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Introduction générale

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Lorsque deux corps entrent en contact avec frottement, il y a dissipation d’énergie et donc de la chaleur produite au niveau du contact, ce qui entraîne une dilatation pouvant accroître le champ de pression, … . Ce phénomène s’accroît si les contraintes tangentielles ainsi que les vitesses relatives de glissement entre les deux corps sont importantes .Ces effets thermomécaniques se traduisent la plus part du temps par la formation de zones localisées à très forts gradients thermiques, les points chauds. Il y a apparition de déformations thermiques et des concentrations de contraintes pouvant générer des fissures, des vibrations, etc.

Avec le développement des nouvelles technologies dans l’industrie automobile, les véhicules sont devenus de plus en plus performants. Les systèmes de freinage doivent suivre ce même rythme. Le frein, comme organe majeur de sécurité, succite constamment un grand intérêt pour les ingénieurs. Outre la concurrence dans le domaine de l’automobile de plus en plus rude s’ajoute les soucis d’efficacité, de fiabilité, de confort, du coût et du délai de fabrication. L’objectif de l’ingénieur est donc de trouver le meilleur compromis entre ces exigences de sécurité et de ces contraintes technico-économiques. Pour pouvoir réaliser une conception optimale, il convient de mettre en œuvre des techniques numériques complétant les études expérimentales.

Dans l’industrie aéronautique et automobile, de nombreuses pièces sont soumises simultanément à des sollicitations thermiques et mécaniques. Les sollicitations thermomécaniques peuvent provoquer des déformations et mêmes des endommagements .Par exemple, le frottement dans un système de freinage génère de la chaleur dans le disque laquelle peut engendrer des déformations et des vibrations.

Dans cette étude, on s’intéressera à la modélisation numérique du comportement thermomécanique des disques de frein des véhicules en appliquant le code de calcul ANSYS 11.0. Ainsi, on établit le champ de température du disque et des plaquettes de frein en fonction des conditions aux limites thermiques et mécaniques.

Le disque de frein automobile peut subir des dégradations dont l’origine réside dans les sollicitations couplées mécaniques (pression des garnitures sur le disque et serrage du disque sur le moyeu) et thermiques (échauffement par frottement). En raison de la complexité du système, les modélisations numériques ne sont envisageables que si on se base sur des hypothèses simplificatrices. L’hypothèse d’axisymétrie est communément adoptée ce qui implique que la rotation du disque et les phénomènes tridimensionnels seront négligés. Ces simplifications ne permettent qu’une prédiction quantitative approximative de la réponse thermomécanique du disque.

L’objectif de cette thèse est de présenter une modélisation du comportement thermomécanique des disques de frein pour la prédiction de leur tenue en fatigue.

Cette étude est réalisée à l’aide du logiciel ANSYS v 11.0 qui est basé sur la méthode des éléments finies. Ce code de calcul est développé principalement pour la résolution des problèmes physiques complexes. Le calcul est divisé en trois étapes, la première comporte un calcul thermique qui détermine l’évolution du champ de la température dans le disque, la seconde un calcul statique, qui détermine les champs de contraintes et les déformations globales ainsi les pressions de contact du modèle et la troisième présente les résultats du couplage thermomécanique.

La présentation de ce travail s’articule autour de quatre chapitres.

Le chapitre I présente une étude bibliographique fondée sur les disques de frein, la composition et les matériaux utilisés, ainsi que les différents phénomènes thermiques et mécaniques rencontrés.

Le chapitre II est consacré à la formulation analytique de l’équation de chaleur tout en décrivant les modes de transfert thermique y intervenant. Une méthode de calcul est illustrée dans ce sens pour évaluer la quantité du flux thermique de friction entrant dans le disque.

Le chapitre III porte sur la modélisation numérique du problème thermomécanique du disque de frein et la mise en ouvre du logiciel ANSYS v 11.0 utilisé dans cette modélisation.

Le chapitre IV est consacré à la présentation et à l’interprétation des différents résultats thermomécaniques obtenus à l’aide du code de calcul.

Enfin, ce travail se termine par une conclusion générale présentant une synthèse des résultats de simulation obtenus et par des perspectives dans le domaine du contact sec glissant.

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