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Conception et élaboration d'alliages de titane antibactériens pour l'implantologie dentaire
No full textTitanium alloys such as Ti grade 4 and TA6V are preferred in dental implantology because of their corrosion resistance, good mechanical properties and biocompatibility. However, bacterial infections around implants remain a source of complications. To remedy this, the addition of silver, an antibacterial element, to the composition of titanium alloys is being explored to create intrinsically biocidal materials. The aim of this thesis work is to develop thermomechanical processes to obtain controlled microstructures to optimize both biological and mechanical properties. The study of the Ti-7Ag alloy revealed slow precipitation kinetics resulting in microstructures different from thermodynamic predictions. By applying a recrystallization treatment after deformation steps, a homogeneous distribution of nanometric precipitates is obtained, facilitated by the accelerated diffusion of silver along the dislocations. This optimized structure improves the mechanical properties, making them comparable to those of grade 4 titanium. A similar thermomechanical process was then developed for an innovative alloy designed in the laboratory, Ti-4.5Zr-0.6O, after adding silver to its composition. The work showed that it was difficult to chemically homogenize the microstructure due to the low diffusion rate of zirconium, which reduces the efficiency of precipitation. The mechanical properties show low ductility but much higher mechanical strength than TA6V, making further study of the alloy promising with a view to a new antibacterial material for dental implantology.Les alliages de titane, comme le Ti grade 4 et le TA6V, sont privilégiés en implantologie dentaire pour leur résistance à la corrosion, leurs bonnes propriétés mécaniques et leur biocompatibilité. Cependant, des infections bactériennes autour des implants restent une source de complications. Pour y remédier, l'ajout d'argent, un élément antibactérien, dans la composition des alliages de titane est exploré dans cette thèse pour créer des matériaux intrinsèquement biocides. Ce travail vise à développer des procédés thermomécaniques permettant d'obtenir des microstructures contrôlées, afin d'optimiser leurs propriétés biologiques et mécaniques. L'étude de l'alliage Ti-7Ag a révélé une cinétique de précipitation lente, aboutissant à des microstructures différentes des prévisions thermodynamiques. En appliquant un traitement de recristallisation après des étapes de déformation, on obtient une distribution homogène de précipités nanométriques, facilitée par la diffusion accélérée de l'argent le long des dislocations. Cette structure optimisée améliore les propriétés mécaniques, les rendant comparables à celles du titane grade 4. Un procédé thermomécanique similaire est ensuite développé pour un alliage innovant conçu au laboratoire, Ti-4,5Zr-0,6O, après avoir ajouté de l'argent dans sa composition. Les travaux ont montré une difficulté à homogénéiser chimiquement la microstructure à cause de la faible vitesse de diffusion du zirconium, ce qui réduit l'efficacité de la précipitation. Les propriétés mécaniques montrent une faible ductilité, mais une résistance mécanique bien supérieures à celle du TA6V, ce qui rend la poursuite de l'étude de l'alliage prometteuse, dans l'optique d'un nouveau matériau antibactérien pour l'implantologie dentaire
Modélisation Multi-échelles d'Instabilités Interfaciales et de la Dynamique de Bulles : Application aux Ecoulements de Remplissage dans le Procédé de Moulage à Mousse Perdue
No full textThe Lost Foam Casting process is an evaporative-pattern casting method used for producing automotive parts. It involves a polymeric foam pattern, coated with a gas-permeable refractory material and surrounded by sand, being replaced by hot liquid metal. When the foam contacts the molten metal, it decomposes, forming a decomposition layer between the metal and the pattern. Ideally, this layer consists solely of gaseous byproducts that escape through the refractory material. However, inadequate process conditions can result in the formation of liquid residues from decomposition, which may subsequently generate vapor bubbles within the solidifying metal. If these bubbles do not escape quickly enough, they can become trapped, leading to defects. Due to the multi-scale and multi-physical nature of this process, modeling it accurately can be computationally expensive. This thesis simplifies the process to focus on key phenomena of bubble formation, ascent, and entrapment. We start with experiments to understand the coating’s physical parameters and process kinetics. This knowledge enables us to model the problem theoretically and numerically by coupling the Navier-Stokes equations with an explicit treatment of surface tension and a new level-set method for representing bubble interfaces. This approach allows us to study bubble dynamics, including their behavior near walls and deflation within the coating. To reduce computational costs, we model bubbles as an average population rather than simulating each individually. This approach helps identify high-defect probability areas in complex geometries, potentially serving as a substitute for complex and costly X-ray imaging.Le procédé de moulage à mousse perdue est une méthode de moulage par évaporation de modèle utilisée pour la fabrication de composants automobiles. Cette technique est basée sur le remplacement d’un modèle en mousse polymère, recouvert d’un matériau réfractaire perméable aux gaz et encapsulé dans du sable, par un flux de métal liquide chauffé. Lors du contact avec le métal en fusion, le modèle en mousse subit une décomposition, générant une couche intermédiaire de décomposition entre le métal et le modèle. Idéalement, cette couche ne contient que des produits gazeux qui s’échappent à travers le matériau réfractaire. Cependant, des conditions de procédé inadéquates peuvent entraîner la formation de résidus liquides issus de la décomposition, qui peuvent ensuite générer des bulles de vapeur dans le métal en solidification. Si ces bulles ne s’évacuent pas assez rapidement, elles peuvent se retrouver emprisonnées, entraînant ainsi des défauts dans le produit final. La modélisation de ce procédé, en raison de ses phénomènes multi-échelles et multi-physiques, engendre des coûts de calcul élevés. Dans cette thèse, nous simplifions le procédé en nous concentrant sur les principaux phénomènes de formation, d’ascension et d’emprisonnement des bulles. Nous commençons par des études expérimentales afin d’analyser les paramètres physiques du revêtement et la cinétique du processus. Cette compréhension expérimentale nous permet d’aborder le problème de manière théorique et numérique, en combinant les équations de Navier-Stokes avec un traitement explicite de la tension de surface et une nouvelle méthode des lignes de niveaux pour la représentation des interfaces des bulles. Cette approche nous permet d’étudier la dynamique des bulles montantes, tant à proximité des parois qu’a` distance, ainsi que leur dégonflement au sein du revêtement. Afin de réduire les coûts de calcul, nous modélisons les bulles comme une population plutôt qu’en simulant chaque bulle individuelle-ment. Cette approche permet d’identifier les zones a` forte probabilité de défauts dans des géométries complexes, ce qui pourrait servir de substitut aux coûteuses techniques d’imagerie par rayons X
Décarbonation durable : Analyse critique carbone-eau-énergie des scénarios de transport maritime net-zéro avec carburants de synthèse et compensation des émissions GES
No full textThis thesis examines decarbonization strategies for maritime transport and their associated energy and water demands from a resource-use efficiency perspective. To this end, the thesis develops an analytical method based on energy modeling and life cycle assessments (LCA) of carbon, water, and energy for ships from cradle to grave. This method enables the evaluation of the impact of technical alternatives for propulsion and onboard energy generation on the carbon footprint and resource consumption of a typical maritime transport system. A case study of a 14,000 TEU container ship, targeting carbon neutrality with synthetic fuels and carbon offset mechanisms, shows that ship emissions can be reduced "immediately" by 66 to 98% (and 100% through carbon offsetting). At the same time, this strategy leads to an increase in energy demand by 95 to 150%, while freshwater needs can increase from 0.9 to 121 times the initial footprint, thereby illustrating the trade-offs between emission reductions and the increased energy and water demand. The analysis further explores solutions to reduce the energy consumption of ships, including sail-assisted propulsion, optimization of the propulsion system, and speed reduction, all with minimal impact on the ship's architecture and operations. A case study examining container transport between Europe and North America yielded potential energy reductions of 46.3% to 61.7%. Despite a net improvement in the energy efficiency of ships, the projected energy demand for the entire "net-zero" transport system still raises sustainability concerns, particularly in terms of energy security. The thesis concludes by highlighting the importance of life cycle assessments and the central role of energy resources in driving a sustainable transition in maritime transport. Given the high energy intensity of maritime transport, the thesis advocates for the development of new construction and operational standards for commercial ships, aiming to enhance the energy resilience of commercial fleets.Cette thèse explore les stratégies de décarbonation du transport maritime et de leurs besoins en énergie et en eau, dans une optique d’efficacité d’utilisation des ressources. Pour ce faire, la thèse développe une méthode d’analyse fondée sur la modélisation énergétique et les analyses de cycle de vie carbone-eau-énergie des navires du berceau à la tombe. Cette méthode permet d’évaluer l'impact des alternatives techniques pour la propulsion et la génération d’énergie à bord sur les empreintes en carbone et resource d’un schéma général de transport maritime. Une étude de cas portant sur un porte-conteneurs de 14 000 TEU, visant la neutralité carbone grâce aux carburants de synthèse et mécanismes de compensation carbone, montre que les émissions des navires peuvent être réduites "immédiatement" de 66 à 98 % (100 % par compensation carbone). Parallèlement, cette stratégie entraîne une augmentation de la demande d’énergie de 95 à 150 %, et les besoins en eau douce peuvent atteindre de 0,9 à 121 fois l’empreinte initiale, illustrant ainsi les compromis entre réduction des émissions et augmentation des besoins en énergie et en eau. L’analyse se poursuit par l’examen de solutions pour réduire la consommation d’énergie des navires, comme l’assistance vélique à la propulsion, l’optimisation du groupe propulsif et la réduction de vitesse (avec impact limité sur l’architecture ou les opérations). Il est estimé que, pour le transport de conteneurs entre l’Europe et l’Amérique du Nord, ces solutions ont un potentiel de diminution des besoins énergétiques de 46,3 à 61,7 %. Malgré une amélioration nette de l’efficacité énergétique des navires, la demande énergétique projetée pour l’ensemble du système de transport « net-zéro » soulève des questions cruciales de durabilité, notamment en matière de sécurité énergétique. La thèse conclut sur l’importance des études de cycle de vie, et le role central des ressources énérgétiques dans la conduite d’une transition durable du transport maritime. Considérant l’intensité énérgétique du transport maritime, la thèse appelle à la recherche de nouveaux standards de construction et d’exploitation des navires de commerce, avec pour objectif une plus forte résilience énergétique des flottes de commerce
Étude du bouchage de milieux poreux par des agrégats huile-solides
No full textThe study of porous media clogging is of interest in various fields, such as oil extraction or water treatment. The literature generally focuses on clogging caused by oil only or solid particles only. However, when these two elements are injected simultaneously, they can form complex aggregates, such as Pickering emulsions or capillary suspensions. These structures exhibit specific interactions and additional interfacial forces, making their behavior in porous media more difficult to describe and model. In the context of Produced Water ReInjection (PWRI), this type of plugging is generally more severe, leading to significant injectivity losses and additional costs. The aim of this thesis is to improve the understanding of clogging mechanisms during this co-injection. Using micro- and millifluidic devices, it has been possible to couple pressure drop measurements with optical observations and study clogging on several scales. In two-dimensional model media, consisting of a series of parallel identical pores, the injection of oil and particles leads to the formation of plugs within the constrictions. They mainly form at the ends of these narrow areas (inlet and outlet), over a length comparable to their width. We highlight the major role played by this damage, in the overall permeability loss, which eventually reaches a steady state. We associate this regime with a dynamic equilibrium between accumulation and erosion of the suspended objects. Accumulation occurs by successive individual deposition, while erosion happens by detachment of larger fragments. In more complex model porous media, we show that damage remains localized at the inlet, over a short distance. This particularly dense zone has been identified, similarly to 2D experiments, as the main cause of injectivity loss. Because of this erosion, we reveal that unclogging by clean water injection is possible. It leads to a channeling phenomenon, accompanied by partial permeability recovery. These results open up perspectives for optimizing prevention techniques or improving unclogging strategies.L’étude du bouchage des milieux poreux présente un intérêt dans de nombreux domaines, tels que la récupération des hydrocarbures ou le traitement des eaux. La littérature se concentre généralement sur le colmatage causé par de l’huile seule ou des particules solides seules. Cependant, lorsque ces deux éléments sont injectés simultanément, ils peuvent former des agrégats complexes, comme des émulsions de Pickering ou des suspensions capillaires. Ces structures présentent des interactions spécifiques et des forces interfaciales complexes, rendant leur comportement dans les milieux poreux plus difficile à décrire et à modéliser. Dans le contexte de réinjection des eaux de production (PWRI), ce type de colmatage est généralement plus sévère, engendrant d’importantes pertes d’injectivité et des coûts supplémentaires. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension des mécanismes de bouchage lors de cette injection simultanée. Grâce à des dispositifs micro- et millifluidiques, il a été possible de coupler les mesures de perte de charge avec les observations optiques et d’étudier le colmatage à plusieurs échelles. Dans des milieux modèles en deux dimensions, composés d’une série de pores identiques en parallèle, l’injection d’huile et de particules entraîne la formation de bouchons au sein des constrictions. Ils se forment en particulier aux extrémités de ces zones étroites (amont et aval), sur une longueur comparable à leur largeur. Nous mettons en évidence le rôle majeur de ces dernières dans la perte de perméabilité globale, qui finit par atteindre un état stationnaire. Nous associons ce régime à un équilibre dynamique entre un phénomène d’accumulation et d’érosion des objets en suspension. L’accumulation se fait par dépôt individuel successif, tandis que l’érosion survient par détachement de fragments. Dans des milieux poreux modèle plus complexes, nous montrons que l’endommagement reste localisé à l’entrée, sur une courte distance. Cette zone particulièrement dense a été identifiée, de manière similaire aux expériences 2D, comme étant la principale cause de perte d’injectivité. En raison de cette érosion, nous révélons que le décolmatage par injection d’eau propre est possible. Elle entraine la formation de chemins préférentiels d’écoulement, accompagnée d’une récupération partielle de la perméabilité. Ces résultats ouvrent des perspectives pour l’optimisation des techniques de prévention ou d’amélioration des stratégies de débouchage
Utilisation de mécanophores pour détecter l’endommagement lors de l’usure par frottement d’élastomères
No full textTire wear poses significant safety, economic, and environmental challenges for manufacturers. Gaining a better understanding on rubber wear processes therefore appears to be the first step to deal with these issues. Under normal rolling conditions frictional fatigue wear results from continuous stress cycles caused by the sliding of asperities from a rough surface on rubber. Although this process is mild in intensity, it induces progressive damage and structural modifications at the surface of the elastomer, which eventually lead to changes in surface topography and mass loss. Surprisingly, a mechanistic understanding of elastomer wear by fatigue, relating local damage – due to loading events at the scale of asperities, to macroscopic wear, is still incomplete. This discrepancy is due to the difficulty to assess the local damage field at the surface of the material following mild frictional events. Current experimental characterization of frictional wear is indeed mostly limited to descriptive approaches at a macroscopic scale. In this thesis, we propose a novel approach based on the use of mechano-sensitive molecules to quantify and spatially map molecular damage induced by fatigue wear in elastomer materials. We first use this detection strategy to characterize and quantify sub-surface damage at a molecular scale in multiple interpenetrated networks elastomers made of poly (ethyl acrylate). Following friction cycles of the elastomer material against a rough indenter, we uncover that damage extends under the surface of the elastomer over tens of micrometers. Using this mechano-sensitive approach, we demonstrate the existence of a 2-step damage mechanism with the sliding distance, characterized by a non-linear accumulation of molecular damage, followed by a stationary regime, corresponding to the onset of macroscopic wear. We further probe the impact of loading conditions and network pre-stretch on the evolution of sub-surface damage. Thanks to a new cross-linking strategy in soft conditions, and a versatile method of infusion of the mechanophore in the network, we then demonstrate the incorporation of the mechanophore cross-linker inside a readily vulcanized, silica-filled, styrene-butadiene rubber (SBR) matrix. This method allows us to decouple the fabrication of elastomers from their tagging with mechanophore, and provides an important step by extending the spatial quantification of chain damaging events to industrially relevant materials. Finally, we investigate the molecular mechanisms leading to fatigue wear of silica-filled SBR. We show that sub-surface damage extends over a few micrometers but reaches low values compared to damage in wear debris detached from the surface, opening questions regarding the nucleation of wear debris and the types of damage mechanisms during friction. The results obtained in this thesis will be useful for the development of wear models relating subsurface damage to macroscopic wear in industrially relevant materials, ultimately providing ways to optimize these materials for fatigue wear resistance.L’usure des pneumatiques représente un enjeu économique, environnemental et de sécurité routière pour les fabricants. Pour pallier ces problèmes, il paraît donc essentiel de parvenir à une meilleure compréhension des processus qui amènent à leur usure. Dans des conditions normales de roulement, l’usure par fatigue résulte de cycles de contrainte continus provenant du glissement des aspérités d’une surface rugueuse (la route) sur la surface de l’élastomère composant la bande de roulement. Bien que ce processus a lieu dans des conditions d’intensité modérée, il induit un endommagement et des modifications structurales progressives à la surface de l’élastomère, conduisant à un changement de topographie et à une perte de masse. Cependant, la compréhension fine des mécanismes d’usure des élastomères par fatigue reliant l’endommagement local – provenant des sollicitations à l’échelle des aspérités, à l’usure à l’échelle macroscopique, demeure incomplète. Cet écart provient de la difficulté à évaluer le champ d’endommagement à la surface du matériau suite à un glissement d’intensité modérée. En effet, les méthodes expérimentales actuelles de caractérisation de l’usure se limitent principalement à des approches descriptives à l’échelle macroscopique. Dans cette thèse, nous proposons une approche innovante basée sur l’utilisation de molécules mécano-sensibles pour quantifier et cartographier l’endommagement moléculaire induit par l’usure par fatigue dans des élastomères. Nous employons d’abord cette stratégie pour caractériser et quantifier l’endommagement en sous-surface dans des réseaux multiples interpénétrés de poly (acrylate d’éthyle). Suite à des cycles de frottement contre une lentille rugueuse, nous mettons en évidence un gradient d’endommagement sous la surface, s’étendant sur plusieurs dizaines de micromètres. Avec notre approche mécano-sensible, nous montrons ensuite l’existence d’un mécanisme d’endommagement avec la vitesse glissée ayant lieu en deux étapes : d’abord une accumulation d’endommagement non-linéaire, suivie d’un régime d’endommagement stationnaire correspondant au début du départ de matière de la surface. Nous étudions ensuite l’impact des conditions de chargement et du pré-étirement du réseau sur l’évolution de l’endommagement. Dans un second temps, nous développons une nouvelle stratégie de réticulation en conditions douces et une méthode versatile d’infusion du mécanophore dans un réseau nous permettant de réticuler le mécanophore dans un elastomère de copolymères statistiques de styrène et butadiène (SBR) chargé en silice et préalablement réticulé. Cette méthode nous permet de découpler la fabrication des élastomères de leur marquage avec le mécanophore, constituant ainsi une avancée importante permettant de quantifier spatialement la rupture de chaînes dans des matériaux d’importance industrielle. Enfin, nous explorons les mécanismes amenant à l’usure des matériaux SBR chargés à l’échelle moléculaire. Nous montrons que l’endommagement en sous-surface s’étend de quelques micromètres et qu’il reste de faible ampleur en comparaison aux dommages observés dans les débris d’usure, ce qui soulève des questions quant aux mécanismes de nucléation des débris d’usure et aux types de mécanismes d’endommagement pendant l’usure par frottement. Les résultats obtenus dans cette thèse seront utiles pour le développement de modèles d’usure reliant l’endommagement en sous-surface à l’usure macroscopique dans des matériaux d’importance industrielle, offrant à terme des pistes pour optimiser la résistance à l’usure par fatigue de ces matériaux
Optimisation du potentiel de flexibilité de demande énergétique dans le secteur industriel
No full textIn a context of energy transition, variable renewable energy sources bring volatility in the energy production, which in turn increases the need for power system flexibility. Flexibility provided by industrial actors presents many advantages, in terms of energy and power density, but comes with several challenges. In this thesis, we investigate and optimize the flexibility potential of industrial plants and its valorization. We start by proposing a methodology to quantify the flexibility potential of a cryogenic air separation unit. This results in the identification of the available power ramping capability within this process depending on its feasible space of operation. Second, we model the participation strategy of an industrial asset in a multi-market environment with renewable sourcing through robust optimization and a rolling horizon algorithm. From this we can extract the effective impact of uncertain quantities on the production cost of low carbon hydrogen. This multi-market strategy is also used to confirm the results obtained from the first part of the work by running the same simulation for an air separation unit. Finally, we continue using this methodology to assess how investing in battery storage would enable the flexible operation of an air separation unit in such an uncertain environment.Dans un contexte de transition énergétique, les sources d'énergie renouvelable variables entraînent une volatilité dans la production d'énergie, ce qui augmente à son tour les besoins de flexibilité du système électrique. La flexibilité trouvée chez les acteurs industriels présente de nombreux avantages en termes de densité énergétique et de puissance, mais elle comporte plusieurs défis. Dans cette thèse, nous étudions et optimisons le potentiel de flexibilité, et sa valorisation, d'usines industrielles. Nous commençons par proposer une méthodologie pour quantifier le potentiel de flexibilité d'une unité de séparation d'air cryogénique. Cela permet d'identifier la capacité de variation de puissance disponible dans ce processus en fonction de sa zone de fonctionnement réalisable. Ensuite, nous modélisons la stratégie de participation d'un actif industriel dans un environnement multi-marchés avec approvisionnement en énergies renouvelables grâce à une optimisation robuste et un algorithme à horizon glissant. À partir de cela, nous pouvons extraire l'impact effectif des quantités incertaines sur le coût de production d'hydrogène à faible teneur en carbone. Cette stratégie de participation marché est également utilisée pour confirmer les résultats obtenus dans la première partie du travail en exécutant la même simulation pour une unité de séparation de l'air. Enfin, nous continuons à utiliser cette stratégie pour évaluer comment l'investissement dans un stockage d'énergie par batterie permettrait un meilleur fonctionnement flexible d'une unité de séparation de l'air dans un tel environnement incertain
Études d'interaction homme-machine des occupants de véhicules autonomes de niveau 3 utilisant des environnements virtuels et dynamiques
No full textOccupant safety in autonomous vehicles (AVs) represents a critical concern as these vehicles progress toward SAE Level 3 autonomy, where non-driving activities become more prevalent. Despite advancements in this field, the impact of occupant activities and cognitive engagement on head-neck dynamics during emergency maneuvers remains insufficiently understood. This research hypothesizes that non-driving activities and sensory modalities significantly influence occupant physiological responses, especially in sudden braking events. To investigate this, we conducted experiments using two advanced driving simulation tools, including first a driving simulator and then a dynamic SLED system, to replicate emergency braking scenarios and evaluate occupant responses under varying cognitive and physical conditions.The first experiment utilized the Institute of Chalon-sur-Saône SAAM simulator to investigate the influence of occupant activities and auditory alerts on head-neck kinematics and muscle activation during emergency braking events. Results indicated that auditory alerts played a pivotal role in preparing occupants for deceleration, facilitating anticipatory postural adjustments and reducing head acceleration. The second experiment, using the Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak SLED system synchronized with a 360° virtual AV environment, confirmed these findings, demonstrating that cognitive distractions from non-driving tasks increased head acceleration and delayed muscular responses, particularly in strong braking scenarios.This study underscores the importance of integrating sensory alerts, such as auditory cues, to enhance occupant preparedness and safety in AVs. Moreover, the results highlight the necessity for adaptive AV systems that account for individual variability in occupant responses to ensure optimal protection. By employing immersive simulation technologies, this research provides valuable insights into the interaction between non-driving activities, cognitive engagement, and occupant safety, paving the way for more effective and personalized AV design strategies that can mitigate injury risk in future autonomous transportation.La sécurité des occupants dans les véhicules autonomes (VA) représente un enjeu crucial à mesure que ces véhicules progressent vers le niveau 3 d'autonomie selon la classification SAE, où les activités non liées à la conduite deviennent plus courantes. Malgré les avancées dans ce domaine, l'impact des activités des occupants et de leur engagement cognitif sur la dynamique tête-cou lors de manœuvres d'urgence reste insuffisamment compris. Cette recherche émet l'hypothèse que les activités non liées à la conduite et les modalités sensorielles influencent de manière significative les réponses physiologiques des occupants, en particulier lors des freinages brusques. Afin d'étudier cette hypothèse, nous avons mené des expériences en utilisant deux outils avancés de simulation de conduite, à savoir un simulateur de conduite et un système SLED dynamique, pour reproduire des scénarios de freinage d'urgence et évaluer les réponses des occupants dans des conditions cognitives et physiques variées.La première expérience a utilisé le simulateur SAAM de l'Institut de Chalon-sur-Saône pour étudier l'influence des activités des occupants et des alertes auditives sur la cinématique tête-cou et l'activation musculaire lors des freinages d'urgence. Les résultats ont montré que les alertes auditives jouaient un rôle essentiel dans la préparation des occupants à la décélération, facilitant les ajustements posturaux anticipatoires et réduisant l'accélération de la tête. La deuxième expérience, réalisée à l'aide du système SLED de l’Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak, synchronisé avec un environnement virtuel AV à 360°, a confirmé ces résultats, démontrant que les distractions cognitives liées à des tâches non conduites augmentaient l'accélération de la tête et retardaient les réponses musculaires, notamment dans les scénarios de freinage intense.Cette étude souligne l'importance d'intégrer des alertes sensorielles, telles que des signaux auditifs, pour améliorer la préparation et la sécurité des occupants dans les VA. En outre, les résultats mettent en évidence la nécessité de systèmes VA adaptatifs qui tiennent compte de la variabilité individuelle des réponses des occupants afin d'assurer une protection optimale. En utilisant des technologies de simulation immersive, cette recherche apporte des informations précieuses sur l'interaction entre les activités non liées à la conduite, l'engagement cognitif et la sécurité des occupants, ouvrant la voie à des stratégies de conception de VA plus efficaces et personnalisées qui peuvent réduire le risque de blessure dans les futurs systèmes de transport autonomes
Apport de l’expérimentation aux petites échelles spatiales et temporelles sur l’étude du comportement mécanique des céramiques à microstructure contrôlée soumises à des sollicitations dynamiques.
No full textCeramics stand out as materials of choice for lightening mechanical armor structures, thanks to their high compressive strength, while being lighter than conventionally used metals. Some micromechanical models suggest that the apparent increase in mechanical properties of brittle materials under dynamic loading results from the interaction between loading velocity and crack propagation velocity in a heterogeneous structure. However, no textit{in situ} experimental evidence has yet validated this hypothesis. An empirical approach has been proposed to verify this hypothesis and show the influence of ceramic microstructure on the sensitivity of their mechanical response to strain rate. This experimental approach must take account of all dynamic effects, particularly those linked to rapid crack propagation. The method envisaged for this thesis will put into perspective the effect of microstructure on the fragmentation process of ceramics at different strain rates.To control the microstructure, pores were introduced into an alumina matrix with precise control over their quantity, size and morphology. It was observed that mechanical properties decreased with increasing pore size. At constant density, large pores are particularly critical in terms of mechanical properties. An increase in strain rate leads to an increase in apparent mechanical properties. This sensitivity is even more pronounced in porous ceramics. The competition between rapid crack propagation and loading rates described in micromechanical models is reflected in the decrease in fragment size, which is more pronounced in porous ceramics. The introduction of pores leads to an increase in the density of critical defects, favoring the initiation of more cracks under dynamic loading. The analysis carried out under synchrotron source at ESRF enabled us to accurately track the fracture kinetics of the ceramics, as well as the response of the structure under dynamic loading. The results obtained, in particular the crack propagation velocity and the different fracture paths, provide valuable references for validating numerical approaches to modeling the fracture of brittle materials. This rapid crack propagation generates inertia effects, estimated by a direct numerical approach. The results underline the importance of using such a method to estimate fracture energy, otherwise dynamic effects could be greatly overestimated, compromising structural integrity.Dans le cadre de l'allègement des structures de blindage mécanique, les céramiques se distinguent comme des matériaux de choix en raison de leur grande résistance à la compression, tout en étant plus légères que les métaux conventionnellement utilisés. Certains modèles micromécaniques suggèrent que l'augmentation apparente des propriétés mécaniques des matériaux fragiles sous des sollicitations dynamiques résulte de l'interaction entre la vitesse de chargement et la vitesse de propagation des fissures dans une structure hétérogène. Cependant, cette hypothèse n'a pas encore été confirmée par des preuves expérimentales textit{in situ}. Une approche empirique a été proposée pour vérifier cette hypothèse et montrer l’influence de la microstructure des céramiques sur la sensibilité de leur réponse mécanique à la vitesse de déformation. Cette approche expérimentale doit considérer l’ensemble des effets dynamiques, notamment ceux liés à la propagation rapide des fissures. Une stratégie expérimentale a été élaborée pour mettre en évidence les mécanismes physiques induits par une sollicitation dynamique au sein d'une microstructure contrôlée.Pour maîtriser la microstructure, des pores ont été introduits dans une matrice d’alumine avec un contrôle précis de leur quantité, taille et morphologie. Il a été observé que les propriétés mécaniques diminuent à mesure que le taux de porosité augmente. À densité constante, les pores de grande taille sont particulièrement préjudiciables vis-à-vis des propriétés mécaniques.L'augmentation de la vitesse de déformation conduit à une augmentation des propriétés mécaniques apparentes. En employant des techniques conventionnelles de laboratoire sous des régimes dynamiques, et en les combinant à une analyse des fragments, il a été possible d’identifier le début de la zone transitoire où la contrainte à rupture des céramiques poreuses commence à augmenter. La compétition entre la propagation rapide des fissures et la cinétique de chargement décrite dans les modèles micromécaniques se reflète par la diminution plus importante de la taille des fragments des céramiques poreuses. L'ajout de pores entraîne une hausse de la densité des défauts critiques, ce qui facilite l'amorçage de fissures supplémentaires sous des contraintes dynamiques.L'analyse réalisée sous source synchrotron à l'ESRF a permis de suivre avec précision la cinétique de fissuration des céramiques ainsi que la réponse de la structure sous des sollicitations dynamiques. Les résultats obtenus, notamment la vitesse de propagation des fissures et les différents chemins de fissuration, offrent des références précieuses pour valider les approches numériques de modélisation de la rupture des matériaux fragiles. La propagation rapide des fissures génère des effets d'inertie, estimés par une approche numérique directe. Les résultats soulignent l'importance d'utiliser une telle méthode pour estimer l'énergie de rupture, sans quoi les effets dynamiques risquent d’être largement surestimés, compromettant ainsi l’intégrité des structures
Etude et Optimisation des Ejecteurs Supersoniques pour les Cycles de Réfrigération à Récupération de Chaleur
No full textSupersonic ejectors for heat recovery refrigeration cycles are modelled, studied and optimised based on numerical fluid mechanics and the discrete adjoint method. The study is supported by an analysis of the relations between the complex flow phenomena, the thermodynamic limits and the cycle performance. A generalised 1D model is developed and used to conceive ejectors and predict their entrainment ratio in order to determine the optimal cycle conditions. The resolution of the Reynolds averaged Navier-Stokes equations complemented by the k-ω SST turbulence model and a cubic equation of state for the refrigerant R134a enables the flow analysis and shape optimisation. The latter relies on the discrete adjoint method to efficiently evaluate the gradient of the objective function with respect to an arbitrary number of design variables. It is shown that the method, applied here for the first time to a transonic flow of a refrigerant in an ejector, is capable of generating a well performing ejector shape from a failed design, despite the apparent discontinuity of the objective function at the critical point. The predicted efficiencies with the optimised shapes exceed those of the best ejectors on the market by around 15%.Des éjecteurs supersoniques pour des cycles de réfrigération à récupération de chaleur sont modélisés, étudiés et optimisés à l’aide de la mécanique des fluides numérique et la méthode de l’état adjoint discret. L’étude est étayée par une analyse des rapports entre les phénomènes complexes de l’écoulement, les limites thermodynamiques et la performance des cycles. Un modèle 1D généralisé est développé et utilisé pour concevoir des éjecteurs et prédire leur taux d’entraînement afin de déterminer les conditions optimales d’un cycle. La résolution des équations Navier-Stokes moyennées 2D-axisymétrique complémenté par le modèle de turbulence k-ω SST et une équation d’état cubique pour le réfrigérant R134a permet l’analyse de l’écoulement et l’optimisation de forme. La dernière repose sur la méthode de l’état adjoint discret qui évalue efficacement le gradient de la fonction objectif par rapport à un nombre arbitraire de variables de conception. Il est démontré que la méthode, appliquée pour la première fois à un écoulement transsonique d’un réfrigérant dans un éjecteur, peut générer une forme d’éjecteur performante à partir d’une conception défaillante, malgré la discontinuité apparente de la fonction objectif au point critique. Les efficacités prédites avec les formes optimisées dépassent d’environ 15% ceux des meilleurs éjecteurs sur le marché
Aide à la décision du concepteur par un apport d’informations pertinentes aux étapes clés de la démarche de conception pour la fabrication additive : théorie spatio-temporelle, modèle de connaissances, cadre de transmission
No full textAdditive Manufacturing (AM) encompasses a large number of processes, for which small geometric variations can significantly affect the printing result. A great deal of knowledge therefore needs to be formalised in order to handle each combination of process, material and geometry. Sharing this knowledge is a major challenge in order to help designers who are not AM experts to design a product that meets the specifications in as few iterations as possible. To avoid being overwhelmed by too much information, means must be developed to communicate only the relevant elements, at the right time and in the right format. The central objective of this thesis is to develop a knowledge transmission framework that provides a designer with tailored information in real time to help him adapt the geometry of a part being designed to be manufactured using an AM process. To achieve this, three areas of study have been identified: the description of the product being designed, the formalisation of knowledge and the transmission of information at the right time and in the right place. A descriptive theory of the temporal, spatial and space-time relationships between the geometric elements that make up a product has been developed, based on mereotopology. The formalism established allows a description of parts that are destined to evolve, while at the same time enabling similar pieces of knowledge to be categorised under common denominations. Based on this theory, the creation of a knowledge base has been initiated. Three formalisation mechanisms were identified, leading to the development of a method for generating design rules as part of the product development process. Finally, experiments were carried out on the transmission of knowledge to determine the relevant times, content and information formats to help AM novices to rapidly improve their knowledge. A transmission framework, based on the mereotopological formalism and powered by the knowledge base being developed, has thus been created. Finally, the results are illustrated by an example applied to an industrial case study.La Fabrication Additive (FA) comprend un grand nombre de procédés, pour lesquels de petites variations géométriques peuvent significativement affecter le résultat de l’impression. De nombreuses connaissances doivent donc être formalisées pour maîtriser chaque combinaison de procédé, matériau et géométrie. La transmission de ces connaissances est un enjeu majeur pour assister les concepteurs non-experts en FA dans la conception d’un produit répondant aux exigences du cahier des charges en un minimum d’itérations. Pour éviter la submersion sous une trop grande quantité d’informations, des moyens doivent être mis au point pour transmettre uniquement les éléments pertinents, au bon moment et sous le bon format. L’objectif central de ces travaux de thèse est de mettre au point un cadre de transmission de connaissances pour fournir en temps réel des informations pertinentes à un concepteur afin de l’aider à adapter la géométrie d’une pièce pour qu’elle soit compatible avec un procédé de FA. Pour cela, trois axes d’étude ont été identifiés : la description du produit en cours de conception, la formalisation des connaissances et la transmission d’informations au bon moment et au bon endroit. En se basant sur la méréotopologie, une théorie descriptive des relations entre les éléments géométriques constituant un produit dans le temps, l’espace et l’espace-temps a été développée. Le formalisme établi permet une description des pièces vouées à évoluer, tout en permettant de catégoriser sous des dénominations communes les connaissances similaires à transmettre. En se basant sur cette théorie, la création d’une base de connaissances a été amorcée. Trois leviers de formalisation ont été identifiés et ont mené à la mise au point d’une méthode de génération de règles de conception s’intégrant dans le processus de développement d’un produit. Finalement, des expériences ont été réalisées sur la transmission de connaissances pour déterminer les moments, contenus et formats d’informations pertinents pour aider des novices en FA à monter rapidement en compétences. Un cadre de transmission, s’appuyant sur le formalisme méréotopologique et alimenté par la base de connaissances développée, a ainsi été créé. Les travaux réalisés sont finalement illustrés par une application à un cas industriel concret