Caractérisation en régime dynamique des transferts de chaleur au contact glissant et imparfait de deux solides

Abstract

The work presented in this thesis is a contribution to the study of heat transfer between two solid bodies in dry frictional contact. The problem of heat transfer across interfaces represents an essential part of the thermal modeling of many industrial devices and processes. Temperature levels can reach values that can cause damage in systems subjected to friction. Therefore, it is necessary to characterize the frictional interface before designing such systems. This study is interested in the macroscopic aspect of dry frictional contacts. The chosen model includes a coupling equation and three contact parameters ; (i) the heat flux generated by friction, (ii) the intrinsic partition coefficient of the generated heat flux, (iii) the contact resistance. The characterization of an interface with this model signifies the identification of these contact parameters through inverse methods. The originality of this work is the simultaneous estimation of the dynamic evolution of the contact parameters. Several estimation techniques by inversion of measurements have been tested. After a detailed sensitivity and correlation study, the method adopted is parametrization with time lag. This method minimizes the correlations between the parameters and provides a good accuracy of estimation. This technique is used to characterize these contact parameters on an experimental bench. With the objective of integrating a thermal-mechanical interaction into the study of dry frictional contact in future research, an innovative approach to thermal-mechanical coupling in a transient 1D configuration is presented. Using an analytical method, the deformation at a given position is calculated by the convolution product between a transferfunction and the temperature at another position. Through this relation, a method of thermomechanical characterization of materials by inversion of measurement was developed. In addition to the identification of the thermal diffusivity and the coefficient of thermal expansion, a procedure for the identification of the temperature by 'deconvolution' was also developed. Due to the high instability of the system, regularization techniques using the Tikhonov method and spectrum truncation were used. An experimental device has been assembled and instrumented for this purpose. The experimental results are in agreement with the literature and give good residuals.Le travail développé dans cette thèse est une contribution à l'étude du transfert de chaleur entre deux corps solides en contact frottant sec. Le problème du transfert de chaleur à travers les interfaces représente une partie essentielle de la modélisation thermique de nombreux mécanismes et procédés industriels. Les niveaux de température peuvent atteindre des valeurs susceptibles d’occasionner des dommages dans les systèmes soumis au frottement. Par conséquent, il est nécessaire de caractériser l’interface d’un frottement avant la conception de tels systèmes. Dans notre étude, nous nous sommes intéressés à l’aspect macroscopique des contacts frottants secs. Le modèle retenu comprend une équation de couplage et trois paramètres de contacts : (i) le flux généré par frottement, (ii) le coefficient de partage intrinsèque du flux généré, (iii) la résistance de contact. La caractérisation d’une interface à travers le modèle adopté, signifie l’identification de ces paramètres de contact par le biais de méthodes inverses. L’originalité de ce travail consiste à estimer simultanément l’évolution dynamique des paramètres de contact. Différentes techniques d’estimations en inversion de mesures ont été testées. Après une étude de sensibilité et de corrélation approfondie, la méthode adoptée est la paramétrisation avec décalage temporel. Cette méthode permet de minimiser les corrélations entre les paramètres et affiche un bon résultat d’estimation. Cette technique est utilisée dans le but de caractériser ces paramètres de contact expérimentalement sur un banc d’essai dédié. Dans la perspective d’intégrer une interaction thermique-mécanique à l’étude du contact frottant sec dans de futures recherches, une approche novatrice du couplage thermique et mécanique à travers une configuration 1D transitoire est présentée. Grâce à une méthode analytique, la déformation à une position donnée est calculée par le produit de convolution entre une fonction de transfert et la température à une autre position. Ainsi, cette relation, nous a permis de développer une méthode de caractérisation thermomécanique des matériaux par inversion de mesure. En plus de l’identification de la diffusivité thermique et du coefficient de dilatation thermique, une procédure d’identification de la température par "déconvolution" a été réalisée. Le système étant fortement instable, des techniques de régularisation par la méthode de Tikhonov et de troncature de spectre sont utilisées. Un dispositif expérimental a été réalisé et instrumenté à cette fin. Les résultats obtenus expérimentalement sont en accord avec la bibliographie et donnent de bon résidus