Analysis of the thermal fatigue damage and thermomechanical modelling of the TGV disc-pad friction pair

ANALYSE DE L'ENDOMMAGEMENT PAR FATIGUE THERMIQUE ET MODELISATION DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE DE COUPLES DISQUES-GARNITURES DE TYPE TGV

Jonathan Wong (1)

1 LML - Laboratoire de Mécanique de Lille - FRE 3723

The industrial context of the thesis is to understand and model the thermal solicitation of TGV brake discs in order to determine the disc surface damage. For the four types of commercial pad used, the damage results firstly in a fast appearance of a cracking network on the surface and, secondly, in a development of macroscopics cracks, depending on the pad type. The study proceeds in three stages: i) determining the thermal loadings of the disc, according to the characteristics of the pad used; ii) calculating the stress fields and deformation during brakings; iii) analyzing their criticality regarding to the risks of cracking network and cracking. For that, a new campaign on a full scale test bench was carried out with a detailed attention to the thermal measurements. For numerical modelling, 2D and 3D models of the disc are used to simulate hot bands or macroscopic hot spots. Thermomechanical loading is analyzed for the various pad types; disc loadings are either based on simplified thermal fields, or issued from thermographic films resulting from the tests. Lastly, a model of the complete brake is used to determine the influence of parameters of the pads on the localization of the heat flux and the distribution of contact pressure. Parametric studies are then undertaken to release the influence of the physical and mechanical parameters of the pads, and to propose, in a predictive step, ways of improvement in the design of new pads less prejudicial regarding to the risks of cracking.

Le contexte industriel de la thèse est de comprendre et modéliser la sollicitation thermique des disques de frein de TGV afin d'en déduire l'endommagement en surface. Pour les quatre types de garnitures commerciales utilisées, l'endommagement se traduit par l'apparition rapide d'un réseau de faïençage superficiel, qui peut conduire, dans certains cas, au développement d'une fissure macroscopique. L'étude procède en trois étapes : i) connaître les chargements thermiques subis par le disque, en fonction des caractéristiques de la garniture utilisée ; ii) déterminer les champs de contrainte et déformation au cours de freinages types ; iii) analyser leur criticité eu égard aux risques de faïençage et fissuration. Pour cela, une nouvelle campagne sur banc d'essai à l'échelle 1 a été menée en portant une attention particulière sur les mesures thermiques. D'un point de vue modélisation numérique, des modèles 2D et 3D du disque sont utilisés pour la simulation de cercles chauds ou de points chauds. La sollicitation thermomécanique est analysée pour les différents types de garniture, soit à partir de champs thermiques simplifiés, soit à partir des films thermographiques issus des essais. Enfin, un modèle complet du système de freinage complet est utilisé pour mettre en évidence les paramètres de la garniture influant sur la localisation du flux thermique et la répartition de pression de contact. Des études paramétriques sont alors menées pour dégager l'influence des paramètres physiques et mécaniques des garnitures, et proposer dans une démarche prédictive des voies d'amélioration dans la conception de nouvelles garnitures moins préjudiciables vis-à-vis des risques de fissuration.

Mots clés: Braking; Cracking; Thermomechanical sollicitation; thermal fatigue; Damage; Finite Element Analysis FEA; Infrared recording

Mots clés: Freinage; Fissuration; Sollicitation thermomécanique; Fatigue thermique; Endommagement; Méthode des Eléments Finis; Faïençage; Thermographie infrarouge

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]; Modélisation et simulation

Jonathan Wong. ANALYSE DE L'ENDOMMAGEMENT PAR FATIGUE THERMIQUE ET MODELISATION DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE DE COUPLES DISQUES-GARNITURES DE TYPE TGV. Mécanique [physics.med-ph]. Ecole Centrale de Lille, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00222866⟩