Vibrations et contact

Cet axe de recherche entre dans le cadre du projet TriboSurf du CPER ELSAT2020. Il propose de s’attaquer à la définition des conditions précises d’occurrences d’instabilités ou d’excitations vibratoires au sein d’un contact. L’identification des mécanismes initiateurs des vibrations à l’interface est donc un enjeu majeur en vue de la réduction des nuisances sonores. L’activité de recherche implique le LaMcube, l'équipe AIMAN-FILM de l'IEMN et le LISPEN. Trois directions de travail sont privilégiées :

 

1 — Caractérisation dynamique du comportement des matériaux de friction

La première est la conception et la conduite d'essais de caractérisation dynamique des matériaux, pour la détermination des propriétés dynamiques des matériaux en contact. Les matériaux de friction utilisés dans les applications de freinage, par exemple, sont généralement des matériaux à formulation complexe compte-tenu des performances souhaitées (tenue en température, usure, performance en frottement, …). Ces matériaux montrent de plus des comportements évolutifs en fonction de l’historique de sollicitation thermomécanique, mais aussi pour certains une dépendance à la fréquence. La détermination des propriétés dynamiques de ces matériaux est donc essentielle pour l’étude des conditions d’occurrence du crissement, qui se caractérise par une vibration auto-entretenue du système à des fréquences supérieures à 1000 Hz. Les méthodologies de caractérisation actuelles (type DMA) permettent une caractérisation à basse fréquence (<200Hz). Il convient d’étendre ou de développer des méthodes de caractérisations pour la caractérisation de ces matériaux de friction à haute fréquence. L’analyse des essais dynamiques, imaginés à différents états de transformation du matériau et couplés à des mesures de champs doit permettre une meilleure compréhension du comportement de ces matériaux et à la définition de modèle de comportement alimentant les modélisations numériques sur la problématique du crissement.

Un chercheur post-doctorant (12 mois) étudie la caractérisation dynamique des matériaux au LISPEN (2019-2020 - financement CPER ELSAT 2020).

2— Code de calcul non linéaire

La seconde direction de travail est le développement de techniques de calcul adaptées à la dynamique non linéaire : méthodes d'équilibrage harmonique numérique, réductions de modèle, calcul de stabilité de solutions périodiques et modes non linéaires. Ces outils sont très performants pour comprendre et prédire les mécanismes vibratoires non linéaires (notamment les instabilités). Dans ce cadre, le LISPEN travaille depuis une dizaine d'années avec le laboratoire LMA (Marseille) sur le développement d'un code de calcul de continuation de solutions de systèmes non linéaires (code MANLAB).

Un chercheur post-doctorant est chargé de la modélisation numérique au LaMcube (2019-2020 - financement CPER ELSAT 2020).

3 — Modélisation du Contact en présence de surfaces non-lisses et non-homogènes

La troisième direction de travail porte sur l’élaboration d’outils permettant de résoudre le problème du contact de friction entre solides dans le cas général (profils incluant des formes aléatoires, en particulier fractales, et en prenant en compte la friction qui rend le système hystérétique et dépendant de son histoire). Une méthode originale, intitulée « Method of Memory Diagrams (MMD) », permettant de cartographier les distributions complexes et mémoire-dépendante des contraintes sur un objet graphique simple a été développée. L’algorithme MMD est totalement équivalent à l’analyse mécanique complète des contraintes et des déformations dans le système de contact et prend automatiquement en compte tout protocole de chargement. Ce modèle est en cours d’adaptation pour la prédiction des signaux acoustiques non linéaires dans les solides.

Cette recherche est liée à la modélisation des structures solides contenant des contacts (fissures, délaminages) avec des surfaces rugueuses à friction. Un contact en présence de surfaces non-lisses et non-homogènes (aspérités, multi-couches, …) engendre une différence importante entre des échelles macroscopiques (échantillon, fissure) et microscopiques (aspérités). De plus, la friction entraîne l’existence de zones de glissement et de non-glissement dans l’aire de contact et, en conséquence, un comportement hystérétique du système. La démarche multi-échelle envisagée inclut le calcul des relations charge-déplacement correspondant aux contacts à surfaces rugueuses à l’aide de solutions semi-analytiques originales issues de la méthode MMD, qui expriment la solution comme une somme des contributions analytiques avec des paramètres obtenus de façon automatique pour une histoire de chargement arbitraire. Par l’intégration du modèle de contact dans un code éléments finis, nous obtenons un outil numérique destiné aux simulations dans les domaines du contrôle non destructif, de la propagation des signaux dans les structures à contacts, avec l’ouverture aux applications liées à l’usure, fretting, etc.

Deux thèses sont en cours à l’IEMN pour effectuer l’expérimentation et les simulations numériques (2018-2021, 1 financement I-SITE pour une thèse en cotutelle avec KU Leuven ; 1 financement ANR PANSCAN).