Les garnitures mécaniques sont des composants d'étanchéité d'arbres tournants fréquemment rencontrés dans les applications industrielles. Une garniture est constituée de deux surfaces planes annulaires dont le contact est lubrifié par le fluide dont il faut assurer l'étanchéité. Le fonctionnement optimal est obtenu en minimisant à la fois la fuite et l'usure. Cela correspond à une épaisseur de film de l'ordre du micromètre, et à un régime de lubrification mixte. Dans ce cas, le film fluide n'est pas complet et des zones de contact apparaissent. Une analyse bibliographique approfondie a permis de justifier le recours à une approche déterministe pour notre étude. Cela nécessite de caractériser correctement les surfaces rugueuses et de pouvoir les reproduire par simulation numérique. Une étude métrologique a été menée sur des échantillons de garnitures mécaniques à plusieurs stades de fonctionnement. Ainsi, les valeurs des paramètres statistiques de la rugosité de ces surfaces ont pu être déterminées. Un modèle numérique de génération de surface rugueuse non Gaussienne a été développé. Un modèle d'écoulement déterministe de la lubrification mixte des garnitures mécaniques est ensuite présenté. Il inclut la cavitation dans le fluide et le contact normal hertzien des aspérités. La résolution de l'équation de conservation du débit est entreprise au moyen de la méthode des volumes finis. Une étude paramétrique a été réalisée pour quatre surfaces statistiquement équivalentes et représentatives d'un état de surface rodé. Le modèle met en évidence la génération de portance due à la rugosité, bien que les surfaces moyennes soient planes et parallèles. Des courbes de Stribeck ont été tracées pour chaque cas étudié. L'écart-type de la hauteur des rugosités est le paramètre ayant le plus d'influence sur les résultats. De plus, le développement de la microcavitation, qui dépend étroitement de l'agencement de la rugosité, a une grande importance dans la modélisation.

L'alimentation en composants est un problème majeur dans la conception des systèmes de production et plus particulièrement d'assemblage. Un système d'alimentation doit garantir la position et l'orientation des composants qu'il fournit au système d'assemblage, quelle que soit la taille des composants. En revanche, le niveau de précision sera généralement d'autant plus important que les composants sont petits. Nos travaux ont été réalisés dans le contexte de l'alimentation en composants de taille millimétrique à microscopique avec des objectifs de modularité et de haute précision de positionnement. La première contribution de la thèse a consisté à élaborer une stratégie pour l'alimentation de haute précision en composants millimétriques pour une architecture ouverte, flexible et standardisée, proposée par un projet européen EUPASS (Evolvable Ultra Precision ASembly System). Un système standard a ainsi été développé. Il est modulaire, reconfigurable pour différents types de minicomposants et permet leur maintien micrométrique. Sur la base de ces travaux, nous avons étendu notre étude aux systèmes de micro-assemblage (microusine). L'objectif était de déplacer dans un plan des micro-objets jusqu'à une position donnée. L'idée retenue se fonde sur l'utilisation des vibrations pour entraîner ces micro-objets par inertie. Il a donc été nécessaire de caractériser les interactions entre la surface du système d'alimentation et la surface du micro-objet. Pour cela nous avons élaboré une méthode pour évaluer directement la force concernée qui est la force de friction. Le contrôle des vibrations du système a ensuite été conçu. Le pas de déplacement d'un micro-objet en fonction de ses caractéristiques est alors maîtrisé. Enfin, une boucle d'asservissement permet de contrôler le déplacement des micro-objets jusqu'à une position consigne.

Résumé: L’objectif de cette thèse est d’interpréter la dégradation des aspérités des joints rocheux sous différentes conditions de chargement. Pour cela, la variation des aspérités durant les différentes étapes du cisaillement d’un joint rocheux est observée. Selon le concept appelé “tiny windows”, une nouvelle méthodologie de caractérisation des épontes des joints a été développée. La méthodologie est basée sur les coordonnées tridimensionnelles de la surface des joints et elles sont mesurées après chaque essai. Après la reconstruction du modèle géométrique de la surface du joint, les zones en contact sont identifiées à travers la comparaison des hauteurs des “tiny windows” superposées. Ainsi, la distribution des zones de la surface en contact, endommagées et sans contact ont été identifiées. La méthode d’analyse d’image a été utilisée pour vérifier les résultats de la méthodologie proposée. Les résultats indiquent que cette méthode est appropriée pour déterminer la taille et la distribution des surfaces du joint en contact et endommagées à différentes étapes du cisaillement. Un ensemble de 38 répliques ont été préparées en coulant du mortier sans retrait sur une surface de fracture obtenue à partir d’un bloc de granite. Différentes conditions de chargement, incluant des chargements statiques et cycliques ont été appliquées afin d’étudier la dégradation des aspérités à différentes étapes du procédé de cisaillement. Les propriétés géométriques des “tiny windows” en contact en phase pré-pic, pic, post-pic et résiduelle ont été analysées en fonction de leurs angles et de leurs auteurs. Il a été remarqué que les facettes des aspérités faisant face à la direction de cisaillement jouent un rôle majeur dans le cisaillement. Aussi, il a été observé que les aspérités présentent différentes contributions dans le cisaillement. Les aspérités les plus aigües (“tiny windows” les plus inclinées) sont abîmées et les aspérités les plus plates glissent les unes sur les autres. Les aspérités d’angles intermédiaires sont définies comme “angle seuil endommagé” et “angle seuil en contact”. En augmentant la charge normale, les angles seuils diminuent d’une part et, d’autre part, le nombre de zones endommagées et en contact augmentent. Pour un petit nombre de cycles (avec faible amplitude et fréquence), indépendamment de l’amplitude, une contraction apparaît ; par conséquent, la surface en contact et les paramètres de résistance au cisaillement augmentent légèrement. Pour un grand nombre de cycles, la dégradation est observée à l’échelle des aspérités de second ordre, d’où une baisse des paramètres de résistance au cisaillement. Il a été aussi observée que les “tiny windows” avec différentes inclinaisons contribuent au processus de cisaillement, en plus des “tiny windows” les plus inclinées (aspérités plus aigües). Les résultats de la méthode proposée montrent que la différenciation entre les zones en contact et celles endommagées s’avère utile pour une meilleure compréhension du mécanisme de cisaillement des joints rocheux. / Abstract: The objective of the current research is to interpret the asperity degradation of rock joints under different loading conditions. For this aim, the changes of asperities during different stages of shearing in the three-dimensional joint surface are tracked. According to a concept named ‘tiny window’, a new methodology for the characterization of the joint surfaces was developed. The methodology is based on the three-dimensional coordinates of the joints surface that are captured before and after each test. After the reconstruction of geometric models of joint surface, in-contact areas were identified according to the height comparison of the face to face tiny windows. Therefore, the distribution and size of just in-contact areas, in-contact damaged areas and not in-contact areas are identified. Image analysis method was used to verify the results of the proposed method. The results indicated that the proposed method is suitable for determining the size and distribution of the contact and damaged areas at any shearing stage. A total of 38 replicas were prepared by pouring non-shrinking cement mortar on a fresh joint surface of a split granite block. Various loading conditions include monotonic and cyclic loading were applied to study the asperities degradation at different stages of shearing. The geometric properties of the in-contact tiny windows in the pre-peak, peak, post-peak softening and residual shearing stages were investigated based on their angle and height. It was found that those asperities facing the shear direction have the primary role in shearing. It is remarkable that different part of these asperities has their own special cooperation in shearing. The steepest parts (steeper tiny windows) are wore and the flatter parts (flatter tiny windows) are slid. The borderlines between these tiny windows defined as “damaged threshold angle” and “in-contact threshold angle”. By increasing normal load, both the amounts of threshold angles are decreased and contact and damaged areas increased. During low numbers of cycles (with low amplitude and frequency), independent of the type of cycle, contraction occurs and consequently the contact area and the shear strength parameters slightly increased. During larger number of cycles, degradation occurred on the second order asperities, therefore the shear strength parameters slowly decreased. It was also observed that tiny windows with different heights participate in the shearing process, not just the highest ones. The results of the proposed method indicated that considering differences between just in-contact areas and damaged areas provide useful insights into understanding the shear mechanism of rock joints.

Les garnitures mécaniques sont des composants utilisés pour assurer l'étanchéité d'arbres tournants. Elles sont constituées principalement de deux anneaux plans (le rotor et le stator), dont l'interface, qui constitue la barrière d'étanchéité, est lubrifiée par un film fluide. Le fonctionnement optimal est obtenu en minimisant à la fois la fuite et l'usure. Cela correspond à une épaisseur de film de l'ordre du micromètre, et à un régime de lubrification mixte. L'étude bibliographique présentant l'état de l'art a permis de justifier l'utilisation d'une approche multi-échelles pour traiter le problème de lubrification mixte. Une autre partie de cette bibliographie a permis d'identifier les modèles thermiques à mettre en œuvre. Le modèle multi-échelles développé pour l'étude de la lubrification mixte des garnitures mécaniques est ensuite présenté. Ce dernier utilise les surfaces numériquement générées et consiste à décomposer le domaine d'étude en plusieurs sous-domaines. L'équation de Reynolds prenant en compte la cavitation dans le fluide est résolue par la méthode des volumes finis à l'échelle micrométrique dans les sous-domaines de même que le contact normal hertzien des aspérités. Une échelle macroscopique est introduite pour connecter les conditions aux limites aux bornes des sous-domaines. Un champ de pression macroscopique est ainsi obtenu en assurant la conservation globale du débit. Ce modèle prend également en compte, à l'échelle macroscopique, le comportement Thermo-Elasto-HydroDynamique (TEHD) dans les garnitures mécaniques. La discrétisation des équations de chaleur et de déformation est effectuée grâce à la méthode des éléments finis pour une géométrie axisymétrique. La validation du modèle multi-échelles est faite avec un modèle déterministe de lubrification mixte, d'une part, et d'autre part avec un modèle TEHD pour surfaces lisses précédemment développé au laboratoire. L'influence des paramètres caractérisant le comportement de la garniture est analysée au travers d'une étude paramétrique. Cette étude a permis d'identifier les différents régimes de lubrification dans lesquels l'épaisseur du film lubrifiant est contrôlée par la hauteur des rugosités ou par les déformations thermoélastiques des faces.