Thèse soutenue

Méthodes numériques pour le calcul des vibrations auto-entretenues liées au frottement : Application au bruit de crissement ferroviaire

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Auteur / Autrice : Lucien Charroyer
Direction : Jean-Jacques SinouOlivier Chiello
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie mécanique
Date : Soutenance le 19/12/2017
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-) - Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes / LTDS
Jury : Président / Présidente : Louis Jézéquel
Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Sinou, Olivier Chiello, Emmanuelle Sarrouy
Rapporteurs / Rapporteuses : Guilhem Michon, Philippe Dufrénoy

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Mots clés libres

Résumé

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Ces travaux s’inscrivent dans le cadre des recherches destinées à réduire ou à éliminer le bruit de crissement émis par les véhicules ferroviaires en courbe ou au freinage. Ces bruits peuvent en effet atteindre des niveaux sonores très élevés, jusqu’à 105 dB(A) à proximité des rames en cas de freinage par exemple, et constituent une gêne importante pour les usagers et les riverains. Afin d’apporter des solutions de réduction de ce bruit de crissement, on se concentre sur la modélisation des vibrations auto-entretenues de structures avec contact frottant ainsi que sur la compréhension des mécanismes à l’origine du crissement résultant, en particulier dans le cas d’un frein à disque ferroviaire. On fait l’hypothèse que les vibrations ont pour origine un couplage de modes de la structure dans les directions tangentielles et normale à l’interface en contact frottant. Ce couplage entraîne une instabilité de l’équilibre quasi-statique glissant du système et l’apparition de vibrations auto-entretenues. On cherche à déterminer ces vibrations par le calcul ce qui s’effectue en deux étapes. Dans un premier temps, l’analyse de stabilité de l’équilibre quasi-statique du système permet de déterminer l’occurrence des vibrations. Dans cette thèse, deux hypothèses de modélisation du frottement – plan ou rectiligne – sont comparées dans le cas d’un modèle académique minimal. Dans le cas non-amorti, on montre que l’hypothèse simplificatrice du frottement rectiligne tend à stabiliser le système. Dans le cas amorti, on constate que les résultats établis dans la littérature pour un frottement rectiligne, en particulier le paradoxe de déstabilisation, ne sont pas facilement généralisables au cas du frottement plan bien que des similitudes existent. Dans un deuxième temps, une analyse non-linéaire est nécessaire pour déterminer les amplitudes et le contenu fréquentiel précis des vibrations auto-entretenues. Cette étape est généralement effectuée à l’aide d’une intégration temporelle numérique à partir de conditions initiales données, proches de l’équilibre glissant. En examinant l’évolution temporelle des vibrations obtenues à l’aide de cette technique, on peut distinguer d’une part le régime transitoire au cours duquel les non-linéarités apparaissent et stabilisent progressivement la solution instable, et d’autre part le régime stationnaire (ou régime de fonctionnement) où les amplitudes vibratoires sont stabilisées. Dans le cas du modèle académique, une analyse rigoureuse des échanges énergétiques au cours de l’évolution temporelle permet de mettre en évidence l’origine de la stabilisation des vibrations, en particulier la baisse du taux de puissance injectée au contact résultant de l’accumulation des événements fortement non-linéaires : décollements, adhérences ou chocs. L’intégration temporelle directe n’est toutefois pas adaptée à des modèles numériques comportant de nombreux degrés de liberté et pour lesquels la détermination du régime stationnaire est généralement suffisante pour proposer des solutions de réduction. Le surcoût de calcul engendré par le régime transitoire est en effet très limitant. C’est pourquoi, une méthode est proposée pour approximer directement le régime stationnaire dans le cas d’un système mono-instable. Cette méthode combine une technique de tir à une initialisation basée sur les observations énergétiques ci-dessus. Elle est d’abord validée sur le modèle minimal puis adaptée au modèle éléments finis de frein ferroviaire moyennant une approximation originale de la technique de tir : la réduction de l’espace des phases des conditions initiales. Les approximations des régimes stationnaires sont comparées avec ceux obtenus par l’intégration temporelle directe. Les avantages et les limitations de la méthode sont discutés.