Modélisation des surfaces réelles de contact et de leur évolution : intégration dans les simulations de crissement

Modelling real contact surfaces and their evolution : integration into squeal simulations

• Auteur / Autrice : Yassine El Attaoui
• Direction : Thierry Tison, Franck Massa, Cédric Hubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 06/07/2022
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Dufrénoy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Tison, Franck Massa, Cédric Hubert, Philippe Dufrénoy, Francesco Massi, Enora Denimal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Dufrénoy, Francesco Massi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces (technologie) -- Analyse

Usure (mécanique)

Simulation par ordinateur

Automobiles -- Freins

Mots clés libres

Crissement de frein

Analyse de stabilité

Analyse temporelle non-linéaire

Topographies de surfaces,

Méthode des éléments finis

Méthode des éléments discrets

Campagne expérimentale

Champs aléatoires

Brake squeal

Stability analysis

Nonlinear transient analysis

Surface topography

Finite element method

Discrete element method

Experimental campaign

Random fields

Résumé

Le crissement de frein est une nuisance sonore qui affecte le bien-être collectif et rend le système mécanique non conforme aux exigences du client. Sa réduction, voire sa suppression, représente depuis quelques décennies un enjeu majeur pour les industriels du secteur des transports ainsi que la communauté scientifique. Ce phénomène, de nature non déterministe, est difficile à reproduire et trouve son origine à l’interface de contact entre les plaquettes de frein et le disque. Afin de développer des jumeaux numériques plus prédictifs, une voie prometteuse consiste à prendre en compte les surfaces réelles des plaquettes. L’objectif de la thèse est de poursuivre dans cette voie de recherche dans le but d’établir un lien entre les paramètres topographiques et la propension au crissement. Les travaux proposés balayent à la fois un cadre expérimental et numérique. Dans un premier temps, une campagne combinant des essais dynamiques et des analyses topographiques de plaquettes issues de différents fabricants est menée pour identifier les évolutions topographiques en fonction de l’usure des plaquettes. En parallèle, des essais interrompus sont mis en place de manière à disposer des topographies de plaquettes suite à un crissement ou non. Dans un second temps, la variabilité des paramètres de surfaces issus d’une décomposition multi-échelles des topographies est quantifiée et exploitée afin de reproduire numériquement des familles de surfaces représentatives des essais. Ces dernières sont ensuite implémentées au sein d’un modèle élément fini pour quantifier leur impact sur les instabilités issues d’analyses de stabilité et de simulations transitoires non-linéaires. Dans un dernier temps, une modélisation mixte éléments finis/éléments discrets est mise en place puis calibrée pour investiguer l’évolution du spectre fréquentiel associé à l’évolution des surfaces au cours de la simulation temporelle.

Brake squeal is a noise nuisance that affects collective welfare and makes the mechanical system fail to meet customer requirements. Its reduction, or even its elimination, has been a major issue for the transport industry and the scientific community for several decades. This phenomenon, which is non-deterministic in nature, is difficult to reproduce and has its origin at the contact interface between the brake pads and the disc. In order to develop more predictive digital twins, a promising approach is to take into account the real surfaces of the pads. The objective of this thesis is to pursue this line of research with the aim of establishing a link between topographic parameters and the squeal propensity. The proposed work covers both an experimental and a numerical framework. First, a campaign combining dynamic tests and topographic analysis of pads from different manufacturers is carried out to identify topographic changes as a function of pad wear. In parallel, interrupted tests are set up in order to get the topography of the pads following a squeal or not. Then, the variability of the surface parameters resulting from a multi-scale decomposition of the topographies is quantified and exploited in order to numerically reproduce families of surfaces representative of the tests. The latter are then implemented within a finite element model to quantify their impact on instabilities resulting from stability analyses and non-linear transient simulations. Finally, a mixed finite element/discrete element model is set up and calibrated to investigate the evolution of the frequency spectrum associated with the evolution of the surfaces during the time simulation.