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Transports Durables et Mobilité (TDM)
Edition 2012


CoMatCo


Interactions multi-échelles "COmposants-MATériaux-COntact" dans les systèmes de freinage et les compresseurs aéronautiques

Interactions multi-échelles « Composants-MATériaux-Contact » dans les systèmes de freinage et dans les compresseurs aéronautiques
L’objectif du projet est de mettre au point une méthodologie multi-échelle de « conception » des matériaux de friction. Cette méthodologie représente le chaînon manquant dans la démarche de compréhension et de modélisation des systèmes (freins et ensembles rotor-stator de turboréacteurs) dans le but d’augmenter leurs performances énergétiques, de réduire les nuisances environnementales (acoustique, pollution…) tout en maintenant leur fiabilité en tant qu’éléments sécuritaires.

Méthodologie de conception de matériaux de friction pour lier l'élaboration des matériaux et la modélisation des freins et moteurs aéronautiques.
Dans les turboréacteurs aéronautiques la réduction de la consommation en kérosène et des émissions de CO2 et de NOx passe par la maîtrise des jeux entre rotor-stator et par voie de conséquence des interactions aube-carter. Celles-ci sont fortement conditionnées par le choix des matériaux «abradables« côté carter.
En ce qui concerne les systèmes de freinage, les dispositions réglementaires de réduction des impacts environnementaux (nuisances sonores, émissions de particules) et d’augmentation des performances de dissipation énergétiques pour les grandes vitesses, passe par une maîtrise des phénomènes de frottement et du choix des matériaux en contact.
Dans ces deux applications, les solutions mises en œuvre par les industriels reposent sur l'exploitation inspirée de retours d'expériences et de démarches «essais-erreurs« qui ont conduit à la mise au point de «recettes de matériaux hétérogènes« performantes, s’agissant des garnitures de frein et des matériaux «abradables« pour les turboréacteurs. Néanmoins, en l’absence d’une réelle appréhension des phénomènes, ces approches «boîte noire« posent problème face aux nouvelles exigences techniques et environnementales et engendrent des coûts de développement très élevés en raison du nombre d’essais nécessaires.
L’objectif du projet est de mettre au point une méthodologie multi-échelle de « conception » des matériaux de friction, chaînon manquant dans la démarche de compréhension et de modélisation des systèmes (freins et turboréacteurs) dans le but d’augmenter leurs performances énergétiques, de réduire les nuisances environnementales tout en maintenant leur fiabilité.
Face à cette complexité, la démarche repose d’une part sur l’identification des phénomènes physiques prépondérants et d’autre part sur une dialogue modèle-expérience fort.
Ce projet regroupe des expériences et moyens des partenaires de différents secteurs du transport aéronautique, automobile et ferroviaire dans un esprit de fertilisation croisée.

Caractérisation des matériaux en lien avec la modélisation hétérogène et dialogue modèle-expérience pour l'évolution sous sollicitation de frottement
La démarche repose sur les points clés suivants :
- Définition et élaboration de « matériaux modèles » représentatifs des matériaux industriels mais de formulation réduite et contrôlée
- Caractérisation microstructurale des matériaux (par tomographie notamment) et de leurs propriétés mécaniques, thermiques et tribologiques. A cet effet des dispositifs originaux sont nécessaires, compatibles avec les matériaux, les contraintes de dimension et de sollicitation. L'instrumentation aux échelles macro et microscopiques est privilégiée afin d'accéder à des grandeurs à plusieurs échelles (par mesures de champs notamment). Lien entre ces caractérisations et la modélisation des matériaux hétérogènes par des approches multi-échelles numérique (méthode des éléments finis) et d'homogénéisation théorique et semi-analytique.
- Essais éprouvés sur tribomètres, avec caractérisation des matériaux et de l’interface (troisième corps) et de leurs gradients, après ou au cours de la sollicitation, à l'aide de moyens originaux de caractérisation rhéologique (rhéomètres et meso-tribomètres). Lien avec une approche numérique multi-échelle et multi-physique considérant l'évolution des matériaux et de l'interface avec la sollicitation.
- Intégration des approches multi-échelles dans des modélisations systèmes des applications industrielles traitées et résultats.

Résultats


'- Des matériaux à formulation réduite ont été élaborés et caractérisés permettant de de disposer de microstructures connues, étape indispensable pour la modélisation des phénomènes.
- Sur la base de la complémentarité entre analyses microstructurales, caractérisation des propriétés matériaux et modélisations hétérogènes, une méthodologie originale a été proposée liant propriétés et rôle des composants. Le principe est de mettre en place des moyens de calculs hétérogènes en lien avec la caractérisation microstructurale afin d'identifier les composants qui jouent un rôle sur les propriétés, et non pas d'inclure forcément tous les composants.
- Des moyens originaux de caractérisation des matériaux et interfaces ont été proposés, sous sollicitation de compression et cisaillement, couplés à des mesures de champs permettant d'accéder à des informations globales et locales. Ces moyens sont extensibles à d'autres matériaux.
- Du point de vue des modélisations différentes méthodes théoriques et numériques de matériaux hétérogènes ont été développées et comparées, avec une pertinence associée au type de matériau considéré.
- Du point de vue des caractérisations en frottement, des avancées ont été obtenues concernant la pertinence d'essais de type « micro-tribologie » permettant de disposer d’indicateurs de frottement et d’usure «contrôlés».
- Une méthodologie numérique multi-échelle a été développée dans l’objectif de pouvoir traiter les interactions entre la réponse du système complet et les hétérogénéités à l’échelle du contact, en combinant une modélisation EF avec une résolution du contact semi-analytique. Cette méthode a été validée pour des résolutions mécaniques et étendue à la partie thermomécanique. Elle présente l’avantage d’être intégrable rapidement dans les pratiques industrielles.
- Enfin il a été montré la nécessité de considérer l’évolution des matériaux sous sollicitation, jamais prise en compte dans la bibliographie et pourtant du premier ordre.

Perspectives

Face aux enjeux socio-économiques, de réduction de consommation de matière et d'émissions de polluants, les retombées principales du projet sont :
- une méthodologie de « conception » des matériaux de friction pour les applications freinage et revêtements de carter de turboréacteur,
- une modélisation multi-échelle matériau – interface de contact, intégrable dans les méthodes industrielles.
Il faut y ajouter une réduction des coûts de développement des solutions matériaux.
Du point de vue scientifique, la retombée majeure est une « homogénéisation des interprétations tribologiques » qui sera une première en tribologie.

Productions scientifiques et brevets

La production concerne des publications scientifiques (cf. liste ci-dessous) et des communications dans des conférences scientifiques et industrielles (19 au 31/07/2016).
Certains moyens originaux de caractérisations des matériaux et interfaces pourront faire l'objet de dépôts de brevet.
Certains des moyens de simulation multi-échelles seront valorisés par une intégration dans les méthodes industrielles.

1. Role of constituents of friction materials on their sliding behavior between room temperature and 400 °C Mat and Design 65 (2015)
2. Limit analysis and homogenization of porous materials with Mohr-Coulomb matrix. Part I: theoretical formulation J of the Mech and Physics of Solids 91 (2016)
3. Limit analysis and homogenization of porous materials with Mohr–Coulomb matrix. Part II: Numerical bounds and assessment of the theoretical model J of the Mech and Physics of Solids 91 (2016)
4. A multiscale method for frictionless contact mechanics of rough surfaces Trib Int 96 (2016)

Partenaires

FBF Foundation Brakes France S.A.S

FTG Faiveley Transport Gennevilliers

IJLRDA Institut Jean Le Rond D'Alembert

INSA DE LYON - LAMCOS Institut National des Sciences Appliquées de lyon - Laboratoire de Mécanique de Contact et des Structures

KUL Katholieke Universiteit Leuven

LML Laboratoire de Mécanique de Lille

SNECMA SNECMA

Aide de l'ANR 994 619 euros
Début et durée du projet scientifique décembre 2012 - 48 mois

Résumé de soumission

Dans les turboréacteurs aéronautiques la réduction de la consommation spécifique en kérosène et des émissions de CO2 et de NOx passe par la maîtrise des jeux entre rotor-stator et par voie de conséquence des interactions aube-carter. Celles-ci sont fortement conditionnées par le choix des matériaux "abradables" côté carter.
En ce qui concerne les systèmes de freinage, les dispositions réglementaires de réduction des impacts environnementaux (nuisances sonores, émissions de particules) et d’augmentation des performances de dissipation énergétiques pour les grandes vitesses, passe par une maîtrise des phénomènes de frottement et du choix des matériaux en contact.
Dans ces deux applications, les solutions mises en œuvre par les industriels reposent sur l'exploitation inspirée de retours d'expériences et de démarches "essais-erreurs" qui ont conduit à la mise au point de "recettes de matériaux hétérogènes" performantes, s’agissant des garnitures de frein et des matériaux "abradables" pour turboréacteur aéronautique. Néanmoins, en l’absence d’une réelle appréhension des phénomènes, ces approches "boîte noire" posent problème face aux nouvelles exigences techniques et environnementales. Elles engendrent de plus des coûts de développement très élevés en raison du nombre d’essais nécessaires élevé.
L’objectif du projet est de mettre au point une méthodologie multi-échelle de « conception » des matériaux de friction. Cette méthodologie représente le chaînon manquant dans la démarche de compréhension et de modélisation des systèmes (freins et ensembles rotor-stator de turboréacteurs) dans le but d’augmenter leurs performances énergétiques, de réduire les nuisances environnementales (acoustique, pollution…) tout en maintenant leur fiabilité en tant qu’éléments sécuritaires.
Face à cette complexité, la démarche repose d’une part sur l’identification des phénomènes physiques prépondérants et d’autre part sur une dialogue modèle-expérience fort.
Un intérêt majeur de ce projet est de regrouper les expériences et les moyens des partenaires de différents secteurs du transport aéronautique, automobile et ferroviaire dans un esprit de fertilisation croisée.
Les industriels (Snecma, FBF-Bosch et FTG-Faiveley) et certaines équipes du projet possèdent déjà une grande expérience dans les applications visées (LaMCoS et LML-ER5) et dans la connaissance des phénomènes physiques mis en jeu. Ils proposent d’y ajouter des compétences sur les approches multi-échelles (IJLRDA et LML-ER4) ainsi qu’en physico-chimie des surfaces (KUL).
La démarche repose sur les points clés suivants :
Définition de « matériaux modèles » représentatifs des matériaux industriels mais de formulation réduite et contrôlée, qui seront caractérisés en termes d’hétérogénéités et de propriétés
Essais éprouvés sur tribomètres, suivant avec caractérisation quantitative des propriétés des matériaux et de l’interface (troisième corps) et de leurs gradients. Des moyens originaux de caractérisation rhéologique seront pour cela mis en œuvre (rhéomètres et meso-tribomètres)
Approche numérique multi-échelles et multi-physiques considérant l’hétérogénéité du matériau et de l’interface. Celle-ci se fera par approche multi-échelle numérique et homogénéisation semi-analytique.
Les retombées principales sont, face aux enjeux socio-économiques précités :
une méthodologie de « conception » des matériaux de friction pour les applications freinage et revêtements abradables de carter de turboréacteur,
une modélisation multi-échelle matériau – interface de contact, intégrable dans les méthodes industrielles d’analyse des performances des systèmes freins et turboréacteurs.
Du point de vue scientifique, la retombée majeure est une « homogénéisation des interprétations tribologiques » qui sera une première en tribologie.

 

Programme ANR : Transports Durables et Mobilité (TDM) 2012

Référence projet : ANR-12-VPTT-0006

Coordinateur du projet :
Monsieur DUFRENOY PHILIPPE (Laboratoire de Mécanique de Lille)
philippe.dufrenoy@nullpolytech-lille.fr

Site internet du projet : http://www.comatco.polytech-lille.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.