La thèse présente une démarche complète de l'évaluation structurale des ponts par essais dynamiques. Les deux enjeux essentiels traités sont respectivement la réalisation d'essais dynamique sous charge d'exploitation et la détection et/ou la localisation d'endommagements. Le premier objectif necessite le développement de techniques d'identification modale appropriées tandis que le second requiert la mise en uvre de méthodes d'évaluation performantes, sensibles, fiables ne reposant pas sur un modèle numérique aux éléments finis souvent inexistant.<br />La première partie de ce mémoire est consacrée à la problèmatique de l'identification modale sous excitation ambiante dont la réalisation d'essais vibratoires, le choix de l'excitation et l'intérêt de recourir à des sources d'excitation ambiante. Cette partie détaille en particulier une version vectorielle du décrément aléatoire qui sera largement utilisée pour identifier les paramètres modaux (fréquences propres, déformées propres et coefficients d'amortissement) des structures étudiées dans la thèse. Sa mise en uvre permet, notamment de déterminer diverses statistiques sur les estimateurs modaux.<br />La deuxième partie présente quelques stratégies de détection et de localisation des endommagements les plus couramment utilisées ne nécessitant que la connaissance des paramètres modaux de la structure ; il s'agit en particulier des méthodes de flexibilité, de courbure de flexibilité et de courbure des déformées propres. Parallèllement, une méthode de l'indicateur d'endommagement, basée sur l'étude de rapports d'énergie de déformation entre deux séries de mesures, est présentée en détail et généralisée aux cas de poutres tridimensionnelles et de plaques minces. En effectuant des simulations de Monte-Carlo, la sensibilité de ces méthodes et leur fiabilité à détecter et localiser des endommagements ont été aussi évaluées au travers de l'étude des probabilités de fausse alarme et de détection.<br />Afin de répondre à la problématique de la mise en oeuvre pratique de l'évalaution dynamique comme méthode de diagnostic, l'ensemble des développements théoriques est appliqué à de nombreux exemples expérimentaux de poutres et de ponts.

L'objectif principal de cette thèse est de développer et d'optimiser les outils d'acquisition de la technique de Sismique réflexion haute résolution (SHR) afin d'améliorer ses performances pour la détection des cavités souterraines. Il est communément admis que l'imagerie SHR est d'autant plus complexe que la profondeur de la cible est petite. Les travaux menés dans le cadre de cette thèse devraient remédier à certains problèmes les plus critiques identifiés lors des applications de la SHR.L'utilisation des sources vibratoires présente des avantages indéniables (non destructivité, contrôle du signal émis...) par rapport aux sources " classiques " (i.e. impulsionnelles, destructives) mais leur application optimale nécessite un choix correct du signal émis.Ainsi, les travaux de recherche réalisés ont permis de (1) développer un système complet de pilotage par ordinateur d'une mini-source vibratoire destinée à l'imagerie SHR, (2) développer une méthode de génération de signaux émis. En établissant un lien entre le signal d'entrée et l'image sismique obtenue, cette procédure offre la possibilité à l'utilisateur de choisir le signal émis en fonction des conditions de terrain, et des objectifs des mesures, (3) tester le fonctionnement du système développé avec plusieurs mini-vibrateurs.Le système développé ainsi est testé et validé dans les tests à petite échelle. Ensuite, il a été utilisé dans les conditions réelles avec l'objectif " détection des cavités " dans le contexte salin (anciennes mines de sel en Lorraine, profondeur : 160 m - 180 m) et les marnières de Haute Normandie (anciennes carrières de craie, profondeur : 15 m - 45 m)

L'intégration des facteurs humains dans la conception automobile est aujourd'hui un enjeu majeur de l'innovation. De par l'utilisation de plus en plus urbaine des véhicules, le confort de roulage à basse vitesse est au cœur des préoccupations industrielles. Dans cette situation, le confort dépend essentiellement de l'environnement vibro-acoustique de l'habitacle. Les évaluations de confort d'une telle situation constituent le cadre de ce travail de recherche. En complément des études " in situ ", ce type d'étude nécessite l'utilisation de simulateurs car ceux-ci permettent la maîtrise des caractéristiques de l'environnement d'un sujet. Mais, il existe toujours des limites à l'immersion et, la simulation modifie le contexte cognitif dans lequel se trouve le passager. Dans le but d'optimiser la simulation, deux expériences sont tout d'abord réalisées pour mesurer l'influence de l'environnement de simulation sur les évaluations de confort. Les contributions relatives de l'immersion et des informations contextuelles apportées par les modalités vibratoires, sonores et visuelles sont estimées. Les propriétés physiques des stimuli, significatives pour le confort, sont ensuite identifiées. À cet effet, les contributions relatives des niveaux sonores et vibratoires au confort automobile sont modélisées avec précision. L'existence d'une image perceptive du confort vibratoire des véhicules est également recherchée. Enfin, les travaux s'attachent à appréhender, dès la conception, les liens entre les prestations offertes par un véhicule à son occupant et le confort vibro-acoustique de l'habitacle. Des évaluations expertes d'items de cotation des véhicules sont comparées à des évaluations de confort faites par des sujets naïfs. Deux expériences perceptives faisant intervenir des stimuli artificiels sont alors mises en place. Ainsi, les liens entre les paramètres de synthèse et les évaluations permettent d'identifier les items de cotation les plus pertinents pour l'évaluation du confort.

Le dimensionnement en fatigue des composants de moteurs d'avions tels que les roues aubagées passe nécessairement par leur analyse dynamique. Pour être davantage prédictif, les dispersions géométriques et matérielles dues aux tolérances de fabrication, sources de désaccordage, sont prises en compte et font que les hypothèses de symétrie cyclique ne sont plus applicables. Le désaccordage a une influence non-négligeable sur le comportement vibratoire des roues aubagées en localisant une partie de l'énergie sur un nombre restreint d'aubes, ce qui peut conduire à une fatigue vibratoire prématurée de la pièce. Ce phénomène de localisation modale est conditionné d'une part, par la raideur de couplage entre les aubes et le disque et d'autre part, par le taux de désaccordage. Les redresseurs se situent sur les différents étages statoriques des moteurs d'avions. Leur rôle est de redresser le flux d'air en provenance des rotors situés en amont afin d'obtenir une poussée maximale en sortie du turboréacteur. Une nouvelle technologie consiste à considérer un redresseur comme un assemblage de plusieurs secteurs multipales monobloc indépendants. Les conditions de symétrie cyclique ne peuvent donc plus être employées, même dans le cas accordé. Le comportement vibratoire d'un secteur de redresseur accordé est caractérisé par une forte densité modale dans certaines plages de fréquences, correspondant à des modes de flexion et de torsion d'aube. De ce phénomène découle une forte sensibilité de ces modes au désaccordage présent au sein du redresseur. Le principal objectif de la thèse est de développer une stratégie permettant de prédire de façon robuste le comportement vibratoire des redresseurs sectorisés monobloc désaccordés. En effet, en déterminant les zones les plus sensibles d'un secteur donné avec une précision maximale, les bureaux d'études pourront optimiser le positionnement des jauges d'extensométrie sur les redresseurs prototypes. Afin d'atteindre cet objectif, diverses études numériques de sensibilité au désaccordage ainsi que des essais sur une pièce ont été faits. Ils ont permis d'avoir des premiers résultats quant aux erreurs relatives prévisibles qui pouvaient être faites, en fonction du désaccordage. Ensuite, la méthode des éléments finis stochastiques spectraux a été développée sur un modèle simplifié en vue d'en déterminer les modes propres aléatoires projetés sur une base de polynômes orthogonaux et d'en déduire la réponse forcée aléatoire par superposition modale. La base du chaos polynomial a été retenue principalement pour son gain en temps de calcul par rapport à des simulations de Monte Carlo classiques et à la précision des résultats obtenus. Enfin, la méthodologie stochastique a été validée sur un modèle éléments finis industriel de redresseur sectorisé fourni par SNECMA moyennant des méthodes de réduction de modèle de type Craig-Bampton. Une stratégie de positionnement optimal de jauges a été proposée ; elle constituait le principal livrable industriel attendu en fin de thèse.

Cette thèse présente les différentes sources de champ magnétique dans un véhicule automobile à moteur thermique. Le but de ce travail est d'exploiter la mesure du champ magnétique dans une automobile afin d'extraire des données utiles pour caractériser le fonctionnement ou le dysfonctionnement des éléments du véhicule. Les expérimentations que nous avons conduites nous ont permis de mesurer, identifier, caractériser et modéliser les différentes sources de champ magnétique en automobile. Les circuits électriques, l'alternateur électrique, mais également le déplacement des pièces ferromagnétiques engendrent des champs d'induction. Toutes ces sources se mélangent sur le réseau de capteurs magnétiques installé dans le véhicule. Nous avons mis en œuvre des algorithmes de séparation de sources et de soustraction de bruit permettant de récupérer les signaux utiles pour la surveillance. L'analyse vibratoire déjà utilisée pour le diagnostic des automobiles permet d'étudier les accélérations et chocs des éléments à surveiller. L'analyse magnétique que nous présentons ici permet d'étudier d'autres caractéristiques comme le déplacement de ces pièces ou les courants électriques présents dans le système. Nous montrons que les mesures magnétiques, sont un nouvel outil de diagnostic qui peut être utilisé pour le contrôle automobile, en complément de l'analyse vibratoire. Diverses applications industrielles potentielles utilisant des capteurs à bas coût, sur le contrôle des roues, du moteur et des feux électriques sont développées. Enfin, nous ouvrons une réflexion sur la généralisation de ces résultats aux véhicules électriques en présentant les problématiques et les besoins spécifiques en particulier dans l'étude du comportement magnétique des accumulateurs électriques utilisés pour stocker l'énergie. / In this thesis the various sources of magnetic field in an automobile with heat engine are presented. The aim of this work is to make use of the measures on the magnetic field in an automobile in order to extract useful information for monitoring or diagnosis of the vehicle. The experiments we made led us to measure, to identify, to characterize and to model the various sources of magnetic field in an automobile. The electric circuits, the electric generator, and also the displacements of ferromagnetic pieces can create magnetic field. All those sources are mixed on the sensor network. We have developed source separation algorithms and noise removing techniques, in order to get useful signals. Vibration analysis has already been used for diagnosis in automobile and allows to study the accelerations and shocks of the elements to monitor. The magnetic analysis allows to study other parameters such as pieces displacements or the electric currents in the system. We show that magnetic analysis is a new diagnosis tool that could be used as additional information. Several concrete potential applications on wheel and engine monitoring, and electric bulb diagnosis are presented. Finally, we give an angle of reflection about generalizing those results to electric vehicles by presenting the specific problems and needs for those vehicles. In particular, the study of the magnetic behavior of the electric Lithium batteries is presented.

Dans le domaine aéronautique les structures sont soumises à de la fatigue sonique due aux phénomènes aéro-acoustiques. Le dimensionnement statique actuel des avions composites couvre les cas de charge en fatigue. Mais avec le besoin de toujours plus réduire la masse de l’avion et l’augmentation des connaissances dans le comportement matériau, les marges statiques vont être réduites dans un futur proche et la propagation par fatigue deviendra un enjeu majeur. Il sera donc nécessaire d’évaluer la possibilité de propagation d’un délaminage dû à une erreur de fabrication ou un impact dans une structure composite. Dans ce contexte, une méthode a été proposée pour étudier la propagation de délaminage sous chargement vibratoire. Tout d’abord, des essais de caractérisation de la propagation de délaminage sous chargement vibratoire ont été mis en place et validés pour les deux principaux modes de rupture. Les effets induits par la fréquence élevée de sollicitation, auto-échauffement induit et vitesse de chargement élevée, ont été pris en compte dans la mise au point et le traitement de ces essais. Ensuite, des outils numériques ont été développés pour permettre la simulation d’une structure délaminée sous chargement vibratoire et l’étude de la propagation du délaminage. A l’aide des approches expérimentales et numériques mises en place et des données matériau identifiées, l’analyse a pu être conduite sur un cas réel de structure aéronautique. Un essai de fatigue vibratoire sur une structure de reprise de plis a ainsi été réalisé. L’évolution du délaminage pendant l’essai est représenté de façon satisfaisante par le modèle numérique. / Because of their lightness, stress adaptive design and strong stiffness, composite materials are more and more used in aeronautics. Aeronautical structures are submitted to vibrations during their service life due to aerodynamic turbulent flow around the structure. The current static design of composite aircraft covers fatigue loading cases. But with the need to more and more lighten the structure, and the knowledge increase in material behavior, the static reserve factors will be reduced in the near future and sonic fatigue will become a major issue. It will be necessary to evaluate the possibility of a delamination propagation in a composite structure due to a manufacturing error or to an impact. In this context, a method has been proposed to study the propagation of a delamination under vibratory loading. Firstly, tests to characterize the propagation of delamination under vibration loading have been developed and validated for the two main failure modes. The effects induced by the highfrequency loading, self-heat generation and high speed loading, were considered in the elaboration of these tests and in the data reduction. Then, numerical tools have been developed to allow the simulation of a delaminated structure under vibratory loading in order to study the delamination propagation. Using experimental and numerical approaches and the material data identified, the analysis could be conducted on a real case of aircraft structure. A vibration fatigue test on a ply-drop structure has been achieved. The evolution of delamination during the test is adequately modelized by the numerical model.

La fissure d'engrenages peut être considérée comme un défaut des plus compliqués à diagnostiquer car sa signature vibratoire n'est pas vraiment connue. En plus, l'intégration des fissures dans les modèles numériques n'est pas une tâche simple. D'autre part, le diagnostic des engrenages peut être fait dans le domaine temporel à travers des descripteurs statistiques ou dans le domaine fréquentiel grâce à l'analyse spectrale ou l'analyse cepstrale. Lors de l'apparition d'un défaut de fissure, des phénomènes non linéaires et non-stationnaires se manifestent ce qui rend les outils classiques de traitement du signal moins fiables. Dans ce manuscrit, nous répondons à toutes ces problématiques en développant un modèle d'engrenages à 6 DDL qui porte une fissure qui respire. Le modèle nous permet d'étudier la signature de la fissure et son effet sur les vibrations résultantes indépendamment de l'effet des autres composantes du système. Les résultats ont montré que la fissure conduit à une chute de la rigidité d'engrènement. En plus, la respiration de la fissure cause une fatigue dans le matériau ce qui engendre un terme aléatoire dans le signal vibratoire. La combinaison du terme aléatoire avec la composante périodique due à la rotation des arbres conduit à l'apparition de la cyclostationnarité d'ordre 2. Une étude comparative de sensibilité et de robustesse entre la transformée de Fourier rapide, la cyclostationnarité d'ordre 2 et les estimateurs de la phase instantanée (la transformée de Hilbert, estimation of signal parameters via rotational invariance techniques avec une fenêtre glissante, weighted least squares estimation et le scalogramme de phase) est effectuée pour la détection précoce des fissures. En plus, des essais expérimentaux ont été effectués sur un banc d'essais d'engrenages avec différentes dimensions de fissures. Les résultats théoriques et expérimentaux ont montré que l'analyse cyclostationnaire est la méthode la plus sensible et la plus robuste pour la détection précoce des fissures par rapport aux méthodes proposées. De plus, l'analyse de la phase instantanée donne également des résultats intéressants dans le cas des défauts de fissures. Nous avons montré que le scalogramme de phase est, a priori, plus performant que les autres approches / The gear crack is considered as the most complicated failure to diagnose because its vibration signature is not really known. In addition, the integration of crack defect in numerical models is not a simple task. On the other hand, gears diagnosis can be done in the time domain through statistical descriptors or in the frequency domain using spectral analysis or cepstral analysis. During the appearance of a crack defect, nonlinear and nonstationary phenomena occur which makes the classical tools of signal processing unreliable. In this manuscript, we respond to these challenges by developing a gear model of 6 DOF that has a crack that breathes. This allows us to study the signature of the defect in the resulting vibrations with a flexible way away from external vibrations. The results showed that the crack leads to a fall in the mesh stiffness. In addition, the opening and closing of the crack causes a fatigue in the material which generates a random term in the vibration signal. The combination of the random term with periodic component due to the rotation of the shafts leading to the appearance of second-order cyclostationary. A comparative study of sensitivity and robustness between the fast Fourier transform, second-order cyclostationary and estimators of instantaneous phase (the Hilbert transform, Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques with a sliding window, Weighted Least Squares Estimation and phase scalogramme) is performed for the early detection of cracks. In addition, experimental tests were carried out on a test-bench with different sizes of crack. The theoretical and experimental results showed that the cyclostationary analysis is the most sensitive and most robust method for the early detection of cracks in comparison with the other evaluated methods. Furthermore, the analysis of the instantaneous phase also gives good results in the case of crack defects. We have shown that the phase scalogramme is a priori more efficient than other approaches

Cette recherche a pour but de faire la modélisation par éléments finis d'un toit d'hélicoptère, de comparer les données calculées aux données expérimentales et de déterminer si l'on peut appliquer un contrôle optimal sur le système. Le projet fait partie d'un programme visant à réduire le bruit et les vibrations dans une cabine d'hélicoptère. Il est fait en collaboration avec Bell Helicopter Textron Canada Limited, le Consortium de Recherche et d'innovation en Aérospatiale au Québec (CRIAQ) et le Groupe d'Acoustique de l'Université de Sherbrooke. La recherche commence par l'analyse du comportement vibratoire de l'ensemble toit-support de transmission d'un hélicoptère Bell 407. Les chemins de transfert primaires et secondaires ont été identifiés en plaçant des accéléromètres à 63 positions différentes sur le toit et en mesurant les vibrations à ces endroits. En second lieu, le modèle par éléments finis, réalisé avec FEMAP, est présenté ainsi que les paramètres de calculs. Pour valider les résultats, les spectres des chemins de transfert du modèle sont comparés aux chemins de transfert expérimentaux. Ensuite, les forces primaires équivalentes sont calculées. Elles sont appliquées sur le modèle afin de comparer le comportement du modèle à l'excitation primaire expérimentale mesurée sur le toit de l'appareil. Enfin, une simulation du contrôle actif optimal est effectuée sur les signaux expérimentaux et les données numériques. Différentes configurations de capteurs d'erreur ont été comparées. On souhaite connaître la configuration permettant de mieux contrôler les vibrations du toit. Par la suite, cette simulation vise à déterminer si le contrôle actif optimal est possible sur un toit d'hélicoptère se rapprochant de la production en fonction des différentes configurations.

Le diagnostic des outils de coupe joue un rôle dans l’industrie où il est important de maîtriser les coûts ainsi que la qualité des produits finis tout en maintenant la sécurité et la sûreté des biens et des personnes. L’objectif de cette thèse est l’analyse vibratoire des outils de coupe d’une opération de fraisage pour le diagnostic de leur état de dégradation. Dans une première partie nous avons étudié les possibilités offertes par les traitements statistiques synchrones des signaux vibrations issus d’une opération d’usinage pour étudier leur état de fonctionnement. Les signaux vibratoires traités ont la particularité d’être cyclostationnaires, c'est-à-dire périodiques dans leurs propriétés statistiques. La prise en compte de cette propriété permet l’utilisation des descripteurs capables de caractériser instantanément les processus vibratoires, en liaison avec la cinématique mécanique de l’opération d’usinage. De plus lorsque associé à l’échantillonnage angulaire, la cyclostationnarité conduit vers la proposition d’estimateurs statistiques synchrones commodes à mette en œuvre. Les statistiques synchrones d’ordre l et d’ordre 2, la corrélation spectrale ainsi que le bispectre cyclique sont définis avec leurs interprétations et leurs estimateurs. Un modèle des signaux de fraisage est donné. Cette modélisation vise à démontrer la cyclostationnarité de ces signaux. L’emploi de ces indicateurs est illustré sur des signaux réels et comparé avec des indicateurs classiques pour le diagnostic de dégradation des outils de coupe. Dans une deuxième partie, la déconvolution aveugle de la réponse impulsionnelle d’un processus cyclostationnaire est réalisé, en utilisant seulement les statistiques d’ordre deux. Pour cela on exploite la propriété de cyclostationnarité pour estimer la phase du système, même si le système est à phase non minimale. Deux méthodes sont présentées, paramétrique Ding-p et non paramétrique Ding-n. Ces méthodes ont été validées sur des signaux de simulation des signaux vibratoires issus des machines tournantes. Deux applications ont été faites, la première est d’estimer la réponse impulsionnelle d’un système broche-outil-pièce de fabrication. La deuxième c’est de reconstruire les forces de coupe, exerçants sur la pièce de fabrication, afin de faire le monitoring / The identification of the state of a cutting tool is important in any metal cutting process. An additional cost - in terms of scrapped components, machine tool breakage and unscheduled downtime - occurs as a result of tool defects. The thesis objective is the cutting tool vibration analysis of a milling operation for the diagnosis of their state of degradation. In the first part, the possibilities offered by the synchronous statistics, applied to vibration signal captured from a milling process, are studied to examine the cutting tool condition. The processed vibration signals are cyclostationary, i.e their statistical properties are periodic. Taking into account this property, the use of descriptors able to characterize the process, in conjunction with the kinematics of the mechanical machining operation. Furthermore, when combined with the angular sampling, the cyclostationarity led to the proposed synchronous statistical estimators convenient to implement. First order and second order synchronous statistics, the spectral correlation and the cyclic bispectrum are defined with their interpretations and estimators. A model of milling vibration signal is given. This model aims to demonstrate the cyclostationarity of the signals. The use of these indicators is illustrated on real signals and compared with conventional indicators for diagnosing degradation of cutting tools.In the second part, the blind deconvolution of the impulse response of a cyclostationary process is

Les premiers véhicules autonomes ne seront capables de gérer la conduite que sur certaines portions de trajet. Le conducteur, qui pourra être engagé dans une tâche non relative à la conduite, doit être prévenu de reprendre la main avant la fin de disponibilité du mode autonome. L’objectif de cette thèse est de proposer et d’optimiser un signal vibratoire de rappel à la conduite qui soit détectable par tous, et jugé satisfaisant par les conducteurs, ou au moins acceptable étant donné sa signification et le contexte. Le contexte de roulage, la concentration du sujet sur une tâche non relative à la conduite et la diversité interindividuelle doivent être pris en compte. Un prototype de siège à retours vibratoires et un protocole de test en conditions de conduite autonome ont été mis au point, grâce à des expériences préliminaires. Les paramètres de construction d’un signal ont été formalisés et sélectionnés pour permettre la construction d’un plan d’expérience. Une évaluation quantitative de la détection et de la satisfaction pour les 16 signaux issus du plan d’expérience a été réalisée sur 80 sujets en conditions de conduite autonome. L’analyse par modélisation a permis d’identifier les paramètres du signal les plus influents sur les deux critères d’intérêt, et les valeurs de paramètres garantissant la meilleure satisfaction et une haute détection. Enfin, une étude en simulateur a permis de montrer l’intérêt de la modalité sensorielle tactile en complément de l’auditif lors du rappel à la conduite. / In the early steps of developments, autonomous vehicles carry out the driving only on determined road section. The driver, who may be focused in a non-related to driving task, must be warned before the end of the autonomous mode to take over the driving. This PhD work aims at offer and optimize a vibrotactile take-over notification (TON). This TON must be detected by any drivers and evaluated as satisfying, or at least acceptable considering its meaning and the context. The driving environment, the concentration of the subject in a non-related to driving task, as well as the diversity of the drivers have to be considered. A seat prototype and a protocol of evaluation in autonomous driving conditions were developed. The design parameters of a signal were established and selected to build a Design of Experiments (DoE). A quantitative evaluation of the detection and the satisfaction of the 16 signals from the DoE was performed based on 80 subjects in autonomous driving conditions. The influents parameters of the signals on the two evaluated criteria, and the settings optimizing the satisfaction and insuring a high detection level were identified by modelling. Finally, a simulator study showed the interest of tactile modality in addition to auditory modality during take-over request.