Bridging scales in wear modeling with volume integral methods for elastic-plastic contact - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Bridging scales in wear modeling with volume integral methods for elastic-plastic contact

Approche par intégrales volumiques pour la représentation du contact élastique-plastique et la modélisation multi-échelles de l'usure

Résumé

All mechanical systems, naturally occurring or human-produced, are subjected to friction and wear at the interface of solid constituents. Large portions of energy dissipation and loss of material, in every-day life and industrial applications alike, are due to friction and wear. Mitigating their effects could save between 1% and 2% of the GDP of a developed country. Some systems governed by friction and wear can have an even more important bearing on human lives, such as earthquakes nucleating from the sliding of tectonic faults. Despite the tremendous impact of tribological phenomena on society, their understanding has remained empirical, and to this day no predictive model has emerged. Interface processes such as friction and wear are difficult to investigate because of the large number of underlying physical phenomena (e.g. adhesion, fracture, etc.) and the difficulty of observing them at contact interfaces. Although research endeavors into friction and wear have not produced predictive models, they have identified key components of tribological systems necessary to build such models. Central among them is the idea that solids may not be in contact across their apparent interface area, but instead a much smaller "true contact area." This true contact area is the result of the surfaces in contact being inevitably rough. In addition, contact pressures on roughness peaks are expected to cause plastic flow of material, drastically changing the properties of the contact interface, and the role it plays in tribological processes. Therefore, the aim of this PhD thesis is to develop tools for the modeling of elastic-plastic rough contact interfaces, and to study the applicability of knowledge of the contact state to the modeling of interface phenomena. The first part of this objective is the development of a novel computational approach to volume integral methods, which are used to solve elastic-plastic rough surface contact. Volume integral methods have the advantage over the finite-element method in that they can represent exactly elastic constitutive behavior and semi-infinite bodies, which are commonly used in rough contact applications. This thesis develops a new fundamental solution used in a volume integral approach, which drastically improves computation times and required memory over previous approaches. Derived directly in the Fourier domain, this fundamental solution makes optimal use of the fast-Fourier transform while retaining the advantages of classical volume integral methods. In the second part, this numerical approach is used to study the so called "Archard's wear coefficient", and to up-scale known micro-scale adhesive wear mechanisms to the macro-scale via rough contact simulations. These show that wear is an emergent process dependent on the interaction of micro-scale mechanisms: they demonstrate the role of plastic deformations in the crack nucleation process, and the necessity to look beyond the true contact area to understand tribological phenomena. While this thesis remains quite fundamental, the tools and codes developed can be used outside the realm of elastic-plastic contact, and the up-scaling approach to wear that we have established is a first step towards predictive models.
Qu'ils soient naturels ou manufacturés, tous les systèmes mécaniques sont sujets au frottement et à l'usure aux interfaces entre leurs composants. Des pertes énergétiques et matérielles majeures, aussi bien au quotidien que dans les applications industrielles, sont dues au frottement et à l'usure. Les gains économiques que générerait un meilleur contrôle de ces effets sont estimés entre 1% et 2% du PIB d'un pays développé. Plus important encore, certains systèmes soumis au frottement et à l'usure, comme les failles tectoniques, ont un impact sur des vies humaines. Malgré la considérable influence des phénomènes tribologiques sur nos sociétés, nous n'en avons qu'une compréhension empirique, sans capacité de prédiction. Les mécanismes physiques se déroulant aux interfaces, tels que le frottement et l'usure, sont complexes à analyser à cause des multiples processus dont ils sont issus (p. ex. l'adhésion, la rupture, etc.) et de la difficulté d'observation des interfaces de contact. Malgré que la recherche n'ait pas produit de modèle prédictif, certains aspects clés des systèmes tribologiques ont néanmoins étés mis en évidence. Parmi eux, le fait que deux solides ne soient pas en contact sur toute leur interface, mais sur une aire réduite appelée « aire de contact, » joue un rôle central. Cette aire de contact résulte de l'inévitable rugosité des surfaces. De plus, les pressions de contact peuvent être suffisantes pour causer des déformations plastiques, changeant ainsi les propriétés de l'interface et son rôle des les processus tribologiques. L'objectif de cette thèse est donc de développer des outils pour la modélisation du contact entre solides élastoplastiques, et de transférer la connaissance de l'état de contact à des modèles de phénomènes d'interface. La première partie de cet objectif comporte le développement d'une nouvelle approche numérique pour des méthodes d'intégrale volumique utilisées dans la résolution de problèmes de contact élastoplastique à surface rugueuse. Comparées aux éléments finis, les méthodes intégrales ont l'avantage d'exactement représenter le comportement élastique et les conditions aux limites infinies qui sont couramment utilisées pour des applications de contact de surfaces rugueuses. Cette thèse apporte une nouvelle solution fondamentale qui améliore considérablement le temps de calcul et le coût mémoire par rapport aux méthodes existantes. Cette solution fondamentale, dérivée dans le domaine de Fourier, fait un usage optimal de la fast-Fourier transform en conservant les avantages des méthodes intégrales volumiques classiques. En seconde partie, cette approche est appliquée à l'étude de l'usure entre les échelles micro et macro à l'aide de simulations de contact élastoplastique. Ces dernières rendent explicite l'émergence de l'usure à partir de la rugosité des surfaces et des interactions entre des mécanismes à l'échelle micro. Le rôle prépondérant des déformations plastiques dans le processus de nucléation de fissure est démontré, ainsi que la nécessité d'aller au-delà de l'aire de contact pour comprendre les phénomènes tribologiques. Bien que cette thèse soit relativement fondamentale, les outils et codes développés peuvent être utilisés au-delà du contact élastoplastique, et l'approche de l'usure qu'elle établit est une première étape vers des modèles prédictifs.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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Dates et versions

tel-02480029 , version 1 (14-02-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02480029 , version 1

Citer

Lucas Henri Galilée Frérot. Bridging scales in wear modeling with volume integral methods for elastic-plastic contact. Solid mechanics [physics.class-ph]. Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02480029⟩

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