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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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3. Au cœur des interfaces tribologiques
3.1 De la réalité aux modèles
Lorsque l'on se focalise sur l'interface qui sépare deux corps en contact, on peut remarquer que celle-ci s'écoule, sous certaines conditions (fortes pressions et vitesses de cisaillement), comme un fluide. En effet, Godet [39] et Berthier [13] ont mis en évidence que cette interface plus ou moins hétérogène et discontinue, ou plus communément appelée en tribologie « troisième corps », pouvait avoir des épaisseurs variables (allant de quelques nanomètres à plusieurs dizaines de micromètres) et s'écouler avec une rhéologie inconnue a priori. Cette interface discontinue se retrouve de façon artificielle dans la lubrification par poudre, mais, dans ce cas, les propriétés du milieu sont connues a priori. Cependant le comportement de ce milieu face aux fortes pressions et vitesses de cisaillement peut évoluer, rendant complexe l'interprétation de résultats expérimentaux. Ainsi avoir une vision continue de ce type d'interface ne permet pas toujours de représenter la réalité d'un contact, en particulier lorsque le débit d'usure est pris en compte ou lorsque les écoulements de troisième corps ne sont pas en régime stationnaire.
Deux types d'approches sont communément utilisées pour modéliser les écoulements de troisième corps : les approches continues et les approches discrètes. Les approches continues proposent des extensions de modèles issues de la mécanique des milieux continus et sont utilisées essentiellement dans des applications impliquant la lubrification par poudre, autrement dit en utilisant un troisième corps artificiel. Dans le cas d'un troisième corps naturel (issu en majeure partie des corps en contact), les hypothèses de continuité sont difficilement préservées et, dans ces conditions, nous sommes alors en droit de nous demander si cette mécanique reste valide et quelles en sont les limites. C'est pour cela que les approches par éléments discrets sont utilisés dans le but de décrire l'évolution d'un milieu discontinu et d'en déduire un comportement rhéologique.
HAUT DE PAGE3.2 Approches continues
Il n'existe pas de formalisme universel pour décrire la lubrification par poudre ou d'une manière plus générale des écoulements granulaires. C'est pourquoi l'on trouve de nombreuses approches tentant...
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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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