Les normes européennes d'émissions de CO2 étant de plus en plus contraignantes, les constructeurs automobiles cherchent, entre autres, à alléger leurs véhicules pour en diminuer la consommation. Ainsi, le remplacement des pièces métalliques par d'autres réalisées à partir de matériaux moins denses tels que les matériaux composites polymères chargés en fibres courtes est de plus en plus utilisé dans l'industrie automobile. Cependant, lors du processus de conception, les ingénieurs sont confrontés à des difficultés lors de la modélisation numérique de la réponse vibro-acoustique de ces pièces et/ou assemblages. En effet, ces matériaux sont très sensibles aux paramètres extérieurs tels que la température, la fréquence de sollicitation et l’humidité. De surcroît, leur comportement dépend également du procédé d’injection utilisé qui influe sur leur microstructure et plus particulièrement sur l’orientation et la dispersion des charges renforçantes. De fait, leur modélisation numérique est complexe et la confrontation aux mesures expérimentales non satisfaisante. Dans ce travail de recherche, l'influence des paramètres ambients sur le comportement dynamique d'un carter d'huile réalisé en polyamide 6 renforcé à 35\% en masse de fibres de verre a été étudiée. Les caractérisations mécaniques et microstructurales locales ont été effectuées afin d'investiguer les relations entre la microstructure et les propriétés de ces matériaux. Un modèle numérique a alors été développé sur la base de ces études expérimentales et a permis d’évaluer l'influence de la microstructure sur le comportement vibratoire d'un système modèle "plaque". Enfin, des corrélations calculs/essais ont été réalisées pour confronter la méthode de modélisation numérique aux mesures. Ces études ont permis de mettre en exergue la sensibilité de ces matériaux à leur environnement, d’établir une hiérarchisation de l'influence des différents paramètres sur leur comportement vibratoire et de proposer une méthodologie numérique basée sur la caractérisation expérimentale des éléments constitutifs pris séparément. / As European standards for CO2 emissions are becoming more stringent, car manufacturers are seeking, among other strategies, to lighten their vehicles to reduce their consumption. Thus, the replacement of metal parts by others made from lighter materials such as polymeric composite materials filled with short fibers is increasingly used in the automotive industry. However, during the design process, engineers face difficulties when trying to numerically model the vibro-acoustic response of these parts and / or assemblies. Indeed, these materials are very sensitive to external parameters such as temperature, loading frequency and humidity. In addition, their behavior also depends on the injection process which has an influence on their local microstructure and more particularly on the orientation and dispersion of the reinforcing fillers. In turn, their numerical modeling is complex and the comparison with the experimental measurements unsatisfactory. In this research work, the influence of the ambient parameters on the dynamic behavior of an oil pan made of polyamide 6 reinforced with 35\% by mass of glass fibers was studied. Local mechanical and microstructural characterizations were performed to investigate the relationship between the microstructure and the properties of these composite materials. A numerical model was then developed on the basis of these experimental studies and allowed to evaluate the influence of the microstructure on the vibratory behavior of a model plate system. Finally, computation / test correlations were performed to compare the numerical modeling method to the measurements. These studies have made it possible to highlight the sensitivity of these materials to their environment, to establish a hierarchy of the influence of the various parameters on their vibration behavior and to propose a "low cost" numerical methodology based on the experimental characterization of constituent elements taken separately.

L'objectif de ce travail était d'améliorer l'amortissement d'un composite thermoplastique haute performance à matrice poly(éther cétone cétone) (PEKK). Pour cela, le concept d'amortissement vibratoire passif à base de particules piézoélectriques (niobate de sodium, NaNbO3) et de particules conductrices (graphène et noir de carbone) a été étudié. Les particules piézoélectriques assurent la transduction mécanique-électrique de la vibration. Les particules conductrices dissipent par effet Joule les charges électriques générées par les particules piézoélectriques au sein de la matrice polymère. La présence de ces deux types de particules favorise la dissipation de l'énergie mécanique par le phénomène de transduction-dissipation local. Ce film amortissant a ensuite été visco-contraint entre des plis composites. Les différentes contributions à la dissipation d'énergie ont été identifiées : la viscoélasticité du polymère, le stick-slip à l'interface particules/matrice, le cisaillement induit par les fibres de carbone et la transduction-dissipation locale. Ce dernier phénomène a été mis en évidence de manière significative à travers l'étude du comportement mécanique et de la réponse dynamique des empilements composites. Après l'étape de polarisation, l'aire sous le module de cisaillement dissipatif G'' du mode de relaxation mécanique α est augmentée de 18%, l'aire des boucles d'hystérésis de 16% à 34% et les amplitudes des modes de résonance sont diminuées, jusqu'à 54% pour le 2ème mode. / The aim of this work was to increase the damping in a high performance thermoplastic composite with the poly(ether ketone ketone) (PEKK) as polymer matrix. The passive vibration damping concept based on piezoelectric particles (sodium niobate, NaNbO3) and conductive particles (graphene and carbon black) was studied. Piezoelectric particles ensure the mechanic-electric transduction of the vibration. Conductive particles dissipate by Joule effect the electric charges generated by the piezoelectric particles within the polymer matrix. Presence of these two kinds of particles improves the dissipation of the mechanical energy by the local transduction-dissipation phenomena. This damping film was visco-constrained between composites plies. The different contributions of energy dissipation have been identified: the polymer viscoelasticity, the stick-slip at the particle/matrix interface, the shear induced by carbon fibers and the local transduction-dissipation. The latter phenomena has been demonstrated significantly through the study of mechanical behavior and dynamic response of the laminate composites. After the polarization step, the area under the dissipative shear modulus G'' of the mechanical relaxation mode α is increased by 18%, the hysteresis loop area from 16% to 34% and resonance mode amplitudes are decreased, up to 54% for the 2nd mode.

L’objectif principal de cette thèse est de développer et d’optimiser les outils d’acquisition de la technique de Sismique réflexion haute résolution (SHR) afin d’améliorer ses performances pour la détection des cavités souterraines. Il est communément admis que l’imagerie SHR est d’autant plus complexe que la profondeur de la cible est petite. Les travaux menés dans le cadre de cette thèse devraient remédier à certains problèmes les plus critiques identifiés lors des applications de la SHR.L’utilisation des sources vibratoires présente des avantages indéniables (non destructivité, contrôle du signal émis...) par rapport aux sources « classiques » (i.e. impulsionnelles, destructives) mais leur application optimale nécessite un choix correct du signal émis.Ainsi, les travaux de recherche réalisés ont permis de (1) développer un système complet de pilotage par ordinateur d’une mini-source vibratoire destinée à l’imagerie SHR, (2) développer une méthode de génération de signaux émis. En établissant un lien entre le signal d’entrée et l’image sismique obtenue, cette procédure offre la possibilité à l’utilisateur de choisir le signal émis en fonction des conditions de terrain, et des objectifs des mesures, (3) tester le fonctionnement du système développé avec plusieurs mini-vibrateurs.Le système développé ainsi est testé et validé dans les tests à petite échelle. Ensuite, il a été utilisé dans les conditions réelles avec l’objectif « détection des cavités » dans le contexte salin (anciennes mines de sel en Lorraine, profondeur : 160 m - 180 m) et les marnières de Haute Normandie (anciennes carrières de craie, profondeur : 15 m - 45 m) / The main objective of this thesis is to develop and optimize the acquisition tools for High Resolution Reflection Seismic (HRS) technique in order to improve its performances in the detection of underground cavities. It is commonly admitted that HRS imaging becomes more complicated with when the depth of interest is decreased. The work carried out in the frame of this thesis aims to bring solutions to some of the most critical problems identified in application of the HRS.The vibratory sources show undeniable advantages (non destructivity, controllable output signal) over “classic” (impulsive, destructive) sources. However, the optimal use of these sources depends on the proper choice of emitted signal.Thus, the research work carried out resulted in (1) development of a complete, computer-based vibrator control system allowing piloting small vibratory source intended to use for HRS surveys, (2) development of a method for generating the source signal. The proposed procedure links the entry signal with seismic image and thus allows the choice of the signal in terrain conditions and with regard to the measurement goals, (3) extensive testing of the developed system with several portable vibratory sources.The developed system was tested and validated in small-scale tests. Afterwards it was used in real conditions with the goal of “cavity detection” in salt-mining context (old salt mines in Lorraine region at depths between 160 m and 180 m) as well as in chalk-mining area (ancient marl-pit quarries in the Normandy region at depths 15 m - 45 m)

Ce travail concerne l'étude de techniques non linéaires ayant pour effet d'augmenter considérablement l'effet de conversion électromécanique des matériaux piézoélectriques. Les potentialités de ces techniques sont étudiées dans le cas de l'amortissement vibratoire et de la récupération d'énergie.<br />On distingue généralement deux types de contrôle vibratoire à l'aide d'éléments piézoélectriques : les techniques passives, qui consistent à connecter un réseau électrique passif aux éléments piézoélectriques et les techniques actives qui utilisent un calculateur associé à une source d'énergie électrique. Les techniques non linéaires étudiées, appelées SSD pour « Synchronized Switch Damping », sont qualifiées de semi passives car elles ne nécessitent pas de source d'énergie externe mais effectuent cependant un traitement intelligent de la tension. Ces techniques sont beaucoup plus efficaces et adaptables que les techniques passives. Elles sont, en outre, beaucoup plus facile à implémenter que les techniques actives et présentent des performances comparables. Les travaux réalisés proposent une nouvelle approche pour appréhender les techniques SSD, ainsi que plusieurs développement de ces techniques, notamment en proposant une loi de contrôle permettant d'optimiser l'amortissement dans le cas de structures et de signaux complexes.<br />Les techniques d'amortissement vibratoire SSD ont été adaptées à la récupération d'énergie. Il s'agit de convertir l'énergie vibratoire en énergie électrique afin de constituer des micro-générateurs d'une puissance comprise entre quelques μW et quelques centaines de mW. Ces générateurs répondent à un besoin croissant lié à la prolifération des capteurs, micro-actionneurs et autres dispositifs électroniques embarqués. Les techniques développées permettent d'accroître drastiquement les performances de ce type de micro-générateurs, ce qui permet de diminuer la quantité de matériau piézoélectrique nécessaire et d'envisager des applications nouvelles nécessitant plus d'énergie. Suivant les structures et le type de sollicitation, le gain apporté par les techniques non linéaires sur la puissance utile des micro-générateurs est plus ou moins important, et peut atteindre un facteur 10 par rapport aux techniques de récupération d'énergie classiques.

Issus de l'industrie de la microélectronique, les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) envahissent progressivement le marché avec des applications dans de nombreux domaines tels que l'aérospatiale, la médecine, l'industrie ou encore le grand public. Une des vocations de ces microstructures est de permettre le déploiement de réseaux de capteurs autonomes, c'est-à-dire d'un ensemble de systèmes capables de collecter des informations de leur environnement, de les traiter, de les transmettre et d'interagir entre eux, et ceci, sans intervention humaine. Comment rendre ces microsystèmes énergétiquement autonomes ? Utiliser des piles... Malheureusement, le défaut majeur des piles est leur durée de vie, puisqu'il faudra à un moment ou à un autre les recharger ou les remplacer. En fait, avec la miniaturisation, les systèmes deviennent de moins en moins consommateurs d'énergie et ceci permet de concevoir de nouvelles sources d'énergie basées sur la récupération de l'énergie ambiante (soleil, gradients de température,...). Il est par exemple possible de récupérer l'énergie des vibrations ambiantes à l'aide de systèmes piézoélectriques, électromagnétiques ou encore électrostatiques. Dans ce travail de thèse, nous nous concentrons sur l'étude de structures électrostatiques utilisant les électrets (diélectriques chargés électriquement). De l'étude des électrets à la réalisation et à l'optimisation de structures de récupération d'énergie, nous exposons dans ce mémoire, les résultats obtenus au cours de ce travail de thèse.

L'amortissement de vibrations mécaniques trouve de nombreuses applications dans le domaine du contrôle acoustique ou de la réduction de contraintes dans l'industrie (machine outil), le génie civil (structure autoportée), ou encore l'aéronautique (réduction de contrainte lors des manoeuvres). Les recherches actuelles tendent principalement vers des méthodes utilisant des matériaux piézoélectriques collés à la surface des structures à traiter. Une technique prometteuse, développée au LGEF à l'INSA de Lyon, est l'amortissement de vibration d'une structure mécanique par méthode SSDI (pour Synchronized Switch Damping on an Inductor). Cette technique d'amortissement semi-active exploite un procédé non-linéaire de traitement de la tension aux bornes d'un élément piézoélectrique, capteur et actionneur à la fois. L'objectif de ce travail est de réaliser l'intégration de l'électronique de traitement de la tension aux bornes des éléments piézoélectriques en technologie microélectronique, afin de pouvoir l'embarquer sur le patch piézoélectrique à terme. Une analyse des techniques d'amortissement publiées permet d'y situer ce travail et de définir les points clés de la technique SSDI. Au deuxième chapitre, un certain nombre de modèles sont développés pour comparer et guider les choix de conception, et pour aboutir à des arbitrages architecturaux. Le troisième chapitre développe la conception d'un ASIC dans une technologie avec option haute tension, comprenant une fonction haute-tension de traitement du signal piézoélectrique et une chaine basse-tension d'analyse, de décision et de commande. La première réalise l'inversion de la tension piézoélectrique à l'aide d'un circuit RLC passif de conversion de l'énergie. La seconde s'attache à la détection des extremums de manière à optimiser l'amortissement. Un diviseur de tension auto-adaptatif avec protection contre les surtensions ainsi qu'un détecteur de pic de tension permettent de réaliser cette opération. Ces fonctions sont caractérisées en simulations et mesures. Le fonctionnement de l'ASIC est ensuite testé sur une structure mécanique, et les performances sont décrites et interprétées au chapitre 4. Le comportement multi-mode et la grande dynamique des signaux mécaniques traités sont des avancées par rapport à la bibliographie.

Le premier chapitre de mon HDR concerne la propagation des vibrations dans un système hôte-parasitoïde. Mais avant de pouvoir analyser les vibrations émises par les deux insectes, il a fallu étudier la propagation des vibrations dans les végétaux. En effet la feuille est un système complexe composé de différents matériaux : la nervure centrale, les nervures secondaires et le limbe, ayant chacun des propriétés physiques différentes. Afin de mieux connaître les propriétés physiques de la feuille nous avons utilisé deux approches. Dans une première approche, nous avons fait une analyse temps-fréquence de la propagation des signaux sur une feuille de pommier. Puis, dans un deuxième temps, nous avons analysé, à l'aide d'une méthode d'éléments finis, la déformation d'une feuille soumise à une force. Nous avons ensuite analysé les signaux vibratoires émis par le parasitoïde et ceux émis par la mineuse. Puis, nous avons étudié le comportement de la mineuse quand elle est soumise aux vibrations simulant l'attaque d'un parasitoïde et réciproquement le comportement d'un parasitoïde quand il est soumis aux vibrations simulant la présence d'une mineuse dans une mine.<br /><br />Le deuxième chapitre fait partie d'un projet européen, CICADA, dans lequel j'étudie un modèle physique de mouvement des soies du grillon, soies étant utilisées comme mécanorécepteurs pour échapper à la prédation. Le modèle physique que nous avons élaboré permet de calculer la réponse de la canopée de poils. Or, la distribution de poils peut varier suivant les espèces de grillons mais aussi en fonction du stade des grillons. Le grillon comprend 9 stades qui auront une sensibilité différente face à l'attaque des prédateurs.<br /><br />J'ai ensuite travaillé sur un projet d'invasion biologique répondant à un appel d'offre du Ministère de l'Aménagement du Territoire et de l'Environnement dans lequel j'étudie la propagation d'un insecte invasif et de ses parasitoïdes, c'est l'objet du troisième chapitre de mon HDR. Notre problème d'invasion est causé par la mineuse du marronnier qui s'attaque aux feuilles de l'arbre. Cette mineuse est elle-même attaquée par des parasitoïdes. Notre but était de comprendre les mécanismes de l'invasion de cette mineuse et de trouver des moyens de lutte pour la stopper. Le système biologique que nous avons donc étudié est un système tritrophique composé d'un végétal, le marronnier d'Inde (Aesculus hippocastaneum), d'un insecte phytophage, la mineuse (Cameraria ohridella) et de ses parasitoïdes polyphages. Pour modéliser l'avancée spatio-temporelle de la mineuse et de ses parasitoïdes, deux approches ont été utilisées, d'une part un modèle discret contenant toutes les données biologiques du terrain. D'autre part un modèle continu, plus simple, mais donnant des dynamiques assez complexes d'un point de vue mathématique. Ces deux modèles ont ensuite été comparés dans le cadre de l'effet de la dispersion des mineuses sur l'avancée de celles-ci.

ce travail de thèse porte sur la modélisation numérique et l'analyse des mécanismes physiques en jeu lors du procédé de bourrage du ballast ferroviaire. Celui-ci consiste à remettre à niveau la voie suite aux tassements différentiels induits par les circulations des trains. Nous avons développé un modèle en éléments discrets par la méthode de dynamique des contacts qui permet de simuler un cycle complet du procédé composé de l'enfoncement des bras mécaniques, le serrage du ballast sous la traverse et le retrait des bras. Ces simulations prennent notamment en compte la forme polyédrique des grains, ce qui constitue un élément important pour une simulation réaliste de la dynamique du ballast. Une étude détaillée de la rhéologie quasi-statique des matériaux granulaires à grains polyédriques a été ainsi effectuée permettant de mettre en évidence l'origine de la résistance mécanique de ces matériaux liée à la forme facettée des grains. La dynamique vibratoire des grains a été explorée en interaction avec un outil vibrant et sous l'effet des vibrations horizontales. Ces études ont permis de proposer une mise à l'échelle de la dynamique en fonction des paramètres de chargement et de mettre en évidence une fréquence caractéristique pour une compaction optimale du milieu granulaire. Ces analyses et des études paramétriques ont permis de proposer des recommandations précises pour améliorer les performances du procédé de bourrage.

Le besoin en isolation vibratoire des voies ferrées conduit de plus en plus souvent au recours à des systèmes d'attache de rail souples avec des designs sophistiqués. Par contre, les produits deviennent diversifiés mais leur conception se fait de manière empirique dans la pratique. Dans ce travail de thèse, deux systèmes d'attache de rail sont étudiés expérimentalement et numériquement: un système qui travaille principalement en cisaillement et l'autre en compression. Des essais quasi-statiques et dynamiques sont menés puis les résultats sont analysés à l'aide de différents modèles mécaniques. En plus, une série de tests sur les élastomères utilisés dans les deux systèmes sont réalisés. Ces tests permettent de choisir des modèles hyperélastiques et viscoélastique appropriés, et de déterminer les paramètres de propriétés mécaniques des élastomères dans ces modèles par des simulations Abaqus. En utilisant également Abaqus, des analyses par élément fini des deux systèmes d'attache sont effectués et les résultats sont comparés aux ceux des essais. Des non-linéarités d'origine matérielle et géométrique sont ainsi analysées et expliquées. Enfin, des études de sensibilité des paramètres sont effectuées, suivies d'études d'optimisation structurale. Cet étude devrait être utile pour une meilleure compréhension du comportement mécanique des systèmes d'attache de rail sous chargement statique et dynamique, et au final pour une meilleure pratique dans la conception et l'optimisation des produits / Higher demand on vibration isolation of track structure in modern railway track leads to a trend of lower stiffness of rail fastening systems, places an increasing need for better design approach as well. However the current development status of rail fastening industry is dramatically diversified but mainly empirical. In this work, a shear type and a bonded compressed type of rail fastening systems are investigated experimentally and numerically. Quasi-static and dynamic experiments are carried out and the results are analysed with different mechanical models. Besides, a series of fundamental rubber material tests is performed to accurately describe the rubber material used in the two fastening systems. The most appropriate hyperelastic and hysteresis models are chosen with the help of simulations by Abaqus. Also by using Abaqus, finite element analyses are conducted for the two fastening systems and the numerical results are compared with those of experiments. Material and geometrical nonlinear features observed in the measured displacement-force curves are analysed and explained. Finally, parameter sensitivity of the two fastening specimens are studied, followed by an optimization process to meet practical optimization objectives. The present work is believed to be helpful for understanding the mechanical behavior of rail fastening systems, while enlightening the engineering practice, and eventually improving product designing and optimizing measures

La mise en œuvre de réseaux de capteurs communicants dans des installations industrielles, dans les transports ou le bâtiment apparaît comme un axe de développement qui permettrait d'augmenter les performances globales de ces systèmes.Par une supervision et une exploitation adaptées des informations collectées (température, niveau vibratoire, humidité, etc.), la fiabilité et les performances énergétiques pourraient être optimisées.La diminution régulière de la consommation des nouvelles générations de capteurs sans fil engendre un fort intérêt scientifique pour l'alimentation de ceux-ci de manière autonome. Ainsi, une thématique de recherche spécifique est apparue il y a une dizaine d'années : la réalisation de micro-sources d'énergie pour l'alimentation de capteurs communicants.Ces travaux de recherche proposent l'exploration des performances d'une structure de micro-générateur originale pour la récupération de l'énergie des vibrations : l'"Hybrid Fluid Diaphragm" (HFD).Le concept de l'HFD consiste à encapsuler un fluide incompressible entre deux membranes.Le fluide se comporte comme une masse inertielle qui induit une fréquence de résonance compatible avec les vibrations ambiantes dont les fréquences sont généralement inférieures à quelques centaines de Hertz.Ces membranes en P(VDF-TrFE), un polymère piézoélectrique, ont été réalisées spécifiquement pour assurer la conversion optimale des sollicitations mécaniques (flexion/tension) en énergie électrique.Une modélisation multiphysique qui intègre les comportements fluidiques, mécaniques et électriques, la réalisation et la caractérisation de deux générateurs HFD sont détaillées.Le premier prototype met en œuvre des membranes piézoélectriques monomorphes (monocouche) tandis que le deuxième exploite des membranes piézoélectriques bimorphes (double couche) optimisées.Les puissances générées apparaissent suffisantes pour envisager l'alimentation de capteurs et leurs géométries permettent d'imaginer des scénarios potentiels d'intégration dans des applications réalistes. / The implementation of wireless sensor nodes in industrial installations, transport or building is a potential route to increase the performances of these systems.By a proper supervision and exploitation of the collected information (temperature, vibratory level, humidity, etc.) the reliability and the energy performances can be increased. With the regular reduction of the power requirements for new generations of wireless sensors nodes, a strong scientific interest to develop autonomous power supply has raised.In this framework, a specific research topic appeared about ten years ago: ambient energy harvesting.The present work investigates the performances of an original micro-generator architecture for vibration energy harvesting: the “Hybrid Fluid Diaphragm” (HFD).The concept of HFD consists in encapsulating an incompressible fluid between two flexible membranes. The fluid behaves as an inertial mass which leads to a resonant frequency suitable for ambient vibrations whose spectrum is usually lower than a few hundred Hertz.These membranes are made of P(VDF-TrFE), a piezoelectric polymer, and are designed to ensure the optimal conversion of the mechanical solicitations (flexion/stretch) into electrical energy.A multiphysic modeling which integrates the fluid, the mechanical and the electric coupled behaviors is proposed.The realization and the characterization of two HFD's generators are detailed.A first prototype implements single layer piezoelectric membranes, whereas a second one uses optimized double layer membranes.The generated power appears to be sufficient to consider the power supply of wireless sensor nodes operating in intermittent transmitting mode. The very simple geometry of the proposed generators is favorable to their integration in realistic applications.