Approche quantitative de la prédiction de la friction EHD basée sur la rhéométrie et les simulations de dynamique moléculaire

A Quantitative approach to EHD friction prediction based on rheometry and molecular dynamics simulations

• Auteur / Autrice : Ruibin Xu
• Direction : Nicolas Fillot, Laëtitia Martinie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 10/11/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures / LaMCoS
• Jury : Président / Présidente : Ashlie Martini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Fillot, Laëtitia Martinie, Ashlie Martini, Gerhard Poll, Norbert Bader, Noël Brunetière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ashlie Martini, Gerhard Poll

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lubrifiants

Lubrification élastohydrodynamique

Mécanique des fluides

Mécanique du contact

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Rhéologie

Frottement EHD

Simulation dynamique moléculaire

Dynamique des fluides

Lubrification

Modèle Eyring

Modèle de contact

Elastohydrodynamique - EHD

Fluid mechanics

Rheology

Friction

Molecular dynamics

Fluid dynamics

Lubricant

Eyring model

Contact model

EHD - Elastohydrodynamic

Résumé

Cette thèse présente une approche quantitative de la prédiction du frottement élastohydrodynamique (EHD), basée sur une combinaison de données expérimentales de rhéométrie et de simulations de dynamique moléculaire (MD). L'approche est appliquée à deux fluides de natures différentes : un lubrifiant, le squalane (SQ), et un fluide de type traction, le benzoate de benzyle (BB). La viscosité newtonienne des fluides est déterminée en utilisant des mesures de viscosimètres à haute pression (HPV) tirées de la littérature, ainsi qu'un nouveau modèle de viscosité newtonienne proposé dans ce travail, basé sur un modèle de mise à l'échelle thermique existant dans la littérature. Par la suite, une loi de contrainte d'Eyring complète, couvrant une large gamme de conditions de température et de pression, est construite à partir de simulations de dynamique moléculaire hors équilibre (NEMD). La viscosité newtonienne obtenue et la contrainte d'Eyring sont utilisées pour construire des modèles de viscosité généralisée de type Eyring pour les deux fluides. Celles-ci sont implémentées dans un modèle à éléments finis (FE) d'un contact lubrifié dans le régime élastohydrodynamique, en prenant en compte les effets non-Newtoniens et thermiques (TEHLnN) pour la prédiction du frottement. Les résultats sont comparés avec des mesures de frottement effectuées dans un tribomètre sous les mêmes conditions de contact et montrent une bonne concordance. Notamment, le plateau de frottement et le régime d'amincissement thermique observés expérimentalement sont reproduits avec précision par le modèle TEHLnN. Des recherches supplémentaires ont été menées pour étudier l'origine des plateaux de frottement. Les résultats suggèrent que les plateaux de frottement résultent d'une combinaison d'effets non-Newtoniens et thermiques. Les travaux révèlent également que l'effet thermique se produit presque simultanément avec l'effet non newtonien. Ce travail représente une étape cruciale vers une prédiction quantitative du frottement, en rassemblant la rhéométrie expérimentale, les simulations de dynamique moléculaire et la modélisation du contact.

This thesis presents a quantitative approach to elastohydrodynamic (EHD) friction prediction, based on a combination of experimental rheometry data and molecular dynamics (MD) simulations. The approach is applied to two fluids of different natures: a lubricant squalane (SQ) and a traction-like fluid benzyl benzoate (BB). The Newtonian viscosity of the fluids is determined using measurements from high-pressure viscometers (HPV) taken from the literature, and a novel Newtonian viscosity model is proposed in this work, which is based on an existing thermal scaling model in the literature. Subsequently, a comprehensive Eyring stress law, covering a wide range of temperature and pressure conditions, is constructed from non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations. The obtained Newtonian viscosity and Eyring stress are used to build Eyring-type generalised viscosity models for both fluids. These are implemented into a finite element (FE) model of a lubricated contact in the elastohydrodynamic regime, taking into account non-Newtonian and thermal effects (TEHLnN) for friction prediction. The results are compared with friction measurements performed in a tribometer under the same contact conditions and show good agreement. Notably, the friction plateau and the thermal thinning regime observed experimentally are accurately reproduced by the TEHLnN model. Further research was carried out to investigate the origin of friction plateaus. The results suggest that friction plateaus result from a combination of non-Newtonian effects and thermal effects. The work also reveals that the thermal effect arises almost simultaneously with the non-Newtonian effect. This work presents a crucial step towards ``true" friction prediction and quantitative EHL, bringing together experimental rheometry, molecular dynamics simulations, and contact modelling.