Description

Problématiques Scientifiques
Les phénomènes d’endommagement sous contact vibratoire constituent un enjeu majeur pour la fiabilité et le dimensionnement des assemblages mécaniques industriels, tels que les composants aéronautiques (aubes, disques, assemblages boulonnés), et les structures énergétiques (câbles haute tension, assemblages frettés). Ces sollicitations, caractérisées par des micro-glissements cycliques à l’interface de contact, conduisent à des mécanismes d’endommagement complexes associant usure, plasticité localisée, formation de débris et amorçage de fissures.
Si les modèles actuels permettent, dans certains cas, de prédire les endommagements globaux, la compréhension fine des mécanismes locaux au sein de l’interface de contact demeure très limitée. Cette difficulté provient d’un verrou majeur : l’absence d’observation in-situ de par la nature fermée et opaques des contacts mécaniques. En conséquence, la majorité des travaux reposent sur des analyses post-mortem, qui ne permettent ni de reconstituer proprement la chronologie des mécanismes d’endommagement, ni d’identifier clairement les synergies entre déformation plastique, génération de débris, évolution de la géométrie du contact et amorçage de fissures.
C’est dans ce contexte que s’inscrit cette thèse, dont l’objectif est de développer une approche innovante de type “TomoFretting”, combinant essais de fretting in situ sous tomographie X et modélisation mécanique avancée, afin de renouveler en profondeur l’analyse des mécanismes d’endommagement sous contact.
Déroulement de la thèse
Après une revue bibliographique approfondie portant sur les mécanismes d’endommagement en fretting, les approches expérimentales in situ et les méthodes d’analyse d’images tomographiques, le/la doctorant·e participera au développement et à la validation d’un banc d’essai de fretting/reciprocating compatible avec la tomographie X. Ce dispositif, conçu pour des matériaux métalliques, permettra de réaliser des essais aussi bien ex situ qu’in situ, avec une résolution spatiale inférieure à 2 µm.
Deux campagnes expérimentales complémentaires seront menées. La première, sur un banc de fretting classique, permettra de caractériser les endommagements par usure et fissuration en fonction des conditions de chargement, afin d’établir une référence matériau. La seconde, réalisée sur le dispositif TomoFretting dans des conditions comparables, visera à observer in situ par tomographie X l’évolution tridimensionnelle de l’interface frottée, en particulier les surfaces de contact, la dynamique du 3ème corps et l’initiation des fissures. Des méthodes de corrélation d’images volumiques seront utilisées pour quantifier les champs de déformation locaux. L’analyse croisée des deux campagnes permettra d’enrichir l’interprétation des essais classiques et de proposer de nouveaux modèles physiquement fondés des endommagements en fretting.
À partir de ces données expérimentales inédites, un modèle mécanique multiphysique sera développé, s’appuyant sur une formulation couplée lagrangienne–eulérienne, permettant de prendre en compte les grandes déformations, l’évolution géométrique du contact et le comportement du 3ème corps [2]. Le modèle sera, dans un premier temps, calibré et validé à partir des observations tomographiques, puis utilisé pour proposer de nouveaux critères de prédiction de l’usure et de l’amorçage de fissures sous fretting.

Compétences requises

Profil type pour une thèse à MINES Paris: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d’innovation et de communication. Qualités d’adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent. motivé(e) par la conduite et l'analyse d’essais expérimentaux et de modélisation multiphysique Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) : Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant • un curriculum vitae détaillé • une copie de la carte d’identité ou passeport + adresse domicile à jour • une lettre de motivation/projet personnel • des relevés de notes L3, M1, M2 • 2 lettres de recommandation • les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation • une attestation de niveau d’anglais

Bibliographie

[1] Gandiolle, C., Arnaud, P., & Younes, Y. (2023, May). Conception d'un test de fretting in-situ pour la tomographie à rayons X. In 39ème Journées de Printemps.
[2] Arnaud P, Fouvry S, A dynamical FEA fretting wear modeling taking into account the evolution of debris layer, Wear 412,2018, 92-108

Mots clés

Aluminum, fretting wear, amorçage de fissure, distance critique