Phénomènes nanoscopiques en lubrification : Des simulations atomistiques à leur intégration dans les modèles continus

Nanoscale phenomena in lubrication : From atomistic simulations to their integration into continuous models

• Auteur / Autrice : Daniele Savio
• Direction : Philippe Vergne, Nicolas Fillot, Hartmut Hetzler, Wolfgang Seemann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 31/10/2013
• Etablissement(s) : Lyon, INSA en cotutelle avec Karlsruher Institut für Technologie
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Barrat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Vergne, Nicolas Fillot, Hartmut Hetzler, Wolfgang Seemann, Jean-Louis Barrat, Guillaume Galliero, Peter Gumbsch, Guillermo Morales-Espejel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Galliero, Peter Gumbsch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lubrification

Tribologie (technologie)

Mots clés libres

Mécanique appliquée

Tribologie

Tribologie numérique

Lubrifciation

Lubrifiant

Dynamique moléculaire

Glissement

Simulations multi-échelles

Rupture mécanique

Film lubrifiant

Tribology

Lubricant

Lubrication

Molecular dynamics

Wall slip

Multi-scale modeling

Local film breakdown

Résumé

Les tendances actuelles en lubrification visent à réduire la quantité d’huile dans les mécanismes. En conséquence l’épaisseur de film dans les zones de contact est réduite à l’échelle du nanomètre, et peu de molécules de lubrifiant assurent la séparation des surfaces. Des simulations basées sur la méthode de la Dynamique Moléculaire sont utilisées pour étudier le comportement de ces films sévèrement confinés à l’échelle des atomes. Une attention particulière est portée sur le phénomène de glissement aux parois : des lois analytiques sont formulées pour quantifier et prédire cet effet en fonction du couple surface-fluide ou des conditions opératoires locales dans un contact. Ensuite, un couplage entre les modèles moléculaires et macroscopiques est effectué. Les équations classiques de la lubrification sont modifiées pour inclure les effets de glissement quantifiés précédemment. Il est montré que l’épaisseur de film au centre d’un contact et le frottement sont modifiés de façon significative. Enfin, la problématique de réduction de la quantité de lubrifiant est poussée à ses limites jusqu’à atteindre la rupture du film et le contact direct entre solides. Une analyse à l’échelle moléculaire de ce processus permet de faire le lien entre la disposition des dernières molécules séparant les surfaces et le comportement tribologique local.

The modern trends in lubrication aim at reducing the oil quantity in tribological applications. As a consequence, the film thickness in the contact zone decreases significantly and can reach the order of magnitude of a few nanometres. Hence, the surface separation is ensured by very few lubricant molecules. Atomistic simulations based on the Molecular Dynamics method are used to analyze the local behavior of these severely confined films. A particular attention is paid to the occurrence of wall slip: predictive models and analytical laws are formulated to quantify and predict this phenomenon as a function of the surface-lubricant pair or the local operating conditions in a contact interface. Then, the coupling between Molecular Dynamics simulations and macroscopic models is explored. The classical lubrication theory is modified to include slip effects characterized previously. This approach is employed to study an entire contact featuring a nano-confined lubricant in its center, showing a severe modification of the film thickness and friction. Finally, the lubricant quantity reduction is pushed to the limits up to the occurrence of local film breakdown and direct surface contact. In this scenario, atomistic simulations allow to understand the relationship between the configuration of the last fluid molecules in the contact and the local tribological behavior.