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M2SI - Axe 3 : Le contact rugueux - tridimensionnel

M2SI - Axe 3 : Le contact rugueux - tridimensionnel

Cette partie du projet concerne le développement d’outils numériques 3D de simulation du contact rugueux par éléments finis, ou par modèles semi-analytiques. Les objectifs visés sont nombreux. Il s’agit en premier lieu, d’étendre les travaux effectués dans le cas du contact rugueux 2D au cas 3D.

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Les perspectives porteront sur le développement de modèles semi-analytiques 3D de contact elasto-plastique entre surfaces rugueuses en tenant compte de l’évolution morphologique pour l’estimation de l’aire réelle de contact. Des extensions de ces modèles, pour intégrer les phénomènes d’adhésion, seront effectuées par les approches de type JKR (Johnson, Kendall and Roberts, 1971) ou DMT (Derjaguin, Muller and Toporov, 1975). L’originalité des travaux se situe dans la prise en compte des aspects contact multi-aspérité elastoplastique avec modification d’état de surface. Les travaux développés dans le thème morphologie 3D seront mis à profit pour la description fine de l’état de surface initial et de son évolution. Les simulations numériques seront menées dans le cas de contact statique et avec glissement pour aborder les problèmes d’usure. Des confrontations avec des résultats expérimentaux en terme d’évolution morphologique et d’aire de contact seront effectuées pour affiner les modèles semi-analytiques d’usure et d’évolution de profils (basés sur des indicateurs morphologiques d’état de surface, voir rubrique § 4), développés au sein de l’équipe. De telles confrontations nécessitent le développement d’essais spécifique sur un microscope interféromètrique équipé d’un système d’application d’effort. Les résultats issus des simulations numériques par modèle semi-analytique seront comparés à des simulations par éléments finis 3D de contact plan sur surface rugueuse en elastoplasticité avec modèle d’écrouissage isotrope et cinématique non linéaire. Les sollicitations de type charge-décharge seront examinées. Un premier travail de faisabilité a été mené dans ce contexte (Ref. Hagège 2010). Ces travaux permettent d’aboutir à terme aux liens entre états de surface et d’usure.

Les simulations de contact par éléments finis 3D développées ci-dessus, seront appliqués à l’étude de l’essai de nanoindentation. Il s’agit d’exploiter ces travaux pour :
(i) L’aide à la compréhension et à l’analyse expérimentale de l’essai. En effet, contrairement à l’étude des matériaux en volume où la caractérisation de leurs comportements se fait grâce à une large variété d’essais mécaniques, la caractérisation des propriétés mécaniques des matériaux en proche surface est un exercice souvent difficile. La nanoindentation est l’un des rares essais employés dans ce contexte, cependant il convient de rester prudent face aux valeurs de module d’élasticité et de dureté mesurées (protocole expérimental, incertitudes de mesure, défauts de forme de la pointe, irrégularités de surface, difficulté de détermination de la surface effective de contact…). Le recours à la simulation numérique constitue une aide efficace pour l’aide à l’interprétation de cet essai. Elle permet par ailleurs, de disposer de données non enregistrables expérimentalement (déformation, contraintes, pression, cinématique…) et de mener des études de sensibilité, telle l’analyse du lien comportement du matériau, évolution de morphologie au voisinage de l’indenteur, retour élastique après décharge, …
(ii) Calibrage (et/ou validation) de modèles par approche inverse à partir de données expérimentales en réponse globale (force – déplacement) et locale (évolution de profil de surface), (Thèse co-tutelle Université de Reims de L. Thien Nguyen 2010-2013).

Pour en savoir plus :

Abrasion : MECANISME D’USURE DES PROTHESES DE GENOU ETUDE DE TROISIEME CORPS

Elaboration du surface multi-échelles

Multi-caractérisations mécaniques du frottement

Multi-simulations mécaniques

Multi-simulations thermiques

Simulation de surfaces multi-échelles