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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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Au cœur des interfaces tribologiques
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2. Modélisation des corps en contact et des mécanismes
2.1 De la réalité aux modèles
Si pendant de nombreuses décennies, les modèles analytiques ont été des références et ont suffi à faire progresser les recherches en mécanique du contact et en tribologie, ils trouvent vite leurs limites lorsqu'il faut prédire la durée de vie d'un système mécanique tel qu'un roulement, un disque à aubes ou un système de freinage. Un tel problème demande à la fois de pouvoir étudier le mécanisme complet jusqu'à la rupture ou jusqu'à sa « fin de vie », mais aussi de comprendre les transformations subies par les éléments en contact (par exemple, l'usure ondulatoire i.e. les déformations plastiques périodiques [98] [99], la dégradation des surfaces [13]...).
Pour répondre à la question posée, il faut alors pouvoir modéliser à la fois les corps en contact et le mécanisme les contenant. Cependant, il peut s'avérer lourd et fastidieux de mettre en place un modèle proposant de modéliser un mécanisme complet avec une description précise des différents éléments. De cette complexité sont nés deux types d'approches distinctes – les modèles analytiques ou semi-analytiques et les méthodes par éléments finis – qui souvent mises en opposition, n'en restent pas moins complémentaires.
HAUT DE PAGE2.2 Modèles semi-analytiques
Les modèles semi-analytiques sont les premiers modèles utilisés pour simplifier les problèmes de contact impliquant un mécanisme ou étudiant le comportement d'un corps sous sollicitations de contact sur une longue période temporelle. Ce type d'approche est le plus souvent utilisé pour modéliser le fonctionnement d'un mécanisme sur des durées de plusieurs milliers d'heures, voire plus. Par conséquent, le temps de calcul devient une contrainte importante, ce qui conduit à utiliser des modèles simplifiés autant pour le comportement volumique des corps en contact que pour les conditions de contact, rendant les méthodes efficaces, mais non transposables [35]. Il s'agit alors plus d'outils de résolution (au sens données quantitatives) que d'outils de compréhension, car les phénomènes sont presque toujours découplés.
Le caractère semi-analytique vient du fait que ces approches mélangent modèle...
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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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