L’alimentation électrique des trains s’effectue en général par une interface pantographecaténairereprésentant un système mécanique couplé complexe. Les phénomènes dynamiques intervenantdans l’interaction entre le pantographe et la caténaire sont encore mal connus. Par ailleurs, le comportementdynamique du système est très variable car sensible à de nombreux paramètres. La premièrecontribution de cette thèse est de proposer une analyse détaillée de l’interaction dynamique pantographecaténaireen étudiant en particulier la réponse dynamique du pantographe à la géométrie de la caténaireainsi que les propagations, réflexions et transmissions des ondes dans cette dernière. Il a ainsi été démontréque la coïncidence spatiale, temporelle ou fréquentielle de ces différents phénomènes est à l’originede la majorité des variations des quantités d’intérêt. Par ailleurs, l’étude des ondes a montré que lespendules entourant le poteau avaient une importance particulière dans l’interaction dynamique et que lesparamètres tels que le rapport des impédances dynamiques et la somme des vitesses des ondes dans lescâbles étaient des variables dimensionnantes dans la caténaire. La seconde contribution a été de réduireles principales incertitudes épistémiques liées au modèle telles que l’amortissement dans la caténaire, laraideur de contact et la taille des éléments. La dernière contribution était d’implémenter des paramètresvariables dans le modèle en utilisant les mesures disponibles. À partir de ce modèle aléatoire, les incertitudesont été classées en utilisant les indices de Sobol sur des critères géométriques et dynamiques.L’absence de corrélation entre les critères géométriques et dynamique observée a des conséquences notablessur la politique de maintenance. Enfin, le grand nombre d’études de sensibilités réalisés a permisde souligner la maturité de l’outil de simulation et de proposer des orientations pour les travaux futurs pourla conception, maintenance ou homologation de pantographes ou de caténaires / In railways, electrical current is generally collected by the train through a complex coupledmechanical system composed of a pantograph and a catenary. Dynamic phenomena that occur duringtheir interaction are still not fully understood. Furthermore, the system behaviour is sensitive to numerousparameters and thus highly variable. The first contribution of this thesis is a detailed analysis of thepantograph-catenary dynamic interaction separating phenomena due to the dynamic response of the pantographto the catenary geometry from wave propagations, reflections and transmissions that occur in thecatenary. The coincidence of frequencies or characteristic times is then shown to explain most variationsin the quantities of interest. Moreover, droppers surrounding the mast have been shown to be particularlyimportant in dynamic interaction. Ratio of wire impedances and sum of wave velocities also appeared tobe dimensioning quantities for catenary design. The second contribution was to reduce epistemic uncertaintylinked with model parameters such as catenary damping, contact stiffness and element size. Thefinal contribution was to use the model in a configuration with random parameters. An initial step was tostatistically characterise physical catenary parameters using available measurements. From this randommodel, ranking of uncertainties using Sobol indices on static and dynamic criteria was shown to be possible.An absence of correlation between geometric and dynamic criteria was also found, which has notableimplications for maintenance policies. The high number of sensitivity studies also gave the occasion tohighlight the maturity of simulation tool and propose directions for further work on design, maintenance orcertification of pantographs and catenaries.

Le système pantographe–caténaire (PAC) est un maillon vital de la chaîne de transmission d'énergie électrique aux moteurs de traction électrique ferroviaire. Ce système est complexe à cause de la nature dynamique de ses composants, qui sont en outre, soumis à diverses sollicitations physiques et environnementales. Il est donc important de bien modéliser et d'analyser le PAC afin d'élaborer des méthodologies adéquates d'analyse, de modélisation et de commande. Dans cette thèse, le travail présenté commence par une étude approfondie du modèle du système PAC en tenant compte des paramètres et des phénomènes physiques du PAC. En premier lieu, un modèle mathématique à base de la méthode des Éléments Finis du système PAC est proposé. En second lieu, et pour des raisons de commande et de régulation, nous proposons un modèle simplifié qui représente suffisamment bien le comportement dynamique du système. L'un de nos objectifs est d'améliorer le contact entre l'archet du pantographe et la caténaire dans le but de garantir un minimum d'usure tout en ayant une alimentation électrique permanente et régulière pour les trains à grande vitesse. La problématique est donc de maintenir une force de contact constante et régulière entre le pantographe et la caténaire dans des limites acceptables et en tenant compte des perturbations occurrentes. Dans cet esprit, nous avons développé des commandes robustes pour améliorer le contact entre le pantographe et la caténaire. Par ailleurs, les aspects pratiques de cette thèse se reflètent par la réalisation et la mise en œuvre d'un banc d'essai pantographe actif/caténaire et le développement d’un logiciel de gestion et de simulation du système PAC / The pantograph-catenary system (PAC) is a vital link in the electrical power transmission chain to the railway electric traction motors. This system is complex due to the dynamic nature of its components, which are subject to various physical and environmental stresses. It is therefore important to model and analyze the PAC to develop appropriate methodologies for analysis, modeling and control. In this thesis, the presented work begins with a thorough study of the PAC model, taking into account the parameters and physical phenomena of the PAC. First, a mathematical model based on the Finite Elements method of the PAC system is proposed. Second, for reasons of control and regulation, we propose a simplified model that adequately represents the dynamic behavior of the system. One of our goals is to improve the contact between the pantograph head and overhead contact line in order to ensure minimum wear while having a permanent and regular power supply for high-speed trains. So the problem is to maintain a constant and regular contact force between the pantograph and the catenary, within acceptable limits and taking into account disturbances. With this in mind, we have developed robust controls to improve the contact between the pantograph and the catenary. The practical aspect of this thesis is reflected by the creation and implementation of a test bed for the pantograph-active/catenary and the development of a management and simulation software for PAC system

Dans le domaine ferroviaire de nombreux incidents ont montré le problème de l'échauffement de la caténaire au droit du contact avec le pantographe durant le captage de courant à l'arrêt. L'échauffement à l'interface pantographe/caténaire peut entraîner la rupture du fil de contact de la caténaire. Le travail présenté dans cette étude, issu de la collaboration entre la SNCF et l'institut FEMTO-ST, vise à améliorer la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu. L'objectif à terme est d'anticiper une maintenance coûteuse comme le remplacement du fil de contact. Un modèle électrothermique 2D transitoire du fil de contact a été développé et couplé à un modèle thermique 1D transitoire pour obtenir une modélisation quasi 3D. La modélisation, alimentée par des données expérimentales, permet de déterminer la répartition du courant électrique et donc la production de chaleur interne. Une modélisation électrothermique de la bande vient compléter le système. / In the railroad and trains domain, many incidents show the main problem of overheating of the catenary at the contact with the pantograph when the train was stopped whereas all the electrical systems of the train should nevertheless be fed. Analysis of these incidents has shown that the overheating of the interface catenary-pantograph during the ream conditioning was sometimes at the origin of the break of the contact wire. In order to forecast such very expensive problems for the company, the French National Railway Company (SNCF) and the research institute FEMTO-ST carried out theoretical and experimental studies to better understand this phenomenon. First a quasi 3D transient electrothermal modeling tool has been developed for the contact wire. It has also permitted to estimate the distribution of current in the wire in order to obtain the internal heat power generation. An electrothermal modelisation of the strip complete the system. Finally the heat transfer equation in the wire with particular boundary conditions has been solved in all the finite differences network thanks to the Euler's implicit method.

Cette étude s'inscrit dans le cadre du contrat franco-allemand DEUFRAKO K2 associant la SNCF et la DEUTSCH BAHN sur l'étude du bruit généré par les trains à grande vitesse. Une cavité rectangulaire peu profonde est d'abord placée dans une soufflerie bas-bruit. Les visualisations pariétales de l'écoulement et les mesures anémométriques montrent que l'écoulement se rattache sur le fond de la cavité et décolle à nouveau au passage du bord aval. Les plus fortes fluctuations de pression pariétale instationnaire (mesurées par microphones) sont aussi observées au niveau du bord aval, région dans laquelle l'intensimétrie 3D localise principales sources acoustiques. Le rayonnement acoustique révèle un spectre large bande sans phénomène de couplage entre les champs aérodynamique et acoustique. Une maquette réaliste de la baignoire à l'échelle 1/7e a ensuite été conçue et placée dans une soufflerie subsonique. Des visualisations pariétales de l'écoulement montrent une structure d?écoulement 3D très complexe. Les mesures de fil chaud indiquent une plongée très rapide de la couche de cisaillement amont vers le fond de la baignoire ainsi qu'un jet vertical intense au niveau du bord aval. Les coefficients de pression en paroi restent quasiment uniformes dans la baignoire. L'analyse spectrale révèle deux régions comportant des modes de résonance auxquels s'ajoute le STROUHAL des pantographes. L'influence des pantographes est enfin simulée via leur modélisation par deux cylindres circulaires, d'écartement et d'incidence variables, placés dans la soufflerie bas-bruit. Les expériences dévoilent de forts couplages aéroacoustiques non-linéaires (feedback) évoluant suivant ces deux paramètres. Les analyses spectrale et bispectrale de la pression acoustique mesurée en champ lointain (microphone) ainsi que les visualisations et les champs de vitesses obtenus par PIV contribuent à l'interprétation de ces phénomènes. Les expériences de chaque étude sont comparées à des simulations numériques.