Cette thèse a été dirigée par le Professeur Kauffmann de l’Université de Franche-Comté. Le co-directeur de l’Ecole Royale Militaire était le Docteur Johan Gallant et les essais à l’Institut franco-allemande de recherches de Saint-Louis (ISL) étaient encadrés par le Docteur Markus Schneider.Un lanceur à rails conventionnel est composé de deux rails conducteur connecté par un projectile. L’interaction entre le champ magnétique induit par le courant dans les rails et le courant dans le projectile résulte en une force électromagnétique accélérant. Dans cette thèse on utilise un projectile avec deux ponts de courant. Pour un lanceur à rails conventionnel la méthode la plus efficace pour augmenter la force sur le projectile est d’augmenter le courant dans les rails. Mais la densité de courant est limitée. L’échauffement des contacts entre les rails et les ponts de courant par l’effet Joule et la force de frottement, peut résulter dans la transformation d’un contact solide dans un contact plasma, ce qui est à éviter. Une possibilité d’adresser ce problème est d’ajouter des ponts de courant pour améliorer la distribution de courant. Une autre possibilité est d’appliquer un champ magnétique extérieur généré par un circuit extérieur qui nous permet d’augmenter la force électromagnétique sans augmenter le courant dans le circuit intérieur. Dans cette thèse l’objectif est d’étudier la distribution de courant et de température dans un projectile à deux ponts de courant pour un lanceur augmenté. Comme les deux ponts de courants et les rails du circuit intérieur forment un circuit fermé, le champ augmenté va induire un courant de circulation qui influence la distribution de courant entre les brosses. Le premier modèle de simulation est un modèle global du lanceur en PSpice qui nous permet de déterminer les courants globaux, la force électromagnétique, la position et la vitesse du projectile et la température moyenne des brosses. Le modèle global prend en compte l’effet de peau dû à la vitesse et est validé par des résultats expérimentaux. Le deuxième modèle est un modèle local en ANSYS, un code à éléments finis, pour un projectile fixe. Ce modèle permet une étude locale de la distribution de courant et de température. Un modèle pour la zone de contact entre les rails et la brosse est introduit. Le modèle local est utilisé pour calculer les coefficients de l’équation de force dans le modèle global. Les résultats des deux modèles de simulation sont cohérents.Le lanceur LARA, utilisé pour les essais, a une longueur de 1.5 m et un calibre de 15 mm. On disposait de trois bancs de condensateurs pour l’alimentation du lanceur en configuration non-augmenté et augmenté. Les vitesses à la bouche obtenues varient entre 48 et 214 m/s. Pour la détermination de la distribution de courant nous avons utilisé une méthode proposée par [SCH05a]. Cette méthode est une combinaison d’une mesure de tension entre deux pins dans les rails et dans une boucle. Nous avons constaté que les signaux obtenus avec cette méthode, appliquée dans ce régime de vitesse, sont perturbés par les courants de Foucault induits avant le projectile et les résultats ne répondent pas à nos attentes. Une méthode analytique basée sur la mesure de tension dans la boucle a été développée. Les résultats expérimentaux sont comparés avec les simulations. Nous avons constaté une bonne correspondance entre les valeurs des courants maximaux dans les rails calculés avec PSpice et les valeurs expérimentales, mais le courant calculé avec PSpice est plus faible dans la phase décroissante du courant. Les erreurs sur la vitesse sont inférieures à 10 %. Les deux modèles de simulation et les essais montrent que la brosse avant porte la plus grande partie du courant. La dernière partie de cette thèse est une étude paramétrique avec ANSYS pour l’avant-projet du circuit intérieur d’un lanceur à rail existant. / This thesis was supervised by Professor Jean-Marie Kauffmann of the University of Franche-Comté. The co-director at the Royal Military Academy was Dr. Johan Gallant and the experiments at Franch-German Research Institute ISL were directed by Dr. Markus Schneider. A conventional electromagnetic railgun is composed of two conducting rails connected by a projectile. The magnetic field generated by the current in the rails interacts in the projectile resulting in an electromagnetic force accelerating the projectile. The projectile used in this thesis is two brush projectile. For a conventional railgun the most efficient way to increase the force on the projectile is to increase the current in the rails. But the current density is limited. The heating of the sliding contacts between the brushes and the rails due to the Joule losses and the friction can cause the contacts and can result in contact transition which we want to avoid. One way to reduce the heating is to add more current brushes to obtain a better current distribution between the brushes. Another way is to add an extra pair of rails and create an additional magnetic field. This augmenting field allows us to increase the electromagnetic force without increasing the current through the projectile. In this thesis the current and heat distribution in a two brush projectile in a parallel augmented railgun is studied through simulations and experiments. Because the current brushes and the inner rails form a closed loop, the augmenting field will induce a loop current and influence the current distribution between the brushes. The first simulation model is a global model of the railgun in PSice which allows us to predict the global currents as well as the average temperature in the brushes, the force on the projectile and the position and the velocity of the projectile. The model takes into account the velocity skin effect and was validated based on experiments. The second model is a finite element model in ANSYS for a fixed projectile. This model allows a local study of the current and temperature distribution in the projectile. A model for the contact between the rails and the projectile is introduced. The local model is used to calculate the time-dependent coefficients for the force equation used in the global model. Both simulation models are compared and a good correspondence is found. The LARA railgun of ISL with a length of 1.5 m and a square caliber of 15 mm has been used for the experiments. A maximum of three capacitor banks was used for the non-augmented and the augmented configuration. The muzzle velocities obtained in the experiments vary between 48 and 214 m/s. To determine the current distribution between the brushes a technique proposed by [SCH05a] has been used. It is based on the measurement of the voltage between two pins in the rails in combination with the voltage in a loop. When applied to this velocity range, the eddy currents in front of the projectile hamper the interpretation of the signals and the results are not what we expected. An analytical method for the determination of the current distribution based on the voltage in the loop was introduced. The results are then compared with the results of the simulations. The maximum current in the rails found with PSpice shows a good correspondence with the experiments, the calculated decrease of the current is slightly overestimated. The errors on the velocities are less than 10%. Both simulation models and experiments show that the brush towards the breech carries the greater part of the current for the non-augmented as well as the augmented railgun. In the last part a parametric study is carried out with ANSYS for the preliminary design of an augmenting circuit for an existing railgun.

Cette thèse a été dirigée par le Professeur Kauffmann de l'Université de Franche-Comté. Le co-directeur de l'Ecole Royale Militaire était le Docteur Johan Gallant et les essais à l'Institut franco-allemande de recherches de Saint-Louis (ISL) étaient encadrés par le Docteur Markus Schneider.Un lanceur à rails conventionnel est composé de deux rails conducteur connecté par un projectile. L'interaction entre le champ magnétique induit par le courant dans les rails et le courant dans le projectile résulte en une force électromagnétique accélérant. Dans cette thèse on utilise un projectile avec deux ponts de courant. Pour un lanceur à rails conventionnel la méthode la plus efficace pour augmenter la force sur le projectile est d'augmenter le courant dans les rails. Mais la densité de courant est limitée. L'échauffement des contacts entre les rails et les ponts de courant par l'effet Joule et la force de frottement, peut résulter dans la transformation d'un contact solide dans un contact plasma, ce qui est à éviter. Une possibilité d'adresser ce problème est d'ajouter des ponts de courant pour améliorer la distribution de courant. Une autre possibilité est d'appliquer un champ magnétique extérieur généré par un circuit extérieur qui nous permet d'augmenter la force électromagnétique sans augmenter le courant dans le circuit intérieur. Dans cette thèse l'objectif est d'étudier la distribution de courant et de température dans un projectile à deux ponts de courant pour un lanceur augmenté. Comme les deux ponts de courants et les rails du circuit intérieur forment un circuit fermé, le champ augmenté va induire un courant de circulation qui influence la distribution de courant entre les brosses. Le premier modèle de simulation est un modèle global du lanceur en PSpice qui nous permet de déterminer les courants globaux, la force électromagnétique, la position et la vitesse du projectile et la température moyenne des brosses. Le modèle global prend en compte l'effet de peau dû à la vitesse et est validé par des résultats expérimentaux. Le deuxième modèle est un modèle local en ANSYS, un code à éléments finis, pour un projectile fixe. Ce modèle permet une étude locale de la distribution de courant et de température. Un modèle pour la zone de contact entre les rails et la brosse est introduit. Le modèle local est utilisé pour calculer les coefficients de l'équation de force dans le modèle global. Les résultats des deux modèles de simulation sont cohérents.Le lanceur LARA, utilisé pour les essais, a une longueur de 1.5 m et un calibre de 15 mm. On disposait de trois bancs de condensateurs pour l'alimentation du lanceur en configuration non-augmenté et augmenté. Les vitesses à la bouche obtenues varient entre 48 et 214 m/s. Pour la détermination de la distribution de courant nous avons utilisé une méthode proposée par [SCH05a]. Cette méthode est une combinaison d'une mesure de tension entre deux pins dans les rails et dans une boucle. Nous avons constaté que les signaux obtenus avec cette méthode, appliquée dans ce régime de vitesse, sont perturbés par les courants de Foucault induits avant le projectile et les résultats ne répondent pas à nos attentes. Une méthode analytique basée sur la mesure de tension dans la boucle a été développée. Les résultats expérimentaux sont comparés avec les simulations. Nous avons constaté une bonne correspondance entre les valeurs des courants maximaux dans les rails calculés avec PSpice et les valeurs expérimentales, mais le courant calculé avec PSpice est plus faible dans la phase décroissante du courant. Les erreurs sur la vitesse sont inférieures à 10 %. Les deux modèles de simulation et les essais montrent que la brosse avant porte la plus grande partie du courant. La dernière partie de cette thèse est une étude paramétrique avec ANSYS pour l'avant-projet du circuit intérieur d'un lanceur à rail existant.

La manipulation dextre est un sujet important dans la recherche en robotique et dans lequel peu de travaux ont abordé la manipulation d'objets déformables. De nouvelles applications en chirurgie, en industrie agroalimentaire ou encore dans les services à la personne nécessitent la maîtrise de la saisie et la manipulation d'objets déformables. Cette thèse s’intéresse à la manipulation d’objets déformables par des préhenseurs mécaniques anthropomorphiques tels que des mains articulées à plusieurs doigts. Cette tâche requière une grande expertise en modélisation mécanique et en commande : modélisation des interactions, perception tactile et par vision, contrôle des mouvements des doigts en position et en force pour assurer la stabilité de la saisie. Les travaux présentés dans cette thèse se focalisent sur la modélisation de la saisie d'objets déformables. Pour cela, nous avons utilisé une discrétisation par des systèmes masses-ressorts non-linéaires pour modéliser des corps déformables en grands déplacements et déformations tout en ayant un coût calculatoire faible. Afin de prédire les forces d’interactions entre main robotique et objet déformable, nous avons proposé une approche originale basée sur un modèle rhéologique visco-élasto-plastique pour évaluer les forces tangentielles de contact et décrire la transition entre les modes d’adhérence et de glissement. Les forces de contact sont évaluées aux points nodaux en fonction des mouvements relatifs entre les bouts des doigts et les facettes du maillage de la surface de l’objet manipulé. Une autre contribution de cette thèse consiste à utiliser de cette modélisation dans la planification des tâches de manipulation d’objets déformables 3D. Cette planification consiste à déterminer la configuration optimale de la main pour la saisie de l’objet ainsi que les trajectoires à suivre et les efforts à appliquer par les doigts pour contrôler la déformation de l’objet tout en assurant la stabilité de l’opération. La validation expérimentale de ces travaux a été réalisée sur deux plateformes robotiques : une main Barrett embarquée sur un bras manipulateur Adept S1700D et une main Shadow embarquée sur un bras manipulateur Kuka LWR4+. / Dexterous manipulation is an important issue in robotics research in which few works have tackled deformable object manipulation. New applications in surgery, food industry or in service robotics require mastering the grasping and manipulation of deformable objects. This thesis focuses on deformable object manipulation by anthropomorphic mechanical graspers such as multi-fingered articulated hands. This task requires a great expertise in mechanical modeling and control: interaction modeling, tactile and vision perception, force / position control of finger movements to ensure stable grasping. The work presented in this thesis focuses on modeling the grasping of deformable objects. To this end, we used a discretization by non-linear mass-spring systems to model deformable bodies in large displacements and deformations while having a low computational cost. To predict the interaction forces between robot hand and deformable object, we proposed an original approach based on a visco-elasto-plastic rheological model to evaluate tangential contact forces and describe the transition between the sticking and slipping modes. The contact forces are evaluated at nodes as function of the relative movements between the fingertips and the surface mesh facets of the manipulated object. Another contribution of this thesis is the use of this model in the planning of 3D deformable object manipulation tasks. This planning consists in determining the optimal configuration of the hand for grasping the objects as well as the paths to track and the efforts to be applied by the fingers to control the deformation of the object while ensuring the stability of the operation. The experimental validation of this work has been carried out on two robotic platforms: a Barrett hand embedded on a Adept S1700D ® manipulator and a Shadow hand embedded on a Kuka LWR4+® manipulator.

La thèse concerne la prévision du comportement dynamique non linéaire d’équipements optique. Les travaux de recherche menés se concentrent sur la simulation des phénomènes vibratoires en jeu, afin de prévoir la réponse harmonique de l’équipement. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à des préconisations d’évolutions dans la conception mécanique du projecteur pour augmenter sa durabilité et le confort de vision. En effet les essais pratiqués montrent que de forts niveaux de vibrations endommagent les composants du projecteur et détériorent la stabilité du faisceau d’éclairage. Afin d’éviter de telles nuisances, la conception du projecteur doit être adaptée grâce à un modèle mécanique qui intègre des comportements non linéaires causés essentiellement par les liaisons pour prévoir le mieux possible les niveaux de vibrations du projecteur embarqué. L’état de l’art est réalisé sur les comportements dynamiques non linéaires, les modèles et méthodes de résolution associés, puis les estimateurs existants de quantification des non linéarités. Les essais d’analyse modale réalisés mettent en évidence la présence de phénomènes non linéaires dus à de multiples causes (jeux-butées, frottements, stick-slip, …) localisées dans les liaisons réflecteur-boitier. Les caractérisations expérimentales menées sur les liaisons, délivrent des boucles efforts-déflexion qui montrent différents types de comportement non linéaire, aident au choix des modèles les plus pertinents et au calage de leurs paramètres. Les limites de validité des modèles de calculs linéaires sont déterminées par des critères formulés empiriquement. Les modèles non linéaires de liaison sélectionnés sont intégrés dans un modèle réduit à un puis à deux degrés de liberté d’un projecteur. La réprésentativité du modèle est évaluée sur la base des analyses modales mesurées du projecteur. Les équations décrivent le comportement dynamique de projecteur et les non linéarités sous l’hypothèse de régime stationnaire. La méthode de balance harmonique associée à une technique de continuation par longueur d’arc résout rapidement les équations et détermine avec précision les réponses dynamiques établies. L’étude est complétée par l’analyse de stabilité selon la théorie de Floquet qui met en évidence la présence des branches de solutions stables ou instables. Enfin des réponses harmoniques sont calculées avec un modèle aux éléments finis du projecteur complet. Les calculs sont basés sur l’identification des modes qui reposent sur la répartition des masses dans la structure, la nature des liaisons. Des études d’influence sont réalisées. Les paramètres étudiés sont les raideurs et précontraintes de contact, le coefficient de frottement, l’amortissement introduit. Leurs impacts sur les niveaux des vibrations sont quantifiés ce qui amène au recalage du modèle éléments finis pour améliorer les résultats modaux du projecteur automobile et sa réponse harmonique forcée. / The thesis deals with the prediction of nonlinear dynamic behavior of automotive headlamps. The attention is focused on building models to estimate the vibration behavior of lighting system to enhance its durability and comfort of vision. Vibration tests show that high levels of vibration damage projector components and degrade the stability of the illuminating beam. To avoid these issus, headlamps design must be adapted to include nonlinear phenomena provided from the joints connecting the reflector and housing subsets. The state of the art is performed on the non-linear dynamic behavior, models and methods and existing estimators quantifying nonlinearities. The modal tests performed demonstrate the presence of non-linear phenomena (clearance, friction, stick-slip, …) located in reflector-housing joints. Experimental investigations carried out on joints show different types of nonlinear behavior and help to identify the most important contact parameters (stiffness and damping). The limits of validity of the linear models are determined by empirically formulated criteria. Selected nonlinear models are integrated in a 1D-model reduced to one then two degrees of freedom of a projector. The representativeness of the model is evaluated basing of modal measurement of headlamp. The Harmonic Balance Method was used to calculate the periodic response. The algorithm calculates also the stability of the periodic solutions found, using Floquet theory, and follows stable or instable branches versus varying system parameters via the arc-length continuation technique. Finally, harmonic responses are predicted with a finite element model of the entire headlamp. The calculations are based on the identification of modes that are based on the weight distribution in the structures and joints proprities. Sensibility studies are carried out on stiffness and preloaded contact, coefficient of friction and damping. Impacts on the vibration levels were quantified that leads to update the finite element model and improve modal and harmonic results of headlamp.

Il est de plus en plus admis que l’effet d’échelle doit être pris en compte dans la conception des structures de Génie Civil. Pour le béton, ce problème est complexe car celui-ci ne possède pas d’adoucissement plastique, et sa rupture est due à la fissuration caractérisée par une grande zone de microfissuration (fracture process zone) qui dépend de la taille du granulat max d .Cette fissuration passe par un adoucissement sous la forme de microfissures et de glissement interparticules. Expérimentalement, l’effet d’échelle sur le béton est très souvent étudié à l’aide des corps d’épreuves homothétiques entaillés où l’on cherche à relier la résistance nominale ( oN )estimée à partir de la charge de rupture en flexion à une dimension caractéristique D. Ceci conduit à une diminution du ratio dmax/D avec l’augmentation de la taille de la structure. Parmi les objectifs de cette thèse est d’étudier expérimentalement l’impact de l’hétérogénéité ( dmax/D)supposé comme facteur fondamental de l’effet d’échelle. Trois coupures granulaires ont été testées sur trois tailles de poutres différentes en suivant le processus de fissuration par émission acoustique et la technique de corrélation d’images. Celles-ci permettent de suivre l’ouverture des fissures et identifient assez clairement la FPZ. Les résultats mettent en évidence une grande influence de la taille du granulat sur le comportement à la rupture du béton. Il existe une relation directe entre les paramètres de l’effet d’échelle obtenus par la loi de Bazant et la taille du granulat( dmax ). Le traitement des résultats d’une même taille avec différents granulométries dans le même diagramme conduit à la même loi d’effet d’échelle structurelle classique avec une valeur de transition identique. La modélisation du comportement mécanique est effectuée par la méthode d’éléments discrets (DEM). Le modèle de contact linéaire ne s’avère pas adéquat pour le mortier et le béton où le rapport compression / traction est très élevé. De ce fait, Il a été modifié pour prendre en compte la contribution des moments inter-granulaires. Les paramètres micromécaniques sont déterminés par des essais classiques avec une analyse inverse en utilisant l’algorithme de Levenberg-Marquardt. Les résultats montrent que cette approche est capable de reproduire le comportement à la fissuration locale du béton et de reproduire l’effet d’échelle et celui des granulats. Ensuite, un modèle d'adoucissement est développé afin de mieux reproduire la réponse post pic et le processus de fissuration. / It is now commonly understood that in the design of civil engineering structures, size effect must be taken into consideration. For concrete, this problem is complex because it does not exhibit plastic softening. The failure of concrete is generally preceded by propagation of cracks, characterized by alarge microcracking zone (fracture process zone or FPZ) which is proportional to the maximum aggregate size ( dmax ). This fracture process is accompanied by strain-softening in the form of microcracking and fractional slip.Experimentally, size effect in concrete is commonly studied by using geometrically similar notched beams where thenominal strength ( oN ) obtained from the bending failure loadis related to the characteristic dimension (D). This leads to adecrease in the ratio of dmax/D with an increase in the size of the structure. One of the objective of this thesis is to study experimentally the effect of heterogeneity ( dmax/D) size. This ratio is recognized as a fundamental factor causing the size effect. Three aggregate grading segments were tested on three different sizes of beams and the cracking process was investigated by acoustic emission and the image correlation technique. These methods make it possible to trace the crack.openings and identify distinctively the FPZ. The results demonstrate a significant influence of the aggregate size on the fracture behaviour of concrete. There is a direct relationship between the size effect parameters obtained by Bazant's law and maximum aggregate size ( dmax ). The results obtained from the specimen having the same size but made of concretes with different aggregate sizes produced the same classical size effect with identical transitional between LEFM and strength based laws. The mechanical behaviour is modelled by the Discrete Element Method (DEM). However, the linear contact model inserted in DEM is not suitable to satisfy the materials like mortar and concrete with high unconfined compressive strength to tensile strength ratio. As a result, the model is modified to take into account the contribution of interparticle moments. The micromechanical parameters are determined by conventional tests with inverse analysis using the Levenberg-Marquardt algorithm. The results showed that this approach is able to reproduce the local cracking behaviour of concrete as well as classical size effect and aggregate size effect. Then, a softening model is developed to better reproduce the post-peak response and the cracking process.

L’objectif de cette thèse est deconcevoir et de réaliser un moteurpiézoélectrique destiné à une application derécupération de chaleur du gaz d’échappement.Cette application nécessite un couplerelativement élevé, une compacité importante,une endurance thermique et un coût acceptable.Afin d’atteindre ce but, la conception du moteurpasse par le choix de son mode defonctionnement. Ce choix est fait en se basantsur des critères comme bas coût, fort couple etcompacité importante.Après la détermination de l’architecture dumoteur piézoélectrique, la modélisation estabordée. Le but du modèle est de calculer lescaractéristiques couple/vitesse connaissantses dimensions et ses matériaux, l’état desurface du contact, la précontrainte et la tensiond’alimentation.La modélisation développée était validée pardes mesures expérimentales.Dans la dernière partie, le moteur dimensionnéest réalisé et testé. Son comportementdynamique et ces caractéristiquescouple/vitesse étaient mesurés. A l’exceptiondu couple à l’arrêt et celui de blocage, toutes lesperformances requises par l’application étaientremplies.Finalement, les résultats de modèle sontcomparés aux mesures faites sur le prototype.Le comportement dynamique était bienreproduit par la modélisation. Néanmoins, uneimprécision du calcul des déplacements dustator était constatée. Cela implique uneimprécision du calcul des caractéristiquesmoteur. Il s’avère que cette imprécision est liéeà l’absence du coefficient d’amortissement decontact. / The goal of this thesis is to designand build a piezoelectric motor for an exhaustgas heat recovery application. This applicationrequires relatively high torque, highcompactness, thermal endurance and acceptablecost.In order to achieve this goal, the design of theengine passes by the choice of its mode ofoperation. This choice is made based on criteriasuch as low cost, high torque and compactness.After the determination of the architecture ofthe piezoelectric motor, the modelling isaddressed. The purpose of the model is tocompute the torque/speed characteristicsknowing the motor dimensions and materials,the surface state of the contact, the precompressionforce and the supply voltage.The modeling developed was validated byexperimental measurements.In the last part, the motor is build and tested. Itsdynamic behavior and torque/speedcharacteristics were measured. With theexception of the peak and blocking torque, allthe performances required by the applicationwere fulfilled.Finally, the model results are compared to themeasurements done on the prototype. Thedynamic behavior is well predicted by themodel. However, the model is not able tocompute accurately the stator displacements.This implies inaccuracy in the motorcharacteristics computation. It turns out thatthey are related to the absence of the coefficientof contact damping.