Im Jahr 2021 befanden sich knapp 40.000 Brückenbauwerke im Netz der Bundesfernstraßen. Mit 86 % der Gesamtbauwerksfläche wurden Stahlbeton- beziehungsweise Spannbetonbrücken am häufigsten aus-geführt. Ein hoher Prozentsatz dieser Bauwerke entstand im Zeitraum von 1960 bis 1980. Die avisierte Nutzungsdauer dieser Brücken von 100 Jahren wird oftmals nicht erreicht, sodass die tragenden Struktu-ren im Schnitt nach 75 Jahren ersetzt werden müssen. Erste größere Reparaturen sind bereits nach 40 Jahren notwendig. Diese Faktoren führen dazu, dass die Baulastträger kurz- und mittelfristig eine Viel-zahl an Ersatzneubauten zu bewältigen haben. Jede Baumaßnahme im Zuge der Verkehrsinfrastruktur, insbesondere an essenziellen Strukturen wie Bücken, bedeutet einen Eingriff in den Verkehr und ist oft gleichbedeutend mit langen Stauzeiten. Mit dem Ziel, die Bauzeit zu verkürzen, gewinnt die Fertigteilbauweise an Bedeutung. Dabei kann ihr volles Potenzial entfaltet werden, wenn gänzlich auf Ortbeton verzichtet und der Vorfertigungsgrad auf annähernd 100 % maximiert wird. Das bietet neben der Bauzeitreduzierung auch die Vorteile einer hohen Fertigungsqualität, einem geringeren Material- und Personalaufwand auf der Baustelle sowie flexibleren Tragstrukturen. Eine Möglichkeit, um Bauteile kraftschlüssig und dennoch reversibel zu fügen, ist das trockene Verspannen mittels verbundlosen Spanngliedern. Die Drucknormalkraft aktiviert die Oberflä-chenreibung in den Kontaktfugen und verhindert das Auseinandergleiten der Module. Aufgrund der ho-hen Skalierbarkeit in der Fertigung durch immer wiederkehrende Bauteilgeometrien sind neben Brücken auch Windenergieanlagen ein relevanter Markt. Beide Bauwerksgruppen unterliegen vorwiegend nichtruhenden Belastungen, welche ermüdungsrele-vante Beanspruchungen im Kontaktbereich zwischen einzelnen Betonfertigteilen hervorrufen. Es ist not-wendig, die Beanspruchungscharakteristika sowie deren Auswirkungen auf die Kontaktoberflächen und die Betonmatrix im Fugennahbereich zu erforschen. Nur so können dauerhafte, ermüdungsresistente und sichere Bauwerke errichtet werden. Eine Betrachtung der Kontaktflächen ausschließlich auf der Bauteil-ebene ist unzureichend. Vielmehr spielen alle Gestaltabweichungen von der Bauteil- bis zur Mikroebene eine Rolle. Im Rahmen der Dissertation werden zunächst die kontaktmechanischen Grundlagen eruiert und auf den Beton übertragen. Gleichzeitig werden existierende Werkstoffmodelle recherchiert, um die nichtlinearen Eigenschaften des Kompositwerkstoffes zu beschreiben, die eigenen Versuche numerisch zu begleiten sowie deren Aussagekraft zu erweitern. Neben den phänomenologischen Daten steht die hochauflösende Kontaktflächendigitalisierung im Mittelpunkt der Untersuchungen. Durch vergleichende Betrachtungen vor und nach den Ermüdungsversuchen können Aussagen zur Oberflächen- und Materialdegradation ge-troffen werden. Weiterhin werden die digitalen Zwillinge einer randomisierten Finite-Elemente-Analyse zugeführt. Die eigenen Untersuchungen zeigen, dass zyklische Belastungen sowohl einen Einfluss auf den Coulombschen Haftreibungsbeiwert als auch die Kontaktsteifigkeit haben. Beide Parameter nehmen mit steigender Lastwechselzahl zu. Darüber hinaus weisen selbst sehr glatte Betonoberflächen eine relevante Welligkeit auf, die einen vollflächigen Kontakt verhindert. Daraus ergibt sich eine ungleichmäßige Kraft-übertragung, die in der Bemessung zu berücksichtigen ist.:1. Einleitung 1.1 Motivation und Zielstellung 1.2 Vorgehensweise 2. Vom Fertigteilbau zum modularen Bauen 2.1 Vorteile und Anwendungsgebiete 2.2 Artverwandte Brückenbauweisen 2.2.1 Querorientierte Bauteilfugen – Segmentbauweisen 2.2.2 Längsorientierte Bauteilfugen – Balkenreihen 2.3 Grundlagen der Mechanik von zyklisch beanspruchten Trockenfugen 3. Stand des Wissens zum Beton – Statische Eigenschaften, Ermüdung und Materialmodelle 3.1 Aufbau des Betons und einaxiale Materialeigenschaften 3.2 Ermüdung von Beton unter Druckschwellbeanspruchung 3.3 Beschreibung von Plastizität und Schädigung mit Hilfe der FEM 3.3.1 Grundlagen der Kontinuumsmechanik und Kinematik 3.3.2 Plastizität und Schädigung 3.3.3 Microplane-Theorie – Kopplung von Schädigung und Plastizität 3.4 Energetisches Modell zur Schädigungsevolution nach Pfanner 3.4.1 Definition der Arbeitslinie nach Pölling 3.4.2 Grundannahmen und Energiebilanz 3.4.3 Ermüdungsschädigung 4. Stand des Wissens zur Kontaktmechanik von Betonoberflächen 4.1 Allgemeines 4.2 Kontaktmodelle 4.2.1 Elastischer Kontakt 4.2.2 Plastischer Kontakt 4.2.3 Beton-Beton-Kontakt 4.3 Rauheit der Oberfläche 4.3.1 Mathematische Modelle zur Oberflächengenerierung 4.3.2 Messung und Digitalisierung realer Oberflächen 4.3.3 Oberflächenparameter 4.3.4 Erkenntnisse zu Oberflächenparametern von Beton 4.4 Kontaktfläche und Reibbeiwerte 4.4.1 Coulombsches Gesetz und relevante Einflussparameter 4.4.2 Haftreibungsbeiwerte von Beton – eine Literaturrecherche 4.4.3 Erkenntnisse zum Einfluss zyklischer Beanspruchung auf den Haftreibungsbeiwert 5. Normative Regelungen für vorgespannte Trockenfugen 5.1 Aktueller Stand 5.1.1 Normenüberblick und Fokus der vorliegenden Arbeit 5.1.2 Schertragfähigkeit der Fuge 5.1.3 Zusammenstellung der Nachweise im GZT und GZG 5.2 Fertigungstoleranzen und deren Relevanz bei Trockenfugen 5.3 Ableitung untersuchungsrelevanter Parameter 6. Eigene Untersuchungen 6.1 Experimentelles Untersuchungsprogramm 6.2 Numerische Simulation zur Bestimmung der Beanspruchungsgrößen 6.3 Experimentelle Untersuchungen – Versuchsregime 1 6.3.1 Gleiten vorgespannter Fugen unter zyklischer Belastung 6.3.2 Ermüdungsbedingte Stauchung in der Druckzone 6.3.3 Entwicklung des Haftreibungsbeiwertes bei zwischenzeitlicher Demontage 6.4 Experimentelle Untersuchungen – Versuchsregime 2 6.5 Auswertung der Streifenlichtscans 6.5.1 Vorbereitung der Rohdaten 6.5.2 Beurteilung der Rauheitsprofile anhand der Paramter Rp, Rv, Rz und W 6.5.3 Power-Spectral-Density-Analyse der Primärprofile 6.5.4 z-Ordinatenverteilung der Primärflächen vor und nach der zyklischen Last 6.6 Mikroskopie an Proben aus der Kontaktzone 6.7 Einordnung der experimentellen Untersuchungen 6.7.1 Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse aus Versuchsregime 1 6.7.2 Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse aus Versuchsregime 2 6.8 Betrachtungen zur statischen und zyklischen Festigkeit hinter Trockenfugen 6.8.1 Verknüpfung von Experiment, Numerik und Probabilistik 6.8.2 Ermittlung der Spannungserhöhungsfaktoren 6.8.3 Semiprobabilistische Untersuchung 6.8.4 Verifikation anhand statischer Zylinderdruckversuche mit und ohne Fuge 6.9 Untersuchung zur Querverteilung in modularen Überbauten 6.9.1 Allgemeines, Konzept und FE-Modell 6.9.2 Ergebnisse zur Querverteilung 7. Ergebnisdiskussion und Ingenieurmodelle 7.1 Vorschlag eines ganzheitlichen Ordnungssystems der Gestaltabweichungen 7.2 Verständnis der Kontaktmechanik in zyklisch beanspruchten Trockenfugen 7.3 Anpassungsvorschläge für bestehende Bemessungsansätze 7.3.1 Scherfestigkeit statisch und zyklisch beanspruchter Trockenfugen 7.3.2 Spannungsbasierte Nachweise im GZT und GZG 7.3.3 Spannkraftverluste infolge Setzungen im Kontaktbereich 7.3.4 Grenzwertempfehlungen für das Fugenklaffen im GZG und GZT 7.4 Anwendungsbeispiel I – Pilotbrücke Malschwitz 7.5 Anwendungsbeispiel II – Modulares Straßenbrückensystem 8. Zusammenfassung und Ausblick Literatur Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Anhang 1 – Messergebnisse Anhang 2 – Ergebnisse der Oberflächenscans Anhang 3 – Zwischenergebnisse der probabilistischen Untersuchung Anhang 4 – Fugenstatik des modularen Straßenbrückensystems

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Every moment of every day, at least hundreds of thousands of tires roll across a surface throughout the world. Tires are indisputably important in our daily life. The tire's primary component is rubber, which consumes energy when it rotates on a substrate due to the viscoelastic material's internal friction: a phenomenon referred to as rolling resistance. The interaction between the tire and the road surface is one of the most intricate and crucial phenomena in an automobile, because it is responsible for creating forces, moments, and deformation in the tire. Additionally, the road's roughness interacts with the tire and contributes significantly to its performance. This dissertation aims to develop a comprehensive physics-based model for predicting the rolling resistance of a viscoelastic material due to dynamic deformations caused by tire rotation using an analytical approach. The model was developed by proposing a Gaussian wave function propagating across a tire circumference's viscoelastic medium. The wave function was selected to describe the displacement field produced by tire-road interaction. Additionally, by adopting a multi-scale modeling technique, the model was upgraded to estimate rolling resistance while taking into account surface roughness at all length scales, from macroscopic to microscopic. Additionally, another mathematical model was developed using the Fourier series approach to evaluate the steady-state stress response and energy dissipation for any harmonic and non-harmonic periodic strain signals. Additionally, the dissertation strove to build a continuum damage mathematical model using a combined testing/modeling methodology to predict the aging of Styrene-Butadiene Rubber (SBR) after continuous exposure to the atmosphere. The obtained model was developed through the implementation of optimization techniques while formulating a mathematical model, which was then combined with a physics-based model to predict rolling resistance while taking into account rubber aging. Calibration of hyperelastic and viscoelastic material models with testing data was performed using an optimization technique that yielded sufficient results. The results of all mathematical models obtained in this dissertation are reported subsequently. The stress response of a viscoelastic material under harmonic and non-harmonic strain input yielded good agreement with the FEA model obtained using ABAQUS. The rolling resistance behavior under various operating conditions, including texture and aging effects, was reported, and the results aligned with the experimental results found in the literature. / Doctor of Philosophy / Every moment of every day, hundreds of thousands of automobile tires roll across a surface somewhere in the world. A tire is an undeniably important part of everyday life. Rubber is the tire's main component, and when it rotates on a surface, it loses energy, resulting in a force that resists motion, known as rolling resistance force. The contact between the tire and the road is one of the most complicated and important phenomena that happens in an automobile because it is responsible for the vehicle's dynamic performance in areas such as acceleration, stopping distance, and stability. Another factor that affects tire and car performance and should be taken into account is the road's roughness. This dissertation used an analytical method to come up with an accurate physics-based model for predicting the rolling resistance force of a viscoelastic material caused by tire rotation. The model was developed by assuming a Gaussian wave function would move across the tire circumference. Additionally, using a multi-scale modeling technique, the model was improved so that it could calculate the value of rolling resistance force considering surface roughness in all lengths of scale. This project also developed an additional mathematical model using the Fourier series method to determine how the stress response and energy dissipation would behave for any harmonic and nonharmonic periodic strain signals. Additionally, the dissertation presents the developing of a continuum damage mathematical model that could predict the material property of styrene-butadiene rubber (SBR) after being exposed to the air for a long time (i.e., aged). The model was developed based on experimental data and optimization techniques. This model was then combined with a physics-based model to predict rolling resistance force while taking aging into account. The material models were defined using an optimization method that yielded good results. The stress response of a viscoelastic material when it was subjected to harmonic and non-harmonic strain was in good agreement with the Finite Element Analysis (FEA) model made with ABAQUS. Rolling resistance behavior was observed, and the results were consistent with those found in the literature.

Various potential methods and techniques for modifying surfaces to make themless sensitive to contamination have been researched for various applicationsbefore, to varying degrees of success. These are discussed in detail to potentiallyapply them in the automotive sector, to face the increasing technical cleanlinessrequirements, that are linked to more complexity in design and electrification. TheTheoretical background in dust adhesion and contact mechanics is discussed, withdevelopments in analytical and numerical methods highlighted. Then, someexamples of the surfaces in question are presented, and their topographiesmeasured. Potential techniques are identified from previous experimental research in otherfields, and their applicability and feasibility are discussed within the limits ofavailable data, then an attempt at a structured approach for choosing candidatesfor further experimental testing on a case by case basis is laid out, and suggestionsfor more comprehensive research into effective parameters and analytical methodsare made.

Les pieds d’aubes de soufflantes de turboréacteurs étant soumis à des sollicitations de type fretting, l’introduction de matériaux composites dans la nouvelle génération de moteur d’avion a rendu nécessaire le développement d’outils permettant de modéliser le contact entre des matériaux hétérogènes. En particulier, le comportement tribologique et l’endommagement de ces matériaux est encore mal compris. La mise en place de méthodes numériques capable de prédire les endommagements dans le contact permettrait de mieux prédire la durée de vie des pièces en service et de garantir la sécurité des passagers. Cette thèse porte sur le développement de méthodes semi-analytiques pour la modélisation de l’endommagement dans des conditions de fretting et de roulement. / The blade/disk interface in turbofan is subject to fretting loading. Fan blade of the new generation of aircraft engines are made of woven composite materials. The introduction of these new kind of materials create the need for a new numerical tool able to simulate the contact between heterogeneous materials. The tribological behavior and the damage mechanism associated with these kind of material are still not well understood. The developpment of new numerical tool able to model the damage in the contact area would allow to predict the life of engines parts and to guarantee the security of passengers. This PhD is about the developpment of semi-analytical methods for modeling the damage in fretting and rolling contact conditions with some applications to heterogeneous materials.

De nombreux modèles numériques sont proposés dans la littérature en utilisant des méthodes d'éléments finis et d'éléments finis discrets pour étudier l'usure par frottement, ils incluent à peine l'effet des débris d'usure. Ces modèles étant coûteux en termes de calcul, simuler un grand nombre de cycles d'usure par frottement n'est pas réalisable dans la pratique. Une nouvelle méthodologie est proposée qui ne nécessite que des propriétés de matériau en vrac comme les coefficients de frottement / usure et utilise des méthodes semi-analytiques pour simuler l'usure par frottement avec des débris piégés. Dans cette approche, les débris sont supposés être attachés à l'une des surfaces pendant le processus de fretting. Les résultats obtenus à partir de cette approche ont été comparés avec des expériences de fretting. La méthode proposée permet de saisir la profondeur d'usure et la largeur des cicatrices, et les résultats sont très proches de ceux observés dans les expériences. L'assemblage des soupapes des moteurs à combustion subit une usure par frottement en raison d'un phénomène complexe impliquant une rigidité structurelle et une tribologie de contact. L'usure des soupapes a de nombreux effets néfastes sur les performances du moteur. Il provoque une récession de la soupape entraînant des changements dans les connexions du mécanisme d'entraînement de la soupape, ce qui perturbe l'ouverture et la fermeture des soupapes. Avec des normes d'émission strictes, l'utilisation de lubrifiant pour réduire la friction au contact est limitée. Si l'usure à travers la circonférence n'est pas uniforme, il y aura une fuite de gaz et le moteur donne moins de puissance. Il est nécessaire de bien comprendre la raison de l'usure des soupapes et de développer un modèle numérique capable de prédire l'usure par frottement de la soupape pour le nombre d'heures de fonctionnement donné. Des expériences ont été réalisées pour comprendre le mécanisme d'usure et calculer les coefficients d'usure qui peuvent être utilisés dans le modèle numérique. Un modèle d'usure numérique est construit qui capture la rigidité structurelle de l'ensemble de soupape et le mécanisme d'usure au contact du siège. / Many numerical models are proposed in the literature using finite element and finite discrete element methods to study fretting wear, they barely include the effect of wear debris. These models being computationally expensive, simulating large number of fretting wear cycles is not practically feasible. A new methodology is proposed which needs only bulk material properties like friction/wear coefficients and uses semi-analytical methods to simulate fretting wear with entrapped debris. In this approach, debris are assumed to be attached to one of the surfaces during the fretting process. The results obtained from this approach were compared with fretting experiments. The proposed method permits to capture the wear depth and scar width, and results are very close to that observed in the experiments. Valve assembly of combustion engines undergo fretting wear due to a complex phenomenon involving structural stiffness and contact tribology. Valve wear has many detrimental effects on the engine performance. It causes valve recession leading to changes in connections of valve drive train in turn disturbing the opening and closing of valves. With stringent emission norms, usage of lubricant to reduce friction at the contact is restricted. If the wear across the circumference is not uniform, there will be leakage of gas and the engine gives lesser power output. There is a need to thoroughly understand the reason for valve wear and develop a numerical model that can predict valve fretting wear for the given number of operating hours. Experiments were performed to understand the wear mechanism and derive wear coefficients that can be used in the numerical model. A numerical wear model is built that captures structural stiffness of the valve assembly and wear mechanism at seat contact.

La plupart des montres mécaniques sont composées d’un échappement à ancre Suisse. Cet organe se situe à la fin du rouage et sert à entretenir et à compter les oscillations du balancier-spiral. Par l’intermédiaire de l’interface ancre / roue d’échappement, il est soumis à des sollicitations parfois extrêmes induisant un rendement faible, d’environ 35%. En outre, le maintien du lubrifiant au contact est délicat et les frottements occasionnés peuvent provoquer une usure prématurée des éléments du système. La première partie de ce travail a consisté au développement d’une démarche d’investigation et de compréhension du fonctionnement du contact entre l’ancre et la roue d’échappement par l’intermédiaire des concepts du triplet et du circuit tribologique. Une visualisation en temps réel du contact, par caméra rapide, a ainsi permis d’obtenir l’évolution de la vitesse réelle des corps en contact. Parallèlement, l’analyse des composants à différents instants de fonctionnement ont conduit à la détermination des débits de 1er et 3ème corps. Par ailleurs, afin de mieux comprendre le comportement tribologique local du contact, un modèle dynamique par éléments finis de l’échappement à ancre Suisse a été développé. A la suite de cette étude, un scénario relatif à la vie du contact a été proposé afin de décrire les différentes phases de fonctionnement de l’échappement. Malgré le rôle clé de la couche de 3ème corps formée pendant le vieillissement par l’activation du débit source, elle génère un débit d’usure qui peut être néfaste pour le mécanisme de montre. Ce résultat amène, par conséquent, à la nécessité de formuler et de réaliser un troisième corps « optimisé ». Dans une seconde partie, une optimisation du comportement de ce 3ème corps a donc été recherchée afin d’atteindre (à terme) une fiabilité à 10 ans et une usure contrôlée. Pour ce faire, deux technologies de lubrification du contact, i.e. fluide et solide, ont été utilisées. La lubrification fluide a été améliorée par texturation des surfaces. La puissance et le nombre de tirs laser ont ainsi été fixés afin de respecter les formes et dimensions des textures imaginées pour le triplet tribologique étudié. Afin de s’affranchir de l’assèchement en lubrifiant fluide du contact au cours du temps, une lubrification solide a été introduite par imprégnation de solides lamellaires et dépôt d’un revêtement « dur » sur la roue d’échappement. Grâce au circuit tribologique et par l’intermédiaire de la création d’un débit source initial et d’un débit d’usure faible, une première optimisation de la couche de 3ème corps formée a été intuité. Une meilleure compréhension du contact entre l’ancre et la roue d’échappement a été apportée. Cette compréhension a permis de passer d’une démarche essais / erreurs existante à une démarche scientifique de proposition de solutions pour l’optimisation du triple / Most of mechanical watches are composed of a Swiss lever escapement. This mechanism is located at the end of the gear train and consist in counting and maintaining the oscillations of the balance wheel. It is subject to extreme solicitations, mostly located at the interface anchor / escapement wheel, inducing a low yield of about 35%. Besides, the difficulty of keeping lubricant within the contact can create wear and induce harmful consequences for the system. The first part of this work involved developing an investigation and understanding approach of the contact between the anchor and the escapement wheel through the concepts of Tribological triplet and circuit. A real-time visualization of the contact, through high-speed camera, succeeded in obtaining the evolution of the real speed of contact bodies. At the same time, components’ observations at different operating times resulted in the evaluation of 1st and 3rd bodies’ flows. Furthermore, in order to understand the local tribological behavior of the contact, a dynamic finite element model of the Swiss lever escapement was developed. Following this study, a scenario of the contact life was proposed in order to outline the different phases of the functioning of the escapement. Despite the key role of the 3rd body layer formed during aging by activating the source flow, it generates a wear rate that can be harmful to the watch mechanism. Therefore, it is necessary to formulate and realize an “optimized” third body. In a second part, an optimization of this 3rd body’s behavior was sought in order to reach a 10-years’ reliability and a stabilized wear. To do this, two lubrication technologies of the contact, i.e. fluid and solid, were used. Fluid lubrication has been improved by surface texturing. The power and the number of laser pulses were determined in order to respect the shapes and dimensions of the textures designed for the studied tribological triplet. To overcome the drying up of lubricant along time, the solid lubrication was investigated by impregnation of lamellar solids and deposition of a “hard” coating on the escapement wheel. Thanks to the Tribological circuit and through the creation of an initial source flow and a low wear flow, a first optimization of the 3rd body’s layer formed has been assumed. A better understanding of the contact between the anchor and the escapement wheel has been provide. This understanding made it possible to go from an existing trial / error approach to a scientific approach for the optimization of the Tribological triplet. A stabilization of the wear and an optimized’s third body were obtained by impregnating a MoS2 solid lubricant on the escapement wheel.t. Une stabilisation de l’usure et un troisième corps « optimisé » ont ainsi été obtenus.

Les spectres de bruit mesurés en cabine d’hélicoptère montrent que la boîte de transmission principale (BTP) est un des principaux contributeurs au bruit perçu par les usagers. Elle génère en effet plusieurs raies émergeant fortement du bruit large bande et dont les fréquences se situent dans la plage de sensibilité maximale de l’oreille humaine. Dans un contexte d’amélioration permanente du confort acoustique des usagers, un modèle numérique est développé pour prédire le comportement dynamique des BTP. Les équations du mouvement sont écrites sur la base de fonctions du temps représentatives des excitations générées par l’engrènement (raideur d’engrènement et erreurs de transmission). Plusieurs éléments de validation sont présentés pour confirmer la pertinence de la formulation proposée. Différents résultats numériques et expérimentaux de la littérature sont utilisés à des fins de comparaison, montrant que le modèle s’applique aux systèmes à simple étage de réduction, par engrenage cylindrique ou spiro-conique. La validation est ensuite étendue aux systèmes à deux étages de réduction et les résultats confirment que la formulation basée sur les erreurs de transmission permet de tenir compte des corrections de profil. Finalement, le modèle est utilisé pour diverses applications. Premièrement, l’influence des erreurs de pas sur le comportement dynamique de transmissions par engrenages est discutée, ainsi que l’influence combinée du niveau de chargement appliqué. Dans un second temps, la relation entre l’erreur de transmission dynamique et différents coefficients dynamiques est étudiée. Le contenu spectral de la réponse au niveau des roulements est ensuite analysé pour des systèmes à deux engrènements cylindriques et l’influence de différents paramètres est discutée. Enfin, une application est réalisée sur un système comprenant un engrenage cylindrique et un engrenage spiro-conique. Les phénomènes de couplage entre les étages successifs sont mis en évidence ainsi que la contribution des deux engrènements au contenu spectral de la réponse aux roulements. / Noise measurements have shown that helicopters main gearboxes highly contribute to the overall cabin noise. Gear mesh vibrations propagate through the shafts to the rolling element bearings and the casing which becomes a source of radiated noise. The latter is characterized by high-amplitude tones emerging from broadband noise whose frequencies lie in the range of maximum human ear sensitivity. In the context of continuous improvement in the acoustic comfort of helicopter passengers, it is therefore necessary to analyse and optimize gearbox vibrations in order to reduce casing noise radiations. The research work presented in this memoir is focused on the development of a numerical model dedicated to the prediction of gear system dynamic behaviour, comprising several gear stages and different types of gears. This model relies on classic beam and lumped parameter elements along with specific two-node gear elements for both cylindrical (spur, helical) and spiral-bevel gears. The equations of motion are developed based on time-varying functions representative of mesh excitations which comprise: (a) mesh stiffness functions, (b) quasi-static transmission error under load, and (c) kinematic (or no-load) transmission error. A number of comparisons with benchmark numerical and experimental results from the literature are presented which demonstrate that the proposed approach is sound as far as single-stage systems with spur, helical or spiral-bevel gears are considered. Validations are then extended to double-stage gears and, here again, it is confirmed that the proposed transmission error based formulation is accurate and can account for tooth shape modifications. In the second part of the memoir, several examples of application are presented and commented upon. First, the combined influence of tooth pitch errors and load on the dynamic behaviour of gear transmissions is tackled. An extended three-dimensional model and a reduced torsional version are then confronted in order to investigate the dependency between dynamic transmission errors and mesh force / root stress dynamic factors. Further investigations on bearing dynamic response in two-stage spur gear systems are conducted and the particular contributions of profile modifications are analysed. Finally, a system combining a cylindrical gear and a spiral-bevel gear is considered and particular attention is paid to the dynamic couplings between the various meshes and their influence on bearing dynamic responses.

La durée de vie des pièces mécaniques en contact est fortement affectée par la présence d'hétérogénéités dans le matériau, comme des renforts (fibres, particules), des précipités, des porosités, ou encore des fissures. Des hétérogénéités dures et de formes complexes peuvent créer des surcontraintes locales, initiatrices de fissures par fatigue à proximité de la surface de contact. Une analyse quantitative des surcontraintes créées par les hétérogénéités est nécessaire à la compréhension des mécanismes d'endommagement. Cette étude s'applique à des roulements de ligne d'arbre qui font partie des éléments critiques de moteurs en aéronautique. Elle vise à déterminer précisément la distribution du champ de pression sur l'aire effective de contact et à prédire le profil et l'évolution des champs de contraintes/déformations à chaque passage de la charge sur un volume élémentaire représentatif prenant en compte le gradient de dureté, la présence de carbures et l'existence des contraintes initiales d'origine thermochimique. Une partie de l’étude est consacrée au développement d’un solveur du problème de contact roulant élasto-plastique avec présence d’hétérogénéité par les méthodes semi analytiques assurant un excellent gain en temps et ressources de calculs. Ensuite, un algorithme homogénéisation a été conçu pour analyser le comportement effectif d’un massif élasto-plastique hétérogène sous indentation. Enfin une partie expérimentale est dédiée à la caractérisation microstructurale des aciers étudiés dans le but de déterminer leurs propriétés. Les analyses des résultats de cette étude concourent à soutenir que bien que les inclusions de particules non métalliques soient responsables de la haute résistance de ces matériaux, certaines d’entre elles (celles de longueur dépassant les dizaines de micromètre ou celles qui forment des chaines dans une direction particulière) deviennent, au cours des cycles de fatigue, les principales sources d’endommagement depuis l’échelle locale jusqu’à la rupture globale de la structure. / The lifetime of contacting mechanical parts is strongly affected by the presence of heterogeneities in their materials, such as reinforcements (fibers, particles), precipitates, porosities, or cracks. Hard heterogeneities having complex forms can create local overstress that initiating fatigue cracks near the contact surface. The presence of heterogeneities influences the physical and mechanical properties of the material at microscopic and macroscopic scales. A quantitative analysis of the over-stresses generated by heterogeneities is necessary to the comprehension of the damage mechanisms. The present study is applied to rolling bearings which are the critical elements of the aero-engine's mainshaft. The performance required for these bearings, led SKF Aerospace to introduce a new technology of hybrid bearing with ceramic rolling elements on high-strength steels having experienced a double surface treatment (carburizing followed by nitriding). The study aims to precisely determine the pressure field distribution on the effective contact area and to predict the profile and the evolution of the stress/strain fields at each loading cycle on a representative elementary volume that takes into account the gradient of hardness, the presence of carbides and the existence of an initial compressive stress from thermochemical origin. A major part of this study is devoted to develop a heterogeneous elastic-plastic rolling contact solver, by semi-analytical methods ensuring an excellent saving of calculation time and resources. Thereafter, a homogenization algorithm was built to analyze the effective behavior of a heterogeneous elastic-plastic half-space subjected to an indentation loading. Finally, an experimental part is dedicated to the microstructure characterization of the studied steels with intent to determine their properties. A description of the carbides behavior inside the matrix during micro-tensile tests was carried out under SEM in-situ observation. In the scheme of all analyses conducted in the present work, it can be argued that, although the heterogeneities (such as carbides or nitrides) are responsible for the high resistance of the studied materials, some of them (those whose length exceeds tens of micrometer or those which form stringers in a particular direction) become, over fatigue cycles, the main sources of damage, from their local scale up to the macroscopic failure of the structure.