Power system maintenance optimisation involves obtaining the minimum total costs, including preventive and corrective maintenance costs and the cost of failures for both supplier and customer. To calculate the cost of failure, information is needed about the equipment reliability characteristics. It is also necessary to know how maintenance affects component reliability. The aim of the work leading up to this thesis has been to develop reliability models that include the effect of maintenance. Three case studies have been carried out for different types of power system components using three distinct methods. In the first study the reliability of the first generation XLPE cables was modelled with respect to failures caused by water treeing using load-strength modelling. The model was based on assumptions of the ageing process and the distribution system characteristics. This study showed that it is possible to and overvoltage and insulation characteristics that can be fitted to agree with failure statistics for water tree ageing in XLPE cables. The second case study included a study of all circuit breaker failures in the Swedish transmission grid during the period from 1 January 1999 to 30 June 2003. In a subsequent investigation a method to combine information from the design process with maintenance records and failure statistics was employed using Bayesian methods. The resulting reliability model is continuously updated as more failure and maintenance data becomes available. This case study showed that it is possible to develop reliability models for components that have not yet failed by utilising information from the design process and right-censored observations from inspections. Finally, in the third case study a quantitative method for establishing the condition of disconnector contacts by the use of thermography was developed. Two sets of measurements on disconnector contacts in the Swedish transmission grid were carried out to establish the accuracy of the method. By utilising the results from the measurements estimates of the statistical distributions of the error sources were produced. The results from the case studies show that the lack of detailed, high-quality data remains a critical problem when modelling reliability of power system equipment, even when using methods that require a minimum of data. / QC 20101209

O presente trabalho consiste basicamente num estudo experimental de juntas híbridas metal-compósito unidas mecanicamente por fixadores. Foram analisadas juntas fabricadas através de uma chapa metálica de titânio unida a uma placa em compósito de fibra de carbono e resina epóxi por fixadores de monel. As juntas avaliadas são juntas simples (\"single lap joint\"), ou seja, as mesmas foram submetidas ao simples cisalhamento. Antes, porém, dos ensaios das juntas, foram fabricados corpos-de-prova (CDPs) do compósito seguindo as especificações das normas ASTM D3039 e ASTM D3518. Os ensaios de tração e cisalhamento dos CDPs de compósito possibilitaram a determinação de propriedades mecânicas, bem como de valores de resistência. Sob posse das propriedades e resistência média, foram executadas simulações computacionais via Método dos Elementos Finitos com o intuito de prever o comportamento mecânico das juntas a serem ensaiadas seguindo a norma ASTM D5961 e, assim, delinear estratégias para os ensaios. Os ensaios das juntas foram realizados, possibilitando assim a avaliação do comportamento mecânico de juntas híbridas e de seus mecanismos de falha. Por fim, as conclusões e as perspectivas para trabalhos futuros foram apresentadas. / This work consists on an experimental investigation of hybrid joints (metal-composite) joined by fasteners. For this work, hybrid joints of titanium joined to composite (carbon fiber with epoxy resin) by monel fasteners were manufactured. Only single lap joints were investigated. However, before manufacturing specimens of joints, composite specimens were tested following the ASTM D3039 e ASTM D3518. The tensile and shear tests provided the mechanical properties and strength values of the composite. Finite element analyses of the hybrid joints were carried out, using average mechanical properties and strength values. These simulations followed the specifications of ASTM D5961 in order to predict the mechanical behavior of the joints during the experimental tests, as well as, provide a good strategy for the test setup. The experimental tests were carried out, observing the mechanical behavior and failure mechanisms of the hybrid joints. Finally, the conclusions and perspective of future works were showed.

Les systèmes d’imagerie médicale, principalement les systèmes à rayons X, sont devenus incontournables dans le diagnostic et le traitement des maladies complexes. Le générateur à rayons X fait partie des sous-systèmes critiques d’un système à rayons X. La technologie des générateurs à rayons X se complexifie et les contraintes vues par les composants augmentent. L’évaluation de la fiabilité du générateur à rayons X est par conséquent nécessaire afin d’optimiser la durée de vie de ce dernier. Dans ces travaux de thèse, une méthodologie d’évaluation de la fiabilité d’un générateur à rayons X est proposée. La méthodologie repose sur l’évaluation de la fiabilité allant du composant au système. Des essais de vieillissement sont d’abord réalisés au niveau des composants critiques du générateur afin d’identifier les mécanismes de défaillance et de construire les courbes de durée de vie permettant d’effectuer une prévision de fiabilité. Les paramètres du recueil de fiabilité FIDES ont aussi été utilisés pour construire les courbes de durée de vie des composants critiques. Une méthode de prévision de la fiabilité basée sur l’hypothèse du dommage cumulé avec la règle de Miner est proposée pour évaluer la durée de vie des composants critiques sous contraintes thermomécaniques. Cette méthode utilise les règles de comptage rainflow pour obtenir une distribution des différences de température vues par les composants critiques. Une association de fiabilité permet enfin d’estimer la durée de vie de chaque sous système du générateur à rayons X à travers ses composants critiques. / Medical imaging systems, mainly X-rays imaging systems, have become essential in the diagnosis and treatment of complex diseases. X-rays generator is one of the critical subsystems of a medical system. Its technology became more complex and constraints seen by the components increase. An assessment of X-rays generator reliability is therefore necessary to optimize its lifetime. In this thesis, a reliability assessment method of an X-rays generator is proposed. The methodology is based on the assessment of the reliability from component to system. Aging tests are first performed for X-rays generator critical components in order to identify failure mechanisms and build lifetime curves for performing reliability prediction. FIDES guide parameters were also used to construct critical components lifetime curves. A reliability prediction method based on the assumption of cumulative damage with Miner's rule is proposed to evaluate critical components lifetime under thermomechanical stresses. This method uses rainflow counting rules for the temperature cycles distribution of critical components. A reliability block diagram is finally used to estimate the lifetime of each X-ray generator subsystem through its critical components.

The main focus of this research is the transformation induced fatigue behavior of shape memory alloy (SMA) actuators undergoing thermally induced martensitic phase transformation. The recent development of aerospace applications employing shape memory alloys (SMAs) has expanded the need for fatigue life characterization and modeling. Lightweight, compact and with a great work output, SMAs are ideal materials for actuated structural components. However, fatigue life becomes a key factor in applications such as commercial airplanes. Therefore, it is necessary to not only perform fatigue testing but also to investigate the causes of fatigue failure. As a new class of materials, SMAs have unique characteristics and require novel test methodologies to conduct repeatable and reliable fatigue testing. For this research, two materials are being investigated: TiNiCu and Ni-rich NiTi. The experiments performed on the first selected alloy, i.e. TiNiCu SMA, explore three major parameters: the applied stress level, the amount of actuation, and the corrosive nature of the environment. Experimental results show that SMAs undergoing transformation induced fatigue exhibit a low-cycle fatigue behavior and the measurement of the accumulated plastic strain at failure is associated to a Manson-Coffin type failure criterion. Investigations conducted on the post-mortem microstructure showed evidence of a multiphysical coupling between corrosion and cyclic phase transformation, from which a novel cyclic damage mechanism is proposed and explained using the micromechanical shear lag model accounting for actuation and accumulated plastic strains. Thereafter, based upon the identified failure mechanism and considering damage accumulation through crack formation, a stress renormalization procedure is proposed in combination with the Miner’s rule to predict the reduction of number of cycles to failure due to cyclic phase transformation and corrosion. A direct method is first presented and the predictions show good agreement with experimental results. However, both corrosion and corrosion-free fatigue data are required. Therefore, a new approach is proposed: the inverse Miner’s rule, which requires corrosion fatigue data only to predict corrosion-free life. The new and attractive properties of the selected second alloy, i.e. Ni-rich NiTi SMA, have revived the motivation of the aerospace industry to design SMA actuators. One particular property is cyclic stability generated by precipitation hardening mechanism using precipitates. However, are also precipitates due to high Nickel content (60 wt.% or 55 at.%). Parameters such as processing, heat treatments, size effects, surface quality and environment are investigated. Thermomechanical response and fatigue life are discussed and the greatest impact is found to come from specimen surface quality. Finally, a detailed fractography presents the different microstructural aspects of the fatigue damage and concludes to a precipitation driven fatigue failure mechanism cause by precipitates.

Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit portent sur l’étude d’électrodes de silicium, matériau prometteur pour remplacer le graphite en tant que matériau actif d’électrode négative pour accumulateur Li-ion. Les mécanismes de (dé)lithiation du silicium sont d’abord étudiés, par Spectroscopie des Electrons Auger (AES). En utilisant cette technique de caractérisation de surface, qui permet d’analyser les particules individuellement dans leur environnement d’électrode, nos résultats montrent que la première lithiation du silicium s’effectue selon un mécanisme biphasé cr-Si / a-Li3,1Si tandis que les processus de (dé)lithiation suivants apparaissent complètement différents et sont du type solution solide. Ces mécanismes d’insertion / désinsertion du lithium conduisent à des variations volumiques importantes des particules de matériau actif lors du cyclage, à l’origine d’une détérioration rapide des performances électrochimiques. En combinant plusieurs techniques de caractérisation, les mécanismes de dégradation d’une électrode de silicium sont étudiés au cours du vieillissement. En utilisant en particulier la spectroscopie d’impédance électrochimique et des analyses par porosimétrie mercure, une véritable dynamique de la porosité de l’électrode est mise en évidence lors du cyclage. Un modèle de dégradation, mettant en cause principalement l’instabilité de la Solid Electrolyte Interphase (SEI) à la surface des particules de silicium, est proposé. Pour tenter de stabiliser cette couche de passivation et ainsi améliorer les performances électrochimiques des électrodes de silicium, l’influence de deux paramètres est étudiée : l’électrolyte et le « domaine de lithiation » du silicium, ce dernier paramètre étant associé à l’évolution de la composition du matériau actif lors du cyclage. A l’issue de ces travaux, des performances prometteuses sont obtenues pour des accumulateurs Li-ion comprenant une électrode de silicium. / The work presented here focuses on electrodes made of silicon, a promising material to replace graphite as an anode active material for Li-ion Batteries (LIBs). The first part of the manuscript is dedicated to the study of silicon (de)lithiation mechanisms by Auger Electron Spectroscopy (AES). By using this technique of surface characterization, which allows investigating individual particles in their electrode environment, our results show that the first silicon lithiation occurs through a two-phase region mechanism cr-Si / a-Li3,1Si, whereas the following (de)lithiation steps are solid solution type process. Upon (de)alloying with lithium, silicon particles undergo huge volume variations leading to a quick capacity fading. By combining several techniques of characterization, the failure mechanisms of a silicon electrode are studied during aging. In particular, by using electrochemical impedance spectroscopy and mercury porosimetry analyses, an impressive dynamic upon cycling of the electrode porosity is shown. A model, which mainly attributes the capacity fading to the Solid Electrolyte Interphase instability at the silicon particles surface, is proposed. To try to stabilize this passivation layer and thus improve silicon electrodes electrochemical performances, the influence of two parameters is studied: the electrolyte and the “lithiation domain” of silicon; the latter is associated with the evolution of the active material composition upon cycling. Finally, by using these last results, promising performances are obtained for silicon electrode containing LIBs.

Le diagnostic et le pronostic de pannes des systèmes d'entraînement électriques est un enjeu majeur pour assurer la fiabilité et la sûreté de fonctionnement des outils de production notamment dans les secteurs sensibles (militaire, l'aéronautique, l'aérospatiale et nucléaire, etc.). Le travail de recherche présenté dans cette thèse vise à introduire de nouvelles méthodes de diagnostic et de pronostic des défauts d'une machine asynchrone ainsi que des roulements à rouleaux. Ces méthodes, orientées données, utilisent les données de mesure recueillies à partir de capteurs placés sur un système (machine asynchrone, roulement à rouleaux) afin de construire un vecteur de paramètres indicateur de défaut. Les méthodes de classification développées (supervisée, non supervisée) permettent de classer les observations, décrites par le vecteur de paramètres, par rapport aux différents modes de fonctionnement, connus ou inconnus du système, avec ou sans défauts. Des défauts ont été créés au rotor et aux roulements de la machine asynchrone, alimentée par le biais d'un onduleur de tension. La classification non supervisée, basée sur l'algorithme des fourmis artificielles, permet d'analyser les observations inconnues et inexplorées afin de mettre en évidence les classes regroupant les observations similaires. Cela permet d'améliorer la classification et de détecter l'apparition de nouveaux modes de fonctionnement. La classification supervisée, basée sur les modèles de Markov cachés, permet d'associer un degré d'appartenance (sous forme d'une probabilité) lors de l'affectation d'une observation à une ou plusieurs classes. Cela permet de définir un indice de fiabilité à l'affectation réalisée mais aussi de détecter l'apparition de nouveaux modes de fonctionnement. Ces méthodes ne se limitent pas qu'à diagnostiquer les défauts, elles peuvent aussi contribuer au pronostic des défauts. En effet, le pronostic peut être défini comme une extension du problème de diagnostic. La prédiction d'un défaut est réalisée par trois méthodes basées sur les modèles de Markov cachés pour la détection de l'imminence d'un défaut ainsi que par deux méthodes basées sur le système neuro-flou (ANFIS pour Adaptive Neuro Fuzzy Inference System et le neurone neuro-flou) pour estimer le temps restant avant son apparition. Des données de vieillissement d'un ensemble de roulements à rouleaux ont été utilisées afin de tester les méthodes proposées. Les résultats obtenus montrent l'efficacité de ces méthodes pour le diagnostic et le pronostic des défauts dans les entraînements électriques / Faults diagnosis and prognosis of electrical drives play a key role in the reliability and safety of production tools especially in key sectors (military, aviation, aerospace and nuclear, etc.). The research presented in this thesis aims to introduce new methods for faults diagnosis and prognosis of an induction motors and roller bearings. These methods use measured data collected from sensors placed on the system (induction motor, roller) in order to construct a feature vector which indicates the state of the system. Supervised and unsupervised classification methods are developed to classify measurements (observations) described by the feature vector compared to known or unknown operating modes, with or without failures. Defects were created in the rotor and the bearing of the induction motor, fed by a voltage inverter. The unsupervised classification technique, based on artificial ant-clustering, allows analyzing the unknown and unexplored observations to highlight classes with similar observations. This allows improving the classification and the detection of new operating modes. The supervised classification, based on hidden Markov models, allows associating a degree of similarity when we affect an observation to one or more classes. This defines a reliability index which allows the detection of new operating modes. These methods are not limited to diagnose faults; they can also contribute to the prognosis of faults. Indeed, the prognosis can be defined as an extension of the problem of diagnosis. The prognosis of faults is carried out by three methods based on hidden Markov models for the detection of an impending failure and by two methods based on the neuro-fuzzy system (ANFIS for Adaptive Neuro fuzzy Inference System and the neo-fuzzy neuron) to estimate the remaining time before its appearance. A set of historical data collected on roller bearings is used to validate the proposed methods. The obtained results show the effectiveness of the proposed methods for faults diagnosis and prognosis of electrical drives

O presente trabalho consiste basicamente num estudo experimental de juntas híbridas metal-compósito unidas mecanicamente por fixadores. Foram analisadas juntas fabricadas através de uma chapa metálica de titânio unida a uma placa em compósito de fibra de carbono e resina epóxi por fixadores de monel. As juntas avaliadas são juntas simples (\"single lap joint\"), ou seja, as mesmas foram submetidas ao simples cisalhamento. Antes, porém, dos ensaios das juntas, foram fabricados corpos-de-prova (CDPs) do compósito seguindo as especificações das normas ASTM D3039 e ASTM D3518. Os ensaios de tração e cisalhamento dos CDPs de compósito possibilitaram a determinação de propriedades mecânicas, bem como de valores de resistência. Sob posse das propriedades e resistência média, foram executadas simulações computacionais via Método dos Elementos Finitos com o intuito de prever o comportamento mecânico das juntas a serem ensaiadas seguindo a norma ASTM D5961 e, assim, delinear estratégias para os ensaios. Os ensaios das juntas foram realizados, possibilitando assim a avaliação do comportamento mecânico de juntas híbridas e de seus mecanismos de falha. Por fim, as conclusões e as perspectivas para trabalhos futuros foram apresentadas. / This work consists on an experimental investigation of hybrid joints (metal-composite) joined by fasteners. For this work, hybrid joints of titanium joined to composite (carbon fiber with epoxy resin) by monel fasteners were manufactured. Only single lap joints were investigated. However, before manufacturing specimens of joints, composite specimens were tested following the ASTM D3039 e ASTM D3518. The tensile and shear tests provided the mechanical properties and strength values of the composite. Finite element analyses of the hybrid joints were carried out, using average mechanical properties and strength values. These simulations followed the specifications of ASTM D5961 in order to predict the mechanical behavior of the joints during the experimental tests, as well as, provide a good strategy for the test setup. The experimental tests were carried out, observing the mechanical behavior and failure mechanisms of the hybrid joints. Finally, the conclusions and perspective of future works were showed.

A bord des véhicules électriques (VE) et Hybrides (VEH), les fonctions de tractions sont assurées par des convertisseurs électroniques de puissances. Ces derniers sont constitués de module de puissance (IGBTs ou MOSFETs). Au cours de leur fonctionnement, ces modules sont parfois soumis à de fortes contraintes électriques et thermiques qui amènent à une défaillance ou même à une destruction. Le premier objectif sera de réaliser un banc expérimentale permettant d’étudier le vieillissement des modules IGBTs en régîmes extrêmes de fonctionnement (mode de court-circuit). Ainsi, nous évaluerons les différents indicateurs de vieillissements permettant de prédire la défaillance du composant. Il sera question aussi de suivre le vieillissement ou une dégradation initié sur les composants IGBTs par thermographie infrarouge. Le second objectif sera de modéliser et simuler par éléments finis différentes structures d’IGBTs, afin de valider les modèles en fonctionnement statique et dynamique. L’avantage de l’approche multicellulaire par rapport à l’approche unicellulaire sera mis en avant. / On board electric vehicles (EVs) and hybrid (HEV), the functions of traction is provided by power electronic converters. These consist of power modules (IGBT or MOSFET). During their operation, these modules are sometimes subjected to high electrical and thermal stresses that lead to failure or even destruction.The first objective will be to achieve experimental bench to study ageing IGBT modules under extreme operating conditions ( short circuit mode). Thus, we evaluate the various indicators of ageing to predict component failure. Topics will also follow the ageing or degradation initiated on IGBT components by infrared thermography. The second objective is to model and simulate by finite element different IGBT structures to validate the models in static and dynamic operation. The advantage of multicellular approach to the single cell approach will be highlighted.

Ces travaux de thèses présentent un protocole expérimental d’évaluation de la fiabilité des transistors bipolaire à double hétéro-jonction submicroniques sur substrat InP. Les mécanismes de défaillances observés ont été mis en évidence grâce à ce protocole qui présente trois étapes : activation, détection et localisation des mécanismes de défaillance. Les tests de vieillissement accéléré ont été réalisés sur les TBH de structure hexagonale avec une base en InGaAs ou en GaAsSb ainsi que les structures TLM. Grâce à l’analyse électrique via la modélisation compacte, nous établissons les premières hypothèses sur l’origine physique des mécanismes de dégradation. Pour les transistors avec une base InGaAs, par exemple, les mécanismes de défaillance mis en évidence sont localisés:- A la périphérie d’émetteur entrainant ainsi une augmentation du courant de base pour VBE<0,6 V pour les tests sous contrainte thermique ainsi que sous contraintes thermique et électrique.- A la jonction base-émetteur, provoquant l’augmentation du courant de base et de collecteur respectivement pour VBE>0,6 V et 0.2<VBE<0,8 V.- Au niveau du contact ohmique d’émetteur, entrainant une dégradation des courants pour VBE>0,8 V. Cette diminution du courant est plus visible sur le courant de collecteur.Ces hypothèses ont été validées avec l’analyse physique 2D avec le logiciel TCAD Sentaurus. Des signatures électriques similaires ont été observées dans la bibliographie par de plusieurs auteurs. / This work presents the implementation of an experimental procedure to evaluate the failure mechanisms of submicron Heterojunction Bipolar Transistor on InP substrate. This procedure presents 3 steps: activation, detection and localization of the failure mechanisms. The accelerated aging tests have been used to active the failure mechanisms on hexagonal shape HBTs with InGaAs or GaAsSb base together with TLM. Due to the electrical analysis through the compact modelling, we established the first hypothesis about the origin of the failure mechanisms. For example, on InGaAs HBT, the failure mechanisms observed are located:- At the emitter sidewall. This mechanism leads to the increase of the base current for VBE<0.6 V- At the base-emitter junction leading to the increase of base and collector current for VBE>0,6 V and 0.2<VBE<0,8 V respectively.- And the ohmic contact layer leading to the collector current decrease for VBE>0.8 V.These hypotheses were validated by 2D physical simulation using TCAD Sentaurus. The same electrical signatures of the failure mechanisms are observed in literature.

Ces dernières années, la technologie RFID (identification par radiofréquence) s’est fortement développée dans de nombreuses applications industrielles parmi lesquelles les secteurs de l’aéronautique et l’automobile où il y a une forte demande en systèmes d’auto-identification fonctionnant dans des environnements difficiles. Dans ce contexte, l'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier les effets du stockage thermique sur la fiabilité des tags RFID UHF passifs. Pour ce faire nous avons adopté une méthodologie homogène contribuant de façon significative à atteindre nos objectifs. La première étape de cette méthodologie consistait à choisir le tag à tester, deux types de tags Web et Tageos provenant de deux fabricants différents ont été soumis à des tests de vieillissement accélérés sous différentes températures. La deuxième étape était de définir les paramètres des tests de vieillissement et de caractériser les tags vieillis. À l'aide d'un banc de mesure dédié, la puissance réfléchie par l’ensemble des tags vieillis est mesurée après chaque phase de vieillissement en fonction de la distance entre l’antenne du tag et celle du lecteur RFID. La puissance réfléchie diminue considérablement après chaque phase de vieillissement avec différentes dynamiques de dégradation pour tous les tags vieillis. Cette dynamique de dégradation dépend du type de tag testé et de la température de test. La dernière étape de la méthodologie comportait l’analyse statistique et physique de défaillance, des différences claires dans les modes, les mécanismes et les temps de défaillance entre les tags Web et Tageos ont été observées. L’analyse physique de défaillance par microscopie optique et MEB a révélé des fissures dans les conducteurs métalliques de l'antenne pour une partie des tags vieillis, cependant pour l’autre partie des tags, aucune défaillance de l'antenne n'a été observée. Des déformations au niveau de la matrice polymère de l'ACP ont été révélées, ce qui a modifié l'adaptation d'impédance entre le RFIC et l'antenne. Des simulations en utilisant le logiciel de modélisation multi-physique COMSOL a été mise en place dans le but de reproduire les mécanismes de défaillances révélés expérimentalement soit au niveau de l’antenne ou de la RFIC. Ces travaux de thèse ont démontré l'importance d'étudier les effets du stockage en haute température sur la fiabilité des tags RFID passifs. Les défaillances sont apparues plus rapidement et les tests ont coûté considérablement moins onéreux par rapport aux autres types de tests de vieillissement accélérés. / Nowadays, RFID has strongly developed in many industrial applications, including the aeronautics and automotive sectors, where there is a strong demand for auto-identification systems operating in severe environments. In this context, the objective of this thesis is to study the effects of thermal storage on the reliability of passive UHF RFID tags. To achieve this, we adopted a consistent methodology. The first step of this methodology was to choose the tag under test. Two types of tags Web and Tageos from two different manufacturers are aged under high temperatures. The second step was to define the parameters of the aging tests and to characterize the aged tags. Using a dedicated measurement bench, the reflected power is measured after each aging phase for all tested tags to determine the power loss caused by the high temperature storage. Reflected power decrease significantly after each aging phase with different dynamics of degradation for all aged tags. This dynamics of degradation depends on the temperature test and the type of tag. The final step involved statistical and physical failure analysis. Clear differences about modes, mechanisms and failure times between Web and Tageos tags have been observed, it seems that Tageos tags are more reliable than Web tags. Failure analysis of the samples, using an optical microscope and SEM, has revealed, cracks in the antenna metallic conductors on a part of the aged tags. In another part of the tags, no failures in the antenna have been seen, but clear deformations at the polymer matrix of the ACP have been observed, thus changing the impedance matching between the RFIC and the antenna. Simulations using the COMSOL multiphysics software have been implemented in order to reproduce the experimental failure mechanisms. This thesis work has demonstrated the importance of studying the effects of high temperature storage on the reliability of passive RFID tags. Failures appeared faster and tests cost considerably less than other types of accelerated aging tests.