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. Parmi les critères à aborder, on peut citer, en s’appuyant sur le cycle de vie, la faisabilité de la fabrication du système mécanique à un cout viable, son montage, sa durabilité dans les conditions de fonctionnement requises, et enfin sa recyclabilité. Traditionnellement le cycle de développement du produit est amorcé en phase de conception puis, de multiples allers-retours avec des phases de test ou des retours d’expérience permettent de converger vers un système donnant entière satisfaction. Les actions entreprise dans l’axe Dynamique Matériaux et Structure ont pour objectif de participer à l’amélioration de cette démarche d’optimisation multicritère en visant tout particulièrement à rendre la plus prédictive possible la prise en compte des multiples critères indispensables à la viabilité du système mécanique. Les actions se déclinent suivant 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.
L’analyse, la modélisation et la simulation des systèmes dynamiques représentent des approches déterminantes dans les phases de conception et d’optimisation d’un système, d’un mécanisme, d’une structure ou d’un matériau. Le thème VAST (Vibrations, Acoustique & Structures) développe des méthodologies destinées à fiabiliser la prédiction des comportements dynamiques : vibrations, chocs et bruit. Les problématiques traitées dans le thème VAST portent sur la dynamique et la surveillance et le diagnostic des systèmes, structures et matériaux et plus particulièrement sur les comportements dissipatifs (amortissements). Les travaux historiques et récurrents concernent la viscoélasticité, la dynamique du contact, et les matériaux structurés (composites, poroélastiques...).
Mots-clés : Tribologie, fatigue, fretting, rugosité, lubrification mixte, matériaux composites, endommagement, soudure, crash-test.
Le thème « Tribologie et Matériaux » est dédié à l’étude de l’endommagement des matériaux sous l’action de sollicitations. Les endommagements peuvent se situer au cœur des pièces (plasticité, rupture, fatigue), ou à leurs surfaces (frottement, usure, fissuration et autres aspects tribologiques). Les sollicitations étudiées peuvent être sévères (pression, vitesse, température, hygrométrie) aussi bien en chargement dynamique que statique. Les types de matériaux étudiés sont divers : métalliques, composites (matrice organique ou métallique), céramiques, élastomères ou polymères.
Le phénomène de fatigue constitue un élément récurrent des recherches du thème Tribologie et Matériaux. Ce principe d’accumulation du dommage sous l’action de sollicitations dynamiques peut se traduire par une destruction du composant à cœur (fatigue volumique) aussi bien qu’en surface (fatigue de surface, impliquée dans le fretting-fatigue ou le micro écaillage). L’étude de ces phénomènes se fait par des travaux de modélisation et des travaux expérimentaux réalisés sur des dispositifs originaux développés au sein du Laboratoire.
L’étude de la microgéométrie vise à inscrire les propriétés des matériaux au cœur des performances tribologiques d’un contact. L’effort de recherche se porte sur la compréhension des phénomènes induits localement par les spécificités de la surface des pièces. L’une des particularités des surfaces fonctionnelles est leur rugosité, caractérisée par des variations d’altitude de l’ordre du micromètre, qui rend le contact entre 2 pièces discontinu et stochastique par nature. Il convient également de prendre en compte les différences de nature et de propriétés entre les matériaux à la surface et à cœur et entre les pièces en contact.
Enfin, ces recherches sont enrichies par l’analyse des endommagements afin de les relier aux microstructures observables à différentes échelles dans le matériau. Les endommagements peuvent être induits par divers types de sollicitations mécaniques (traction, torsion, flexion, choc, crash-test,…) ou thermiques (soudage, par exemple). Cette activité est complétée par la mise au point de procédés de fabrication, principalement basés sur la métallurgie des poudres, permettant d’optimiser les propriétés des matériaux et de prendre en compte des aspects environnementaux par l’utilisation de chutes de matières (copeaux métalliques ou élastomères) dans la composition des alliages ainsi formés.
L’objectif de recherche est l’étude des propriétés géométriques des systèmes articulés. Cette recherche s’appuie sur le postulat que les propriétés géométriques des systèmes mécaniques sont incluses dans les propriétés des systèmes algébriques qui les représentent. Les résultats obtenus apportent une assistance de haut niveau aux concepteurs, utilisateur d’outils CAO 3D, pour la re-conception et l’optimisation de solutions existantes.