Modélisation multi-échelle du contact lubrifié

Le but du travail présenté est double : apporter plus de physique aux modèles actuels de lubrification (rhéologie du lubrifiant, effets thermiques), et prendre en compte les effets locaux, difficilement modélisables dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Les contraintes industrielles actuelles (concurrentielles, financières, environnementales) tendent en effet à réduire considérablement l'épaisseur du film lubrifiant, atteignant l'ordre du nanomètre. Une approche purement mécanique ne tient plus car elle omettrait des phénomènes importants: il est donc nécessaire d'envisager le contact lubrifié sous un nouvel angle. Cette démarche originale propose donc une approche à la fois discrète et continue (mêlant des modèles Eléments Finis et Dynamique Moléculaire) des contacts lubrifiés pour mieux rendre compte de la physique aux petites échelles : le lubrifiant confiné se stratifie, sa rhéologie n'est plus décrite par des lois volumiques, du glissement apparaît à l'interface fluide/surface solide... Il est notamment montré que la prise en compte du glissement à l'échelle du nanomètre (caractérisé par Dynamique Moléculaire) dans les modèles à l'échelle de contacts lubrifiés (de l'ordre du millimètre) conduisait à la fois à la formation de géométries particulières de l'interface et à une évolution du frottement corrélée aux observations expérimentales

Une modélisation multi-physique et multi-phasique du contact lubrifié

De nombreuses hypothèses sont classiquement utilisées pour décrire le comportement du fluide dans un contact lubrifié : film continu, viscosité constante dans l épaisseur, film mince, fluide newtonien Or, certaines s avèrent erronées dès lors que l on s intéresse aux contacts Elasto- HydroDynamiques fortement glissants ou à la répartition du lubrifiant en sortie de contact. Une approche numérique originale, basée sur un retour aux équations de la mécanique des fluides générale et prenant en compte le couplage fluide/solide et les effets thermiques sont proposés ici dans le but d apporter des éléments physiques supplémentaires aux modélisations usuelles. Dans un premier temps, l influence des effets thermiques sur l évolution du frottement dans les contacts Thermo-EHD est mise en évidence. La présence d un minimum de frottement pour le cas du glissement pur est expliquée par l analyse des transferts thermiques entre le lubrifiant et les solides. L origine des modifications locales d épaisseur de film observées et l existence même d une épaisseur de film lubrifiant pour les cas de vitesse d entraînement nulle sont alors reliées à la présence d un fort gradient de viscosité dans l épaisseur de film. Une comparaison qualitative avec des éléments expérimentaux de la littérature est réalisée, validant les tendances obtenues. Dans un second temps, l écoulement à surface libre du lubrifiant en périphérie du contact est étudié expérimentalement puis numériquement par une méthode à interface diffuse. Le rôle des effets capillaires est analysé et les résultats numériques confrontés à des résultats issus de la littérature. Un bon accord est obtenu tant qualitativement que quantitativement. Validé par l étude numérique diphasique (air/lubrifiant) réalisée, un modèle analytique simplifié est alors développé, prédisant une loi de répartition du lubrifiant en sortie de contact. La zone de sortie des contacts EHD est ensuite traitée par un modèle de cavitation vaporeuse et la prise en compte nécessaire de l air environnant est discutée. Enfin, une première modélisation tridimensionnelle de l écoulement à surface libre du lubrifiant autour d un contact ponctuel est réalisée mettant en avant l influence des effets capillaires et la faisabilité d une telle approche.Classically, many assumptions are used to model the fluid behaviour in a lubricated contact : continuous film, constant viscosity across the film thickness, film thickness is very thin compared to other contact dimensions, Newtonian lubricant... However, some of them are not well-founded for the study of Elasto-HydroDynamic contacts with high sliding or to estimate the liquid distribution at the exit of the contact. An original numerical approach, based on the general fluid mechanics equations and taking into account the fluid/solid coupling and thermal effects, is developed here in order to give more physical insights to the usual modelling. First of all, the thermal effects are shown on the friction coefficient evolution for Thermo- EHD contacts. A minimum value is found concerning the friction value for the pure sliding case. It is explained by analyzing the heat transfer between the solids and the lubricant. The origin of the resulting local modifications of the film thickness and the existence of a film thickness for zero entrainment velocity cases are related to the presence of a high viscosity gradient through the film. A qualitative comparison is performed with experimental data from literature, validating the results. Second, the free surface flow of the lubricant around the contact is experimentally and numerically studied with a diffuse interface method. The capillary effects on the air/lubricant meniscus position are analyzed and quantitatively compared with experimental data from literature. Good agreements are found. An analytical approach is then developed, based on the numerical study of the two-phase flow. An analytical law predicting the liquid distribution is obtained. The exit area of EHD contacts is then investigated with a vaporous cavitation model highlighting the necessity of taking into account the effects of surrounding air and surface wettabillity. Finally, a first approach of the tri-dimensional two-phase flow is performed, showing the capillary effects on the interface location.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Etude du piégeage de contaminants solides dans des contacts EHD

Cette étude porte sur l'analyse des phénomènes de piégeage de particules survenant dans des roulements à billes soumis à une lubrification polluée. Des outils à la fois numériques et expérimentaux ont permis de mieux appréhender un problème récurrent aux conséquences désastreuses. Des simulations numériques aussi bien que des tests sur machine bi-disques ont permis de mettre en évidence des paramètres clefs influant directement sur le taux de piégeage de contaminants. Des tests avec différents matériaux ainsi que différentes géométries ont permis de quantifier l'impact des paramètres d'un contact élastohydrodynamique sur le piégeage de particules

Etude mécanique de l\u27usure : modélisation par Eléments Discrets des débits de troisième corps solide

Les études expérimentales de l\u27usure se heurtent aux difficultés d\u27instrumentation in situ des contacts, pénalisant le découplage des paramètres qui gouvernent ce phénomène. Pour contourner ces difficultés, des simulations numériques sont construites, et deviennent un véritable outil de compréhension de l\u27usure, première étape vers une modélisation prédictive. Pour cela les deux corps en contact et les particules qui en sont issues (troisième corps) sont modélisés par des éléments discrets. Validé expérimentalement, cet outil a permis d\u27établir des relations entre la production (débit source) et l\u27éjection (débit d\u27usure) de particules, et la quantité de troisième corps piégée dans le contact (débit interne). L\u27écriture de l\u27équilibre massique de ces débits aboutit à un modèle analytique simple qui repositionne une grande partie des lois classiques d\u27usure en ajoutant au phénomène de détachement de particules la problématique de l\u27écoulement de matière à l\u27intérieur du contact

Modélisation numérique multi-échelles des contacts lubrifiés

" Modélisation numérique multi-échelles des contacts lubrifiés - Aux frontières de la mécanique (des fluides, des solides), de la thermique et de la physique de la matière ". Derrière ce titre se cache un but double : apporter plus de physique aux modèles actuels de lubrification (rhéologie du lubrifiant, effets thermiques), et prendre en compte les effets locaux, difficilement modélisables dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Les contraintes industrielles actuelles (concurrentielles, financières, environnementales) tendent en effet à réduire considérablement l'épaisseur du film lubrifiant, atteignant l'ordre du nanomètre. Une approche purement mécanique ne tient plus car elle omettrait des phénomènes importants : il est donc nécessaire d'envisager le contact lubrifié sous un nouvel angle. Cette démarche originale propose donc une approche à la fois discrète et continue (mêlant des modèles Eléments Finis et Dynamique Moléculaire) des contacts lubrifiés pour mieux rendre compte de la physique aux petites échelles : le lubrifiant confiné se stratifie, sa rhéologie n'est plus décrite par des lois volumiques, du glissement apparaît à l'interface fluide/surface solide, etc. Mes recherches ont notamment montré que la prise en compte du glissement à l'échelle du nanomètre (caractérisé par Dynamique Moléculaire) dans les modèles à l'échelle de contacts lubrifiés (de l'ordre du millimètre) conduisait à la fois à la formation de géométries particulières de l'interface et à une évolution du frottement corrélée aux observations expérimentales

Etude mécanique de l'usure (Modélisation par Eléments Discrets des débits de troisième corps solide)

Les études expérimentales de l'usure se heurtent aux difficultés d'instrumentation in situ des contacts, pénalisant le découplage des paramètres qui gouvernent ce phénomène. Pour contourner ces difficultés, des simulations numériques sont construites, et deviennent un véritable outil de compréhension de l'usure, première étape vers une modélisation prédictive. Pour cela les deux corps en contact et les particules qui en sont issues (troisième corps) sont modélisés par des éléments discrets. Validé expérimentalement, cet outil a permis d'établir des relations entre la production (débit source) et l'éjection (débit d'usure) de particules, et la quantité de troisième corps piégée dans le contact (débit interne). L'écriture de l'équilibre massique de ces débits aboutit à un modèle analytique simple qui repositionne une grande partie des lois classiques d'usure en ajoutant au phénomène de détachement de particules la problématique de l'écoulement de matière à l'intérieur du contact.The experimental works on wear are come up against the difficulties of in situ instrumentation of the contacts, penalizing the decoupling of the parameters which control this phenomenon. To circumvent these difficulties, numerical simulations are built, and become a real tool for the comprehension of wear, first stage towards a predictive modeling. To do that that, the two bodies in contact and the detached particles (third body) are modeled by discrete elements. Validated with real experiments, this numerical tool has enabled establishment of relations between the production (source flow) and the ejection (wear flow) of particles, and the quantity of third body trapped in the contact (internal flow). The writing of the mass balance of these flows leads to a simple analytical model that repositions a great part of the traditional wear laws by adding to the phenomenon of particle detachment the problems of matter flow inside the contact.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocMETZ-Arts et Métiers (574632301) / SudocSudocFranceF

Molecular Dynamics simulation of surface energy and ZDDP effects on friction in nano-scale lubricated contacts

International audienc

Modelling third body flows with a Discrete Element Method a tool for understanding wear with adhesive particles

International audienc

Frottement dans les contacts EHD de grandes dimensions, rôle du pivotement

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au cas particulier des contacts lubrifiés en régime EHD en présence de pivotement avec un grand rayon de contact. Dans le domaine des contacts EHD, l introduction d une composante de pivotement a peu été étudiée. Pour mieux comprendre les effets du pivotement sur un contact EHD de grande dimension, un banc d essais et un modèle numérique ont été conçus. Le banc d essais a permis de travailler dans des conditions proches de celles que subissent industriellement les contacts, tandis que le modèle numérique a permis de comprendre les conséquences locales du pivotement et de la taille du contact. Les effets observés du pivotement sont une diminution du coefficient de frottement et de l épaisseur de film et une dissymétrie de cette épaisseur. D autres effets furent aussi mis en évidence. Grâce à l implantation d un système permettant de quantifier la dissipation thermique dans le contact, il s est avéré que l augmentation du pivotement s accompagnait d une augmentation de la température dans le contact. En comparant les différents résultats expérimentaux et numériques, il s est avéré que le pivotement modifiait les conditions du contact en introduisant des taux de cisaillement supplémentaires dans la direction du roulement et celle transversale. Ces cisaillements supplémentaires, non constants sur la surface de contact, engendrent une plus grande dissipation thermique dans le contact ainsi qu une diminution de la viscosité par effet rhéofluidisant, ce qui est à l origine de la baisse du coefficient de frottement et de la diminution de l épaisseur.In this thesis, we were interested in particular case of lubricated contacts in the elastohydrodynamic lubrication (EHL) regime with spin motion and large contact size. Only few authors worked on the subject of EHL with a spin motion. However, these authors found that the spin leads to a decrease of the film thickness and the motion coefficient. To better understand how the spin modifies the contact conditions, a test rig and a numerical model built. The test rig allowed us to simulate closely industrial contacts, both in term of spin quantity and contact size, whereas the numerical model enabled us to understand on which contact parameters the spin motion acts. First of all, the main tendencies with Tribogyr and the numerical model are the same as those found in the literature. Then other results were produced. Thanks to the large contact size and temperature measurements, we were able to quantify the thermal dissipation relatively to the contact condition. The result is that the thermal dissipation is linked with the level of spin introduced in the contact. Then, the numerical results showed that the film thickness decreases and looses its symmetry when a spin motion is introduced. The comparison of the results obtained with the rig and the numerical model showed that the spin introduces an additional shear rate in both rolling and transversal direction that modifies the contact conditions. This additional shearing is not constant over the contact surface and generates a higher heat production and a viscosity reduction by shear thinning effect. Both of these effects lead to decrease the friction coefficient and the film thickness.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

The Full-System Approach for Elastohydrodynamic Lubrication. Comsol Conference,

Abstract: A ball is in contact with a plane, and a lubricant separates the two surfaces to decrease friction during their relative motion. To avoid wear, the lubricant film thickness should be higher than the surface roughness. The goal of this paper is to show how it is possible to solve efficiently the problem of elastohydrodynamics lubrication with Comsol Multiphysics, using a PDE on boundary to implement the Reynolds equation