Le développement des machines suit une logique liée aux performances, ce qui entraîne des niveaux de sollicitations toujours plus proches des limites matériaux. Cette tendance a pour effet de favoriser l'apparition de comportements vibratoires non-linéaires. Cette thèse a donc pour objectif d'étudier la dynamique non-linéaire des structures et tout particulièrement celle correspondant à des moteurs d'avion multi-rotor. Deux axes ont été développés en parallèle, le premier qui correspond aux aspects théoriques et le deuxième de nature expérimentale. En ce qui concerne les développements théoriques, nous nous sommes intéressés au cas des non-linéarités fortes conjuguées avec une richesse multi-fréquentielle des excitations. Dans ce cadre, nous avons étudié des modèles de roulements adaptés à la simulation en dynamique d'ensemble qui inclut les caractéristiques propres du contact ainsi que la présence des jeux. A l'aide de ces modèles, nous avons pu simuler les réponses vibratoires d'un système bi-rotor non-linéaire, notamment en contra-rotation. Afin de réaliser une étude pertinente de ce systËme nous avons développé un code qui généralise l'estimation des réponses au cas quasi-périodique et qui permet aussi de statuer sur la stabilité de ces régimes. Aussi, nous avons mis au point un banc d'essai bi-rotor représentatif du comportement dynamique d'un moteur réel. Après une phase de conception et de mise en \oe uvre du banc, différents types de tests de caractÈrisation ont été réalisés. Nous avons tout d'abord analysé les réponses vibratoires en co- et contra-rotation. Puis dans une deuxième phase, une configuration surcritique de l'arbre Basse Pression a été testée. L'ensemble de ces essais a permis de mettre en valeur les spécificités dynamiques des moteurs bi-rotor tant du point vue des régimes vibratoires (régimes périodiques, quasi-périodiques, modes directs et rétrogrades) que des effets non-linéaires (distorsion des pics, présence de surharmoniques d'ordre deux).

La rencontre des aciers électriques et de l'électrotechnique est déjà une vieille histoire d'amour (plus de cent ans) avec de grands moments tels que le feuilletage des noyaux magnétiques et l'avènement des tôles à grains orientés pour l'aspect matériau, la découverte des mécanismes réglant l'aimantation des matériaux magnétiques et la formulation de modèles de comportement magnétique de plus en plus proche du matériau réel (tels les modèles développés par. Bertotti) pour l'aspect modélisation des matériaux. On pourrait alors croire que tout est fait et qu'une telle somme de recherches n'a pu que déboucher en pratique sur une optimisation "idéale" des dispositifs électrotechniques. En fait, il n'en est rien et beaucoup reste à faire pour intégrer de façon optimale et générale un acier électrique dans un dispositif électrotechnique ; les raisons de cette difficulté à optimiser un matériau dans une application donnée sont les suivantes : si la principale raison de très large utilisation des aciers électriques laminés est leur forte aimantation à saturation (2-2,15 T) alliée à un faible coût (quelques F/kg) et une grande facilité de production et d'utilisation, en revanche leurs fortes anisotropies magnétocristaïline et magnétostrictive sont des points faibles qui contrôlent dans le même rapport l'amplitude des phénomènes d'hystérésis, de non linéarité et d'anisotropie de la loi d'aimantation et dans certains cas les phénomènes de vibration. L'amplitude de ces caractéristiques intrinsèques aux aciers électriques à des conséquences déterminantes sur leur intégration dans les dispositifs : du fait de l'anisotropie, la seule façon d'améliorer sensiblement les performances magnétiques est de mieux contrôler la texture du matériau. Cela a été bien illustré par le développement des tôles G.O. pour transformateur : la texture de Goss qui y règne, est en effet avec la texture {100} <001> dite "cubique", la texture idéale pour optimiser un transformateur de puissance. En revanche, dans la plupart des autres cas d'application électrotechnique, le matériau idéal (c'est-à-dire souvent la texture) este à créer : quoiqu'en général ce matériau idéal soit bien cerné, c'est le procédé industriel de fabrication qui est toujours limitant. Les cas des aciers électriques pour machines tournantes et des tôles magnétiques pour utilisation en moyenne fréquence sont les 2 principaux axes de recherche de matériau approprié en électrotechnique, et je m'y suis donc attaché sous l'angle de la texture, principale voie d'amélioration potentielle. L'association des caractères affirmés de non linéarité, anisotropie et hystérésis a pour autre conséquence importante de rendre le matériau très complexe sur le plan de son comportement magnétique, et donc aussi sur le plan de la prédiction de celui-ci. En particulier, les hypothèses l'isotropie, de linéarité et d'univocité de la loi d'aimantation sont trop grossières pour pouvoir représenter correctement le comportement du matériau. Or la conception et l'optimisation des dispositifs électrotechniques procèdent de plus en plus par la modélisation électromagnétique ; celle-ci, pour accroître sa pertinence, s'appuie tout autant sur le développement d'outils, de méthodes et de moyens de calculs que sur l'intégration dans ses codes de modèles plus précis. La conception de modèles de comportement magnétique plus pertinents se situe à ce niveau et fait suite à un réel besoin e l'activité du L.E.G. en modélisation par éléments finis. Dans cette logique, je me suis donc attaché à réer et développer une activité de conception de modèles de comportement magnétique au sein du L.E.G.

Dans une machine à induction, le diagnostic de défauts par analyse du signal du courant électrique nécessite la connaissance du comportement dynamique de la machine. En plus des sources externes d'excitation, le comportement du moteur est gouverné par un ensemble de phénomènes périodiques liés sa géométrie angulairement périodique et couplés par leur caractère multiphysique. En présence d’un défaut de roulement, les grandeurs mesurables présenteront des composantes à sa fréquence caractéristique combinée aux fréquences caractéristiques du moteur. La compréhension des interactions, en particulier de modulation, passe par la mise en place de modèles numériques qui représentent les manifestations des phénomènes couplés. Ce travail de thèse propose donc un modèle électro-magnéto-mécanique d'une machine à induction à cage d'écureuil couplé à un modèle de palier à roulement à billes dans un cadre original d'écriture appelé "Approches Angulaires". En conservant dans la modélisation la relation "Angle-Temps" il est possible d'étendre aisèment la modélisation aux conditions de fonctionnement non-stationnaires et d'introduire un couplage fort entre les modèles mécanique et électromagnétique. Ainsi, on montre que la vitesse angulaire instantanée est la grandeur qui assure la transmission du défaut mécanique localisé aux grandeurs électriques. Le modèle proposé offre ainsi un décryptage des phénomènes de modulation présents sur la voie de transfert et décrits par les couplages de comportements dynamiques cycliques (réseau de perméances, chargement des éléments roulants,...) et/ou périodiques (résonances de structure, résonance électriques, ...). Ces travaux ouvrent la voie à une meilleure compréhension du comportement couplé multiphysique d'une machine électrique pour mieux spécifier les outils de surveillance à mettre en œuvre. Les futurs développements peuvent maintenant s'orienter ver une complexification des modèles ou l'exploitation de comportements dynamiques fins en régime non-stationnaire. / In an induction machine, the diagnosis of defects by analysis of the electrical current signal requires knowledge of the dynamic behavior of the machine. In addition to external excitation sources, the behavior of the motor is governed by a set of periodic phenomena related to its angularly periodic geometry and coupled by their multiphysical character. In the presence of a bearing defect, measurable quantities will have components at its characteristic frequency combined with the characteristic frequencies of the engine. The understanding of interactions, in particular modulation, requires the implementation of numerical models that represent the manifestations of coupled phenomena. This thesis work proposes an electro-magneto-mechanical model of a squirrel-cage induction machine coupled to a rolling bearing model in an original writing frame called "Angular Approaches". By keeping the "Angle-Time" relation in modeling, it is possible to easily extend the modeling to non-stationary operating conditions and to introduce a strong coupling between the mechanical and electromagnetic models. Thus, it is shown that the instantaneous angular speed is the quantity which ensures the transmission of the localized mechanical defect to the electrical quantities. The proposed model thus offers a decryption of the modulation phenomena present on the transfer path and described by the couplings of cyclic dynamic behaviors (permeance network, loading of the rolling elements, etc.) and / or periodic (structural resonances, electrical resonance, etc.). This work opens the way for a better understanding of the multiphysical coupled behaviors of an electrical machine to better specify the monitoring tools to be used. Further developments can now be directed to a complexity of models or to the exploitation of fine dynamic behaviors in a non-steady operating conditions.

Le principe de la maintenance conditionnelle consiste à évaluer en permanence l’intégrité des machines industrielles, à partir des mesures et de traitements du signal appropriés, afin d’intervenir uniquement au moment le plus opportun. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de développer une technique de détection, aussi précoce que possible, de l’amorce de dégradation lente d’une structure vibrante, telle que les fissures de fatigue, pour éviter toute défaillance inattendue des machines. Notre approche se base sur les données mesurées à l’aide de deux moyens expérimentaux mis en œuvre au laboratoire. L’étude a démarré avec une poutre encastrée-libre sollicitée en flexion et s’est poursuivie sur un banc d’essais plus représentatif de la problématique industrielle. Dans les deux cas, l'endommagement de la structure a été naturel et progressif, depuis un état réputé sain jusqu’à l’apparition de la fissure. Le comportement dynamique a été suivi à l’aide d’accéléromètres. Ainsi, afin d’identifier des indicateurs sensibles au phénomène d’endommagement, plusieurs pistes ont été envisagées. Nous avons examiné les indicateurs scalaires descriptifs des signaux mesurés, qui sont les moments statistiques, fréquences moyennes et médianes. Ces indicateurs sont utilisés avec succès pour la détection de défaut sur les éléments de machines tournantes, mais ils se sont montrés peu sensibles pour détecter des défaillances structurales. Les fréquences propres identifiées automatiquement à partir des signaux temporels acquis sous chargements opérationnels ont également été étudiées. Ensuite, nous nous sommes orientés vers une approche plus globale pour surveiller les changements spectraux causés par l’apparition d’un défaut sur une structure. En se basant sur les matrices spectrales, fonctions et matrices de transmissibilité, des indicateurs multi-capteurs ont été développés et testés pour les deux cas d’étude. Une Analyse en Composantes Principales a permis d’identifier, entre les indicateurs analysés, ceux qui sont les plus pertinents pour la surveillance de l’intégrité des structures. / The principle of the conditional maintenance consists in continuously evaluating the health state of industrial machines, from measurements and appropriate signal processing, in order to carry out maintenance operations only at the most convenient time. In this context, the objective of this PhD thesis is to implement a technique for detecting as soon as possible slow damage initiation in vibrating structures, such as the fatigue cracks, to avoid the unexpected failure of machines. We have conducted empirical investigations with two experimental setups built in the laboratory. The study started with a cantilever beam subjected to dynamic bending loads, and continued on a test-bench more representative of the industrial problem. In both cases, the structure was naturally and progressively damaged, from a state considered to be healthy, until the crack occurs. Its dynamical behavior was monitored using accelerometers. Therefore, in order to identify damage-sensitive features, many leads were investigated. We have examined the features describing the measured signals waveform, which are statistical moments, mean frequencies and median frequencies. They are successfully used for fault detection on rotating machinery, but they did not demonstrate enough sensitiveness to detect structural damage. The natural frequencies automatically identified from the measured time signals under operational loads have also been studied. Thus, we oriented our work towards a more global approach to monitor the spectral changes caused by the appearance of damage on a structure. Based on the spectral matrices and transmissibility quantities, multi-sensor indicators were developed and tested for the two cases of study. A Principal Component Analysis allowed us to identify, between the surveyed features, the ones most relevant for monitoring the integrity of structures.

Dans le cas de nombreuses machines tournantes (turboalternateurs, pompes de centrales électriques), les "défauts" (anisotropie de paliers, rotors fissurés...) introduisent naturellement des coefficients périodiques dans l'équation d'équilibre linéaire du modèle discrétisé associé. L'étude du comportement dynamique de l'oscillateur paramétrique obtenu peut alors se faire au moyen d'outils spécifiques tel que la théorie de Floquet, relativement simple à mettre en place, mais dont le traitement numérique s'avère laborieux dans le cas de modèles complexes à grand nombre de degrés de liberté... <br /><br />En étudiant les solutions de Floquet dans le domaine fréquentiel, on montre que l'on peut étendre le principe d'analyse modale des oscillateurs classiques aux oscillateurs paramétriques. Le concept de modes propres paramétriques est alors introduit et ceux-ci sont étudiés à travers différents exemples académiques. On s'intéresse notamment au comportement dynamique du pendule paramétrique à un degré de liberté gouverné par l'équation de Mathieu, ainsi qu'à différents systèmes tournants à 2 degrés de libertés avec raideurs non axisymétriques (modèles simplifiés de rotors fissurés). <br /> <br />A l'image des modes classiques, les modes paramétriques peuvent être étendus aux systèmes complexes discrétisés par n degrés de liberté grâce aux éléments finis. Cependant, ces modes étant poly-harmoniques, on obtient la base modale du système par synthèse modale où chaque sous-structure est naturellement associée à chaque harmonique. Ces idées sont implémentées dans le logiciel éléments finis Cast3m afin de modéliser, en 3D, le comportement vibratoire d'ensemble d'une machine tournante avec un défaut de forme. L'efficacité de la méthode est alors testée en comparant les résultats numériques et expérimentaux provenant d'un banc d'essai composé d'un rotor dissymétrique en rotation sur un support anisotrope (modèle académique d'un rotor avec fissure ouverte).

Les machines tournantes sont présentes dans bien de domaines de nos industries et de nos sociétés et jouent un rôle primordial dans le transport et l'énergie. Le contexte actuel d'épuisement de ressources fossiles et la demande continuellement en augmentation d'énergie, font du domaine de la production de l'énergie (qu'elle soit électrique, thermique, éolienne, hydraulique ou nucléaire) un secteur qui concentre une part importante de l'innovation et de l'investissement des institutions et des industriels. Les tendances actuelles concernent l'augmentation du rendement et de la fiabilité, la diminution des dimensions, des coûts d'exploitation et des impacts environnementaux. Les machines doivent donc opérer dans des conditions respectant les normes de sécurité, de sûreté, de confort et d'environnement. La maîtrise et l'optimisation de ces conditions ont constitué le fil conducteur des recherches menées. L'ensemble de cette recherche concerne le suivi du comportement, l'équilibrage et le contrôle actif des machines tournantes. Trois thèmes qui ont un point commun la définition et l'identification d'un modèle de la machine ensuite, connaissant les réponses identifier les perturbations et les forces extérieures. Ces recherches constituent la base vers le développement de machines avec une capacité de réagir, sans interventions extérieures, en présence d'une défaillance ou lors de passage des zones de vitesses critiques ou des zones d'instabilités, de modifier ses caractéristiques afin d'avoir toujours un comportement respectant les normes de sécurité, de sûreté, de confort et d'environnement. La base vers un développement d'une Eco machine tournante réactive: une Smart machine tournante. Les premières recherches traitent du suivi de comportement et du diagnostic des boites de transmission de puissance par engrenages. L'objectif est la mise en place d'une approche de maintenance préventive de machines tournantes en présence de défauts combinés d'engrenages et de roulements. L'approche scientifique est à la fois numérique et expérimentale. Dans les deux approches, les défauts critiques étudiés ont été choisis suite à une étude AMDEC (Analyse de Modes de Défaillance, de leurs Effets et leurs Criticités). Les approches pour réduire les nuisances et d'assurer la sécurité de fonctionnement se déclinent, selon les possibilités et les moyens d'intervention, en deux solutions; équilibrage et contrôle actif. En équilibrage les recherches permettront d'une part le développement de méthodes basées sur des modèles identifiés expérimentalement prenant en compte des non linéarités dues à la très grande flexibilité des structures étudiées ou à la dépendance de certaines caractéristiques aux fréquences; elles permettront d'autre part l'optimisation de la répartition des masses de correction à la fois en position et en valeur en considérant des perturbations stochastiques des mesures. Le thème contrôle actif des machines tournantes porte sur le développement et la mise en place de stratégies de contrôle permettant la modification du comportement dynamique des rotors en flexion, en régime transitoire, par l'utilisation d'actionneurs. Le contrôleur peut être dans le domaine physique ou modal avec une commande floue ou neuro-floue. Concernant la technologie d'actionneurs, des travaux ont déjà été réalisés en utilisant des actionneurs piézoélectriques. Le contrôle est efficace et robuste, le seul inconvénient concerne la liaison entre l'actionneur et la machine. Nos recherches actuelles portent sur la conception et le dimensionnement d'actionneurs électromagnétiques qui présentent l'avantage d'être sans contact et offrent la possibilité de contrôler à la fois l'arbre du rotor et un de ces composants (paliers hydrodynamiques). Les activités et thèmes de recherches sont présentés en trois chapitres sans prendre en compte l'aspect chronologique. Chaque chapitre présente la recherche déjà réalisée, celle en cours puis future. Un chapitre est consacré au projet de recherche concernant les études initiées dans un souci d'appliquer et d'adapter les acquis dans des contextes particuliers de complexité des nouvelles machines ou tout simplement la volonté de considérer les besoins environnementaux et le développement d'Eco- Machines Tournantes.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) :3874. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 171-173.

Dans le cas de nombreuses machines tournantes (turboalternateurs, pompes de centrales électriques), les « défauts » (anisotropie de paliers, rotors fissurés) introduisent naturellement des coefficients périodiques dans l'équation d'équilibre linéaire du modèle discrétisé associé. L'étude du comportement dynamique de l'oscillateur paramétrique obtenu peut alors se faire au moyen d'outils spécifiques tel que la théorie de Floquet, relativement simple à mettre en place, mais dont le traitement numérique s'avère laborieux dans le cas de modèles complexes à grand nombre de degrés de liberté

Ce travail à la fois expérimental et numérique s'inscrit dans le cadre des études menées sur le captage des polluants sur les machines tournantes et porte plus particulièrement sur la caractérisation de la dispersion des fines particules d'usinage : i.e. ces particules sont assimilées à un traceur passif du fait de leur temps de réponse aérodynamique négligeable. L'objectif recherché à travers cette étude est de développer une méthode numérique de conception des captages des polluants sur machines d'usinage. Le premier travail a donc consisté à réaliser un dispositif expérimental recréant une situation similaire à une opération de meulage, mais dans un cadre parfaitement contrôlé. L'écoulement retenu est celui engendré par un cylindre en rotation dans une veine d'essai ventilée. Un polluant particulaire, représenté par des microbilles de verre sphériques, est généré dans la veine d'essai (en utilisant un système d'ensemencement en particules), recréant ainsi les effets aérauliques des plus grosses particules d'usinage. Un gaz traceur, représentant la fraction fine de particules, est injecté simultanément avec le jet de particules via un capillaire placé à la source. Les propriétés du jet de particules obtenu sont caractérisées par vélocimétrie par suivi de particules (PTV) afin d'obtenir des données d'entrée et de validation pour les simulations numériques. La méthode de suivi de particules, mise au point dans le cadre de cette étude reste robuste même dans les zones fortement chargées en particules (i.e. la région source du jet). Le champ de vitesse de la phase gazeuse a quant à lui été caractérisé par vélocimétrie par images de particules (PIV), au moyen d'un code développé spécifiquement (Belut 2006 [4]). La dispersion d'un gaz traceur (hexafluorure de soufre - SF6) émis simultanément avec le jet de particules est ensuite étudiée expérimentalement : la dispersion d'un tel gaz est en effet jugée représentative de celle des plus fines particules d'usinage dont le temps de réponse aérodynamique est négligeable. Enfin, une modélisation complète du banc d'essai est réalisée afin de permettre une comparaison avec les résultats expérimentaux pour ainsi progresser dans la validation des modèles utilisés pour décrire la dispersion d'un traceur gazeux représentatif des fines particules. Le logiciel commercial Fluent est employé pour les simulations numériques / This study based at the same time in experimental and numerical aspect, is part of the framework to understand deeply the capture of pollutants on rotating machines and focuses especially on the characterization of the dispersion of fine particles generated by machining operations : i.e. these particles are assimilated as a passive tracer due to their negligible aerodynamic response time. The main objective covered by this study is to develop a numerical method of close capture exhausts systems for machining devices. The first task was to achieve an experimental device re-creating a similar grinding operation in a perfectly controlled environment. The flow used is defined as the one generated by a rotating cylinder in a ventilated test rig. A pollutant of particles, represented by spherical glass beads, is produced inside the test rig (by using a seeding system of particles), recreating therefore the aerodynamic effects of largest machining particles. A tracer gas, representing the fraction of fine particles, is injected simultaneously with the jet of particles through a capillary tube placed at the source. The properties of the jet of particles obtained are characterized by particle tracking velocimetry (PTV) allowing then to obtain data input and validation of numerical simulations. This particle tracking technic, developed in this study remains as robust method even in heavily loaded particles (i.e. the source region of the jet). The velocity field of the gas phase has meanwhile been characterized by particle image velocimetry (PIV), using a code developed specifically for this assay (Belut 2006 [4]). The dispersion of a tracer gas (sulfur hexafluoride - SF6) emitted simultaneously with the jet of particles is then studied experimentally : the dispersion of such a gas is indeed considered representative of finest particles which aerodynamic response time is negligible. Finally, a complete modeling of the experimental test rig is performed to allow comparison with experimental results in order to progress in the validation of models used to describe the dispersion of a tracer gas representative of finest particles. The commercial soft ware FLUENT is used for numerical simulations

Cette thèse porte sur l’étude et l’optimisation aérothermique d’un alterno-démarreur utilisé dans les véhicules hybrides. Ces machines produisant beaucoup plus de puissance qu’un alternateur classique, leur refroidissement est donc critique. La machine est modélisée en utilisant la méthode nodale en régime permanent qui utilise des réseaux de conductances thermiques. Pour alimenter le modèle, on utilise des corrélations issues de la littérature pour modéliser les transferts convectifs et on effectue des calculs CFD de la machine complète pour obtenir la répartition des débits. Les résultats obtenus numériquement sont ensuite validés expérimentalement à l’aide d’essais par Vélocimétrie par Images de Particules et d’essais thermiques par mesure thermocouples. Dans un deuxième temps, on couple un algorithme d’optimisation au code pour obtenir une géométrie de la machine optimale d’un point de vue thermique. La méthode retenue est l’Optimisation par Essaim Particulaire (PSO). L’optimisation se fait sur la taille des têtes de bobines, la position des ventilateurs et la section des canaux rotoriques. On obtient des géométries différentes selon les objectifs que l’on cherche à atteindre. La dernière partie de la thèse porte sur l’optimisation multi-objectifs d’un dissipateur située sur la partie électronique à l’arrière de l’alternateur : le dissipateur doit refroidir le plus possible l’électronique sans pour autant perturber l’écoulement. On étudie aussi plusieurs formes d’ailettes pour atteindre ces objectifs. / The goal of this thesis is the aero-thermal study and optimization of a starter-alternator used in hybrid cars. This kind of machines being more powerful than a regular alternator, their cooling is critical. The machine is modeled using lumped method in steady state which uses networks of thermal conductances. The inputs for the model are obtained using correlations from bibliography for the convective heat transfers and three dimensional CFD for the flow rates inside the machine. The numerical results are validated by experimental results with PIV for the fluid results and a machine fitted with thermocouples for the thermal part. In the second part, the thermal code is coupled with an optimization algorithm to obtain an optimal geometry of the machine from a thermal point of view. The method chosen is Particle Swarm Optimization (PSO). The parameters are the sizes of the end-windings, the positions of the fans and the cross section of the rotor channels. For different objectives, different optimal geometries are obtained. The last part of this work aims at the multi-objectives optimization of a heat sink located at the back of the machine. The heat sink has to be thermally efficient but should not affect the flow. Different shapes of fins are also studied.