Les matériaux de garniture de frein ferroviaire haute énergie sont des composites à matrice métallique de formulations complexes et fortement hétérogènes. L’orientation vers ce type de matériau découle des nombreuses performances que le système de frein à disque doit assurer : tribologique (frottement, usure), thermomécaniques (intégrité en température), acoustiques (crissement). De nouvelles normes environnementales conduisent à des évolutions nécessaires des garnitures vers par exemple, des formulations à basse teneur en cuivre. La complexité des formulations conduit à des développements principalement empiriques. Il est proposé dans ce travail de développer des méthodologies améliorant la compréhension du lien entre la formulation des matériaux de friction et ses performances en freinage. Le premier volet des travaux exposés consiste en des caractérisations microstructurales couplées à des mesures de propriétés thermophysiques des matériaux. Celles-ci menées sur des matériaux neufs et après sollicitations de freinage ont montrées des évolutions significatives. Le second volet de l’étude concerne les essais à l’échelle réduite permettant d’atteindre des sollicitations analogues à celles durant des essais de performances à l’échelle 1. Les échantillons de dimensions réduites simplifient les analyses tribologiques. Le dernier volet des travaux s’intéresse aux aspects vibroacoustiques via des essais sur un système simplifié qui mettent en évidence le rôle du circuit tribologique. Outre ces apports méthodologiques, l’étude montre l’impact des axes de développement des nouvelles formulations. Des explications sont données sur les liens entre la formulation, propriétés et performances thermomécaniques, vibroacoustiques et tribologiques des garnitures. Tout comme les méthodologies proposées, elles doivent permettre d’améliorer les développements futurs. / High energy railway brake materials are metallic matrix composite with complex and highly heterogeneous formulations. The technological choice towards this type of material for brake pads stems from the many performances that disc brake system must ensure: tribological performances (friction coefficient, wear), thermomechanical performances (integrity in temperature), acoustic performances (squeal). New international environmental standards, lead to evolutions of pad formulations, consisting of reduce copper content. Because of complexity of the formulations, the developments are empirical. It is proposed in this work to develop methodologies that improve the understanding of the link between the formulation of friction materials and their braking performances. The first part of the works consists of microstructural characterizations of the materials on new materials and after braking solicitations showing significant evolutions. The characterizations are coupled with measurements of the thermophysical properties. The second part of the study concerns reduced scale tests that achieve similar solicitations to full scale performance braking tests. Reduced scale samples simplify tribological analysis. The last part of the work focuses on vibroacoustic aspects by studying squeal tendency of a simplified system that highlight the role of the tribological circuit. In addition to these methodological contributions, the study shows the impact of the development axes of the new formulations. Explanations are given on the links between the formulation, properties and performances: thermomechanical, vibroacoustic and tribological. As the proposed methodologies, they must allow to improve prospective material developments.

Les phénomènes de contact (rugosité, frottement, usure, etc.) sont importants dans le fonctionnement des freins à friction. Ils peuvent influencer leurs performances en modifiant l'état de surface et des matériaux. Afin de cerner ce problème, les industriels se basent sur des méthodes de type essai/erreur qui sont coûteuses et peu efficaces face aux exigences actuelles.L'objectif de cette thèse est de proposer une alternative consistant à modéliser numériquement les systèmes, tels qu'un frein à friction, avec des hypothèses réalistes au niveau du contact contrairement aux approches classiques considérant le contact parfait. Ce challenge a été surmonté en développant une stratégie numérique associant un modèle macroscopique du système et plusieurs modèles micro traitant les phénomènes de contact. La modélisation microscopique du contact est faite grâce à des modèles thermique et mécanique considérant la rugosité. Le problème est résolu avec des techniques d'optimisation. Le cas d'un matériau à gradient de propriétés normal à la surface et l'usure sont aussi considérés. A partir de ces calculs, les paramètres de contact (pression, température, etc.) sont analysés en fonction des propriétés de surface et du matériau. Ensuite, le modèle macroscopique est enrichi avec ces paramètres tout en conservant la planéité des surfaces en contact. Avec cette technique, le temps de calcul est réduit en comparaison à des calculs Éléments Finis complets. Cette stratégie multi-échelle a été adoptée pour l'analyse dynamique et thermo-mécanique des freins. Les résultats des simulations numériques montrent l'impact de l'interface et de son évolution sur les performances du frein et vice-versa. / Contact phenomena (roughness, friction, wear, etc.) are central to friction brake functioning as they lead to the modification of surface and material properties which may affect the braking performances. To address these issues, the manufacturers use an experimental approach based on feedback tests which is expensive and inefficient against the current requirements.The objective of this work is to propose an alternative based on numerical modeling of applications like brakes with realistic assumptions at the contact interface level, unlike the classical approaches that assume a perfect contact. This challenge has been overcome by building a numerical methodology associating a large scale model of the system and several micro scale models of contact phenomena. The micro scale contact modeling has been performed with thermal and mechanical models considering roughness. The problem is solved by means of constrained quadratic programming. A normal gradient of material properties and wear have also been considered. From this analysis, surface parameters (pressure, temperature,etc.) are analyzed depending on roughness and material properties. Thereafter, a Finite Element large scale model is embedded with these parameters while the surface is flat at this scale. With this technique, the CPU time is considerably reduced and the precision is maintained in comparison to classical Finite Element calculations. This multi-scale methodology has been used for dynamic and thermo-mechanical analyses of braking systems. The results of numerical simulations highlight the impact of the contact interface and its evolution on the system behavior, and vice versa.

L’expansion actuelle du secteur de la haute vitesse ferroviaire vers des vitesses d’exploitation et chargements plus importants conduit à la nécessité d’améliorer les systèmes de freinage garantissant leurs performances malgré l’énergie supplémentaire à dissiper.La méthodologie actuelle de développement de ces matériaux étant principalement basée sur un retour d’expérience essai/erreur, l’objectif vise donc à développer une méthodologie alternative incorporant des modèles théoriques et numériques pour la conception de matériaux de friction. Cependant, les difficultés s’avèrent multiples avec des interactions complexes entre les aspects tribologiques, thermiques, mécaniques, et physico-chimiques, mais également entre les différentes échelles allant de la surface au système. Ce travail se concentre donc sur les aspects thermomécaniques dans le but de développer un modèle numérique prédictif intégrant une évolution du matériau pouvant affecter les performances de freinage. Dans un premier temps, une méthodologie originale est développée pour caractériser le matériau de friction soumis à des sollicitations réalistes et permettant d’identifier le comportement du matériau. La caractérisation fut réalisée pour différents historiques de freinage. Des modèles de comportement thermo-élasto-plastique ont été ainsi établis. La deuxième étape de ce travail porte sur le développement d’un modèle d’éléments finis de freinage intégrant les comportements matériaux précédemment identifiés ainsi que leur évolution avec l’historique de chargement. Les résultats illustrent l’impact de l’évolution du matériau de friction sur les performances de freinage. / The railway high speed sector is currently expanding with an increase of the maximum operating speed and load leading to the necessity of improving the capacity of the disc braking to ensure performances despite the additional energy to dissipate. The current methodology used for the development of these material is based on trial-error experimental feedback. The goal is to develop alternative methodologies, with theoretical and numerical models for designing these components. Difficulties are the complex interactions between tribological, thermal, mechanical, chemical effects and interactions between scales from the surface to the system. This work is focused on the thermomechanical aspects with the challenge of developing a realistic numerical model and considering the material evolution assuming that this evolution affects the braking performances. In the first step, an original methodology has been developed to characterize the friction material submitted to realistic solicitations and allowing identifying bulk material behavior. Characterization has been done for different braking loading histories. Corresponding thermo-elastic-plastic behavior models have been proposed. The second step of this work is the development of a finite element model of the brake system, including the sintered material models previously identified and the evolution with loading history. The numerical results illustrate the impact of the friction material evolution regarding the braking performances. They are also compared to experimental tests carried out on a real scale braking bench.