Experiments and thermomechanical modelling of braking application & friction material characterization with loading history effect

par Ruddy Mann

Thèse de doctorat en Mécanique, Énergétique et Sciences des matériaux

Soutenue le 02-02-2017

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire de mécanique de Lille (LML) (laboratoire) .

  • Titre traduit

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


  • 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.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. 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. La caractérisation fut réalisée pour différents historiques de freinage. Des modèles de comportement thermo-élasto-plastique ont été ainsi établis. 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. Les résultats illustrent l’impact de l’évolution du matériau de friction sur les performances de freinage.


  • Résumé

    The railway high speed sector is currently expanding with an increase of the maximum operating speed and load leading to the necessity of improving the capacity of the disc braking to ensure performances despite the additional energy to dissipate. The current methodology used for the development of these material is based on trial-error experimental feedback. The goal is to develop alternative methodologies, with theoretical and numerical models for designing these components. Difficulties are the complex interactions between tribological, thermal, mechanical, chemical effects and interactions between scales from the surface to the system. This work is focused on the thermomechanical aspects with the challenge of developing a realistic numerical model and considering the material evolution assuming that this evolution affects the braking performances. In the first step, an original methodology has been developed to characterize the friction material submitted to realistic solicitations and allowing identifying bulk material behavior. Characterization has been done for different braking loading histories. Corresponding thermo-elastic-plastic behavior models have been proposed. The second step of this work is the development of a finite element model of the brake system, including the sintered material models previously identified and the evolution with loading history. The numerical results illustrate the impact of the friction material evolution regarding the braking performances. They are also compared to experimental tests carried out on a real scale braking bench.

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