Die Kontaktverhältnisse zwischen Reifen und Fahrbahn bestimmen die maximal übertragbaren Beschleunigungs-, Brems- und Seitenkräfte des Fahrzeugs und sind daher für die Fahrsicherheit von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wird ein Modell zur numerisch effizienten Simulation der hochfrequenten Dynamik einzelner Reifenprofilblöcke entwickelt. Der vorgestellte Modellansatz nutzt einerseits die Vorteile der Finite-Elemente-Methode, welche die Bauteilstruktur detailliert auflösen kann, bei der jedoch lange Rechenzeiten in Kauf genommen werden. Andererseits profitiert der vorgestellte Modellansatz von den Vorteilen stark vereinfachter Mehrkörpersysteme, welche die Berechnung der hochfrequenten Dynamik und akustischer Phänomene erlauben, jedoch strukturdynamische Effekte und das Kontaktverhalten in der Bodenaufstandsfläche des Reifens nur begrenzt abbilden können. Das hier vorgestellte Modell berücksichtigt in einem modularen Ansatz die Effekte der Strukturdynamik, der lokalen Reibwertcharakteristik, der nichtlinearen Wechselwirkungen durch den Kontakt mit der rauen Fahrbahnoberfläche und des lokalen Verschleißes. Die erforderlichen Modellparameter werden durch geeignete Experimente bestimmt. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Untersuchung reibungsselbsterregter Profilblockschwingungen bei Variation der Modell- und Prozessparameter. Zur realistischen Betrachtung des Reifenprofilblockverhaltens erfolgt eine Erweiterung des Modells um eine Abrollkinematik, die tiefere Einblicke in die dynamischen Vorgänge in der Bodenaufstandsfläche des Reifens ermöglicht. Diese Simulationen lassen eine Zuordnung der aus der Literatur bekannten zeitlichen Abfolge von Einlaufphase, Haftphase, Gleitphase und Ausschnappphase zu. Es zeigen sich bei bestimmten Kombinationen aus Fahrzeuggeschwindigkeit und Schlupfwert ausgeprägte Stick-Slip-Schwingungen im akustisch relevanten Frequenzbereich. Das Modell erlaubt die Untersuchung des Einflusses der Profilblockgeometrie, der Materialparameter, der Fahrbahneigenschaften sowie der Betriebszustände auf den resultierenden Reibwert, auf das lokale Verschleißverhalten sowie auf das Auftreten hochfrequenter reibungsselbsterregter Schwingungen. Somit ermöglicht das Modell ein vertieftes Verständnis der Vorgänge im Reifen-Fahrbahn-Kontakt und der auftretenden Wechselwirkungen zwischen Struktur- und Kontaktmechanik. Es kann eine Basis für zukünftige Optimierungen des Profilblocks zur Verbesserung wesentlicher Reifeneigenschaften wie Kraftschlussverhalten, Verschleiß und Akustik bilden.:Formelverzeichnis VII Kurzfassung X Abstract XI 1 Einleitung 1 1.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Stand des Wissens 6 2.1 Mechanische Eigenschaften von Elastomeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Elastomerreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.1 Modelle zur Beschreibung von Hysteresereibung . . . . . . . . . . . 11 2.2.2 Modelle zur Beschreibung von Adhäsionsreibung . . . . . . . . . . . 12 2.2.3 Phänomenologische Beschreibung von Elastomerreibung . . . . . . 13 2.3 Verschleiß von Profilblöcken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4 Entstehung von Stick-Slip-Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5 Profilblockmodelle und -simulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.6 Experimentelle Einrichtungen zur Untersuchung von Profilblöcken . . . . . 42 2.6.1 Schwerlasttribometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.6.2 IDS-Tribometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.6.3 Mini-mue-road . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.6.4 Linear Friction Tester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.6.5 Prüfstand für Stollenmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.6.6 Hochgeschwindigkeits-Abrollprüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.6.7 Hochgeschwindigkeits-Linearprüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.7 Experimentelle Reibwertbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3 Profilblockmodell 55 3.1 Modularer Modellansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2 Modul 1: Strukturdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.2.1 Transformations- und Reduktionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2.2 Implementierung in das Gesamtmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3 Modul 2: Lokale Reibwertcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.1 Einflussgrößen auf den Reibwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.2 Numerische Behandlung der Reibwertberechnung . . . . . . . . . . 73 3.4 Modul 3: Nichtlineare Kontaktsteifigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.4.1 Lokale Kontaktbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.4.2 Kontaktalgorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.5 Modul 4: Lokaler Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.1 Vorgehen zur Verschleißmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.2 Implementierung in das Gesamtmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4 Parameterbestimmung 84 4.1 Strukturdynamische Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.1.1 Bestimmung des Elastizitätsmoduls und der Dämpfung . . . . . . . 84 4.1.2 Optimierung der Modenanzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.2 Bestimmung der Reibcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3 Bestimmung der nichtlinearen Kontaktsteifigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4 Bestimmung der Verschleißparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5 Simulationen 100 5.1 Betrachtung eines gleitenden Profilblocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.1.1 Simulationen bei hoher Gleitgeschwindigkeit ohne Verschleiß . . . . 100 5.1.2 Simulationen bei hoher Gleitgeschwindigkeit mit Verschleiß . . . . 103 5.1.3 Profilblockverhalten bei niedriger Gleitgeschwindigkeit . . . . . . . 106 5.1.4 Simulationen mit Normalkraftvorgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.1.5 Vergleich Experiment-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.1.6 Variation der Profilblockgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.2 Betrachtung eines abrollenden Profilblocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.2.1 Abrollkinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.2 Einfluss der Fahrzeuggeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.2.3 Einfluss des Schlupfwerts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.4 Einfluss des Kontaktdrucks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.5 Kontaktkraftbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 6 Zusammenfassung 139 Literatur 143 / The contact conditions between tyre and road are responsible for the maximum acceleration, braking and side forces of a vehicle. Therefore, they have a large impact on the driving safety. Within this work a numerically efficient model for the simulation of the high-frequency dynamics of single tyre tread blocks is developed. The presented modelling approach benefits the advantage of the finite element method to resolve the component structure in detail. However, a long computation time is accepted for these finite element models. Moreover, the presented modelling approach makes use of the advantage of simplified multibody systems to calculate the high-frequency dynamics and acoustic phenomena. However, structural effects and the contact behaviour in the tyre contact patch can be covered only to a minor degree. The model treated here considers the effects of structural dynamics, the local friction characteristic, the non-linear interaction due to the contact with the rough road surface and local wear. The required model parameters are determined by appropriate experiments. One focus of this work is the investigation of self-excited tread block vibrations under variation of the model and process parameters. In order to realistically investigate the tread block behaviour the model is extended with regard to rolling kinematics which provides a deeper insight into the dynamic processes in the tyre contact patch. The corresponding simulations allow the allocation of the run-in phase, sticking phase, sliding phase and snap-out which is reported in the literature. For certain combinations of vehicle velocity and slip value pronounced stick-slip vibrations occur within the acoustically relevant frequency range. The model enables to study the influence of the tread block geometry, the material properties, the road surface characteristics and the operating conditions on the resulting tread block friction coefficient, local tread block wear and the occurrence of high-frequency self-excited vibrations. The simulation results provide a distinct understanding of the processes in the tyre/road contact and the interactions between structural mechanics and contact mechanics. They can be a basis for future tread block optimisations with respect to essential tyre properties such as traction, wear and acoustic phenomena.:Formelverzeichnis VII Kurzfassung X Abstract XI 1 Einleitung 1 1.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Stand des Wissens 6 2.1 Mechanische Eigenschaften von Elastomeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Elastomerreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.1 Modelle zur Beschreibung von Hysteresereibung . . . . . . . . . . . 11 2.2.2 Modelle zur Beschreibung von Adhäsionsreibung . . . . . . . . . . . 12 2.2.3 Phänomenologische Beschreibung von Elastomerreibung . . . . . . 13 2.3 Verschleiß von Profilblöcken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4 Entstehung von Stick-Slip-Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5 Profilblockmodelle und -simulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.6 Experimentelle Einrichtungen zur Untersuchung von Profilblöcken . . . . . 42 2.6.1 Schwerlasttribometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.6.2 IDS-Tribometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.6.3 Mini-mue-road . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.6.4 Linear Friction Tester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.6.5 Prüfstand für Stollenmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.6.6 Hochgeschwindigkeits-Abrollprüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.6.7 Hochgeschwindigkeits-Linearprüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.7 Experimentelle Reibwertbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3 Profilblockmodell 55 3.1 Modularer Modellansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2 Modul 1: Strukturdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.2.1 Transformations- und Reduktionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2.2 Implementierung in das Gesamtmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3 Modul 2: Lokale Reibwertcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.1 Einflussgrößen auf den Reibwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.2 Numerische Behandlung der Reibwertberechnung . . . . . . . . . . 73 3.4 Modul 3: Nichtlineare Kontaktsteifigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.4.1 Lokale Kontaktbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.4.2 Kontaktalgorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.5 Modul 4: Lokaler Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.1 Vorgehen zur Verschleißmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.2 Implementierung in das Gesamtmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4 Parameterbestimmung 84 4.1 Strukturdynamische Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.1.1 Bestimmung des Elastizitätsmoduls und der Dämpfung . . . . . . . 84 4.1.2 Optimierung der Modenanzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.2 Bestimmung der Reibcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3 Bestimmung der nichtlinearen Kontaktsteifigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4 Bestimmung der Verschleißparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5 Simulationen 100 5.1 Betrachtung eines gleitenden Profilblocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.1.1 Simulationen bei hoher Gleitgeschwindigkeit ohne Verschleiß . . . . 100 5.1.2 Simulationen bei hoher Gleitgeschwindigkeit mit Verschleiß . . . . 103 5.1.3 Profilblockverhalten bei niedriger Gleitgeschwindigkeit . . . . . . . 106 5.1.4 Simulationen mit Normalkraftvorgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.1.5 Vergleich Experiment-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.1.6 Variation der Profilblockgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.2 Betrachtung eines abrollenden Profilblocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.2.1 Abrollkinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.2 Einfluss der Fahrzeuggeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.2.3 Einfluss des Schlupfwerts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.4 Einfluss des Kontaktdrucks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.5 Kontaktkraftbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 6 Zusammenfassung 139 Literatur 143

L’objectif de cette thèse est deconcevoir et de réaliser un moteurpiézoélectrique destiné à une application derécupération de chaleur du gaz d’échappement.Cette application nécessite un couplerelativement élevé, une compacité importante,une endurance thermique et un coût acceptable.Afin d’atteindre ce but, la conception du moteurpasse par le choix de son mode defonctionnement. Ce choix est fait en se basantsur des critères comme bas coût, fort couple etcompacité importante.Après la détermination de l’architecture dumoteur piézoélectrique, la modélisation estabordée. Le but du modèle est de calculer lescaractéristiques couple/vitesse connaissantses dimensions et ses matériaux, l’état desurface du contact, la précontrainte et la tensiond’alimentation.La modélisation développée était validée pardes mesures expérimentales.Dans la dernière partie, le moteur dimensionnéest réalisé et testé. Son comportementdynamique et ces caractéristiquescouple/vitesse étaient mesurés. A l’exceptiondu couple à l’arrêt et celui de blocage, toutes lesperformances requises par l’application étaientremplies.Finalement, les résultats de modèle sontcomparés aux mesures faites sur le prototype.Le comportement dynamique était bienreproduit par la modélisation. Néanmoins, uneimprécision du calcul des déplacements dustator était constatée. Cela implique uneimprécision du calcul des caractéristiquesmoteur. Il s’avère que cette imprécision est liéeà l’absence du coefficient d’amortissement decontact. / The goal of this thesis is to designand build a piezoelectric motor for an exhaustgas heat recovery application. This applicationrequires relatively high torque, highcompactness, thermal endurance and acceptablecost.In order to achieve this goal, the design of theengine passes by the choice of its mode ofoperation. This choice is made based on criteriasuch as low cost, high torque and compactness.After the determination of the architecture ofthe piezoelectric motor, the modelling isaddressed. The purpose of the model is tocompute the torque/speed characteristicsknowing the motor dimensions and materials,the surface state of the contact, the precompressionforce and the supply voltage.The modeling developed was validated byexperimental measurements.In the last part, the motor is build and tested. Itsdynamic behavior and torque/speedcharacteristics were measured. With theexception of the peak and blocking torque, allthe performances required by the applicationwere fulfilled.Finally, the model results are compared to themeasurements done on the prototype. Thedynamic behavior is well predicted by themodel. However, the model is not able tocompute accurately the stator displacements.This implies inaccuracy in the motorcharacteristics computation. It turns out thatthey are related to the absence of the coefficientof contact damping.

[pt] Uma fase crítica do processo de obtenção do petróleo é a perfuração do solo para o acesso ao reservatório. Um dos problemas, em particular, é compreender o comportamento dinâmico da coluna de perfuração durante o processo de perfuração diante de diversos fatores como a interação broca-rocha, choques da coluna de perfuração contra a parede do poço, estratégias de controle da velocidade angular de operação e outros fatores. Uma etapa fundamental para lidar com este problema é a representação do sistema dinâmico para caracterizar a coluna de perfuração, isto é, o modelo matemático que representará a resposta dinâmica da estrutura diante dos carregamentos. Neste contexto, este trabalho abordará o problema da dinâmica de uma coluna de perfuração através de um modelo matemático baseado na teoria de Cosserat, que resultará em um sistema de seis equações diferenciais parciais que descrevem a resposta dinâmica de uma estrutura unidimensional, inserida no espaço euclidiano tridimensional, em termos das variáveis de deslocamento linear da curva e angular das seções. O modelo é capaz de descrever uma dinâmica não-linear, incluindo flexão, torsão, extensão e cisalhamento. Inicialmente, o sistema de EDPs é resolvido na forma quase estática, satisfazendo as condições de contorno, utilizando o método de Perturbação Regular. As soluções aproximadas são utilizadas como funções base para implementação no método de Elementos Finitos. Estas funções base são conhecidas como elemento de Cosserat Modificado (Modfied Cosserat Rod Element - MCRE). Verifica-se a limitação destas funções base para problemas que não envolvam grandes deslocamentos, não sendo adequadas para o problema proposto. Diante deste fato, o sistema de EDPs é escrito na forma fraca e resolvido por um software comercial de análise de Elementos Finitos considerando as condições de contorno, o modelo de interação broca-rocha, a estratégia de controle da velocidade angular e eventuais contatos da coluna contra a parede do poço. O modelo proposto produziu resultados que estão de acordo com a literatura e se mostrou capaz de lidar com grandes deslocamentos. / [en] A critical step in the oil exploration process is drilling the soil for access to the petroleum reservoir. One of the problems is understanding the dynamic behavior of the drill string during the drilling process in the face of various factors such as drill bit-rock interaction, drill string shocks against the well wall, angular velocity control strategies and other factors. A key part of dealing with this problem is the representation of the dynamic system to characterize the drill string, e.g., the mathematical model that will represent the dynamical response of the structure when facing different types of loads. In this context, this work will address the problem of the dynamics of a drill string using a mathematical model based on Cosserat theory that will result in a system of six partial differential equations that describe the dynamic response of a one-dimensional structure, inserted in three-dimensional Euclidean space, in terms of the linear displacement variables of the curve and angular displacement of the cross sections. The model is able to describe nonlinear dynamics, including flexure, torsion, extension and shear. Initially, the system of partial differential equations is solved in a quasi-static sense, satisfying the boundary conditions, using the Regular Perturbation method. The approximate solutions are used as shape functions for implementation in the Finite Element method. These shape functions are known as Modified Cosserat Rod Element (MCRE). It is verified that these shape functions are restricted to problems that do not involve large displacements and for this reason they are not suitable for the proposed problem. Given this fact, the system of partial differential equations is written in a weak form and solved by a commercial software based on Finite Element analysis, considering the boundary conditions, the drill bit-rock interaction model, the angular velocity control strategy and for any string contacts against the well wall. The proposed model produced results that are in agreement with the literature and is capable of dealing with large displacements.

[pt] Os últimos leilões do pré-sal para exploração e produção de petróleo e gás no Brasil indicam que as operações de perfuração se tornarão mais intensas nos próximos anos. O processo de perfuração rotativo é amplamente utilizado para alcançar os reservatórios de petróleo e devido à relação diâmetro/comprimento do sistema de perfuração, o modo de vibração torcional está presente em quase todos os processos de perfuração, podendo chegar a um estado crítico indesejável: o fenômeno de stick-slip. Com o intuito de abordar este problema, o modo torcional é isolado e o stick-slip é observado em uma coluna de perfuração em escala reduzida completamente instrumentada. Durante o stick-slip, outro torque pode ser aplicado em uma posição intermediária da bancada de teste. O modelo matemático de parâmetros concentrados é obtido e o modelo é comparado com dados experimentais com o propósito de verificar se o modelo matemático representa o aparato experimental. Uma análise de estabilidade é feita usando o modelo validado com o objetivo de identificar soluções estáveis do sistema. Com isso, observou-se que existe uma faixa do parâmetro de bifurcação na qual soluções de equilíbrio e periódicas estáveis coexistem. Para uma dada situação de stick-slip na faixa de biestabilidade, duas estratégias de mitigação de vibração torcional foram consideradas e consistiram em impor perturbações no sistema por meio do torque na posição intermediária da bancada de teste: (i) torques aplicados apenas contra a direção de movimento do sistema, e (ii) torques aplicados em ambas as direções. As estratégias foram testadas numericamente e apresentaram eficiência de tal modo que o stick-slip foi completamente mitigado: as energias do sistema e o trabalho gerado pelo torque intermediário aplicado foram comparados com o propósito de avaliar a factibilidade e razoabilidade da estratégia. Experimentalmente, o sistema continuou a oscilar, porém apresentou uma significante redução na fase de stick mesmo com limitações de aplicações de torque. / [en] The latter round bids of the pre-salt for exploration and production of oil and natural gas in Brazil indicate the drilling operations will become more intense in coming years. The rotational drilling process is largely used to reach the oil reservoirs and because of diameter-to-length ratio of the drilling system, torsional vibration mode is present in most all drilling processes and may reach an undesired severe stage: the stick-slip phenomenon. In order to address this problem, the torsional vibration mode is isolated and the stick-slip is observed in a fully instrumented drill-string experimental set-up in this work. During this phenomenon, another torque may be applied on an intermediate position of the test bench. The lumped parameter mathematical model is obtained and it is compared to experimental data to validate whether the mathematical model represents the experimental apparatus. A stability analysis is performed using the validated mathematical model in order to identify stable solutions of the system. Therewith, one observed that there is a range of the bifurcation parameter in which stable equilibrium and periodic solutions may coexist. For a given stick-slip situation in bi-stability range, two mitigation strategies of torsional vibration were considered which consisted of imposing perturbations in the system via torques on the intermediate position of the test bench: (i) torques applied only against the direction of motion of the system, and (ii) torques applied in both directions. The strategies were tested numerically and presented eficiency so that the stickslip was completely mitigated: the energies of the system and the work created by the intermediate torque were compared in order evaluate the feasibility and reasonableness of the strategy. Experimentally, the system continued to oscillate, however it presented a significant reduction of stick phase even with limitations of torque applications.

Ce travail comporte deux parties. La première partie est une étude bibliographique sur la modélisation du frottement sec et sur les différentes lois de frottement qui ont été introduites pour rendre compte des instabilités du mouvement des solides soumis à la friction sèche. La deuxième partie est une étude théorique et numérique d'un problème modèle dynamique où une lois de type Coulomb avec coefficient de frottement dépendant de la vitesse de glissement est appliquée à un solide élastique. Le cadre des inclusions différentielles est introduit pour traiter rigoureusement les modèles à nombre fini de degré de liberté et à pression de contact imposée. Ce cadre sert ensuite à l'analyse en détail d'un problème unidimensionnel d'une couche élastique glissant avec frottement sur une fondation rigide plane. On montre l'existence et l'unicité de la solution lorsque le coefficient de frottement est croissant, mais lorsque celui-ci comporte au moins une portion décroissante, ce qui est le cas dans la plupart des modélisation, on montre que le problème admet en général une infinité de solutions. Cela amène à considerer un critère de choix de solution appelé critère de retard maximal. Par ailleurs, on introduit une condition de frottement perturbée qui consiste en l'ajout d'une masse de surface et qui redonne aussi l'unicité de la solution. On montre le lien entre le critère de retard maximal et cette condition perturbée. On présente aussi des schémas numériques, des résultats de stabilité et de convergence, ainsi que des expériences numériques. On donne enfin des perspectives pour les problèmes en dimension deux ou trois. On présente des simulations numériques significatives, obtenues à l'aide d'un schéma numérique basé sur une méthode de type directions alternées, et sur la perturbation par une masse de surface.

La réponse à des vibrations et l'étude de la stabilité des pentes ont une place particulière dans l'étude des milieux granulaires. Ces études peuvent d'une part nous renseigner sur le comportement des milieux granulaires présents dans le milieu naturel et souvent soumis à ces deux types de sollicitations (avalanches de grains, éboulements de roches, dynamique des dunes, tremblements de terre, ...). D'autre part, elles permettent d'appréhender ces milieux comme des systèmes modèles hors équilibre et d'analyser les résultats à la lumière de ceux obtenus sur la dynamique des systèmes vitreux. Nous avons tout d'abord étudié expérimentalement par des méthodes optiques et acoustiques la réponse d'un milieu granulaire lentement incliné. La dynamique présente deux régimes : un régime de petits réarrangements indépendants et localisés est suivi d'un régime intermittent caractérisé par de grands événements de type "précurseurs" au voisinage de l'angle d'avalanche. Ce régime dit de "précurseurs" correspond à un mouvement collectif de l'ensemble des grains situés à la surface de l'empilement. Nous mettons en évidence l'importance du détail microscopique de l'interaction entre les grains et de la condition à la limite à la base de l'empilement sur la dynamique du système dans ce régime. La dynamique globale du système a été étudiée et comparée à un modèle simple de type automate cellulaire. Dans un second temps, nous avons étudié numériquement la réponse d'un milieu granulaire soumis à des vibrations. Le comportement du système présente des caractéristiques qui sont communes à tous les systèmes hors équilibre (distributions non-gaussiennes des déplacements, ralentissement et hétérogénéités de la dynamique,...). L'influence de la condition à la limite au fond de l'empilement sur la structuration de celui-ci et sur le ralentissement de la dynamique a également été discutée. Nous avons, en particulier, mis en évidence une zone d'épaisseur environ égale à 5 diamètres de grains où des hétérogénéités dynamiques et de fortes corrélations entre les mouvements des grains apparaissent.

Most materials used in many industries such as plastic, food, pharmaceuticals, electronics, dye, etc. exhibit viscoelastic properties under their processing or flow conditions. Due to the elasticity of such materials, deformation-stress in addition to their hydrodynamic behavior differ from simple Newtonian fluids in many important respects. Rod climbing, siphoning, secondary flows are all common examples to how a viscoelastic fluid can exhibit quite distinctive flow behavior than a Newtonian fluid would do under similar flow conditions. In industrial processes involving flow of viscoelastic materials, understanding complexities associated with the viscoelasticity can lead to both design and development of hydrodynamically efficient processes and to improved quality of the final products. In the present study, the main objective is to develop two dimensional finite volume based convergent numerical algorithm for the simulation of viscoelastic flows using nonlinear differential constitutive equations. The constitutive models adopted are Oldroyd-B, Phan-Thien Tanner (PTT) and White-Metzner models. The semi-implicit method for the pressure-linked equation (SIMPLE) and SIMPLE consistent (SIMPLEC) are used to solve the coupled continuity, momentum and constitutive equations. Extra stress terms in momentum equations are solved by decoupled strategy. The schemes to approximate the convection terms in the momentum equations adopted are first order upwind, hybrid, power-law second order central differences and finally third order quadratic upstream interpolation for convective kinematics QUICK schemes. Upwind and QUICK schemes are used in the constitutive equations for the stresses. Non-uniform collocated grid system is employed to discretize flow geometries. As test cases, three problems are considered: flow in entrance of planar channel, stick-slip and lid driven cavity flow. Detailed investigation of the flow field is carried out in terms of velocity and stress fields. It is found that range of convergence of numerical solutions is very sensitive to the type of rheological model, Reynolds number and polymer contribution of viscosity as well as mesh refinement. Use of White-Metzner constitutive differential model gives smooth, non oscillatory solutions to much higher Weissenberg number than Oldroyd-B and PTT models. Differences between the behavior of Newtonian and viscoelastic fluids for lid-driven cavity, such as the normal stress effects and secondary eddy formations, are highlighted. In addition to the viscoelastic flow simulations, steady incompressible Newtonian flow of lid-driven cavity flow at high Reynolds numbers is also solved by finite volume approach. Effect of the solution procedure of pressure correction equation cycles, which is called inner loop, on the solution is discussesed in detail and results are compared with the available data in literature.

La fatigue à nombre de cycles élevé (HCF) est un mode de défaillance courant et dangereux pour les aubages de turbomachines. Elle est induite par les efforts dynamiques élevés générés lors de résonances présentes dans la plage de fonctionnement de ces machines. Les dispositifs amortisseurs basés sur l'utilisation du frottement sec, tels que les nageoires ou les frotteurs sous-plateformes, permettent de réduire les amplitudes vibratoires, voire de repousser les fréquences de résonance hors des zones de fonctionnement. Cependant la conception de ces dispositifs reste encore largement basée sur l'empirisme et ils peuvent être la source d'un effet de désaccordage potentiellement nuisible. L'objectif ici est de développer des modélisations adaptées au traitement du problème de vibration des aubages en présence de frottement sec, ceci afin de mieux maîtriser les comportements physiques mis en jeu et donc, de mieux maîtriser leur processus de conception. Plusieurs modélisations numériques sont testées et confrontées à des résultats de référence. Une comparaison entre procédures de résolution temporelle et fréquentielle est menée et montre l'efficacité des méthodes fréquentielles. La méthode fréquentielle de la balance harmonique à plusieurs harmoniques est adaptée au problème et exploitée dans le cadre d'une étude énergétique. Cette étude conduit à une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu lors de l'aplatissement des pics en fonctionnement ; elle permet de démontrer que l'alternance des états de contact glissant et bloqué est à l'origine de cet aplatissement et non la dissipation d'énergie comme souvent avancé dans la littérature. Enfin, la méthode est exploitée pour décrire le comportement des disques aubés désaccordés. La méthode de Monte Carlo est utilisée pour obtenir les caractéristiques statistiques de la réponse forcée d'un système discret, en tenant compte des variations stochastiques des paramètres du contact notamment, la charge normale, la raideur du contact et le coefficient de frottement. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre les effets de la nature variable de ces paramètres fondamentaux sur la dynamique d'ensemble du système non linéaire.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2017-10-18T20:27:50Z No. of bitstreams: 1 JosianeMariaDeMacedoFernandes_TESE.pdf: 1245335 bytes, checksum: 5135bc4fc7856839af432f3c4f427beb (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2017-10-23T22:17:47Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JosianeMariaDeMacedoFernandes_TESE.pdf: 1245335 bytes, checksum: 5135bc4fc7856839af432f3c4f427beb (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-23T22:17:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JosianeMariaDeMacedoFernandes_TESE.pdf: 1245335 bytes, checksum: 5135bc4fc7856839af432f3c4f427beb (MD5) Previous issue date: 2017-06-28 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico (CNPq) / Neste trabalho ? desenvolvida uma estrat?gia de controle n?o linear baseada no controle por modos deslizantes com compensa??o neural para estabiliza??o de sistemas subatuados sujeitos a vibra??es torcionais. No intuito de analisar o desempenho da abordagem proposta, a lei de controle foi implementada em uma coluna de perfura??o. As colunas de perfura??o s?o discretizadas em n partes. A atua??o ? dada no top drive, ou na mesa rotativa na extremidade superior da coluna, e todo o restante da coluna n?o recebe atua??o. As vibra??es torcionais abordadas neste trabalho s?o do tipo stick-slip, que ? o caso mais cr?tico desse tipo de vibra??o, cuja n?o linearidade ? geralmente causada pelo atrito entre a coluna e a forma??o, podendo ocorrer em qualquer ponto ao longo da coluna e deve ser levado em considera??o na modelagem. O controle por modos deslizantes apresenta robustez frente a incertezas param?tricas e perturba??es. A estrat?gia adotada n?o requer o conhecimento pr?vio de incertezas e n?o linearidades do sistema. No entanto, a fun??o descont?nua utilizada na lei de controle pode gerar o fen?meno de chattering, que em atuadores mec?nicos ? indesej?vel. Para atenuar o chattering, uma fun??o suave ? utilizada no lugar da descont?nua, sendo essa abordagem ocasionadora de diminui??o no desempenho do controlador. Nesse ponto, t?cnicas de intelig?ncia artificial podem contribuir na lei de controle para devolver o desempenho ou parte dele ao sistema. Duas arquiteturas de rede s?o empregadas para estimar a compensa??o, uma rede do tipo perceptron de m?ltiplas camadas e uma rede de fun??es de base radial. As superf?cies de controle s?o definidas como uma combina??o linear dos erros dos estados do sistema e uma rede neural ? adicionada para compensar a forma??o de ciclos limites, comumente apresentados ap?s a perda de efic?cia. Resultados s?o apresentados para demonstrar a performance do sistema de controle proposto. / In the present work, a nonlinear control strategy based on sliding mode method and artificial neural networks is presented. This approach can be applied to stabilize nonlinear under actuated systems subjected to torsional vibrations. In order to evaluate the proposed approach, the control law was implemented in a drill string. Drill strings are addressed due to their nonlinear and underactuated dynamics. The drill strings are discretized in n parts. The control output is given at the top drive whereas the other string parts are not directly actuated. Torsional vibrations employed in this work are stick-slip, which is the more critic way of torsional vibrations. Stick-slip is a nonlinearity usually caused by friction between the drill string and rock formations and can occurs at any point along its length. Sliding mode control is a very robust technique even with parametric uncertainties and external perturbations. There is no need of previous knowledge of uncertainties and nonlinearities. The discontinuous function adopted at the control law can lead to the undesired chattering effect. The discontinuous function can be replaced by a smooth function to avoid chattering, but this also implies on decrement of the system performance. In order to attenuate this effect, a compensation is added to the control law. Two different artificial neural network architectures are investigated: multilayer perceptrons and radial basis functions. The sliding surfaces are defined as a linear combination of tracking errors. The neural network is employed to mitigate the generated limit cycle. Numerical results are presented in order to demonstrate the performance of the control system.

L’objectif de cette thèse est d’approfondir la connaissance sur la génération et la propagation des ondes à travers l’interface de contact afin de contrôler leurs effets sur le frottement, contrôler les instabilités et réduire les phénomènes d'usure. Le travail est organisé en deux parties principales. La première partie est axée sur une analyse non-linéaire par éléments finis en grandes transformations; la rupture dynamique à l’interface de contact avec frottement, qui sépare deux corps (isotropes et élastiques) en condition de pré-charge statique, est simulée. On définit comme étant une rupture une zone, initialement en adhérence, qui change son état en devenant glissante. Les propriétés des ruptures sont analysées pour une surface plane entre deux matériaux différents en fonction de l’énergie de nucléation; l’effet de la rugosité de surface est ensuite analysée. En outre, la rupture "cumulatives" dans les aspérités et les conditions pour le couplage ou le non-couplage entre les ondes qui se propagent dans les deux corps sont étudiées. Dans la deuxième partie, l'amorçage du glissement entre deux corps en contact constitués de matériaux différents et séparés par une interface avec frottement, est simulée. L’évolution, en fonction du temps, des forces globales (normale et tangentielle) a été mise en relation avec les phénomènes locaux qui se déroulent à l’interface. L'analyse montre comment les micro-slips à l'interface, en agissant comme ruptures localisées, déclenchent les macro-slips entre les deux corps. L'interaction entre les dynamiques locale du contact et globale du système a été aussi étudiée. Enfin, une analyse paramétrique est menée en fonction de plusieurs paramètres (loi de contact, coefficient de frottement, amortissement matériau, charge normale, etc.). Les résultats mettent en avant le rôle-clé des micro-slips et des précurseurs (propagations d'ondes détectables qui ont lieu pour des valeurs de la force tangentielle globale inférieures à la valeur prévue par la loi de frottement) dans l'amorçage du macro-slip entre les deux corps. En fonction de leur distribution et de leur intensité, l'évolution des forces de contact change en passant d'un comportement de type stick-slip à un glissement continu. La dynamique locale au contact (propagation des ondes et ruptures) a été reliée au comportement global du système (stick-slip, glissement continu, vibrations induites); l'effet des paramètres du contact et du système sur le transfert d'énergie vibrationnelle entre le contact glissant et le système a également été examinée: en fonction de leurs valeurs, on peut avoir différentes modalités d'excitation du système (par une distribution de micro-slips ou par des macro-slips) et différentes processus de propagation et dissipation d'énergie. Les résultats numériques obtenus dans les deux parties de la thèse sont cohérents avec les résultats expérimentaux de la littérature. / This thesis is addressed to the understanding of the mechanisms at the origin of the contact wave fields at frictional interfaces and its relationship with the local characteristics of the surfaces in contact, as well as with the global dynamics and macroscopic frictional behaviour of the system. The aim of this work is to provide insights on the generation and propagation of the waves through the contact both to avoid instabilities and to control their effect on friction. The work is organized in two main parts. The first part presents the development of a non-linear finite element analysis in large transformations of the dynamic rupture at the interface with contact friction separating two bodies (isotropic and elastic) without relative motion. A rupture is considered when an initially sticking zone shifts in sliding state. The properties of the obtained ruptures are analyzed for a flat interface between dissimilar materials in function of the nucleation energy; then the effect of the interface roughness is analyzed. The differentiated rupture inside the asperities and the conditions for coupling and uncoupling between the waves radiating in the two bodies have been also investigated. In the second part, the analysis deals with the sliding onset between two bodies in contact. The sliding between two bodies made of different isotropic elastic materials and separated by a frictional interface is simulated. The evolution along the time of the global normal and tangential forces is analyzed, relating it to the local phenomena occurring at the interface. This part tries to investigate how micro-slips at the interface, acting as distributed ruptures, trigger the macro-slips between the two bodies. The interaction between local and global dynamics is also studied. Finally a numerical parameter space study is carried out, as a function of several system parameters (contact law, friction coefficient, material damping, normal load, translational velocity and regularization time). The results show the key role of the micro-slips and precursors (detectable wave propagations that occur at tangential global force well below the critical value expected by the friction law) in triggering the macro-slip between the two bodies. Depending on their distribution and magnitude the evolution of the contact forces passes from stick-slip-like behaviour to continuous sliding. The local dynamics at the contact (wave and rupture propagation) is linked to the global behaviour of the system (stick-slip, continuous sliding, induced vibrations); the effect of the contact and system parameters on the transfer of vibrational energy between the sliding contact and the system is investigated. The numerical results obtained by the two parts of the work show a good agreement with experimental results in literature.