Lorsqu’un avion atterrit, la force principale nécessaire pour arrêter l’avion est obtenue par le freinage. Par une réduction de la vitesse de rotation des roues, les freins provoquent une vitesse de glissement entre les pneus et la piste. C’est cette différence de vitesse qui génère la force de freinage capable de stopper l’avion. La modélisation de cette force est essentielle pour l’estimation de la longueur de piste à l’atterrissage. Les modèles classiques utilisés par les avionneurs sont assez simplistes et dérivent expérimentalement des modèles de frictions les plus simples. De sorte que ces modèles sont dans l’incapacité d’estimer l’influence de paramètres clefs influençant la force de freinage. Il s’agit, en particulier de la pression des pneus, de la nature de la gomme, de la température ambiante et de celle de la gomme, de l’état de la piste, de sa texture, etc. L’objectif de la thèse a été de développer un modèle de contact pneu-piste capable d’estimer la force de freinage. C’est le « Brush Model » qui a servi de base à cette modélisation. En phase de freinage la zone de contact est constituée d’une première zone de déformation de la gomme qui crée une force résistante en suivant la loi de Hooke, puis d’une seconde zone de glissement dont la force de résistance suit la loi de Coulomb. Ce modèle a été amélioré grâce aux résultats de la mécanique des structures pour la loi de Hooke et grâce aux résultats de la tribologie pour la loi de Coulomb. Ces deux modélisations faisant appel aux données issues de la science des matériaux. L’ensemble de ces modélisations a été enrichi par une coopération avec plusieurs centres de recherches ayant fourni de nombreux résultats expérimentaux. Le modèle obtenu a ensuite été confronté avec des résultats d’essais en vol obtenus avec « Airbus Operations S.A.S ». La thèse a validé le prétraitement des données d’essais ainsi que le processus d’identification qui a permis de montrer l’accord du modèle avec les résultats expérimentaux obtenus lors des essais en vol. Cette modélisation donne des résultats très encourageants, elle permet une compréhension beaucoup plus approfondie des effets de l’environnement sur les forces de freinage. De sorte que cette thèse a permis d’améliorer très sensiblement la compréhension fondamentale des phénomènes en jeu lors du freinage, au contact entre le pneu et la piste. Chez Airbus, les résultats obtenus vont servir de base pour les travaux à venir sur ce thème. / As an aircraft lands on a runway, the principal force acting to stop the aircraft within the confines of the runway is generated by the brakes. The brakes cause the tire’s rotational speed to slow down with regards to the aircraft’s speed over the ground. This difference in speed causes friction and it is this friction that is the principal force to stop the aircraft. In order to be able to estimate the stopping distance of an aircraft an understanding of this friction is essential. Traditionally, aircraft manufactures have relied on simplistic, empirically derived friction models. However, these empirical models cannot estimate the influence of several key factors that are known (scientifically) to affect friction such as the rubber temperature, the runway texture, the ambient air temperature and the rubber composition to name a few. This PhD work aims to develop a frictional model that can be used to estimate the friction developed between an aircraft tire and the runway. A model commonly known as the Brush Model, is derived for usewith aircraft tires and runways. The underlying physics of this model are developed using the established scientific theories of tribology, material science and strength of materials. Coordination with several research institutes provides experimental results to reinforce the model. The model is then compared with flight test results obtained from a partnership with Airbus OperationsS.A.S. The PhD works demonstrates the entire validation process from flight test data cleaning, the derivation of a curve-fitting algorithm and the matching of derived model with the flight test data. The modeling has shown very encouraging results. It allows for a much deeper understanding of the environmental effects on friction. This PhD work has greatly improved the fundamental understanding of friction and will serve as a base for future works with Airbus.

La performance des inserts d’outils tricône et des taillants d’outils PDC commerciaux est soumise au compromis dureté/ténacité principalement régi par la proportion de cobalt et la taille des grains de carbures cémentés WC-Co et du PDC. Les traitements de graduation basés sur l’imbibition de cobalt et les revêtements de nitrure de bore des carbures cémentés permettent d’augmenter la résistance à l’abrasion au niveau de la surface active des inserts et des taillants tout en générant une ténacité accrue au cœur des carbures cémentés. Des essais d’usure à l’aide d’un tribomètre rotatif avec une contreface en alumine pour les inserts WC-Co et à l’aide d’un tour d’usure avec une contreface en béton à forte teneur en silice pour les taillants ont permis d’étudier leur comportement tribologique. Pour les inserts, le coefficient de frottement et les cinétiques d’usure (modèle d’Archard), mais aussi l’évaluation de la température de contact et de l’émission acoustique générée au contact, ont permis de mieux comprendre l’effet des traitements réalisés sur les carbures cémentés. Pour les taillants PDC un modèle de qualité, basé sur un compromis usure/efficacité de coupe, a été développé afin de caractériser la résistance à l’usure des taillants. Des analyses physicochimiques (EDX, DRX, Raman) ont permis d’associer l’évaluation de la résistance à l’abrasion des échantillons à des mécanismes d’usure en considérant les éléments constitutifs des systèmes tribologiques et la formation de troisièmes corps. Les résultats ont ainsi montré l’importance de la proportion de cobalt générée dans les débits d’usure sur la stabilité des débris abrasifs (alumine et silice) et ainsi sur la résistance à l’usure des inserts et taillants. Les mécanismes de rupture des microstructures WC-Co et PDC sont aussi mis en avant afin d’expliquer leur influence sur la résistance à l’abrasion des échantillons. Enfin, des mesures de ténacité des inserts ont permis de juger de l’apport des traitements d’imbibition sur la résistance à la propagation de fissures des carbures cémentés WC-Co. Aussi, des essais complémentaires de chocs ont permis de montrer que les traitements améliorant la résistance à l’abrasion des taillants ne se traduisent pas par la chute de leur résistance aux chocs. / The performance of commercial tricone bit inserts and PDC bit cutters is defined by the compromise between hardness and fracture toughness controlled by the cobalt proportion and the grain size of WC-Co cemented carbide and PDC. On one hand, graduation treatments based on reactive imbibition of cobalt and boron nitride coating of cemented carbides lead to an improvement of abrasive wear resistance of inserts and cutters active surfaces. On the other hand, greater fracture toughness is obtained in the cemented carbides core as a result of imbibition. Wear experiments were performed with a rotary tribometer using an alumina contreface for the WC-Co inserts and with a lathe and its silica based concrete contreface for the PDC cutters. For the inserts, the friction coefficient and wear kinetics (Archard model), but also contact temperature measurement and acoustic emission consideration, permitted to clarify the treatments effects on cemented carbides tribological behaviour. For PDC cutters, a quality model, based on wear/cutting efficiency compromise, was developed in order to characterize the wear resistance. Physicochemical analyses (EDX, XRD, Raman) made a link between mechanical results and wear mechanisms considering the tribological systems and the third body formation. These analyses highlighted the influence of the proportion of cobalt generated in the wear flows on the stability of abrasive debris (alumina and silica) and thus on the wear resistance of inserts and cutters. The Fracture mechanisms of WC-Co and PDC microstructures have also been studied and their effects on the wear resistance have been demonstrated here. At last, fracture toughness measurements showed that the imbibition treatments could maintain a good resistance to cracks propagation of inserts. In addition, complementary impacts experiments prove that the improvement of wear resistance of PDC cutters did not produce reduction of impact strength

Les vibrations des systèmes de forage pétrolier sont à l'origine de nombreux dysfonctionnements (ruptures des tiges par une fatigue accélérée, réduction des performances, endommagement des outils de mesures, endommagement des parois du puits, etc.). Face à la complexité des puits forés aujourd'hui, la maîtrise des vibrations des systèmes de forage est plus que jamais un enjeu majeur dans la réussite économique d'un projet pétrolier. Durant l'opération de forage, les tiges en rotation entrent en interaction avec les parois du puits (tubage et/ou formation) et encaissent dans certains cas des vibrations sévères. On distingue généralement trois modes de vibrations suivant le plan de leur occurrence : axiales, latérales et de torsion. Nous ne nous intéressons dans ce mémoire qu'aux vibrations latérales des tiges de forage. Si les vibrations latérales ont fait l'objet de nombreuses études dans le passé, il reste néanmoins des axes d'amélioration possible, tant sur la compréhension des phénomènes (contact garniture-puits par exemple) que sur la recherche de méthodes numériques permettant de réduire les temps de calcul. Dans le cadre de cette thèse, un modèle a été développé pour étudier les vibrations latérales des garnitures de forage dans des forages à trajectoires complexes. Ce modèle permet de prédire les vibrations latérales des tiges pour des paramètres opératoires donnés (vitesse de rotation, poids sur l'outil de forage). Un modèle numérique en éléments finis a été développé pour résoudre les équations du mouvement et analyser ainsi la sensibilité des vibrations aux paramètres opératoires du forage en particulier la vitesse de rotation et l'effort axial dans les tiges. Le modèle permet en outre d'analyser la réponse dynamique d'une garniture en cours du forage (conception). En outre, cette étude a permis de mieux élucider le phénomène sévère de précession des tiges (whirling), très nuisible à l'intégrité mécanique des systèmes de forage. Un nouveau banc d'essais a été mis au point par le Centre de Géosciences de Mines ParisTech pour reproduire les vibrations latérales, mieux comprendre le phénomène du whirling et valider les résultats numériques du modèle. Par ailleurs, des mesures dynamiques en surfaces et en fond de puits au cours de forages réels ont été analysées afin de mettre en évidence les vibrations latérales les plus sévères et en particulier le whirling. Ces données de terrain ont permis de comparer les fréquences propres du système mesurées et celles fournies par le modèle numérique. / Drillstring vibrations are commonly observed during oil & gas well drilling operations. Vibrations are a major cause of drilling tools dysfunction (drillstring breaking because of fatigue, reduced drilling efficiency, measurement-while-drilling tools failure, damaging of drill bits, etc.). Because of the increasing complexity of oil & gas wells drilled nowadays, operators need to mitigate efficiently the drillstring vibrations in order to successfully achieve the drilling process. During the drilling operation, rotating drillstrings are in interaction with the well borehole (casing and/or rock) which may lead to severe vibrations. Different vibrations modes occur simultaneously while drilling, we identify mainly three modes: axial, torsional and lateral. This work deals only with lateral vibrations. Literature survey papers show numerous experimental and numerical studies carried out on drillstring dynamics. The developed models don't take into account sufficiently the complex drillstring-borehole interactions or the efficient numerical methods needed to reduce the computation time. A new drillstring dynamics model has been developed within this thesis in order to compute the lateral vibrations of drillstrings in a complex well trajectory. Given the operating parameters (rotary speed, weight on bit) the model predicts the dynamics response of the drillstring in terms of lateral vibrations. A finite element model has been implemented to solve for the equations of motion of the dynamics model and study the dependence of the lateral vibrations on some operating parameters of the system, mainly the rotary speed and the axial load on the drillstrings. The finite element model can be used to compute and enhance the dynamic response of a given drillstring configuration for design issues. Besides, the model can be used to understand some dynamic phenomena encountered while drilling (post-analysis). Moreover, this study was useful to better understand the “whirling” phenomenon which is very harmful for the drilling system components. A new lateral vibrations simulator was built at Mines ParisTech in order to understand the whirling phenomenon and validate the numerical results provided by the dynamics model. Surface and downhole fieldmeasurements have been analyzed in order to understand the occurrence of whirling. The eigenfrequencies evaluated from the field data have been found very close to those provided by the dynamics model.

Cela fait environ soixante ans que l'on s'intéresse à la compréhension et à la modélisation du comportement Elastohydrodynamique (EHD) des joints à lèvres. Cependant, on peut considérer que, jusqu'à présent, leur modélisation n'a pas été totalement et rigoureusement traitée. En effet, même si de nombreuses études ont été consacrées à cette modélisation, plusieurs questions ont été soulevées et font toujours l'objet de controverses entre les chercheurs, à savoir l'impact sur les performances des joints à lèvre de l'effet des surfaces texturées de l'arbre, de la loi adoptée pour le comportement mécanique des joints à lèvre, de la démarche utilisée pour l'élaboration de la matrice de compliance (matrice de souplesse), de l'importance de supposer l'arbre lisse ou rugueux, ainsi que la valeur du rapport entre la largeur du contact et la longueur d'onde du défaut suivant la direction circonférentielle de la lèvre.Dans cette thèse, nous avons tenté d'apporter de façon rigoureuse des réponses claires et précises à toutes ces questions en élaborant et en validant un outil de simulation EHD complet pour les joints à lèvre qui tienne compte de presque tous les paramètres, à savoir une loi de comportement du matériau du joint précise, une matrice de souplesse rigoureusement validée et un arbre qui peut être lisse, rugueux et/ou texturé. De plus, un second modèle analytique est proposé. Il traite le comportement vibratoire du "squeeze film", en tenant compte de la non linéarité des caractéristiques intrinsèques du joint et du film. / It's about sixty years that we are interested in understanding and modeling the Elastohydrodynamic behavior (EHD) of rotary lip seals. However, we can consider that, until now, their modeling has not been accurately treated. Even though many studies have been devoted to this model, several questions have been raised and are still the subject of controversy among researchers, namely the parameters influencing on the rotary lip seals performance, such as: the shaft surface textured, the law adopted for the mechanical behavior of lip seals, the approach used to develop the matrix of compliance, the importance of assuming the smooth or rough shaft, and finally the ratio between the width of contact and the wavelength according the circumferential direction of the lip roughness.The main goal of this thesis is to answer rigorously these questions by developing and validating a numerical tool for EHD rotary lip seals modeling, that takes into account: the lip law behavior, the compliance matrix rigorously validated by assuming smooth shaft case, or rough and textured shaft case. In addition, an analytical approach is proposed, models the vibratory behavior of the "squeeze film". This implies a nonlinear comportment that is taken into account.

Le renfort des matériaux composites via la croissance de nanotubes de carbone (NTC) directement à la surface des renforts textiles permet d'augmenter certaines propriétés des composites. La méthode flamme est la technique facilement industrialisable à la continue qui permet de réaliser la croissance des NTC sur des textiles. Cependant un procédé à la continue va engendrer des contraintes sur les renforts, ainsi le but de ces travaux de doctorat est de déterminer le comportement des textiles après la croissance de NTC, sous différentes contraintes de type industrielles, et d'évaluer leur influence sur la mise en œuvre et les propriétés des matériaux composites. Ces travaux ont mis en évidence la formation d'un film de transfert dès le début du frottement de surfaces textiles recouvertes de NTC contre une pièce métallique ou un autre textile de même nature. De plus, la présence des NTC a permis de mettre en évidence un comportement spécifique en indentation. La mouillabilité des surfaces avec une résine époxy n'est en revanche pas influencée par la présence des NTC, si ce n'est que très faiblement dans la dynamique du mouillage. Il a été montré que les conditions de croissance des NTC, notamment la nature du catalyseur, avaient une influence sur la résistance à long terme du film de transfert formé après frottement, sur l'adhésion des NTC sur les fibres de renfort, ainsi que sur la dynamique du mouillage avec de la résine époxy. Finalement, des matériaux composites ont été fabriqués avec des renforts avant et après usure de la surface présentant des NTC, dans le but d'étudier son influence sur les propriétés des composites. L'usure, se traduisant par la transformation des NTC en film de transfert, n'influence ni les propriétés électriques des matériaux, ni les propriétés mécaniques en flexion 3 points. / Reinforcement of composite materials with carbon nanotubes (CNTs) grafted on textiles provides an increase in the properties of the composites. The flame method is the most rapid and the easiest industrialized technique to realize the growth of CNTs on textile surfaces. At an industrial scale, some strains will be applied between the CNTs’ growth step and the composite processing, which can cause damage on the CNTs and alter the positive contribution of the CNTs to the properties of composites. That is why the aim of this study is to determine the effect of different industrial stresses on the CNTs behaviour and their influence on the composite processing and composite properties. In this work, we highlighted the formation of a transfer film, composed of CNTs, during the friction of the CNTs against metallic pieces or against the same fabric. The presence of the CNTs shows a particular behaviour in indentation. However, the wettability with an epoxy resin is not influenced by the CNTs, except a little in the dynamic of the wettability. It has been shown that the growth condition of the CNTs, particularly the catalyst, has an influence on the long term resistivity of the transfer film formed by the friction, on the adhesion of the CNTs on the fibres and on the dynamic of the wettability with an epoxy resin. Finally, composite materials composed of CNTs growth fabrics before and after the wear of the surface, were manufactured in order to study the influence of the wear on the properties of the composite material. It appears that, the wear, causing the formation of the transfer film, has no influence on the electrical and flexural properties of the composite material.

Les freins aéronautiques sont soumis à des instabilités vibratoires induites par le frottement. Il en résulte des vibrations qui présentent un risque pour la structure du frein et de l’atterrisseur et posent des problèmes d’intégration. Safran Landing Systems doit donc répondre à des spécifications avionneurs strictes sur les niveaux des vibrations générées par son équipement. Le respect de ces spécifications est actuellement contrôlé par la réalisation d’essais de freinage longs et coûteux. L’objectif de ces travaux de recherche est de reproduire numériquement ces phénomènes vibratoires via des outils intégrables au processus de conception d’un frein. Le crissement de frein, bien qu’il soit l’objet de recherches depuis le début du XXe siècle, demeure un phénomène assez mal compris, notamment dans l’aéronautique. Des vibrations instables apparaissent régulièrement sur l’ensemble de la plage fréquentielle 0-2 kHz. Au cours de la dernière décennie, une instabilité vibratoire vers 200 Hz dénommée whirl 2 s’est manifestée de manière récurrente et souvent critique sur la plupart des nouveaux freins développés. On cherche donc à mettre en place une méthode permettant de simuler l’apparition et les amplitudes des instabilités vibratoires, notamment du mode de whirl 2. Dans une première partie, on présente des analyses d’essais vibratoires réalisés en conditions opérationnelles et expérimentales. On décrit ensuite la modélisation par la méthode des éléments finis du frein instable au sens de Lyapunov. La stabilité du système linéarisé est étudiée et on montre une corrélation en fréquence et déformée entre le modèle et les essais. Ce modèle éléments finis est trop volumineux en l’état pour permettre la simulation d’amplitudes de vibrations non linéaires. On propose donc dans une seconde partie deux méthodes de réduction adaptées à l’architecture complexe d’un système de freinage aéronautique et permettant la prise en compte du frottement. La première est une méthode semi-analytique qui se révèle très performante jusqu’à 500 Hz. La seconde méthode de réduction mise en oeuvre est la double synthèse modale. Elle est implémentée dans sa version classique, puis une amélioration est proposée avec succès : la double synthèse modale complexe. La troisième partie est consacrée à l’étude de la dynamique non linéaire du whirl 2 par la réalisation d’intégrations temporelles. La simulation des amplitudes de vibration nécessite la prise en compte réaliste du comportement non linéaire du frein. Or, on fait d’abord le constat que, contrairement à une hypothèse communément admise, les non-linéarités de contact situées aux interfaces frottantes ne suffisent pas à expliquer à elles seules la saturation des amplitudes vibratoires constatée expérimentalement. La recherche des phénomènes physiques non linéaires influents nous amène a considérer l’interaction de la structure vibrante avec le circuit hydraulique de commande du frein. La modélisation du couplage hydrodynamique fournit alors des éléments de compréhension inédits et permet de formuler des règles de conception. Enfin on étudie l’impact du frottement sec dans les contacts périphériques des disques de freinage avec la structure. Ce phénomène, jusque là négligé, apparaît largement prépondérant. Des études d’influences, présentant une bonne corrélation avec les essais, permettent de mettre en évidence de manière robuste l’influence du design et des scénarios de freinage sur les amplitudes vibratoires. / These vibrations are a threat for the brake and landing-gear structural integrity and represent an issue in terms of integration. Thus Safran Landing Systems has to comply with aircraft manufacturers’ strict requirements on the vibration amplitude its product is likely to generate. Compliance to these requirements is assessed by long and costly braking test campaigns. The objective of the research presented here is to reproduce by simulation the brake dynamic instabilities with numerical tools that could be integrated in the design process. Brake squeal has been a research topic since the early XXth century. However it remains a rather ill-understood phenomenon, especially in aeronautics. Unstable vibrations regularly appear on the whole 0-2kHz frequency spectrum. In the last decade, an instability located around 200 Hz called whirl 2 persistently appeared on the newly developed wheel and brake assemblies, sometimes exhibiting critical vibration amplitudes. Consequently, Safran Landing Systems wishes to develop numerical tools able to simulate both the occurrence and the amplitudes associated with friction-induced instabilities, especially with the whirl 2 mode. In the first part of this report, an experimental analysis of the brake is conducted, on both laboratory and in operational set-ups. The modelling of the wheel and brake assembly using the finite element method is then described. The system stability in a Lyapunov’s sense is studied and shows good correlation in both frequencies and mode shapes with the experiments. This finite element model is too big to be used to perform the transient simulation of the nonlinear amplitudes. In the second part, two reduction methods, tailored to the complex aircraft brakes architectures, are thus presented. The first method is a semi-analytical. It shows excellent performances up to 500 Hz. The second reduction method is the double modal synthesis, implemented under its classical version. It is then successfully improved and called "complex double modal synthesis". The third part is dedicated to the study of the nonlinear dynamics of the whirl 2 through transient analyses. The nonlinear amplitudes simulation requires taking into account the relevant nonlinear brake behavior. However, it is first observed that, contrary to a commonly accepted hypothesis, the contact nonlinearities located at the friction interfaces cannot single-handedly account for the vibration amplitudes saturation observed in the tests. The need to identify the relevant physical phenomena leads then to consider the interaction between the squealing brake structure and its hydraulic command circuit. The modelling of the hydro-mechanical coupling provides an unprecedented insight and allows to prescribe design rules. Finally, we study the impact of dry friction in the peripheral contacts between the braking discs and the structure. This phenomenon, neglected until now, appears to have a major influence. Sensitivity studies exhibit a good correlation with tests, allowing to highlight, in a robust manner, the impact of brake design and braking scenarii on the nonlinear vibration amplitudes.

La grande diversité des applications, dans tous les domaines industriels, des plus simples aux plus complexes, que ce soit pour un usage quotidienne ou pour des applications high-tech, nécessite la conception continue de systèmes d'étanchéité de plus en plus performants. Les vérins pneumatiques sont des éléments fondamentaux de l'automatisation dans des domaines industriels très variés : les dispositifs de levage, la robotique, l'aérospatial, les systèmes respiratoire, etc. Cependant, un dysfonctionnement d'étanchéité conduit à des performances plus faibles et même à des disfonctionnements. Inversement, une meilleure connaissance des phénomènes aux interfaces, permettra l’amélioration du rendement, la prolongation de la durée de vie et de la fiabilité des différentes applications pneumatiques.Ce travail de thèse est focalisé sur l'étude expérimentale et numérique des systèmes d'étanchéité par joints pneumatiques. Un banc d'essais modulable a été conçu et réalisé pour permettre l'investigation expérimentale de différents types de joints pneumatiques, pour une large gamme de conditions de fonctionnement, en termes de vitesse linéaire, pression pneumatique et solutions constructives. Il permet principalement de caractériser le frottement des joints mais aussi la visualisation des phénomènes physiques au niveau de la zone d'étanchéité et de son environnement.En parallèle, un modèle théorique ElastoHydroDynamique, incluant la prise en compte des conditions de lubrification mixte et le comportement rhéologique non-newtonien de lubrifiant (graisse) a été développé. Il est basé sur le couplage d'un logiciel de calcul non-linéaire (permettant la prise en compte du comportement mécanique hyperélastique des joints) et un modèle d'écoulement en film mince. Les comparaisons de mesures expérimentales avec les prédictions numériques ont permis de valider le modèle théorique ainsi que d'améliorer la compréhension des conditions de fonctionnement et d'alimentation de la zone d'étanchéité. / The great diversity of applications in all industrial fields, from the simplest to the most complex, whether for everyday use or for high-tech applications, requires the continuous design of increasingly efficient sealing systems. Pneumatic cylinders are fundamental elements of automation in a wide variety of industrial fields: lifting devices, robotics, aerospace, respiratory systems, etc. However, a sealing failure leads to lower performance and even malfunctions. Conversely, a better knowledge of the phenomena at the interfaces will allow the improvement of efficiency, the extension of the service life and of the reliability of the various pneumatic applications.This thesis work focuses on the experimental and numerical study of pneumatic seal systems. A modular test bench has been designed and built to allow the experimental investigation of different types of pneumatic seals, for a wide range of operating conditions, in terms of linear velocity, pneumatic pressure and constructive solutions. It mainly allows to characterize the friction of the joints but also the visualization of physical phenomena at the level of the sealing zone and its environment.In parallel, an ElastoHydroDynamic theoretical model, including the consideration of mixed lubrication conditions and the non-Newtonian rheological behaviour of lubricant (grease) has been developed. It is based on the coupling of a non-linear comercial software (allowing the modelling of the hyperelastic mechanical behaviour of the joints) and a thin film flow model. Comparisons of experimental measurements with numerical predictions validated the theoretical model and improved the understanding of the operating and supply conditions of the sealing area.

L'objectif principal de la thèse a été d'étudier le comportement triboélectrique des contacts glissants à sec entre matériaux polymères (ABS, PE, PP, PS et deux types de PVC), incluant la possibilité de contrôler et d'optimiser les résultats générés, en termes de charge électrique et d’usure. Un tribomètre linéaire a été conçu et construit, afin de permettre le réglage des principales variables de contrôle du processus de charge triboélectrique : force normale, vitesse de glissement, durée et course. Ce dispositif facilite la mesure de certaines grandeurs physiques caractérisant les conditions de frottement: les variations des forces normale et tangentielle, ainsi que le déplacement relatif entre les éprouvettes. De plus, la charge électrique générée et l’augmentation de la température à la surface du polymère ont été aussi été mesurées et mise en relation avec les propriétés tribologiques. Les expériences ont montré que le niveau et la distribution de la charge générée par le frottement sec dépendent de la force normale appliquée, du temps de frottement (le nombre de cycles), de la vitesse de glissement, des propriétés mécaniques des matériaux et de la rugosité ou de la texture des surfaces en contact. La décharge couronne peut être utilisée pour déposer une charge initiale sur les surfaces avant le glissement. La modélisation du processus de charge triboélectrique a été faite avec la méthodologie des plans d’expériences. Les résultats peuvent alors être utilisés pour prédire et optimiser la charge triboélectrique. Des cartes de contrôle peuvent assurer le monitoring du processus et la détection de variations non-maîtrisés de la charge générée par effet triboélectrique. / The main objective of the thesis was to study the triboelectric behavior of dry sliding contacts between polymeric materials (ABS, PE, PP, PS and two types of PVC), including the possibility to control and optimize the results in terms of either surface charge generated or wear. A linear tribometer with tribocharging capabilities was designed and built, to enable the study of the sliding contact between solids and to allow the adjustment of main tribocharging control variables: normal force, sliding speed, time and stroke. This device also provided measurement data to characterize the friction condition: the variations of the normal and tangential forces, as well as the relative displacement between the specimens. Furthermore, the electric charge generated and temperature raise due to rubbing on the surface of the polymer were measured, so that to investigate the relationship between the tribological properties. The experiments showed that the level and distribution of the charge generated by dry friction depends on the normal force applied, friction time (cycle), sliding speed, material mechanical properties and surface roughness or texture. Corona discharge may be used to provide initial charge on the surfaces before sliding. Modelling of tribocharging processes was done using the design of experiments methodology. The models can be used to predict and optimize the tribocharging. Control charts were used to monitor the process and detect the special causes of variation in the charge generated by triboelectric effect.

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.

Le développement de lubrifiants haute performance pour réduire le frottement dans les moteurs et limiter la consommation de carburant, demeure un défi majeur pour les fabricants d’huiles. Les améliorants d'indice de viscosité (VII) sont des polymères couramment utilisés pour réduire la dépendance en température de la viscosité du lubrifiant, afin de maintenir une lubrification hydrodynamique acceptable à haute température. Ce travail se concentre sur la compréhension du rôle des VII dans les lubrifiants moteur afin de relier leur réponse tribologique et leur comportement rhéologique. Des lubrifiants simplifiés sont étudiés, composés de divers polymères de différents poids moléculaires et conformations, ajoutés à une huile de base minérale. Premièrement, la dépendance de la viscosité à la température et la pression de ces lubrifiants est étudiée. Il est montré que leur comportement rhéologique résulte de mécanismes se produisant à l'échelle moléculaire, en considérant les notions de solubilité, rayon hydrodynamique et d’effets de conformation. Ensuite, la dépendance viscosité-cisaillement est discutée en fonction de la structure des polymères et prédite sur une large gamme de températures et de pressions à travers un modèle conventionnel. Cependant, les hypothèses qui sous-tendent ce modèle nous amènent à proposer une relation plus appropriée prenant en compte la viscoélasticité des lubrifiants. Enfin, des mesures d'épaisseur de film sont effectuées pour explorer comment l'addition de polymère affecte la réponse du lubrifiant dans les régimes élastohydrodynamique et thin film. Elles sont comparées aux prévisions analytiques basées sur les modèles rhéologiques établis précédemment. Il est montré i) une bonne adéquation entre les prévisions et les données expérimentales dans le régime EHD et ii) la présence d’une épaisseur critique pour certains polymères à partir de laquelle les résultats s’écartent significativement des prévisions. Ce régime thin film, aux faibles épaisseurs, est expliqué par le comportement non newtonien des lubrifiants et l'adsorption des polymères aux surfaces. / The development of high-performance lubricants to reduce engine friction and consequently fuel consumption remains a major challenge for oil manufacturers. Viscosity Index Improvers (VII) are polymer additives used for decades to limit the dependency of the lubricant’s viscosity on temperature, to maintain an acceptable hydrodynamic lubrication at high temperature, without experiencing excessive frictional and thermal losses at low temperature. This work focuses on understanding the role of VII in engine lubricants with the aim to bridge their tribological response with their rheological behavior. Simplified lubricants are studied, composed of various polymers of different molecular weights and conformations added to a mineral base oil. In a first part, the viscosity-temperature-pressure dependence of these lubricants is investigated. Their rheological behavior is shown to result from mechanisms occurring at molecular scale, by considering the notions of solubility, hydrodynamic radii and conformation effects. In a second part, the viscosity-shear stress dependence is discussed according to the polymers structure and predicted on a large range of temperatures and pressures through a conventional model. However, the strong assumptions behind this model lead us to propose a more appropriate relationship which takes into account the viscoelastic properties of the lubricants. Finally, film thickness measurements are conducted to explore how the polymer addition affects the lubricant’s response in the Elastohydrodynamic and Thin Film regimes. They are compared with analytical predictions based on the rheological models established previously. It is shown that i) there is a good agreement between predictions and measured film thicknesses in the EHD regime and ii) at lower thickness, i.e. in the Thin Film regime, some polymers show a critical thickness from which the film thickness significantly departs from the predictions. Several explanations are considered, among them the non-Newtonian behavior of the lubricants and the adsorption of polymers on the solid bodies.