Contribution à la modélisation et à la simulation numérique de l’usure par fretting

On the modeling and numerical simulation of fretting wear

• Auteur / Autrice : Quentin Caradec
• Direction : Habibou Maitournam
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 06/11/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la mécanique et applications industrielles (Palaiseau, Essonne ; 2015-....) - Institut des sciences de la mécanique et applications industrielles (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne ; 1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Dufrénoy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Habibou Maitournam, Siegfried Fouvry, Vladislav Yastrebov, Daniel Nélias, Matthieu BREUZÉ, Thomas Pasutto
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Siegfried Fouvry, Vladislav Yastrebov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usure (mécanique)

Mots clés libres

Usure

Fretting

Modélisation

Simulation numérique

Méthode des éléments finis

Wear

Fretting

Modeling

Numerical simulation

Finite element method

Résumé

Lorsque deux corps en contact sont soumis à une sollicitation de fretting, c'est à dire un mouvement cyclique de déplacement relatif de faible amplitude, de l'usure peut se produire. Il s'agit d'un phénomène complexe qui trouve son origine à l'échelle microscopique dans les interactions entre aspérités de surface et se traduit sur le long terme, à l'échelle macroscopique, par une perte progressive de matière en surface. La diversité des mécanismes microscopiques qui sous-tendent l'usure, en plus de sa nature multi-physique et multi-échelles, en temps et en espace, rend le phénomène très complexe à modéliser. Les modèles les plus répandus sont empiriques et, s'ils parviennent dans un certain nombre de cas à corréler les résultats expérimentaux, ils ne permettent pas de prédire efficacement l'évolution de l'usure de façon générale. Pour ces raisons, l'étude des phénomènes d'usure se fait généralement par des approches expérimentales.Le travail présenté s'attache à traiter le problème de la modélisation et de la simulation numérique de l'usure sous sollicitations de fretting. Le premier volet de ce travail consiste en une approche de modélisation originale, dans le cadre de la thermodynamique. L'accumulation progressive de dégradations conduisant à l'usure y est quantifiée au moyen d'une variable d'endommagement, et le modèle repose sur l'utilisation de l'approche thick level set. Une procédure de calcul utilisant la méthode des éléments finis est définie pour simuler l'usure en utilisant ce modèle.Dans une seconde partie, l'accent est mis sur la simulation numérique. La simulation de l'usure présente un certain nombre de difficultés, d'une part du fait des non-linéarités inhérentes au problème (contact, frottement, évolution de la géométrie des surfaces, non-linéarité du comportement des matériaux), et d'autre part en raison de la nécessité de simuler de très grands nombres de pas de temps. Afin de conserver un temps de calcul raisonnable, une méthode de saut de cycle implicite est proposée. À l'inverse de la méthode explicite classiquement employée, elle permet d'éliminer les instabilités qui peuvent apparaître lorsque le saut de cycle est trop grand. Par ailleurs, une procédure de simulation permettant d'intégrer des lois de comportement élastoplastique dans les calculs d'usure est définie.

When two contacting bodies are subjected to fretting motion, namely a cyclic tangential displacement with a very small displacement amplitude, they may experience different forms of degradation. Wear, which is defined as a progressive surface material removal, generally prevails under gross slip conditions. Wear of materials is a very complex phenomenon: it is the long-term, macroscopic result of various microscopic physical and chemical processes. This multi-physical and multi-scale nature makes its modeling difficult, such that there exists no widely adopted unified wear model. The most widespread wear models are empirical, and they sometimes fail to accurately predict wear evolution. As a result, studies on the subject are generally conducted through experimental approaches.The work presented here proposes to tackle the problem through the angle of modeling and numerical simulation. In a first part, an original modeling approach is proposed based on a thermodynamic framework. In this model, wear is accounted for by means of a damage-like variable whose role is to quantify the progressive accumulation of degradation ultimately leading to material detachment. This model uses the thick level set approach to govern the evolution of the surface geometry following wear. A numerical simulation strategy using the finite element method is defined to compute wear evolution using this model.In a second part, focus is on numerical aspects. The numerical simulation of wear problems is especially challenging, on the one hand because it involves several non-linearities (frictional contact, surface geometry evolution, material behavior), and on the other hand because it requires to simulate high amounts of time steps. In order to keep reasonable computational costs, an implicit cycle jump method is implemented. It proves to be more stable and efficient than the usually used explicit method. In addition, a simulation strategy is proposed to integrate the use of elastoplastic material behavior models within the wear simulation frameworks defined.