Le roulement est un élément essentiel dans la conception des machines tournantes. À l'échelle industrielle, sa défaillance peut avoir de coûteuses conséquences. La maintenance prédictive sert à minimiser les coûts d'entretien et à prévenir de l'état de fatigue du composant mécanique. Dans ce cadre, nous proposons une étude de l'endommagement par fatigue de contact de roulement appliquée au cas des butées à billes. Cette étude se structure en deux axes : numérique et expérimental. Le premier consiste à établir une modélisation numérique tridimensionnelle dynamique du passage cyclique d'une bille sur une bande de roulement en présence d'un indent, en utilisant la méthode des éléments finis. L'estimation de l'évolution de la taille d'un défaut d'écaillage initié en surface en fonction des cycles de chargement est effectuée. Ces résultats sont en adéquation avec les essais en laboratoire effectués dans les mêmes conditions à l'aide d'un banc d'essais de fatigue dédié aux butées à billes. Le deuxième axe consiste à déterminer un indicateur vibratoire utilisant l'analyse modale et permettant d'estimer le niveau d'endommagement de la butée à billes in situ en présence d'indent. La technique développée dans ces travaux permet de suivre l'évolution des valeurs de l'amortissement modal en fonction des cycles de vie, évolution déterminée à partir des essais en modes statique et dynamique. Cette étude contribuera à l'estimation de la durée de vie résiduelle du composant mécanique après apparition d'un écaillage en surface, en utilisant la méthode des éléments finis et en prenant compte de l'état d'endommagement de la structure. / The bearing is an essential element in the design of rotating machines. In an industrial context, bearing failure can have extremely costly consequences. Predictive maintenance minimizes the intervention costs and warns about the state of fatigue of the mechanical component. In this frame, we propose a study of the rolling contact fatigue damage applied to thrust ball bearings. This study is twofold: numerical and experimental. The first axis consists in establishing a dynamic three-dimensional numerical model of the cyclic shift of a ball on a running surface in the presence of an indent, using the finite element method. An estimation of the size evolution of a surface initiated spall depending on loading cycles is also performed. These results are consistent with laboratory tests executed in the same conditions using a fatigue test rig dedicated to ball bearings. The second axis consists in determining a vibratory indicator using modal analysis to estimate the on-line structural damage level of the ball bearing in the presence of an indent. The technique developed in this work enables monitoring the evolution of the modal damping values based on the life cycles determined from tests in static and dynamic modes. This study will contribute to estimate the residual life of the mechanical component after onset of a spall using the finite element method and accounting for the structural damage state.

La fatigue de contact est un des modes de défaillance prédominants des composants tels que les engrenages ou les roulements. Les mécanismes d’initiation de fissures associés à ce mode de défaillance sont fortement liés à la microstructure du matériau. Cependant, la plupart des modèles utilisés pour prédire la durée de vie se situent à l’échelle macroscopique. Un modèle basé sur une représentation de type Voronoi des grains (échelle mésoscopique) est développé afin d’analyser les mécanismes d’initiation. Le concept d’endommagement est appliqué aux joints de grain modélisés par la méthode des zones cohésives. L’objectif de ce modèle est (i) de contribuer à une meilleure compréhension de l’influence de paramètres tels que ceux liés aux conditions de contact (rugosité, lubrification) ou aux matériaux (présence d’inclusions ou gradients de propriétés et contraintes résiduelles générés par les traitements de surface…) sur les mécanismes d’initiation et (ii) de fournir une estimation de la durée de vie jusqu’à cette initiation. Un premier modèle 2D isotrope a permis de mettre en place l’approche proposée et d’analyser le comportement numérique des éléments cohésifs : influence de la valeur des raideurs cohésives et apparition de singularités aux jonctions triples. Cette singularité semble inévitable, mais l’approche consistant à considérer le joint de grain comme une unique entité, et donc à utiliser des valeurs moyennes le long du joint de grain permet de s’affranchir de cette singularité. La représentativité du modèle a ensuite été améliorée par la modélisation de l’anisotropie cristalline. Un modèle de type élasticité cubique a été utilisé pour modéliser le comportement des grains. Enfin, une analyse approfondie de l’application du concept d’endommagement aux joints de grains a permis de proposer une nouvelle formulation entraînant une influence plus réaliste de cet endommagement sur le cisaillement intergranulaire et conduisant à une durée de vie estimée (apparition des premières micro-fissures) d’un ordre de grandeur comparable à celles données par l’expérience. / Contact fatigue is the predominant mode of failure of components subjected to a repeated contact pressure, like rolling element bearings or gears. This phenomenon is known as rolling contact fatigue (RCF). A large number of models have been developed to predict RCF, but there is today no complete predictive life model, and understanding RCF failure mechanism remains a significant challenge. RCF failure mechanisms are known to be very sensitive to a large number of parameters linked to contact conditions (roughness, lubrication) or materials (inclusions, gradients properties, residual stresses…). To improve knowledge about the influence of these parameters on failure mechanisms and life, a numerical model is developed to simulate the progressive damage of a component subject to rolling contact fatigue. Mechanisms associated with the initiation stage of failure process are located at a scale lower than the macroscopic scale. The proposed approach is to develop a grain level model (mesoscopic scale) in order to focus on initiation mechanisms. A Voronoi tessellation is used to represent the material microstructure. The progressive deterioration is simulated by applying the concept of damage mechanics at grain boundaries represented by cohesive elements. This approach has been first applied to a 2D isotropic model. The numerical behaviour of cohesive elements has been investigated: the influence of cohesive stiffness has been analysed and singularities at the triple junctions has been highlighted. The representativeness of the original model was improved by modelling crystal anisotropy. A cubic elasticity model was used to represent the behaviour of grains. Finally, a thorough analysis of the application of the damage concept at grain boundaries highlighted that the initial formulation results in a very low influence of the damage on the intergranular shear stress. A new formulation leading to a direct influence of the damage on the intergranular shear stress has been proposed. This new formulation has resulted in (i) a change in the distribution of micro-cracks, with coalescence between the different micro-cracks, and (ii) a large increase in the RCF life estimated by the model. The order of magnitude of the number of cycles corresponding to the first micro-cracks is comparable to that given by experiments.

La plupart des mécanismes sont lubrifiés par une huile, une graisse ou plus simplement de l'air. Dans tous ces mécanismes, des pièces sont en contact, frottent, dissipent de l'énergie voire s'endommagent. Or les exigences de plus en plus fortes en terme de réduction des coûts et des masses ainsi qu'en accroissement des performances (puissances transmises de plus en plus élevées) nécessitent une bonne connaissance des conditions de fonctionnement et de contact afin d'améliorer les composants en terme de durée de vie et de réduction des puissances dissipées. C'est pourquoi je me suis intéressé à l'étude, l'analyse et la compréhension des phénomènes de fatigue de contact et de dissipation d'énergie dans les mécanismes lubrifiés. Par ailleurs, j'ai toujours privilégié une démarche dans laquelle expérience et modélisation sont fortement couplés. En effet, dans toutes les actions que j'ai menées, l'outil expérimental, bien souvent dédié, est venu en amont de l'étude pour analyser et comprendre le phénomène. Puis le développement théorique utilisant des outils développés par ailleurs ou par nos soins, a permis de donner des modèles simples, robustes et efficaces. Ces derniers ont toujours été validés expérimentalement, soit sur des dispositifs " modèles ", soit sur des dispositifs " réels ". Ce mémoire s'intitule : " Analyse du comportement des systèmes mécaniques lubrifiés ". Il fait état des activités de recherche que j'ai développées depuis bientôt une quinzaine d'années. Deux axes majeurs et complémentaires sont présentés et mis en perspectives : - l'amélioration et l'optimisation des composants mécaniques lubrifiés et en particulier sur l'analyse de leur tenue en fatigue de contact initiée en surface, - l'analyse et la réduction des pertes de puissance dans les transmissions par engrenages.

The primary aim of this research was to investigate the bending behaviour of helically wound steel cables of various types (i.e. normal spiral strands, sheathed spiral strands and locked coil cables) in the presence of friction and to propose more efficient computational models for their analysis under combined tension and bending. The proposed model fully takes into account interwire contact forces both in the radial direction (point contact between wires in different layers) and hoop direction (line contact within the wires in the same layer). Extensive theoretical parametric studies have been undertaken on a variety of cable constructions covering a wide range of geometrical and material parameters. Explicit formulations have been developed for the smooth transition of the bending stiffness from no-slip to full slip regimes, as a function of cable curvature. Based on these formulations, it is now possible to calculate the relative displacements of the wires, as well as the tensile, bending and hoop stresses in the individual wires of the cable. Furthermore, bending stiffness of the cable is shown to decrease by a factor of 2 to 16, depending upon the friction coefficient between wires and the type of cable construction. Wherever possible, the theoretical results have been compared with experimental results from the available literature and are found in very good agreement with them. A simple method for the determination of the bending stiffness of large diameter multi-layered cable has been developed. The simplified method is further shown to provide estimates of the bending stiffness which are very close to those calculated by the original theory, allowing hand calculations for an easier use in industry. The proposed formulations have been extended to cater for the effects of external hydrostatic pressure on sheathed spiral strands in deep water applications. These forces are shown to have a great influence on the pattern of interwire contact forces and hence the interlayer slippage between the wires in the strand. Numerical results have been obtained and analysed for three different 127 mm diameter strands with lay angles of 12°, 18° and 24° respectively, experiencing a wide range of external hydrostatic pressures of 0 to 2,000 metres. The significant increase in normal contact force between wires is shown to suppress the slippage of wires in the cable. However, the no-slip and full slip values of the effective bending stiffness of the cable is shown to be independent of the level of hydrostatic pressure. A theoretical model is also proposed for estimating wire kinematics, pattern of interwire slippage, contact forces as well as the flexural rigidity of locked coil cables with outer layers made of shaped wires. In order to validate this model, numerical results are reported for two different locked coil cables. It is shown that the shaped wires in the outer layers of locked coil cables play an important role in the distribution of contact forces, slip initiation and cable unwinding.

Ce travail réalisé dans le cadre d'une collaboration industrielle avec la société ALSTOM Transport porte sur l'étude de la dégradation des voies ferrées urbaines. Les composantes de voie retenus pour cette étude sont le rail et la dalle de voie en béton. Concernant le rail, différents problèmes sont abordés : contact roue – rail, usure du rail, usure ondulatoire du rail, et fatigue de contact de roulement (RCF) du rail. Un outil numérique avec des interfaces graphiques, nommé CONUS, est développé pour le problème de contact roue – rail et le problème d'usure du rail. Des théories classiques (Hertz, Kalker, Archard, etc.) sont implantées dans cet outil. La méthode stationnaire est implantée dans un code de calcul par éléments finis pour étudier l'état asymptotique de l'acier du rail sous le chargement répété des trains. Ceci nous permet de prédire les régimes de RCF du rail. La mécanique de l'endommagement est utilisée pour prédire la fatigue du matériau béton. Le formalisme de Marigo couplé avec le modèle d'endommagement de Mazars permet de modéliser la dégradation progressive de la rigidité du matériau sous chargement cyclique. Une campagne d'essais de fatigue du béton en flexion a été réalisée. Elle a pour but de valider le modèle théorique et d'identifier les paramètres du matériau. Le dimensionnement d'une dalle de voie en béton a fait l'objet d'une application de cette méthode. Le modèle de réseau de poutres (lattice model) a été utilisé pour étudier la propagation des fissures dans les structures en béton. Ce modèle a été implanté dans le logiciel de calcul par éléments finis, CESAR-LCPC. Les résultats numériques (propagation de fissures) obtenus pour les structures simples sous chargement statique sont en tout point comparables avec les résultats d'essais expérimentaux. Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier la fissuration sous chargement de fatigue. Pour cela un modèle d'endommagement simple modélisant la dégradation des éléments «poutres» s'est avéré suffisant pour décrire la cinématique de propagation des fissures / This work is part of the collaboration between the laboratory Navier (UMR ENPC /IFSTTAR/ CNRS) and ALSTOM Transport company (TGS/Trackway). It focuses on the study of the degradation of urban railways. The components of track considered in this study are the rail and the concrete slab. Regarding the rail, different problems are discussed : wheel – rail contact, rail wear, rail corrugation and rolling contact fatigue (RCF). A numerical tool with graphical interfaces, called CONUS, is developed to predict the behaviour of the wheel - rail contact, the rail wear, and the rail corrugation problems. Classical theories (Hertz, Kalker, Archard, etc...) are implemented in this tool. The stationary method is implemented in a finite element software to study the asymptotic state of the rail steel under repeated loading of trains.The damage mechanics is used to predict the fatigue life of concrete. Marigo's formalism coupled with Mazars' damage model is used to predict the gradual degradation of material stiffness under cyclic loading. A campaign of fatigue tests for concrete in bending was conducted. It aims at validating the theoretical model and identifying material parameters. We applied this method in order to design the concrete slabs of urban railway. The lattice model was used to study the crack propagation in concrete structures. This model was implemented in the finite element software, CESAR-LCPC. The numerical results obtained for simple structures under static loading are consistent with the results of laboratory experiments. This model was then used to study the crack propagation under fatigue loading. For that purpose, a simple damage model of degradation of the "beams" elements describes the kinematics of crack propagation with a satisfying accuracy