Modélisation de l’usure et contact matériaux hétérogènes par une méthode multi-échelle

Wear and contact modelling of heterogeneous material using multi-scale method

• Auteur / Autrice : Essosnam Arfa
• Direction : Géry de Saxcé, Philippe Dufrénoy, Vincent Magnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 17/09/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Milieux hétérogènes (physique)

Analyse multiéchelle

Méthode des éléments finis

Méthodes d'homogénéisation numérique

Mécanique du contact

Modèles mathématiques

Usure (mécanique)

Matériaux

Freins

Trains à grande vitesse

Mots clés libres

Hétérogénéité des surfaces

Résumé

La mobilité est devenue un enjeu sociétal, environnemental et économique. Cela implique le développement des moyens de transport qui doivent être plus sûrs, rapides et propres. Les composants de frein font donc partie intégrante de ces nouveaux développements. En effet, les dispositifs de freinage assurent l’arrêt d’un véhicule (par exemple, les garnitures de frein d’un train à grande vitesse peuvent supporter jusqu’à vingt mégajoules) et sont connus pour être source de pollution (débris, bruit). De plus, dans le secteur ferroviaire, il s’agit du premier poste de dépenses pour les consommables. Dans l’optique d’avoir un système de freinage de haute performance, la composition des garnitures de frein, qui sont des matériaux composites, est l’un des facteurs concurrentiels entre les différents fabricants. Néanmoins, l’approche reste empirique et la compréhension des phénomènes demeure relativement médiocre. Les difficultés résident dans une meilleure compréhension des phénomènes qui se déroulent à l’interface de contact, qui est le lieu de différentes interactions : les interactions mécaniques, les échanges thermiques, la dissipation de la chaleur, etc. Ces interactions en retour, entraînent l’usure des corps en contact, ce qui peut avoir une incidence sur l’intégrité des matériaux et entraîner la production et l’émission de particules. Cela affectera l’ensemble des performances du système de freinage et posera certaines questions environnementales. Les essais expérimentaux empiriques sur les matériaux de friction demeurent l’approche actuelle utilisée par les fabricants pour résoudre ces problèmes. Cette approche est non seulement coûteuse, mais ne respecte pas non plus les exigences techniques et environnementales. En raison de la complexité de l’interface de contact qui est multi-physique et multi-échelle et malgré les progrès réalisés dans l’instrumentation et les techniques de mesure, il est encore difficile d’un point de vue expérimental, d’obtenir des mesures précises des données de l’interface de contact. Il est clair qu’il faut une modélisation théorique et des simulations numériques pour supporter l’expérimental. Par conséquent, l’objectif de ce travail est de proposer une stratégie numérique de modélisation du contact du matériau de friction, en tenant compte de l’hétérogénéité matériau et de surface ainsi que des aspects évolutifs de la surface dus à l’usure. Le défi majeur est de considérer à la fois les échelles du système, de l’hétérogénéité matériau et de surface. Une nouvelle méthode multi-échelle basée sur un schéma d’homogénéisation numérique est adoptée. Contrairement aux méthodes classiques d’homogénéisation, celle proposée a l’avantage de prendre en compte les contraintes de contact à l’échelle micro offrant ainsi une relocalisation des contraintes du modèle macro au micro. L’homogénéisation se fait numériquement par la méthode des éléments finis et seuls les aspects mécaniques sont pris en compte. A l’échelle micro, des paramètres homogénéisés tenant en compte de l’hétérogénéité matériau et de surface ont été calculés et enrichis à l’échelle macro. Après ce calcul effectué, les champs mécaniques obtenus sont réinjectés à l’échelle micro via la technique d’homogénéisation numérique. En conséquence, les paramètres mécaniques locaux, induits par l’hétérogénéité des matériaux et des surfaces sont obtenus. En outre, une modélisation du débit source d’usure a été réalisée à l’échelle micro grâce à la stratégie multi-échelle mise en œuvre. La loi d’Archard a été utilisée à cette fin. Grâce à l’homogénéisation numérique, une évolution des propriétés matériaux avec l’usure a été obtenue. Ces nouveaux développements ont été validés par comparaison avec des modèles de référence. L’avantage de ces nouveaux modèles réside dans la réduction du temps de calcul, ce qui permet d’enrichir les modèles futurs.

Mobility has become a societal, environmental and economic issue. This translates into the development of means of transport that must be safer, faster for public transport and cleaner. Brake components are therefore an integral part of these new developments. Indeed, braking devices ensure that the vehicle stops (for example, the brake linings of a high-speed train can take up to twenty Megajoules) and are known to be a source of pollution (debris, noise). Moreover, for the railway sector, this is the first item of expenditure for consumables. In an attempt to have a high-performance brake system, brake linings are composite materials whose composition makes the issue of increased competition between different manufacturers. Nevertheless, the approach remains empirical and the understanding of the phenomenon remains relatively poor. The difficulties lie in a better understanding of what happens within the contact interface, which is an area where different interactions occur: mechanical interactions, thermal exchanges, heat dissipation, etc. These interactions in return, lead to wear of contacting bodies which may impact material integrity and involves particles generation and emission. Subsequently, this affects the whole performance of the braking system and some environmental issues. The current approach used by manufacturers to resolve these issues is the empirical feedback test. This approach is not only expensive but also do not respect technical and environmental requirements. Due to the complexity of contact interface which is multi-physics and multi-scale, in spite of the progress made in instrumentation and measuring techniques, it is still difficult, from an experimental point of view, to obtain precise measures of contact interface data. Clearly there is a need of theoretical modelling and numerical simulations to supply experimentations. Therefore, the objective of this work is to propose a numerical strategy of modelling contact of friction material taking into account the material and surface heterogeneity as well as surface evolution aspects due to wear. The challenge here is to consider at the same time the system and the material scales. A new multi-scale homogenization-based method is adopted. Unlike the classical homogenization methods, the proposed homogenization method has the advantage of considering contact constraints at the micro-scale and thus offers a macro to micro contact stresses relocation. The homogenization is done numerically by finite element method and only mechanical aspects are considered. At micro-scale, homogenized parameters traducing material heterogeneity and surface effects have been computed and enriched at macro-scale. After macro-scale calculation is performed, mechanical fields obtained are reinjected at the micro-scale via the numerical homogenization technique. As a consequence, local mechanical parameters induced by material and surface heterogeneity are obtained. Furthermore, wear source flow modelling has been carried out at micro-scale through the multi-scale strategy implemented. Archard's law has been used for this purpose. Thanks to the numerical homogenization, material properties’ evolution with wear was obtained. These new developments have been validated by comparison with reference models. The advantage of these new developments lies in the reduction of CPU time, which makes it possible to enrich the models in the future.