This work focuses in two main directions of rotor dynamics field, the simulation of rotor bearing systems and the fault diagnosis. From the serious multiple faults that can appear in a rotor bearing system two of them are the target of current research: the transverse fatigue crack of a rotor and the radial extended wear in a bearing. The transverse crack is a defect able to bring a catastrophic failure of the system when the growth (depth) takes high percentage values relatively to radius of the shaft (i.e. >60%) and the symptoms of crack presence have been widely investigated during last four decades yielding efficient methods for the early crack detection. On the other hand the defect of bearing wear is much less investigated without results connected with wear diagnosis methods. Concerning previous works in those two defects the current dissertation’s persuasion is firstly to make a proposal in bearing wear detection, secondly to achieve a method definition able to detect a breathing transverse crack in a different way from those referred to literature. For the subject of crack detection, a different crack breathing model is proposed with emphasis in coupled local compliances definition and their variation during rotation while for the subject of bearing wear detection, a wear model from the literature is used with emphasis in rotor bearing system construction in a different way in relation to what up to now is available in literature. The rotor bearing system construction (simulation) is a matter widely investigated since early 60’s and some points of the current work try to differ in the way that the rotor and the fluid film bearings interact in discrete time. The concept of nonlinear fluid film forces is confronted in this work leaving out the nonlinear stiffness and damping bearing fluid film coefficients and assuming that during the journal whirling no equilibrium point must be defined in order to evaluate the future progress of vibration. Towards generality the fluid film bearings are not defined geometrically as short or long. These two specific geometric assumptions of short/long bearing appear widely in real machines and yield analytical expressions of fluid film forces but in current work the finite fluid film bearing is used demanding the well known finite difference method in order to evaluate the impedance forces, as many researches have propose. Both defects are met in a rotor bearing system parted from a continuous rotor and finite fluid film bearings. An entire chapter is dedicated in the way that Rayleigh equation of rotor motion incorporates internal damping using exclusively Real number confrontment, and in the way that fluid film forces react in rotor motion by defining boundary conditions in every discrete time moment. The definition of boundary conditions in discrete time makes them functions of the entire system response yielding a nonlinear dynamic system with the resulting time xx histories to be characterized from periodicity or quasi-periodicity sometimes depending in the defects presence. An extended analysis of time histories of the intact and the defected system is made in order to invest the symptoms of each defect in magnitudes of time and frequency domain. Timefrequency analysis is performed using continuous wavelet transform in virtually or really (the former from simulation, the latter from experiment) acquired time histories in order to extract the variable coupling phenomenon exclusively due to the breathing crack from the other two main reasons of coupling, the bearings and the shaft. Vertical response due to crack coupling is amplified when the crack coupled compliances become larger under an electromagnetic horizontal excitation in the rotor. This rapid in time variable coupling due to crack is used at last in order to detect the crack presence. The external excitation is used also in the case of wear detection since results of time-frequency analysis yield unexpected amplification of specific harmonics when the wear defect is present. Both considerations about the corresponding fault detection are tried in a real experimental system after the observation that response of the current rotor bearing simulation converges with the response of the physical system in characteristics that are judged important for the method robustness. The general speculation is that both defects have to be detected without the need of operation interruption since this cannot be feasible (high cost) in real turbo machinery plants and in an early growth that coincides with safe machine operation. The defect growths have to be at least 10% (of radius) for the crack and 20% (of radial clearance) for bearing wear so as the methods to be efficient. / Η συγκεκριμένη διατριβή επικεντρώνεται κυρίως σε δύο κατευθύνσεις του αντικειμένου της δυναμικής των περιστρεφόμενων αξόνων: την προσομοίωση συστημάτων αξόνων και εδράνων και την ανίχνευση βλαβών σ΄αυτά τόσο σε αναλυτικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Από τις συνήθως απαντώμενες βλάβες σε τέτοια συστήματα δύο από αυτές αποτελούν στόχους για τη συγκεκριμένη εργασία: η εγκάρσια ρωγμή λόγω κόπωσης του άξονα και η ακτινική φθορά των εδράνων ολίσθησης. Η εγκάρσια ρωγμή είναι μία βλάβη ικανή να επιφέρει ολοκληρωτική καταστροφή της μηχανής στην οποία παρουσιάζεται, όταν η έκτασή της υπερβαίνει το 60% περίπου της διαμέτρου και τα συμπτώματα της ρωγμής στην ταλαντωτική συμπεριφορά του συστήματος έχουν εκτενώς διερευνηθεί τις τελευταίες δεκαετίες, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ποικίλων μεθόδων για την έγκαιρη ανίχνευση της βλάβης. Αντιθέτως, η φθορά των εδράνων αποτελεί μία βλάβη πολύ λιγότερο διερευνημένη συγκριτικά με τη ρωγμή, χωρίς αποτελέσματα για την διάγνωσή της κατά τη λειτουργία της μηχανής. Έχοντας υπ’ όψη τις εργασίες των προηγουμένων ετών στο αντικείμενο της ανίχνευσης αυτών των δύο βλαβών, η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο πρωτίστως να προτείνει μεθόδους για την ανίχνευση της φθοράς του εδράνου και δευτερευόντως να επιτύχει την ανίχνευση της ρωγμής με ένα διαφορετικό ως προς τη φιλοσοφία, και απλό ως προς την εφαρμογή τρόπο, αναφορικά με τις μέχρι σήμερα μεθόδους. Για το αντικείμενο της ανίχνευσης της ρωγμής, προτείνεται αρχικά μία διαφορετική προσομοίωση της συμπεριφοράς της κατά την περιστροφή με έμφαση στον υπολογισμό των τοπικών ενδοτικοτήτων σύζευξης κατά την διάρκεια της λειτουργίας του συστήματος, ενώ για το αντικείμενο της ανίχνευσης της φθοράς χρησιμοποιείται ένα ήδη υπάρχον μοντέλο από τη βιβλιογραφία. Και οι δύο βλάβες ενσωματώνονται σε μία νέα ως προς τη βιβλιογραφία προσομοίωση συστήματος αξόνων και εδράνων η οποία αντιμετωπίζει τον άξονα και τα έδρανα ως ένα ενιαίο σύστημα χρησιμοποιώντας τις πιο ακριβείς έως τώρα προσεγγίσεις ταλάντωσης συνεχούς μέσου και της υδροδυναμικής θεωρίας των εδράνων. Η προσομοίωση συστημάτων αξόνων και εδράνων είναι ένα ζήτημα ευρέως διερευνημένο από τις αρχές της δεκαετίας του ΄60 και ορισμένα στοιχεία της παρούσας διατριβής, πάνω στην αντιμετώπιση του θέματος αυτού, έχουν ως στόχο τη βελτίωση με την παρούσα ανάλυση της υπάρχουσας γνώσης, για τον τρόπο που έδρανο και άξονας αλληλεπιδρούν σε διακριτό χρόνο. xxii Το θέμα των μη γραμμικών δυνάμεων του φιλμ λιπαντικού των εδράνων αντιμετωπίζεται σε αυτή τη διατριβή υπολογίζοντας κατευθείαν τις μη γραμμικες δυνάμεις που ασκούνται από το φιλμ στον άξονα. Η παραδοχή αυτή βοηθάει την προσομοίωση ιδιαίτερα σε περιπτώσεις που δεν υπάρχει σημείο ισσοροπίας λόγω περιδήνησης μεγάλου εύρους ή λειτουργείας σε κρίσιμη ταχύτητα. Επίσης, για λόγους γενικότητας και πληρότητας της προσομοίωσης, δεν γίνεται η κατά κόρον κατά τη βιβλιογραφία παραδοχή του εδράνου απείρου μήκους (infinitely long bearing) ή του εδράνου αμελητέου μήκους (infinitely short bearing). Αυτές οι δύο ακραίες υποθέσεις για το έδρανο επιτρέπουν αναλυτικές εκφράσεις για τη υδροδυναμική λίπανση αλλά δεν απαντώνται απαραίτητα στην πραγματικότητα. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιούνται πεπερασμένα έδρανα τα οποία επιλύονται με ήδη γνωστό και αξιόπιστο τρόπο, όπως πολλοί ερευνητές έχουν προτείνει, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. Η ανάγκη για την παρουσία εσωτερικής (υστερητικής) απόσβεσης στην προσομοίωση του συνεχούς άξονα είναι αναπόφευκτη, από τη στιγμή που απαιτούνται λύσεις πάνω στο συντονισμό, ούτως ώστε να αναδειχθούν οι επιδράσεις των βλαβών, που στη περιοχή του συντονισμού γίνονται εντονώτερες. Ο απειρισμός της απόκρισης, απουσία εσωτερικής απόσβεσης, δεν αφήνει περιθώρια για διερεύνηση των επιπτώσεων των βλαβών πάνω στην κατάσταση συντονισμού και για το λόγο αυτό η εσωτερική υστερητική απόσβεση ενσωματώνεται προκειμένου να επιτρέψει υπολογισμό της απόκρισης. Ο τρόπος με τον οποίο εισάγεται η υστερητική απόσβεση δεν διαφοροποιείται από τη βιβλιογραφία καθώς η απόσβεση εισάγεται με τη χρήση του μιγαδικού μέτρου ελαστικότητας και διάτμησης αλλά η επίλυση του προβλήματος αντιμετωπίζεται με τη χρήση μόνο πραγματικών αριθμών προκειμένου να είναι εφικτή η εισαγωγή των εδράνων στο σύστημα. Διεξάγεται μια εκτεταμένη ανάλυση των χρονοσειρών του συστήματος με και χωρίς βλάβη, προκειμένου να διερευνηθούν τα συμπτώματα κάθε βλάβης στα πεδία χρόνου και συχνότητας. Η ανάλυση χρόνου-συχνότητας εκτελείται χρησιμοποιώντας το Συνεχή Μετασχηματισμό Wavelets (CWT) στις πειραματικές και αναλυτικές χρονοσειρές προκειμένου να εξαχθεί το μεταβλητό φαινόμενο συζεύξεων που οφείλεται αποκλειστικά στην ανοιγοκλείνουσα ρωγμή, από τους άλλους δύο κύριους λόγους της σύζευξης, δηλ. αυτούς των ανισότροπων εδράνων και των συζευγμένων εξισώσεων του περιστρεφόμενου άξονα. Εδώ χρησιμοποιήθηκε η ιδέα της χρήσης εξωτερικού ηλεκτρομαγνητικού διεγέρτη οριζόντιας διεύθυνσης, κατάλληλης συχνότητας και εύρους, ώστε να αναδειχθούν χαρακτηριστικά των βλαβών κατά τη λειτουργία. Η κατακόρυφη απόκριση, εξ αιτίας της σύζευξης ταλαντώσεων λόγω της ρωγμής, ενισχύεται όταν η ρωγμή βρίσκεται σε θέση όπου οι ενδοτικότητες σύζευξης γίνονται μεγαλύτερες, σε σχέση με την οριζόντια διεύθυνση xxiii εφαρμογής της ηλεκτρομαγνητικής διέγερσης στον άξονα. Αυτή η μεταβλητή σύζευξη παρουσιάζεται μόνο λόγω της ρωγμής και χρησιμοποιείται τελικά για την ανίχνευσή της. Η εξωτερική διέγερση χρησιμοποιείται επίσης και στην περίπτωση της ανίχνευσης φθοράς, δεδομένου ότι η ανάλυση των ταλαντώσεων στο πεδίο του χρόνου ή της συχνότητας, δείχνει ότι ενισχύονται συγκεκριμένες αρμονικές όταν η φθορά υπεισέρχεται στο σύστημα. Και οι δύο μέθοδοι για την αντίστοιχη ανίχνευση των βλαβών δοκιμάζονται σε ένα πραγματικό πειραματικό σύστημα. Η φιλοσοφία της μεθόδου ανίχνευσης των βλαβών βασίζεται στο ότι και οι δύο βλάβες πρέπει να ανιχνευθούν κατά τη λειτουργία του συστήματος. Πράγματι, υπάρχει η ανάγκη για έγκαιρη διάγνωση των βλαβών, σε πρώϊμο στάδιό τους, στο χρονικό διάστημα που μεσολαβεί ανάμεσα σε δύο διαδοχικές συντηρήσεις διασφαλίζοντας την ασφαλή λειτουργία των μηχανών. Η έκταση των προς ανίχνευση βλαβών πρέπει να είναι τουλάχιστον 20% (της ακτίνας) για τη ρωγμή και 20% (της ακτινικής χάρης) για την φθορά έτσι ώστε η μέθοδος ανίχνευσης να χαρακτηρίζεται αποδοτική. Οι κύριοι στόχοι της παρούσας διατριβής είναι: Η προσομοίωση ενός περιστρεφομένου και εσωτερικά αποσβενύμενου συνεχούς άξονα, εδραζομένου σε φθαρμένα ή μη πεπερασμένα έδρανα ολίσθησης. Η προσομοίωση και ο υπολογισμός των τοπικών καμπτικών ενδοτικοτήτων σύζευξης της περιστρεφόμενης ανοιγοκλείνουσας ρωγμής και η προσομοίωση των συζευγμένων ταλαντώσεων του ρηγματωμένου συστήματος άξονα-εδράνων. Η αναλυτική και πειραματική εφαρμογή του ρηγματωμένου και του φθαρμένου συστήματος και η διερεύνηση των επιδράσεων της ρωγμής και της φθοράς στην ταλαντωτική του συμπεριφορά. Η ανάπτυξη μεθόδων έγκαιρης ανίχνευσης της ρωγμής και της φθοράς.

Les structures maçonnées sont largement connues en génie civil comme constituant d’une partie des bâtiments, mais également en tant que garnissages réfractaires dans des structures utilisées à hautes températures, par exemple en sidérurgie. Malheureusement, les outils actuels ne sont pas suffisamment puissants pour prédire le comportement de ces structures avec l’apparition de fissures et pour tenir compte du comportement non linéaire d’un des deux constituants (le mortier par exemple). Ce travail de thèse contribue à la modélisation multi-échelles des maçonneries classiques et des garnissages réfractaires avec un faible coût numérique grâce à la technique d’homogénéisation périodique. Les techniques de modélisation et de simulation du comportement des maçonneries sont présentées et développées. L’influence des lois d’interface entre briques et mortier, des paramètres géométriques et matériels, ainsi que de la densité des fissures sur le comportement effectif des maçonneries est étudié. Trois approches (une extension analytique de Cecchi et Tralli, une approche numérique et un modèle micromécanique) sont proposées pour la détermination du comportement effectif d’une cellule périodique dans le cas de maçonneries avec mortier viscoélastique microfissuré et briques saines élastiques ou rigides. Les résultats des calculs sur deux exemples de maçonneries (1D et 2D) ont confirmé que l’approche multi-échelle est une solution appropriée avec une grande capacité à exprimer le comportement des maçonneries viscoélastiques microfissurées. Ce travail, limité au cas sans propagation de fissures, peut être étendu aux mortiers à comportement viscoplastique. / Masonry structures are widely used in civil engineering as part of buildings or in refractory linings of structures working at high temperatures, like in steel industry. Unfortunately, the present tools are not powerful enough to predict the behavior of these structures at their micro-cracked state and/or if one of their constituents behaves nonlinearly (e.g. the mortar). This research contributes to the multi-level modeling of classical masonries and refractory linings with a low numerical cost using basically the periodic homogenization technique. Modeling and simulation techniques of masonry behavior are presented and developped. The influence of interface law between bricks and mortar, of geometrical and material parameters, and of crack density on the effective masonry behavior is studied. Three approaches (analytical extension of Cecchi and Tralli, numerical approach and micromechanical modeling) were proposed to determine the effective behavior of a periodic masonry cell with micro-cracked viscoelastic mortar and safe elastic or rigid bricks. The results obtained on two examples of masonry (1D and 2D) confirmed that the multi-scale approach is a suitable solution with a great ability to model the effective behavior of microcracked viscoelastic masonry. This work, actually limited to the case without crack propagation, could be extended to mortars with viscoplastic behavior.

[pt] A técnica de correlação digital de imagens (Digital Image Correlation, DIC) é uma técnica óptica de campo global que consiste na análise de imagens da superfície de um espécime antes e após seu carregamento para determinação de campos de deslocamentos e deformações. Neste trabalho foram usados um sistema DIC estereoscópico convencional 3D, para aplicações em campos de visão (macro) da ordem de 200mmx200mm, e um sistema DIC estereomicroscópico 3D, para aplicações em áreas tão pequenas quanto 1mm quadrado. Para a análise de deformações em campos com dimensões tão diferentes precisou-se desenvolver uma metodologia para controlar parâmetros da técnica DIC, tais como dimensões de pontos (speckles) impressos no espécime e tamanhos de subsets e steps usados para a correlação das imagens captadas. A seleção dos problemas estruturais para aplicação da técnica levou em conta não só a diversidade destes, como também o pioneirismo das aplicações de DIC a problemas nos quais podem ser gerados resultados que melhor ajudem na compreensão de suas facetas específicas. Assim, a técnica foi aplicada à medição de deformações em tubos com defeitos por suas vantagens de medição de grandes deformações e de visualização de regiões de interesse, sob a forma de campos globais de deformações. Na área de determinações de propriedades mecânicas de materiais compósitos, foram realizadas medições em espécimes não convencionais de resina epóxi reforçados por fibras de carbono ou fibras de vidro para determinação de suas propriedades elásticas. Por fim, foram realizadas medições em um espécime Compact Tension Specimen CTS de aço grau API 5LX60 contendo uma trinca e em espécimes com entalhes profundos (concentrações de tensões) constituídos por materiais distintos (policarbonato e alumínio), para obtenção de campos de deslocamentos e de deformações elastoplásticas. Nestas aplicações os resultados obtidos com a técnica DIC foram comparados com aqueles obtidos com modelos de elementos finitos (EF), com medições com extensômetros de resistência elétrica (strain gages) e com resultados analíticos publicados na literatura. Levando-se em conta as comparações feitas, a grande maioria dos experimentos realizados pode ser considerada satisfatória. Ao longo da tese foram descritas as adaptações, considerações e boas práticas consideradas necessárias para obtenção de bons resultados nas diferentes medições e para os diferentes aparatos experimentais utilizados. Estas recomendações serão bastante úteis para medições futuras ou mesmo para auxiliar na avaliação de confiabilidade de alguns resultados apresentados na literatura especializada. / [en] The digital image correlation (DIC) technique is a global field optical technique that consists in the analysis of images taken from the surface of a specimen before and after being subjected to a load, in order to determine displacement and strain fields. In the current work, both conventional 3D stereoscopic and micro-stereoscopic DIC systems were used, the former for applications in macroscopic fields of view (of the order of 200mm x 200mm), and the latter for applications in surface areas as small as 1mm square. For strain analysis in fields with such varied dimensions, the development of a methodology to control some parameters of the technique was required. Among the parameters to be controlled were dimensions of speckles printed on the specimen and size of the subsets and steps used in the image correlation procedure. The selection of structural problems to be analyzed by the DIC technique took into account not only diversity, but also the pioneering aspect in terms of DIC application to problems which can generate results that lead to a better comprehension of its specific issues. Hence, the technique was applied to the measurement of global strain fields in defective tubes, due to the advantages in measuring large strains and visualizing the regions of interest in such cases. For determination of the mechanical properties of composite materials, measurements were performed in non-conventional specimens made of epoxy resin and reinforced by carbon or glass fibers for evaluation of its elastic properties. Finally, measurements in a cracked Compact Tension Specimen (CTS) with degree of steel API 5LX60 and in specimens with deep notches (stress concentration) consisting of different materials (polycarbonate and aluminum) were carried out for estimation of displacement fields and elastoplastic strains. For those applications, the results were compared with those obtained from finite element models, from strain gages, and also with analytical results from the literature. Taking into account such comparisons, it can be said that the great majority of the experimental measurements was satisfactory. Throughout the current manuscript, the required adaptations, good practices needed to achieve reliable results from the different types of measurement and experimental apparatus, as well as other considerations, were carefully described. These recommendations will be quite useful for future measurements, or even to assist in the evaluation of the reliability of certain results presented in the specialized literature.

Les aciers inoxydables austéno-ferritiques présentent une microstructure biphasée dans laquelle se mêlent austénite et ferrite. Leurs caractéristiques mécaniques élevées ainsi que leur bonne tenue en corrosion en font un candidat sérieux pour remplacer les aciers inoxydables austénitiques. Malheureusement, la faible forgeabilité de ces alliages rend la fabrication de tôles particulièrement critique. En effet, le phénomène de « crique de rive » est fréquemment rencontré au cours des étapes du laminage à chaud. Par conséquent, cela nécessite des opérations supplémentaires comme le découpage des rives, ce qui aboutit à une augmentation des coûts de production. Les différents facteurs influençant la ductilité à chaud de ces aciers sont passés en revue afin d'identifier quels sont les zones d'ombres. La synthèse bibliographique révèle deux zones d'ombres : d'une part, le manque d'un essai de ductilité à chaud permettant de discriminer différentes microstructures en terme de résistance à la propagation de fissure à haute température ; et d'autre part l'absence de données quantitative concernant la partition de la déformation entre la ferrite et l'austénite lors des étapes de mise en forme à chaud. Le concept de travail essentiel de rupture a été appliqué à hautes températures. Il a été démontré que cette méthode est fiable et discriminante pour quantifier la résistance à la propagation de fissure à haute température. Elle permet également de générer un paramètre physique pertinent pour optimiser les microstructures par rapport à un mode de mise en forme donné. La technique conventionnelle de micro-grilles a été adaptée de manière à cartographier à haute température les déformations à l'échelle de la microstructure. Cette technique fournit en plus des résultats qualitatifs concernant les mécanismes de déformations, des données quantitatives à propos de la partition de la déformation entre la ferrite et l'austénite. Ces données peuvent être utilisées afin de valider les modèles qui prédisent le comportement à chaud des aciers duplex pendant les premières étapes du laminage à chaud. Les deux outils developpés au cours de cette étude permettent de donner des solutions pour éviter le phénomène de « crique de rives ». / The Duplex Stainless Steels (DSS) are defined as a family of stainless steels consisting of a two-phase microstructure involving δ-ferrite and γ-austenite. Exceptional combinations of strength and toughness together with good corrosion resistance under critical working conditions designate DSS a suitable alternative to conventional austenitic stainless steels. Unfortunately, the relatively poor hot workability of these alloys makes the industrial processing of flat products particularly critical. Cracking of the coils during hot rolling along the edges is frequently reported. As a consequence, additional operations like grinding, discontinuous processing or scraping are often required, leading to increased manufacturing costs. The different parameters affecting the hot working of duplex stainless steels have been reviewed in order to identify which are the missing pieces of the puzzle. The bibliographical review reveals that two pieces are missing in the hot workability puzzle. On the one hand, it is necessary to develop a new hot ductility test which allows discriminating microstructures in terms of high temperature tearing resistance, and on the other hand, quantitative data about the strain partitioning between ferrite and austenite during the hot working operations are needed. The Essential Work of Fracture concept has been applied at high temperature. It has been demonstrated that this method is a reliable and discriminating tool for quantifying the high temperature tearing resistance and to generate a physically relevant index to guide the optimization of microstructures towards successful forming operations. A modified micro-grid technique has been developed to experimentally simulate the local state of deformation of different duplex microstructures at high temperature. This technique provides qualitative results about the deformation features as well as quantitative data about the strain partitioning between ferrite and austenite. The micro-strain distributions measured can be used to validate the models predicting the hot deformation of duplex stainless steels during the roughing-mill operations. The two tools developed in this investigation allow suggesting possible remedies for the edge cracking phenomenon.

Propagation des fissures microscopiques, est représentée par des variables d’endommagement. L’évolution de la variable d’endommagement est généralement formulée sur la base d’observations expérimentales. De nombreux modèles phénoménologiques d’endommagement ont été proposés dans la littérature. L’objet de cette thèse est de développer une nouvelle procédure pour obtenir des lois d’évolution macroscopique d’endommagement,dans lesquelles l’évolution de l’endommagement est entièrement déduite de l’analyse de la microstructure. Nous utilisons une homogénéisation basée sur des développements asymptotiques pour décrire le comportement global à partir de la description explicite d’un volume élémentaire microfissuré.Nous considérons d’une part un critère quasi-fragile (indépendant du temps) puis un critère sous-critique(dépendant du temps) pour décrire la propagation des microfissures. De plus, le frottement entre les lèvres des microfissures est pris en compte. Une analyse énergétique est proposée, conduisant à une loi d’évolution d’endommagement qui intègre une dégradation de la rigidité, un adoucissement du comportement du matériau, des effets de taille et d’unilatéralité, mettant en avant un comportement différent à la rupture en contact avec et sans frottement. L’information sur les micro-fissures est contenue dans les coefficients homogénéisés et dans la loi d’évolution de l’endommagement. Les coefficients homogénéisés décrivent la réponse globale en présence de micro-fissures (éventuellement statiques), tels qu’ils sont calculées avec la(quasi-) solution microscopique statique. La loi d’endommagement contient l’information sur l’évolution des micro-fissures, résultant de l’équilibre énergétique dans le temps pendant la propagation microscopique.La loi homogénéisée est formulée en incrément de contrainte. Les coefficients homogénéisés sont calculées numériquement pour des longueurs de fissures et des orientations différentes. Cela permet la construction complète des lois macroscopiques. Une première analyse concerne le comportement local macroscopique, pour des trajets de chargement complexes, afin de comprendre le comportement prédit par le modèle à deux échelles et l’influence des paramètres micro structuraux, comme par exemple le coefficient de frottement. Ensuite, la mise en œuvre en éléments finis des équations macroscopiques est effectuée et des simulations pour différents essais de compression sont réalisées. Les résultats des simulations numériques sont comparés avec les résultats expérimentaux obtenus en utilisant un nouvel appareil triaxial récemment mis au point au Laboratoire 3SR à Grenoble (France). / In continuum damage models, the degradation of the elastic moduli, as the results of microscopic crackgrowth, is represented through damage variables. The evolution of damage variable is generally postulatedbased on the results of the experimental observations. Many such phenomenological damage modelshave been proposed in the literature. The purpose of this contribution is to develop a new procedurein order to obtain macroscopic damage evolution laws, in which the damage evolution is completelydeduced from micro-structural analysis. We use homogenization based on two-scale asymptotic developmentsto describe the overall behaviour starting from explicit description of elementary volumes withmicro-cracks. We consider quasi-brittle (time independent) and sub-critical (time dependent) criteria formicro-cracks propagation. Additionally, frictional contact is assumed on the crack faces. An appropriatemicro-mechanical energy analysis is proposed, leading to a damage evolution law that incorporates stiffnessdegradation, material softening, size effect, and unilaterality, different fracture behaviour in contactwithout and with friction. The information about micro-cracks is contained in the homogenized coefficientsand in the damage evolution law. The homogenized coefficients describe the overall response inthe presence of (possibly static) micro-cracks, as they are computed with the (quasi-) static microscopicsolution. The damage law contains the information about the evolution of micro-cracks, as a result ofthe energy balance in time during the microscopic propagation. The homogenized law is obtained in therate form. Effective coefficients are numerically computed for different crack lengths and orientations.This allows for the complete construction of the macroscopic laws. A first analysis concerns the localmacroscopic behaviour, for complex loading paths, in order to understand the behaviour predicted bythe two-scale model and the influence of micro structural parameters, like for example friction coefficient.Next, the FEM implementation of the macroscopic equations is performed and simulations for variouscompression tests are conducted. The results of the numerical simulations are compared with the experimentalresults obtained using a new true-triaxial apparatus recently developed at the Laboratory 3SRin Grenoble (France).

Abstract The qualitative and quantitative characteristics of each component layer constituting the structure of organic bulk heterojunction solar cells (OSC-BHJ) contribute significantly towards its overall performance. One of the prevalent issues resulting in reduced device efficiency is due to the conformational inhomogeneities in the active and buffer layers. The mechanical stress, extended thermal exposure and presence of mutually reactive component layers etc., affects negatively on the device stability. Effective methods to address these issues will be extensively benefited by the industry since the current commercialisation of the technology is hindered owing to the lower efficiency and stability of these devices. This dissertation focuses on methods to coherently enhance the performance and longevity of the OSC-BHJ devices. The efficiency enhancements of the devices in this work were achieved through two main routes. The first route was through morphological improvement of the active layer. The second route was through boosting the electrical characteristics of hole transporting conducting polymer layer (HTL) by controlled annealing conditions. The introduction of a suitable additive in the active layer was found to reduce unfavourable phase segregation thus resulting in enhanced morphology. Further, the annealing conditions in different atmospheres (air, nitrogen and vacuum) were found to have a clear influence on the optimum functioning of the HTL in the device. Regarding the stability improvement study done in this work, a method of employing suitable interlayer was developed to effectively abate the internal degradation occurring in the device due to etching reaction on the indium tin oxide (ITO) anode by the HTL. Moreover, experimental investigations were carried out for drawing fundamental understanding of stability degenerating issues such as the influence of mechanical defects on transparent conducting metal oxide (ITO) anode on the performance of the device and heat induced degradations in the low band gap polymer-fullerene active layer. The highlight of this research is that the discovered methods are inexpensive, efficient, and easy to adopt. The results of the study could help the technology to overcome some of its limitations and accelerate its progress towards commercialisation. / Tiivistelmä Orgaanisten heteroliitosaurinkokennojen kerrosrakenteen ominaisuudet ja laatu vaikuttavat merkittävästi aurinkokennojen toiminnallisuuteen. Erityisesti rakenteelliset epähomogeenisuudet aktiivi- ja puskurikerroksissa heikentävät kennon hyötysuhdetta. Kennojen stabiilisuutta tarkasteltaessa myös mekaanisella rasituksella, pitkittyneellä lämpöaltistuksella ja materiaalien reagoinneilla keskenään kerrosten välillä, on selkeä negatiivinen vaikutus kennojen stabiilisuuteen. Orgaanisen aurinkokennoteknologian kaupallistamisen rajoitteina ovat kennojen heikko hyötysuhde ja stabiilisuus, joten menetelmät jotka tarjoavat ratkaisuja edellä mainittuihin ongelmiin, ovat erittäin tärkeitä teknologiaa kaupallistavalle teollisuudelle. Tämä väitöskirja keskittyy johdonmukaisesti selvittämään tapoja, joilla voidaan parantaa heteroliitosaurinkokennojen hyötysuhdetta ja elinikää. Hyötysuhteen tehostamiseksi valittiin kaksi eri lähestymistapaa, joista ensimmäisessä keskityttiin aktiivikerroksen morfologian parantamiseen ja toisessa aukkoja kuljettavan kerroksen sähköisten ominaisuuksien parantamiseen lämpökäsittelyprosessin avulla. Sopivan lisäaineen avulla aktiivikerroksen ei-toivottua kiteytymistä voidaan pienentää ja parantaa näin kerroksen morfologiaa. Lisäksi työssä todettiin, että lämpökäsittelyn aikaisella ympäristöolosuhteella (ilma, typpi, tyhjiö) on merkittävä vaikutus puskurikerroksen optimaaliseen toimintaan aurinkokennossa. Stabiilisuuden parantamiseksi kehitettiin välikerroksen hyödyntämiseen perustuva menetelmä, jolla voidaan tehokkaasti vähentää kennojen sisäisessä rakenteessa tapahtuvaa toiminnallisuuden heikkenemistä, joka aiheutuu aukkoja kuljettavan kerroksen syövyttävästä vaikutuksesta indiumtinaoksidi (ITO) pohjaiseen anodiin. Tämän lisäksi työssä tutkittiin kokeellisesti stabiilisuuteen heikentävästi vaikuttavia tekijöitä, kuten mekaanisen rasituksen aiheuttamia vaurioita metallioksidi (ITO) anodissa ja lämpöaltistuksesta aiheutuvia vikoja polymeeri-fullereeni rakenteeseen perustuvassa aktiivikerroksessa. Tutkimuksen keskeisin tulos on, että esitellyt keinot aurinkokennojen hyötysuhteen ja stabiilisuuden parantamiseen ovat edullisia, tehokkaita ja helppoja hyödyntää. Tulokset voivat merkittävästi edistää orgaanisten aurinkokennojen teknistä kehitystä ja kiihdyttää niiden tuloa kaupallisiksi tuotteiksi.

Le séchage et l’imbibition sont des phénomènes physiques indispensables, de nos jours, à la formulation de nombreux matériaux en milieu industriel. Ces phénomènes, comme on peut l’observer avec l’apparition de fissures lors du séchage d’une peinture fraichement appliquée, peuvent affecter de manière irréversible l’aspect, l’intégrité ou la durabilité du matériau concerné. De plus, dans l’industrie, la connaissance des mécanismes physiques mis en jeu lors de ces étapes de séchage ou d’imbibition reste fréquemment empirique, conduisant à de fortes consommations d’énergie. La compréhension fondamentale de ces phénomènes représente donc un enjeu industriel majeur.En utilisant des techniques de mesure telles que l’Imagerie à Résonnance Magnétique (IRM) ou la microscopie électronique, nous nous sommes intéressés à la physique des écoulements fluides dans des milieux poreux modèles, déformables ou non-déformables, dont la taille caractéristique des pores varie de l’échelle du millimètre à celle de quelques nanomètres.Le résultat essentiel de ces travaux de thèse est la démonstration que l’évolution de la distribution de liquide dans ces milieux modèles, lors du séchage, provient de la compétition entre deux phénomènes physiques, quelle que soit la taille des pores, et que le matériau fissure ou subisse du retrait. Ces phénomènes physiques sont : le ré-équilibrage capillaire, ayant lieu lors de la substitution de l’eau par l’air dans le milieu poreux, provoquant un écoulement fluide selon la direction du gradient des pressions de Laplace imposé au liquide par l’évaporation, et le développement d’une région sèche apparente depuis la surface libre de l’échantillon.Plus précisément, nous montrons que le phénomène de ré-équilibrage capillaire est permanent lors du séchage et permet de maintenir une saturation homogène dans les régions humides de l’échantillon quel que soit le régime de séchage rencontré ou la taille des pores de cet échantillon. Pour des pores de dimension supérieure à quelques nanomètres, nous montrons que le séchage s’opère en deux étapes : une première période à fort taux de séchage dont la durée décroit avec la réduction de la taille des pores, cette étape est suivie d’une seconde période présentant le développement d’une région sèche depuis la surface de l’échantillon provoquant une chute du taux de séchage. Nous démontrons aussi que les phénomènes de fracturation et de retrait peuvent influer de façon significative sur la durée de cette première période.Quand la taille des pores devient inferieure à quelques nanomètres, nous montrons que l’infime rayon de courbure de l’interface eau-air développant dans les pores du milieu poreux tend à limiter le taux d’évaporation de l’échantillon et entraine sa décroissance progressive au cours du séchage. De manière surprenante, dans ce cas particulier, la distribution d’eau à travers l’échantillon reste homogène tout au long du séchage. Cette dernière observation nous renseigne sur le fonctionnement du mécanisme de ré-équilibrage capillaire dans les nano-pores et montre que les propriétés d’écoulement liquides en milieux confinés diffèrent grandement de celles rencontrées dans des milieux plus grossiers / Drying and imbibition are widely used in industry to formulate and process materials. Familiar to anyone who ever filled a sponge with water and left it to dry, or spread a coat of paint, fluid to solid transitions may affect the aspect, the integrity and the durability of the material processing. Moreover, in industry this transitional steps frequently relies on empirical techniques for the control of both of these phenomena, resulting in an overconsumption of energy. The understanding of the mechanisms behind drying and imbibition are therefore of crucial industrial stakes.Using measurement techniques such as MRI imaging or electron microscopy, we studied the physics of fluid flow within model deformable and non-deformable porous media with pore sizes ranging from a couple of millimiters to a few nanometers, during imbibition or drying.A fundamental discovery our work features is the demonstration that during convective drying, in any case, namely even down to a nanometric pore size, and even if the material shrinks or fracture during the process, the liquid distribution within a sample evolves from the competition between two phenomena. Particularly, capillary re-equilibration caused by capillary effects inducing liquid flow to equilibrate Laplace pressure throughout the partially saturated regions of the samples, and, the inward development of an apparent dry region from the surface of the sample exposed to the airflow.In details, this manuscript shows that at all time capillary-equilibration enables to maintain a homogeneous saturation within the wet region of the porous sample and two regimes may be distinguished from considerations on the drying rate and the pore size of the material. Namely, for pore sizes superior to a couple of nano meters, a first regime exhibits a high drying rate down to lower saturation with increasing pore size, followed by a second regime where a dry region develops from the sample free surface, resulting in a falling rate period. Note that deformation such as shrinkage and crack may convey the extension of the period of high rate. However, in smaller pores the small curvature of the air-water interface limits the evaporation rate from the very beginning of the process and gives rise to a progressively decreasing drying rate while a homogeneous distribution of water is maintained throughout the sample. This last piece of information emphasizes that in nano-pores capillary equilibration still occurs in a series of instantaneous scattered rearrangements of liquid throughout the sample and finally that the flowing properties of the liquid strongly differ from standard unidirectional liquid flow

Recent developments show the applications of smart structure in different engineering fields. Smart structures can be used for shape and vibration control, structural health monitoring etc. Smart materials can be integrated to composite structure to enhance its abilities. Fiber reinforced composites are the advanced materials of choice in aerospace applications due to its high strength and stiffness, light weight and ability to tailor according to the design requirements. Due to complex manufacturing process and varying operating conditions, composites are susceptible to variation in material properties and damages. The present study focuses on the effect of uncertainties in material properties and damages on a smart composite structure. A cantilevered composite plate with surface mounted piezoelectric sensor/ actuator is considered in this study. The sensors and the actuators are connected through a conventional feedback controller and the controller is configured for vibration control application. Matrix cracks are considered as damage in the composite plate. To study the effect of material uncertainty, probabilistic analysis is performed considering composite material properties and piezoelectric coefficients as independent Gaussian random variables. Numerical results show that there is substantial change in dynamic response of the smart composite plate due to material uncertainties and damage. Deviation due to material uncertainty and damage can be compensated by actively tuning the feedback control system. Feedback control parameters can be properly adjusted to match the baseline response. Here baseline case represents the response of the undamaged smart composite plate with deterministic material properties. The change in feedback control parameters are identified as damage indicator. Feedback control based damage detection method is proposed for structural health monitoring in smart composite structure and robustness of the method is studied considering material uncertainties. Fractal dimension based damage detection method is proposed to detect localized matrix cracks in a composite plate with spatially varying material properties. Variation in material properties follows a two dimensional homogeneous Gaussian random field. Fractal dimension is used to extract the damage information from the static response of composite plate with localized matrix cracks. It is found that fractal dimension based approach is capable of detecting the location of the single and multiple damages from the static deflection curve. Robustness of the fractal dimension based damage detection method is studied considering spatial uncertainties in material properties.

The diploma thesis deals with design and comparison of variants of cast-in-place concrete sewage tank made from reinforced concrete and pre-stressed concrete. The layout of sewage tank is rectangular. The tank is in longitudinal way divided into two chambers. The tank is not roofed and is partialy embedded in the ground. The design for ultimate limit state and for service limit state is made for both variants. There is focus on generation and development of cracks in service limit state. For calcuation of internal forces is used model made in software SCIA Engineer, based on finite element method. The reinforced concrete and pre-stressed concrete versions are compared in last part in term of volumes of materials needed. Also there are proposed possible savings.

This diploma thesis deals with the analysis of reinforced concrete structure with masonry walls. Scia Engineer was used for finite element analysis. The spatial models include nonlinear behavior of masonry. Furthermore, the ceiling slab above the 1st floor, beams and columns were designed.