Les engrenages sont utilisés dans divers secteurs industriels, notamment le secteur aérospatial. La tendance actuelle de l'industrie aérospatiale est de rechercher des moyens de diminuer les émissions polluantes générées par la fabrication et le fonctionnement de leurs produits. Le procédé de fabrication des engrenages comprend une étape de traitement thermique qui a pour effet d'améliorer la résistance à la flexion en pied de dent et à la pression de contact. La cémentation est actuellement le traitement préféré, car il améliore grandement la résistance des engrenages et est un procédé bien maîtrisé. Uinduction thermique est un traitement thermique alternatif à la cémentation qui intéresse l'industrie aéronautique parce qu'il est moins polluant et qu'il donne des résultats prometteurs. Le présent mémoire présente une étude expérimentale de la résistance à la flexion en pied de dent de roues droites cylindriques en acier AISI 4340 traitées thermiquement par induction. Lors d'un traitement thermique par induction, plusieurs paramètres peuvent être variés (temps, fréquence, puissance, géométrie de l'inducteur, etc.). Les roues dentées ont été traitées selon neuf traitements différents dans lesquels sont variés le temps, la puissance et la fréquence. La résistance à la flexion en pied de dent est principalement fonction du profil de dureté et du profil des contraintes résiduelles. Seuls les profils de dureté ont été mesurés. Le mémoire explore les liens entre la résistance à la flexion en pied de dent et les paramètres des traitements thermiques par induction.

Cette thèse traite de la simulation numérique du processus de soudage par impulsion magnétique. Le but est de pouvoir prédire la soudabilité d'un essai. Une première partie permet de se familiariser avec le procédé et une recherche bibliographique est présentée. Le soudage par explosion sert de comparatif pour dégager les critères de soudabilité, tandis que les études numériques sur le formage par impulsion magnétique permettent une première approche de la modélisation par le couplage séquentiel. La seconde section traite de la simulation électromagnétique dans ANSYS, simulation qui part d'un courant imposé dans une bobine pour arriver au calcul des forces de Lorentz qui vont propulser le tube extérieur sur le tube intérieur, tout deux placés de façon concentrique dans la bobine. Le modèle développé est vérifié et une étude de sensibilité des paramètres matériau et de dispositif est menée. Dans la troisième partie le modèle mécanique est développé dans ABAQUS/Explicit et les différentes opportunités de couplage ainsi que les nombreuses difficultés présentées. Par un couplage séquentiel, un outil de simulation du formage a été codé et par couplage séquentiello-faible, l'outil de simulation du soudage. Enfin une dernière partie permet d'exploiter l'outil numérique pour optimiser les essais ; l'analyse est faite selon 3 critères : vitesse d'impact, vitesse de collision et angle d'impact. Dans un premier temps, une étude de sensibilité rend compte des tendances des influences des divers paramètres ; ensuite un cas concret fictif est pris et une méthode est mise en place pour optimiser les paramètres que l'utilisateur choisira afin de parvenie au meilleur cordon de soudure.

L'accumulation de la glace atmosphérique sur le réseau de transport et de distribution de l'énergie électrique est à l'origine de problèmes divers de natures électriques et mécaniques. Le délestage naturel de la glace accumulée peut aussi causer d'énormes perturbations dans le réseau et s'avérer être très dangereux. Les risques encourus ne pouvant pas être totalement éliminés, il est possible de les réduire et améliorer la fiabilité du réseau de distribution de l'énergie électrique en développant des systèmes de déglaçage et de prévention du givrage. Pour ce faire, la connaissance des propriétés mécaniques de la glace atmosphérique et de son comportement est primordiale. L'objectif de cette étude dans le cadre de la problématique du délestage, est le développement d'un outil numérique afin de simuler le comportement mécanique de la glace atmosphérique dans un cadre éléments finis. Le logiciel commercial ABAQUS est utilisé à cette fin, dans lequel, la loi de comportement est fournie par l'utilisateur via une sous-routine VUMAT. Le comportement mécanique de la glace est décrit par une loi de comportement multiaxiale élastoviscoplastique avec endommagement ductile. La déformation totale comporte trois composantes : une déformation élastique instantanée, une déformation viscoélastique et une déformation viscoplastique. L'endommagement qui caractérise la perte de rigidité du matériau est pris en compte par un tenseur d'endommagement du quatrième ordre. Le modèle étant à l'origine développé et paramétré pour simuler le comportement ductile de la glace d'eau douce ; des expériences sont menées en laboratoire afin de déterminer les paramètres nécessaires au calibrage du modèle afin de pouvoir simuler le comportement de la glace atmosphérique. Le comportement de la glace atmosphérique est similaire à celui de la glace d'eau douce, il est cependant affecté par différents paramètres. Les essais effectués ont permis de mettre en évidence l'influence de la vitesse de déformation sur la résistance en compression ainsi que les différences existantes entre les comportements en traction et en compression qui caractérisent la classe des matériaux fragiles dont la glace fait partie. L'implementation de la sous-routine VUMAT développée a été validée par un certain nombre de simulations comprenant : la compression uniaxiale non-confinée à taux de contrainte et à taux de déformation constants, la compression uniaxiale confinée. Les résultats obtenus sont en accord avec les résultats tirés de la littérature pour la glace d'eau douce. Finalement, des recommandations sont formulées afin de compléter et améliorer ce travail. Ainsi, l'outil numérique développé permettra de simuler les situations de chargement mécaniques complexes que l'on ne peut reproduire en laboratoire ou en milieu naturel faute de temps ou de moyens.

Les méthodes d’optimisation topologique sont de nos jours très populaires et intégrées dans plusieurs logiciels de conception. Elles munissent le concepteur d’un outil de choix pour l’obtention des formes optimisées en phase de conception. Cependant, l’une des principales limites de ces méthodes est l’interprétation du résultat de l’optimisation en un modèle facilement exploitable dans la suite du processus de conception. En effet, seulement un nombre limité d’approches ont été développées en vue de transformer un modèle optimisé en un modèle de CAO (Conception Assistée par Ordinateur). Bien qu’elles soient probantes à bien des égards, elles sont pour la plupart encore limitées aux modèles en 2D et sont semi ou non automatiques, ce qui fait que le concepteur est beaucoup mis à contribution durant l’interprétation du modèle optimisé. Dans cette recherche, une méthodologie d’interprétation d’un résultat d’optimisation topologique est proposée. La méthode d’optimisation utilisée est la méthode SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) qui donne comme résultat une répartition optimale de la matière dans le modèle. En considérant un résultat de la méthode SIMP qui s’oriente vers des structures composées de poutres, l’approche proposée compte deux étapes importantes que sont l’amélioration de la qualité du résultat de l’optimisation et la conversion en modèle CAO du modèle optimisé adapté qui en découle. Le produit est donc un modèle CAO plus facile à exploiter et à fabriquer. Ce dernier est finalement validé par une analyse multidimensionnelle par éléments finis. En plus d’être automatique, l’approche développée retourne des modèles CAO qui représentent bien la forme telle qu’optimisée. Nowadays, topology optimization methods are very popular and integrated into several computer-aided design (CAD) software. They provide the designer with a tool allowing to obtain optimized shapes in the design phase. However, one of the main limitations of these methods is the interpretation of optimization results into CAD models that can be easily used in subsequent design phases. Indeed, only a limited number of approaches have been developed in order to interpret raw optimization results into CAD models. Even if good results can be obtained with some of these methods, it is still limited to 2D models and these methods are semi- or non-automatic. Consequently, the interpretation process requires the designer’s intervention. In this work, a methodology for automatically interpreting three-dimensional topology optimization result into CAD models is proposed. The optimization method used is the SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) method, which results in an optimized distribution of material inside a given volume. Considering results of the SIMP method that tend towards beam-like structures, the proposed approach involves two main stages, which are quality improvement of the optimized result and conversion of the improved optimized shape into a CAD model of beam structure. Therefore, the outcome of this approach is a CAD model that is easier to use and to manufacture. The converted model is finally validated through a multidimensional finite element analysis (FEA). More than being fully automatic, the proposed method also produces CAD models that are good approximations of optimized shapes generated by the SIMP method.

Cette étude permet d’adapter des matériaux composites thermoplastiques à fibres de bois aux engrenages, de fabriquer de nouvelles générations d’engrenages et de prédire le comportement thermique de ces engrenages. Après une large revue de la littérature sur les matériaux thermoplastiques (polyéthylène et polypropylène) renforcés par les fibres de bois (bouleau et tremble), sur la formulation et l’étude du comportement thermomécanique des engrenages en plastique-composite; une relation a été établie avec notre présente thèse de doctorat. En effet, beaucoup d’études sur la formulation et la caractérisation des matériaux composites à fibres de bois ont été déjà réalisées, mais aucune ne s’est intéressée à la fabrication des engrenages. Les différentes techniques de formulation tirées de la littérature ont facilité l’obtention d’un matériau composite ayant presque les mêmes propriétés que les matériaux plastiques (nylon, acétal…) utilisés dans la conception des engrenages. La formulation des matériaux thermoplastiques renforcés par les fibres de bois a été effectuée au Centre de recherche en matériaux lignocellulosiques (CRML) de l’Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR), en collaboration avec le département de Génie Mécanique, en mélangeant les composites avec deux rouleaux sur une machine de type Thermotron-C.W. Brabender (modèle T-303, Allemand) ; puis des pièces ont été fabriquées par thermocompression. Les thermoplastiques utilisés dans le cadre de cette thèse sont le polypropylène (PP) et le polyéthylène haute densité (HDPE), avec comme renfort des fibres de bouleau et de tremble. À cause de l’incompatibilité entre la fibre de bois et le thermoplastique, un traitement chimique à l’aide d’un agent de couplage a été réalisé pour augmenter les propriétés mécaniques des matériaux composites. Pour les composites polypropylène/bois : • Les modules élastiques et les contraintes à la rupture en traction des composites PP/bouleau et PP/tremble évoluent linéairement en fonction du taux de fibres, avec ou sans agent de couplage (Maléate de polypropylène MAPP). De plus, l’adhérence entre les fibres de bois et le plastique est améliorée en utilisant seulement 3 % MAPP, entraînant donc une augmentation de la contrainte maximale bien qu’aucun effet significatif ne soit observé sur le module d’élasticité. • Les résultats obtenus montrent que, en général, les propriétés en traction des composites polypropylène/bouleau, polypropylène/tremble et polypropylène/bouleau/ tremble sont très semblables. Les composites plastique-bois (WPCs), en particulier ceux contenant 30 % et 40 % de fibres, ont des modules élastiques plus élevés que certains plastiques utilisés dans l’application des engrenages (ex. Nylon). Pour les composites polyéthylène/bois, avec 3%Maléate de polyéthylène (MAPE): • Tests de traction : le module élastique passe de 1.34 GPa à 4.19 GPa pour le composite HDPE/bouleau, alors qu’il passe de 1.34 GPa à 3.86 GPa pour le composite HDPE/tremble. La contrainte maximale passe de 22 MPa à 42.65 MPa pour le composite HDPE/bouleau, alors qu’elle passe de 22 MPa à 43.48 MPa pour le composite HDPE/tremble. • Tests de flexion : le module élastique passe de 1.04 GPa à 3.47 GPa pour le composite HDPE/bouleau et à 3.64 GPa pour le composite HDPE/tremble. La contrainte maximale passe de 23.90 MPa à 66.70 MPa pour le composite HDPE/bouleau, alors qu’elle passe à 59.51 MPa pour le composite HDPE/tremble. • Le coefficient de Poisson déterminé par impulsion acoustique est autour de 0.35 pour tous les composites HDPE/bois. • Le test de dégradation thermique TGA nous révèle que les matériaux composites présentent une stabilité thermique intermédiaire entre les fibres de bois et la matrice HDPE. • Le test de mouillabilité (angle de contact) révèle que l’ajout de fibres de bois ne diminue pas de façon significative les angles de contact avec de l’eau parce que les fibres de bois (bouleau ou tremble) semblent être enveloppées par la matrice sur la surface des composites, comme le montrent des images prises au microscope électronique à balayage MEB. • Le modèle de Lavengoof-Goettler prédit mieux le module élastique du composite thermoplastique/bois. • Le HDPE renforcé par 40 % de bouleau est mieux adapté pour la fabrication des engrenages, car le retrait est moins important lors du refroidissement au moulage. Afin de mieux prédire le comportement thermique des engrenages (30 dents dans cette thèse), les paramètres intrinsèques du matériau composite déterminés sont : • Module élastique E • Masse volumique ρ • Coefficient de Poisson υ • Conductibilité thermique k • Chaleur spécifique C • Coefficient d’amortissement tan δ Le test de DMA (analyse mécanique dynamique) nous révèle que le module de stockage E’ diminue avec la température, mais augmente avec le taux de fibres de bois. Le module de perte E’’ augmente à basse température, atteint un maximum, puis diminue à haute température, mais augmente aussi avec le taux de fibre de bois. Enfin, un dernier paramètre, le taux d’amortissent tan δ augmente avec la température, mais diminue en fonction du taux de fibres. Les essais expérimentaux sur les engrenages en composite HDPE/40%bouleau, désigné « GEAR40B » (Z1=Z2=30), donnent les résultats suivants : Le couple admis par les engrenages à une vitesse de 500 tr/min est 12.5 N.m. • À 500 tr/min, la température d’équilibre Tb augmente de 43.5 % (33.79 °C à 48.52 °C), alors qu’à 1000 tr/min, elle augmente de 50.71 % (35.45 °C à 53.43 °C). • Tb augmente de 5 %, 8 %, 9 % et 10 % respectivement pour les couples 2.5 N.m, 5 N.m, 7.5 N.m et 10 N.m quand on double la vitesse de rotation (500 tr/min à 1000 tr/min). • Tb diminue au fur à mesure qu’on s’éloigne du point de contact, en allant vers le centre de l’engrenage. Quant à la simulation thermomécanique avec MATLAB sur les engrenages « GEAR40B » (Z1=Z2=30), les résultats sont les suivants : • Les températures d’équilibre maximales sont sur le flanc chargé de l’engrenage. On observe une diminution de la température d’équilibre non seulement en allant vers le flanc non chargé, mais aussi en allant vers le centre de l’engrenage. • Tout comme dans le cas de la méthode expérimentale, la température d’équilibre moyenne Tb évolue linéairement indépendamment de la vitesse de rotation (500 tr/min ou 1000 tr/min) en fonction du couple appliqué. La simulation numérique semble mieux prédire la température d’équilibre à la vitesse de 500 tr/min; alors qu’à 1000 tr/min, on remarque une divergence du modèle. This study allows to adapt wood-plastic composites (WPCs) to gears, to create new gears generations and to predict the thermal behaviour of these gears. After a major review of the literature on thermoplastic materials (polyethylene and polypropylene) reinforced by wood fibers (birch and aspen), on the formulation and the thermomechanical behaviour study of composite plastic gears; a relationship has been established with our current PhD thesis. Indeed, many studies on the formulation and characterization of the WPCs have already been carried out, but none has focused on gears manufacturing. The various formulation techniques of the literature have facilitated the production of a composite material having almost the same characteristics as the plastic materials (nylon, acetal, etc.) used in the gears design. The WPCs formulation was carried out at the Research Center for Lignocellulosic Materials of the University of Quebec at Trois-Rivières (UQTR), in collaboration with the Department of Mechanical Engineering, by blending composites with two rolls of Thermotron-C.W. Brabender machine (German model T-303), then parts were made by thermocompression. Thermoplastics used in this thesis are polypropylene (PP) and high-density polyethylene (HDPE), with birch and aspen fiber as reinforcement. Because of the incompatibility between wood fiber and thermoplastic, a chemical treatment using a coupling agent has been performed to increase the mechanical properties of WPCs. For polypropylene/wood composites: • Elastic moduli and tensile strengths of PP/birch and PP/aspen composites evolve linearly with the rate of fibres, with or without coupling agent (maleated polypropylene, MAPP). In addition, the adhesion between the wood fibers and the plastic is improved using only 3% MAPP, thus resulting in an increase in the tensile strength although no significant effect is observed on the Elastic modulus. • The results obtained show that, in general, the tensile properties of the PP/birch, PP/aspen and PP/birch/aspen composites are very similar. WPCs, especially those containing 30% and 40% wood fibers, have higher elastic moduli than some plastics used for gears application (e.g. Nylon). For polyethylene/wood composites, with 3% Maleated polyethylene (MAPE): • Tensile tests: the elastic modulus increases from 1.34 GPa to 4.19 GPa for the HDPE/birch composite, while it goes from 1.34 GPa to 3.86 GPa for the HDPE/aspen composite. The tensile strength increased from 22 MPa to 42.65 MPa for the HDPE/birch composite, while it increased from 22 MPa to 43.48 MPa for the HDPE/aspen composite. • Flexural tests: the elastic modulus increases from 1.04 GPa to 3.47 GPa for the HDPE/birch composite and to 3.64 GPa for the HDPE/aspen composite. The flexural strength increases from 23.90 MPa to 66.70 MPa for the HDPE/birch composite, while it increases to 59.51 MPa for the HDPE/aspen composite. • The Poisson’s ratio determined by the acoustic pulse is around 0.35 for all HDPE/wood composites. • Thermal degradation (TGA) tests reveal that composite materials have intermediate thermal stability between wood fibers and the HDPE matrix. • The wettability test (contact angle) reveals that the addition of wood fibers (birch or aspen) does not significantly reduce contact angles with water because the wood fibers appear to be wrapped by the matrix on the surface of the composites, as shown by Scanning Electron Microscope (SEM) images. • The Lavengoof-Goettler model better predicts the elastic modulus of the WPCs. • HDPE reinforced with 40% birch is better suited for gear manufacturing, as shrinkage is less important during casting cooling. To better predict the thermal behaviour of gears (30 teeth in this thesis case), the intrinsic parameters of the determined composite materials are: • Elastic modulus E • Density ρ • Poisson’s ratio υ • Thermal conductivity k • Specific heat C • Damping factor tan δ A Dynamic Mechanical Analysis (DMA) test reveals that the storage module E’ decreases with temperature but increases with the rate of wood fibers. The loss module E'' increases at low temperature, reaches a maximum, then decreases at high temperature, but also increases with the rate of wood fibers. Finally, a last parameter, the damping factor tan δ increases with the temperature, but decreases according to the rate of fibers. The gears experimental tests made of HDPE/40% birch composite, designated « GEAR40B » (Z1 = Z2 = 30), give the following results: • The torque admitted by the gears at a speed of 500 revolutions per minutes (rpm) is 12.5 Newton metre (N.m). • At 500 rpm, the bulk temperature (equilibrium temperature )Tb increases by 43.5% (33.79 °C to 48.52 °C), while at 1000 rpm, it increases by 50.71% (35.45 °C to 53.43 °C). • Tb increases by 5%, 8%, 9% and 10% respectively for torques 2.5 N.m, 5 N.m, 7.5 N.m and 10 N.m when the rotation speed is doubled (500 rpm to 1000 rpm). • Tb decreases as one moves away from the point of contact, towards the center of the gear. For the thermomechanical simulation with MATLAB on the “GEAR40B” gears (Z1 = Z2 = 30), the results are as follows: • The maximal bulk temperature Tb are on the loaded side of the gear. A decrease of Tb is observed not only towards the unloaded side, but also towards the center of the gear. • As in the case of the experimental method, Tb evolves linearly regardless of the rotation speed (500 rpm or 1000 rpm) depending on the applied torque. Numerical simulation seems to better predict the bulk temperature at the speed of 500 rpm; while at 1000 rpm, there is a divergence of the model.

Le givrage atmosphérique a été la cause de beaucoup de dommages sur les réseaux de transport de l'énergie électrique. Le délestage naturel de la glace de câbles et de conducteurs a causé des pannes majeures sur ces réseaux. À titre d’exemple, on peut citer le « grand verglas » qui a frappé principalement Québec en 1998, causant des dommages considérables à la suite de l’accumulation et délestage de glace sur les lignes de haute tension. Pour éviter ou diminuer le risque d’occurrence de ce phénomène, il est nécessaire de connaître et de comprendre le comportement mécanique de la glace. En tant qu’exemple fondamental du comportement de déformation de la glace, on a choisi le cas de la glace isotrope polycristalline dans cette étude. Cependant, l'obtention d'une structure isotrope avec le moins de porosité possible pourrait être un problème majeur. Dans ce contexte, trois méthodes pour fabriquer de la glace isotrope en laboratoire ont été développées et utilisées. Ensuite, les propriétés structurelles (physiques) de la glace, comme la porosité et le degré d’anisotropie, ont été étudiées à l’aide d’échantillons fabriqués par ces trois méthodes. Par la suite, le comportement en déformation uniaxiale des échantillons obtenus à partir ces trois méthodes a été comparé et étudié. Après avoir choisi la méthode la plus appropriée de fabrication de l'échantillon, le comportement visqueux de la glace isotrope été analysé à partir d’essais de compression simples réalisés à différentes températures et vitesses de déformation axiale. Les études existantes réalisées sur le phénomène de déformation de la glace ne considèrent pas l’existence d’une déformation inélastique (permanente) indépendante du temps, comme on le voit dans d’autres matériaux, comme les métaux. Afin d’étudier la présence de cette déformation et de déterminer les autres parties de déformation de fluage, des essais de fluage sous le chargement de compression uniaxiale constant et avec plusieurs temps de chargement et de déchargement ont été réalisés à des températures de -5, -10 et -15 °C. Par la suite et dans un premier temps, la présence de déformation plastique indépendante du temps a été étudiée et été identifiée à chaque température. Ensuite, les paramètres des autres composantes de la déformation (élastique, viscoélastique et fluage primaire) ont été déterminés en fonction de la température. La contribution de chacune des composantes de la déformation (élastique, viscoélastique, plastique, fluage primaire et fluage secondaire) dans la déformation totale a été déterminée en fonction du temps pour différentes valeurs de température et de contrainte appliquée. Atmospheric icing is at the source of damage to overhead transmission lines of power networks. Natural ice load shedding off cables and conductors has caused major power outages during ice storms in Canada, like the major one that mainly hit Quebec in 1998. This widespread damage was caused by ice accumulation on the power network overhead lines. To avoid or reduce the risk of occurrence of this phenomenon, it is necessary to know and understand the mechanical behavior of the ice. As a fundamental subject on the deformation behavior of ice, the simple case of polycrystalline isotropic ice was chosen for this study. For this purpose, however, obtaining an isotropic structure with the least possible porosity could be a major problem. In this context, three methods for making isotropic ice on a laboratory scale have been developed and used. Then, the structural (physical) properties of the ice, such as the porosity and degree of anisotropy, were studied using samples made by these three methods. Subsequently, the uniaxial deformation behavior of the samples obtained from these methods was compared and studied. By selecting the most appropriate method of sample preparation, the viscous behavior of isotropic ice was analyzed from simple compression tests performed at different temperatures and axial strain rates. Then, the secondary creep strain parameters were determined. Existing studies on the ice deformation phenomenon do not consider an inelastic (permanent) strain with a time independent nature as seen in other materials such as metals. In order to investigate the presence of this strain and to determine the other creep strain parts, creep tests under constant uniaxial compression loading and with several loading and unloading times were carried out at temperatures of -5, -10 and -15 ° C. Subsequently, and in a first step, the presence of non-time-dependent plastic strain, which was identified at each temperature, was studied. Then, the parameters of the other strain components such as elastic, viscoelastic and primary creep were determined as a function of temperature. The contribution of each of the elastic, viscoelastic, plastic, primary and secondary creep strains as a function of time in the total strain were determined for different values of temperature and applied stress.

Une nouvelle modélisation, écrite à l'échelle macroscopique, est proposée pour rendre compte de quelques spécificités essentielles du comportement mécanique non linéaire des matériaux microfissurés. L'attention est notamment portée ici à la description de l'anisotropie induite par le caractère orienté des microfissures et des effets unilatéraux liés à l'ouverture-fermeture de celles-ci. La microfissuration évolutive étant le seul mécanisme dissipatif considéré, l'endommagement du matériau est caractérisé au travers de la distribution en orientation des densités de microfissures. La construction du potentiel thermodynamique s'appuie quant à elle sur la physique du phénomène considéré et sur quelques considérations d'ordre micro-mécanique, notamment pour décrire la restitution des propriétés élastiques induite par la fermeture de défauts. Enfin, le formalisme complémentaire (évolution du dommage) est établi dans un cadre strictement standard à partir de l'expression de la dissipation.

Afin d'améliorer les connaissances relatives aux propriétés adhésives de la glace sur une pale d'hélicoptère en rotation, le Laboratoire International des Matériau Antigivres (LIMA) en collaboration avec le Consortium de Recherche et d'Innovation en Aérospatiale du Québec (CRIAQ) et le Conseil National de Recherche du Canada (CNRC) a développé un modèle réduit d'un rotor d'hélicoptère qui à été installé dans une soufflerie réfrigérée générant des précipitations givrantes afin de simuler les conditions verglaçantes affectant les hélicoptères en vol. L'objectif de ce mémoire est de présenter les résultats relatifs à la validation du modèle réduit du phénomène d'accrétion de glace sur une pale d'hélicoptère en rotation et dans les résultats d'adhérence de la glace calculés analytiquement à partir des simulations expérimentales. Ce travail de recherche s'appuie principalement sur l'acquisition de données expérimentales obtenues à l'aide d'un modèle réduit. Ce modèle réduit à l'échelle l/18eme comprend : un rotor d'un diamètre de 0,78 m et deux pales d'aluminium de profil NACA- 0012 de longueur 0,315 m avec une corde de 69,64 mm. Un moteur électrique entraine le rotor et les pales. La section d'essai de la soufflerie réfrigérée du LIMA mesure 1,7 m de long par 0,914 m de large par 0,762 m de hauteur. La précipitation verglaçante est simulée à l'aide d'une rampe oscillante de neuf gicleurs pulvérisant des gouttelettes en amont de la section d'essai. La vitesse de l'écoulement d'air est de 15 m/s. Les essais de simulations ont été réalisés à des températures contrôlées variant entre -5 et -20 °C. En réalisant le bilan mécanique des forces agissant sur la pale, la valeur de l'adhérence de la glace est calculée. Le bilan mécanique contient trois principales composantes: la force centrifuge, la cohésion de la glace et l'adhérence de la glace sur la pale. Un essai consiste à givrer les pales jusqu'à ce que le poids du dépôt de glace soit suffisamment élevé pour qu'il se détache de la pale sous l'action de la force centrifuge. L'adhérence peut ainsi être calculée à partir de deux méthodes dépendamment de l'issue de l'essai. Si une pale est déglacée, l'adhérence est calculée en utilisant la masse du dépôt qui ne s'est pas détachée; c'est la méthode de la masse. Si les deux pales ce sont déglacées, l'épaisseur de glace sur les pales est extrapolée pour ensuite déduire la masse de glace décrochée; c'est la méthode de l'épaisseur. Les 150 essais réalisés ont montré que les formes de glace accrétées concordent avec celles décrites par la littérature et varient selon la température de l'air pendant l'essai. Effectivement, il apparaît que l'épaisseur de glace accrétée diminue lorsque la température augmente dû à l'écoulement d'une partie de l'eau captée par la pale. À -15 °C, la valeur de l'adhérence de la glace sur la pale d'aluminium, obtenues selon les deux méthodes varie entre 0,19 MPa pour la méthode de la masse et 0,20 MPa par la méthode de l'épaisseur avec un écart type moyen de 25 %. Les résultats d'adhérence de la glace calculés à partir du modèle réduit concordent très bien avec ceux de la littérature lorsque 1'accretion de glace est réalisée dans des conditions similaires. Les résultats obtenus par la méthode de la masse et par la méthode de l'épaisseur sont très proche, et en deçà des disparités qui existent entre les résultats d'une même méthode. La formule semi-empirique pour déterminer l'adhérence à partir du modèle réduit de pale en rotation est donc valide. Il sera donc possible d'utiliser ce nouvel outil afin de par exemple, évaluer l'efficacité de revêtements glaciophobes à différentes températures sur des pales d'hélicoptères.

En période d'hivers, certaines régions du monde reçoivent plusieurs mètres de neige. À cause de présence d'eau liquide, une sorte d'accrétion de neige, dite collante, peut être très problématique sur la fiabilité et la sécurité des lignes aériennes, puisque l'accumulation de la neige peut provoquer une surcharge sur le câble. Par conséquent, l'étude sur les critères de déclenchement du délestage sur des câbles aériens est d'un intérêt énorme. À l'atteinte de valeurs assez hautes de la LWC (la teneur en eau liquide), les douilles de neige perdent leur cohésion et leur adhésion et tombent naturellement sous l'effet de la pesanteur et du vent. Une étude expérimentale et théorique sur le déclenchement de la perte de neige collante des câbles électriques avec une flèche négligeable dans différentes conditions ambiantes a été réalisée afin de déterminer l'évolution des caractéristiques de la neige précédant son délestage. La LWC et la densité sont à l'origine du pouvoir adhésif de la neige sur le câble jusqu'au déclenchement de la chute de la neige. Dans un premier temps, une méthode simple et peu coûteuse a été reprise afin de reproduire des douilles de neiges sur un câble suspendu à l'aide des recommandations de Roberge, 2006. Plusieurs séries d'expériences ont été établies selon des conditions atmosphériques contrôlables : la température de l'air, la vitesse du vent, l'intensité lumineuse du rayonnement et le courant électrique traversant un câble. Par la suite, un modèle thermodynamique basé sur le bilan de chaleur (considérant la convection, F evaporation/condensation, la radiation et l'effet de Joule) de la douille de neige tente de prédire la variation de la LWC et de la densité en fonction du temps et selon les différents paramètres mis en jeu. D'ailleurs, le modèle simule la percolation de l'eau dans la section circulaire et transversale à l'extrémité de la douille de neige dans le sens de la gravité. De plus, la simulation permet de mesurer la déformation de la douille à l'aide la cavité jusqu'au délestage. Une validation du modèle est réalisée par une comparaison avec les résultats expérimentaux.

Les milieux nordiques disposent généralement de régions très bien exposées au vent et ces régions semblent idéales pour l'exploitation des éoliennes. Malheureusement, les problèmes liés au givrage y sont fréquents et ont des sérieuses conséquences sur la production des éoliennes, leur maintenance et leur durée de vie. Le givrage, qui est caractéristique des régions au climat froid, est le phémomène d'accumulation de glace sur les pales des éoliennes. Il est causé par la pluie verglaçante, la bruine et le brouillard givrant au niveau du sol ou le givrage dans les nuages en altitude, ou le gel, lorsque l'éolienne est installée à proximité des masses d'eau. Le givrage diminue les performances aérodynamiques en provoquant des pertes de puissance et par conséquent des pertes énergétiques. L'impact du givrage est difficile à quantifier sans essais expérimentaux et simulations numériques en raison du manque de données réelles sur le terrain. Le coût des essais en soufflerie étant élevé, une approche par simulations numériques permet de fournir rapidement des informations sur les pertes de performances aérodynamiques et énergétiques dans différentes configurations d'éoliennes et de conditions météorologiques. Combiner des mesures météorologiques nombreuses à des modèles numériques puissants est essentiel pour évaluer adéquatement l'impact du givre sur le fonctionnement d'une éolienne et sa production annuelle.