During life of railway vehicles, shape irregularities develop on wheels and rails because of wear. The shape irregularities then affect forces in wheel-rail contact and cause further damage of contact surfaces, vibrations and noise and increase risk of derailment. A numerical simulation of railway vehicle motion with more details on contact surfaces geometry was created to investigate dynamic contact loads in wheel-rail contact. A variety of methods can be used to evaluate forces in rolling contact, the method chosen for this study was algorithm CONTACT based on boundary element method. Four studies are presented in this papers: contact loads from a wheel with a flat and with a wavy tread pattern, loads on wavy rail and load in a curve. The first three studies investigated effects of existing wear patterns, the last one looked for cause of common wear pattern developing on rails. Results of the studies with worn components used showed that the worst kind of shape irregularities is a flat present on wheel. This type of shape cause loss of contact and following impacts. The study of ride in curve showed that cause of high wear in curves, especially those with small radii, is caused by vibration of wheelset. This vibration is then caused by different length of inner and outer rail and wheels travelling along a different path.

No description available.

No description available.

Rolling contacts are utilized in many technical applications, both in bearings and in the contact between gear teeth. These components are often highly loaded, which makes them susceptible to suffer from rolling contact fatigue. This work focuses on the rolling contact fatigue mechanism of pitting. In order to attain a better understanding of why pitting initiates and grows, detailed simulations of rolling contacts have been performed. In particular the contact between two gears in a truck retarder was here used as a case study. The investigated contact experienced elastohydrodynamic lubrication conditions since the load was high enough to causes the surfaces in contact to deform and the viscosity of the lubricant to increase significantly. In Paper A it was investigated if surface irregularities in the size of the surface roughness are large enough to cause surface initiated fatigue. The investigation focused on the pitch line since small surface initiated pits were found here even though there was no slip present. Since there were pits present at the pitch line, it is important that the theories of pitting can explain the development of pits also in the absence of slip. The conclusion of the work was that surface irregularities of the size of normal surface roughness are enough to cause surface initiated fatigue at the pitch line. In Paper B it was investigated why pits are more likely to initiate in the dedendum of pinion gears than in the addendum. In both areas slip is present but in different directions. In the dedendum the friction from slip is against the rolling direction which enhances the risk for pitting. The investigation was performed by studying the effect of the temperature rise in the contact caused by the slip. The conclusion drawn was that the temperature rise in the contact explained why pitting was more common in the dedendum than in the addendum. / Rullande kontakter förekommer i många applikationer, till exempel i lager och mellan kugghjulständer. Både lager och kugghjul utsätts ofta för höga laster vilket gör att dess ytor löper stor risk att utmattas, vilket kallas rullande kontaktutmattning. Denna studie fokuserar på pitting, även kallat spalling, vilket är en typ av rullande kontaktutmattning där en utmattninsspricka växer fram som får delar av ytan att ramla av. För att få en bättre förståelse varför pittingskador uppkommer har noggranna simuleringar utförts av rullande kontakter. Kontakten mellan två tänder på kugghjul i en lastbilsretarder har används som underlag då många pittingskador påträffats på dem.  För att minska friktionen och nötningen i kontakten mellan kuggtänderna användes smörjmedel. De höga lasterna lastbilsretardern utsattes för deformerade kuggarnas ytor elastiskt samtidigt de kraftigt ökade viskositeten hos smörjmedlet. Dessa förhållanden gör att kontakten kallas för elastohydrodynamiskt smord, vilket på engelska förkortas till EHL. I Artikel A undersöktes om små ytojämnheter kan orsaka ytinitierade pittingskador. Eftersom skadan påträffats i friktionslösa kontakter, så som vid rullcirkeln på de undersökta kugghjulen, är det viktigt att teorierna som förklarar uppkomsten inte är beroende av friktion. Undersökningen fokuserade därför på förhållandena vid rullcirkeln.  Slutsatsen från arbetet var att små ytojämnheter, av samma storleksordning som ytojämnheterna på de undersökta kugghjulen, är tillräckligt stora för att orsaka utmattningsskador. I Artikel B undersöktes varför det är vanligare att pitts initieras i dedendum än addendum på drivande kugghjul. Kontakten på båda sidorna om rullcirkeln slirar svagt åt olika håll. Att kontakten slirar skapar friktion som är motriktad rullriktningen i dedendum vilket ökar risken för pittingskador. För att undersöka varför dessa förhållanden ökar risken för skador fördjupades analysen av kontakten genom att inkludera temperaturfältet. Simuleringarna visade att temperaturen ökar genom kontakten vilket orsakar en asymmetrisk spänningsfördelning. Denna asymmetriska spänningsfördelning gör att ytojämnheter i dedendum är troligare att orsaka skador än ytojämnheter i addendum. / <p>QC 20180213</p>

This research investigates the modeling of randomly distributed surface-breaking microcracks and their effects on higher harmonic generation in Rayleigh surface waves. The modeling is based on micromechanical considerations of rough surface contact. The nonlinear behavior of a single microcrack is described by a hyperelastic effective stress-strain relationship. Finite element simulations of nonlinear wave propagation in a solid with distributed microcracks are performed. The evolution of fundamental and second harmonic amplitudes along the propagation distance is studied and the acoustic nonlinearity parameter is calculated. The results show that the nonlinearity parameter increases with crack density and root mean square roughness of the crack faces. While, for a dilute concentration of microcracks, the increase in acoustic nonlinearity is proportional to the crack density, this is not valid for higher crack densities, as the microcracks start to interact. Finally, it is shown that odd higher harmonic generation in Rayleigh surface waves due to sliding crack faces introduces a friction nonlinearity.

Cette thèse propose trois nouveaux développements de la méthode des bases réduites (RB) et de la méthode d'interpolation empirique (EIM) pour des problèmes non-linéaires. La première contribution est une nouvelle méthodologie, la méthode progressive RB-EIM (PREIM) dont l'objectif est de réduire le coût de la phase de construction du modèle réduit tout en maintenant une bonne approximation RB finale. L'idée est d'enrichir progressivement l'approximation EIM et l'espace RB, contrairement à l'approche standard où leurs constructions sont disjointes. La deuxième contribution concerne la RB pour les inéquations variationnelles avec contraintes non-linéaires. Nous proposons une combinaison RB-EIM pour traiter la contrainte. En outre, nous construisons une base réduite pour les multiplicateurs de Lagrange via un algorithme hiérarchique qui conserve la positivité des vecteurs cette base. Nous appliquons cette stratégie aux problèmes de contact élastique sans frottement pour les maillages non-coïncidents. La troisième contribution concerne la réduction de modèles avec assimilation de données. Une méthode dédiée a été introduite dans la littérature pour combiner un modèle numérique avec des mesures expérimentales. Nous élargissons son cadre d'application aux problèmes instationnaires en exploitant la méthode POD-greedy afin de construire des espaces réduits pour tout le transitoire temporel. Enfin, nous proposons un nouvel algorithme qui produit des espaces réduits plus représentatifs de la solution recherchée tout en minimisant le nombre de mesures nécessaires pour le problème réduit final / This thesis introduces three new developments of the reduced basis method (RB) and the empirical interpolation method (EIM) for nonlinear problems. The first contribution is a new methodology, the Progressive RB-EIM (PREIM) which aims at reducing the cost of the phase during which the reduced model is constructed without compromising the accuracy of the final RB approximation. The idea is to gradually enrich the EIM approximation and the RB space, in contrast to the standard approach where both constructions are separate. The second contribution is related to the RB for variational inequalities with nonlinear constraints. We employ an RB-EIM combination to treat the nonlinear constraint. Also, we build a reduced basis for the Lagrange multipliers via a hierarchical algorithm that preserves the non-negativity of the basis vectors. We apply this strategy to elastic frictionless contact for non-matching meshes. Finally, the third contribution focuses on model reduction with data assimilation. A dedicated method has been introduced in the literature so as to combine numerical models with experimental measurements. We extend the method to a time-dependent framework using a POD-greedy algorithm in order to build accurate reduced spaces for all the time steps. Besides, we devise a new algorithm that produces better reduced spaces while minimizing the number of measurements required for the final reduced problem

Lorsque deux objets sont mis en contact, on réalise une expérience d’adhésion si on les sépare et une expérience de friction si on les fait glisser l’un sur l’autre. Lors de ces expériences, on mesure les forces d’adhésion et de friction contrôlées par un paramètre fondamental qui est l’aire réelle de contact. Cette aire réelle dépend fortement de la rugosité des surfaces. Afin de mieux comprendre le rôle de la rugosité, des expériences d’adhésion et de friction ont été réalisées entre des sphères d’élastomère en PDMS et des surfaces texturées (dures ou molles) constituées d’une rugosité modélisée par un réseau hexagonal de plots cylindriques de hauteurs, diamètres et espacements micrométriques.Dans les expériences d’adhésion, un dispositif de type JKR (pour Johnson, Kendall et Roberts) a été utilisé permettant d’observer le contact entre une sphère élastique et un plan texturé tout en contrôlant la force entre les surfaces. À faible force d’appui, la sphère reste au sommet des plots et le contact est dit « posé ». Lorsque la force entre les surfaces augmente, un contact total, où les plots sont écrasés (« contact intime »), apparaît au centre du contact, entourée d’une couronne de contact « posé ». Un modèle d’évolution du contact intime a été réalisé en prenant en compte l’adhésion entre les plots et les caractéristiques mécaniques des surfaces. De plus, en utilisant une analyse similaire à l’analyse classique de type JKR, il a été possible de mesurer les énergies d’adhésion effectives entre les surfaces. L’étude de l’évolution de ces énergies d’adhésion en fonction de la densité surfacique de plots sous le contact sphère-plan s’est révélée complexe. Finalement, des mesures de la force d’arrachement ont été réalisées, confirmant le rôle très important de la nature du contact sur l’évolution des énergies d’adhésion effective.Pour les expériences de friction, un tribomètre développé au laboratoire a été utilisé pour mesurer la force de friction dynamique. Durant ces expériences, les deux types de contact précédemment cités ont également été observés. Dans le cas où le contact reste « posé », il est naturel d’introduire une contrainte de friction égale à la force de friction divisée par l’aire réelle de contact. Il a été montré que cette contrainte de friction augmente sur des surfaces texturées (par rapport au cas lisse) et que cette augmentation dépend de façon complexe de la géométrie des plots utilisés. De plus, il a été montré que pour des petits rayons de courbure des sphères frottantes, la contrainte de friction n’est plus indépendante de l’aire réelle de contact. Finalement, nous avons montré que la contrainte de friction dans la zone de contact intime est la même que pour des surfaces lisses.Ce travail ouvre la voie à des développements théoriques et numériques nouveaux sur l’analyse du champ de contraintes et de déformations pour des contacts texturés modèles. / When two objects are in contact, an adhesion experiment is carried out if they are separated and a friction experience if one object slides on the other. A fundamental parameter which controls the adhesion and friction forces is the real area of contact between the surfaces which is largely determined by the surface roughness. To better understand the role of roughness, adhesion and friction experiments were performed with spheres of PDMS elastomer and textured surfaces (hard or soft). The latter’s roughness is modeled by an hexagonal network of cylindrical pillars with micrometrical dimensions and spacing.In adhesion experiments, a JKR set up (for Johnson, Kendall and Roberts) was used to observe the contact between an elastic sphere and a textured surface while controlling the force between the surfaces. At low normal force, the sphere remains at the top of the pillars and the contact is called "top". When the force between the surfaces increases, a full area of contact, where pillars are collapsed ("intimate contact"), appears in the center contact, surrounded by a crown of "top" contact. A model of evolution of this intimate contact which takes into account the adhesion between the pillars and the mechanical properties of surfaces has been achieved. Furthermore, it was possible to measure effective energies of adhesion between the surfaces using a similar analysis to the classical JKR analysis. Studying the evolution of these adhesion energies as a function of the pillars’ surface density below the sphere-plan contact proved to be a challenging task. At last, measurements of the pull off force were realised, corroborating the important role of the nature of contact on the evolution of effectif energies of adhesion.For friction experiments, a tribometer developed in the laboratory was used to measure the dynamic frictional force. During these experiments, the two kinds of contact previously reported were observed. When the contact remains "top", it is natural to introduce a friction stress equal to the friction force divided by the real area of contact. It has been shown that friction stress increases on textured surfaces (relative to the smooth case) and that this increase depends in a complex manner on the geometry of the pillars. Moreover, it has been shown that for small curvature radii of the friction spheres, the friction stress is no longer independent of the real area of contact. Finally, we have shown that the friction stress in the zone of intimate contact is the same as on smooth surfaces.The experimental results obtained in this thesis will serve to validate future numerical models.

Ce mémoire présente une étude théorique et expérimentale de joints annulaires à bague flottante ainsi que de joints rainurés segmentés, destinés à assurer l’étanchéité dynamique au sein de machines tournantes à haute vitesse dans les domaines aéronautique et aérospatial. Des joints annulaires à bague flottante ont été testés sur un banc d’essais dédié au sein de l’institut Pprime pour de multiples configurations de vitesse de rotation et de différence de pression étanchée. La réponse dynamique des joints par rapport aux vibrations du rotor a été étudiée pour différentes amplitudes de l’excitation. Certains résultats issus de cette étude ont été confrontés à une modélisation numérique basée sur les équations de mouvement d’un joint soumis aux forces d’inertie, aux forces hydrodynamiques dans son étanchéité principale et aux forces de frottement à l’étanchéité secondaire. Le coefficient de frottement à l’étanchéité secondaire a été estimé à partir du modèle de Greenwood et Williamson, appliqué au cas d’un régime de lubrification mixte. Les comparaisons réalisées valident le modèle numérique utilisé, qui reproduit le comportement d’un joint soumis à une excitation rotorique donnée. Un autre modèle est proposé pour le cas des joints rainurés segmentés. Les écoulements au sein des différentes parties d’un tel joint ont été modélisés par des méthodes distinctes. Les forces de frottement sont étudiées par un modèle similaire à celui utilisé dans le cas des bagues flottantes. Une étude paramétrique sur différentes caractéristiques géométriques et de fonctionnement du joint a été menée. / This thesis presents a theoretical and experimental study of floating ring annular seals and radial segmented seals. These seals are designed to prevent leakage inside high-speed rotating machinery used in aeronautics and aerospace applications. Floating ring annular seals were tested on a dedicated test rig inside the Institut Pprime. Various rotation speed and pressure difference configurations were used. The behavior of the floating rings when submitted to rotor vibrations was studied for different excitation amplitudes. Results from this study were confronted to a numerical model based on the equations of motion of the seal. The seal is driven by inertia forces, hydrodynamic forces in the main seal and friction forces on the secondary seal. The friction coefficient on the secondary seal was estimated by Greenwood and Williamson’s model for mixed lubrication. The analysis validates the theoretical model, which reproduces the dynamic behavior of a seal driven by a given rotor excitation. Another model was used to study segmented seals. The flow in each part of such a seal was modeled with various methods. Friction forces were studied with a model similar to that used for floating rings. A parametric study was performed on various geometric and operating parameters.

Uma implementação computacional baseada nos conceitos da mecânica do contato e no Método dos Elementos de Contorno é desenvolvida para simular a interação entre discos de corte e maciço rochosos. Simula-se o contato considerando-se inicialmente uma superfície potencial de contato que é atualizada durante um processo de carregamento incremental, podendo conter elementos separados, em contato sem deslizamento ou com deslizamento parcial. A cada passo do carregamento incremental estima-se a configuração do modelo e os dados obtidos neste passo serão utilizados como parâmetros no passo seguinte até que todo o carregamento esteja aplicado. O modelo em estudo consiste em dois discos de corte paralelos atuando sobre uma base sólida com característica elástica linear. São feitas duas simulações com os discos de corte. Na primeira delas, compara-se a penetração dos discos utilizando-se como parâmetro os valores calculados em uma análise por elementos finitos. No segundo caso, estuda-se a distribuição de tensões no maciço quando se altera o espaçamento entre os discos para um mesmo carregamento. Além desta análise, duas outras comparações são feitas utilizando como parâmetros soluções analíticas e numéricas de modelos clássicos da mecânica do contato. São estes: cilindro e pilar em base elástica. / A computational implementation based on contact mechanics and on the Boundary Element Method is developed in order to simulate the interaction between disc cutters and rock mass. The contact simulation considers initially a potential contact area which is updated during an incremental load process, in such way the surface can include elements in separation, stick or partial slip. At each incremental load step the configuration of the model shall be evaluated and the values computed at such step are used as parameter to the next load step until the end of the loading process. The investigated model consists in two parallel cutter discs on a flat elastic foundation. In the first simulation the penetration of the discs are studied and the results are compared against a finite element simulation. In the second simulation, the stress distribution in the rock mass is evaluated considering different spacing between the disc cutters by keeping the same load. In addition, two benchmark problems of contact mechanics, such as the cylinder and the flat punch on a elastic foundation, were modeled in order to validate the proposed algorithm. The obtained results were compared against analytical and numerical solutions.

Les roulements soumis à des mouvements oscillatoires et des charges élevées sont nécessaires pour le fonctionnement de nombreux mécanismes industriels (actionneurs, commandes d’avions, machines pour l’usinage, robots, chaînes d’assemblages, …). Ces roulements sont soumis à des pressions de contact locales extrêmement élevées avec des vitesses de roulement faibles qui ne permettent pas une lubrification adéquate des interfaces des premiers corps avec de l’huile. Les essais d’endurance sur les roulements ont permis la reconstitution des courbes de dégradation pendant la vie du roulement. Des analyses des surfaces, effectués à chaque phase de la vie du roulement ont permis aussi bien de suivre l’évolution de la topographie à l’interface entre les pistes et les éléments roulants. D’autre parte, des analyses numériques par éléments finis ont permis d’obtenir des informations sur les distributions des contraintes et des déformations. Le croisement des résultats expérimentaux et numériques a donc permis la reconstruction des mécanismes locaux d’accommodation. Dans le cas d’un roulement oscillant non graissé, les déplacements relatifs et les contraintes sont principalement accommodés aux interfaces des premiers corps en contact, ce qui accélère l’endommagement final du roulement. Dans le cas d’un roulement oscillant graissé, une partie des déplacements relatifs et contraintes est accommodée dans une sous couche qui se forme dans la peau des éléments roulants. Cette accommodation se manifeste par l’accumulation de déformations plastiques qui s’avèrent être aussi à l’origine de l’endommagement final du roulement. L’analyse des surfaces de contact des roulements oscillants graissés montre qu’il se forme, en présence de la graisse et très tôt dans la vie du roulement, une couche (troisième corps graisse/particule et TTS en surface de la piste) qui protège les surfaces en contact. D’autre part, une expertise de roulement ayant fonctionné sur un avion de de type A340 révèle une forte similarité entre ses faciès d’usure et ceux obtenus lors des essais d’endurance, et valide ainsi les mécanismes d’accommodation reconstitués. Enfin, des questions portant sur les effets de la quantité de graisse, du glissement des éléments roulants, et des pauses sur un essai donné sont aussi traitées. / Bearings subjected to oscillatory motions and high loads are necessary for the operation of several industrial mechanisms (actuators, aircraft controls, machining, robots, assembly lines, ...). These bearings are subjected to extremely high local contact pressures with low running speeds, which do not permit adequate lubrication of the interfaces of the first bodies with oil. Endurance tests perfomed on commercial bearings allowed at reconstructing the evolution of the degradation curves during the bearing life. Surface analyses carried out at each phase of the bearing life also allowed at following the evolution of the topography at the interface between the bearing raceways and the rolling elements. On the other hand, numerical analyses, by finite element method, have led to obtain information on the distributions of stresses and deformations. The dialogue between experimental and numerical results allowed the reconstruction of the local accomodation mechanisms. In the case of ungreased oscillating bearings, the relative displacements are mainly accommodated at the surfaces of the first bodies in contact, which accelerates the damage of the bearing. In the case of greased oscillating bearings, part of the relative displacements and stresses are accommodated at the subsurface of the rolling elements. This accommodation mechanism is manifested by the accumulation of plastic deformations which are at the origin of the final degradation of the bearing. The analysis of the contact surfaces of the raceways of the greased oscillating bearings shows as well that, in the presence of grease, a layer (third body mixture of grease and particles, and TTS on the track surface) protects the surfaces of the raceway and thus accommodates the other part of the displacements and stresses. On the other hand, the analysis of an airelon bearing, dismounted from an A340 type aircraft, revealed a strong similarity between its topographies and those obtained during the performed endurance tests, validateing the reconstructed accommodation mechanisms. Finally, questions about the effects of the amount of grease, sliding of the rolling elements, and pauses on a given test heve been discussed too.