Macroscopic frictional contact scenarios and local contact dynamics : At the origins of “macroscopic stick-slip”, mode coupling instabilities and stable continuous sliding
Scénarios macroscopiques de frottement de contact et contacts dynamiques locaux : A l'origine de "macroscopique stick-slip", mode d'instabilités de couplage et glissement stable continu
Résumé
Local contact behavior and its interaction with the global dynamics of the system are at the origin of innumerable contact issues concerning several different disciplines like tribology, geophysics, vibration mechanics or fracture mechanics. When two elastic media are in relative motion with a frictional interface, friction induced vibrations arise into the system. By a macroscopic point of view, the “macroscopic stick-slip” scenario occurring during relative motion is characterized by sudden friction force drops (sliding state) along the time, separated by periods of elastic energy accumulation (stick state). Instead, the mode dynamic instability occurs when a vibration mode of the mechanical system becomes unstable, due to frictional contact forces. This kind of instabilities, generated by frictional forces, have been mainly object of papers dealing with specific issues in different domains. In this context, experimental and numerical analyses have been focused here on understanding how the local interface behavior affects the macroscopic frictional response of the system, and, conversely, during instability scenarios. The macroscopic frictional scenarios (macroscopic stick-slip instability, mode coupling instability, stable continuous sliding) arising between two simple elastic media in relative motion have been investigated numerically and experimentally. A newer experimental setup (TRIBOWAVE) has been developed and it allowed to reproduce and to investigate the different scenarios under well-controlled boundary conditions. The same frictional scenarios have been reproduced by transient numerical simulations. A dedicated friction law as a function of adherence (sticking) time has been recovered by means of experimental tests. The obtained friction law has been implemented in the numerical model, leading to a quantitative validation of the simulated scenarios by the experiments. Nonlinear transient simulations, complex eigenvalue analyses and experimental tests allowed for drawing instability maps as a function of system key parameters. The numerical model, validated by the comparison with the experimental global measurements (forces, accelerations/velocity), allowed for investigating the coupling between the local contact behavior (contact status distribution, wave and rupture propagation, precursors) and the system dynamic response during macroscopic stick-slip instability, mode coupling instability and stable continuous sliding. The understanding of the coupling between contact and system dynamics will bring to further improvements on the control of contact instabilities and related wear issues.
Le comportement local au contact et son interaction avec la dynamique globale du système sont à l'origine d’innombrables problèmes de contact concernant plusieurs disciplines telles que la tribologie, la géophysique, la mécanique de vibration ou la mécanique de la rupture. Lorsque deux corps élastiques sont en mouvement relatif avec une interface de frottement, des vibrations induites se produisent dans le système. Dans un point de vue macroscopique, le scénario macroscopique de stick-slip survenant pendant le mouvement relatif est caractérisé par la chute soudaine de la force de frottement (état de glissement), séparées par des périodes d'accumulation d'énergie élastique (état d’adhérence). Autrement, une instabilité dynamique se produit quand un mode de vibration du système mécanique devient instable en raison des forces de frottement. Ces types d'instabilités, générées par des forces de frottement, ont été principalement objet de publies traitant de problèmes spécifiques dans différents domaines. Dans ce contexte, des analyses expérimentales et numériques ont été ici mis en place pour comprendre comme le comportement de l'interface locale affecte la réponse macroscopique du système et vice-versa, au cours de scénarios d'instabilité. Les scénarios macroscopiques (instabilité de « stick-slip macroscopique », instabilité modale, glissement continu stable), survenant entre deux milieux élastiques simples en mouvement relatif, ont été étudiés numériquement et expérimentalement. Un dispositif expérimental dédié (TRIBOWAVE) a été développé et a permis de reproduire et examiner les différents scénarios de frottement dans des conditions aux limites bien contrôlées. Les mêmes scénarios de frottement ont été reproduits par des simulations numériques transitoires. Une loi de frottement en fonction du temps d’adhérence (stick) a été définie à partir des essais expérimentaux. La loi de frottement obtenue a été mise en œuvre dans le modèle numérique, conduisant à une validation quantitative des scénarios de frottement par les expériences. Les simulations transitoires non linéaires, l’analyse aux valeurs propres complexes et les tests expérimentaux ont permis de dessiner des cartes de scénarios d'instabilité en fonction des paramètres clés du système. Validé par la comparaison avec les mesures des signaux expérimentaux globaux (forces, accélérations / vitesse), le modèle numérique a permis d'étudier le couplage entre le comportement du contact local (distribution de l'état du contact, propagation des ondes et des ruptures, précurseurs) et la réponse dynamique du système au cours du « stick-slip macroscopique », de l’instabilité due au couplage modale et du glissement continu stable. La compréhension du couplage entre le contact et la dynamique des systèmes apportera de nouvelles améliorations sur le contrôle des instabilités de contact et les problèmes d'usure connexes.
Origine : Version validée par le jury (STAR)