Mechanical contact for layered anisotropic materials using a semi-analytical method

par Caroline Bagault

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Marie-Christine Baietto et de Daniel Nélias.

Le président du jury était Timothy Ovaert.

Le jury était composé de Marie-Christine Baietto, Daniel Nélias, Timothy Ovaert, Géry De Saxce, Kenneth Holmberg, Juan Antonio Ruiz Sabariego.

Les rapporteurs étaient Géry De Saxce, Kenneth Holmberg.

  • Titre traduit

    Contact mécanique pour matériaux revêtus anisotropes par la méthode semi-analytique


  • Résumé

    Le fretting et l'usure sont des problèmes récurrents dans le domaine de l'aéronautique. Les contacts aube/disque au niveau du compresseur ou de la turbine haute pression des moteurs d'avion, par exemple, sont soumis à d'importantes sollicitations de fretting à de fortes températures. L'enjeu des industriels est d'optimiser la durée de vie de ces composants et d'être capable de prévoir l'amorçage de fissures. Afin d'améliorer la tenue des pièces, des revêtements sont utilisés pour les protéger. Leurs propriétés mécaniques et matériaux ont un impact direct sur le contact et la durée de vie. Les choix de matériaux, du nombre de couches, de l'épaisseur, de l'ordre sont donc primordiaux. De par leur composition (fibres, mono-cristaux), leur élaboration (extrusion) ou leur mode de déposition, l'hypothèse de considérer des matériaux homogènes isotropes s'avère trop réductrice. L'anisotropie est un paramètre important à prendre en compte au niveau du dimensionnement. Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l'aé-ronautique. Dans cette optique, cette thèse a pour objectif l'étude du comportement des matériaux homogènes anisotropes, en s'intéressant à l'influence des principaux paramètres mécaniques caractéristiques d'un matériau afin de mieux appréhender leurs effets. On s'attardera sur le module de Young (ou module d'élasticité), le module de Coulomb (ou module de cisaillement) et le coefficient de Poisson, et leurs valeurs selon les différentes directions. Comme attendu, le module de Young dans la direction normale au contact joue un rôle prépondérant dans la détermination du profil de pression. Néanmoins, l'influence du module de Young dans le plan tangent au contact n'est pas à négliger, il modifie aussi la forme de l'aire de contact. L'orientation du matériau par rapport au contact est par conséquent un paramètre à prendre en considération, il peut directement atténuer ou accentuer l'effet du module de Young dans une direction priviligiée. Les module de Coulomb et coefficient de Poisson ont aussi été analysés. Il en résulte qu'ils influent significativement sur le contact. Ces résultats se confirment dans le cas d'un massif revêtu, à la différence que les effets du revêtement et du substrat peuvent se compenser. L'impact des propriétés du revêtement sera d'autant plus important que celui-ci sera épais. L'échelle du contact par rapport aux matériaux utilisés importe aussi sur les profils de pression. Une comparaison entre le modèle anisotrope homogène et un modèle isotrope hétérogène a été réalisée. A l'échelle mesoscopique, le composite est composé d'une matrice avec des fibres qui induisent des pics de pression alors qu'à l'échelle macroscopique, le matériau composite est perçu comme un matériau homogène, les profils de pression sont lissés.


  • Résumé

    Fretting and wear are recurrent problems in the field of aeronautics. Contacts the blade / disk at the compressor or high-pressure turbine aircraft engines, for example, are subjected to high stresses at high temperatures. The challenge for manufacturers is to maximize the lifetime of these components and be able to predict crack initiation. To improve handling parts, coatings are used to protect them. Materials and their mechanical properties have a direct impact on the contact and the lifetime. The choice of materials, number of layers, the thickness of the order are therefore essential. By their composition (fibers, single crystals), elaboration (extrusion) or their mode of deposition, the hypothesis to consider homogeneous isotropic materials is too simplistic. Anisotropy is an important parameter to take into account in the design. Composite materials are increasingly used in the aeronautic. In this context, this thesis aims to study the behavior of anisotropic homogeneous materials, focusing on the influence of the main parameters mechanical characteristics of a material to better understand their effects. We focus on the Young's modulus (or modulus of elasticity), the module Coulomb (or shear modulus) and the Poisson's ratio, and values ​​in different directions. As expected, the Young's modulus in the direction normal to the contact plays an important role in determining the pressure profile. However, the influence of Young modulus in the plane tangent to the contact is not to neglect it also alters the shape of the contact area. The orientation of the material with respect to the contact is therefore a parameter to take into consideration, it can directly reduce or enhance the effect of Young's modulus in a direction privileged. The module Coulomb and Poisson's ratio were also analyzed. As a result they significantly affect the contact. These results are confirmed in the case of a coated solid, unlike the effects of coating and substrate can compensate. The impact properties of the coating will be even more important than it is thick. The scale of the contact relative to the materials used is also important on the pressure profiles. A comparison between the model anisotropic homogeneous and isotropic heterogeneous model have been performed. At mesoscopic scale, the composite is composed of a matrix with fibers that induce pressure peaks while at the macroscopic level, the composite material is seen as a homogeneous material, the pressure profiles are smoothed.


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