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Performances de garnitures frittées métalliques à basse teneur en cuivre pour les applications de freinage ferroviaire haute énergie

/ Rapontchombo Omanda Jessie / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 02-07-2019
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Les matériaux de garniture de frein ferroviaire haute énergie sont des composites à matrice métallique de formulations complexes et fortement hétérogènes. L’orientation vers ce type de matériau découle des nombreuses performances que le système de frein à disque doit assurer : tribologique (frottement, usure), thermomécaniques (intégrité en température), acoustiques (crissement). De nouvelles normes environnementales conduisent à des évolutions nécessaires des garnitures vers par exemple, des formulations à basse teneur en cuivre. La complexité des formulations conduit à des développements principalement empiriques. Il est proposé dans ce travail de développer des méthodologies améliorant la compréhension du lien entre la formulation des matériaux de friction et ses performances en freinage. Le premier volet des travaux exposés consiste en des caractérisations microstructurales couplées à des mesures de propriétés thermophysiques des matériaux. Celles-ci menées sur des matériaux neufs et après sollicitations de freinage ont montrées des évolutions significatives. Le second volet de l’étude concerne les essais à l’échelle réduite permettant d’atteindre des sollicitations analogues à celles durant des essais de performances à l’échelle 1. Les échantillons de dimensions réduites simplifient les analyses tribologiques. Le dernier volet des travaux s’intéresse aux aspects vibroacoustiques via des essais sur un système simplifié qui mettent en évidence le rôle du circuit tribologique. Outre ces apports méthodologiques, l’étude montre l’impact des axes de développement des nouvelles formulations. Des explications sont données sur les liens entre la formulation, propriétés et performances thermomécaniques, vibroacoustiques et tribologiques des garnitures. Tout comme les méthodologies proposées, elles doivent permettre d’améliorer les développements futurs.

Contribution à la modélisation micro-mécanique de l’endommagement et du comportement plastique des géomatériaux

/ Zhao Lunyang / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 19-03-2019
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L’endommagement induit par micro-fissuration et la déformation plastique sont deux principaux mécanismes de dissipation des matériaux rocheux. Ils sont liés à la modification de micro-structure et influencés par les compositions minéralogiques. Dans cette étude, nous présentons quelques nouvelles contributions à la modélisation micro-mécanique de l’endommagement et du comportement plastique. La premiére partie est consacrée à la détermination du comportement élastique-plastique d’une classe de matériaux quasi-ductiles, composés d’une matrice plastique dépendant de la contrainte moyenne dans laquelle sont distribués des inclusions et des pores. Nous proposons un nouveau modèle micro-mécanique basé sur une approche variationnelle incrémentale. Comme différence majeure par rapport à la plupart des modèles en champs moyens, le champ local de déformation plastique non-uniforme est pris en compte. Par ailleurs, une loi d’écoulement plastique non-associée est utilisée pour la matrice solide afin de mieux décrire la transition de la compressibilité à la dilatance volumique de ces matériaux. Le modèle variationnel incrémental est formulé à l’aide de la théorie de bi-potentiel. La performance du modèle est vérifiée à travers des comparaisons avec des solutions numériques de références issues des calculs directs par éléments finis. Le modèle proposé est ensuite utilisé à des matériaux argileux et poreux pour illustrer son efficacité. Dans la deuxième partie, nous abordons la modélisation micro-mécanique de l’endommagement induit des matériaux fragiles caractérisés par une matrice solide élastique contenant une distribution aléatoire de micro-fissures. L’accent est mis sur des micro-fissures avec frottement fermées sous contraintes de compression. Le modèle est formulé à l’aide d’une technique d’homogénéisation linéaire et en proposant une loi de glissement frottant à l’échelle locale. Le modèle proposé est d’abord validé par rapport à des essais en laboratoire en supposant une distribution diffuse de micro-fissures. Ensuite, nous proposons une extension du modèle en considérant la transition de l’endommagement diffus à la fissuration localisée. Celle-ci est décrite comme une conséquence de la coalescence de micro-fissures. Après la localisation, la dissipation est entièrement pilotée par la fissure localisée. Un modèle de glissement avec frottement est alors développé pour la fissure localisée d’une maniére consistante avec le modèle d’endommagement diffus. Le modèle complet décrivant la transition de l’endommagement diffus à la fissuration localisée est validé par rapport à des données expérimentales.

Dynamic model of wheel/rail contact for curve squeal simulation

/ Lai Van-Vuong / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 26-11-2018
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Le bruit de crissement émis par les véhicules guidés sur rail dans les courbes serrées (rayon inférieur à 200 m) est caractérisé par un niveau de pression acoustique élevé et un spectre de raies à moyennes et hautes fréquences. La littérature est riche en modèles de simulation du crissement en courbe. Cependant, le mécanisme d'instabilité est toujours controversé. De plus, les modèles de crissement en courbe existants sont souvent simplifiés (lois de pseudo-glissement analytiques ou hypothèse de massif semi-infini élastique). Le premier objectif de la thèse est de contribuer à la compréhension du mécanisme de génération. Pour ce faire, une analyse de stabilité du contact de roulement roue/rail dans le cas du glissement latéral total est réalisée en utilisant un modèle de contact ponctuel et des bases modales roue et rail. On constate que même avec une hypothèse de coefficient de frottement de Coulomb constant, la flexibilité verticale dynamique du rail joue notamment un rôle important dans l'occurrence d'instabilité sans "décroissance du coefficient de frottement" ni sans "couplage de modes". Le second objectif de la thèse est de développer un modèle élément finis complet de contact roue/rail pour calculer des solutions de référence. Des techniques numériques appropriées sont développées pour résoudre les équations discrètes non linéaires. Ces méthodes sont ensuite appliquées à un modèle réaliste de contact roue/rail en courbe. On constate que la discrétisation de la zone de contact ne modifie pas les mécanismes d'instabilité mais les taux de divergence des modes instables en raison du couplage plus fort entre les degrés de liberté de contact normaux.

Contribution à la modélisation numérique du comportement non-linéaire des géomatériaux hétérogènes

/ Cao Yajun / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 15-11-2018
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L'objectif de la thèse est d'explorer les comportements mécaniques effectifs des matériaux poreux impliqués dans les problèmes de pores ou d'inclusion, avec pour objectif principal d'homogénéiser un matériau aussi hétérogène que possible, plus d'informations de géométrie physique à une échelle donnée. Nous examinons séparément ici quatre microstructures typiques de matériaux ressemblant à des roches couvrant différents constituants: nous avons cherché à déterminer comment la présence de pores et une inclusion de morphologies différentes influent sur les comportements macroscopiques élastiques, débit plastique et dépendant du temps. Un modèle d'homogénéisation par étapes pour les comportements élastoplastiques et viscoplastiques est proposé, basé sur une méthode d'homogénéisation par transformée de Fourier rapide, afin d'améliorer le comportement local depuis la transition à la micro-échelle vers la méso-échelle, puis vers la macroscopie. Une série de simulations est calculée et comparée. Nous portons une attention particulière au comportement anisotrope des matériaux à la fois pore et inclusion configurée à la même échelle et à différentes échelles Nous fournissons une solution de référence pour ce type de matériaux couvrant l’effet des géométries de pores et d’inclusion en raison de la limitation à l’obtention d’un critère analytique. En plus nous proposons un modèle d’endommagement plastique multi-échelle. les comparaisons entre les résultats numériques et les données expérimentales montrent que ce modèle peut bien caractériser son comportement en défaillance avec des micro-structures complexes.

Shakedown of porous materials

/ Zhang Jin / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 28-09-2018
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Cette thèse est consacrée à la détermination des états limites de l'adaptation des matériaux ductiles poreux sur la base du théorème de Melan et en considérant le modèle de la sphère creuse. Dans un premier temps, nous proposons le critère analytique macroscopique d'adaptation avec la matrice de von Mises sous deux charges particuliers, alterné et pulsé. Le critère analytique dépend des première et seconde invariants des contraintes macroscopiques, du signe du troisième et du coefficient de Poisson. Ensuite, ce critère est étendu aux charges cycliques répétées générales par la construction d'un champ de contraintes résiduelles d'essai plus approprié permettant simultanément des calculs analytiques et l'amélioration du modèle précédent. De plus, il est également utilisé pour les matériaux ductiles poreux avec une matrice de Drucker-Prager. L'idée repose d'abord sur la solution exacte pour le charge purement hydrostatique. Il s'avère que la ruine se produit par fatigue. Ensuite, des champs de contrainte d'essai appropriés sont construits avec des termes supplémentaires pour capter les effets de cisaillement. Le domaine de sécurité, défini par l'intersection du domaine d'adaptationet celui d'analyse limite (la ruine survenant brusquement par formation d'un mécanisme au premier cycle), est entièrement comparé avec des simulations élasto-plastique incrémentales et des calculs directs simplifiés. Enfin, nous fournissons une méthode numérique directe pour prédire le domaine de sécurité de l'adaptation des matériaux poreux soumis à des charges variant de manière indépendante en considérant le chemin critique du domaine de chargement au lieu de l'histoire entière. Le problème de l'adaptation est transformé en un problème d'optimisation de grande taille, qui peut être résolu efficacement par l'optimiseur non-linéaire IPOPT pour donner non seulement le facteur de charge limite, mais aussi le champ de contrainte résiduelle correspondant à l'état d'adaptation.

Contribution à l'étude de déformation et de rupture des roches par une approche discrète

/ Zhang Yulong / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 18-09-2018
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Dans ce travail, un nouveau modèle de liaison avec critère de rupture de cisaillement non linéaire est d'abord proposé et mis en œuvre dans PFC pour décrire le comportement mécanique de matériaux granulaires cohésifs isotropes tels que le grès. Un grand nombre de tests de compression ont été effectués sur des échantillons 3D. Les résultats montrent que l'effet de la pression de confinement sur la résistance à la compression et le modèle de rupture est bien décrit par ce modèle de liaison. Les effets du chemin de chargement et de la contrainte principale intermédiaire sur la déformation et la rupture ont également été étudiés. Après avoir étendu les paramètres d'élasticité et de résistance, deux modèles de liaison sont couplés pour caractériser l'anisotropie de la résistance et de la déformation dans les matériaux cohésifs anisotropes tels que les roches sédimentaires. Une série de test de compression avec différents chemin de chargement ont été effectués et les résultats numériques sont en bon accord avec les données expérimentales, en particulier pour les propriétés de réponse élastique et de résistance. La transformation du mode de défaillance entre la couche de faiblesse et la matrice de roche sous différentes pressions de confinement a été bien décrite. De plus, le modèle de liaison proposé a été étendu pour étudier le processus de fracturation hydraulique dans les matériaux cohésifs. Un processus de propagation de fracture hydraulique représentatif a été présenté. Enfin, nous avons développé une méthode de reconstruction dimensionnelle de l'irrégularité de la forme des blocs et étudié ses effets sur les impacts des blocs en utilisant une approche basée sur l'énergie.

Etude expérimentale du calcaire et la constitution de modèle micro-macro pour les roches typiquement poreuses

/ Han Bei / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 13-09-2018
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Dans ce travail, une série d’études expérimentales ont été réalisées sur le comportement mécanique, l’évolution de la perméabilité et les effets de la pression interstitielle sur la déformation plastique et la rupture du calcaire d’Anstrude. Les résultats permettent d'identifier deux mécanismes de déformation plastique, leurs effets sur l'évolution de la perméabilité et les effets de la pression interstitielle de pore sur la déformation plastique et le rupture du calcaire saturé à eau. Sur les données expérimentales, la validité du concept de contrainte effective pour la surface plastique et la rupture est discutée. Pour la modélisation du comportement mécanique de la roche poreuse, un modèle micromécanique est d'abord développé sur la base d'un modèle récent de type Gurson pour un matériau poreux avec une matrice de Mises-Schleicher. Considérant que la roche à forte porosité présente un compactage volumétrique sous faible Pc, un modèle non associé est alors proposé. Le modèle proposé est d'abord appliqué et étendu pour décrire les comportements poromécaniques de la craie de Lixhe. Des simulations numériques montrent que le modèle proposé décrit correctement les principales caractéristiques de la craie. Le modèle est ensuite étendu pour décrire le comportement mécanique du calcaire étudié en prenant en compte l'effet de l'évolution de la porosité dans l'effet de durcissement de la matrice solide. D'une craie de forte porosité à un calcaire de porosité moyenne, le modèle proposé est finalement vérifié dans différentes conditions de charge par des comparaisons entre les prédictions numériques et les données expérimentales pour les essaies drainés et non drainés.

Modélisation multiéchelle du comportement mécanique des gaz shales

/ Farhat Faten / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 05-04-2018
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L’objectif principal est d’étudier l’influence de la microstructure sur le comportement macroscopique des roches hétérogènes, particulièrement, la roche de schiste de Vaca Muerta. Des modèles micromécaniques sont développés par des techniques d’homogénéisation bien adaptées. La microstructure de cette roche a été étudiée afin de définir le volume élémentaire représentatif indispensable pour la mise en œuvre d’une approche micromécanique. Le matériau est modélisé comme un milieu hétérogène, constitué à l’échelle mésoscopique d’une matrice composite dans laquelle sont plongés différents types d’inclusions. A une échelle plus petite, des fins grains de calcite et kérogéne sont immergés dans une matrice argileuse poreuse. L’homogénéisation du comportement instantané est établie dans le contexte de l’élastoplasticité de la matrice argileuse et de la décohésion progressive des inclusions: la transition d’échelle nano-micro aboutit au domaine de résistance de la phase argileuse où la phase solide est considérée comme un matériau cohésif-frottant obéissant au critère de Drucker-Prager. La méthode de Hill est utilisée comme moyen d’homogénéisation pour les transitions micro-méso et méso-macro. Ensuite, le comportement à long terme est défini en terme de la dégradation de la microstructure et en particulier, de la matrice argileuse. Finalement, un modèle micromécanique simplifié est développé pour étudier le comportement à long terme, des roches argileuses et de schistes, dans le contexte de la viscoplasticité de la matrice argileuse. En se basant sur ce modèle, pour l’application industrielle, nous étudions l’interaction entre la roche Vaca Muerta et les grains de proppants.

Bilan d’énergie au contact et contribution de la thermomécanique sur la dynamique d’interaction aube - revêtement abradable de turboréacteur aéronautique

/ Agrapart Quentin / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 19-03-2018
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La problématique abordée est celle des interactions aube-carter, ce dernier étant revêtu d’un matériau abradable, dans les turboréacteurs aéronautiques. Sous certaines conditions, ces interactions peuvent conduire à une réponse dynamique divergente des aubes. Si le comportement dynamique de la structure joue un rôle essentiel, l’usure des matériaux et les échauffements semblent nécessaires pour entretenir un mouvement vibratoire menant à la ruine des aubes. Ces travaux s’inscrivent dans ce contexte multi-physique avec comme objectif l’explication des causes de divergences des aubes en intégrant les aspects thermomécaniques induits par frottement. Le travail comporte 2 parties distinctes. D'une part, l’écriture d’un bilan d’énergie lors d’une interaction maitrisée sur un banc expérimental, couplé à une modélisation pour l'identification des flux. Ces travaux délivrent une répartition de l’énergie en fonction des mécanismes d’interaction activés. D'autre part, une modélisation numérique thermomécanique/dynamique des interactions, intégrant la complexité du problème : échelles de temps différentes entre les phénomènes dynamiques et thermomécaniques, génération et partage de flux à l’interface, modélisation du contact, effet de l’usure et conditions aux limites complexes. Plusieurs situations divergentes sont étudiées sur la base de comparaisons avec des résultats expérimentaux disponibles sur compresseur. Il est montré un rôle secondaire ou prépondérant des aspects thermomécaniques selon les conditions initiales. La compétition des phénomènes au contact (dilatations, usure, etc.) est un point clairement démontré et dont certains aspects sont ouverts aux perspectives.

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