• Langue : Français
• Discipline : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Identifiant : 2024ULILN040
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 09/12/2024

Résumé en langue originale

Les observations sur des freins à disque révèlent l'apparition, pour des sollicitations généralement sévères, de localisations thermiques en surface des disques. Parmi ces phénomènes, les localisations circonférentielles macroscopiques (points chauds) restreignent les aires de contacts par déformations hors plan liées aux dilatations thermiques. Les conséquences sont critiques, avec des risques de fissuration accrus ou des vibrations basses fréquences qui peuvent se propager dans le véhicule.Plusieurs théories proposent d'expliquer la formation de ces points chauds : des mécanismes thermomécaniques stables liés à une diffusion de chaleur non-uniforme (cas des disques ventilés) ou des mécanismes thermomécaniques instables (cas des disques non ventilés principalement). Ces derniers sont généralement associés à des instabilités thermoélastiques (TEI) dont la résolution est faite par étude du risque (ou taux) de propagation d'une perturbation sinusoïdale dans le champ de pression de contact ou de la température en fonction de la vitesse de glissement. Une autre approche a été proposée plus récemment montrant la possibilité d'évolution d'une déformée initiale, sous sollicitation thermo-élasto-plastique, vers un plus grand nombre de localisations (PWD pour Progressive Waviness Deformation).La modélisation des localisations thermiques demeure difficile par les aspects multiphysiques et multiéchelles mis en jeu dans la problématique du freinage. Elle requiert des méthodes de résolution du problème thermique et thermomécanique, la prise en compte de comportement matériaux non-linéaires et la gestion du contact avec prise en compte du frottement.Considérant l'importance de confronter les approches proposées mais aussi d'accéder à une quantification des déformations hors plan, la méthodologie proposée dans ce travail repose sur une modélisation transitoire thermomécanique par éléments finis. Il s'agit en outre de considérer différents paramètres, géométriques ou de la sollicitation, mis en évidence expérimentalement comme influant sur l'apparition des points chauds.Les développements proposés ont tout d'abord permis d'expliciter les mécanismes mis en jeu dans les processus conduisant aux risques de localisation thermique, par décomposition pas à pas de l'approche des TEI. L'approche transitoire proposée est ensuite décrite et tout d'abord confrontée, pour validation des seuils d'instabilité, à la résolution en stabilité (TEI). Cette approche a permis en outre d'étudier l'influence de divers paramètres et d'expliciter différents constats expérimentaux. Enfin une analyse approfondie des résultats a permis de positionner les approches proposées dans la bibliographie et de montrer leur concordance en termes de déformée finale (nombre de localisations) avec des seuils de déclenchement néanmoins différents. L'importance d'une représentation fine du système (géométrie, conditions aux limites et conditions initiales) est également soulignée.

Résumé traduit

Observations on brake disc reveal, generally under severe loading, that thermal localisations may occur on the disc surface. Such circumferential macroscopic localisations (hot spots) limit contact areas due to out-of-plane deformation caused by thermal expansion. The consequences are critical, as they increase the risks of cracking or low-frequency vibrations which can propagate throughout the vehicle.Several theories attempt to explain the formation of hot spots : stable thermomechanical mechanisms linked to non-uniform diffusion of heat (in case of ventilated brake disc) or instable thermomechanical instabilities (TEI), where the solution comes from studying the propagation rate of a sinusoidal perturbation in the contact pressure or temperature as function of the sliding speed. Another recently suggest approach shows that an initial deformation may evolve, under thermo-elasto-plastic stress, into a higher number of localisations (PWD : Progressive Waviness Deformation).Modelling thermal localisations remains challenging due to the multiphysic and multi-scale mechanisms encounter in frictional brakes. It requires thermal and thermomechanical solution that account nonlinear material behaviour and contact friction.The methodology of this work is based on finite element transient thermomechanical simulations and consider the importance to confront existing approaches and quantify out-of-plane deformations. In addition, numerous parameters must be considered, such as geometrical parameters or thermomechanical constrains, which experiments have proven to be factors of apparition of hot spots.The development proposed here first highlights the mechanisms involved in driving thermal localisations, by illustrating step by step the thermoelastic instabilities. The transient approach proposed here is then described and compared with analytical models from the literature (TEI) in terms of limit of stability. This approach allowed the study of several parameter and the explanation of some experimental observations. Finally, a detailed analyses of results enable a comparison between approaches from the literature, showing agreement in terms of final deformations (number of localisations) but with different thresholds. The importance of detailed modelling of the system (geometry, boundary conditions, initial conditions) is also emphasized.