Dans le cadre de la conception et de la fabrication des produits industriels, on retrouve principalement les étapes de conception, fabrication et contrôle. Le concepteur défini un tolérancement fonctionnel des pièces en lien étroit avec les procédés de fabrication. L’étape du contrôle des pièces est alors l’étape primordiale permettant la validation du produit fabriqué vis-à-vis des besoins du concepteur. Le sujet de recherche se place dans une optique d’optimisation du processus de contrôle des pièces. Cette étude d’optimisation du processus de contrôle devra se faire à plusieurs niveaux : - Au niveau des coûts liés à l’opération de mesure : lorsqu’un opérateur définit sa gamme de contrôle, il valide si possible l’ensemble de la pièce sur un unique moyen de mesure, même si le moyen de mesure choisi n’est pas le plus adapté. Cette partie de l’étude concerne les concepts de capabilité des moyens de mesures, tant matériels que logiciels. Elle permettra de définir les limites de chaque appareil. L’analyse poussée de l’adéquation entre le tolérancement et les matériels de mesure permet également au contrôleur de définir une stratégie économique de mesure (temps, matériel, …). - Au niveau des innovations techniques à prendre en compte : l’utilisation couplée d’un logiciel de calcul par éléments finis : Abaqus (permettant de modéliser les déformations des pièces lors de leur conformation sur le montage de contrôle), et d’un logiciel de traitement du tolérancement : 3DCS (permettant de valider les effets des dispersions des moyens de contrôle sur le résultat de la mesure : incertitude de mesure). / As part of the design and manufacturing of industrial products, we mainly find the steps of design, manufacture and control. The designer choose functional tolerancing values and specification for a part closely with manufacturing processes. The step of the control of parts is then an essential stage of the validation of the product made with respect to the needs of the designer. The research subject is placed in order to optimize process control parts. This optimization should be done at several levels: - In terms of costs to the measurement process: when an operator sets its control methodology, he validates if possible the entire piece on a unique way to measure it, even if the measurement device selected is not the most appropriate. This part of the study concerns the concepts of capability of measuring devices and calculation methods. It will define the limits of each machine. The analysis of the adequacy between the tolerancing specifications and the measurement tools also allows the controller to define a strategy for economic measurement (time, equipment, ...). - In terms of technical innovations to be taken into account: we will use simultaneously a finite element software, (Abaqus, for modeling the deformations of parts during the control process) and a software for tolerances analysis, (3DCS, to validate the effects of the dispersions of the measurement device over the validity of the result of the measure : measurement uncertainty).

Les roulements à billes sont l’un des composants les plus importants et les plus critiques dans les turbomachines ou dans les éoliennes. Les butées à billes rencontrées dans les pieds de pales d’éoliennes doivent supporter des chargements très élevés, avec des bagues très fines par rapport aux dimensions du palier. Le roulement à quatre points de contact à haute vitesse est un autre exemple de bagues minces, où la cinématique interne est fortement liée à la géométrie des pistes qui elle, dépend de la rigidité des bagues et des logements. Pour cette application, les pistes intérieures et extérieures sont archées et bien souvent constituées de deux demi-bagues. La souplesse de ces dernières ainsi que celle du logement modifie la géométrie interne et l’interaction entre les composants. Il est proposé dans cette thèse un modèle permettant de dimensionner des roulements à billes à quatre points de contact, principalement dans le domaine d'application des turbines aéronautiques. Ce modèle est capable de rendre compte des déformations globales des bagues et de leur logement et environnement proche. Un ensemble de travaux existants et différentes possibilités envisagées pour la mise en place d’un modèle de roulement à bagues déformables est présenté pour définir une stratégie de couplage efficace entre un modèle analytique et un modèle éléments finis. La prise en compte de la souplesse des bagues s’appuie sur la résolution préalable d’un problème semi analytique de modélisation avec bagues rigides. Ensuite un couplage entre les résultats de ce modèle et un modèle éléments finis est réalisée pour prendre en compte la souplesse des bagues. Des choix sont nécessaires pour ce couplage, notamment sur la modélisation des contacts billes/bagues par l’utilisation de forces nodales pour simuler fidèlement ces contacts. Plusieurs méthodes sont ainsi évaluées pour calculer au mieux la nouvelle géométrie de la bague, en observant son comportement lorsqu'elle est soumise au contact d'une bille. Finalement, cette souplesse est intégrée au modèle semi analytique pour comparer le comportement d'un roulement à bagues rigides à celui d'un roulement à bagues souples. Des premiers résultats numériques sur une géométrie académique montrent des variations des grandeurs internes du roulement (angles de contact, ellipse de contact) ainsi qu’une meilleure répartition du chargement. Des essais ont été réalisés pour valider expérimentalement le modèle développé dans cette thèse. Les comparaisons par mesures du déplacement axial des bagues et des ondulations en surface des bagues montrent que la souplesse du support n’est pas négligeable, même dans le cas de bagues larges. Egalement, ces essais ont démontré la pertinence du couplage entre un modèle analytique et un modèle éléments finis pour rendre compte des déformations de bagues de roulements à billes à quatre points de contact. / Ball bearings are one of the most important and most critical part in turbomachine and wind turbine. They require a careful design in order to create reliability and economic relevance, which leads to compact bearings with high dynamic and static load capacity. Then ball bearing encountered in wind turbine must carry high loads, with thin rings regarding mean diameter of the bearing. High speed four point contact ball bearing is another example of thin rings, where internal kinematics is highly linked to raceway geometry, and raceway geometry depends on rings and housing stiffness. For this application, internal and external ring are arched and frequently made of two parts. There stiffness change the internal geometry and interaction with bearings components. It implies a change in load distribution and internal speed. As a consequence bearing and housing stiffness is an important parameter in order to estimate the admissible loads for the bearing. This thesis propose a model for the four point contact ball bearing, mainly for aeronautical turbine engine. This model can account for structural ring deformation as well as of housing deformation. Some existing work and different possibility for such a model are presented in order to define a coupling strategy between an analytical model and a finite element model. The accounting for ring stiffness rely on the resolution of a rigid ring semi analytical model. Then a coupling between this results and finite element results is done in order to account for ring stiffness. Some choices are made for the coupling, especially on ball/ring interaction by using nodal forces to model contact with fidelity. Some methods are evaluated to compute new ring geometry due to contacts with balls. Finally this stiffness is integrated in the semi analytical model in order to compare the behavior of rigid ring bearing with deformable ring bearing. First numerical results on an academic bearing shows change in internal parameter (contact angle, contact ellipse) and a better load distribution. Some experimental tests are made in order to validate the model presented in this thesis. Comparison on axial displacement and ring surface undulation shows that housing stiffness is not negligible even with large ring bearing. This tests show the relevance of a coupling between an analytical model and a finite element model in order to account for ring deformation in four point contact ball bearing.

Les engrenages spiro-coniques sont utilisés dans les transmissions de puissance nécessitant un renvoi d’angle, par exemple dans le domaine aéronautique ou automobile. Ces engrenages admettent des puissances et des vitesses importantes. La fabrication des engrenages spiro-conique est complexe. De nombreuses études ont été réalisées sur son optimisation pour définir les profils des dents en contacts. Des travaux existent également pour le dimensionnement statique des dentures. L’aspect dynamique est l’objectif du travail de cette thèse. Des approches théoriques et numériques, pour simuler les vibrations d’engrènement dans des couples spiro-coniques, sont présentées et discutées. Plusieurs modèles ont été développés : torsionnel et tridimensionnel, incluant la prise en compte de défauts de position et d’alignement. Un modèle original (tridimensionnel local), est proposé. Il repose sur des analyses quasi-statiques préalables. Il permet de suivre les évolutions des conditions de contact instantanées sur les flancs de denture. Une approche alternative est également présentée, qui conduit à construire des termes d’excitation globaux en termes d’erreurs de transmission et de raideurs d’engrènement, permettant ainsi de s’affranchir d’algorithmes de contact au cours de la résolution dynamique. Des comparaisons ont été menées avec des résultats quasi-statiques et dynamiques issus de la littérature. / Spiral bevel gears are employed in power transmissions which require motion transfer between crossed axes in aerospace and automotive applications for instance. Such gears can transmit large powers and high speeds. The manufacturing of spiral bevel gears is complex. A number of studies have been conducted in order to optimise the mating tooth flank geometry and the static load distribution on the teeth. The main objective of this work is to tackle the dynamic behaviour of spiral bevel gears. Several theoretical and numerical approaches aimed at simulating mesh vibrations are presented and commented upon. Several models have been developed which comprise torsional and three-dimensional models including the influence of position errors and misalignments. An original three-dimensional local model is set up which is based on prior quasi-static analyses and makes it possible to follow the instant contact conditions on the tooth flanks. An alternative formulation is also introduced which relies on global forcing terms derived from transmission errors together with mesh stiffness and does not necessitate the use of a contact algorithm when integrating the equations of motion. A number of comparisons with quasi-static and dynamic results from the literature are presented which illustrate the interest of the proposed methodology.

La microgéométrie de la surface de la chemise joue un rôle très important dans les pertes par frottement et dans la consommation de l’huile dans un moteur à combustion interne. Une des texturations classiques de cette surface est celle créée par pierrage. Elle se compose de plateaux plus ou moins lisses et de profondes stries croisées. L’´épaisseur du film d’huile est influencée fortement par cette texturation. Un modèle simplifié du contact segment chemise a été créé en la présence de la microgéométrie. Puis, un code de calcul basé sur la méthode numérique multigrille a été développé. Ce code a été utilisé pour des études paramétriques avec des jeux de paramètres très variés. Les calculs quantifient l’influence de cette microgéométrie particulière sur la relation film d’huile - portance. Les résultats mettent en évidence deux mécanismes distincts de génération de portance selon le type du segment. Le segment parabolique porte par son convergent et les stries ne font que diminuer cette portance. Inversement, le segment plat ne porte pas et ce sont les stries qui génèrent la portance. Deux modèles de prédiction ont finalement été déduits, un pour les segments paraboliques et un pour les segments plats. Ces deux prédictions ont ensuite été validées par des calculs sur des surfaces mesurées; / The liner microgeometry influences the friction losses and the oil consumption in IC engines. The cross-hatched texturing, created by the honing process, plays an essential part in the load carrying capacity - film thickness relation. This work studies the influence of the crosshatched groove parameters on the piston ring load carrying capacity. First, a simplified model of the hydrodynamic contact has been created. Thus a Multigrid based code was developed. Calculations with different sets of microgeometric parameters have been performed. These calculations quantify the load carrying capacity for both parabolic and flat rings. The results show that the load carrying capacity is generated differently in both cases. For the parabolic case, the pressure is build up by the wedge in the inlet zone and the grooves decrease the global load carrying capacity. In the flat case the grooves generate the total load carrying capacity. Finally, two prediction models were deduced for the parabolic ring and for the flat ring. These predictions were validated by measured surface calculations.

Ce travail de thèse est focalisé sur l’établissement d’un modèle de coupe orthogonale simulant l’usinage de l’alliage de Titane (Ti–6Al–4V). L’objectif principal est de contribuer à des approches et des méthodologies numériques permettant la modélisation de la formation du copeau de ce type d’alliage et l’amélioration de la compréhension des phénomènes multi-physiques induits par l’enlèvement de matière et qui découle de l’interaction outil-matière. Pour se faire, ce travail de recherche commence par la présentation d’une méthodologie macroscopique et robuste permettant d’établir un modèle de coupe en adoptant la loi de comportement phénoménologique de Johnson et Cook. L’une des améliorations apportés dans ce modèle consiste à adopter le critère de l’énergie de rupture pour contrôler l’évolution de l’endommagement de la matière et pourvoir par conséquent simuler pertinemment la genèse du copeau. Cela a permis de capturer la localisation de la déformation maximale par cisaillement et par la suite de dimensionner les formes caractéristiques liées au phénomène de segmentation du copeau selon les conditions de coupe adoptées. Le modèle de frottement à l’interface outil-matière découpée a également été affiné en intégrant une contrainte de cisaillement limite à l’interface copeau-outil. L’effet de la température sur cette contrainte limite a également été considéré et implémenté dans une routine utilisateur. Cela a permis de modéliser la formation du copeau même sous des conditions de frottement agressives et avec des rayons d’acuité d’arête de coupe élevés. L’étude paramétrique ainsi effectuée montre une très bonne concordance avec les résultats expérimentaux. Dans un second temps un modèle qui peut-être qualifié de multi-echelles a été élaboré. Ce modèle de coupe tient compte de la microstructure du matériau à découper. Il est basé sur la théorie de la plasticité cristalline pour simuler la coupe orthogonale de l’alliage de Titane Ti–6Al–4V. Dans cette approche, les grains de la matière traitée sont présentés explicitement dans le maillage avec des formes hexagonales caractérisées par différentes orientations et systèmes de glissement. Dans ce cas d’étude le processus de dégradation de la matière sous différentes sollicitations thermomécaniques est le résultat de la cœxistence de deux types d’endommagement. En effet, il est supposé une rupture de la matière au niveau des grains qualifiée de dommage intra-granulaire et un dommage éventuel, aux interfaces des grains, qualifié d’inter-granulaire. Ce dernier est simulé par des éléments cohésifs d’épaisseurs nulles traduisant la possibilité de la décohésion des gains de la matière. Ce modèle est validé par des résultats de compression provenant de la littérature. / The objective of this study is to model material removal with cutting tool in the case of the machining of Titanium alloy (Ti–6Al–4V) and to bring a multi-physic comprehension of chip formation and the tool/workpiece interaction by adopting finite element approaches and methodologies. For that, the present contribution begins by a macroscopic modeling of the orthogonal cutting process. The cut material behavior considered is supposed based on JC law. Moreover, in order to simulate properly the chip genesis, the material fracture energy concept is adopted for controlling the material damage evolution. This allows capturing the shear strain localization and consequently the chip segmentation for a given set of cutting parameters. The frictional contact model considers the influence of temperature on the limiting shear stress at the tool/chip interface. As a result, this reliable model has the capability to simulate the cutting process even with high coefficient of friction and with large cutting edge radius. The parametric study carried out by referring to this model shows a very interesting corroboration with experimental results. In a second step, the present research work presents a material microstructure-level cutting model (MML cutting model) for cutting simulation. The crystal plasticity theory is adopted for modeling the cutting of the Titanium alloy Ti–6Al–4V in orthogonal case. In this model, the grains of the studied material are explicitly considered, and their orientation angles and slip system strength anisotropy are considered as the main source of the microstructure heterogeneity in the cutting material. To simulate the material degradation process, the continuum intra-granular damage and discrete cohesive zone inter-granular damage models are developed, wherein the zero thickness cohesive elements are implemented to simulate the bond between grain interfaces. The material model is validated by a comparison of compression tests from literature. Finally, simulation results demonstrate the possibility to capture the influence of the microstructure on the material removal in terms of chip formation. It is demonstrated that the grain orientation angle plays an important role for the chip segmentation and its periodicity during the cutting process. This certainly can affect the evolution of the cutting force. Additionally, the surface integrity is discussed based on the MML cutting model for different cutting speeds and feed rates. Indeed, a parametric study shows that the surface integrity is seriously affected by the machining parameters, and the affected region is limited within three layer grains for the present MML cutting model.