La compréhension et la modélisation d'un contact lubrifié en présence de texturation nécessitent une description physique très fine pour comprendre les analyses contradictoires et pour expliquer les résultats très différents en terme de performance présentés dans la littérature internationale. De nombreuses études théoriques et expérimentales ont montré que la texturation des surfaces pourrait améliorer les caractéristiques tribologiques des contacts. La capacité de charge, le coefficient de frottement et la résistance à l'usure sont les principales caractéristiques susceptibles d'être améliorées. La texturation de surface fait appel à de nombreux paramètres géométriques, qui peuvent agir de façon très différente selon le contact. Enfin, les phénomènes supposés expliquer l'apport de la texturation ne font pas l'unanimité dans la communauté scientifique. Ainsi, les différentes contradictions font que ce domaine de recherche est en pleine évolution. Dans ce contexte scientifique, l'objectif principal de cette thèse est de conduire, à travers une étude théorique et numérique approfondie, vers une meilleure compréhension des effets induits par la texturation dans un contact lubrifié. Les paramètres géométriques, essentiels par rapport aux phénomènes physiques générés, font l'objet d'une analyse étendue. Les éléments théoriques obtenus à travers cette étude permettront une optimisation opérationnelle de tous types de dispositifs fonctionnant dans un milieu lubrifié. Parmi ces nombreuses applications, la butée en régime hydrodynamique a été choisie afin d'illustrer la pertinence des résultats de nos recherches.

Les pièces multimatériaux à gradient fonctionnel (Functionally Graded Materials - FGM) sont des structures dont la composition et la microstructure du matériau changent graduellement à l'intérieur de la pièce. Cette distribution des matériaux permet de réaliser des gradients de propriétés au niveau mécanique, physique, chimique, etc. Les domaines d'application sont nombreux pour ces pièces, en particulier l'aérospatial et le biomédical mais également l'électronique, l'énergie nucléaire, la production d'outillage, le design, etc. L'utilisation des procédés innovants tels que les procédés de fabrication additive est indispensable pour la réalisation de pièces multimatériaux complexes. Bien que ces procédés aient les caractéristiques attendues pour la réalisation de pièces multimatériaux, on constate qu'aucune pièce fonctionnelle n'a encore été fabriquée à ce jour. Pour permettre la fabrication de pièces fonctionnelles, il est indispensable de proposer une méthodologie de fabrication complète permettant de passer de l'objet imaginé par le concepteur à la fabrication. Cette méthodologie doit comporter les étapes suivantes : description de la pièce à fabriquer, détermination d'une stratégie de fabrication adaptée et génération des instructions de fabrication. Parmi les étapes du processus de fabrication, celle de choix d'une stratégie de fabrication occupe une place importante. En effet, les caractéristiques de pièces - géométrie et répartition des matériaux - sont fortement dépendantes de la stratégie de fabrication choisie. Les travaux de thèse portent principalement sur les méthodes mises en place pour la détermination de trajectoires appropriées à la fabrication des pièces multimatériaux. Ces méthodes reposent sur la modélisation du procédé nécessaire à l'évaluation des stratégies et une optimisation du procédé permettant de diminuer les différences entre la répartition des matériaux souhaitée et celle fabriquée. Une des méthodes proposées permet d'obtenir automatiquement des trajectoires parfaitement adaptées aux pièces multimatériaux et repose sur la modélisation et l'optimisation du procédé. Ces travaux sont intégrés dans une méthodologie de fabrication de pièces multimatériaux. De plus, une maquette informatique a été développée pour mettre en avant les possibilités d'utilisation de cette méthodologie.

Malgré le développement rapide d'outils et de méthodes appropriés, la pratique de l'éco-conception reste difficile en industrie. En particulier par le manque de dynamisme et de flexibilité des échanges d'informations entre les concepteurs multi-métier et l'expert environnement durant le processus de conception. Ainsi, ces recherches proposent une méthode leur permettant d'améliorer l'interopérabilité de leurs outils en utilisant la fédération fondée sur l'approche d'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM). La méthode se décline en une étape de création de modèles associés aux outils des concepteurs et de l'expert environnement, et en une étape d'utilisation des modèles pour déployer le processus de conception suivant la tactique définie par les chefs de département. La proposition a été expérimentée sur deux cas d'études des entreprises Parkeon et Quiksilver. Les résultats des expérimentations montrent que la méthode est applicable au milieu industriel et confère trois propriétés : (1) la capacité de s'adapter aux différents contextes que nécessite la pratique de l'éco-conception (2) l'échange dynamique des données disponibles entre les concepteurs et l'expert environnement et (3) la capacité de l'expert environnement à répondre de manière adaptée aux concepteurs afin qu'ils réitèrent leurs choix en faveur de la composante environnementale. Enfin, la méthode contribue à construire une pro-activité des métiers durant le processus de conception. Cette dynamique facilite l'application de la tactique et de la stratégie environnementale.

La plupart des mécanismes sont lubrifiés par une huile, une graisse ou plus simplement de l'air. Dans tous ces mécanismes, des pièces sont en contact, frottent, dissipent de l'énergie voire s'endommagent. Or les exigences de plus en plus fortes en terme de réduction des coûts et des masses ainsi qu'en accroissement des performances (puissances transmises de plus en plus élevées) nécessitent une bonne connaissance des conditions de fonctionnement et de contact afin d'améliorer les composants en terme de durée de vie et de réduction des puissances dissipées. C'est pourquoi je me suis intéressé à l'étude, l'analyse et la compréhension des phénomènes de fatigue de contact et de dissipation d'énergie dans les mécanismes lubrifiés. Par ailleurs, j'ai toujours privilégié une démarche dans laquelle expérience et modélisation sont fortement couplés. En effet, dans toutes les actions que j'ai menées, l'outil expérimental, bien souvent dédié, est venu en amont de l'étude pour analyser et comprendre le phénomène. Puis le développement théorique utilisant des outils développés par ailleurs ou par nos soins, a permis de donner des modèles simples, robustes et efficaces. Ces derniers ont toujours été validés expérimentalement, soit sur des dispositifs " modèles ", soit sur des dispositifs " réels ". Ce mémoire s'intitule : " Analyse du comportement des systèmes mécaniques lubrifiés ". Il fait état des activités de recherche que j'ai développées depuis bientôt une quinzaine d'années. Deux axes majeurs et complémentaires sont présentés et mis en perspectives : - l'amélioration et l'optimisation des composants mécaniques lubrifiés et en particulier sur l'analyse de leur tenue en fatigue de contact initiée en surface, - l'analyse et la réduction des pertes de puissance dans les transmissions par engrenages.

Ce travail de thèse s'inscrit dans la problématique générale du projet ECODEFI - ECOconception et Développement de méthodologies de Fabrication Innovante de machines d'épandage financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) dans le cadre du PRogramme ECOtechnologies et Développement Durable (PRECODD). Le projet ECODEFI porte sur l'écoconception et l'éco-innovation appliquées aux technologies de l'épandage, pour répondre à deux enjeux majeurs : (i) le recyclage des effluents organiques issus de l'industrie et de l'épuration des eaux et (ii) réduire à la source les risques de pollution des agro-écosystèmes. Face au besoin de prise en compte de l'environnement dans le développement des machines d'épandage, nous avons proposé une démarche d'éco-innovation qui permet d'aboutir à des véritables percées technologiques. Cette approche présente une synergie entre l'Analyse du Cycle de Vie (ACV), la matrice de non-qualité, la Théorie de Résolution des Problèmes Inventifs (TRIZ), l'analyse morphologique et le Processus d'Analyse Hiérarchique (Analytical Hierarchy Process - AHP). Dans l'enchaînement de ces outils, l'ACV évalue les impacts environnementaux générés par le système. Puis, pour une meilleure prise en considération des aspects écologiques, nous avons développé un nouvel outil, la matrice de non-qualité, qui définit, à partir des résultats de l'ACV, le problème à résoudre en priorité du point de vue environnemental. La méthode TRIZ permet la génération de nouveaux concepts et la résolution des contradictions. Ensuite, l'analyse morphologique offre la possibilité d'étendre l'espace de recherche des solutions d'un problème de conception de manière systématique. Enfin l'AHP identifie la ou les solution(s) prometteuse(s) en fournissant une logique claire pour les choix réalisés. Dans notre étude, nous nous sommes principalement intéressés aux problèmes rencontrés sur la machine PROLOG lors de la phase d'épandage des produits compostés. En effet, l'épandage du compost se développe fortement et l'entreprise SIRTEC souhaite pouvoir réaliser cette tâche avec leurs machines conçues initialement pour des matériaux granulaires. L'approche a été appliquée pour résoudre le problème d'extraction de ces produits suite à la formation de voûtes à l'intérieur de la trémie de l'épandeur.

Le travail présenté dans cette thèse vise à comprendre les vibrations de pièce mince durant l'usinage. De nombreux travaux proposent des modélisations de ce phénomène, mais des écarts persistent entre résultats de modélisation et réalité. Ce constat nous pousse à nous interroger sur l'emploi dans les modèles des modes propres de la pièce, sans y intégrer le contact de l'outil. Face à l'incapacité de vérifier la validité de cette hypothèse par mesures ponctuelles, la mesure de champ s'impose comme une alternative prometteuse. La deuxième partie du travail porte sur la mise au point d'un protocole expérimental novateur. Il inclut le relevé des déformées vibratoires d'une pièce mince en usinage par mesure de champs de déplacements. La stéréo corrélation d'images numériques se confronte à de nombreuses limitations dans ce contexte. Nous avons développé une méthode de réglage des capteurs permettant de contourner rapidement certaines difficultés. Cette méthode présentée sous forme graphique souligne la nécessité d'optimiser les paramètres de mesure dans un tel contexte. La troisième partie met en oeuvre le protocole de mesures. Le test des capteurs montre le fort intérêt de la mesure sans contact vis-à-vis de l'objectif recherché. Des essais d'usinage sont présentés en se basant sur une modélisation existante du broutement. Les déformées mesurées pendant l'usinage livrent des informations d'un type nouveau. Leur exploitation a impliqué la mise en place d'une procédure spécifique de traitement. La dernière partie présente les analyses de deux usinages. L'étude est effectuée au regard des états de surface obtenus, du comportement temporel, fréquentiel, et spatial. Cette approche souligne les subtilités de la génération d'état de surface en la présence de vibrations. L'examen des mesures de champs permet de relever des incohérences avec l'emploi des modes propres, classiquement utilisés en modélisation.

Le laminage transversal, procédé de mise en forme des métaux essentiellement développé " à chaud ", permet d'obtenir des bruts de haut niveau de qualité en réalisant un gain notoire sur l'engagement matière face à d'autres procédés. Les travaux de thèse dressent l'état de l'art de cette technologie complexe et mal connue en France ; ils s'appuient sur une bibliographie dense et diversifiée pour synthétiser les lois qui régissent ce procédé et identifier les paramètres significatifs. Les conditions du contact pièce/outil étant prépondérantes, la mesure de la pression de contact est développée sur des matrices instrumentées afin de caractériser la sévérité des efforts. Des préformes en acier, titane et alliage base cuivre-aluminium avec simple réduction de diamètre sont fabriquées pour mettre en évidence les spécificités du contact pièce-matrice au niveau tribologique et rhéologique. En vue de démontrer que la condition d'entrainement en rotation des pièces est un facteur clé de pilotage du procédé, de nombreux essais expérimentaux pointent le rôle de la texture de surface pour l'obtention de pièces sans défaut, ainsi que son influence sur l'histoire thermomécanique interne. Les nombreuses difficultés liées à la mise au point d'outillages sont identifiées sur la base d'observations expérimentales et ensuite intégrées dans une démarche de conception d'outillage. Une procédure de conception d'outillage est ainsi proposée en s'appuyant sur une synthèse de règles issues de la bibliographie ainsi que de règles déterminées par les travaux expérimentaux. Une étude de cas sur une préforme " balustre " est traitée ; elle intègre la conception des matrices, la simulation numérique avec le logiciel FORGE© ainsi que les essais de mise au point d'outillage sur un banc développé à l'ENSAM. Une vision d'ensemble sur le procédé et les paramètres qui le gouvernent est finalement proposée.

L'écoulement de compression peut permettre de caractériser le comportement rhéologique de fluides complexes, notamment en présence de fluides fermes, de fluides de structure fragile, ou de fluides présentant un caractère glissant aux parois. Ce test s'avère complémentaire aux appareils traditionnels de rhéométrie et trouve son intérêt dans la facilité de sa mise en oeuvre et dans la richesse des informations enregistrées au cours d'un essai. Cependant, le caractère non viscosimétrique de l'écoulement induit contribue à complexifier le traitement des données. Nos travaux visent à développer une méthode d'identification inverse du comportement rhéologique fondée sur une approche énergétique de l'écoulement, afin d'identifier les propriétés de fluides homogènes à seuil. Cette approche met en évidence la relation qu'il existe entre les paramètres caractéristiques de l'essai - effort de compression, vitesse, hauteur de l'échantillon -, les paramètres de la loi de comportement du fluide testé et un taux de déformations moyen. Cette relation permet de proposer l'estimation du taux de déformations moyen caractéristique du cisaillement moyen au sein de l'échantillon testé. Cette estimation est réalisée à chaque instant de l'essai en présupposant la forme de la loi de comportement du fluide. Notre choix s'est porté sur un modèle rhéologique simple et général : le modèle de Bingham dont les solutions analytiques des écoulements adhérent et glissant avec frottement sont construites. Le processus d'identification inverse de l'état de contrainte et de taux de déformation équivalent associé à chaque configuration du test est mis en oeuvre sous la forme d'algorithmes intégrant un calcul itératif. De tels algorithmes de calcul ont été développés de façon à construire point par point la courbe d'écoulement caractéristique du comportement apparent du fluide testé en présence d'un écoulement adhérent ainsi que son comportement tribologique dans le cas d'un écoulement glissant avec frottement. Le principe de la méthode inverse, ainsi que les algorithmes de calcul ont été testés et validés dans un premier temps en ayant recours à des données simulées de compression de fluides modèles en écoulement adhérent ou glissant. Dans un deuxième temps, les outils d'analyse ont été appliqués avec succès aux données expérimentales de compression de différents fluides, en étudiant l'influence de la configuration d'essai (tests à rayon et volume constant, variation de la vitesse de compression et de la hauteur de l'échantillon). Ces essais ont été réalisés sur un analyseur de texture commercial dont l'utilisation n'a pu être envisagée qu'après optimisation de son fonctionnement. Les résultats obtenus, confrontés aux données traditionnelles de rhéométrie, montrent la pertinence de la méthode inverse développée et en complètent la validation. Finalement, une optimisation des algorithmes de calcul est proposée.

Dans le contexte d'un marché saturé et d'une forte concurrence internationale, les industriels doivent proposer des produits manufacturés innovants, de qualité et respectant des contraintes de coûts et de délais de plus en plus exigeantes. La fabrication additive permet aujourd'hui l'obtention de pièces fonctionnelles, elle apparaît, dès lors, comme l'un des moyens de mise en œuvre d'une production personnalisée répondant aux problématiques actuelles. Ne nécessitant pas d'outillage dédié ni de brut de matière, les procédés additifs apportent de nouvelles perspectives quant au triptyque Produit-Process-Matériau. D'un autre côté, comme tous les autres procédés, ils ont leurs propres spécificités et contraintes liées aux phénomènes physiques mis en jeu au cours du processus de fabrication. Tirer profit de la rupture technologique que représente la fabrication additive implique donc de concevoir les produits autrement. Ce travail de thèse consiste en l'élaboration d'une méthodologie de conception orientée fabrication additive. Organisée en quatre étapes, la méthode permet, à partir du cahier des charges fonctionnel et des caractéristiques du procédé de fabrication utilisé, de définir une géométrie de pièce optimisée, à la fois, vis-à-vis des objectifs fonctionnels et des contraintes de fabricabilité. Un domaine de conception est, dans un premier temps, établi à partir des entités fonctionnelles et d'un choix d'orientations de fabrication. La topologie générale du produit y est alors optimisée vis à vis des critères globaux issus des spécifications fonctionnelles et des règles métier globales. La géométrie locale est ensuite définie à partir d'un choix de trajectoires de fabrication et de la simulation du processus de fabrication. Enfin, chaque choix lié à la stratégie de fabrication débouchant sur une géométrie de pièce différente, la dernière étape consiste à identifier celle répondant le mieux aux spécifications attendues. La méthodologie a l'avantage d'être générique dans sa structure et peut être utilisée pour les différents procédés employés pour la fabrication directe. Les contraintes de fabrications sont cependant spécifiques à chaque procédé car liés aux phénomènes physiques mis en jeu au cours des processus de fabrication. Dans le cadre de nos travaux de thèse, nous nous sommes particulièrement intéressés à la technologie de fabrication par projection de poudres. Ainsi, un modèle du processus de fabrication a été mis en place. Il permet d'évaluer et d'optimiser les stratégies de fabrication vis-à-vis des besoins fonctionnels, en permettant de prédire la géométrie finale des pièces, et des contraintes procédés en permettant de prédire les variations de paramètres de fabrication. Ce modèle a été particulièrement mis à profit au cours de nos travaux pour alimenter la méthode d'optimisation de trajectoires, par ailleurs proposée, pour la fabrication de pièces à parois minces.

Les garnitures mécaniques sont des composants utilisés pour assurer l'étanchéité d'arbres tournants. Elles sont constituées principalement de deux anneaux plans (le rotor et le stator), dont l'interface, qui constitue la barrière d'étanchéité, est lubrifiée par un film fluide. Le fonctionnement optimal est obtenu en minimisant à la fois la fuite et l'usure. Cela correspond à une épaisseur de film de l'ordre du micromètre, et à un régime de lubrification mixte. L'étude bibliographique présentant l'état de l'art a permis de justifier l'utilisation d'une approche multi-échelles pour traiter le problème de lubrification mixte. Une autre partie de cette bibliographie a permis d'identifier les modèles thermiques à mettre en œuvre. Le modèle multi-échelles développé pour l'étude de la lubrification mixte des garnitures mécaniques est ensuite présenté. Ce dernier utilise les surfaces numériquement générées et consiste à décomposer le domaine d'étude en plusieurs sous-domaines. L'équation de Reynolds prenant en compte la cavitation dans le fluide est résolue par la méthode des volumes finis à l'échelle micrométrique dans les sous-domaines de même que le contact normal hertzien des aspérités. Une échelle macroscopique est introduite pour connecter les conditions aux limites aux bornes des sous-domaines. Un champ de pression macroscopique est ainsi obtenu en assurant la conservation globale du débit. Ce modèle prend également en compte, à l'échelle macroscopique, le comportement Thermo-Elasto-HydroDynamique (TEHD) dans les garnitures mécaniques. La discrétisation des équations de chaleur et de déformation est effectuée grâce à la méthode des éléments finis pour une géométrie axisymétrique. La validation du modèle multi-échelles est faite avec un modèle déterministe de lubrification mixte, d'une part, et d'autre part avec un modèle TEHD pour surfaces lisses précédemment développé au laboratoire. L'influence des paramètres caractérisant le comportement de la garniture est analysée au travers d'une étude paramétrique. Cette étude a permis d'identifier les différents régimes de lubrification dans lesquels l'épaisseur du film lubrifiant est contrôlée par la hauteur des rugosités ou par les déformations thermoélastiques des faces.