La disponibilité élevée des systèmes technologiques comme l'aérospatial, la défense, la pétrochimie et l'automobile, est un but important des nouveaux développements de la technologie de conception des systèmes sachant que la défaillance onéreuse survient, en général, soudainement. Afin de rendre les stratégies classiques de maintenance plus efficaces et pour prendre en considération l'état et l'environnement évolutifs du produit, un nouveau modèle de pronostic analytique est développé en tant que complément des stratégies de maintenance existantes. Ce nouveau modèle est appliqué aux systèmes mécaniques soumis à la défaillance par fatigue sous charge cyclique répétitive. Sachant que l'effet de fatigue va initier des microfissures qui peuvent se propager soudainement et conduire à la défaillance. Ce modèle est basé sur des lois d'endommagement existantes dans la mécanique de la rupture comme la loi de propagation de fissures de Paris-Erdogan à côté de la loi de cumul de dommage de Palmgren-Miner. A partir d'un seuil prédéfini de dégradation DC, la durée de vie résiduelle (RUL) est estimée à l'aide de ce modèle de pronostic. Les dommages peuvent être cumulés linéairement (Loi de Palmgren-Miner) et aussi non linéairement afin de prendre en compte un comportement plus complexe des chargements et des matériaux. Le modèle de dégradation développé dans ce travail est basé sur une sommation d'une mesure de dommage D à la suite de chaque cycle de chargement. Quand cette mesure devient égale à un seuil prédéfini DC, le système est considéré dans l'état de panne. En plus, l'influence stochastique est incluse dans notre modèle pour le rendre plus précis et réaliste. / The high availability of technological systems like aerospace, defense, petro-chemistry and automobile, is an important goal of earlier recent developments in system design technology knowing that the expensive failure can generally occur suddenly. To make the classical strategies of maintenance more efficient and to take into account the evolving product state and environment, a new analytic prognostic model is developed as a complement of existent maintenance strategies. This new model is applied to mechanical systems that are subject to fatigue failure under repetitive cyclic loading. Knowing that, the fatigue effects will initiate micro-cracks that can propagate suddenly and lead to failure. This model is based on existing damage laws in fracture mechanics, such as the crack propagation law of Paris-Erdogan beside the damage accumulation law of Palmgren-Miner. From a predefined threshold of degradation DC, the Remaining Useful Lifetime (RUL) is estimated by this prognostic model. Damages can be assumed to be accumulated linearly (Palmgren-Miner's law) and also nonlinearly to take into consideration the more complex behavior of loading and materials. The degradation model developed in this work is based on the accumulation of a damage measurement D after each loading cycle. When this measure reaches the predefined threshold DC, the system is considered in wear out state. Furthermore, the stochastic influence is included to make the model more accurate and realistic.

Cette thèse s'est articulée autour de trois axes principaux. Dans un premier temps, les recherches se sont portées sur l'identification des problèmes (mécanique, thermique, pertes) liés à la conception des machines électromagnétiques hautes vitesses, et plus particulièrement des machines synchrones à aimants permanents. Dans ce premier travail, nous nous sommes plus particulièrement concentrés sur les aspects magnétiques, tels que l'étude des différentes sources de pertes générées au sein de la structure générique d'un moteur à aimants permanents. Ces pertes qui apparaissent simultanément au niveau du rotor, sous l'effet des courants induits, et au niveau du stator (en raison de l'hystérésis magnétique, des courants de Foucault, et de l'effet Joule) constituent un aspect d'autant plus critique que le moteur fonctionne dans une plage incluant de très hautes vitesses (> 40 000 tr/min pour une puissance de 10 kW à 100 kW). En conséquence, dans l'optique de la définition d'un moteur optimisé en termes d'effort massique et de rendement, la mise en place de modèles prédictifs capables de rendre compte de ces pertes, a été effectuée. Au-delà, des modèles physiques disponibles dans le domaine des matériaux magnétiques, il s'agissait de mettre en place des représentations à caractère générique susceptibles d'être exploitées dans un schéma de conception optimale. Parallèlement à cette première étude, un effort méthodologique a été déployé afin de développer des modèles analytiques dimensionnels de la machine synchrone à aimants permanents. A partir de ces méthodes, et d'un modèle de machine basé sur la forme et le type d'aimantation des aimants permanents, nous nous sommes attachés à développer un nouveau modèle analytique qui prend en compte les phénomènes physiques majeurs inhérents au fonctionnement à haute vitesse, à savoir les courants induits dans les parties conductrices tournantes. Dans ce contexte, il a été nécessaire de redéfinir une structure de référence dont le rotor conducteur supporte par ailleurs une couche métallique conductrice faisant office de frette. Dans un premier temps, un modèle a été réalisé pour une distribution des conducteurs avec un pas diamétral et une alimentation sinusoïdale, ce qui correspond à la configuration statorique la plus utilisée et la plus standard pour ce type de moteur. Après s'être confronté à un premier dimensionnement de machine haute vitesse, nous avons décidé de rendre notre modèle plus générique afin qu'il puisse prendre en compte un bobinage et une forme d'alimentation quelconque. Cette amélioration permet de rendre compte fidèlement des conditions de fonctionnement de l'actionneur (association convertisseur-machine), notamment les harmoniques de courants apportées par le convertisseur. Les modèles analytiques implantés ont été entièrement validés par simulations numériques, et ont donné des résultats très satisfaisants. Dès lors, il a été possible d'implanter ce logiciel dans un environnement informatique directement exploitable au sein de la société LIEBHERR AEROSPACE. Suite à une première phase de validation des modèles analytiques par simulations numériques, des tests expérimentaux ont été menés sur des machines électriques hautes vitesses. La comparaison de tous les résultats obtenus démontre de façon satisfaisante la fiabilité des modèles développés. L'ultime phase de l'étude concerne la réalisation d'un démonstrateur avec une structure de type machine à aimants permanents. Conformément à la stratégie adoptée par l'industriel, cette étude expérimentale s'est appuyée sur la réalisation d'un prototype à l'échelle 1 (puissance de 70 kW). ABSTRACT : This thesis is divided in three main axes. Firstly, researches are done on identification problems (mechanics, thermals, losses) links to high speed electromagnetic machine design, and most particularly of permanent magnet synchronous machine. In this first work, magnetic aspects such as study of different losses origins in permanent magnet machines are been reached. These losses appear in the same time in the rotor (induced current), and in the stator (magnetic field hysteresis, eddy current, Joule effect). The higher motor speed is, the most critic these loses are (> 40 000 rpm with a power of 10 kW to 100 kW). In order to define an optimal design in terms of weight effort and efficiency, the predictive modelling of these losses is been studied. Beyond physical modelling available on magnetic materials, a generic representation to be able to use in an optimal design schematic was be studied. Secondly, a methodological effort is been achieve to develop sizing analytical modelling of permanent magnet synchronous machine. From this method and a machine modelling based on permanent magnets shape and type of magnetization, a new analytical modelling is developed. It takes into account major physical phenomenon due to high speed, mainly the induced current in the rotating conductive parts. In this context, it will be necessary to redefine a referential structure where the conducting parts (magnets and sleeve) are represented by a superficial current. In this first part, the stator winding is a full pitch represented by an equivalent ampere conductor distribution and the electrical supplier is only sinusoidal current. So, it's the most popular and standard configuration for this machine. In this second part the analytical modelling is upgraded to take into account different types of windings and any current forms. This improvement allows to consider the real electrical supplier (combination of inverter-machine) as the current harmonics due to the inverter. The analytical modelling is been validated by a comparison with a finite element calculation. The obtained results are very close. So, Liebherr Aerospace decided to develop a dedicated software which is based on this analytical modelling. Further to the complete numerical validation of our analytical modelling, experimental test have been done on the high speed electrical machine. The comparison of results shows the reliability of the developed modelling. The final point of this study is the prototype realisation of high speed electrical machine (70 kw) in phase with the strategy of the industrial.

Nous proposons l’étude d’une machine supraconductrice à flux axial composée d’un stator bobiné en cuivre et d’un inducteur avec des solénoïdes supraconducteurs à hautes températures critiques (HTc). Ce type de machine est adapté pour des applications de fortes puissances (plusieurs MW) avec de faibles vitesses de rotation (quelques centaines de tr/min), comme la propulsion de navire. Un accouplement magnétique, intégré au moteur, est utilisé pour transmettre le couple de l’inducteur supraconducteur vers la charge à température ambiante sans contact. On peut ainsi se passer des « torques tubes » qui sont habituellement présents dans les moteurs supraconducteurs pour relier mécaniquement l’inducteur à la charge et ainsi réduire les pertes thermiques par conduction. De plus, les accouplements magnétiques offrent une protection naturelle contre les surcharges mécaniques. Pour évaluer les performances de la solution proposée, nous avons développé un modèle analytique en 3D prenant en compte le comportement non linéaire des supraconducteurs en fonction du champ magnétique appliqué et de la température de fonctionnement. Ce modèle est ensuite intégré dans un processus de dimensionnement utilisant un algorithme génétique multi objectifs. Les résultats de cette optimisation montrent un gain en compacité (machine avec accouplement magnétique) 2 à 3,5 fois plus importants par rapport à des machines conventionnelles. Un prototype de machine supraconductrice à flux axial avec accouplement magnétique intégré est aussi réalisé. La conception, la fabrication et les tests sont présentés dans ce manuscrit. Tous les résultats sont validés par des calculs par éléments finis. / The study of an axial-field high temperature superconducting (HTS) motor for applications requiring high torque densities is proposed. The HTS motor consists of a stator with copper winding and an inductor with superconducting coils. A HTS magnetic coupler is used as a part of the system, to transmit the torque from the HTS motor to the load. This solution is a good alternative to the usually used torques tubes as it results in the reduction of conduction thermal losses and offers an intrinsic protection against overloads. To evaluate the performance of the studied device, a 3D electromagnetic analytical model has been developed. This model takes into account the dependence on the applied magnetic field and temperature of the HTS material. Finally, a genetic algorithms optimization of the studied device is carried out to find the optimum geometric dimensions. The results show that the proposed solution (machine with magnetic coupling) is about 2 to 3,5 times more compact than a conventional machine drive solution. An axial-field HTS motor with integrated magnetic coupling has been also designed, constructed and tested. The test results have been checked by 3D finite element computations.

Le travail proposé s’inscrit dans le contexte général de la maîtrise des propriétés des matériaux en relation avec les conditions d’usinage. Cette étude s'intéresse en particulier aux relations entre Microstructure et Usinage. La problématique développée dans ce travail concerne la mise en forme des alliages cuivre-béryllium à usinabilité améliorée (C17300) qui ont la réputation d’être versatiles à l'usinage, en dépit de propriétés mécaniques macroscopiques comparables. La mise en évidence de ces variations d'usinabilité et la recherche des causes et des solutions est l'objectif principal. Après la description du matériau d'étude et des méthodes de caractérisation, l'usinage des alliages C17300 est conduit en réalisant le suivi des efforts et des températures au cours d'une opération de coupe orthogonale stricte. Les résultats expérimentaux, à la fois de la caractérisation multi-échelle et de l'usinage des nuances industrielles dans un état de livraison et de remise en solution, sont présentés. Ils permettent de mettre en œuvre et de valider un modèle analytique de coupe. La question de l'influence de l'usinage sur la microstructure de la pièce usinée est complétée par le développement d'alliages modèles à dureté contrôlée élaborés en interne. Une caractérisation très précise de ces alliages (en surface, en sous-surface et dans les copeaux) permet d’évaluer l’impact de la microstructure initiale sur leur usinabilité. Enfin, une discussion confronte l'ensemble des résultats obtenus. Grâce à l'utilisation du modèle analytique validé, des informations essentielles (temps de contact, temps de transit et température au sein des bandes de cisaillement) permettent de mettre en évidence des phénomènes diffusionnels en cours d'usinage. L'adaptation de différents modèles de diffusion assistée permet d'expliquer les phénomènes observés. Pour clôturer l'étude, de nouveaux chemins de mise en forme des C17300 sont proposés, afin d'assurer l'obtention de propriétés mécaniques excellentes avec une usinabilité améliorée / The document presented hereby study the relationship existing between machining and materials behaviors, especially from a microstructure's perspective. The main purpose of this study is to understand the variability of cutting process of copper-beryllium alloys with improved machining capabilities, despite the fact that their macroscopic mechanical properties are even. After a description of those alloys and the characterization methods used in the present work, the machining of different materials are presented. The stresses and temperatures reached during orthogonal cutting are recorded and will describe the machinability. Experimental results of machining alloys which are in different metallurgical states are then presented. Those results will help the implementation of an analytical model of chips formation. The influence of machining process on work pieces and chips produced by orthogonal cutting of copper-beryllium alloys are then completed by a study of model materials developed in this work. Those alloys presenting well defined microstructure still possess the same hardness despite different thermo-mechanical treatments including mechanical deformation and ageing. A very detailed microstructure analysis of those model materials shows the influence of initial microstructure on their machinability. Diffusion mechanisms are put in light thanks to the information delivered by the analytical model (interaction time, transit time and temperature obtained through the different shear bands). Those assisted diffusion mechanisms explain the material behaviour during the orthogonal cutting. At last, better ways of material forming are exposed in order to have simultaneously excellent mechanical properties and excellent machinability for copper-beryllium alloys

Nous avons utilisé une technique d'orientation tout-optique pour manipuler l'organisation de chromophores non-linéaires et luminescents dans des couches minces polymères par interférence de chemins d'absorption multiphotoniques. Cette procédure holographique nous a permis d'inscrire localement des anisotropies de non-linéarité et de luminescence prédéterminées dans des matériaux organiques en contrôlant l'état de polarisation des champs incidents. La symétrie et la dynamique des ordres orientationnels pairs et impairs ont été étudiées théoriquement et expérimentalement en utilisant un formalisme sphérique irréductible appliqué aux susceptibilités moléculaires et aux tenseurs champs. Des processus de transfert d'excitation entre chromophores voisins ont été démontrés et discutés. Les réponses en polarisation des signaux non-linéaires générés par des ensembles orientés d'octupôles ont été analysées en utilisant un modèle analytique du type valence bond-charge transfer décrivant les polarisabilités moléculaires. Ce travail ouvre des pers-pectives intéressantes pour le stockage holographique non-linéaire de l'information optique qui est démontré ici à l'échelle du micromètre.

Ces vingt dernières années les constructeurs d'automobiles ont réduit progressivement le bruit émis par les véhicules par une action portant sur les sources d'origine mécanique (réduction du bruit du moteur, meilleure conception des transmissions, amélioration des silencieux...). Il s'avère maintenant que le bruit de contact pneumatique/chaussée est la source principale des nuisances sonores à plus de 50 Km/h. La génération du bruit de contact a comme sources de nombreux phénomènes impliquant des mécanismes compliqués. L'un des principaux phénomènes étant les vibrations du pneumatique dues à la rugosité de la chaussée. Pour modéliser les vibrations du pneumatique, il faut connaître d'une part le comportement vibratoire du pneumatique et d'autre part les forces de contact. Le problème de contact entre un pneumatique et une chaussée est un contact dynamique tridimensionnel qui est difficile à modéliser dans toute sa généralité. Les modèles de contact avec la chaussée utilisés font appel à une modélisation simple en 2D et les modèles de contact existant en 3D sont trop lourds pour le calcul. Dans ce mémoire on apporte une contribution à l'étude des forces de contact engendrées par l'influence de la rugosité de la chaussée et ceci afin d'avoir une bonne approximation des sources de vibrations du pneumatique et prédire le bruit de roulement. On a développé un modèle semi analytique 3D qu'on a validé expérimentalement pour un contact ponctuel élastique et viscoélastique avec différentes formes de pointes de contact. La validation expérimentale et numérique du modèle pour un contact multipoints élastique a été abordée. On a terminé par une application de la méthode pour résoudre un problème de contact sur des profils de chaussées modèles.

La technologie des antennes réseaux occupe une place croissante dans les applications aéroportées modernes militaires et civiles car elle offre des performances radioélectriques et des capacités d'intégration aux porteurs inenvisageables avec d'autres technologies. Ces performances sont couplées à des contraintes liées au couplage entre éléments rayonnants ou en termes d'intégration sur des petits porteurs. Ces deux contraintes peuvent être palliées à l'aide de surfaces à haute impédance (SHI) pouvant traduire le comportement d'un conducteur magnétique artificiel et/ou la capacité à interdire la propagation des ondes de surface dans une bande de fréquence. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectif de présenter l'apport des SHI sur la conception de réseaux compacts et d'antennes réseaux ultra large bande. Après une introduction aux SHI, une présentation de modèles analytiques, numériques et expérimentaux a été présentée. Une partie des travaux est consacrée à l'étude du couplage mutuel entre deux antennes imprimées espacées l'une de l'autre d'une demi-longueur d'onde. Par la suite les différentes contributions apportées par les SHI, lorsqu'elles sont employées comme réflecteur, sur une antenne réseau ultra large bande sont montrées. Une modélisation analytique de l'antenne réseau placée au-dessus de réflecteurs à haute impédance est validée par des simulations numériques. Les SHI montrent qu'il est possible de créer des bandes passantes supplémentaires instantanées et agiles en fréquences permettant d'augmenter la bande passante initiale de l'antenne réseau. De plus elles permettent de réduire considérablement l'encombrement et d'obtenir une bande agile unique.

Nous avons imaginé et conçu un nouveau dispositif calorimétrique, destiné à caractériser les pertes de puissance dans les composants électriques. Dans ce nouveau calorimètre, l'échange de chaleur entre le composant et la cellule de mesure s'effectue par rayonnement thermique. Ce dispositif permet de s'affranchir de la forme géométrique du composant. Le calorimètre fonctionne dans une gamme de température allant de 200 à 400K. Il permet ainsi de remonter aux pertes en fonction d'un environnement isotherme contrôlé. Le composant électrique peut être alimenté par une tension arbitraire inférieure à 3kV. Ce mémoire contient une description technique du dispositif. On y développe un modèle analytique représentatif des échanges de chaleur dans le calorimètre. L'analyse des résultats obtenus sur des composants dont les pertes sont connues y est enfin donnée. Celle-ci a montré que la précision de mesure était inférieure à 5% pour une gamme de puissance dissipée allant du mW au Watt.

Les commutateurs mécaniquement bistables présentés dans la littérature possèdent généralement un contact électrique de type latéral ; la métallisation de ce type de contact se heurte à de nombreuses difficultés. Ce travail présente un composant comportant un contact de type plan, gage d'une meilleure résistance électrique que les composants possédant un contact de type latéral dans la mesure où la métallisation y est plus aisée. Nous proposons une architecture de commutateur bistable, c'est-à-dire ne consommant pas d'énergie en position de fonctionnement, qui repose sur la mise en compression d'une poutre de silice par les contraintes résiduelles de ce matériau. Un système bistable est ainsi obtenu grâce au flambage de cette poutre par ces contraintes résiduelles. Un modèle analytique d'une poutre soumise à une contrainte axiale est développé. Il permet de relier les propriétés de la poutre (son module d'Young, son épaisseur, sa longueur et ses contraintes résiduelles) avec la force de contact d'une part et la longueur de la zone de bistabilité d'autre part. Une bonne adéquation est trouvée entre ce modèle analytique et un modèle éléments finis développé sous ANSYS. Pour fabriquer ce composant, nous avons développé et utilisé un procédé comportant neuf niveaux de photolithographie, et se déroulant sur une cinquantaine d'étapes technologiques. La mise en mouvement du composant se fait à l'aide d'actionneurs thermiques réalisés en inconel. La puissance mise en œuvre pour la transition de la position de stabilité du haut à celle du bas est de 235 mW, celle pour le passage de la position stable du bas à celle du haut nécessite 480 mW. Nous montrons dans ce travail la faisabilité technologique d'un switch MEMS mécaniquement bistable dont la fabrication repose sur les contraintes résiduelles des couches minces. Pour améliorer ces prototypes, nous proposons de travailler sur le système d'actionnement, et sur l'intégration du composant avec son packaging.

L'interface entre le silicium amorphe (a-Si:H) et le silicium cristallin (c-Si) est un constituent clés de cellules solaires à haut rendement reposant sur des procédés à basse température. Trois propriétés de l'interface déterminent le rendement des cellules solaires à hétérojonction de silicium: les décalages de bandes entre a-Si:H et c-Si, les défauts d'interface et la courbure de bande dans c-Si. Ces trois aspects sont traités dans ces travaux de thèse.Dans un premier un temps, un calcul analytique de la courbure de bande dans c-Si est développé. Il repose sur l'approximation d'une densité d'état (DE) constante dans la bande interdite de a-Si:H. L'influence des principaux paramètres de la structure sur la courbure de bande est étudiée : décalage de bande, densité d'état dans a-Si:H, défaut d'interface, etc. La présence d'un effet de confinement quantique est discutée. Grâce à une comparaison entre ces calculs et des mesures de conductance planaire en fonction de la température sur des structures (p)a-Si:H/(n)c-Si et (n)a-Si:H/(p)c-Si, les décalages de bande de valence et de conduction ont pu être estimés à 0.36 eV et 0.15 eV respectivement. En outre, il est montré que le décalage de la bande de valence est indépendant de la température, alors que le décalage de la bande de conduction suit les évolutions des bandes interdites de c-Si et a-Si:H. Ces mesures tendent à prouver que le 'branch point' dans a-Si:H est indépendant du dopage.Ensuite, les calculs analytiques sont approfondis pour prendre en compte différents aspects de la structure complète incorporée dans les cellules : contact avec un oxyde transparent conducteur, présence d'une couche de a-Si:H non-dopée à l'interface. A l'aide de simulations numériques et à la lumière de mesures de conductance planaire conjuguées à des mesures de la qualité de passivation de l'interface, des pistes pour optimiser les cellules à hétérojonction sont commentées. En particulier, il est montré qu'un optimum doit être trouvé entre une bonne passivation et une courbure de bande suffisante. Ceci peut être accompli par un réglage fin des propriétés de la couche tampon (épaisseur, dopage), du contact (travail de sortie élevé) et de l'émetteur (p)a-Si:H (densité de défauts et épaisseur). En particulier, un émetteur avec une DE importante conduit paradoxalement à de meilleures performances.Enfin, un nouveau type d'interface a été développé. La surface de c-Si a été oxydée volontairement dans de l'eau pure dé-ionisée à 80 °C avant le dépôt de (p)a-Si:H afin d'obtenir une structure (p)a-Si:H/SiO2/(n)c-Si. A l'aide d'un modèle de courant par effet tunnel implémenté dans le logiciel de simulation numérique AFORS-HET, l'effet d'une couche à grande bande interdite (comme c'est le cas pour SiO2) sur les performances de cellules est étudié : le facteur de forme et le courant de court-circuit sont extrêmement réduits. En revanche, une couche de SiO2 n'a que peu d'impact sur les propriétés optiques de la structure. Expérimentalement, les échantillons réalisés montrent une qualité de passivation à mi-chemin entre le cas sans couche tampon et le cas avec (i)a-Si:H : ceci est expliqué par la présence d'une charge fixe négative dans l'oxyde. La courbure de bande dans c-Si est moins affectée par la présence d'une couche d'oxyde que d'une couche de (i)a-Si:H. Les cellules solaires réalisées démontrent que le concept a le potentiel d'aboutir à de hauts rendements : sur des structures non-optimisées, une tension de court-circuit supérieure à 650 mV a été démontrée, alors que l'oxyde ne semble pas limiter le transport de charge.