Modélisation numérique et imagerie de la propagation des ondes ultrasonores à travers des interfaces tribologiques

Numerical modelling and imaging of ultrasonic wave propagation through rough interfaces

• Auteur / Autrice : Vipul Vijigiri
• Direction : Juliette Cayer-Barrioz, Guillaume Kermouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Acoustique
• Date : Soutenance le 11/02/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Gennisson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juliette Cayer-Barrioz, Guillaume Kermouche, Cédric Courbon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Maxence Bigerelle, Robert Dwyer Joyce

Mots clés

Mots clés libres

Propagation des ondes

Coefficient de réflexion

Rapport de contact

Rigidité globale

Rigidité locale

Wave propagation

Reflection coefficient

Contact ratio

Global stiffness

Local stiffness

Résumé

Lorsque deux surfaces sont mises en contact et glissent l'une contre l'autre, des jonctions sont formées à l'interface. Les dynamiques de formation, de rupture et d'évolution de ces jonctions régissent la réponse tribologique du macro-contact. Obtenir des informations sur le comportement en temps réel de ces jonctions est une tâche ardue. Les théories affirment que les contacts et les aspérités sont continuellement modifiés dans deux corps en raison de la pression appliquée et du cisaillement, ce qui augmente le nombre de contacts actifs. Pour faire face à ces conditions, un modèle numérique de propagation des ondes par interface tribologique a été mis au point. Cette méthode a été utilisée pour étudier et mettre en relation des paramètres cruciaux tels que la rigidité, la largeur de contact, le nombre d'aspérités constituant la base d'une interface. La première partie traite de la modélisation par éléments finis et de la formulation mathématique de l’interaction d’une onde à impulsions ultrasonores dans les contacts tribologiques, des contacts mono aux contacts à aspérités multiples. La robustesse du modèle a été initialement étudiée en termes de fréquence, de taille de maille, de propriétés des matériaux, etc. Des simulations ont ensuite été effectuées en utilisant une onde ultrasonore de 10 MHz se propageant le long de deux corps en aluminium en contact. Le coefficient de transmission a été principalement analysé en fonction du nombre et de la forme des aspérités en contact, en concluant par une relation entre celui-ci et la rigidité de l'interface. Dans les dernières parties, sur la base des conclusions tirées de l’analyse de rigidité, une méthode d’imagerie a été utilisée en considérant le potentiel de données extraites d’un réseau à ultrasons au lieu d’un transducteur unique. Les méthodes de capture matricielle complète et de focalisation totale ont été principalement utilisées pour extraire des données afin d’imaginer l’interface et les aspérités individuelles. Des fréquences de 10 MHz à 50 MHz ont été testées dans ce contexte pour améliorer la résolution de l'image.

When two surfaces are brought into contact and slide against each other, junctions are formed at the interface. The dynamics of formation, rupture and evolution of these junctions governs the tribological response of the macro-contact. Getting insight on the real-time behavior of these junctions is a challenging task. Theories state that contacts and asperities are continuously altered in two bodies due to applied pressure and shear, which increases the number of active contacts. To address such conditions, a numerical model of wave propagation through tribological interface was developed. This method was used to study and relate crucial parameters like stiffness, contact width, number of asperities that form a basis for an interface. The first part covers the finite element modeling and mathematical formulation of the interaction of an ultrasonic pulse wave in tribological contacts, from mono to multi-asperities contacts. The robustness of the model was initially investigated in terms of frequency, mesh size, material properties, etc. Then simulations were carried out using 10 MHz ultrasonic pulse wave propagating along two aluminum bodies in contact. Transmission coefficient was primarily analyzed as a function of the number and shape of asperities in contact concluding on relating it with the interface stiffness. In the last parts, based on the conclusions obtained from the stiffness analysis, imaging method was employed considering the potential of data extracted from an ultrasonic array instead of a single transducer. Full matrix capture and total focusing methods were mainly used in extracting data to image the interface and the individual asperities. Frequencies from 10 MHz to 50 MHz were tested in this context to boost the resolution of the image.