Modélisation tribologique et thermomécanique des composites Carbone/Carbone pour les performances de freinage

Tribological and thermomechanical modeling of carbon / carbon composites for braking performance

• Auteur / Autrice : Thierry Ndzana satoh
• Direction : Mathieu Renouf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Dufrénoy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Renouf, Philippe Dufrénoy, Aurélien Saulot, Francesco Massi, André Chrysochoos, Maria Daniela Villavicencio Rojas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aurélien Saulot, Francesco Massi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéronautique

Freins

Mécanique du contact

Tribologie (technologie)

Mots clés libres

Freinage aéronautique

Freinage aéronautique

Couplage DEM-FEM

Mécaniques des contacts

Optimisation

Usure

Numerical Tribology

Braking permance

Local-Global dialogue

Contact mechanics

Wear

Optimization

Résumé

La connaissance des performances de freinage et des phénomènes d'usure des disques de freins est une composante essentielle du business de SAFRAN Landing Systems (SLS). En effet, ces phénomènes interviennent au premier plan dans l’équilibre financier des programmes en développement et dans les choix stratégiques d’élaboration de nouveaux matériaux de friction pour freins aéronautiques.Outre la mise en œuvre d’essais expérimentaux, le développement de cette connaissance passe également par le développement et l'utilisation de modèles numériques, moins coûteux. Dans cette optique que, SLS développe depuis quelques années un outil de simulation par éléments finis en prenant en compte certains des phénomènes thermomécaniques ayant lieu au cours du freinage, en lien avec les propriétés du matériau de friction. Si cet outil permet d'obtenir des corrélations tout à fait satisfaisantes avec la plupart des essais de freinage menés par SLS (atterrissage, freinage d’urgence …), ses hypothèses de modélisation ne lui permettent pas de couvrir certains phénomènes « limites », notamment ceux ayant lieu à basse vitesse : comportement dynamique du frein lors des freinages de type taxiage, comportement en couple statique, ou encore influence de la physico-chimie sur l’usure du matériau de friction.Ce besoin de connaissance n'est pas simplement un challenge industriel, mais représente bel et bien un challenge scientifique de premier plan. En effet, aujourd'hui il est établi que l'application de critère d'usure tel que la loi d'Archard, n'apparaît pas comme une solution envisageable pour représenter les contacts fermés dans lesquels les particules d'usures restent piégées. En effet, ladite loi ou ses dérivées ne prennent pas en compte la complexité de l'interface en particulier l'ensemble des débris formant un « troisième corps» séparant les deux corps en contact, son évolution dynamique et physico-chimique. Pour prendre en compte cette réalité fort complexe, il faut alors placer les travaux dans le cadre du concept du triplet tribologique, seul à même d'appréhender la réalité d'un contact.C'est dans cette optique que de nombreux travaux ont été menés en partenariat avec le Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (LaMCoS) et le Laboratoire de Mécanique et de Génie Civil (LMGC). En se plaçant à différentes échelles de la modélisation, ils ont individuellement permis de premières avancées sur ces sujets à travers le développement de modèles tribologiques locaux fonctionnant sous la plateforme logicielle LMGC90. Grâce à des modèles par éléments finis (FEM) se plaçant à une échelle mésoscopique du matériau, une analyse prenant en compte les aspects dynamiques ainsi que l'influence des éléments de microstructure du composite a pu être réalisée. Ensuite, en se plaçant à une échelle microscopique et en utilisant des modèles par éléments discrets (DEM) des études qualitatives sur les échauffements et dégradation du matériau au contact ainsi que sur les aspects physico-chimiques dans le troisième corps ont pu être réalisés. Aujourd'hui, l'apport potentiel de ces modèles vis-à-vis des limites identifiées dans l'outil de calcul industriel apparaît naturellement. L'objectif de cette étude est d'élaborer une méthodologie d'utilisation conjointe des modèles locaux afin de concrétiser cet apport. De ce fait, des études paramétriques dans les conditions de freinage basses énergie sont réalisées dans les deux échelles macro avec l'outil de calcul industriel et micro à l'aide des modèles locaux. Le but de ses études est d'identifier les paramètres susceptibles d'être utilisés comme éléments de dialogue des deux approches. Enfin une nouvelle approche théorique de la modélisation de l'usure des freins est proposée à l'échelle continue (FEM). Celle-ci est écrite dans le cadre des matériaux standards généralisés.

Knowledge of braking performance and brake disc wear phenomena is an essential component of the business of SAFRAN Landing Systems (SLS). Indeed, these phenomena occur at the forefront of the financial balance of developing programs and strategic choices for developing new friction materials for aircraft brakes.In addition to the implementation of experimental tests, the development of this knowledge also involves the development and use of numerical models, less expensive. With this in mind, SLS has been developing a finite element simulation tool for several years to simulate some thermomechanical phenomena occurring during braking, in connection with the properties of the friction material. If this tool provides correlations quite satisfactory with most braking tests conducted by SLS (landing, emergency braking ...), its modeling assumptions do not allow it to cover certain phenomena "limits", including those occurring at low speed: dynamic behavior of the brake during taxiing type braking, static behavior couple, or influence of the physical chemistry of the wear of the friction material.This need for knowledge is not simply an industrial challenge, but does indeed represent a major scientific challenge. Indeed, today it is established that the application of wear criterion such as Archard's law does not appear as a possible solution to represent the closed contacts in which the wear particles remain trapped. Clearly, the law called, or its derivatives do not take into account the complexity of the interface in particular all the debris forming a "third body" between the two bodies in contact, dynamic evolution and physicochemical. To account for this strong complex reality must then place the work within the concept of the tribological triplet, only able to grasp the reality of a contact.It's in this light that many works was conducted in partnership with the Laboratory of Mechanics of contacts and Structures (LaMCoS) and the Laboratory of Mechanics and Civil Engineering (LMGC). By placing themselves at different scales of modeling, they individually enabled first advances on these subjects through the development of local tribological models operating under the LMGC90 software platform. Thanks to finite element models (FEM) placed on a mesoscopic scale of the material, an analysis taking into account the dynamic aspects as well as the influence of the microstructure elements of the composite was able to be carried out. Then, using a microscopic scale and using discrete element models (DEM), qualitative studies on heating and degradation of the material on contact as well as on the physicochemical aspects in the third body could be carried out. Today, the potential contribution of these models against the identified limitations in the tool of industrial computing appears naturally. The objective of this study is to develop a methodology for joint use of local models to materialize this contribution. Therefore, parametric studies under low energy braking conditions are carried out in both macro scales with the industrial and micro calculation tool using local models. The purpose of his studies is to identify the parameters that can be used as two approaches of dialog elements. Finally, a new theoretical approach to modeling of brake wear is proposed to the continuous scale (FEF). It's written in the context of generalized standard materials.