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Expérimentations et modélisations thermomécaniques de freinage & caractérisation du matériau de friction avec effet d'histoire

type de publication      thèse de doctorat
date de publication 02-02-2017
auteur(s) Mann Ruddy
jury P. Dufrenoy, M. Philippon, M. Stainier, D. Kondo, Mme Henrion, M. Panier, J.F. Brunel, V. Magnier
école Université Lille 1
  
résumé L’expansion actuelle du secteur de la haute vitesse ferroviaire vers des vitesses d’exploitation et chargements plus importants conduit à la nécessité d’améliorer les systèmes de freinage garantissant leurs performances malgré l’énergie supplémentaire à dissiper. Les garnitures de frein sont constituées de matériaux complexes à matrice métallique obtenus par procédé de frittage.
La méthodologie actuelle de développement de ces matériaux étant principalement basée sur un retour d’expérience essai/erreur, l’objectif vise donc à développer une méthodologie alternative incorporant des modèles théoriques et numériques pour la conception de matériaux de friction. Cependant, les difficultés s’avèrent multiples avec des interactions complexes entre les aspects tribologiques, thermiques, mécaniques, et physico-chimiques, mais également entre les différentes échelles allant de la surface au système. Le problème engendré est ainsi en constante évolution avec des sollicitations extrêmes amenant à des transformations des matériaux et des surfaces. Ce travail se concentre donc sur les aspects thermomécaniques dans le but de développer un modèle numérique prédictif intégrant une évolution du matériau pouvant affecter les performances de freinage.
Dans un premier temps, une méthodologie originale est développée pour caractériser le matériau de friction soumis à des sollicitations réalistes et permettant d’identifier le comportement du matériau. Grâce à la technique de corrélation d’images, des premiers liens entre les mécanismes de déformation et la microstructure ont été mis en évidence expliquant le comportement du matériau. La caractérisation fut réalisée pour différents historiques de freinage. Les échantillons ont été directement extraits des plots de friction pour lesquels l’acquisition des sollicitations thermiques subies lors de freinages a été effectuée. Des modèles de comportement thermo-élasto-plastique ont été ainsi établis. D’importantes différences ont été observées en comparant les états avant et après freinage pour un même matériau.
La deuxième étape de ce travail porte sur le développement d’un modèle d’éléments finis de freinage intégrant les comportements matériaux précédemment identifiés ainsi que leur évolution avec l’historique de chargement. En raison des nombreux composants du système et de l’analyse nécessairement transitoire compte tenu des non-linéarités de contact, une stratégie de réduction des temps de calcul du modèle numérique fut proposée. Les résultats sont validés par comparaison avec un modèle complet. Les résultats numériques illustrent l’impact de l’évolution du matériau de friction sur les performances de freinage. Ils sont également comparés à des essais expérimentaux effectués sur un banc de freinage à échelle réelle.
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