Comportement des Systèmes Mécaniques et Matériaux

La conception de système mécanique est basée généralement sur une démarche d’optimisation multicritère qui fait intervenir des propriétés très variées attachées, soit à l’ensemble du système mécanique, soit à ses composants.

Présentation

Responsable:

François ROBBE-VALLOIRE

L’axe Comportement des Systèmes Mécaniques et Matériaux (CoS2M) se focalise essentiellement sur les activités fondamentales impliquées lors de la conception et l’optimisation de systèmes mécaniques. Plus précisément, les domaines de recherches abordés dans cet axe couvrent les aspects vibratoires et acoustiques des structures, les endommagements superficiels et volumiques des matériaux qui composent ces structures, et les spécifications géométriques des différentes pièces afin de garantir les propriétés requises sur les assemblages.

Dans tous ces domaines, les fortes non-linéarités présentes nécessitent l’utilisation d’outils et de méthodes dont un certain nombre sont largement partagées. Par ailleurs, il est important de noter que la plupart des travaux reposent sur une confrontation directe entre résultats théoriques et expérimentations dont la plupart sont originales et développées au sein du laboratoire.

L’axe adresse les 3 thèmes suivants :

Le comportement vibratoire (vibration audible ou non) du système lors du fonctionnement est un élément largement analysé en phase de conception et d’optimisation d’un système mécanique. Le thème VAST (Vibration Acoustique des Structures) développe des méthodologies destinées à fiabiliser les prédictions théoriques des vibration de mécanismes lors de la phase de fonctionnement. Les 2 aspects abordés dans le thème VAST sont : la prise en compte des causes de non linéarités de la réponse vibratoire des systèmes et matériaux. Les travaux concernent des causes de non linéarité dans les systèmes mécaniques tels que les jeux, les contacts, et l’utilisation de matériaux anélastique (viscoélastique par exemple) ou structurés (composites, poroélastiques...).
Un autre élément intervenant dans la boucle de dimensionnement est le(s) matériau(x) constituant chacune des pièces. Le thème TriboMat (Tribologie et Matériaux) de l’axe participe à l’amélioration de la compréhension du comportement des matériaux sous les sollicitations sévères induites par le fonctionnement. Ce thème regroupe des actions sur les matériaux métalliques mais également sur les matériaux composites. Les travaux concernent aussi bien les endommagements à cœur (plasticité, rupture, fatigue), que ceux en surface (usure, fatigue de contact). Les travaux vont couvrir la modélisation de ces endommagements, l’analyse des performances des matériaux, mais également la mise au point de nouveaux matériaux apportant une meilleure résistance à l’endommagement. L’originalité des actions menées sur le développement de ces nouveaux matériaux est de faire appel exclusivement à des techniques de valorisation de certains déchets industriels.
Le dernier point abordé concerne la prise en compte de contraintes d’ordre géométriques dans l’analyse du comportement du système. Que ce soit pour un composant isolé d’un système, ou pour un système complet, le thème Formes Mécaniques développe des travaux ayant comme spécificité de ne pas s’attacher aux formes théoriques idéales des pièces mais de prendre en compte les spécificités liées à la fabrication des pièces. Ainsi les méthodes d’optimisation conduites sur les composants intègrent la prise en compte de contraintes géométriques induites par un procédé de fabrication. Pour les travaux menés sur les systèmes mécaniques, l’originalité des travaux porte sur l’analyse de l’extension des conditions cinématiques d’existence de fonctionnement nominal lorsque l’on intègre la variabilité des dimensions de pièces induites par le tolérancement.

 

Exemples de travaux

Nous proposons d’illustrer les actions menées dans l’axe CoS2M via 3 exemples de travaux réalisés dans la période auditée (2014-2018)

  1. Etude de l’amortissement vibratoire dans les assemblages. Ces actions, à la frontière des domaines tels que l’analyse vibratoire et la tribologie (en particulier le fretting) ont principalement été conduites en partenariat avec des industriels du secteur aéronautique et spatial. Les projets ROM à l’IRT SystemX, les projets FUI MAIAS et CLIMA, avec 4 thèses soutenues, et le montage en cours des projets ADYTRA & CCHAMO témoigne de cette orientation forte vers l’étude de l’amortissement vibratoire dans les structures mécaniques aéronautiques et spatiales.

Les travaux portent sur les amortissements induits par les assemblages. Les derniers travaux portent sur l’aspect expérimental avec le développement de nouvelles techniques en mesure non intrusives. Il s’agit de mesures de champs pour les vibrations et la dynamique à base de cameras rapides. 3 thèses, plus de 200k€ de matériels acquis depuis 3 ans et le recrutement en 2018 d’un maître de conférence sur le sujet témoigne une orientation significative.

  1. Utilisation du calcul symbolique pour enrichir le domaine de la Conception Assistée par Ordinateur (CAO) de systèmes mécaniques. Un premier volet des travaux porte sur la définition formelle du caractère rigide ou mobile d’un système de solides pour lequel un prototype Maple a été développé, un brevet déposé et une thèse soutenue. Les travaux se sont ensuite poursuivis par l’analyse de la robustesse des systèmes mécaniques manufacturés vis-à-vis des variations de formes, inévitables dans la production de masse.

Notre proximité géographique avec le LIP6, a permis une collaboration aisée avec Mrs Faugere et Lazard, membres de l’équipe PolSys. Par ailleurs, cette étude a été financée par Dassault-Système, le partenaire historique de l’équipe qui nous accompagne et continue à nous soutenir financièrement par la signature d’un contrat jusqu’en 2020.

  1. Endommagement des assemblages collés. Une collaboration de recherche avec Airbus Helicopters concernant les assemblages collés a permis le développement d’un moyen expérimental de sollicitation de l’interface hybride métal / composite collé, sous environnement contrôlé via une enceinte climatique. Les travaux menés ont abouti au formalisme d’une méthodologie originale, adaptée à la configuration spécifique de l’assemble et notamment son caractère hybride (collage entre matériaux métallique et composite polymérique).

Equipements spécifiques

Les travaux entrepris dans l’axe nécessitent en grande majorité une validation expérimentale qui doit s’appuyer sur les moyens expérimentaux spécifiques. Les principales familles d’équipements opérationnels au niveau de l’axe sont les suivants :

  1. Equipement de métallurgie des poudres (mélangeur/broyeur, granulométrie laser, frittage, presse pour thixoformage)
  2. Examen et analyse de surface (MEB avec chambre à pression variable et EDX)
  3. Caractérisation mécanique (micro et macro dureté, machine de traction capacité 10 kN)
  4. Unités de cinématographie rapide avec analyse de champ
  5. Equipements vibratoire (pots vibrants 200 N à 20 kN)
  6. Métrologie de surface (Mesure 3 D optique et par contact)
  7. Caractérisation de revêtement par scratch test
  8. Tribométrie (Fretting, alternatif, pion-disque, bi disque)
  9. Enceinte climatique (-80°C à +180°C et 10% à 98% d’humidité relative)
  10. Banc RTM (Resin Transfert Molding) constituée d’une presse chauffante (200 kN – 300°C) et d’une unité d’injection de polymères.

A titre indicatif, près de 600 k€ ont été consacrés, en investissements, au financement d’équipements sur la période d’évaluation 2014-2018.

Contacts

Responsable axe : francois.robbe-valloire@supmeca.fr

Thème Vibration Acoustique des Structures : jean-luc.dion@supmeca.fr

Thème Tribologie et Matériaux : tony.dasilva@supmeca.fr

Thème Formes Mécaniques en Statique et Dynamique : alain.riviere@supmeca.fr

Partenaires académiques

Supmeca, Institut Galilée et LSPM (Université Paris XIII), LIP6 (Université Paris VI), INSA (Lyon), UTC (Compiègne), Institut NAVIER (ENPC Marne la Vallée)

UNICAMP (Sao Paulo, Brésil), MICHIGAN TECH (USA), ENIT (Tunis), ENIS (Sfax)

Partenaires industriels

AIRBUS, CETIM, DASSAULT SYSTEME, EDF, NFM, ONERA, RENAULT, SAFRAN, SOPEMEA, UTAS, VALEO

Chiffres clés (2017)

  • Enseignants-chercheurs : 7 PR, 3 PU émérites, 1 MCF-HDR, 16 MCF, 2 EC, 1 PAST, et 2 PRAG
  • Ingénieurs, techniciens et administratifs : 2 IGR
  • Doctorants : 6 thèses soutenues en 2017 et 24 thèses en cours
  • Publications de rang A (2017) : 15
  • Montant des contrats (2017) : 450 k€

Systèmes Complexes Physiques et Numériques

L’axe Systèmes Complexes Physiques et Numériques (SCPN), regroupe 5 thèmes qui développent une approche système.