Méthodologie d’analyse et simulation numérique de l’usure

Algorithme de simulation de l’usure par un code basé sur la méthode des éléments finis 

Introduction : Ce chapitre présente un algorithme de simulation de l’usure par un code basé sur la méthode des éléments finis d’un comportement thermomécanique pour un contact géométrique. Cette simulation de l’usure qui est influencée par les interactions entre les paramètres de fonctionnement (chargement, vitesse de glissement, température de contact) et les propriétés de surface. Les contacts roulants ou glissants sont particulièrement exposés à la fatigue de surface et aux dommages structurels qui en résultent, plusieurs variables peuvent être utilisées pour décrire ce dommage (fatigue thermomécanique). L’objectif de ce chapitre est de présenter un modèle pour une simulation de l’usure par un code basé sur la méthode des éléments finis. Le modèle de contact est nécessaire pour déterminer le champs des contraintes de contact des deux surfaces, suivi par une analyse des points de contact déplacés de la surface la moins dure. Enfin, une analyse des résultats obtenus exprimée en volume ou en hauteur d’usure. Ce chapitre consiste a aborder les étapes suivantes :  Une analyse de l’usure par la méthode des éléments finis.  Présentation des étapes de simulation d’un contact de deux matériaux.  Un calcul de la pression de contact puis en injectant un modèle d’itération avec les paramètres d’entrées (sous programme).  Un affichage des résultats. 

Etapes d’analyse del’usure par la méthode des éléments fini

L’ analyse de l’usure par la méthode des éléments finis d’une surface consiste à calculer les pressions aux nœuds de la surface soumis à l’usure. Après un cycle de fonctionnement (contact relative des deux surfaces), un déplacement des nœuds se produit indique de la matière enlevé (usure). Un modèle (soubroutine) injecté dans un code de calcul (Ansys) permis de calculer le volume usé. Ces étapes de cette analyse plus en détail sont présenté de la manière suivante :  Chaque nœud est déplacé (sous la pression et le frottement de la surface en mouvement relative) , incité à l’enlèvement de matière localisée (au niveau du nœud).  Après un cycle de fonctionnement, le déplacement des nœuds au niveau du contact se rapproche (superposition de deux nœuds), une géométrie révisée du contact indique un point de surface usée.  Un modèle (Archard modifié) permettant de calculer le volume usé, est injecté dans un code de calcul (Ansys).  La géométrie du modèle est mise à jour à chaque cycle.

Les étapes principales pour une simulation numérique de l’usure de deux surfaces en contact

Les étapes principales pour une simulation numérique de l’usure d’une surface sont :  Géométrie de contact et type du solide :  La géométrie de contact spécifier le ( type de contact des deux surfaces, plans, ponctuel,…).  Modèle de contact de deux surfaces (modèle 2D).  Type de solide (rigide déformable pour le matériau étudié pour le cas usure).  Comportement du matériau (élasto-plastique). Fig.(III-1-1).  Propriétés de matériaux en contact : Spécifier au code de calcul les propriétés suivantes : Module de Young (E), coefficient de poisson (ε), conductivité thermique (γ) , coefficient de frottement (µ). Chapitre III 96  Maillage : Le maillage est un choix très important pour une simulation numérique de l’usure, il est basé sur plusieurs paramètres :  La géométrie de maillage (maillage de nœud triangulaire, maillage de nœud rectangulaire,…),  La géométrie de maillage, responsable à la convergence et divergence des résultats (volume usé).  La zone de contact des deux matériaux qui provoque l’usure, nécessite un raffinement du maillage Fig.(III-1-2) [110]. Ce raffinement du maillage augmente le nombre de nœuds, ce qui demande un temps de calcul plus important, et une utilisation d’un ordinateur de bon performance .  Les conditions aux limites et initiales : La simulation éxige de limiter les grandeurs géométriques des deux matériaux (surface de contact, limiter la zone de glissement), le temps de contact (nombre de cycles), les grandeurs thermomécaniques (pression, température..).  Les conditions de fonctionnement : Le code de simulation utilisé (Wear Model Ansys), pour le cas d’un contact glissant nécessite l’introduction des paramètres de fonctionnements (charge, vitesse de glissement, température de contact..), cycle (temps de contact).  Solution et analyse des résultats : Après toutes ces étapes, notre logiciel (code de simulation Wear Modèle Ansys) affiche des résultats numériques qui répondent à notre modèle injecté (modèle Archard). L’analyse des résultats de simulation numérique est l’étape la plus importante (out put results), et surtout pour le cas de l’usure (qui prend en considération plusieurs paramètres et qui demande un processus particulier pour estimer le volume usé comme résultat) Fig.(III-1-3). Figure.(III-1-1): Modèle de contact et maillage de la géométrie Chapitre III 97 Figure.(III-1-2): Maillage rectangulaire raffiné au niveau de la zone de contact usée.[110] Figure.(III-1-3): Résultats d’une surface usée (déformation plastique) pour une géométrie de contact de 6 mm après un cycle pour des paramètres (T=650°C, F= 20N,V=0.5m/s) III-1-4 Organigramme de la méthode de simulation numérique de l’usure par un code: L’organigramme comporte les étapes utilisés par le code de calcul Fig.(III-3-4) :  Les paramètres d’entrée.  Modèle de contact maillé par éléments finis (EF).  Calcul de la pression de contact par (EF).  Un modèle d’Archard permet de calculer le volume usé.  Un test de mise à jours les nœuds déplacés (ΔN) par rapport au cycle total d’usure (Nt).  Affichage des résultats (volume usé),pour un cycle total (Nt).