Contribution à la modélisation et à la simulation numérique de l'usure

Contribution to wear modelling and numerical simulation

• Auteur / Autrice : Bénédicte Sainsily
• Direction : Habibou Maitournam, Matthieu Breuze
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2018
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA/SEMT - Service des études de mécanique et thermique
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne ; 1970-....)

Mots clés

Mots clés libres

Usure

Modélisation

Simulation

Numérique

Fretting

Wear

Modelling

Simulation

Numerical

Fretting

Résumé

De nombreux composants d’un réacteur à eau pressurisée (REP) sont soumis au phénomène d’usure, notamment les tubes de générateur de vapeur et les guides de grappe qui nous intéressent plus particulièrement pour l'application envisagée ici. Plusieurs types d’usure mécanique existent [Ko 1997]. On peut par exemple distinguer, l’usure par fretting [Marc 2016], dans laquelle deux pièces en contact sont soumises à une sollicitation cyclique en déplacement tangentiel de faible amplitude, et l’usure par impact [Souilliart 2017], qui correspond à une répétition de contacts entre deux solides. Ce frottement continu ou répété des pièces provoque un enlèvement de matière, ce qui altère les pièces et de fait diminue leur durée de fonctionnement. Ce phénomène complexe, de par son caractère multidisciplinaire, dépend fortement du milieu environnant et des matériaux en contact. Pour le comprendre, les méthodes expérimentales sont amplement utilisées. Elles permettent d’identifier, dans un environnement donné, de nouveaux modèles d’usure [Meng 1995] spécifiques à chaque composant. L’une des difficultés est la transférabilité de ces modèles à d’autres environnements. La démarche expérimentale s’avère donc longue et coûteuse et, bien que les machines expérimentales soient robustes, la reproductibilité des essais reste un problème. Néanmoins, elle reste la pratique la plus répandue puisque peu d’outils numériques permettent de modéliser l’usure. Ce sujet de thèse s’articule autour de deux axes complémentaires. Le premier axe repose sur l’expérimentation d’essais d’usure maîtrisés et le second sur leur simulation numérique. Il s’agira d’usure par fretting ou par petit glissement alternatif pour laquelle des configurations élémentaires, représentatives de situations rencontrées dans les REP, seront définies au préalable de façon à ce que essais et calculs s'enrichissent mutuellement. La partie numérique s’appuiera sur le logiciel éléments finis Cast3M. Tout d’abord, des calculs de pré-dimensionnement des essais pour chaque configuration élémentaire seront réalisés. Puis, à partir des résultats d’essais obtenus, on s’assurera de la représentativité des calculs [Fouvry 2007]. Plusieurs difficultés seront rencontrées, notamment la présence de non-linéarités (comportement, géométrie, couplage multi physique) et le fait que les simulations se fassent sur des temps très longs. Cela nécessitera la mise en œuvre de techniques numériques spécifiques et parmi les méthodes envisagées, on peut citer les méthodes cycliques [Maitournam 2002], ou encore les méthodes à grand incrément de temps [Ladeveze 1989]. L’objectif sera donc de chercher et développer des techniques numériques efficaces permettant de modéliser et de simuler le phénomène d’usure de manière prédictive. Une fois implémentées, ces méthodes seront testées sur une nouvelle configuration et il s’agira cette fois d’un calcul prédictif ; on vérifiera, a posteriori, la cohérence calcul-essai. La partie expérimentale utilisera la machine d’usure MUSE (Moyen d’essais d’Usure en Environnement REP), le nouveau moyen d’essais du CEA. Cette machine permettra de réaliser des essais d’usure maîtrisés en air ou en eau à l'ambiante, et ultérieurement en environnement REP. Seuls des essais en air, sur les différentes configurations élémentaires identifiées, seront réalisés. Le but étant de mettre en œuvre une méthodologie d’essais interrompus afin d’observer l’apparition et l’évolution de l’usure au cours du temps. Il faudra être capable, pour chaque configuration testée, de comprendre le mécanisme d’usure et d’identifier les forces motrices du phénomène. Pour la préparation et l’exploitation des essais, il est prévu d’utiliser un MEB (Microscopie Electronique à Balayage) et un FIB (Focused Ion Beam). Ce travail mêle l’expérience et le numérique, tous deux complémentaires, afin de contribuer à la recherche et au développement de la modélisation et de la simulation prédictive du phénomène d’usure. Bibliographie : Fouvry S, Liskiewicz T, Paulin C (2007), A global-local wear approach to quantify the contact endurance under reciprocating-fretting sliding conditions, Wear 263, pp. 518-531. Ko PL (1997), Wear of power plant components due to impact and sliding, Applied Mechanics Reviews, Vol. 50, no 7, pp. 387-411. Ladevèze P (1989). The large time increment method for the analysis of structures with non-linear behavior described by internal variables. Comptes Rendus De L’Academie Des Sciences Serie Ii, 309(11) :1095–1099, 1989. Maitournam, M. H., Pommier, B., & Thomas, J. J. (2002). Détermination de la réponse asymptotique d'une structure anélastique sous chargement thermomécanique cyclique. Comptes Rendus Mécanique, 330(10), 703-708. Marc E, Fouvry S, Phalippou C and Maitournam H (2016), "Fretting wear response of a nitrided 316L SS/304L SS interface: Effect of lithium/bore liquid environment", Surface and Coatings Technology 308 pp. 226-235. Meng HC and Ludema KC (1995), Wear models and predictive equations: their form and content, Wear 181-183, pp. 443-457. Souilliart T, Rigaud E, Le Bot A et Phalippou C (2017), "Energy-based wear law for oblique impacts in dry environment", Tribology International 105 (2017) 241-249.

In a pressurised water reactor (PWR), several components are subject to wear, namely tubes in the steam generator and guides for control rods on which we will focus here for the intended application. There are different types of mechanical wear [Ko 1997]. For example, we can differentiate fretting [Marc 2016], occurring when two parts in contact undergo a cyclic load with minute relative surface motion, and impact wear [Souilliart 2017], wich is a repetitive contact between two bodies. In both cases, the continuous or repetitive friction triggers a detachment of particles, altering the components and lowering their operating time. This phenomenon, complex by its multidisciplinary nature, is highly linked with the external conditions and the materials which are in contact. To understand it, experimental methods are widely used. They enable to identify, in a given environment, new wear models [Meng 1995] specific to the tested components. The main difficulty is to apply one established model in a different environment. Therefore, experimenting is a long and expensive method, the reproducibility of wear tests remaining an issue despite experimental equipments’ robustness. It is yet the most common approach to study wear, as few numerical tools allow the modelling of this phenomenon. This PhD topic is built around two complementary areas. The first one focuses on controlled wear tests, and the second one on their numerical simulation. We will study specifically fretting or minute alternative sliding. For the experiment, elementary configurations, representative of the environment encounter in a PWR, will be first defined for computation and tests to be mutually beneficial. The numerical part is going to rely on Cast3M, a finite element software. First of all, we will conduct pre-design computation for the tests, in each elementary configuration. Then, building on the results obtained, we will ensure the representativeness of computation [Fouvry 2007]. Several difficulties should emerge, namely non-linear effects (due to material behaviour, geometry, multiphysic aspects), as well as computation time. This will require setting up specific numerical techniques as, for instance, cyclical methods [Maitournam 20002] or large time increment method [Ladeveze 1989]. Finding and developing numerical techniques to efficiently model and simulate wear in a predictive manner is therefore going to be the main goal. When implemented, these methods will then be put to the test in a new configuration for predictive computation. We will ensure, a posteriori, the consistency between simulation and experiments. The experimental part is going to be using MUSE, CEA’s new wear testing equipment. This machine will enable to perform controlled wear test in ambient air or water, and later in PWR environment. Here, only tests in air, on identified elementary configurations, will be performed. The objective is to implement methodological interrupted tests in order to observe the apparition and evolution of wear over time. It implies to fully understand wear mechanisms and the driving forces of the phenomenon for each configuration. To prepare and exploit tests’ results, the use of SEM (Scanning Electron Microscopy) and FIB (Focused Ion Beam) are planned. This work mixes experimental and numerical approaches, which are complementary, in order to contribute to wear modelling and simulation research and development. Bibliography: Fouvry S, Liskiewicz T, Paulin C (2007), A global-local wear approach to quantify the contact endurance under reciprocating-fretting sliding conditions, Wear 263, pp. 518-531. Ko PL (1997), Wear of power plant components due to impact and sliding, Applied Mechanics Reviews, Vol. 50, no 7, pp. 387-411. Ladevèze P (1989). The large time increment method for the analysis of structures with non-linear behavior described by internal variables. Comptes Rendus De L’Academie Des Sciences Serie Ii, 309(11) :1095–1099, 1989. Maitournam, M. H., Pommier, B., & Thomas, J. J. (2002). Détermination de la réponse asymptotique d'une structure anélastique sous chargement thermomécanique cyclique. Comptes Rendus Mécanique, 330(10), 703-708. Marc E, Fouvry S, Phalippou C and Maitournam H (2016), "Fretting wear response of a nitrided 316L SS/304L SS interface: Effect of lithium/bore liquid environment", Surface and Coatings Technology 308 pp. 226-235. Meng HC and Ludema KC (1995), Wear models and predictive equations: their form and content, Wear 181-183, pp. 443-457. Souilliart T, Rigaud E, Le Bot A et Phalippou C (2017), "Energy-based wear law for oblique impacts in dry environment", Tribology International 105 (2017) 241-249.