Dans le cadre de la conception de turbo-machines aéronautiques, l'amélioration du rendement est assurée, entre autres, par la diminution du jeu fonctionnel entre les parties tournantes et statiques, telles que les roues aubagées et le carter qui les entoure. Cette stratégie a des conséquences sur le comportement vibratoire des turbo-machines en favorisant l'apparition de contacts structuraux entre les sommets d'aubes et le carter, par exemple. Lorsque plusieurs points de contact co-existent, des phénomènes d'interaction modale peuvent apparaître. La simulation de ces phénomènes, potentiellement dangereux, dans un cadre indutriel est au cœur de notre étude. Du fait de la dimension du problème à traiter, des méthodes de réduction modale sont utilisées : une méthode à interfaces fixes, la méthode de Craig-Bampton, et une méthode à interfaces libres, la méthode de Craig-Martinez. L'étude porte notamment sur la performance de ces méthodes de réduction lorsqu'elles sont associées à une non linéarité de type contact. Le phénomène d'interaction modale est tout d'abord étudié sur des modèles 2D simplifiés avec l'analyse de la sensibilité des régimes d'interaction à la taille des modèles réduits, puis sur les modèles 3D industriels pour lesquels la solution vraie n'est pas accessible. La gestion du contact dans le 3D fait appel aux B-splines bicubiques surfaciques afin d'assurer de meilleures propriétés à la surface de contact et de faciliter la résolution numérique. Les résultats obtenus à l'aide des deux méthodes de réduction modale sont comparés et permettent de déterminer la méthode la plus appropriée pour l'industrialisation du code présentée en annexe de ce mémoire.

Ce travail vise à décrire la réponse mécanique de matériaux divisés tels que les mousses aqueuses et les matériaux granulaires. Ces systèmes ont un comportement de type élastique à faible déformation et plastique au-delà d'une déformation seuil. Le caractère localisé des événements de plasticité et la longue portée des interactions élastiques conduisent à des phénomènes comparables de localisation d'écoulement, d'intermittence et de vieillissement induit par le cisaillement. Nous avons cherché à les étudier au moyen d'approches expérimentales et numériques variées associant des mesures aux échelles locales et globales. Nous avons par ailleurs développé des mesures, résolues spatialement, des déformations et contraintes mécaniques aux interfaces de frottement. Nous avons notamment développé un capteur tribologique, utilisant des micro-capteurs de force de type MEMS, qui permet une mesure dynamique des contraintes à la base d'un film élastique en frottement. Ce senseur, qui constitue un analogue rudimentaire du système mécanorécepteur/peau, a été mis à profit dans le cadre d'une étude de la transduction de l'information tactile dans le toucher humain par une approche de type bio-mimétique.

L'objectif de cette thèse est l'identification de couplages (nanoparticules / matrice de poly(methyl-methacrylate) PMMA) qui renforcent la rigidité de surface du PMMA tout en conservant le maximum de transparence. Le choix s'est porté sur trois type de nanoparticules carbonées : du graphène multicouches (FLG), de l'oxyde de graphène (GO) et des nanotubes de carbones (MWCNT). Une première décrit la préparation et la fonctionnalisation de ces trois types de nanoparticules pour assurer une meilleure dispersion dans la matrice. Deux méthodes ont été retenues pour réaliser ces matériaux composites : la polymérisation en masse et le mélange en solution. Une seconde partie présente la caractérisation des propriétés mécaniques de ces revêtements en trois étapes : en volume, en surface et sous forme de revêtement en couches minces (15-20µm). Les résultats majeurs montrent que les nano-composites réalisés retardent l'apparition de la plasticité comparé à un PMMA pur, même à faible pourcentage, et permettent ainsi de limiter les effets de rayures de surfaces. Le faible pourcentage de renfort permet de conserver la transparence et plus l'épaisseur diminue plus on peut augmenter ce taux de renfort sans dégrader les propriétés mécaniques du revêtement. Les nanoparticules choisies comme agents de renfort de la matrice polymère s'avèrent être également de très bons candidats pour la diminution du frottement comparée à un plastifiant type Erucamide / The goal of this thesis is the identification of couplings (nanoparticles / matrix poly (methyl methacrylate) PMMA) which ensure PMMA surface rigidity while maintaining maximum transparency. The choice fell on three types of carbonaceous nanoparticles: Few layer graphene (FLG), graphene oxide (GO) and carbon nanotubes (MWCNT). A first part describes the preparation and functionalization of these three types of nanoparticles to provide a better dispersion in the matrix. Two methods were used to prepare nanocomposite materials: bulk polymerization and solution blending. A second part presents the characterization of the mechanical properties of these coatings in three stages: volume, surface and thin layer coating (15-20μm). The main results show that nanocomposites made delay the onset of plasticity compared with pure PMMA, even at a low percentage, and help to limit the effects of surface scratches. The small percentage of reinforcement keeps the transparency and the more the thickness decreases the more the rate of reinforcement can increase without degrading the mechanical properties of the coating. Moreover, nanoparticles chosen as the polymer matrix of reinforcing agents prove to be very good candidates for reduction in friction compared to a plasticizer such Erucamide.

L’étude du frottement dans les contacts lubrifiés fortement chargés est un sujet complexe. En effet, le frottement dépend fortement du comportement rhéologique du lubrifiant dans le centre du contact et, celui-ci n'est pas bien connu à pression et taux de cisaillement élevé. Diverses méthodes expérimentales ont été développées pour expliquer le comportement plateau dans les courbes de frottement, associé à l’existence d’une contrainte limite de cisaillement, mais aucune d'elles n'a fourni une image complète des mécanismes réels impliqués. Dans la continuité de ces efforts, des études sont présentées dans ce mémoire. Le premier défi dans ce travail est d'effectuer des mesures de frottement dans des conditions isothermes nominales, ce qui signifie que même si des effets thermiques doivent se produire dans toute mesure de frottement, il est possible de les minimiser et de rendre les résultats insensibles à une faible dissipation d'énergie dans le volume expérimental d'intérêt. La minimisation de l’échauffement du lubrifiant aide à se focaliser sur l’origine mécanique de la contrainte limite de cisaillement et de mieux caractériser sa dépendance à la pression et à la température. C'est pourquoi, tout d'abord, une série d'expériences a été réalisée sur deux lubrifiants, un diester pur (benzyl benzoate) et une huile minérale de turbine (Shell T9) avec des vitesses d'entraînement variables. Cela nous permet d'abord d'observer directement l'influence des effets thermiques sur les valeurs de la contrainte limite de cisaillement et ensuite, de déterminer les conditions expérimentales qui limitent ces effets tout en assurant un régime en film complet. Le deuxième objectif est de caractériser le comportement en frottement des lubrifiants sous conditions isothermes nominales et sur une large gamme de pression (jusqu'à 3 GPa) et de température (jusqu’à 80°C) afin d'établir un nouveau modèle découplé permettant de décrire la dépendance à la température et à la pression de la contrainte limite sous fortes charges. Enfin, l'étude se focalise sur la compréhension du comportement microscopique des lubrifiants dans des conditions extrêmes de cisaillement et de pression. Des mesures in situ de spectroscopie Raman et Brillouin ont été également effectuées sous conditions statiques, afin d'étudier le changement de phase du lubrifiant. / Friction in highly loaded lubricated contacts is a complex issue. Indeed, it highly depends on the lubricant rheological behaviour in the Hertzian region, which is not well known under such high pressure and high shear stress. Various experimental methods have been developed to explain the plateau-like behaviour in friction curves referred to as the limiting shear stress (LSS), but none of them provided a full picture of the real mechanisms involved. In a continuation of these efforts, some investigations are presented in this manuscript. The first challenge in this work is to carry out friction measurements under nominal isothermal conditions, meaning that even if thermal effects must occur in any friction measurement, it is possible to minimize them and to make the results almost insensitive to a weak energy dissipation within the experimental volume of interest. Minimizing shear heating of the lubricant help us to focus on the mechanical origin of the LSS and to better characterize its dependence to pressure and temperature. That’s why, first of all, a series of experiments was performed on two lubricants, a pure diester fluid (benzyl benzoate), and a commercial turbine mineral oil (Shell T9) with varying entrainment velocities. This allow us first to directly observe the influence of the lubricant shear heating on the LSS values and then to determine the experimental conditions which limit this thermal effect while ensuring a full film regime. The second objective is to characterize the frictional behavior of both lubricants under nominal isothermal conditions and over a wide range of pressure (up to 3 GPa) and temperature (up to 80°C) in order to establish a new uncoupled model to describe the temperature and pressure dependence of the limiting shear stress under highly loaded conditions. Finally, the study focuses on the understanding of the microscopic behavior of lubricants under extreme shear and pressure conditions. In situ Raman and Brillouin spectroscopy investigations were also conducted under static conditions, in order to study the lubricant phase changes under various pressure and temperature conditions.

Dans le cadre de l'intégration « 3D », une technologie d'assemblage par report de puces sur tranche de silicium (« flip chip ») reposant sur un procédé de microinsertion a été développée ces dernières années. Cette technologie est basée principalement sur la mise en contact par thermocompression, de réseaux de (micro)inserts en Nickel ECD, avec des plots de connexions métalliques en Al(Cu). Au cours de ce travail, un scénario de formation du contact entre un unique microinsert de Nickel rugueux et un film mince d'Aluminium lisse, prenant en compte la présence d'Alumine native à l'interface de contact, est proposé pour une gamme de pressions allant du MPa au GPa. L'analyse du contact métal-oxyde-métal se base essentiellement sur la fissuration de l'oxyde natif suivie de l'extrusion du métal au travers des fissures, et nécessite d'établir au préalable les lois de comportement des matériaux mis en jeu à partir d'essais de nanoindentation instrumentée couplés à des simulations numériques. Enfin, la mesure de l'évolution de la résistance électrique de contact en fonction de la force appliquée à l'aide de dispositifs expérimentaux originaux, permet de mettre en évidence les différents mécanismes de formation du contact métallique lors du procédé de microinsertion. / In the field of « 3D » microelectronic integration, a wafer level technology using flip chip stacking and based on a microinsertion process has been developed recently. This technology is mainly based on the contact realized by thermocompression between a network of microinserts made of Nickel ECD, with connections pads in Al(Cu). In this work, a scenario describing the contact establishment between a unique rough microinsert of Nickel and a smooth thin Aluminum film taking into account the presence of native Alumina at the contact interface, is developed for a range of pressures from MPa to GPa. The analysis of the metal-oxide-metal contact is essentially based on the fracture of the native oxide followd by the metal extrusion through cracks, and requires the knowledge of the behaviour laws of materials, obtained from instrumented nanoindentation tests coupled with numerical modeling. Finally, the measure of the electrical contact resistance evolution in function of applied load, with specific pioneering experimental setup, showcases the mechanisms driving the formation of metallic contact during the microinsertion process.

La réduction d'ordre de modèles d'un problème de contact demeure un sujet de recherche important en mécanique numérique des solides.Nous proposons une extension de l'hyper-réduction avec domaine d'intégration réduit à la mécanique du contact sans frottement s'écrivant à l'aide d'une formulation mixte.Comme la zone de contact potentiel se limite au domaine réduit, nous faisons le choix de prendre comme base réduite pour la variable duale (représentative des forces de contact) la base du modèle d'ordre plein restreinte.Nous obtenons ainsi un modèle hyper-réduit hybride avec une approximation de la variable primale par des modes empiriques et de la variable duale par les fonctions de base des éléments finis. Si nécessaire, la condition inf-sup de ce modèle peut être forcée par une approximation hybride la variable primale. Cela mène à une stratégie hybride combinant un modèle d'ordre hyper-réduit et un modèle d'ordre plein permettant l'obtention d'une meilleure approximation de la solution sur la zone de contact.Un post-traitement permettant la reconstruction des multiplicateurs de Lagrange sur l'ensemble de la zone de contact est également introduit.De manière à optimiser la sélection des snapshots, un indicateur d'erreur simple et efficace est avancé pour être couplé à un algorithme glouton. / The model order reduction of mechanical problems involving contact remains an important issue in computational solid mechanics.An extension of the hyper-reduction method based on a reduced integration domain to frictionless contact problems written by a mixed formulation is proposed.As the potential contact zone is naturally reduced through the reduced domain, the dual reduced basis is chosen as the restriction of the dual full-order model basis.A hybrid hyper-reduced model combining empirical modes for primal variables with finite element approximation for dual variables is then obtained.If necessary, the inf-sup condition of this hybrid saddle point problem can be enforced by extending the hybrid approximation to the primal variables. This leads to a hybrid hyper-reduced/full-order model strategy. By this way, a better approximation on the potential contact zone is furthermore obtained.A post-treatment dedicated to the reconstruction of the contact forces on the whole domain is introduced.In order to optimize the snapshots selection, an efficient error indicator is coupled to a greedy sampling algorithm leading to a robust reduced-order model.

Des travaux scientifiques récents ont ouvert de nouveaux champs d’application aux traitements mécaniques tels que le grenaillage. Il a été montré que de tels traitements, réalisés avant un traitement de nitruration à la surface d’alliage ferreux, permettaient d’abaisser les températures de traitement et d’augmenter significativement les cinétiques de diffusion. Nous avons entrepris de tester les performances de cette combinaison de traitements mécanique et thermochimique sur des aciers inoxydables et des alliages à base nickel austénitiques. Des essais ont été réalisés à partir d’une technique de grenaillage mécanique appelée « Surface Mechanical Attrition Treatment » (SMAT). Des billes en métal ou en céramique sont introduites dans l’enceinte et mises en mouvement par la sonotrode. Les billes percutent et introduisent donc une déformation plastique à la surface des échantillons. Après cette étape, les échantillons subissent un traitement thermochimique de nitruration assisté plasma. La comparaison des résultats obtenus après nitruration sur des échantillons traités mécaniquement avec ceux n’ayant pas été pré-traités mécaniquement a permis de quantifier les effets des traitements combinés. Les analyses par diffraction des rayons X, les mesures de microdureté, les observations au microscope optique/électronique à balayage/électronique en transmission, les analyses de texture par EBSD (Electron BackScatered Diffraction) et la mesure des profils de concentration en azote par SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) et SDL (Spectroscopie à Décharge Luminescente) ont montré l’importance de la nature de la couche transformée mécaniquement sur la diffusion de l’azote / Recent scientific work has opened new fields of application to mechanical treatments such as shot blasting or peening. Indeed, it has been shown that this treatment, performed before a nitriding treatment on the surface of ferrous alloy, lowers processing temperatures and significantly increases the diffusion kinetics. We undertook to test this combination of mechanical and thermochemical treatments on stainless steels and nickel-based alloys. The mechanical treatments were done by Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT). This method is implemented in a box where metal or ceramic balls were introduced and set in motion by an ultrasound system in order to impact the surface of the pieces. The treated samples were then nitrided at low temperature by using a remote plasma. The comparison of the results obtained after nitriding treatments on mechanically treated samples and those not mechanically treated allows quantifying the effects of the combined treatments. Analyses by X-ray diffraction, microhardness measurement, observations by optical and scanning and transmission electron microscopy, texture analysis by EBSD (Electron Diffraction BackScatered) and measurement of nitrogen concentration profiles by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) show the importance of the nature of the deformed layer