Parmi les méthodes appliquées dans le cadre de la maintenance des installations industrielles, l'analyse vibratoire constitue une des plus répandues. En effet, les signatures vibratoires apparaissant sur une installation en cours de fonctionnement sont étroitement liées à leur comportement dynamique et à leur état fonctionnel. Ce travail a pour objectif de développer et expérimenter des techniques et outils de calculs numériques pour l'interprétation d'indicateurs d'état issus de mesures vibratoires sur une machine tournante. La validation est faite sur un ensemble motoréducteur à engrenages. Pour cela, nous avons développé deux outils d'analyse numérique : un premier permettant de déterminer les caractéristiques modales d'une structure complexe puis un second, développé sur la base des ondelettes, pour détecter les défauts naissants sur un motoréducteur. Les performances relatives des différents outils sont comparées au regard de ce qui se fait dans la littérature. Enfin, une étude expérimentale sur banc d'essais a été menée dans le but de tester la sensibilité et les limites de la méthode. Le mémoire est articulé comme suit : une première partie développe les principales techniques vibratoires actuelles avec leurs performances et limites. De la deuxième partie traitant les théories et méthodes d'analyse modale découle une troisième présentant des méthodes améliorées. Dans la quatrième partie, une étude expérimentale sur banc d'essais a été menée dans le but de tester la sensibilité de la méthode. Une approche par la décomposition en ondelettes des signaux a été notamment utilisée. Il est démontré que cette méthode a une application intéressante dans le domaine des analyses vibratoires de structures complexes / Vibrations analysis appears to be one of the most efficient methods among those that are actually used in the field of preventive and condition-based maintenance of industrial equipments. Indeed, vibration signs from a working machine depend tightly on its dynamical behaviour and health. This thesis consists on developing some new techniques and numerical calculation tools which help while interpreting indicators issued from vibrations measurements of rotating machinery. Validation has been done especially on case study of a complex bench constituted by motor with gear transmission. Technically, it aims on one part in determining modal characteristics of the whole system, and on another part in finding out a reliable method for rotating machinery defaults detecting. The first part resumes main present vibrating techniques. From the second part which treats theoretical modal analysis arises a developing improved methods third one. At this step, some numerical codes permitting treatment and quick interpretation of analysis results were drawn up. On the fourth part, an experimental study on a test bed was carried out with the aim of confronting theoretical, analytical and numerical results with real ones.An approach by wavelet decomposition of signals was particularly used here. It is shown that this method has got interesting application in the field of complex structures vibration analysis

La prédiction des instabilités fluide-élastique qui se développent dans un faisceau de tubes est importante pour la conception des générateurs de vapeur dans les centrales nucléaires, afin de prévenir les accidents liés à ces instabilités. En effet, ces instabilités fluide-élastique, ou flottements, conduisent à une fatigue vibratoire des matériaux, voire à des chocs entre les tubes, et par la suite, à des dégâts importants. Ces aspects sont d'une grande complexité pour les applications scientifiques impliquant l'industrie nucléaire. Le présent travail est issu d'une collaboration entre l'EDF, le CEA et l'IMFT. Elle vise à améliorer la simulation numérique de cette interaction fluide- structure dans le faisceau de tubes, en particulier dans la gamme de paramètres critiques favorisant l'apparition d'un amortissement négatif du système et de l'instabilité fluide-élastique. / The prediction of fluid-elastic instabilities that develop in a tube bundle is of major importance for the design of modern heat exchangers in nuclear reactors, to prevent accidents associated with such instabilities. The fluid-elastic instabilities, or flutter, cause material fatigue, shocks between beams and damage to the solid walls. These issues are very complex for scientific applications involving the nuclear industry. This work is a collaboration between EDF, CEA and IMFT. It aims to improve the numerical simulation of the fluid-structure interaction in the tube bundle, in particular in the range of critical parameters contribute to the onset of damping negative system and the fluid-elastic instability.

La thématique de la thèse est très vaste. Sont présentées les grandeurs cinématiques locales ou régionales qui agissent sur le corps humain. La deuxième partie de la thèse décrit les méthodes optiques, par lesquelles on peut mesurer les vibrations produites par les machines-outils sur le système humain main-bras au cours de l'activité au travail. Dans la troisième partie sont donnés les effets négatifs des vibrations qui se produisent sur le système humain main-bras pendant l'exposition aux vibrations. La quatrième partie de cette thèse contient la base théorique des techniques optiques utilisées pour mesurer les vibrations. Le chapitre cinq présente la méthodologie d'expérimentation pour mesurer les vibrations. Les résultats des mesures sont indiqués dans le sixième chapitre de la thèse. Dans le chapitre sept on présente la modélisation mécanique et mathématique du système humain main-bras avec trois degrés de liberté et le dernier chapitre contient les conclusions finales. / In the first part of the doctoral thesis are presented the local and global kinematics sizes which are acting on the human body. This is followsed with the optical methods by which we can measure the vibrations produced by the machine-tools and them action on the human hand-arm system during the work activity. In the third part are given the effects of vibrations that occur on the hand-arm system during the exposure of vibrations. The fourth part of this thesis contains the theorical basis of optical techniques used for vibrations measurement. Chapter five presents the experimental methodology of vibrations measurement in comparition betsween the two methods: classical and optical. The results of measurement are given in chapter six of the thesis. In chapter seven is given the mechanical and mathematical modeling of human hand-arm system with three degrees of freedom and the eighth chapter contains the final conclusions, the personal contributions and the future research directions.

La connaissance et la caractérisation du bâti existant est une problématique attirant l'intérêt de nombreuses activités depuis quelques années. L'utilisation des vibrations ambiantes permet de connaître facilement les paramètres dynamiques élastiques de la structure, que sont les fréquences de vibration, les amortissements et les modes de déformations. La fréquence de vibration étant facilement observable par le calcul de la transformée de Fourier d'un enregistrement au sommet de la structure, l'amortissement quant à lui reste un des paramètres les moins bien connus et son origine physique reste imprécise. Dans cette étude, nous essayerons de mesurer la fréquence et l'amortissement sur plusieurs bâtiments, d'évaluer la stabilité et la précision des mesures effectuées, en particulier afin de connaître jusqu'à quelle précision on peut relier des variations des paramètres modaux à des variations des propriétés physiques. Nous analyserons les variations observées pour des périodes variant de 1 mois à plus de 1 an. Ces études continues sur au moins un mois permettront de mettre en évidence les variations réversibles des paramètres dynamiques de la structure, et de les mettre en relation avec des forçages externes. On observe des variations journalières sur la fréquence et l'amortissement dans tous les bâtiments étudiés. La relation entre ces variations, et d'autres variations observées à plus long terme, avec la température diffère d'un bâtiment à l'autre. La relation entre fréquence et amortissement et l'effet de l'Interaction Sol-Structure ont été étudiés. / The knowledge and characterization of existing buildings is an issue that attracts the interest of many activities in recent years. The use of ambient vibrations allows an easy identification of the dynamic parameters of elastic structure, such as vibration frequencies, damping and mode shapes. The vibration frequency is easily observable through Fourier Transform of a recording at the top of the structure. As for the damping, it remains the least known and its physical origin remains unclear. In this study, we try to measure the frequency and damping over several buildings, to assess the stability and accuracy of measurements, especially in order to know precisely how far one can relate changes in modal parameters to changes in physical properties. We analyze the variations observed on studied buildings for periods varying from 1 month up to more than 1 year. These ongoing studies on at least one month will highlight the reversible changes of dynamic parameters of the structure, and put them in relation to external forcing. We observe diurnal variations on the frequency and damping in all the studied buildings. The relationship between these variations and other variations of a longer term, with the temperature differs from one building to another. The relationship between frequency and damping and the effect of Soil-Structure Interaction were studied.

Le fretting est un endommagement induit par le glissement cyclique à très faible amplitude de deux corps en contact. Il se caractérise par un amorçage d’une fissure en surface, qui peut ensuite propager, menant ainsi à la rupture. Le fretting est présent dans de nombreux secteurs industriels où il constitue un critère de résistance à la fatigue plus ou moins sévère. Ce mémoire s’intéresse aux fissures de fretting qui apparaissent dans une liaison entre pale et disque d’une turbomachine. La sollicitation cyclique de contact est dans ce cas le fruit de la combinaison d’un chargement statique à un chargement vibratoire à très haute fréquence (quelques milliers de Hertz). Pouvoir estimer la durée de vie de la liaison sous un tel chargement est indispensable pour la sécurité des vols. La méconnaissance de certains paramètres d’entrée, la non-proportionnalité du chargement ainsi que les fortes concentrations de contraintes mises en jeu, sont autant de verrous techniques à la modélisation. Ce mémoire de thèse propose une méthode numérique permettant le calcul d’une criticité à amorçage de fretting sous sollicitation vibratoire. Le modèle se décompose en une première phase de calcul des contraintes et déformations cycliques par éléments finis, suivie d’une seconde qui consiste à post-traiter les résultats avec le critère de Dang Van. Le modèle est développé grâce au support d’un banc d’essai innovant qui permet de reproduire les chargements subis par un contact d’une liaison pale/disque. Une utilisation intensive du processus de calcul mis au point permet de tirer des conclusions et de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu dans ce type d’endommagement. Une confrontation des différentes études numériques réalisées permet de comparer la représentativité des moyens expérimentaux par rapport aux configurations moteurs réelles. / Fretting is a damage induced by small cyclic slip of two bodies in contact. It is characterized by surface crack initiation, which can then propagate, thus leading to failure. Fretting is present in many industrial environments where it is a more or less severe resistance criterion. This work focuses on the fretting cracks that appear in blade/disk roots of turboshaft engines. In this case, the cyclic contact loading is the result of the combination of a static loading and a high frequency vibratory loading (some thousands of Hertz). Being able to estimate the lifetime of the root under such a solicitation is essential for flight safety. The lack of knowledge of certain input parameters, the non-proportionality of the solicitation as well as the high stress gradient involved, make this phenomenon difficult to predict. This work proposes a numerical method allowing the computation of a fretting crack initiation criterion. First, stresses and deformations fields are computed with finite element method. Then, the post-processing of the fields is done woth Dang Van criterion. The model is developed with the support of an innovative test bench which makes it possible to reproduce the loadings sustained by a a blade/disk root. An intensive use of the computation process developed makes it possible to draw conclusions and provides better understanding of the phenomenon involved in this type of damage. The different numerical studies carried out make it possible to compare the representativeness of the experimental means with respect to the actual engine configurations.

Le thème central de la thèse est l'interférométrie atomique et la réduction du bruit de phase lié aux vibrations de l'environnement. Les interféromètres atomiques sont des instruments pouvant permettre des mesures fondamentales de grande précision et cette précision est fortement liée à la vitesse des atomes. L'interféromètre qui était utilisé à Toulouse travaillait alors avec des atomes de lithium aux énergies thermiques et le projet était de pouvoir utiliser des atomes fortement ralentis. Les vibrations du sol (bruit sismique) deviennent alors un inconvénient majeur et il est indispensable de s'en affranchir le plus possible. La première partie du travail fut de prévoir une isolation vis à vis du bruit sismique. Un premier filtre est réalisé en plaçant l'ensemble de la manipulation sur un pendule suspendu par 3 fils. Celui ci atténue les vibrations de fréquence supérieure à sa fréquence propre mais amplifie celles de fréquences voisines de celle-ci. Il faut donc un pendule asservi et cela implique un sismomètre sensible pouvant fonctionner sous ultravide. Nous avons développé une stabilisation des mouvements horizontaux en nous appuyant tout d'abord sur des sismomètres simples mais peu sensibles, puis nous avons cherché à améliorer les performances en réalisant un capteur de déplacement basé sur un interféromètre de Michelson à coins de cube. Nous avons suivi en cela les travaux de l'équipe de M.Zumberge qui utilise une détection de deux signaux en quadrature ce qui permet une mesure de déplacement avec une sensibilité meilleure que 4.10-13 m/vHz à 1 Hz et entrepris d'adapter cette technologie à un fonctionnement sous ultravide. Mais les difficultés rencontrées et l'abandon de l'interféromètre tel qu'il était pour en developper un nouveau ne nous ont pas permis d'atteindre complètement notre but et de pouvoir tester le sismomètre in-situ.Cependant, la mise au point et l'optimisation du sismomètre nous a amené à nous pencher sur la théorie des pendules à lame élastique, lesquels sont largement utilisés dans ce genre de capteurs. Il nous est apparu que cette théorie était très incomplète et nous avons entrepris une étude plus systématique de tels pendules ce qui a donné lieu à une publication et fait l'objet de la seconde partie de la thèse. [...] / The main theme of my thesis is atomic interferometry and in particular the reduction of the phase noise induced by vibrations. Atomic interferometers are good devices to achieve accurate and fundamental measuring. The sensibility of these devices is related to the flying time of the atoms inside the apparatus. At Toulouse, our interferometer worked with atoms at thermal velocity and to increase the sensibility we wanted slower atoms. However, this will at the same time increase the effect of vibrations, witch result in a larger phase noise and a jamming of the fringes. In order to reduce this effect, I've put the core of the interferometer on a 3 wires pendulum. A pendulum attenuates the vibrations of frequencies much higher than its resonant frequencies but amplifies those with frequencies close to its resonances. To avoid this phenomenom, we have to enslave the pendulum on the signal given by seismometers. With a first realisation, I was able to stabilize 2 horizontal movements with 2 low sensibility seismometers. To increase the performances, I needed high sensibility seismometer and the possibility to operate under ultra vacuum. I've made a deplacement sensor based on the Michelson interferometer with cube corners, following the works of Zumberge's team. By choosing cleverly the polarisation of the laser beam, we can detect 2 signals in quadrature and the sensibility achieved is better than 4x10-13 m/vHz at 1 Hz. The next step was to migrate this seismometer in ultra vacuum but the retirement of the interferometer using slow down lithium atoms at the benefit of an atomic fountain of rubidium stopped this project. However, this work on the seismometer led me to think about elastic blade pendulums, widely used in such sensors. I've complete the theory, showing the presence of 2 resonance frequencies and, as a test, I've build a such pendulum, for witch I've measured the caracteristics with some position and velocity sensors I've developped for this purpose. I was able to measure precisely the damping of the oscillations of the pendulum and study more precisely the different origins of the damping. Two of them have given some additionnal work : a)the coupling with the resonances of the frame witch support the pendulum may have an effect on the quality factor of the pendulum. [...]

Dans cette thèse, un stabilisateur actif est conçu pour être embarqué sur la plate-forme d'un Robot Parallèle à Câbles (RPC) et compenser les vibrations de la plate-forme en produisant un torseur d’effort sur celle-ci. Tout d’abord, une modélisation mécanique de divers dispositifs de stabilisation actifs permet de choisir une solution appropriée à la compensation des vibrations. La solution sélectionnée consiste en un stabilisateur composé de bras en rotation. Ensuite, ce modèle est utilisé pour optimiser la structure du stabilisateur en recherchant quelle disposition de ses bras permet de maximiser la puissance fournie par le stabilisateur à la plate-forme mobile du RPC.Une stratégie de commande est alors proposée pour contrôler le système composé de la plate-forme mobile du RPC et du stabilisateur actif embarqué. Ce système étant constitué de deux parties fonctionnant à des échelles de temps différentes, la théorie de la perturbation singulière est utilisée pour prouver la stabilité de la commande proposée.Enfin, des expériences en simulation permettent de valider l’utilisation d’un stabilisateur actif embarqué pour la compensation des vibrations de la plate-forme mobile d’un RPC et commandé avec la loi de commande proposée dans cette thèse. / In this thesis, an active stabilizer is designed to be embedded on the platform of a Cable-Driven Parallel Robot (CDPR) and to damp vibrations affecting the platform by producing a wrench on it.First, a mechanical modeling of various active stabilization devices allows the choice of an appropriate solution for vibration damping. The selected solution consists of a stabilizer composed of rotating arms. Then, this model is used to optimize the stabilizer structure by looking at which arm arrangement maximizes the power delivered by the stabilizer to the CDPR mobile platform.A control strategy is then proposed for the system consisting of the CDPR mobile platform and the embedded active stabilizer. As this system consists of two parts operating at different time scales, the singular perturbation theory is used to prove the stability of the proposed control.Finally, simulation experiments make it possible to validate the use of an on-board active stabilizer to damp the vibrations of the mobile platform of a CDPR, and controlled with the control law proposed in this thesis.

Les recherches scientifiques sur la pile à combustible échangeuse de protons (PEMFC) ont, jusqu’il y a peu, concerné presque exclusivement les aspects fondamentaux liés à l’électrochimie, particulièrement la conception, le dimensionnement, les performances et le diagnostic. Récemment, les objectifs de durée de vie ont ouvert un nouvel axe de recherche sur le comportement mécanique de la PEMFC devant conduire à son optimisation statique et dynamique. Parallèlement les installations vibroclimatiques de la plateforme d’essais « Systèmes Pile à Combustible » de Belfort ont été développées. La thèse de Vicky ROUSS soutenue en 2008 montre l’intérêt et le potentiel de la modélisation type « boîte noire » pour simuler le comportement mécanique de la PEMFC, et de la technique des signatures mécaniques expérimentales pour mettre en évidence la présence des phénomènes physiques à l’intérieur de la PEMFC. Dans ce contexte les travaux de la présente thèse ont concerné le pilotage des essais de durabilité par simulation boîte noire temps réel et l’exploitation de cette dernière en vue de la découverte des phénomènes physiques à l’intérieur de la PEMFC. La modélisation par réseaux de neurones des systèmes simples de type oscillateur harmonique a représenté le premier pas pour la définition d’un modèle neuronal de pilotage des essais de durabilité en temps réel. Le cas du système mécanique excité par la base qui correspond à une pile à combustible fixée sur la plateforme vibratoire, a été considéré. L’architecture neuronale optimale a été définie en plusieurs étapes en utilisant différents algorithmes. Elle utilise en entrée le signal de commande du système et la réponse mesurée sur la pile à combustible au moment t et en sortie on obtient la réponse prédite du comportement de la pile à combustible au moment t+1. Cette architecture a été mise au point et validée par des essais sur la plateforme. D’autres essais ont permis de mettre en évidence différents comportements de la pile à combustible en fonction de l’amplitude de sollicitation, de la pression et de la température de la pile à combustible. Les signatures mécaniques obtenues réalisées à partir des essais de durabilité complètent la bibliothèque de signatures déjà existante et mettent en évidence de nouveaux comportements de la pile à combustible. / Scientific research on cell proton exchange fuel cells (PEMFC) have, until recently, almost exclusively concerned fundamental aspects of electrochemistry, particularly the design, sizing, the electrochemical performance and diagnostics. Recently, the objectives of life cycle have opened a new direction of research on the mechanical behavior of the PEMFC leading to its static and dynamic optimization. At the same time new environmental facilities of the test platform "Fuel Cell Systems" at Belfort are developed. Vicky ROUSS thesis sustained in 2008 shows the importance and the potential of the black box modeling to simulate the mechanical behavior of the PEMFC and experimental mechanical signatures to highlight the presence of physical phenomena inside PEMFC. In this context the work of this thesis concerned the monitoring of durability tests by simulation and real-time black-box operation to explore the physical phenomena inside the PEMFC. Modeling neural networks simple systems such as harmonic oscillator represented the first step towards the definition of a neural control model of real time environmental tests. Then, it was considered the case of the harmonic oscillator excited by the base, which corresponds to the fuel cell mounted on the vibration platform. The optimal neural architecture has been defined in several stages using different algorithms. This architecture uses as input the control signal of the system and the measured signal on the fuel cell at the time t and as output the predicted response behavior of the fuel cell at time t+1. This architecture has been developed and validated by tests on the platform. Other tests have allowed demonstrating the different behavior of the fuel cell in accordance with the amplitude of solicitation, the pressure and temperature of the fuel cell. Mechanical signatures made from tests complete the existing library of signatures and demonstrate new behaviors of the fuel cell.

La méthode SEA (Statistical Energy Analysis) permet de prévoir les échanges d'énergie entre sous-systèmes d'une structure lorsque celle-ci est soumise à une excitation. La SEA est théoriquement très simple à mettre en place et permet de faire des variations paramétriques sur un modèle de la structure en phase de conception. Cette méthode est utilisée de manière pertinente dans le domaine du bâtiment mais peine à s'implanter dans le secteur des transports où les systèmes étudiés sont beaucoup plus complexes. Plusieurs difficultés apparaissent dans ces cas de figure et empêchent une modélisation correcte de la structure. La première difficulté vient de la nécessité de découper la structure en sous-systèmes respectant les hypothèses de la SEA. Ce découplage, presque trivial dans le bâtiment, devient particulièrement complexe dans le cas d'une caisse de voiture par exemple. L'estimation des puissances injectées par les sources dans la structure est une deuxième difficulté. En effet, les énergies des sous-systèmes sont directement proportionnelles à la puissance injectée. Ainsi, une mauvaise estimation de la puissance entraîne une erreur sur les échanges d'énergies. Le but de ce travail de thèse est double. Dans la première partie, une modèle de puissance injectée dans une plaque rectangulaire soumise à une couche limite turbulente (CLT) établie. Ce modèle simple permet de souligner l'influence des différents paramètres agissant sur la puissance injectée et d'estimer avec le temps de calcul très faible la puissance injectée par bande de fréquence. Une validation expérimentale est aussi exposée. Dans la deuxième partie, une méthode de sous-structuration automatique d'une structure en sous-systèmes SEA est proposée. Elle est basée sur l'analyse et la classification de fonctions de transfert énergétiques simulées par éléments finis. Un algorithme de classification permet de diviser la base de données en N sous-systèmes (N allant de 2 à Nmax). Un indice, validé sur des assemblages simples, indique la sous-structuration optimale pour une application SEA. Des applications industrielles, démontrant l'applicabilité de la méthode à des structures complexes, seront présentées.

Le bruit de frottement de deux surfaces rugueuses est dû à la vibration verticale engendrée par les impacts inter-aspérités de deux solides glissants. Il relève de la physique des interfaces multicontact dont les propriétés sont encore largement méconnues. L'objet de cette thèse est de comprendre les mécanismes de transfert d'énergie et de génération des vibrations à l'oeuvre à l'interface entre deux surfaces rugueuses en glissement relatif. Ces interfaces présentent des spots de contact qui se renouvellent très rapidement mais dont la physique statistique reste à découvrir. Un outil numérique est spécialement développé pour étudier efficacement ce phénomène aux échelles microscopique et macroscopique. Les simulations sont effectuées à l'aide de centres de calcul haute performance à Lyon. Elles ont mené aux conclusions suivantes. Le niveau de la vibration Lv (dB) est une fonction croissante du logarithme de la rugosité de surface Ra et de la vitesse de glissement V, ce qui est en accord avec les résultats expérimentaux issus de la littérature. De plus, grâce à cet outil numérique, on a pu analyser précisément les chocs entre surfaces définis à partir de l'évolution temporelle de la force de contact. Leur durée est de l'ordre de 0.1 ms, la force maximale de contact peut atteindre 100 fois le poids propre du solide glissant, et le nombre de chocs est de l'ordre de 10000 par seconde pour une surface de l'ordre de 4 cm2. Les chocs sont donc des excitations transitoires brèves mais nombreuses et intenses. Ces chocs se comportent comme les sources d'énergie vibratoire qui sont responsables d'un transfert d'énergie à l'interface. C'est en effet la transformation de l'énergie cinétique du mouvement solide glissant en énergie vibratoire qui est responsable du bruit de frottement.