L'objectif du projet ITER est de démontrer la faisabilité scientifique et technique de la fusion nucléaire à des fins énergétiques. Pour obtenir les réactions de fusion, un plasma chauffé à 150 millions de degrés doit être confiné par un champ magnétique de plusieurs teslas en quasi-continu. Pour obtenir ces températures, des antennes radiofréquences (RF) injectent des ondes électromagnétiques de forte puissance dans le plasma, en particulier entre 40 et 55 MHz aux fréquences de résonance cyclotron des ions. L'assemblage et la dilatation thermique en fonctionnement de ces antennes sont rendus possibles par des contacts électriques glissants. Ces contacts doivent supporter un courant RF crête de 2.25 kA en régime stationnaire, dans un environnement sous vide et pendant toute la durée de fonctionnement de l'antenne. De plus, les matériaux de ces contacts doivent être compatibles avec la température de 250°C utilisée pour l'étuvage de la machine pendant plusieurs milliers d'heures cumulées. Ces contacts RF sont donc des composants critiques pour les performances de l'antenne. Aucun contact électrique du commerce n'a jusqu'à présent été qualifié pour ces spécifications et un effort particulier a donc été porté dans le cadre de ce travail de thèse afin de développer une solution satisfaisante. Le choix des matériaux et des revêtements utilisés pour ces contacts a fait l'objet de la première partie de cette étude. Pour ce faire, un modèle multi-physique tenant compte des paramètres RF, mécaniques et thermiques a été développé. À la suite de cette étude, des premiers couples de matériaux et de revêtements ont été sélectionnés. Les propriétés d'échantillons représentatifs ont été caractérisées par des mesures réalisées au laboratoire CIRIMAT avant et après un vieillissement thermique simulé. Afin d'évaluer le comportement électrique et tribologique de ces paires de matériaux dans les conditions de fonctionnement d'ITER, un tribomètre sous vide a été spécifiquement conçu et utilisé pendant ce travail de thèse.[...] / Ion Cyclotron Resonance Heating (ICRH) is one of the most important plasma heating methods in magnetically confined fusion experiments. In ITER, two ICRH antennas are designed to supply 20 MW of Radio-Frequency (RF) power at 40-55 MHz to heat the plasma. RF sliding contacts are used in the antennas to allow their remote handling assembly and to improve their maintainability, as well as to absorb the thermal expansion of the RF conductors during operations. One of the RF contacts is designed to be operated at 2.25 kA in steady-state (1200 s), with a current density of 4.8 kA/m. With such current levels, high heating occurs at the contact area which threatens the structural and material safety of the RF contacts and constrain their life time. In addition, before operation of the ITER ICRH antennas, all the in-vessel structures will be baked at 250°C during thousands of cumulated hours for outgassing. In CEA, R&D work on RF contact development has been carried out for 10 years. Recently, Ag-coated CuCrZr louvers RF contact prototype based on Multi-Contact LA-CUT commercial contact configuration was tested on TITAN test-bed. 1500 A, 1200 s steady-state operation was achieved. However, due to burn failure, the RF contact prototype couldn't reach 1200 s steady-state under 2 kA as expected. In order to improve the performances of the RF sliding contacts to match ITER requirements, failure mechanisms of RF contacts during RF operations were analyzed and possible materials or coated systems that can be used for RF sliding contacts compatible with the ITER environment have been studied in detail within this thesis work. The effects of material selection, cooling parameter and contact resistance on louvers temperature have been modelled and simulated through finite element methods. Moreover, functional coatings like Ag, Au, Rh and their alloys were manufactured by electroplating on 316L and CuCrZr, which are commonly used as base materials on tokamak. By mimicking the ITER baking conditions, the coated samples were thermal aged under vacuum at 250ºC for 500 h, after which the materials properties evolution such as hardness, grain size and adherence was characterized. In addition, the coating life time has been evaluated through cross-sectional diffusion characterizations.[...]

Die wesentlichen Ziele der vorliegenden Arbeit bestehen darin, das Verständnis für die Einsatzgrenzen und -möglichkeiten von thermoplastischen Massivgleitlagern radialer Ausführung unter den verschiedenartigen Betriebsbedingungen zu verbessern, die Kompliziertheit des tribologischen Systems Polymer-gleitlager / Welle zu verdeutlichen und ggf. Problemlösungen anzubieten. Es werden dafür die Ergebnisse aus den experimentellen Untersuchungen mit Mantel- und Buchsen-lagern im Langzeitbetrieb und im Aussetzbetrieb, jeweils mit und ohne Initialschmierung, vorgestellt und bewertet. Im Vordergrund stehen das Reibungs- und Verschleißverhalten jener Gleitlager. Die falsche Auslegung des Lagerspiels ist bei Trockenlaufgleitlagern wahrscheinlich die häufigste Ausfallursache. Die Ergebnisse eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Rechengangs für die Bestimmung des notwendigen Einbaulagerspiels von Buchsenlagern werden den experimentell ermittelten Ergebnissen gegenübergestellt. Die Berechnungen ergeben nach bisherigem Wissen im Vergleich zu den Lagerspielversuchen etwas größere notwendige Einbaulagerspiele.

Duroplastische Materialien zeichnen sich durch eine sehr gute chemische und thermische Beständigkeit aus. Belastbare Informationen über das tribologische Materialverhalten von Duroplasten bei erhöhten Temperaturen und erhöhter mechanischer Beanspruchung sind nur teilweise vorhanden und sollen im Rahmen der Untersuchungen ermittelt und verifiziert werden. Das Ziel ist die Untersuchung der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehung bezüglich der Einbringung von PTFE in einem phenolharzbasierten Duroplast zur Verbesserung der tribologischen Materialeigenschaften und die Detektion der in der Grenzfläche wirkenden Effekte. Weiterführend soll eine fundierte wissenschaftliche Basis zur Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf mögliche großserientaugliche Anwendungen geschaffen werden.

Le développement de nouvelles motorisations plus économes en carburant, entraine une augmentation du niveau de vibration. Afin de répondre à cela, Valeo développe un nouveau système : le pendule centrifuge. C’est dans cette phase de développement que s’inscrit ce travail de thèse. L’objectif est de réaliser un outil de pré-dimensionnement permettant de modéliser l’endommagement des guidages d’un pendule centrifuge. Une première étude expérimentale présente la faisabilité du suivi du système mécanique par l’utilisation de l’imagerie dynamique. Des essais de caractérisation matériaux des différents constituants du système viennent ensuite compléter l’étude. Ce travail expérimental réalisé à l’aide d’un tribomètre bi-disque permet d’obtenir les lois de frottements en fonction du taux de glissement ainsi que leur sensibilité à l’état de surface, au traitement thermique et au chargement. Un modèle théorique de détermination des valeurs du glissement est ensuite proposé, permettant de prendre en compte les différentes géométries de pendules. Enfin, les perspectives d’industrialisation sont envisagées en proposant une étude paramétrique sur le système réel en vue de son dimensionnement ainsi qu’une étude d’endurance pour modéliser l’usure du système. / The development of more fuel efficient engines results in an increase in the vibration levels. To solve this, Valeo is developing a new system: the centrifugal pendulum. This PhD research thesis registered as a contribution to the system development phase. The objective is to realize a predimensioning tool in order to model the wear of a centrifugal pendulum. A first experimental study shows the feasibility of monitoring the mechanical system through the use of dynamic imaging. Materials characterization tests of the various system components complete the study. The experimental work carried out using a twin-disc tribometer provides the friction laws versus sliding rate and their sensitivity to surface condition, processing and loading. A theoretical model for determining sliding values is then proposed to take into account the different pendulum geometries. Finally, the perpectives of industrialization are considered with a parametric study on the real system for a sizing purpose and an endurance study to model the wear of the system.

L’augmentation de la vitesse ferroviaire impose l’amélioration des performances de freinage liés aux matériaux de friction utilisés dans les freins à disques et à semelles. Cependant, l'usure reste un point limitant en terme de performance mais aussi de sécurité. Elle a pour conséquence de détériorer les matériaux (aspects mécano-thermiques) mais aussi de contaminer le contact entre roue et rail par des particules de semelles de frein pouvant isoler électriquement celui-ci (aspects mécano-électriques). Le procédé permettant de localiser les trains, ayant pour principe la conduction électrique entre roue et rail, est alors compromis.Ces problématiques sont gouvernées par les différents contacts (roue/rail, roue/semelle, ...) qui s'inscrivent dans le concept de triplet tribologique. Un triplet est composé des corps en contact (premiers corps), de l'interface (troisième corps) et du mécanisme qui les maintient en contact. Afin de comprendre les phénomènes se produisant au sein des contacts, une analyse multi-physique locale et un découplage des paramètres (mécaniques, thermiques, électriques) s'avèrent nécessaires. Toutefois, cela est difficile à établir expé- rimentalement, une modélisation numérique par éléments discrets est alors pertinente pour palier à ces besoins.L'écoulement dynamique d'un troisième corps constitué de particules de freinage et la dégradation d'un matériau de freinage réel (suite à des méthodes d'imageries) sont modélisés. Les résultats obtenus ont permis d'appréhender les compétitions existant entre paramètres physiques d'une part (mécanique, électrique, thermique) et paramètres d'éch-elles d'autre part (local, global). Ces compétitions tendent à minimiser la résistance élec- trique lorsque les constituants sont en proportion adéquat (meilleure conduction électrique entre roue et rail) mais aussi à équilibrer les débits du circuit tribologique, ce qui conduit à protéger les matériaux (usure contrôlée). En outre, les analyses numériques ont permis de mettre en évidence de nouveaux paramètres liés à ``l'étalement'' du troisième corps et d'appréhender les points clés permettant de se rapprocher d'un contact réel. / The increase of the rail speed imposes the improvement of the braking performances related to the friction materials used in brake pad and brakes shoes. However, wear remains a limiting point in terms of performance but also safety. It has the effect of damaging the materials (mechano-thermal aspects) but also to contaminate the contact between wheel and rail by particles of brake shoes that can electrically isolate it (mechanical-electrical aspects). The method for locating the trains, whose principle is the electrical conduction between wheel and rail, is then compromised.These issues are governed by the different contacts (wheel/rail, wheel/shoes, ...) that fit into the concept of tribological triplets. These are composed of the bodies in contact (first bodies), the interface (third body) and the mechanism that keeps them in contact. In order to understand the phenomena occurring within the contacts, a local multi-physics analysis and a decoupling of the parameters (mechanical, thermal, electrical) are necessary. However, this is difficult to establish experimentally, numerical modeling by discrete elements method is then relevant for these needs.The dynamic flow of a third body consisting of braking particles and the degradation of a real braking material (following imaging methods) are modeled. The results obtained made it possible to understand the competitions existing between physical parameters on the one hand (mechanical, electrical, thermal) and scale parameters on the other hand (local, global). These competitions tend to minimize the electrical resistance when the constituents are in adequate proportion (better electrical conduction between wheel and rail) but also to balance the flows of the tribological track, which leads to protect the materials (controlled wear). In addition, the numerical analyzes made it possible to highlight new parameters related to "spreading" of the third body and to apprehend the key points making it possible to approach a real contact.

Aufbauend auf Forschungsarbeiten mit einer Hybridstruktur aus Aluminium und WPC (Wood Polymer Composite) werden die wichtigsten Entwicklungsschritte zur Synthese eines kompletten Tragprofils aus WPC vorgestellt. Dieses Tragprofil ist für den Einsatz in Hängefördersystemen vorgesehen. / Based on research with an sectional beam in hybrid design made from aluminium and WPC (Wood Polymer Composite), the important steps for developing a fully implemented sectional WPC-beam are presented. This sectional beam is intended for the use in an overhead conveying system.

En tribologie, la modélisation numérique est aujourd'hui un outil indispensable pour étudier un contact afin de pallier les limites expérimentales. Pour comprendre de mieux en mieux les phénomènes mis en jeu, les modèles ne se situent plus à une seule échelle, mais en font intervenir plusieurs, rendant plus que jamais le concept de triplet tribologique incontournable. Travaillant avec cette philosophie et en se basant sur l'approche Non Smooth Contact Dynamics, dont nous rappelons les grandes lignes, nous proposons de franchir deux cas: proposer des modèles offrant des résultats quantitatifs et mettre en place les premières pièces d'une homogénéisation au niveau du contact (VER). Dans le premier cas, l'étude du couplage éléments finis/éléments discrets au sein d'une même simulation a pour but de proposer des modèles plus "réalistes". Même si l’interface utilisée est déjà présente au coeur du contact et ne va pas évoluer, elle permet de mettre en évidence l’utilisation d’outil de mesure permettant de lier le mouvement des particules aux instabilités dynamiques et permet d’avoir des résultats qualitatifs mais aussi quantitatifs puisque la comparaison avec les taux de contraintes expérimentaux sont en très bonne adéquation. Dans le second cas, le VER sous sollicitations tribologiques est étudié afin d'étendre les techniques d'homogénéisation aux problèmes de contact afin de s'affranchir de la description des interfaces aux grandes échelles en trouvant un moyen d'homogénéiser le comportement hétérogène de l'interface et de le faire dialoguer avec le comportement continu des corps en contact en faisant remonter, dans un sens, des grandeurs moyennées à l'échelle microscopique à l'échelle macroscopique des premiers corps et dans l'autre sens, se servir des données locales à l'échelle macroscopique comme conditions limites à l'échelle microscopique. / In tribology, the numerical modeling has become an indispensable tool for studying a contact to overcome the experimental limitations. To have a better understanding of the phenomena involved, the models are no longer located at a single scale, but involve several ones, more than ever, making the concept of tribological triplet as a unavoidable concept. Working with this philosophy and approach based on the Non Smooth Contact Dynamics framework, which we remind some outlines, we propose to cross two steps~: model that can offer quantitative results and that implement the first ingredient to perform a homogenization at a contact level. In the first case, the study of coupling finite elements/discrete elements within the same simulation aims to propose models that are more "realistic". Even if the interface is already present in the contact and not going to evolves, it can highlight the use of measurement tool of spot particles via dynamic instabilities and allows to have not only qualitative results but also quantitative ones since the comparison with the experimental strain rates are in very good agreement. In the second case, the study of VER in tribological charges is performed to extend the homogenization techniques to contact problems in order to overcome the interface description on large scales by finding a way to homogenize the heterogeneous behavior of the interface and make a dialogue with the continue behavior of bodies in contact by send up, in a sense, average values of the microscopic scale to the macroscopic scale and in the other sense, use local data of the macroscopic scale as boundary conditions at the microscopic scale.

Les tendances actuelles en lubrification visent à réduire la quantité d’huile dans les mécanismes. En conséquence l’épaisseur de film dans les zones de contact est réduite à l’échelle du nanomètre, et peu de molécules de lubrifiant assurent la séparation des surfaces. Des simulations basées sur la méthode de la Dynamique Moléculaire sont utilisées pour étudier le comportement de ces films sévèrement confinés à l’échelle des atomes. Une attention particulière est portée sur le phénomène de glissement aux parois : des lois analytiques sont formulées pour quantifier et prédire cet effet en fonction du couple surface-fluide ou des conditions opératoires locales dans un contact. Ensuite, un couplage entre les modèles moléculaires et macroscopiques est effectué. Les équations classiques de la lubrification sont modifiées pour inclure les effets de glissement quantifiés précédemment. Il est montré que l’épaisseur de film au centre d’un contact et le frottement sont modifiés de façon significative. Enfin, la problématique de réduction de la quantité de lubrifiant est poussée à ses limites jusqu’à atteindre la rupture du film et le contact direct entre solides. Une analyse à l’échelle moléculaire de ce processus permet de faire le lien entre la disposition des dernières molécules séparant les surfaces et le comportement tribologique local. / The modern trends in lubrication aim at reducing the oil quantity in tribological applications. As a consequence, the film thickness in the contact zone decreases significantly and can reach the order of magnitude of a few nanometres. Hence, the surface separation is ensured by very few lubricant molecules. Atomistic simulations based on the Molecular Dynamics method are used to analyze the local behavior of these severely confined films. A particular attention is paid to the occurrence of wall slip: predictive models and analytical laws are formulated to quantify and predict this phenomenon as a function of the surface-lubricant pair or the local operating conditions in a contact interface. Then, the coupling between Molecular Dynamics simulations and macroscopic models is explored. The classical lubrication theory is modified to include slip effects characterized previously. This approach is employed to study an entire contact featuring a nano-confined lubricant in its center, showing a severe modification of the film thickness and friction. Finally, the lubricant quantity reduction is pushed to the limits up to the occurrence of local film breakdown and direct surface contact. In this scenario, atomistic simulations allow to understand the relationship between the configuration of the last fluid molecules in the contact and the local tribological behavior.

Les problèmes de mécanique du contact sont des problèmes multi-échelles mettant en jeux de nombreux phénomènes physiques. Les premières études concernant ce domaine datent de la fin du XIXème siècle et les développements majeurs ont été réalisés au cours du XXème siècle en parallèle du besoin croissant des ingénieurs de prévoir le comportement des matériaux sous sollicitations tribologiques. L'évolution des besoins industriels et les avancées technologiques réalisées dans le domaine du numérique conduisent à réaliser des simulations tridimensionnelles ayant pour objectif la prédiction du comportement de pièces sous sollicitations thermo-mécaniques transitoires, pour, soit alléger les structures, augmenter le niveau de sollicitations, étendre la durée de vie... Ces simulations se révèlent très souvent coûteuses en termes de temps de calcul et d'espace mémoire et nécessitent par conséquent l'utilisation de super calculateurs. Dans ce contexte, cette thèse propose un modèle innovant basé sur les techniques multigrilles avec raffinement local afin de réaliser ces simulations pour des coûts numériques faibles. Ce modèle est basé sur les équations de Lamé généralisées et l'équation de la chaleur de Fourier discrétisée à l'aide des différences finies. Le système linéaire obtenu est résolu à l'aide de la méthode itérative de Gauss-Seidel couplée avec les techniques multigrilles. Ces techniques permettent d'accélérer la convergence d'un problème en utilisant plusieurs grilles et des opérateurs de transfert. Afin de garantir une convergence optimale et de minimiser la taille mémoire dans le cas de variations de propriétés importantes, des techniques numériques de localisation et d'optimisation ont été mises en place. Les applications visées ici sont centrées sur l'utilisation de revêtements ou de matériaux innovants pour permettre les gains attendus. Des validations du modèle ont été effectuées en comparant nos résultats avec ceux issus de la littérature. Des études paramétriques ont permis d'étudier l'influence de l'épaisseur du revêtement, de la valeur du module de Young mais aussi d'une couche à gradient de propriété sur le champ de contrainte et la tenue du système revêtement/substrat sous sollicitation de contact. Des études similaires ont été conduites sous sollicitations thermiques. L'intérêt porté aux variations de propriétés des matériaux selon toutes les directions de l'espace a conduit à étudier l'effet de la microstructure, qui est constituée de grains ayant chacun leurs propriétés propres, sur les champs de contraintes. La mise en évidence de cet effet est explicitement montrée au travers de calculs de durée de vie utilisant des descriptions statistiques de type Weibull. La dispersion observée sur les résultats est conforme aux observations expérimentales. / Contact mechanic problems are multi-scale and involve numerous physical phenomena. These problems have been studied since the end of the XIXth century and major developments have been made during the XXth century due to the necessity for engineers to predict material behavior under tribological loads. Currently, industrial demands and technological breakthroughs drive people to consider three-dimensional simulations to study this behavior under thermo-mechanical loads. The objectives are multiple: reduce of the size of structures, increase of material resistance, improvement of fatigue life... These simulations, which often require high numerical costs in terms of memory size and CPU time, have to be performed on super computers. In this context, this work proposes an innovative model based on multigrid methods using a local refinement strategy in order to perform these simulations at a low numerical cost. The model is based on the Lamé elasticity equations and the Fourier heat equation which have been discretized using a finite difference framework. The obtained linear system is solved using the Gauss-Seidel iterative method coupled with multigrid techniques. These methods allow an acceleration of the convergence speed, using different grids and transfer operators. In order to obtain an optimum convergence speed and decrease the required memory size, local refinement strategies and optimization techniques have been used. Several calculations required hundred millions of points, can be solved on a personal computer within a few hours. Applications focus on the use of a coating or innovative materials which allow improvements in terms of fatigue life. The model has been validated against results found in the literature. Parametric studies allowed to analyse the influence of the coating thickness, the Young's modulus ratio or the use of a graded layer on the stress field and on the coating/substrate system behaviour under contact loads. Similar studies have been performed under thermal loads. Special attention has been paid to the material property variations along all space directions. It has lead us to consider a material microstructure which is composed of grains with their individual properties. The influence of the microstructure on the fatigue life phenomenon is clearly highlighted using statistical Weibull charts. The dispersion observed in the numerical results tends to be similar to experiments found in the literature.

Im Zuge der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Verarbeitungs- und Verpackungsmaschinen werden immer höhere Anforderungen an die für den Gütertransfer eingesetzte Fördertechnik gestellt. Neben der erhöhten Förderleistung sind zudem ein schmiermittelfreier Betrieb sowie eine hundertprozentige Verfügbarkeit gefordert. Durch die zunehmende Leistungssteigerung kommt es zu hohen Beanspruchungen, die bei falscher Auslegung zu mechanischem oder thermischem Versagen der Kunststoff-Bauteile im Fördersystem führen können. Während das mechanische Versagen mit den aktuellen Dimensionierungen vermieden werden kann, gibt es bezüglich des thermischen Versagens keine hinreichend genaue Auslegungsvorschrift. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der thermischen Analyse von Gleitketten-Fördersystemen sowie den darin eingesetzten thermoplastischen Kunststoff-Kunststoff-Gleitpaarungen. Diesbezüglich werden die Gleitkontakte eines Gleitkettenförderers und deren Belastungen analysiert. Durch Abstraktion des Kette–Schiene-Systems wird ein semi-analytisches Berechnungsmodell zur Abschätzung der Reibtemperatur entwickelt, welches mittels experimenteller Untersuchungen auf einem Tribo-Prüfstand und an einem Fördersystem verifiziert wird. Aus den Untersuchungsergebnissen konnte ein thermisches Auslegungskriterium für Kunststoff-Kunststoff-Gleitpaarungen abgeleitet werden, welches sowohl auf Gleitketten-Förderer als auch perspektivisch auf ähnliche tribologische Systeme übertragen werden kann. / In the course of the continuous enhancements of processing and packaging machines, higher demands are set on conveying technology used for transferring goods. In addition to an increased delivery rate, a lubricant-free operation as well as a hundred percent availability are claimed. Increasing performance leads to high stresses that can result to mechanical or thermal failure of plastic components in the conveying system, if incorrectly designed. While mechanical failure can be avoided with up to date dimensioning, there is no sufficiently precise dimensioning criterion in regard to thermal failure. The present thesis is concerning with the thermal analysis of sliding chain conveyor systems as well as the thermoplastic plastic-plastic sliding pairs used therein. In this regard, the sliding contacts of a sliding chain conveyor and their loads are analyzed. By abstraction of the chain–rail system, a semi-analytical model for estimating the frictional temperature is developed, which is verified by experimental studies on a tribo test bench and a conveyor system. From the study results, a thermal dimensioning criterion for plastic plastic pairings could be derived, which can be applied to sliding chain conveyor as well as perspectivly similar tribological systems.