Lorsque deux objets sont mis en contact, on réalise une expérience d’adhésion si on les sépare et une expérience de friction si on les fait glisser l’un sur l’autre. Lors de ces expériences, on mesure les forces d’adhésion et de friction contrôlées par un paramètre fondamental qui est l’aire réelle de contact. Cette aire réelle dépend fortement de la rugosité des surfaces. Afin de mieux comprendre le rôle de la rugosité, des expériences d’adhésion et de friction ont été réalisées entre des sphères d’élastomère en PDMS et des surfaces texturées (dures ou molles) constituées d’une rugosité modélisée par un réseau hexagonal de plots cylindriques de hauteurs, diamètres et espacements micrométriques.Dans les expériences d’adhésion, un dispositif de type JKR (pour Johnson, Kendall et Roberts) a été utilisé permettant d’observer le contact entre une sphère élastique et un plan texturé tout en contrôlant la force entre les surfaces. À faible force d’appui, la sphère reste au sommet des plots et le contact est dit « posé ». Lorsque la force entre les surfaces augmente, un contact total, où les plots sont écrasés (« contact intime »), apparaît au centre du contact, entourée d’une couronne de contact « posé ». Un modèle d’évolution du contact intime a été réalisé en prenant en compte l’adhésion entre les plots et les caractéristiques mécaniques des surfaces. De plus, en utilisant une analyse similaire à l’analyse classique de type JKR, il a été possible de mesurer les énergies d’adhésion effectives entre les surfaces. L’étude de l’évolution de ces énergies d’adhésion en fonction de la densité surfacique de plots sous le contact sphère-plan s’est révélée complexe. Finalement, des mesures de la force d’arrachement ont été réalisées, confirmant le rôle très important de la nature du contact sur l’évolution des énergies d’adhésion effective.Pour les expériences de friction, un tribomètre développé au laboratoire a été utilisé pour mesurer la force de friction dynamique. Durant ces expériences, les deux types de contact précédemment cités ont également été observés. Dans le cas où le contact reste « posé », il est naturel d’introduire une contrainte de friction égale à la force de friction divisée par l’aire réelle de contact. Il a été montré que cette contrainte de friction augmente sur des surfaces texturées (par rapport au cas lisse) et que cette augmentation dépend de façon complexe de la géométrie des plots utilisés. De plus, il a été montré que pour des petits rayons de courbure des sphères frottantes, la contrainte de friction n’est plus indépendante de l’aire réelle de contact. Finalement, nous avons montré que la contrainte de friction dans la zone de contact intime est la même que pour des surfaces lisses.Ce travail ouvre la voie à des développements théoriques et numériques nouveaux sur l’analyse du champ de contraintes et de déformations pour des contacts texturés modèles. / When two objects are in contact, an adhesion experiment is carried out if they are separated and a friction experience if one object slides on the other. A fundamental parameter which controls the adhesion and friction forces is the real area of contact between the surfaces which is largely determined by the surface roughness. To better understand the role of roughness, adhesion and friction experiments were performed with spheres of PDMS elastomer and textured surfaces (hard or soft). The latter’s roughness is modeled by an hexagonal network of cylindrical pillars with micrometrical dimensions and spacing.In adhesion experiments, a JKR set up (for Johnson, Kendall and Roberts) was used to observe the contact between an elastic sphere and a textured surface while controlling the force between the surfaces. At low normal force, the sphere remains at the top of the pillars and the contact is called "top". When the force between the surfaces increases, a full area of contact, where pillars are collapsed ("intimate contact"), appears in the center contact, surrounded by a crown of "top" contact. A model of evolution of this intimate contact which takes into account the adhesion between the pillars and the mechanical properties of surfaces has been achieved. Furthermore, it was possible to measure effective energies of adhesion between the surfaces using a similar analysis to the classical JKR analysis. Studying the evolution of these adhesion energies as a function of the pillars’ surface density below the sphere-plan contact proved to be a challenging task. At last, measurements of the pull off force were realised, corroborating the important role of the nature of contact on the evolution of effectif energies of adhesion.For friction experiments, a tribometer developed in the laboratory was used to measure the dynamic frictional force. During these experiments, the two kinds of contact previously reported were observed. When the contact remains "top", it is natural to introduce a friction stress equal to the friction force divided by the real area of contact. It has been shown that friction stress increases on textured surfaces (relative to the smooth case) and that this increase depends in a complex manner on the geometry of the pillars. Moreover, it has been shown that for small curvature radii of the friction spheres, the friction stress is no longer independent of the real area of contact. Finally, we have shown that the friction stress in the zone of intimate contact is the same as on smooth surfaces.The experimental results obtained in this thesis will serve to validate future numerical models.

Ce mémoire présente une étude théorique et expérimentale de joints annulaires à bague flottante ainsi que de joints rainurés segmentés, destinés à assurer l’étanchéité dynamique au sein de machines tournantes à haute vitesse dans les domaines aéronautique et aérospatial. Des joints annulaires à bague flottante ont été testés sur un banc d’essais dédié au sein de l’institut Pprime pour de multiples configurations de vitesse de rotation et de différence de pression étanchée. La réponse dynamique des joints par rapport aux vibrations du rotor a été étudiée pour différentes amplitudes de l’excitation. Certains résultats issus de cette étude ont été confrontés à une modélisation numérique basée sur les équations de mouvement d’un joint soumis aux forces d’inertie, aux forces hydrodynamiques dans son étanchéité principale et aux forces de frottement à l’étanchéité secondaire. Le coefficient de frottement à l’étanchéité secondaire a été estimé à partir du modèle de Greenwood et Williamson, appliqué au cas d’un régime de lubrification mixte. Les comparaisons réalisées valident le modèle numérique utilisé, qui reproduit le comportement d’un joint soumis à une excitation rotorique donnée. Un autre modèle est proposé pour le cas des joints rainurés segmentés. Les écoulements au sein des différentes parties d’un tel joint ont été modélisés par des méthodes distinctes. Les forces de frottement sont étudiées par un modèle similaire à celui utilisé dans le cas des bagues flottantes. Une étude paramétrique sur différentes caractéristiques géométriques et de fonctionnement du joint a été menée. / This thesis presents a theoretical and experimental study of floating ring annular seals and radial segmented seals. These seals are designed to prevent leakage inside high-speed rotating machinery used in aeronautics and aerospace applications. Floating ring annular seals were tested on a dedicated test rig inside the Institut Pprime. Various rotation speed and pressure difference configurations were used. The behavior of the floating rings when submitted to rotor vibrations was studied for different excitation amplitudes. Results from this study were confronted to a numerical model based on the equations of motion of the seal. The seal is driven by inertia forces, hydrodynamic forces in the main seal and friction forces on the secondary seal. The friction coefficient on the secondary seal was estimated by Greenwood and Williamson’s model for mixed lubrication. The analysis validates the theoretical model, which reproduces the dynamic behavior of a seal driven by a given rotor excitation. Another model was used to study segmented seals. The flow in each part of such a seal was modeled with various methods. Friction forces were studied with a model similar to that used for floating rings. A parametric study was performed on various geometric and operating parameters.

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.

Les roulements soumis à des mouvements oscillatoires et des charges élevées sont nécessaires pour le fonctionnement de nombreux mécanismes industriels (actionneurs, commandes d’avions, machines pour l’usinage, robots, chaînes d’assemblages, …). Ces roulements sont soumis à des pressions de contact locales extrêmement élevées avec des vitesses de roulement faibles qui ne permettent pas une lubrification adéquate des interfaces des premiers corps avec de l’huile. Les essais d’endurance sur les roulements ont permis la reconstitution des courbes de dégradation pendant la vie du roulement. Des analyses des surfaces, effectués à chaque phase de la vie du roulement ont permis aussi bien de suivre l’évolution de la topographie à l’interface entre les pistes et les éléments roulants. D’autre parte, des analyses numériques par éléments finis ont permis d’obtenir des informations sur les distributions des contraintes et des déformations. Le croisement des résultats expérimentaux et numériques a donc permis la reconstruction des mécanismes locaux d’accommodation. Dans le cas d’un roulement oscillant non graissé, les déplacements relatifs et les contraintes sont principalement accommodés aux interfaces des premiers corps en contact, ce qui accélère l’endommagement final du roulement. Dans le cas d’un roulement oscillant graissé, une partie des déplacements relatifs et contraintes est accommodée dans une sous couche qui se forme dans la peau des éléments roulants. Cette accommodation se manifeste par l’accumulation de déformations plastiques qui s’avèrent être aussi à l’origine de l’endommagement final du roulement. L’analyse des surfaces de contact des roulements oscillants graissés montre qu’il se forme, en présence de la graisse et très tôt dans la vie du roulement, une couche (troisième corps graisse/particule et TTS en surface de la piste) qui protège les surfaces en contact. D’autre part, une expertise de roulement ayant fonctionné sur un avion de de type A340 révèle une forte similarité entre ses faciès d’usure et ceux obtenus lors des essais d’endurance, et valide ainsi les mécanismes d’accommodation reconstitués. Enfin, des questions portant sur les effets de la quantité de graisse, du glissement des éléments roulants, et des pauses sur un essai donné sont aussi traitées. / Bearings subjected to oscillatory motions and high loads are necessary for the operation of several industrial mechanisms (actuators, aircraft controls, machining, robots, assembly lines, ...). These bearings are subjected to extremely high local contact pressures with low running speeds, which do not permit adequate lubrication of the interfaces of the first bodies with oil. Endurance tests perfomed on commercial bearings allowed at reconstructing the evolution of the degradation curves during the bearing life. Surface analyses carried out at each phase of the bearing life also allowed at following the evolution of the topography at the interface between the bearing raceways and the rolling elements. On the other hand, numerical analyses, by finite element method, have led to obtain information on the distributions of stresses and deformations. The dialogue between experimental and numerical results allowed the reconstruction of the local accomodation mechanisms. In the case of ungreased oscillating bearings, the relative displacements are mainly accommodated at the surfaces of the first bodies in contact, which accelerates the damage of the bearing. In the case of greased oscillating bearings, part of the relative displacements and stresses are accommodated at the subsurface of the rolling elements. This accommodation mechanism is manifested by the accumulation of plastic deformations which are at the origin of the final degradation of the bearing. The analysis of the contact surfaces of the raceways of the greased oscillating bearings shows as well that, in the presence of grease, a layer (third body mixture of grease and particles, and TTS on the track surface) protects the surfaces of the raceway and thus accommodates the other part of the displacements and stresses. On the other hand, the analysis of an airelon bearing, dismounted from an A340 type aircraft, revealed a strong similarity between its topographies and those obtained during the performed endurance tests, validateing the reconstructed accommodation mechanisms. Finally, questions about the effects of the amount of grease, sliding of the rolling elements, and pauses on a given test heve been discussed too.

Quelques développements sont démontrés dans cette thèse, du modèle de contact au modèle de roulement et du modèle de roulement-rotor à la technique de reproduction par bancs. Tout d’abord, la méthode de perturbation est étendue afin de prouver que la rigidité et l’amortissement distribués en état stable EHL ne remplissent pas les conditions transitoires et que les coefficients intégrés ne sont pas appropriés pour les analyses dynamiques. La loi de distribution de la rigidité et l’amortissement du film d’huile de l’EHL est proposée. En combinant l’état initial d’une solution stable avec l’amortissement et la rigidité distribués de l’EHL transitoire, les comportements du film d’huile peuvent être prédits. Par la suite, l’effet du contact en bordure entre le cylindre et le courant est pris en compte dans les transmissions de roulement. Les méthodes d’approximation première et seconde sont proposées pour interpréter numériquement cet effet. La méthode d’approximation première se concentre sur l’adoption de la méthode du coefficient d’influence pour reproduire l’effet de contact de même que l’utilisation du procédé de normalisation pour respecter les résultats empiriques ; alors que la méthode d’approximation seconde se concentre sur une manière analytique rapide de décrire la pression Hertz au contact entre le cylindre et le courant. Ensuite, les matrices de roulements pratiques sont utilisées pour développer un code de dynamiques 3D du roulement-rotor, basé sur des formules Hertz et EHL classiques. En temps-domaine, la méthode Adams quatre-ordres est améliorée pour résoudre les équations incrémentées des dynamiques non-linéaires. En fréquence-domaine, la méthode analytique de HB-AFT est particulièrement employée pour combler des matrices de roulement en 3D et des solutions d’état stable 3D. De plus, la méthode de continuation arc-longueur augmente la vitesse de calcul. En utilisant les deux méthodes, certains facteurs peuvent être considérés qualitativement et quantitativement, en incluant les états initiaux, l’amortissement, l’excentricité et les tensions internes et externes. Enfin, une technique alternative est proposée pour reproduire les comportements de contact à l’intérieur des roulements sous une forte charge et des vibrations à haute fréquence, lorsque les paramètres actifs sont en sous capacité du banc. Cette thèse apporte des visions nouvelles mais simples sur ce qui se produit sur les contacts roulants et longitudinaux d’un roulement circulaire ; sur comment modéliser et résoudre le système non-linéaire de roulement-rotor en domaines à la fois temps et fréquence ; et sur le moyen de reproduire des conditions de contact extrême à l’intérieur des roulements. / Some developments on bearing applications are emphasized in this thesis, from contact model to bearing model, and from bearing-rotor model to bench reproduction technique. First, perturbation method is extended to prove that steady-state EHL distributed damping and stiffness do not satisfy the transient conditions, and steady-state EHL lumped coefficients are not suitable for dynamic analysis. Distribution law of EHL oil film damping and stiffness is attemptly proposed. Combining initial state of steady-state solution with transient EHL distributed stiffness and damping, dynamic behaviors of oil film are predicted. Second, edge effect of roller/race contact is considered in bearing transmissions. First and second approximation methods are proposed to numerically interpret this effect. First approximation method concentrates on adopting influence coefficient method to replay edge effect as well as using normalization process to respect empirical results, while second approximation method focuses on a fast-analytical manner of describing Hertz pressure inside roller slice. Third, practical bearing matrices are used to develop 3D bearing-rotor dynamics code, based on classical Hertz and EHL formulas. In time domain, four-order Adams method is improved to solve incremental nonlinear dynamics equations; In frequency domain, analytical method of HB-AFT is particularly employed to bridge 3D bearing matrices and 3D steady-state solutions, besides, arc-length continuation method increases calculation speed. Using both methods, some factors can be considered qualitatively and quantitatively, including initial states, damping, eccentricity, internal and external excitations. Last, an alternative technique is proposed to reproduce contact behaviors inside bearings under heavy loading and high-frequency vibrations, when working parameters are beyond bench capacity. This thesis gives new but simple insights into what happens to rolling and longitudinal contacts of bearing roller, how to model and solve nonlinear bearing-rotor system in both time and frequency domains, and where a way is to reproduce extreme contact conditions inside bearings using bench.

Dans cette thèse, nous présentons et étudions une nouvelle formulation du problème de contact frottant entre deux corps élastiques se basant sur la méthode de Nitsche. Dans cette méthode les conditions de contact sont imposées faiblement, grâce à un terme additionnel consistant et stabilisé par un paramètre gamma. En premier lieu, nous introduisons, l’étude effectuée en petites déformations pour une version non biaisée de la méthode. La non-distinction entre une surface maître et une surface esclave permettera à la méthode d’être plus générique et applicable directement au problème d’auto-contact. Le cadre restrictif des petites déformations nous permet d’obtenir des résultats théoriques sur la stabilité et la convergence de la méthode. Ces résultats sont complétés par une validation numérique. Ensuite, nous introduisons l’extension de la méthode de Nitsche au cadre des grandes déformations qui est d’avantage pertinent pour les applications industrielles et les situations d’auto-contact. La méthode de Nitsche est formulée pour un matériau hyper-élastique avec frottement de Coulomb et se décline en deux versions : biaisée ou non. La formulation est généralisée à travers un paramètre theta pour couvrir toute une famille de méthodes. Chaque variante particulière a des propriétés différentes du point de vue théorique et numérique, en termes de précision et de robustesse. La méthode est testée et validée à travers plusieurs cas tests académiques et industriels. Nous effectuons aussi une étude de l’influence de l’intégration numérique sur la précision et la convergence de la méthode. Cette étude couvre une comparaison entre plusieurs schémas d’intégration proposés dans la littérature pour d’autres méthodes intégrales. / In this thesis, we present and study a new formulation of frictional contact between two elastic bodies based on Nitsche’s method. This method aims to treat the interface conditions in a weak sense, thanks to a consistent additional term stabilized with the parameter gamma. At first, we introduce the study carried out in the small strain framwork for an unbiased version of the ethod. The non-distinction between a master surface and a slave one will allow the method to be more generic and directly applicable to the self-contact problem. The restrictive framework of small strain allowed us to obtain theoretical results on the consistency and convergence of the method. Then, we present the extension of the Nitsche method to the large strain case more relevant for industrial applications and situations of self-contact. This Nitsche’s method is formulated for an hyper-elastic material and declines in the two versions: biased and unbiased. We describe a class of methods through a generalisation parameter theta . Particular variants have different properties from a numerical point of view, in terms of accuracy and robustness. To prove the accuracy of the method for large deformations, we provide several academic and industrial tests. We also study the influence of numerical quadrature on the accuarcy and convergence of the method. This study covers a comparison of several integration rules proposed in the literature for other integral methods.

Depuis l'utilisation des boulons au XVème siècle pour assembler deux pièces, les assemblages boulonnés posent des questions quant à la compréhension de leur fonctionnement et de leurs défaillances, telles que la variation de la tension de serrage entrainant, le desserrage, le dévissage, la perte d'étanchéité, l'initialisation de fissures, ... Pour comprendre leur fonctionnement, une méthodologie d'analyse tribologique a été mise en place, permettant de démonter un assemblage boulonné sans le desserrer, afin de ne pas modifier les conditions de contact lors du desserrage. Ainsi, toutes les interfaces d'assemblages (‘‘filets’’ écrou/vis et ‘‘autres que filets’’) formant des triplets tribologiques, ont été étudiées durant les trois phases de leur cycle de vie (fabrication, serrage, service) par le biais de cas-tests de matériaux différents. Un dialogue interactif entre les expérimentations (corrélations d'images, expertises) et la simulation numérique (Eléments Finis, Eléments Discrets) a permis de dégager des interprétations, notamment concernant les trois phases. Lors de la fabrication, le roulage des vis engendre des transformations tribologiques superficielles au niveau des sous-surfaces des filets formés. Le cœur des vis (noyau) restant non-déformé, ce procédé crée ainsi une différence de microstructure au sein de ces vis, ce qui est une source d'altération de leurs propriétés en fatigue. Lors du serrage, il se forme à l'interface ‘‘filets’’ une mixture de troisièmes corps ‘‘sec-solide’’, accommodant la vitesse entre la vis et l'écrou. Cette mixture résulte d'une réactivité entre une graisse utilisée pour le serrage et des particules, détachées d'un revêtement appliqué sur les filets d'écrous et/ou de vis. En fin de serrage, une partie de la mixture reste piégée entre les filets, jouant le rôle de maintien de la tension de serrage. Dans ces conditions, il apparaît que le frottement varie en fonction de la rhéologie de la mixture, conditionnant la variation de la tension de serrage. En service, des instabilités de contact (glissement, décollement, ...) ont été identifiées au niveau des interfaces. Ces instabilités engendrent dans les interfaces ‘‘autres que filets’’ la formation d'un troisième corps oxydé. Ce dernier constitue un surplus de matière qui peut entrainer l'augmentation des contraintes mécaniques dans les assemblages. A l'interface ‘‘filets’’ écrou/vis, il a été constaté que si la mixture de troisièmes corps piégée en serrage n'est pas cohésive, elle est extrudée des contacts, initialisant la perte de la tension de serrage. A partir de ces interprétations, des interactions entre plusieurs circuits tribologiques conduisent à converger vers un scénario de fonctionnement des assemblages boulonnés, permettant de solutionner leurs défaillances par la re-conception (mise en place de gorge de décharge, ...). / Since the use of bolts in the fifteenth century to assemble two parts, the bolted assemblies have the interrogations according to the understanding of their operating and failures occurring, such as the variation of the clamping force leading to, self-loosening, loss of sealing performance, cracks initialization, ... In order to understand their operating, a methodology focused on tribological approach was established, enabling to disassemble a bolted assembly without loosen its, allowing to not change the contact conditions during loosening. So, all the bolted assemblies interfaces (nut/screw ‘‘threads’’ and ‘‘others than threads’’) constituting tribological triplets, have been studied according to the three stages of their full life-cycle (manufacturing, tightening and service) using configurations of different materials. An interactive dialogue between the experiments (fields measuring by digital images correlation, tribological analysis) and the numerical simulation (Finite Element Method, Discrete Element Method) has led to interpretations about the three stages. During the manufacturing, the rolling of screws generates tribological superficial transformations in subsurfaces of machined threads. Contrariwise, inside the volume of these machined screws, there is no tribological transformation. So, this manufacturing process creates a difference of microstructure in these screws, that could be a source of their fatigue properties destruction. During the tightening, it produces at ‘‘threads’’ interface a ‘‘dry-solid’’ mixture of third bodies, accommodating the speed jump between the screw and the nut. This mixture is the result of a reactivity between a grease used for bolted tightening and the particles, detached by plastic flow from a coating initially applied on the threads of nuts and/or bolts. At the end of the process, a part of the mixture remains trapped in the threads, playing the role of maintaining the clamping force. In these conditions, it appears that the friction varies depending of the rheology of the mixture, conditioning the variation of the clamping force. In service, contact instabilities (slip, peeling off, ...) have been identified in the interfaces. These instabilities lead to the formation of an oxidized third body in ‘‘others than threads’’ interfaces. This oxidized third body represents a surplus of material and can increase mechanical stresses in the assemblies. In the nut/screw ‘‘threads’’ interface, it was found that if the mixture of third bodies trapped during the tightening stage is not cohesive, it is extruded, initializing the loss of clamping force. Based on the findings, the interactions between multiple tribological circuits lead to converge to a scenario of bolted assemblies operating, allowing to solve their failures by re-designing (create discharge grooves, ...).

Les Vibrations Induites par Frottement (FIV) sont un phénomène complexe qui surgit chaque fois deux surfaces subissent un glissement relatif. Pendant les dernières décennies, une quantité significative de œuvres expérimentales et numériques a traité des Vibrations Induites par Frottement, tandis que la simulation de l'excitation dynamique de contacts frictionnels a été toujours un vrai défi dans beaucoup de domaines de recherche industrielles. Dans ce cadre de recherche, ce travail est adressé à l'analyse des Vibrations Induites par Frottement, en développant des analyses en même temps expérimentales et numériques ; on propose une nouvelle approche numérique pour reproduire l'excitation dynamique locale du contact et son effet sur la réponse vibrationnel du système, sans augmentation significative des coûts de calcul. Le système mécanique, l'objet de l'analyse, est composé par deux poutres en acier en contact frictionnel dans un mouvement relatif ; la dynamique simple du système tient compte de la distinction entre la réponse de dynamique du système et l'excitation à haut débit venant du contact. Une campagne expérimentale paramétrique a été conduite pour analyser les effets de trois paramètres de contact principaux (la vitesse de glissement, la charge normale et la rugosité superficielle) sur la réponse du système vibrationnel, c'est-à-dire sur les vibrations induites. En parallèle, un modèle numérique a été mis en œuvre pour reproduire l'excitation dynamique locale du contact et son effet sur la réponse vibrationnel du système. Une nouvelle loi de friction a été présentée dans le modèle, proposant l'utilisation d'un terme provoquant une perturbation dans le coefficient de frottement pour simuler les effets de l'excitation au contact. Les inclusions de l'excitation dynamique locale, en raison des phénomènes de contact, par le terme de perturbation du coefficient de frottement, permettent de reproduire correctement les Vibrations Induites par Frottement sans présenter une représentation de la topographie superficielle réelle, qui a besoin d'un grand nombre d'éléments, économisant donc le temps de calcul. Des signaux différents pour le terme provoquant la perturbation ont été testés pour simuler correctement les vibrations mesurées. L'évolution du terme provoquant la perturbation récupérée par une méthode inverse a surligné les contributions spectrales différentes de l'excitation locale du contact. La comparaison entre les Vibrations Induites par Frottement mesurées et ceux simulés numériquement a montré une bonne corrélation, validant la loi de frottement proposée. Finalement, l'effet d'un changement de rugosité e de vitesse de glissement a été aussi simulé numériquement et corrélé avec les résultats expérimentaux. / Friction-Induced Vibrations (FIV) are a complex phenomenon which arises each time two surfaces undergo relative sliding. During the last decades, a significant amount of experimental and numerical works dealt with Friction-Induced Vibrations, while the simulation of the dynamic excitation from frictional contacts has always been a real challenge to face in many industrial research areas. In this research framework, this work is addressed to the investigation of the Friction-Induced Vibrations, carrying on at the same time experimental and numerical analyses; a new numerical approach is proposed to reproduce the local dynamic excitation from the contact and its effect on the vibrational response of the system, without significant increase of the computational time costs. The mechanical system, object of the investigation, is composed by two steel beams in frictional contact during relative motion; the simple dynamics of the system allows for distinguishing between the dynamics response of the system and the broadband excitation coming from the contact. A parametrical experimental campaign has been conducted to analyse the effects of three main contact parameters (the relative sliding velocity, the normal load and the surface roughness) on the system vibrational response, i.e. on the induced vibrations. In parallel, a numerical model has been implemented to reproduce the local dynamic excitation from the contact and its effect on the vibrational response of the system. A new friction law has been introduced in the model, proposing the use of a perturbative term in the friction coefficient in order to simulate the effects of the contact excitation. The inclusions of the local dynamic excitation, due to the contact phenomena, by the perturbation term of the friction coefficient allows to correctly reproduce the Friction-Induced Vibrations without introducing a representation of the real surface topography, which usually needs a large number of elements, saving then computational time. Different signals for the perturbative term have been tested to simulate correctly the measured vibrations. The evolution of the perturbative term recovered by an inverse method allowed for highlighting the different spectral contributions of the local excitation coming from the contact. The comparison between the measured Friction-Induced Vibrations and the ones simulated numerically showed good correlation, validating the proposed friction law. Finally, the effect in a change of the sliding velocity and surface roughness have been simulated numerically too and correlated with experimental results.

Les principaux mécanismes d'amortissement présents dans les transmissions par engrenages sont étudiés, en se basant sur une analyse transitoire du problème de lubrification élasto-hydrodynamique dans les contacts linéiques. Plusieurs modèles linéaires sont proposés suite à de nombreuses simulations numériques, permettant de prédire l’amortissement du lubrifiant dans les différentes conditions de contact, y compris les situations des pertes de contact momentanées suivies d’impact. Un modèle dynamique d’engrenage à un seul degré de liberté est présenté qui combine les contributions diverses du lubrifiant à l'amortissement structurel représentatif de la dissipation interne des engrenages. Un certain nombre de comparaisons avec des résultats expérimentaux est présenté pour une gamme de conditions de fonctionnement et de géométries d'engrenages, qui prouve la capacité du modèle à reproduire proprement le comportement dynamique des engrenages droits. On montre que l'amortissement associé au lubrifiant contribue essentiellement lors des pertes de contact et des chocs entre dentures se produisant au voisinage des vitesses critiques. Le cas des engrenages hélicoïdaux est analysé différemment du fait de l’absence de perte de contact pour ce type d’engrenage. Un modèle tridimensionnel simple est ainsi développé qui prend en compte la dissipation des différents éléments de la transmission. Un nombre de résultats est présenté qui, d'abord, confirme la contribution majeure de l'engrènement à l'amortissement global des engrenages droits, et, dans un second lieu, montre que les paliers constituent la principale source d'amortissement dans les transmissions par engrenages hélicoïdaux. / The primary damping mechanisms present in geared systems are investigated based on a transient analysis of the elasto-hydrodynamic lubrication problem for line contacts. Several linear models are derived from extensive numerical simulations, which make it possible to simulate the damping caused by the lubricant squeezing by the teeth with and without momentary contact losses and impacts. A one-degree-of-freedom gear dynamic model is set up which combines these lubricant damping sources along with structural damping that reproduces the internal dissipation in gear elements. A number of comparisons with benchmark experimental evidence are presented for a range of operating conditions and gear geometries, which prove that the proposed approach is sound in the case of spur gears. It is shown that the damping associated with lubricant squeezing contributes for the most part when contact losses and shocks between the teeth occur at critical speeds. The case of helical gears is analyzed differently since no contact loss occurs for such gears. A simple three-dimensional model is thus developed which accounts for the dissipation in the mechanical parts surrounding the gears. A number of results are presented which, first, confirm the primary contribution of the gear mesh to the overall damping in spur gears, and second, show that bearings constitute the main source of damping in helical gears transmissions.

L’adhérence et le frottement existent dans de nombreux systèmes techniques ainsi que dans les systèmes naturels. Ces deux phénomènes ont une influence importante sur la durabilité et l’efficacité des dispositifs techniques. Une approche reconnue pour ajuster précisément ces caractéristiques - outre le fait de modifier les propriétés physico-chimiques - est la texturation des surfaces en contact. Les surfaces de feuilles de plantes sont souvent décorées avec des morphologies de surface diverses, et présentent ainsi des fonctionnalités de surface remarquables. Cette thèse visait à réaliser une étude systématique de la mécanique de l’adhérence et du frottement sur des surfaces micro-structurées, répliquées à partir de surfaces de feuilles végétales, en contact avec une sonde qui s’inspire de l’organe adhérent d’un insecte. Les morphologies de surface de trois feuilles végétales différentes ont été directement transférées sur un polymère viscoélastique. Pour ce faire, trois approches différentes de reproduction ont fait l’objet d’une étude approfondie. La microscopie électronique à balayage et la microscopie confocale à balayage laser ont été utilisées pour l'évaluation qualitative et quantitative de la qualité de reproduction. Concernant l’étude de la mécanique du contact, un nano-indenteur a été modifié, permettant d’enregistrer les images in situ des contacts réels. Des tests de pull-off ont été menés afin d’évaluer quantitativement l’effet de la pré-charge sur la force d’adhésion et pour comprendre les modes distincts de collage/décollement. Des essais de frottement ont été effectués afin d’examiner l’effet de la charge normale et de la vitesse de glissement sur la force de frottement. Les résultats ont été discutés en fonction de la topographie de chaque surface. / Adhesion and friction exist in many technical systems as well as in natural ones. Both phenomena have a profound influence on the durability and efficiency of technical systems. A well-recognised way to tune these characteristics - besides altering the physicochemical properties - is the texturing of the interacting surfaces. Inspiringly, plant leaf surfaces are often decorated with diverse surface morphologies, and so show remarkable functionalities. This thesis aimed to perform a systematic investigation of adhesion and friction mechanics on micro-structured surfaces replicated from plant leaves, in contact with a probe, which was inspired from an insect’s adhesive pad. Surface morphologies of three different plant leaves were directly transferred onto a viscoelastic polymer. For this, three different replication approaches were comprehensively explored. Scanning electron microscopy and confocal laser scanning microscopy were used for the qualitative and quantitative evaluation of replication ability. For the contact mechanics investigation, a high-resolution nanoindenter was modified, with incorporating a unique feature to record the in-situ real-contact images. Pull-off tests were carried out to quantitatively evaluate the effect of pre-load on adhesion force characteristics and to understand distinct attachment-detachment modes. Friction investigations were performed to examine the effect of normal load and sliding speed on the friction force. Results were discussed with regard to each surface’s topography.