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Par Zahra KHAWAJA Thèse présentée pour l’obtention du grade de Docteur de l’UTC

Par Zahra KHAWAJA Thèse présentée pour l’obtention du grade de Docteur de l’UTC Analyse des états de surfaces en science des matériaux : caractérisation multi-échelles par ondelette et détermination de l’anisotropie des surfaces Soutenue le 21 janvier 2014 Spécialité : Mécanique avancée D2139 Ana M. Thie M. Jérô M. MAT M. Max M. Gild M. Alai M. Pier DOCT alyse de Carac déte Th erry GUERR me ANTON THIA Thom xence BIGE das GUILLE in RASSIN rre‐Emmanu EUR DE Écol es états ctérisati erminat hèse soutenu RA, NI mas ERELLE EMOT EUX uel MAZE Pour o E L’UNIV C le Doctorale Spécialité P Zahr s de sur ion mu tion de ue le 21 Janv Prof Prof Dire Prof Char Prof RAN Maîtr THÈSE obtenir le gr VERSITÉ COMPIÈ e: Sciences p : Mécaniqu Présentée pa a KHAW rfaces e ulti‐éch l’aniso vier 2014 de fesseur, U. fesseur, IN ecteur de re fesseur, U. rgé de reche esseur, UTC re de confér E rade de É DE TE GNE pour lʹIngén ue Avancée ar WAJA en scien helles p otropie evant le jury de Valenc NSA de Lyo echerche, E de Valenc erche, EMP C rences, UTC ECHNOL nieur nce des ar onde e des su y composé d ciennes (P on (R ECL (R ciennes (D P (D (E C (E LOGIE D s matér elette e urfaces de : Président) Rapporteur Rapporteur Directeur) Directeur) Examinateu Examinateu DE riaux : et r) r) ur) ur) 2 3 REMERCIEMENTS L’étude décrite dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre du projet FONCRUG financé par la région Picardie et cofinancé par l’Europe. Elle a été effectuée à l’UTC au sein du laboratoire Roberval. Qu’il me soit permis ici de remercier tous les partenaires de ce projet. Alors, parce que je vais sûrement en oublier, je tiens à commencer par remercier toutes celles et ceux sans qui je n’aurais jamais pu en être là aujourd’hui, pour leur soutien, leur confiance surtout, parce que ça n’a pas toujours été facile. Je tiens ensuite à remercier Monsieur Jean-Marc ROELANDT, directeur du Laboratoire Roberval, et Monsieur Alain RASSINEUX, de m’avoir accueillie à Roberval et permis d’effectuer ce travail de thèse. Je remercie l’École Doctorale Monsieur Olivier GAPENNE et l’Université de Technologie de Compiègne pour m’avoir accueillie, et pour m’avoir permis d’effectuer des charges d’enseignements en parallèle de la thèse. Je remercie notamment Mandâmes Odile LECLERC et Marion KACZKOWSKI Marion pour leur disponibilité et pour avoir toujours facilité les démarches administratives. Je souhaite remercier mes directeurs de thèse Messieurs Maxence BIGERELLE et Gildas GUILLEMOT pour toute la confiance qu’ils m’ont accordée. Leurs conseils avisés ont grandement contribué à l’avancement de ces travaux. Je tiens à adresser mes sincères remerciements à Madame Salima BOUVIER et Monsieur Sergio Rodriguez, pour leur soutien permanent et leur disponibilité. Leur aide précieuse et leur capacité à partager leurs connaissances scientifiques m’ont été très bénéfiques lors de la réalisation de ce travail. Je remercie Monsieur Thierry GUERRA pour m’avoir fait l’honneur de présider le jury de soutenance. Je suis très sensible à l’honneur que me font Messieurs Jérôme ANTONI et MATHIA Thomas en acceptant de juger ce travail et d’en être rapporteurs et membres du jury. Je tiens aussi à exprimer toute ma gratitude envers Messieurs Alain RASSINEUX et Pierre-Emmanuel MAZERAN qui ont accepté d’être examinateurs de ce mémoire. A tous les membres du laboratoire Roberval, j’adresse ma sympathie. J’ai eu beaucoup de plaisir à travailler à votre côté. Et par delà de tout mes remerciements, un grand merci à mon époux Ali pour son affection et pour la patience qu'il a prouvé envers moi ainsi qu'à mes parents et mes sœurs pour leurs soutiens tout au long de ces années. Enfin, je tiens à remercier tous mes amis qui ont contribué de manière indirecte à l’aboutissement de ce travail. 4 RÉSUMÉ Analyse des états de surfaces en science des matériaux : Caractérisation multi-échelles par ondelette et détermination de l’anisotropie des surfaces Le contrôle et à la maîtrise de l’état des surfaces est un besoin majeur pour les industriels. De nombreuses études sur les interactions entre la morphologie de surface et les mécanismes physiques, chimiques ou mécaniques, ont été réalisées. Cependant une caractérisation plus précise en fonction des domaines et des besoins est nécessaire. Elle consiste à chercher les paramètres de rugosité les plus pertinents qui relient la topographie d’une surface aux phénomènes physiques qu’elle subit ou aux propriétés du matériau dont elle composé. Dans ce travail, un logiciel pour caractériser l’état de surface a été développé. Cet outil nommé « MesRug » permet de calculer des paramètres de rugosité et d’extraire les plus pertinents ainsi que de définir l’échelle la plus adéquate pour une application donnée. La recherche des paramètres les plus pertinent se fait par une approche statistique (l'analyse de la variance ‘ANOVA’ combinée avec la théorie du Bootstrap). Une caractérisation a été effectuée en utilisant des données de mesures (2D) sur des surfaces abrasives. L’influence de la forme des ondelettes discrètes et continues sur la détection de l’échelle pertinente du mécanisme d’abrasion a été testée. On déduit que la décomposition en ondelettes permet de quantifier et de localiser les échelles de l'abrasion des processus d'usinage pour tous les paramètres du processus. Cependant, la pertinence de caractériser les échelles appropriées d'abrasion ne dépend pas de la forme de l'ondelette. Dans ce travail, un nouveau paramètre de rugosité 3D est proposé pour quantifier la régularité d'une surface indépendamment de l'amplitude et des unités de longueur de balayage. L'efficacité de ce paramètre est testée sur des surfaces périodiques bruitées avec différents degrés d'anisotropie. La valeur de ce paramètre est comprise entre zéro (bruit parfait) et 100% (surface sinusoïdale parfaite). Il nous a permis de détecter les directions d'anisotropie de régularité pour une surface donnée. . Mots clés: Rugosité, analyse de la variance, Bootstrap, ondelettes, décomposition multi- échelle, régularité des surfaces,… 5 ABSTRACT Analysis of surface states in materials science: Multi-scale wavelet characterization and determination of the anisotropy of the surfaces Monitoring and control of the state of the surfaces is a major need for industry. Numerous studies on the interactions between the surface morphology and the physical, chemical or mechanical mechanisms have been conducted. However, a more precise characterization related to industrial domains and needs is necessary. It consists in finding the most relevant roughness parameters that connect the topography of a surface with the physical phenomena which it undergoes or in the properties of the material of which it consisted. In this work, a software designed to characterize the surface condition was developed. This tool named "MesRug" allows to calculate roughness parameters then extract the most relevant ones and to define the most appropriate scale for a given application. The search for the most relevant parameters is done by a statistical approach (analysis of variance ANOVA combined with the theory of Bootstrap). A characterization was performed using (2D) data of measurement on abrasive surfaces. The influence of the form of discrete and continuous wavelet on the detection on the relevant scale mechanism of the abrasion was tested. We conclude that the wavelet decomposition allows to quantify and localize the scales of abrasion of the machining process for all process parameters. However, the relevance of appropriate scales to characterize abrasion does not depend on the shape of the wavelet. In this work, a new 3D roughness parameter is proposed to quantify the smoothness of a surface, independently of the amplitude and the scanning length units of the surface. The efficiency of this parameter is tested on noisy periodic surfaces with varying degrees of anisotropy. The value of this parameter is between zero (perfect sound) and 100 % (sine perfect surface). It enables us to identify the anisotropy directions of regularity for a given surface. Keywords: Roughness analysis of variance, Bootstrap, wavelet multiscale decomposition, regularity of surfaces,... 6 1 Table des matières INTRODUCTION GENERALE ..................................................................................................... 9 Références bibliographiques ............................................................................................... 13 CHAPITRE 1 1 Contexte ........................................................................................................................ 15 2 Outils de caractérisation statistique ............................................................................... 15 3 Présentation du système MesRug .................................................................................. 17 4 Format de stockage des données topographiques de surface ........................................ 18 4.1 L’entête.................................................................................................................................. 19 4.2 L’espace des données ............................................................................................................ 20 4.3 L’espace additionnel .............................................................................................................. 21 5 Structure de traitement .................................................................................................. 21 6 Lecture du fichier des méthodes de redressement et des paramètres de rugosité ......... 23 7 Concepts et définitions concernant l’analyse de l’état de surface ................................. 24 7.1 Définition d’une surface ........................................................................................................ 25 7.1.1 Définition abstraite mathématique ............................................................................... 25 7.1.2 Modélisation stochastique ............................................................................................ 25 7.2 Définition de la profilométrie (2D et 3D) et correspondance avec le traitement du signal (1D et 2D) 25 7.3 Analyse tridimensionnelle ..................................................................................................... 26 7.3.1 Méthodes de prétraitement (ou de redressement) ...................................................... 26 7.3.1.1 Prétraitement par polynômes ....................................................................................... 27 7.3.1.2 Prétraitement par filtre gaussien .................................................................................. 28 7.3.1.3 Prétraitement par B‐spline ............................................................................................ 29 7.3.2 Paramètres de texture surfacique 3D ........................................................................... 31 7.3.2.1 Paramètres d’amplitude ................................................................................................ 33 7.3.2.2 Paramètres hybrides ..................................................................................................... 34 7.3.2.3 Paramètres d’isotropie .................................................................................................. 34 7.3.2.4 Paramètres fonctionnels ............................................................................................... 36 8 Maintenance du code dans le système MesRug ............................................................ uploads/Geographie/ these-utc-zahra-khawaja.pdf