcul conséquente. / In today's product development process, fast and exact simulational models of complex physical problems gain in significance. The same holds for the elastohydrodynamic (EHD) contact problem. Thus, the objective of this work is to generate a compact model for the EHD contact problem by the application of model order reduction. Thereto, the EHD contact problem, consisting of the nonlinear Reynolds equation, the linear elasticity equation and the load balance, is solved as a monolithic system of equations using Newton's method. The reduction takes place by projection onto a low-dimensional subspace, which is based on solutions of the full system. Moreover, a so-called system approximation is executed at which the reduced system matrices are substituted by less complex surrogates. For the stationary EHD contact problem, an algorithm for the automated generation of the compact model is presented. This algorithm provides fast and numerically stable reduced systems on a given parameter range. Additionally, the reduced Newton method is extended to the consideration of Non-Newtonian fluids whereat highly accurate results are obtained requiring a very low computational time. Furthermore, a new formulation for the transient EHD contact problem is introduced, at which the computational area is adapted to the current contact size. This kind of morphing enables efficient reduced models in particular for excitations of large amplitude. Beside of the reduced Newton-method with system approximation, the method Trajectory Piecewise Linear (TPWL) is applied to the transient EHD contact problem. Here, further speed-up potential arises. Despite a distinctly lower computational time, the reduced model is in very good accordance with the full system.

Ce travail s’attardera sur deux types de dégradation par fretting, l’usure et l’endommagement par dégradation des propriétés matériaux. Une loi d’usure énergétique sera utilisée pour quantifier l’usure en glissement total d’un contact revêtu. Un modèle d’endommagement basé sur le concept de la déformation équivalente sera utilisé pour étudier l’évolution de l’endommagement dans un contact revêtu. L’analyse d’un problème de contact requiert un outil de calcul à la fois robuste et rapide. Dès lors des simulations d’usure et d’endommagement cyclique peuvent être réalisées en un temps court. Pour atteindre cet objectif, un code de contact basé sur une méthode semi-analytique est utilisé. Des solutions analytiques élémentaires permettent de relier les sollicitations normales et tangentielles aux déplacements élastiques résultants des surfaces en contact. Ces déplacements élastiques sont alors exprimés par un double produit de convolution discret entre des coefficients d’influence et les sollicitations dans le contact. La prise en compte d’un revêtement nécessite l’intégration d’un modèle d’homogénéisation dans le code de contact. Une technique d’enrichissement via la méthode de l’inclusion équivalente d’Eshelby, dans laquelle la contribution d’une ou plusieurs inclusions est superposée à la solution en élasticité, est utilisée. Le modèle de comportement revêtement/substrat peut être validé par comparaison avec les résultats obtenus avec un modèle basé sur les techniques Multigrille. La loi d’usure est ensuite implémentée, et une simulation d’usure est alors entreprise. Des simulations d’usure sont effectuées pour un contact poinçon-plan en glissement total. Les résultats numériques d’usure sont comparés à des essais antérieurs effectués par le LTDS. Pour l’endommagement, des calculs analytiques sont premièrement effectués permettant d’analyser le comportement endommageable sous chargement cyclique uniaxial. Le modèle de Mazars est ensuite adapté au problème de contact et implémenté ; des simulations sont alors menées pour étudier le comportement élasto-endommageable du contact sous chargement de fretting. / This work will focus on two types of degradation by fretting, wear and damage by degradation of materials properties. An energy wear law will be used to quantify the wear of a coated contact under gross slip conditions. A damage model based on the concept of equivalent strain will be used to study the damage evolution in a coated contact. Analysis of a contact problem requires a robust and fast computation tool. Therefore cyclic wear and cyclic damage simulations can be performed in a short time. To achieve this objective, a contact code based on a semi-analytic method is used. Elementary analytical solutions allow to link the normal and tangential stresses to elastic displacements resulting of the contacting surfaces. These elastic displacements are then expressed by a double product of discrete convolution between the coefficients of influence and solicitations in the contact. The consideration of coating requires the integration of a homogenization model in the contact code. An enrichment technique via the equivalent inclusion method of Eshelby, in which the contribution of one or more inclusions is superposed on the elastic solution, is used. The coating / substrate behavior model can be validated by comparison with results obtained with a model based on the Multigrid techniques. The wear law is then implemented and a wear simulation can now be conducted. Wear simulations are performed for a punch-plane contact under gross slip conditions. Numerical wear results are compared to wear-fretting test conducted by the LTDS. For damage, analytical calculations are first performed to analyze the endommageable behavior under uniaxial cyclic loading. Mazars model is then adapted to the contact problem and implemented. Simulations are then conducted to study the behavior of elastic-damageable contact under fretting loading.

Cette thèse est située dans le cadre du projet FUI OASIS ayant comme objectif la modélisation d'un processus d'emboutissage optimisé. Le travail consiste essentiellement au développement des algorithmes de contact plus appropriés à ce type de mise en forme. Dans la littérature et pour plusieurs codes de calcul industriels, l'approche NTS (nœud à segment) demeure la plus utilisée pour la résolution d'un problème de contact. Dans certaine configuration, cette méthode présente des insuffisances et un manque de précision. On la remplaçant par l'approche mortier, on arrive à résoudre une gamme assez large de problèmes de contact. La méthode mortier, utilisée au initialement pour un calcul avec décomposition de domaine, a été le centre d'intérêt de plusieurs travaux de recherche pour la modélisation du contact. Dans ce travail, on va regrouper plusieurs méthodes de gestion du contact en les combinant avec l'approche mortier. L'algorithme de résolution, les éléments d'implémentation ainsi quelques exemples de validation présentant une critique des avantages et les limites de chaque techniques sont détaillés dans ce travail afin d'obtenir un support technique pour tous travail ultérieurs avec la méthode mortier. Le principal avantage de la méthode mortier se manifeste dans l'application des conditions de contact sous forme d'intégrale dans l'interface. Bien que cette méthode permette de réduire la différence des contraintes dans l'interface de contact d'un élément à un autre pour obtenir une meilleure continuité de la pression de contact, elle demeure insuffisante dans certaines applications en particulier pour les problèmes en grande déformation. Le lissage des surfaces de contact, qu'on peut appliquer par différentes techniques, présente une solution classique à ce genre de problème en mécanique de contact. L'originalité de ce travail, c'est la combinaison de l'utilisation des courbes B-Spline cubiques pour la description presque exacte de la surface de contact d'un côté avec une formulation avec l'approche mortier pour l'application des conditions de contact d'un autre côté. Cette combinaison forme un duo gagnant permettant de résoudre un problème de contact en grandes déformation. Les termes permettant l'implémentation des différentes techniques de lissage pour la résolution d'un problème de contact sont détaillés. Une attention particulière est accordée au lissage avec les B-Spline Cubiques.Tous les algorithmes détaillés dans ce travail sont implémentés dans un code maison FiEStA. C'est un code de calcul par éléments finis libre en langage C++. Certains développements concernant la loi de comportement hyper-élastique et l'intégralité du module du contact sont développés dans ce travail de thèse. / This thesis is situated in the FUI OASIS project which the objective is the modeling of an optimized stamping process. The work mainly involves the development of the most appropriate contact algorithms such formatting. In the literature and several industrial computing codes, the NTS approach (node to segment) remains the most used for the resolution of a contact problem. In certain configuration, this method has shortcomings and a lack of precision. We replacing it with mortar approach, we manage to solve a broad range of contact problems. The mortar method, used for the initial for calculation using domain decomposition, was the focus of several research projects for the modeling of the contact. In this work, we will consolidate multiple contact formulation methods in combination with mortar approach. The resolution algorithm, the elements of implementation and some examples of validation with a review of the advantages and limitations of each technique are detailed in this work in order to get technical support for subsequent work with the mortar method. The main advantage of the mortar method is in the application of the contact conditions in integral form in the interface. Although this method reduces the difference of the stresses in the contact interface of a component to another to obtain a better continuity of the contact pressure, it is still insufficient in some applications, particularly for large deformation problems. The smoothing of contact surfaces, which can be applied by various techniques, presents a classic solution to this problem in mechanical contact. The originality of this work is the combination of using cubic B-Spline curves for the almost exact description of the contact surface on one side with the use of the mortar approach to the application of the contact conditions on the other hand. This combination forms a winning combination for solving a contact problem in large deformation. The terms allowing the implementation of the different smoothing techniques for solving a problem of contact are detailed. Particular attention is paid to smoothing with Cu bic B-Spline. All algorithms detailed in this work are implemented in a house code 'Fiesta'. This is a free finite elements computer code in C ++. Some developments in the law of hyper-elastic behavior and completeness of the contact module are developed in this thesis.

Lightweight aluminium-silicon alloy is an attractive material for making engine cylinders in automobiles. It imparts good power to weight ratio to the engine. High silicon containing aluminium alloys are used in current engine block castings where the bore surface is etched or honed to partially expose the silicon particles to provide the primary contact between the piston ring and certain regions of the piston and the cylinder. Piston reversal near the top dead centre however causes starvation of lubrication which leads to wear. To explore the wear behaviour of etched aluminium-silicon alloys under nominally dry conditions and extreme lubricated conditions, a host of mechanical and spectroscopic techniques are used here to characterize mechanical and chemical changes caused by wear. In the absence of complex chemical transformations on the wear surface in dry condition, allows a close examination of surface and subsurface microstructures. Given this understanding of the wear under dry condition, we explore the effect of boundary lubrication, where chemical transformations leading to surface modifications are involved. In dry sliding tribology of aluminium-silicon alloy slid against a steel ball four stages of wear are identified; ultra-mild wear, mild wear, severe wear and post severe oxidative wear. In the ultra-mild wear regime silicon particles bears the load. Transition to mild wear occurs when the protruded silicon particles disappear(by sinking and fracture) under higher pressure and sliding. The sinking of silicon particles under normal loading is further investigated using a naoindenter. It is found that the resistance to sinking of such particles into the matrix increases with the unexposed surface area to the buried volume of the particles. In that sense, small particles are seen to provide the stiffest resistance to sinking. While in ultra-mild wear regime the basic energy dissipation mechanism is sinking/tilting, in mild wear regime the subsurface is either in an elastic or an incipiently plastic state. Subsurface plasticity in mild wear regime leads to a grain refinement, fracture of silicon and nucleation of cracks at silicon-matrix interfaces but does not promote large scale flow of the matrix. Transition to severe wear occurs when the contact pressure exceeds the plastic shakedown limit. Under this condition gross plasticity leads to a severe fragmentation of silicon particles and the fragmented silicon are transported by the matrix as it undergoes incremental straining with each cyclic contact at the asperity level. A large reduction in the inter-particle distance com-pared to that in a milder stage of wear, gives rise to high strain gradients in the severe wear regime which contribute to the enhancement of dislocation density. The resulting regions of very high strains at the boundaries of the recrystallised grains as well as within the subgrains lead to the formation of microvoids/ cracks. This is accompanied by the formation of brittle oxides at these subsurface inter-faces due to enhanced diffusion of oxygen. We believe that the abundance of such microcracks in the near surface region, primed by severe plastic deformation, is what distinguishes a severe wear regime from that in the mild wear. The transition from severe wear to post severe oxidative wear is thermally induced and it transfers the metal to metal contact interaction to metal to ceramic interaction. A thick oxide layer is abraded and spalls while the metal underneath continues to flow and delaminate. A study of lubricated tribology of ultra-mild and mild wear regime of aluminium-silicon alloy shows that the initial stages of sliding friction is controlled by the abrasion of the steel pin by the protruding silicon particles of the aluminium-silicon disc. Thegeneration of nascent steel chips helps to breakdown the additive in the oil by a cationic exchange that yields chemical products of benefits to the tribology. The friction is initially controlled by abrasion, but the chemical products gain increasing importance in controlling friction with sliding time. After long times, depending on the contact pressure, the chemical products determine sliding friction exclusively. In the mild wear chemically induced low friction is achieved in short periods of time whereas in ultra-mild wear regime it takes very long time to reach this low friction state. While the basic dissipation mechanisms are the same in the ultra-mild wear and mild wear regimes ,the matrix remains practically unworn in the low pressure ultra-mild wear regime. In the higher pressure mild wear regime at long sliding times a small but finite wear rate prevails. Incipient plasticity in the subsurface controls the mechanism of wear.

La paralysie cérébrale (PC) est la première cause de l’handicap moteur de l’enfant en France (2 naissances pour 1000). Il s’agit d’une pathologie causée par des atteintes non progressives survenues lors du développement du cerveau chez le foetus ou le nourrisson. L’équin de la cheville est la déformation musculo-squelettique la plus fréquente chez les enfants atteints par la PC. Malgré des thérapies médico-chirurgicales multiples, le taux de récidive post-opératoire demeure très élevé(48%). Une des principales raisons des échecs des thérapies est le manque de connaissance de la biomécanique articulaire et musculaire. Les techniques d’imagerie en IRM dynamique permettent aujourd’hui d’explorer l’appareil musculo-squelettique au cours du mouvement dans les 3 dimensions de l’espace avec une grande précision (<1mm). Cependant, ces techniques viennent avec leur propre liste de problèmes tels que la résolution réduite, l’anisotropie et les artefacts de mouvement. Dans cette thèse, nous abordons ces problèmes en combinant l’information spatiale de l’IRM conventionnel avec l’information temporelle fournie par les séquences IRM dynamique. Nous avons réussi à atteindre l’objectif principal de ces travaux de recherche en développant des algorithmes robustes combinant des aspects informatiques et mathématiques (dont le recalage d’images basé sur l’intensité était le facteur clé) qui nous ont permis de reconstruire les mouvements articulaires et donc d’établir une analyse biomécanique de la cheville en plus de la reconstruction spatio-temporelle de la séquence dynamique en utilisant une approche logeuclidienne. Les algorithmes proposés ont été appliqués sur la base de données actuellement disponible (contenant 6 sujets normaux) et devraient être également appliqués sur une base plus large contenant des sujets pathologiques de la même tranche d’âges afin de comparer les deux populations et de caractériser la pathologie. / Cerebral Palsy (CP) is a common birth pathology in children leading to ankle joint deformity, also known as the Spastic Equinus (SE) deformity, which causes abnormal function of the joint. While the management of ankle disorders focuses on restoring the joint functions, the underlying pathomechanics is not clearly understood yet. To better understand the biomechanics of the pediatric ankle joint, it is crucial to establish in vivo normative joint biomechanics before focusing on pathomechanics studies. Dynamic MRI has made it possible to non-invasively capture the ankle joint during a complete motion cycle. However, dynamic MRI comes with its own set of unique challenges such as low resolution, anisotropy, and motion artifacts. This motivates our choice for combining spatial information of conventional static MRI with temporal information of dynamic MRI sequences. The global aim of this research work is to build computational frameworks and to develop robust intensity-based approaches for estimating the joint motion and deformations from 3D+t MRI data, and thus for deriving the joint kinematics and the joint contact mechanics during a single cycle of dorsiplantarflexion. Due to a lack of sufficient Imaging data in the pediatric cohort, the proposed algorithms are applied on dynamic MRI data (portraying both passive and active ankle motions) from 6 healthy children.

Confined particulate systems, particularly powder compacts, are widely used in various applications in industries such as pharmaceutical, automotive, agriculture, and energy production. Due to their extensive applications, characterization of these materials is of great importance for optimizing their performance and manufacturing processes. Modeling approaches capable of capturing the heterogeneity and complex behavior are effective at predicting the macroscopic behavior of granular systems. These modeling approaches utilize information about the microstructure evolution of these materials during compaction processes at the mesoscale (particle-scale). Using these types of modeling depend on accurate contact formulation between inter-particle contacts. The challenge comes in formulating these contact models that accurately predict force-area-deformation relationships. In this work, contact laws are presented for elastic-ideally plastic particles and plastic particles with power-law hardening under unconfined (simple compression) and confined (die and hydrostatic compaction) compression. First, material properties for a set of finite element simulations are obtained using space-filling design. The finite element simulations are used for verification and building an analytical framework of the contact radius and contact pressure which allows for efficient determination of the contact force. Semi-mechanistic contact laws are built for elastic-ideally plastic spherical particles that depend on material properties and loading configuration. Then, rigid-plastic assumption is used to modify the contact laws to consider power-law hardening effects while keeping loading configuration dependency. Finally, after building and verifying the contact laws, they are used to estimate hardening properties, contact radius evolution, and stress response of micro-crystalline cellulose particles under different loading configurations using experimental data from simple compression.