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RÉSUMÉ
La tribologie est la science qui tente de comprendre les causes et les conséquences du frottement. Cependant, l’expérimentation possède ses limites en la matière et le recours aux outils numériques est d’un précieux secours dans l’observation de ce phénomène physique encore bien mal compris. Durant ces dernières années, la tribologie numérique a progressé à grand pas, vers des modèles multi-échelles, voire multi-physiques, qui offrent de riches descriptions des interfaces de contacts et sont en passe de devenir des outils prédictifs.
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Mathieu RENOUF : Chargé de recherche CNRS au LaMCoS, INSA-Lyon - Équipe tribologie et mécaniques des interfaces
INTRODUCTION
Comprendre les causes et les conséquences du frottement sur le comportement des corps en contact est bien le quotidien des tribologues depuis de nombreux siècles. En fait ce n'est pas seulement les corps en contact qui sont concernés, mais aussi le ou les mécanismes qui les contiennent ainsi que l'interface qui les sépare.
Cette compréhension n'est pas simplement une curiosité scientifique, mais bel et bien la clé d'importants enjeux industriels. Le contrôle de la durée de vie des mécanismes (disques de frein automobile et aéronautique, roulements, appareils électroménagers...) et des outils de mise en forme des matériaux, la sécurité (problème de shuntage dans le contact roue-rail ou de la collecte du courant dans le contact pentographe/caténaire...), la santé publique (usure des implants articulaires), l'environnement (réduction du crissement, amélioration des lubrifiants...) sont des problèmes liés directement aux conséquences du frottement.
Parce que l'expérimentation trouve parfois ses limites dans l'analyse dynamique de tels systèmes, surtout lors de sollicitations sévères (fortes pression et vitesse de cisaillement), des outils numériques ont vu le jour pour venir combler le manque d'informations laissé par les approches expérimentales aussi bien pour des conditions dites de « contact sec » (pas de lubrifiant ajouté) que celles dites de « contact lubrifié » (huile, graisse...). Aujourd'hui, bien plus qu'un simple outil complémentaire, les approches numériques servent à part entière dans la compréhension des phénomènes et tendent à devenir des outils prédictifs.
De nombreuses approches numériques existent aussi bien pour les aspects secs que pour les aspects lubrifiés, évoqués précedement. Dans ces quelques pages, le choix a été fait de se focaliser uniquement sur le contact dit sec. Les aspects « contact lubrifié », au sens lubrification fluide, ne seront que rapidement survoler.
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4. La tribologie numérique aujourd'hui
Durant cette dernière décennie, la tribologie numérique a connu de très grands développements. Elle a su tirer partie des nombreux développements numériques effectués dans le monde de la mécanique des contacts, se les approprier et les adapter à ses propres besoins : elle est aujourd'hui devenue un outil indispensable pour étudier un problème de contact.
De par la nécessité de comprendre de mieux en mieux les phénomènes mis en jeu, il faut aujourd'hui pouvoir prendre en compte des modèles de plus en plus fins. Les modèles ne sont plus alors situés à une seule échelle et purement mécaniques, mais ils font intervenir plusieurs échelles et intègrent différents phénomènes physiques.
4.1 Vers des modèles multi-échelles
Durant les années passées la plupart des travaux numériques en tribologie se sont situés à une échelle unique, prenant en compte les autres échelles comme conditions limites ou conditions locales. Même si l'idée de coupler les différentes échelles n'est pas récente [13] [107], ce n'est que récemment que l'on peut voir, en tribologie, différentes approches essayant de prendre en compte de façon directe ou indirecte les différentes échelles du triplet au sein d'une même simulation.
Par exemple, certains travaux couplent mécanisme et corps en contact dans l'analyse de roulements [78] [112]. Dans le premier cas, une réduction nodale est effectuée sur l'ensemble du système couplé à des techniques de condensations. Dans le second cas, le mécanisme est pris en compte à partir de modèles multi-corps (Simulink) et injecté comme conditions limites dans des simulations éléments finis. D'autres travaux couplent les échelles inférieures (l'échelle des corps en contact et de l'interface) pour prendre en compte les dégradations locales sur le comportement des corps en contact [17] [109].
À l'échelle de l'interface, des modèles proposent des descriptions plus riches mêlant approches discrète et continue dans une même simulation (figure 3, [14] [109]). L'influence de la déformation des corps en contact est ainsi directement prise en compte sur la rhéologie des interfaces. D'autres modèles proposent de faire dialoguer les différentes échelles par un système itératif [14] [100]. Le frottement à l'échelle des corps en contact est le résultat d'une simulation effectuée à l'échelle...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ACARY (V.), JEAN (M.) - Numerical modeling of three dimensional divided structures by the non smooth contact dynamics method : Application to masonry structure. In B.H.V. Topping, editor, The Fifth international Conference on Computational Structures Technology 2000, - pages 211-222, Edimburgh, Civil-Comp Press, 2000.
-
(2) - ALART (P.) - Méthode de Newton généralisée en mécanique du contact, - J. Math. Pures Appl., 76 :83-108, 1997.
-
(3) - ANCIAUX (G.), MOLINARI (J.F.) - Contact mechanics at the nanoscale, a 3D multiscale approach, - Int. J. Numer. Meth. Engng, 79:1041-1067, 2009.
-
(4) - ANTALUCA (E.) - Contribution à l'étude des contacts élasto-plastiques – effet d'un chargement normal et tangentiel, - Thèse INSA-Lyon, 2005.
-
(5) - ARCHARD (J.F.) - Elastic Deformation and the Contact of Surfaces, - Nature, 172(4385):918-919, 1953.
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ANNEXES
LMGC90 – Logiciel de mécanique gérant le contact, CNRS-UM2, 2001. OpenSource (Licence CeCiLL). http://www.lmgc.univ-montp2.fr/~dubois/LMGC90/
PLAST2 – Logiciel élement finis OpenSource. http://www-lgit.obs.ujf-grenoble.fr/users/lbaillet/logiciel_plast2.htm
Simulink – http://www.mathworks.fr/products/simulink/
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