Le bruit de crissement émis par les véhicules guidés sur rail dans les courbes serrées (rayon inférieur à 200 m) est caractérisé par un niveau de pression acoustique élevé et un spectre de raies à moyennes et hautes fréquences. La littérature est riche en modèles de simulation du crissement en courbe. Cependant, le mécanisme d'instabilité est toujours controversé. De plus, les modèles de crissement en courbe existants sont souvent simplifiés (lois de pseudo-glissement analytiques ou hypothèse de massif semi-infini élastique).Le premier objectif de la thèse est de contribuer à la compréhension du mécanisme de génération. Pour ce faire, une analyse de stabilité du contact de roulement roue/rail dans le cas du glissement latéral total est réalisée en utilisant un modèle de contact ponctuel et des bases modales roue et rail. On constate que même avec une hypothèse de coefficient de frottement de Coulomb constant, la flexibilité verticale dynamique du rail joue notamment un rôle important dans l'occurrence d'instabilité sans "décroissance du coefficient de frottement" ni sans "couplage de modes". Le second objectif de la thèse est de développer un modèle élément finis complet de contact roue/rail pour calculer des solutions de référence. Des techniques numériques appropriées sont développées pour résoudre les équations discrètes non linéaires. Ces méthodes sont ensuite appliquées à un modèle réaliste de contact roue/rail en courbe. On constate que la discrétisation de la zone de contact ne modifie pas les mécanismes d'instabilité mais les taux de divergence des modes instables en raison du couplage plus fort entre les degrés de liberté de contact normaux. / Squeal noise of railbound vehicles emitted in tight curves (radius lower than 200m) is characterized by high sound pressure levels at pure medium and high frequencies. State-of-the-art abounds with models trying to simulate curve squeal. However the instability mechanisms are still controversial. In addition, existing curve squeal models are often simplified (analytical frictional contact laws or elastic half-space assumption). The first aim of the thesis is to contribute to a clarification of the possible generation mechanisms. For this purpose, a stability analysis of wheel/rail rolling contact in the case of lateral full sliding is performed by using a point-contact model and wheel/rail modal bases. It is found that, even with a constant Coulomb friction coefficient, the rail vertical flexibility is notably found to play an important role on the instability occurrence without "falling friction" nor without "mode-coupling". The second aim of the thesis is to develop a full Finite Element model of wheel/rail contact in order to compute reference solutions and especially to verify the effects of the simplifications carried out in the point-contact model. Appropriate numerical techniques are used in order to solve the nonlinear discrete equations. In order to reduce the computational effort, reduction strategies are proposed for both domains. The methods are then applied in a realistic wheel/rail model in curve. It is found that the discretization of the contact zone does not substantially modify the instability mechanisms but the divergence rates of the unstable modes due to a stronger coupling between the normal contact degrees of freedom.

Ce travail réalisé dans le cadre d'une collaboration industrielle avec la société ALSTOM Transport porte sur l'étude de la dégradation des voies ferrées urbaines. Les composantes de voie retenus pour cette étude sont le rail et la dalle de voie en béton. Concernant le rail, différents problèmes sont abordés : contact roue - rail, usure du rail, usure ondulatoire du rail, et fatigue de contact de roulement (RCF) du rail. Un outil numérique avec des interfaces graphiques, nommé CONUS, est développé pour le problème de contact roue - rail et le problème d'usure du rail. Des théories classiques (Hertz, Kalker, Archard, etc.) sont implantées dans cet outil. La méthode stationnaire est implantée dans un code de calcul par éléments finis pour étudier l'état asymptotique de l'acier du rail sous le chargement répété des trains. Ceci nous permet de prédire les régimes de RCF du rail. La mécanique de l'endommagement est utilisée pour prédire la fatigue du matériau béton. Le formalisme de Marigo couplé avec le modèle d'endommagement de Mazars permet de modéliser la dégradation progressive de la rigidité du matériau sous chargement cyclique. Une campagne d'essais de fatigue du béton en flexion a été réalisée. Elle a pour but de valider le modèle théorique et d'identifier les paramètres du matériau. Le dimensionnement d'une dalle de voie en béton a fait l'objet d'une application de cette méthode. Le modèle de réseau de poutres (lattice model) a été utilisé pour étudier la propagation des fissures dans les structures en béton. Ce modèle a été implanté dans le logiciel de calcul par éléments finis, CESAR-LCPC. Les résultats numériques (propagation de fissures) obtenus pour les structures simples sous chargement statique sont en tout point comparables avec les résultats d'essais expérimentaux. Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier la fissuration sous chargement de fatigue. Pour cela un modèle d'endommagement simple modélisant la dégradation des éléments "poutres" s'est avéré suffisant pour décrire la cinématique de propagation des fissures

Le bruit de roulement est la principale source de bruit des transports ferroviaires, pour un large intervalle de vitesses. Pour prédire le bruit de roulement, la SNCF utilise un outil de simulation, basé une approche fréquentielle. Bien que très efficace dans les cas de voies ballastées standard, en ligne droite et à vitesse constante, cette approche est limitée aux roues et aux rails sans défaut important. Une approche temporelle a donc été envisagée pour étendre la modélisation du bruit de roulement à celle du bruit d'impact dû aux irrégularités discrètes sur l'une et/ou l'autre des deux structures, telles que des joints sur le rail ou des méplats sur la roue. L'objectif principal de la thèse est donc de construire un outil de simulation, dans le domaine temporel, de l'interaction verticale entre la roue et le rail, pour la prédiction du bruit de roulement. Les données d'entrée du modèle d'interaction, le modèle de contact roue/rail et le modèle vibratoire de la roue ont d'abord été formulés. Les données d'entrée du modèle consistent à définir un déplacement vertical relatif entre la roue et le rail, appelé rugosité relative, à partir de données spatiales de rugosité. Le modèle de contact, non linéaire et autorisant des pertes de contact, est basé sur la théorie de Hertz. Un modèle masse-ressort-amortisseur est suffisant pour représenter le déplacement vertical de la roue, dans le contexte de la simulation des vibrations engendrées dans le rail dans la même direction. La seconde étape de l'outil de simulation est d'élaborer un modèle de voie ferrée, permettant de simuler une structure infinie à partir d'une représentation numérique finie, indispensable pour l'approche temporelle. Le rail est modélisé par une poutre de longueur finie, supportée périodiquement par des systèmes masse-ressort-amortisseur (décrivant le système des supports semelle-traverseballast). Les conditions aux limites de la poutre permettent d'absorber les réflexions des ondes aux bords de celle-ci. Des conditions aux limites absorbantes numériques ont donc été formulées. Le second objectif de cette thèse est de caractériser expérimentalement le bruit de roulement et le bruit d'impact, dans les cas de défauts importants sur la roue et/ou le rail. Un essai en situation réelle a donc été réalisé. Deux sites de mesures ont été installés ; le premier sur une zone équipée de Longs Rails Soudés (LRS) et le second sur une zone avec un joint de rail (JR). De plus, certains essieux du train d'essai ont été spécialement sélectionnés pour les défauts de surface sur les roues. Des mesures de caractérisation telles que la rugosité de surface des roues et du rail mais aussi les accélérances de la voie ont été réalisées. Les niveaux vibratoires du rail et des traverses ainsi que le bruit au passage du train d'essai ont été mesurés. L'utilité de ces mesures est double. D'une part, elles permettent de réaliser une caractérisation expérimentale du comportement acoustique et vibratoire du système roue/rail, dans différentes situations. Ces conclusions aboutissent à un cahier des charges pour l'élaboration d'un outil expérimental de détection de défauts de roue, à partir de mesures acoustique et vibratoire en bord de voie. La seconde utilité de ces mesures est de pouvoir à la fois alimenter le modèle temporel d'interaction roue/rail, développé pendant la thèse, et de quantifier ses performances. Le problème d'interaction roue / rail complet est résolu par la méthode des différences finies. L'évaluation des performances de ce modèle a été menée grâce à différentes comparaisons. L'efficacité des conditions aux limites absorbantes a d'abord été estimée. Une comparaison entre les résultats de simulation et ceux des mesures a ensuite été effectuée. Dans un premier temps, la capacité du modèle temporel à reproduire les caractéristiques dynamiques de la voie a été évaluée. Dans un second temps, la simulation des différentes situations mesurées pendant la campagne de mesure est réalisée. La comparaison entre les niveaux vibratoires simulés et mesurés au passage des roues avec différents états de surface est discutée.

Le squat est un défaut de fatigue de contact apparaissant à la surface du rail et dont le mécanisme d’amorçage est mal compris. Afin de pallier ce manque, une analyse tribologique locale de la bande de roulement du rail est mise en oeuvre à proximité d’un squat naissant. Cette caractérisation révèle une anisotropie importante des couches superficielles du rail associée aux développements de Transformations Tribologiques Superficielles. Ces résultats témoignent de conditions de contact roue/rail particulières dans la zone d’étude, notamment d’un niveau d’efforts de cisaillement inhabituel pour une voie en alignement. Dans le but de valider ces observations, plusieurs essais sont effectués. D’une part les conditions de contact roue/rail dans une zone de squats sont mesurées à partir d’un train instrumenté. D’autre part, la réponse tribologique de l’acier à rail à ces conditions de contact est étudiée à travers le suivi régulier d’une zone d’essais soumise à la circulation ferroviaire. Ces essais permettent d’identifier un déséquilibre important des efforts de traction sur les bogies moteurs et des glissements locaux élevés de la roue sur le rail. Différents mécanismes d’amorçage thermo-mécaniques sont alors proposés au sein d’un schéma global de la réponse tribologique de l’acier à rail. / Squats have recently become recognised as one of the major rolling contact fatigue defects in modern railway networks for which there is currently no solution other than preventive grinding operations or costly rail renewal. To better understand the entire damage mechanism of squat, A tribological and metallurgical analysis of the rolling band and the near surface layer was performed close to an incipient squat. This characterization show a significant anisotropy of the rail surface layer associated with developments of Tribological Transformation of Surface. These results reflect some specific wheel/rail contact conditions in this squat area, including an unusual level of shear forces in a straight track. In order to validate this observations, two tests were performed. On the one hand, the contact conditions in a squat area were measured from an instrumented train. On the other hand, the tribological response of the rail steel was studied through regular monitoring of a test site subjected to railway traffic. These tests allow to identify a high imbalance of the traction forces and the presence of local slips at the wheel/rail interface. Several thermomechanical initiation mechanism of squats are then given in a overall diagram of the tribological response of rail steels.

Le calcul des efforts normaux et tangents est important pour la modélisation dynamique du système véhicule-voie en ferroviaire. Pour déterminer les forces tangentielles au contact roue-rail, les coefficients de Kalker sont utilisés dans la plupart des codes de dynamique ferroviaire, pour les différents modèles de contact. Ces coefficients ont été mesurés sur banc à plusieurs reprises dans les années 80. Une synthèse de ces travaux, réalisée par Hobbs, montre que certaines de ces mesures présentent une baisse pouvant atteindre 50% par rapport à la théorie de Kalker. L’objet de cette thèse est d’identifier d’abord les véritables causes de la dispersion constatée entre les différentes mesures, généralement attribuée à la contamination de la surface, puis de développer un modèle numérique capable d’en tenir compte.La démarche numérique proposée est sur deux volets. Dans le premier volet, une méthode itérative directe par éléments de frontière basée sur les intégrales de surface de Boussinesq-Cerruti est réécrite pour l’étude du contact normal et glissant entre deux corps élastiques, puis étendue pour la résolution du problème de contact roulant. Appliquée avec succès au contact roue-rail non-Hertzien, cette méthode est un outil prometteur pour l’étude des paramètres influençant les coefficients de Kalker qui allie à la fois la précision et la rapidité.Dans le deuxième volet, le problème du contact roue-rail élastique est résolu à l’aide de la méthode des éléments finis en utilisant les schémas d’intégration temporelle explicite et implicite. La solution élastique est comparée avec le logiciel de référence CONTACT. Le modèle par éléments finis 3D développé a permis de prendre en compte d’une part le comportement élasto-plastique des corps en contact et d’autre part l’existence d’une couche de troisième corps sur l’interface du contact roue-rail. Ainsi, en fin de cette étude, une correction aux coefficients de Kalker est estimée à partir d’un modèle qui prend mieux en compte la réalité physique du contact roue-rail.Afin d’évaluer l’influence de cette correction sur la vitesse critique du véhicule ferroviaire, une étude de stabilité est réalisée avec le code de dynamique ferroviaire VOCO dans lequel des facteurs de réduction des coefficients de Kalker ont été appliqués / The calculation of normal and tangential forces is important for the dynamic modeling of the railway vehicle-track interaction. To determine the tangential forces at the wheel-rail contact level, the Kalker’s coefficients of stiffness are used in most of computer codes for different contact models. These coefficients were measured on bench several times in the 80s. A survey of these works, conducted by Hobbs, shows a decrease of up to 50 % in value compared to Kalker’s theory. The aim of this thesis is first to identify the real causes of the dispersion observed between the various measurements, usually attributed to the surface contamination, then to develop a model taking into account some of them.The numerical modeling of the wheel-rail contact is presented in two parts. In the first part, a direct boundary element method based on Boussinesq-Cerruti solution is developed to study the normal and sliding contact between two elastic bodies, and then extended to the resolution of rolling contact problem. Successfully applied to the wheel-rail contact for non-Hertzian situation, this method is a promising tool for studying the parameters influencing Kalker’s coefficients which combines both precision and speed.In the second part, a finite element model for rolling contact between wheel and rail is developed to study the normal and the tangential contact problems using the explicit and the implicit integration schemes. The elastic solution is compared with the solution of the CONTACT software. The three-dimensional finite element model takes into account the elastoplastic behavior of the bodies in contact as well as the existence of a third body layer at the interface between the wheel and the rail. Finally, a correction of Kalker’s coefficients is estimated from the results of the numerical simulations.To study the impact of this correction on the critical speed of the vehicle, a stability analysis is performed using the multibody dynamics software VOCO in which the reduced factors of Kalker’s coefficients are considered

Depuis plus d'un siècle, l’usure ondulatoire représente un des problèmes de maintenance les plus important pour les réseaux ferroviaires. Celle-ci est à l’origine d’émissions sonores incommodantes pour le voisinage et de vibrations structurelles pouvant réduire la durée de vie des infrastructures et matériels ferroviaires. Ce phénomène périodique présent à la surface des rails est intimement lié à la dynamique du contact roue-rail qui résulte des paramètres régissant le frottement, la dynamique du train et de la voie… Afin de mieux appréhender les conditions menant à l’apparition de l’usure ondulation, un modèle numérique a été proposé pour compenser l’impossibilité d’instrumenter localement et de façon fiable un contact roue-rail dynamiquement. Tout d'abord, un outil approprié a été choisi pour modéliser la dynamique du contact roue-rail afin de reproduire numérique de l’usure ondulatoire des voies rectilignes. Le code d'éléments finis dynamique implicite Abaqus a été choisi pour instrumenter numériquement localement le contact roue-rail. Ainsi, tant l'origine que l'évolution de l’usure ondulatoire dans des phases transitoires (accélération / décélération) sont étudiées. Une étude de sensibilité a été menée pour mettre en évidence la sensibilité de l’usure ondulatoire apparaissant dans des conditions transitoires au passage d’une ou plusieurs roues ainsi que d’un défaut géométrique présent à la surface du rail. Des conditions dynamiques locales d’adhérence-glissement (stick-slip), liées à la dynamique de la roue et du rail couplés par le contact, est identifié comme origine de l’usure ondulatoire des voies rectilignes dans des conditions transitoires. Deuxièmement, les résultats obtenues avec le modèles précédent ont mis en évidence une décroissance de l’amplitude de l’usure ondulatoire reproduire numérique en fonction du nombre de roue passant sur le rail. Ce résultat semble être en contradiction avec les observations de rails réels. Ce problème est lié à la difficulté de gérer la dynamique de contact, et tout particulièrement dans le cas où il y a des impacts locaux, dans les modèles éléments finis classiques tels que ceux implémentés dans Abaqus. Pour palier ce problème, une méthode de masser redistribuée a été implémentée dans Abaqus et utilisée sur le cas précédent. Les résultats montrent un accroissement plus réaliste de l’usure ondulatoire en fonction du nombre de roues. / For more than a century, rail corrugation has been exposed as one of the most serious problems experienced in railway networks. It also comes with a series of problems for maintenance, such as rolling noises and structural vibrations that can reduce lifetime of both train and track. This periodical phenomenon on rail surface is closely linked to wheel-rail contact dynamic, which depends on friction, train dynamics… To better understand corrugation birth conditions, a numerical model is suggested to complement the experimental limitations and to instrument a wheel-rail contact both locally and dynamically. At first, an appropriate tool was chosen to create the dynamic wheel-rail contact model to reproduce straight-track corrugation, also called “short-pitch” corrugation. The implicit dynamic finite element code Abaqus was chosen to investigate the dynamic local contact conditions. Both the origin and the evolution of straight-track corrugation under transient conditions (acceleration / deceleration) are studied. The parametrical sensibility of corrugation is thus investigated both with single/multiple wheel passing(s) and with geometric defect. A stick-slip phenomenon, linked to both wheel and rail dynamics coupled through the contact, is identified as the root of straight-track corrugation under transient conditions. Secondly, results obtained with the previous model have highlighted a quick decrease of corrugation amplitude with the increase of wheel passings over the rail. This last result seems to be in contradiction with reality. This problem comes from the difficulty to reliably manage contact dynamics, and particularly with local impacts, with the use of classical finite element models such as the one implemented in Abaqus. To compensate for this lack, a mass redistribution method is implemented in Abaqus and used with the previous case. The results show a more realistic corrugation growth according to the number of wheel passings.

Ce travail réalisé dans le cadre d'une collaboration industrielle avec la société ALSTOM Transport porte sur l'étude de la dégradation des voies ferrées urbaines. Les composantes de voie retenus pour cette étude sont le rail et la dalle de voie en béton. Concernant le rail, différents problèmes sont abordés : contact roue – rail, usure du rail, usure ondulatoire du rail, et fatigue de contact de roulement (RCF) du rail. Un outil numérique avec des interfaces graphiques, nommé CONUS, est développé pour le problème de contact roue – rail et le problème d'usure du rail. Des théories classiques (Hertz, Kalker, Archard, etc.) sont implantées dans cet outil. La méthode stationnaire est implantée dans un code de calcul par éléments finis pour étudier l'état asymptotique de l'acier du rail sous le chargement répété des trains. Ceci nous permet de prédire les régimes de RCF du rail. La mécanique de l'endommagement est utilisée pour prédire la fatigue du matériau béton. Le formalisme de Marigo couplé avec le modèle d'endommagement de Mazars permet de modéliser la dégradation progressive de la rigidité du matériau sous chargement cyclique. Une campagne d'essais de fatigue du béton en flexion a été réalisée. Elle a pour but de valider le modèle théorique et d'identifier les paramètres du matériau. Le dimensionnement d'une dalle de voie en béton a fait l'objet d'une application de cette méthode. Le modèle de réseau de poutres (lattice model) a été utilisé pour étudier la propagation des fissures dans les structures en béton. Ce modèle a été implanté dans le logiciel de calcul par éléments finis, CESAR-LCPC. Les résultats numériques (propagation de fissures) obtenus pour les structures simples sous chargement statique sont en tout point comparables avec les résultats d'essais expérimentaux. Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier la fissuration sous chargement de fatigue. Pour cela un modèle d'endommagement simple modélisant la dégradation des éléments «poutres» s'est avéré suffisant pour décrire la cinématique de propagation des fissures / This work is part of the collaboration between the laboratory Navier (UMR ENPC /IFSTTAR/ CNRS) and ALSTOM Transport company (TGS/Trackway). It focuses on the study of the degradation of urban railways. The components of track considered in this study are the rail and the concrete slab. Regarding the rail, different problems are discussed : wheel – rail contact, rail wear, rail corrugation and rolling contact fatigue (RCF). A numerical tool with graphical interfaces, called CONUS, is developed to predict the behaviour of the wheel - rail contact, the rail wear, and the rail corrugation problems. Classical theories (Hertz, Kalker, Archard, etc...) are implemented in this tool. The stationary method is implemented in a finite element software to study the asymptotic state of the rail steel under repeated loading of trains.The damage mechanics is used to predict the fatigue life of concrete. Marigo's formalism coupled with Mazars' damage model is used to predict the gradual degradation of material stiffness under cyclic loading. A campaign of fatigue tests for concrete in bending was conducted. It aims at validating the theoretical model and identifying material parameters. We applied this method in order to design the concrete slabs of urban railway. The lattice model was used to study the crack propagation in concrete structures. This model was implemented in the finite element software, CESAR-LCPC. The numerical results obtained for simple structures under static loading are consistent with the results of laboratory experiments. This model was then used to study the crack propagation under fatigue loading. For that purpose, a simple damage model of degradation of the "beams" elements describes the kinematics of crack propagation with a satisfying accuracy