Diffusion induite par cisaillement des minéraux routiers dans la bande de roulement du pneu : Une modélisation d'écoulement solide utilisant une approche multicorps souple

Shear-induced diffusion of road minerals within the tire tread : A solid flow modeling using a soft multibody approach

• Auteur / Autrice : Kévin Daigne
• Direction : Nicolas Fillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 24/05/2024
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• 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 [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : TMI - Tribologie et Mécanique des Interfaces
• Jury : Président / Présidente : Emilien Azéma
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Fillot, Emilien Azéma, Julie Diani, Vincent Magnier, Guilhem Mollon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Julie Diani, Vincent Magnier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Tribologie (technologie)

Pneus

Frottement

Mots clés libres

Mécanique

Pneumatique

Frottement sec

Diffusion

Ecoulement solide

Troisième corps

Tribologie

Mechanical

Tire

Dry friction

Diffusion

Solid flow

Third body

Tribology

Résumé

Il peut être observé par des coupes longitudinales d'une bande de roulement que les minéraux de la route pénètrent à l'intérieur du pneumatique. L'objectif de ce travail est, pour une configuration expérimentale de référence, d'étudier expérimentalement et numériquement le processus menant à cette pénétration. Ce travail s'est articulé autour de trois grands axes. Le premier a été de proposer une méthode de caractérisation du matériau composé de caoutchouc, adaptée au modèle numérique utilisé par la suite. Pour ce faire, une analyse inverse d'un essai d'indentation a été réalisée. Le modèle numérique considère le matériau comme étant composé d'une multitude de corps discrets et déformables. Les paramètres à identifier sont la rigidité et la cohésion entre chaque corps discret. L'étude a montré que la cinématique obtenue est proche de ce qui est mesuré expérimentalement. Un critère de convergence pour l'analyse inverse a été défini, qui se base sur la dureté et la profondeur résiduelle mesurée. Il a été montré que pour un ratio de cohésion sur rigidité constant, la rigidité modifie uniquement la dureté. Par conséquent, comme cette cohésion modifie la profondeur résiduelle, la solution obtenue est unique. Un modèle numérique pour étudier la pénétration des minéraux a ensuite été réalisé. Il consiste à cisailler une couche de minéraux déposée sur la surface d'un matériau composé de caoutchouc, modélisé comme un ensemble de corps discrets et déformables. Il a tout d'abord été montré que les phénomènes initiaux de pénétration des minéraux dans la matière, sont différents de ceux observés à plus long terme. Notamment, trois modes de pénétration ont pu être définis, que sont le labourage, l'abrasion et la fracturation. Ces modes modifient la vitesse à laquelle les minéraux pénètrent à l'intérieur du matériau. Lorsque les minéraux sont suffisamment incorporés au matériau, ils forment ce qui sera appelé une couche mixée. Les minéraux migrent de plus en plus profondément, du fait de contacts répétés entre agglomérats de minéraux, causés par leurs vitesses relatives (pilotées par le taux de cisaillement). Il est notamment montré que ces contacts conduisent à une évolution stochastique de la position d'un minéral. Si l'ensemble des minéraux est considéré, le comportement devient déterministe et suit une évolution proche de ce qui est attendu pour un processus diffusif. Ce dernier point permet ainsi d'utiliser les outils de la diffusion, notamment d'évaluer un coefficient de diffusion via la fluctuation de vitesse transverse et sa persistance. Il est ainsi montré que ces deux paramètres dépendent fortement de phénomènes plastiques locaux, qui dans le modèle actuel sont pilotés par la cohésion.

It can be seen from longitudinal sections of a tire tread that road minerals are embedded inside the tire tread. The aim of this work is to study experimentally and numerically the process leading to this migration, for a reference experimental configuration. This work was structured around three main axes. The first was to propose a method for characterizing the rubber-like material, adapted to the numerical model used thereafter. To this end, a reverse analysis of an indentation test was carried out. The numerical model considers the material to be composed of a multitude of discrete and deformable bodies. The parameters to be identified are the stiffness and cohesion between each discrete body. The study showed that the obtained kinematics is close to what is observed experimentally. A convergence criterion for the reverse analysis was defined, based on hardness and residual depth. It was shown that for a constant ratio of cohesion over stiffness, stiffness only modifies hardness. Consequently, as cohesion modifies residual depth, the obtained solution is unique. A numerical model to study mineral migration was then developed. It consists in shearing a layer of minerals on the surface of a material mainly composed of rubber, modeled as a set of discrete and deformable bodies. Firstly, it was shown that the initial phenomena of mineral penetration into the rubber-like material are different from those observed over the longer time scales. In particular, three modes of penetration were defined: plowing, abrasion and fracture. These modes modify the rate at which minerals penetrate the material. When the minerals are sufficiently incorporated into the material, they form what is referred to as a mixed layer. Minerals migrate deeper and deeper, due to repeated contacts between mineral agglomerates, caused by their relative velocities (driven by the shear rate). In particular, it has been shown that these contacts lead to a stochastic evolution of the position of a mineral. If all the minerals are considered, the behavior becomes deterministic and follows an evolution close to what is expected for a diffusive process. This last point allows the use of diffusion tools, in particular the evaluation of a diffusion coefficient through transverse velocity fluctuation and persistence. It is thus shown that these two parameters are highly dependent on local plastic phenomena, which in the current model are driven by cohesion.