Modélisation tribologique et thermomécanique des composites Carbone/Carbone pour les performances de freinage

La connaissance des performances de freinage et des phénomènes d'usure des disques de freins est une composante essentielle du business de SAFRAN Landing Systems (SLS). En effet, ces phénomènes interviennent au premier plan dans l’équilibre financier des programmes en développement et dans les choix stratégiques d’élaboration de nouveaux matériaux de friction pour freins aéronautiques.Outre la mise en œuvre d’essais expérimentaux, le développement de cette connaissance passe également par le développement et l'utilisation de modèles numériques, moins coûteux. Dans cette optique que, SLS développe depuis quelques années un outil de simulation par éléments finis en prenant en compte certains des phénomènes thermomécaniques ayant lieu au cours du freinage, en lien avec les propriétés du matériau de friction. Si cet outil permet d'obtenir des corrélations tout à fait satisfaisantes avec la plupart des essais de freinage menés par SLS (atterrissage, freinage d’urgence …), ses hypothèses de modélisation ne lui permettent pas de couvrir certains phénomènes « limites », notamment ceux ayant lieu à basse vitesse : comportement dynamique du frein lors des freinages de type taxiage, comportement en couple statique, ou encore influence de la physico-chimie sur l’usure du matériau de friction.Ce besoin de connaissance n'est pas simplement un challenge industriel, mais représente bel et bien un challenge scientifique de premier plan. En effet, aujourd'hui il est établi que l'application de critère d'usure tel que la loi d'Archard, n'apparaît pas comme une solution envisageable pour représenter les contacts fermés dans lesquels les particules d'usures restent piégées. En effet, ladite loi ou ses dérivées ne prennent pas en compte la complexité de l'interface en particulier l'ensemble des débris formant un « troisième corps» séparant les deux corps en contact, son évolution dynamique et physico-chimique. Pour prendre en compte cette réalité fort complexe, il faut alors placer les travaux dans le cadre du concept du triplet tribologique, seul à même d'appréhender la réalité d'un contact.C'est dans cette optique que de nombreux travaux ont été menés en partenariat avec le Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (LaMCoS) et le Laboratoire de Mécanique et de Génie Civil (LMGC). En se plaçant à différentes échelles de la modélisation, ils ont individuellement permis de premières avancées sur ces sujets à travers le développement de modèles tribologiques locaux fonctionnant sous la plateforme logicielle LMGC90. Grâce à des modèles par éléments finis (FEM) se plaçant à une échelle mésoscopique du matériau, une analyse prenant en compte les aspects dynamiques ainsi que l'influence des éléments de microstructure du composite a pu être réalisée. Ensuite, en se plaçant à une échelle microscopique et en utilisant des modèles par éléments discrets (DEM) des études qualitatives sur les échauffements et dégradation du matériau au contact ainsi que sur les aspects physico-chimiques dans le troisième corps ont pu être réalisés. Aujourd'hui, l'apport potentiel de ces modèles vis-à-vis des limites identifiées dans l'outil de calcul industriel apparaît naturellement. L'objectif de cette étude est d'élaborer une méthodologie d'utilisation conjointe des modèles locaux afin de concrétiser cet apport. De ce fait, des études paramétriques dans les conditions de freinage basses énergie sont réalisées dans les deux échelles macro avec l'outil de calcul industriel et micro à l'aide des modèles locaux. Le but de ses études est d'identifier les paramètres susceptibles d'être utilisés comme éléments de dialogue des deux approches. Enfin une nouvelle approche théorique de la modélisation de l'usure des freins est proposée à l'échelle continue (FEM). Celle-ci est écrite dans le cadre des matériaux standards généralisés.