Publications

2009

• Méthode de dimensionnement à l'usure de systèmes de transmission
  
  • Herisson Damien
  , 2009. Les avancées technologiques de ces dernières années dans l'automobile ont permis d'améliorer les rendements des moteurs. Ainsi, les puissances délivrées augmentent et dans le même temps, les volumes alloués diminuent. Dans ce contexte, les pièces mécaniques requièrent un calibrage précis afin de tirer le meilleur parti de la place disponible. Ce dimensionnement au plus juste fait apparaître des phénomènes d'endommagement qui ne s'étaient pas révélés jusque là. Un dommage surtout notable est l'usure qui se manifeste par des arrachements de matière dans les systèmes mécaniques en contact frottant tels que les liaisons cannelées. L'objectif de la thèse est de développer une méthode de dimensionnement à l'usure qui soit applicable pour tous les systèmes de transmission de puissance. La méthode de dimensionnement est composée de six étapes et s'inscrit dans le cycle de développement d'un produit selon le schéma adopté chez PSA Peugeot Citroën. Les étapes du dimensionnement sont reliées par un critère énergétique qui permet d'effectuer les transitions d'échelle nécessaires. Plusieurs modèles numériques en deux dimensions et en trois dimensions sont utilisés pour la conception des systèmes mécaniques. Ils sont alimentés par des lois de comportement obtenues expérimentalement sur un système tribologique simple représentatif du système réel en termes de matériau, d'état de surface et de géométrie. L'usure est simulée numériquement à l'aide d'une méthode incrémentale. Des essais de validation sur un banc composant finalisent le dimensionnement. La méthode a été appliquée au cas d'une liaison cannelée particulière de la boîte de vitesse située sur l'arbre primaire.
• La table d'harmonie du piano - Études modales en basses et moyennes fréquences
  
  • Ege Kerem
  , 2009. L'objectif de cette thèse est l'étude du comportement vibratoire de la table d'harmonie du piano dans le domaine des moyennes fréquences. Le premier chapitre est consacré à la table dont on présente le rôle, la structure et les matériaux. Les principaux résultats publiés sont regroupés sous forme d'une synthèse bibliographique. Dans un second chapitre, nous présentons une nouvelle méthode d'analyse modale dite haute résolution, permettant de s'affranchir des limitations naturelles de l'analyse de Fourier en termes de résolution spectrale. Celle-ci est validée par comparaison des analyses modales partielles expérimentales et théoriques de plaques minces en aluminium pour des recouvrements modaux compris entre 30% et 70%. Grâce à cette nouvelle méthode, l'identification modale, complète ou partielle, d'une table de piano droit est donnée dans les moyennes fréquences [300-2500 Hz]. L'obtention de l'amortissement moyen propre à la table en épicéa constitue un résultat nouveau dans ce domaine de fréquences. Par ailleurs, l'observation de la densité modale permet de préciser la validité du remplacement de la table raidie par une plaque homogène jusqu'à 1.1 kHz environ. Au-dessus de cette fréquence, la table se comporte comme une juxtaposition de guides d'ondes. L'observation des déformées modales pour ces fréquences, obtenues par un modèle en éléments finis, confirme la localisation des ondes entre les raidisseurs. Le phénomène de coïncidence acoustique se trouve alors profondément modifié par rapport à celui ayant cours pour les plaques minces. L'objectif du dernier chapitre est de proposer une description synthétique d'une table d'harmonie basée sur un petit nombre de descripteurs globaux : densité modale, amortissement moyen, espacement inter-raidisseurs. La validité d'un modèle de plaque homogène équivalente est étudiée et le remplacement de la structure par une plaque en matériau composite est envisagé. La description synthétique permet par exemple d'évaluer les variations de la mobilité au chevalet et du rayonnement dans l'aigu entraînée par une modification de structure (espacement inter-raidisseurs, épaisseur moyenne).
• On the Role of Academies in the Dialogue between Science and Society
  
  • Salençon Jean
  , 2009.
• Modélisation thermomécanique multi-échelles des frottements sous chocs
  
  • Dambakizi Franck
  , 2009. La mise en glissement par choc de structures métalliques s’accompagne de mécanismes thermomécaniques complexes et fortement couplés. Localisés au voisinage de l’interface au sein d’une couche de matière d’épaisseur micrométrique, ces phénomènes affectent les surfaces de contact et par conséquent la dynamique globale du glissement. Leur sévérité, quantifiée par la puissance dissipée par frottement, dépend de deux paramètres clefs : • [V], la vitesse relative de glissement, • Fn, la pression de contact à l’interface. Dans le cadre des applications spécifiques du CEA/DAM, où les structures sont soumises à d’importantes sollicitations dynamiques, les frottements se font à la fois aux grandes vitesses de glissement ([V] ∼ 100−3000m.s−1) et dans le domaine des hautes pressions dynamiques (Fn ∼ 1−40GPa). Face à de telles sollicitations, la réponse thermomécanique observée à l’interface est essentiellement pilotée par deux mécanismes en compétition : l’adoucissement thermique et l’écrouissage mécanique de l’interface. Une modélisation correcte des contacts frottant est donc nécessaire dès lors que l’on souhaite dimensionner ou garantir les structures par le calcul. Actuellement, la prise en compte du frottement dans les codes hydrodynamiques se heurte à une problématique double : • une problématique physique, les sollicitations auxquelles sont soumis les matériaux sont telles que l’usage des lois classiques de frottement (loi de Coulomb) ne permet plus de décrire le comportement aux interfaces de contact de manière adéquate. • une problématique numérique : l’échelle des mailles d’interface (≃ 100μm) classiquement utilisées dans les codes hydrodynamiques ne permet pas de capter les mécanismes thermomécaniques réellement mis en jeu aux échelles micrométriques (≃20μm). Cette problématique double, caractéristique des problèmes de frottement sous chocs, s’explique par l’aspect multi-échelles du problème, conséquence directe de la localisation des phénomènes thermomécaniques au voisinage de l’interface. La résolution numérique de la dynamique globale des structures nécessite donc une résolution plus fine du problème à l’échelle de l’interface. Pour y parvenir, l’objectif de cette thèse consiste à mettre en oeuvre un modèle destiné à l’étude des frottements sous chocs et permettant d’identifier et de prendre en compte le fort couplage thermomécanique observé aux interfaces de glissement. La stratégie de modélisation retenue repose sur une approche originale multi-échelles. Le problème à l’interface est ainsi décomposé en un problème local et un problème global, tous deux étant reliés par des relations de couplage. Cette stratégie nous permet d’identifier et de prendre en compte les forts gradients observés aux interfaces de glissement, tout en limitant les coûts de calcul et de stockage : • à l’échelle globale, le comportement de la structure est modélisé par une loi de comportement élastoplastique permettant de traiter les grandes déformations. • à l’échelle locale, plusieurs modèles rhéologiques peuvent être employés pour traiter les mécanismes mis en jeu au voisinage de l’interface (modèle de fluide visqueux, modèle de rugosité, modèle d’interface fragilisée...). Dans le cadre de cette étude, nous avons choisit de la traiter comme un solide thermoélastoplastique, en conservant les mêmes propriétés mécaniques qu’à l’échelle globale. Par analyse dimensionnelle nous montrons également que le problème associé se ramène à un problème unidimensionnel dans l’épaisseur de la couche de diffusion thermique. En ce qui concerne l’implémentation numérique du modèle, chaque problème est discrétisé de manière indépendante. Ils sont ensuite résolus simultanément pour chaque noeud situé sur l’interface. Le problème global est résolu par le code hydrodynamique à l’aide d’un schéma explicite en temps. A l’échelle locale, le comportement thermoélastoplastique de l’interface est quant à lui résolu par un modèle de sous-mailles, à l’aide d’un schéma aux différences finies 1D, implicite en temps. Afin de tenir compte de l’architecture actuelle du code de calcul hydrodynamique, une stratégie de couplage en force a été retenue ; la contrainte réelle de frottement est déterminée à l’échelle locale par le modèle de sous-maille qui la communique ensuite au code hydrodynamique. Nous en déduisons alors une valeur corrigée de la vitesse relative de glissement intégrant les phénomènes thermomécaniques observés localement. Deux variantes de ce modèle ont ainsi été implémentées et testées sur des situations expérimentales réelles : • une première variante négligeant l’inertie locale ainsi que le comportement plastique dans le voisinage de l’interface. Ce modèle nous permet notamment d’évaluer l’histoire thermique à l’interface. • une seconde variante, également quasi-statique à l’échelle locale, qui nous permet d’avoir accès au champ de déformation plastique généré par frottement dans la sous-couche de matière jouxtant l’interface. Chacune des variantes nous permet d’avoir accès aux valeurs d’interface, ainsi qu’aux profils de température et de déformation plastique dans l’épaisseur de la couche de matière jouxtant l’interface. Enfin, elles permettent de restituer avec succès les signaux expérimentaux en utilisant seulement deux paramètres : μ0, le coefficient de frottement statique de Coulomb et f, un coefficient de frottement propre à notre modèle.
• Construction d'une loi de fatigue à partir d'un modèle de forces cohésives : cas d'une fissure en mode III
  
  • Abdelmoula Radhi
  • Marigo Jean-Jacques
  • Weller Thibaut
  Comptes Rendus. Mécanique, Académie des sciences (Paris), 2009, 337, pp.53-59. En partant d'un modèle de forces cohésives avec irréversibilité et en utilisant l'approche variationnelle de la rupture, nous considérons le problème de la propagation d'une fissure dans un milieu élastique bidimensionnel soumis à un chargement cyclique antiplan. Lorsque la longueur caractéristique du matériau est petite devant les dimensions de la structure, on se ramène grâce à un raisonnement à deux échelles à un problème local que l'on résout. On obtient ainsi une loi de fatigue reliant le taux d'avancée de la fissure à chaque cycle au facteur d'intensité des contraintes. En particulier on retrouve une loi de Paris avec la puissance 4 pour des faibles valeurs du facteur d'intensité des contraintes. (10.1016/j.crme.2008.12.001)
  DOI : 10.1016/j.crme.2008.12.001
• Optimal control approach in non linear mechanics
  
  • Stolz Claude
  , 2009, -- (--).
• Derivation of effective stress intensity factors from measured crack faces displacements
  
  • Doquet Véronique
  • Bertolino Graciela
  Engineering Fracture Mechanics, Elsevier, 2009, 76 (11), pp.1574-1588. When a crack is subjected to cyclic shear-mode loading, crack faces interference wedge the crack open and reduce the effective D K II . The methods proposed in the literature to prevent it or to derive the effective D K I and D K II are discussed. It is shown that when crack tip plas- ticity becomes important it tends to make displacements larger than those predicted by LEFM and to ''hide" friction effects. Finite element simulations combining friction and plas- ticity can separate these two effects, but the analysis of force-sliding displacement loops derived from displacement field measurements based on image correlation is a more straightforward and efficient method (10.1016/j.engfracmech.2009.02.017)
  DOI : 10.1016/j.engfracmech.2009.02.017
• Plasticité cyclique et amorçage de fissures en fatigue
  
  • Doquet Véronique
  , 2009, pp.135-172.
• A comprehensive approach for modeling fatigue and fracture of rails
  
  • Dang Van K.
  • Maitournam Habibou
  • Moumni Z.
  • Roger F.
  Engineering Fracture Mechanics, Elsevier, 2009, 76 (19), pp.2626-2636. A comprehensive approach is developed for studying the fatigue phenomena (crack initiation and propagation) induced by repeated rolling or rolling–sliding contacts between wheel and rail. Cracks initiate and propagate in the rail head in a complex varying multiaxial stress regime due to Hertzian or non-Hertzian contacts generating 3D residual stress pattern. This paper presents the main steps of such an approach devoted to the modeling of defects induced in the rails by the traffic. Special attention is paid to some of the principal difficulties met as well as to the proposed solutions. Examples of applications for the prediction of initiation as well as propagation of some defects are presented. It is shown that numerical simulations predict very well the locus of crack initiation as well as its propagation in the rail. Our approach presents at least three main originalities: first, it is a global approach starting from the evaluation of the initial state of the rail to the simulation of the crack propagation under complex loading including multiaxial residual stresses. Second, special and original numerical methods for the evaluation of the initial states, the overloads and the elastoplastic state under service loading have been developed. Third, a new concept based on a “structural Paris law” has been developed and used in the crack propagation simulations. (10.1016/j.engfracmech.2008.12.020)
  DOI : 10.1016/j.engfracmech.2008.12.020
• Influence of the loading path on fatigue crack growth under mixed-mode loading
  
  • Doquet Véronique
  • Abbadi Mohammed
  • Bui Quang-Hien
  • Pons Adeline
  International Journal of Fracture, Springer Verlag, 2009, 159, pp.219-232. Fatigue crack growth testswere performed under various mixed-mode loading paths, on maraging steel. The effective loading paths were computed by finite element simulations, in which asperity-induced crack closure and friction were modelled. Application of fatigue criteria for tension or shear-dominated failure after elastic–plastic computations of stresses and strains, ahead of the crack tip, yielded predictions of the crack paths, assuming that the crack would propagate in the direction which maximises its growth rate. This approach appears successful in most cases considered herein. (10.1007/s10704-009-9396-6)
  DOI : 10.1007/s10704-009-9396-6
• Plastic yielding and work hardening of single crystals in a soft device
  
  • Le Khanh-Chau
  • Nguyen Quoc Son
  Comptes Rendus. Mécanique, Académie des sciences (Paris), 2009, 330 (337), pp.709-715. An analytical solution to the problem of an anti-plane constrained shear of single crystals placed in a soft device within the continuum dislocation theory is found. The dependence of the nucleation stress on the grain size exhibits a modest deviation from the Hall–Petch relation. It is shown that, as soon as the dissipation is taken into account, the hardening behavior becomes nearly identical to that of single crystals in a hard device. (10.1016/j.crme.2009.10.004)
  DOI : 10.1016/j.crme.2009.10.004
• Why MIT interpretations can be wrong: apparent and actual leaks.
  
  • Berest Pierre
  • Bérest P.
  • Brouard B.
  , 2009, pp.1-16.
• Rock pulverization at high strain rate near the San Andreas Fault
  
  • Doan Mai Linh
  • Gary Gérard
  Nature Geoscience, Nature Publishing Group, 2009, 2, pp.709-712. Pulverized rocks were found near the San Andreas Fault, as far as 400m away from the fault core. It is exceptional to observe such a dense fragmentation so far from the core. Here we show that extreme strain rate is necessary to intensely fragment intact rocks sampled near the fault. We performed laboratory experiments on natural rocks to understand this pulverization, using a Split Hopkinson Pressure Bars apparatus. When strain rate exceeds 150/s, samples break into numerous fragments, to a scale smaller than the initial grain size. To satisfy such strain rate, we propose that the pulverization damage is associated with supershear rupture. (10.1038/NGEO640)
  DOI : 10.1038/NGEO640
• Construction and analysis of localized responses for gradient damage models in a 1D setting
  
  • Marigo Jean-Jacques
  • Pham Kim
  Vietnam Journal of Mechanics, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 2009, 31 (3-4), pp.233-246. We propose a method of construction of non homogeneous solutions to the problem of traction of a bar made of an elastic-damaging material whose softening behavior is regularized by a gradient damage model. We show that, for sufficiently long bars, localization arises on sets whose length is proportional to the material internal length and with a profile which is also characteristic of the material. We point out the very sensitivity of the responses to the parameters of the damage law. All these theoretical considerations are illustrated by numerical examples.
• Measuring discrepancies between Coulomb and other geotechnical criteria : Drucker-Prager and Matsuoka-Nakai
  
  • Maiolino Siegfried
  • Luong Minh Phong
  , 2009, pp.12p. Whereas the Mohr-Coulomb criterion is widely used in geotechnics, the Drucker-Prager is common in Finite Element Methods software. Another smooth criterion developed in soil mechanics is the Matsuoka-Nakai criterion, which is also a linear function of mean stress. Parameters of the Coulomb criterion are meaningful to engineers and their determination in laboratory is well known. In this paper, we present a method to measure differences between Mohr-Coulomb and "Coulomb" fitting by Drucker-Prager or Matsuoka Nakai. Using some properties of the stress space and of the deviatoric plane, we are able to measure discrepancies between Coulomb and other criteria. We provides results as discrepancies on the friction angle allowing a quick evaluation of the error.
• Measuring discrepancies between Coulomb and other geotechnical criteria: Drucker-Prager and Matsuoka-Nakai
  
  • Maiolino Siegfried
  • Luong Minh-Phong
  , 2009, pp.1-12. Whereas the Mohr-Coulomb criterion is widely used in geotechnics, the Drucker-Prager is common in Finite Element Methods software. Another smooth criterion developed in soil mechanics is the Matsuoka-Nakai criterion, which is also a linear function of mean stress. Parameters of the Coulomb criterion are meaningful to engineers and their determination in laboratory is well known. In this paper, we present a method to measure differences between Mohr-Coulomb and "Coulomb" fitting by Drucker-Prager or Matsuoka Nakai. Using some properties of the stress space and of the deviatoric plane, we are able to measure discrepancies between Coulomb and other criteria. We provides results as discrepancies on the friction angle allowing a quick evaluation of the error.
• High strain rate bulge testing of a DP450 steel using a nylon SHPB system
  
  • Grolleau Vincent
  • Mohr Dirk
  • Penin Arnaud
  • Gary Gérard
  • Galpin Bertrand
  , 2009, 1, pp.597-602. A dynamic bulge testing technique is developed to investigate the biaxial plasticity of sheet materials at intermediate and high strain rates. The main component of this new dynamic testing device is a bulge cell which is mounted on the input bar of a conventional split Hopkinson pressure bar system. This cell is designed such that the input bar is in direct contact with the bulging fluid. Thus, it can be used to apply and measure the bulging pressure. Both quasi-static and dynamic bulge experiments are performed on 0.8 mm thick dual phase steel sheets (DP450). Experimental results are presented for equivalent plastic strain rates ranging from 100 to 700/s. The material parameters of a rate-dependent Cowper-Symonds plasticity model are determined through FE-based inverse analysis. (10.1051/dymat/2009085)
  DOI : 10.1051/dymat/2009085
• Temperature and emissivity measurement in dynamic experiments using an advanced infrared detector array technique
  
  • Negreanu Ionut
  • Gary Gérard
  • Mohr Dirk
  , 2009, 1, pp.179-183. A new thermography method is presented to measure the absolute temperature history in dynamic experiments of very short duration. By superposing a known infrared radiation to the naturally emitted specimen radiation, both the specimen's emissivity and temperature are determined from the measurements of a custom-made detector array. As a result, this method can be used without prior knowledge of the specimen's optical properties. At the same time, the temperature measurement accuracy is substantially improved in comparison with other established methods. Since the specimen's emissivity is measured in addition to the temperature, this method may also be used to study the coupling between the evolution of the optical and mechanical properties under dynamic loading. (10.1051/dymat/2009024)
  DOI : 10.1051/dymat/2009024
• Theoretical assessment of stress-strain curve estimates in Split Hopkinson Bar experiments
  
  • Mohr Dirk
  • Gary Gérard
  • Lundberg Bengt
  , 2009, 1, pp.485–490. The determination of the stresses and strains based on split Hopkinson pressure bar (SHPB) measurements is an important step in the identification of reliable experimental data on the mechanical behavior of materials at high strain rates. Modern SHPB systems provide accurate measurements of the forces and velocities at the boundaries of a dynamically loaded specimen, while approximations need to be made to obtain the stress-strain curve based on these measurements. Several formulas have been proposed in the past to estimate the stress-strain curve from dynamic experiments. Here, we make use of the theoretical solution for the waves in an elastic specimen to evaluate the accuracy of these estimates. It is found that it is important to avoid an artificial time shift in the processing of the experimental data. Moreover, it is concluded that the combination of the output force based stress estimate and the average strain provides the best of the commonly used stress-strain curve estimates in standard SHPB experiments. (10.1051/dymat/2009069)
  DOI : 10.1051/dymat/2009069
• Accounting for the effect of local punching at the bar/ specimen interface in SHPB experiments
  
  • Safa Kamal
  • Gary Gérard
  , 2009, 1, pp.81–87. The object of this work is to provide a displacement correction for the local punching due to an axial loading at the end of a bar. For this purpose, an analytical calculation of the dynamic 3-D indentation of an elastic isotropic semi-infinite bar is carried out. It provides a first-order correction for the displacement obtained through the 1-D wave analysis commonly used in SHPB processing. This correction applies to the displacements as they are calculated at both ends of a specimen sandwiched between the two bars of a SHPB device. It improves the results obtained for the dynamic behavior of the specimen, in particular at early instants of loading. (10.1051/dymat/2009011)
  DOI : 10.1051/dymat/2009011
• A brine outflow test in a Gellenoncourt cavern
  
  • Berest Pierre
  • Bérest P.
  • Brouard Benoît
  • Lheur Cédric
  • de Greef Vincent
  • Béraud Jean-François
  , 2009, pp.105-120.
• Fatigue Design of Notched Components with Stress Gradients and Cyclic Plasticity
  
  • Maitournam Habibou
  • Dang Van Ky
  • Flavenot Jean-François
  Advanced Engineering Materials, Wiley, 2009, 11 (9), pp.750-754. This paper shows that fatigue strength of notched specimens under cyclic loading can be simply and accurately estimated by using elastic-plastic computations and averaging stress over a critical volume obtained by an optimisation process minimizing the dispersion between experiments and simulations. The Dang Van high cycle fatigue criterion is considered. Fatigue tests (tension-compression, bending and torsion) carried out by the Cetim, are used to calibrate the critical volume. (10.1002/adem.200900045)
  DOI : 10.1002/adem.200900045
• Matched asymptotic expansions for twisted elastic knots: A self-contact problem with non-trivial contact topology
  
  • Clauvelin Nicolas
  • Audoly Basile
  • Neukirch Sébastien
  Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Elsevier, 2009, 57 (9), pp.1623-1656. We derive solutions of the Kirchhoff equations for a knot tied on an infinitely long elastic rod subjected to combined tension and twist, and held at both endpoints at infinity. We consider the case of simple (trefoil) and double (cinquefoil) knots; other knot topologies can be investigated similarly. The rod model is based on Hookean elasticity but is geometrically nonlinear. The problem is formulated as a nonlinear self-contact problem with unknown contact regions. It is solved by means of matched asymptotic expansions in the limit of a loose knot. We obtain a family of equilibrium solutions depending on a single loading parameter (proportional to applied twisting moment divided by square root of pulling force), which are asymptotically valid in the limit of a loose knot, . Without any a priori assumption, we derive the topology of the contact set, which consists of an interval of contact flanked by two isolated points of contacts. We study the influence of the applied twist on the equilibrium. (10.1016/j.jmps.2009.05.004)
  DOI : 10.1016/j.jmps.2009.05.004
• Adjoint solution-based small-inclusion asymptotics of cost functions, with application to defect identification
  
  • Bonnet Marc
  , 2009.
• Micromechanics Contribution to Coupled Transport and Mechanical Properties of Fractured Geomaterials
  
  • Lemarchand E.
  • Davy C.
  • Dormieux L.
  • Chen W.
  • Skoczylas F.
  Transport in Porous Media, Springer Verlag, 2009, 79 (3), pp.335-358. (10.1007/s11242-008-9326-5)
  DOI : 10.1007/s11242-008-9326-5