Afin de comprendre les mécanismes d’usure et de frottement des composites carbone/carbone (C/C) utilisés en freinage aéronautique, un modèle numérique est utilisé pour dissocier les effets mécaniques des effets physico-chimiques et thermiques. Le modèle repose sur l’utilisation d’une approche par éléments finis et de techniques d’homogénéisation appliquées à un volume élémentaire représentatif (VER) du matériau à l’échelle mésoscopique frottant sur une surface rigide ou déformable. A cette échelle, le matériau est décrit par une matrice en carbone et des paquets de fibres de carbone appelés torons, perpendiculaires à la surface frottante. Pour assurer la représentativité de la structure du matériau, plusieurs modèles hétérogènes sont étudiés. Les résultats sont comparés à ceux obtenus avec le modèle homogène équivalent qui découle de l’homogénéisation. L’influence des conditions de contact (la rigidité), ainsi que l’influence de la distribution des torons proches de la surface frottante sur les régimes de vibrations des différents modèles sont mises en évidence. L’extension du modèle numérique à un contact entre deux composites a mis en évidence une forte augmentation des contraintes maximales localisées principales dans les torons présents à la surface frottante. Ces fortes localisations de contraintes peuvent avoir pour conséquence l’endommagement des torons ce qui induit la dégradation de la surface frottante jusqu’aux détachements de particules. / To understand the mechanisms of wear and friction of carbon 1 carbon composites (C/C} used in aeronautical braking, a numerical model is used to separate the mechanical effects of the physico-chemical and thermal effects. The model is based on the use of an approach by finite elements (FE} and techniques of homogenization applied to a representative elementary volume (RVE} of the material in the mesoscopic scale rubbing on a rigid or deformable surface. In this scale, the material is described by a matrix in carbon and packages of carbon fiber called strands, perpendicular on the contact surface. To insure the representativeness of the structure of the material, several heterogeneous models are studied. The results are compared with those obtained with the equivalent homogeneous model which ensues from the homogenization. The influence of the conditions of contact (the rigidity), as well as the influence of the distribution of strands at the contact surface on the regimes of vibrations of the various models are revealing. The extension of the numerical model in a contact between two composites underline a strong increase of maximal constraints mainly localized in the strands present on the contact surface. These strong localizations of constraints can have for consequence the damage of strands what leads the degradation of the contact surface until the detachments of particles.

Une nouvelle chaîne de traction dédiée à un véhicule hybride électrique de poids lourds a été développée dans ces travaux de recherche. A ce stade, la conception et l'optimisation des composants électriques de la chaîne de traction ont été étudiées, notamment les machines synchrones à aimants permanents et les onduleurs de tension associés, ainsi que le train Ravigneaux. En ce qui concerne la conception, un modèle analytique a été créé et qui permet de répondre au cahier des charges simultanément. Les différentes contraintes multiphysiques ont été prises en compte dans le modèle analytique. Ensuite, un modèle numérique via la méthode élément fini a été mise en œuvre. Le modèle numérique nous a permis de valider les performances de la machine électrique. En ce qui concerne l'optimisation, une stratégie de l'optimisation globale a été étudiée. Un exemple d'optimisation a été basé sur un système composé par deux machines électriques et deux onduleurs associés, ainsi que le train Ravigneaux. La comparaison basée sur cet exemple pour l'optimisation locale et globale nous a permis de valider l'avantage de la stratégie de l'optimisation globale. L'expérimentation a été réalisée sur un banc d'essais qui est constitué par la machine prototype et la machine de charge, les deux machines électriques ont été alimentées et pilotées par deux variateurs de fréquence. Les résultats expérimentaux nous ont permis de valider les modèles théoriques. / A new powertrain for a hybrid electric vehicle of heavy duty was developed in this research work. In this case, the design and the optimization of electrical components of powertrain have been investigated involving the permanent magnet synchronous machines, the associated inverters and the Ravigneaux train. Regarding the design, an analytical model was created and that permits simultaneously answering to specification. The various multiphysic constraints have been taken into account in analytical model. And then the numerical model was carried out via finite element method has been implemented. The numerical model allowed us to valid electrical machine performances. Regarding the optimization, a global optimization strategy was investigated. An optimization example was based on a system which was composed of two electrical machines, two associated inverters and the Ravigneaux train; The comparison based on this example between the local optimization and the global optimization, which allowed us to valid the advantage of global optimization strategy. The experimentation has been performed with a test bench involving the prototype machine and the load machine, the two electrical machines were fed and controlled by two frequency drives. The experimental results permit to valid the theoretical models.

Le nouvel élément de poutre est une évolution d'un élément de Timoshenko poutre avec un nœud supplémentaire situé à mi-longueur. Ce nœud supplémentaire permet l'introduction de trois composantes supplémentaires de contrainte afin que la loi constitutionnelle 3D complète puisse être utilisée directement. L'élément proposé a été introduit dans un code d'éléments finis dans Matlab et une série d'exemples de linéaires/petites contraintes ont été réalisées et les résultats sont systématiquement comparés avec les valeurs correspondantes des simulations ABAQUS/Standard 3D. Ensuite, la deuxième étape consiste à introduire le comportement orthotrope et à effectuer la validation de déplacements larges / petites contraintes basés sur la formulation Lagrangienne mise à jour. Une série d'analyses numériques est réalisée qui montre que l'élément 3D amélioré fournit une excellente performance numérique. En effet, l'objectif final est d'utiliser les nouveaux éléments de poutre 3D pour modéliser des fils dans une préforme composite textile. A cet effet, la troisième étape consiste à introduire un comportement de contact et à effectuer la validation pour un nouveau contact entre 3D poutres à section rectangulaire. La formulation de contact est dérivée sur la base de formulation de pénalité et de formulation Lagrangian mise à jour utilisant des fonctions de forme physique avec l'effet de cisaillement inclus. Un algorithme de recherche de contact efficace, qui est nécessaire pour déterminer un ensemble actif pour le traitement de contribution de contact, est élaboré. Et une linéarisation constante de la contribution de contact est dérivée et exprimée sous forme de matrice appropriée, qui est facile à utiliser dans l'approximation FEM. Enfin, on présente quelques exemples numériques qui ne sont que des analyses qualitatives du contact et de la vérification de l'exactitude et de l'efficacité de l'élément de 3D poutre proposé. / The new beam element is an evolution of a two nodes Timoshenko beam element with an extra node located at mid-length. That extra node allows the introduction of three extra strain components so that full 3D stress/strain constitutive relations can be used directly. The second step is to introduce the orthotropic behavior and carry out validation for large displacements/small strains based on Updated Lagrangian Formulation. A series of numerical analyses are carried out which shows that the enhanced 3D element provides an excellent numerical performance. Indeed, the final goal is to use the new 3D beam elements to model yarns in a textile composite preform. For this purpose, the third step is introducing contact behavior and carrying out validation for new 3D beam to beam contact with rectangular cross section. The contact formulation is derived on the basis of Penalty Formulation and Updated Lagrangian formulation using physical shape functions with shear effect included. An effective contact search algorithm is elaborated. And a consistent linearization of contact contribution is derived and expressed in suitable matrix form, which is easy to use in FEM approximation. Finally, some numerical examples are presented which are only qualitative analysis of contact and checking the correctness and the effectiveness of the proposed 3D beam element.

Dans le cadre du procédé de revêtement de surface Cold Spray, un modèle numérique d’impact de particule sur substrat à haute vitesse est créé, ainsi qu’une nouvelle interaction adhésive, dans le logiciel de dynamique explicite du CEA Europlexus. Le modèle utilise des Éléments Finis et la méthode sans maillage SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) avec la loi matériau de Johnson-Cook, couramment utilisée pour modéliser les métaux à des vitesses de déformation élevées et prenant en compte le durcissement plastique, le durcissement en vitesse de déformation, et l’assouplissement thermique. L’interaction adhésive est basée sur les modèles de zone cohésive de Dugdale-Barenblatt et Griffith, avec une limite sur la contrainte cohésive et la rupture de l’adhésion dictée par l’énergie dissipée. L’étude de cette interaction dans le cas des corps déformables à haute vitesse de déformation montre que le type de modèle cohésif utilisé impacte directement et de façon très prononcée les résultats du calcul. L’interaction adhésive est ensuite liée à un mécanisme physique connu pour être la raison majeure de l’adhésion entre métaux lors du procédé Cold Spray : l’instabilité en cisaillement à l’interface de contact (présente dans la simulation grâce à une loi d’endommagement). Pour ce faire, un critère d’activation de l’adhésion est créé, basé sur une chute de la valeur locale de limite élastique du matériau. Ce critère permet de retrouver le phénomène de vitesse critique nécessaire pour l’adhésion de la particule lors du procédé. Un critère de rupture de l’adhésion supplémentaire est ajouté, basé sur la valeur de l’endommagement dans les éléments collés, et permet de retrouver le phénomène de vitesse maximale pour l’adhésion de la particule. Le modèle complet, construit sur des principes physiques, est ainsi capable de simuler le phénomène d’adhésion Cold Spray. Des tests de dureté et images EBSD sont aussi présentés et comparés aux résultats numériques. / In the context of the Cold Spray process, a numerical model of a single particle impact is developed. The point of interest is the adhesion of the particle to the substrate, thus an adhesive interaction model is also created. The impact model uses the Smooth Particle Hydrodynamics and/or the Finite Elements methods, with a Johnson-Cook material law, commonly used for metals at high strain rates, which takes into account strain hardening, strain rate hardening and thermal softening. The adhesive interaction is a Griffith and Dugdale-Barenblatt cohesive model with energy dissipation and a limit on the cohesive stress. Using this model it is shown that in the case of fast dynamics and deformable bodies, not only the adhesion parameters but also the type of model has an influence on the results. The adhesion model is also, contrary to previous works, linked with an actual physical mechanism known to induce adhesion in Cold Spray: a shear stress instability at the interface. This is done by adding an activation criterion to the cohesive model. This criterion is defined as a local drop in yield strength on either element in contact. Only when this criterion is locally met are the cohesive stresses applied and cohesive energy dissipated. The result is the apparition of a critical velocity, under which adhesion cannot occur due to either not enough initial kinetic energy to create an instability at the interface, or not enough adhesive surface created to keep the particle from rebounding. For the model to localize and undergo shear banding/shear instability, a damage value is added to the material law. An erosion criterion is then implemented in the cohesive model to remove the cohesive stresses from highly damaged parts of the adhesive surface. This results at high impact speeds in a maximal velocity above which the interfacial material is too damaged to sustain adhesion and prevent the particle from rebounding. A deposition behavior similar to the Cold Spray process is then observed, with a range of low velocities without any adhesion of the particle, then a critical speed initiating a velocity range of adhesion of the particle, and finally a maximum speed above which the interface is too damaged to sustain the adhesion. A set of experimental observations is also carried out to better understand the actual microstructural dynamics and changes at the interface of 1 mm copper particles impacted on copper. The results are compared to simulations and the use of the macroscopic Johnson-Cook law at a microscopic level is validated.

Les engrenages roues et vis sans fin sont une solution avantageuse pour transmettre le couple entre des axes perpendiculaires non concourants. Ces engrenages offrent une solution simple et efficace en terme de coût dans les applications de transmission de puissance, où un grand rapport de réduction est nécessaire, en comparaison avec les engrenages classiques à axes parallèles qui nécessitent normalement deux ou trois étapes pour obtenir les mêmes réductions avec une augmentation conséquente de complexité et du nombre de pièces. L’usure de surface est un des modes de défaillance observés dans la vie des engrenages roues et vis sans fin qui influe sur la portée de contact, les caractéristiques de transmission et le bruit résultant. La première étape de ces travaux est la mise au point d’un modèle numérique pour étudier le comportement quasi statique des engrenages roues et vis sans fin avec une roue en bronze et une vis en acier. Le modèle est basé sur la résolution des équations de compatibilité des déplacements ainsi que sur la méthode des coefficients d’influence. Les effets globaux de flexion et les effets locaux de contact ont été séparés. Les effets de contact ont été obtenus par la théorie de Boussinesq. Les coefficients de flexion sont estimés par la combinaison d’un calcul Éléments Finis et des fonctions d’interpolation, permettant d’une part de prendre en compte l’environnement de l'engrenage (la géométrie des arbres, des jantes et des voiles, l’emplacement des roulements,...) et d’autre part de réduire significativement les temps de calculs. Dans une seconde étape, une méthodologie est proposée pour modéliser l’usure de la surface de dent de la roue. Le modèle de contact quasi-statique de la répartition des charges est combiné avec un modèle d’usure d’Archard. Ce modèle suppose que la profondeur d’usure est directement proportionnelle à la pression de contact et à la distance de glissement et inversement proportionnelle à la dureté du matériau. Cette loi d’usure est modifiée pour prendre en compte l’influence des conditions de lubrification en utilisant un coefficient d’usure local, dépendant de l’épaisseur du film lubrifiant, rapportée à l’amplitude des rugosités des surfaces. L’enlèvement de matière par l’usure du flanc de la roue influe sur la répartition des pressions et donc les modifications de la géométrie des dents doivent être incluses dans la prédiction de l’usure. Le calcul des pressions de contact est ainsi mis à jour pour tenir compte des changements de géométrie. Enfin, pour valider le modèle développé des comparaisons du modèle avec des résultats expérimentaux issus de la bibliographie ont été effectuées. / Worm gears are one of the technical devices for transmitting torque between spatial crossed axes. They provide a simple and cost effective solution in power transmission applications, where a high reduction ratio is required. Comparable conventional parallel axis gearing would normally require two or three stages to achieve the same reduction, with a consequent increase in complexity and number of parts. Surface wear is one of the failure modes observed in life worm gear sets which affects the contact patterns, the other transmission characteristics and the resultant noise. The first step of this work is the development of a numerical model to study provide the quasi-static behavior of worm gears with bronze wheel and steel worm. The model is based on solving of the equation of displacement compatibility and the influence coefficient method. The global effects of bending and local effects of contact are separated. The contact effects are obtained with the theory of Boussinesq. Bending effects are estimated by the combination of one standard FEM computation and interpolation functions. These methods allow, on the one hand, to take into account the environment of the gear (shaft shape, rim, web, bearing location ...) and on the other to reduce significantly the computation time. In a second step, a methodology is proposed for predicting the wear of the wheel tooth surface. In this process, a quasi-static contact model of the load distribution is combined with Archard's wear model. This model assumes that the wear depth is directly proportional to the contact pressure and sliding distance and inversely proportional to the hardness of the material. The wear law is modified to take into account the influence of the lubrication conditions using a local wear coefficient, depending on the lubricant film thickness, relative to the amplitude of surface roughness. Removal of material by wear on the wheel flank affects the pressure distribution, therefore the changes in teeth must be included in the prediction of wear. The calculation of contact pressures must also be updated to take into account the modification of the gear flank geometry. The last step concerns the validation of the numerical. Comparisons have been carried out between the model results and experimental ones issued from the bibliography.

Ce travail de thèse qui a pour objet la génération et l'étude des couches absorbantes dans les problèmes impliquant la dynamique des sols, est divisé en trois parties essentielles. La première consiste à proposer une méthode de dimensionnement des couches absorbantes par l'amortissement de Rayleigh afin de simuler des problèmes de propagation d'ondes dans les milieux infinis. Cette méthode repose sur une analyse mathématique du problème de propagation d'ondes dans un milieu caractérisé par la matrice de Rayleigh, qui nous permet, d'une part, d'établir des conditions de minimisation des réflexions parasites aux interfaces, et d'autre part, de proposer une simple relation de dimensionnement du domaine absorbant basée sur la notion de décrément logarithmique. On se propose dans la deuxième partie d'appliquer une stratégie de couplage des schémas temporels pour des problèmes de propagation d'ondes dans les milieux infinis 1D et 2D. L'approche proposée est d'intégrer le domaine d'étude par un schéma explicite et le domaine absorbant par un schéma implicite, et d'évaluer le potentiel de cette méthode en faisant varier les rapports de pas de temps entre les sous domaines. Une attention particulière est accordée au cas 1D pour lequel l'effet de la finesse du maillage définie par le nombre d'éléments finis par longueur d'onde est également analysé. Par ailleurs, l'évolution du temps de calcul en fonction du rapport entre les pas de temps est étudiée afin d'estimer les gains réalisés par rapport à un calcul de référence où le problème global est intégré uniquement avec un schéma explicite. La dernière partie est dédiée à l'étude des couches amortissantes de type PML ("Perfectly Matched Layer") dans le cadre des couplages hybrides multi-pas de temps. Cette partie est introduite par une étude de stabilité des schémas temporels dans le cas d'une PML en 1D. La couche absorbante PML est intégrée selon un schéma implicite en adoptant des pas de temps plus importants que le domaine d'intérêt intégré selon un schéma explicite. Bien que cette méthodologie de couplage s'avère très efficace pour la reproduction des milieux infinis, les études paramétriques montrent une sensibilité à la taille du pas de temps plus forte que celle exhibée par les couches amortissantes de Rayleigh. / This thesis which deals with the study of absorbing layers for soil dynamics problems, is divided into three essential parts. The first part aims to propose a design method of absorbing layers by the Rayleigh damping to simulate wave propagation problems in infinite media. This method is based on a mathematical analysis of the wave propagation problem in a media characterized by a Rayleigh damping matrix, which allows us, firstly, to establish conditions for minimizing spurious waves at the interfaces, and another hand, to provide a simple design relationship for the absorbing domain based on the notion of the logarithmic decrement. The second part aims to apply the multi-time step strategy for wave propagation problems in 1D and 2D infinite media. The proposed approach is to integrate the physical domain by an explicit scheme and the absorbing domain by an implicit scheme and to evaluate the potential of this method by varying the time step ratio between subdomains. Special attention is given to the 1D case for which the effect of the mesh fineness, defined by the number of finite elements per wavelength, is also analyzed. Furthermore, the evolution of computing time depending on the time ratio is studied in order to estimate the gains made with respect to a reference computation achieved by a full explicit integration. The last part is dedicated to the study of the Perfectly Matched Layer (PML) as part of hybrid couplings multi-time step. This section is introduced by a stability study of temporal scheme for 1D cases. The absorbing layer PML is integrated by an implicit scheme with a time step larger than that of the domain of interest. Although this coupling methodology is very effective for the reproduction of infinite media, parametric studies show a sensitivity to the time ratio greater than that exhibited by the Rayleigh damping layers.