Thermique des contacts avec troisième corps solide : modélisation et compréhension des phénomènes de frottement et diffusion de la chaleur par la méthode des éléments discrets

= Thermal study of the contacts with solid third body presence. : Modelling and understanding of the friction and heat diffusion processes by the discrete elements method.

• Auteur / Autrice : David Richard
• Direction : Yves Berthier, Ivan Iordanoff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Génie mécanique. Génie civil
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frottement

Thermique

Tribologie (technologie)

Résumé

En tribologie, l'étude thermique des contacts frottants fait face à d'importantes difficultés que ce soit par les approches expérimentales ou les modélisations prédictives. Si dans le premier cas l'impossibilité d'une instrumentation fine in situ limite l'échelle d'étude du contact, les modèles analytiques ou numériques se fondent quant à eux sur des hypothèses réductrices en termes de génération et diffusion de la chaleur. Ils ne permettent ni de prédire les résultats observés expérimentalement ni de les comprendre ou les valider. Le coefficient de frottement (à l'origine de la génération de la chaleur) ainsi que les coefficients de partage (à l'origine de sa diffusion) utilisés dans ces modèles, masquent de manière trop forte l'ensemble des phénomènes-clefs qui peuvent décrire plus exactement la thermique locale du contact. Ces paramètres d'échelle globale sont employés car il est possible de les quantifier expérimentalement même si l'on ne comprend pas la physique qu'ils cachent à l'échelle locale. Afin de surmonter ce problème, nous avons développé un modèle par éléments discrets qui prend localement en compte à la fois les phénomènes de génération et de diffusion de la chaleur, sans toutefois introduire en tant que paramètre d'entrée des coefficients de frottement ou de partage qui doivent être considérés avec précaution. L'étude des propriétés locales des premiers et troisième corps met en avant toute la complexité des phénomènes thermiques qui ont lieu durant le frottement. Il est aussi souligné toute l'importance du troisième corps étudié ici à l'échelle locale. Ce modèle permet d'expliquer de manière plus concise certains résultats obtenus de manière expérimentale (sauts de températures macroscopiques) tout en clarifiant les concepts de frottement et de partage de la chaleur non plus à partir de lois globales mais en fonction d'une analyse énergétique locale.

In tribology, the thermal study of sliding contacts faces difficulties in terms of experimental approaches and predictive modellings. If in the first case the impossibility of a local in situ instrumentation limits the scale of study of the contact, the analytical or numerical modellings are based on reductive hypothesis on the heat generation and diffusion processes. They do not allow neither to predict the observed experimental results nor to understand or validate them. The friction coefficient (at the origin of the heat generation) and the sharing coefficients (at the origin of its diffusion) used in these modellings, conceal the key-phenomena that can explain the local thermal processes of the contact. These global-scale parameters are used because they can be determined experimentally even though we do not understand the local-scale physics hidden behind them. In order to overcome this problem, we have developped a discrete element model that takes into account both local heat generation and diffusion phenomena without introducing input global parameters such as friction or sharing coefficients which have to be carefully considered. The study of the local properties of the first and third bodies highlights the complexity of the thermal phenomena which occurs during friction. It also puts forward all the importance of the third body studied here at a local scale. This modelling can explain some of the experimental results (macroscopic temperature jumps) by clarifying at the same time the concepts of friction and heat sharing from a local energy analysis and no longer from global laws