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HAL Id: tel-00977803 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00977803 Submitted on 11 Apr 2014 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Etude expérimentale du frottement entre l’acier et un matériau fragile sous haute vitesse et haute pression Bastien Durand To cite this version: Bastien Durand. Etude expérimentale du frottement entre l’acier et un matériau fragile sous haute vitesse et haute pression. Autre. Université d’Orléans, 2013. Français. NNT : 2013ORLE2039. tel-00977803 UNIVERSITÉ D’ORLÉANS ÉCOLE DOCTORALE ENERGIE, MATERIAUX, SCIENCES DE LA TERRE ET DE L’UNIVERS CEA LE RIPAULT, LABORATOIRE PRISME THÈSE présentée par : Bastien DURAND soutenue le : 4 décembre 2013 pour obtenir le grade de : Docteur de l’université d’Orléans Discipline/ Spécialité : Génie mécanique Etude expérimentale du frottement entre l’acier et un matériau fragile sous haute vitesse et haute pression THÈSE dirigée par : Patrice BAILLY Professeur, ENSI de Bourges Didier PICART HDR, CEA, DAM RAPPORTEURS : Sébastien MERCIER Professeur, Université de Lorraine Han ZHAO Professeur, Université de Paris VI _________________________________________________________________ JURY : Franck DELVARE Professeur, Université de Caen, co-encadrant Gérard GARY Ex Directeur de Recherche, Ecole Polytechnique Vincent GROLLEAU Professeur, Université de Bretagne-Sud Mame WILLIAM-LOUIS Professeur, Université d’Orléans REMERCIEMENTS : Je tiens d’abord à remercier Christine ROUSSELLE, directrice du Laboratoire PRISME, pour m’avoir accueilli au sein de ses équipes. Je remercie ensuite mes trois encadrants : les Professeurs Patrice BAILLY et Franck DELVARE, ainsi que Didier PICART pour la confiance qu’ils m’ont accordée ; j’espère en avoir été digne. Je leur témoigne également ma gratitude pour m’avoir soutenu lors des périodes difficiles. J’adresse aussi un remerciement spécial pour Franck qui, le premier, m’a très vite convaincu de l’intérêt que je trouverai à faire une thèse. Je remercie au passage les Professeurs Sébastien MERCIER et Han ZHAO pour avoir accepté d’être rapporteurs ; ainsi que Gérard GARY et les Professeurs Vincent GROLLEAU et Mame WILLIAM-LOUIS pour avoir accepté d’être membres du jury. Je remercie Maxime BIESSY, Jean-Luc BRIGOLLE, Adrien CHARBONNEL, Emmanuel MENNESSON et Alexandre SEGUIN pour l’aide précieuse qu’il m’ont apportée lors de mes expérimentations. Hervé TRUMEL mérite une place particulière dans ces remerciements pour le vif intérêt qu’il a témoigné pour mes travaux. Le travail est certes important, mais l’ambiance qui y règne l’est aussi et j’en profite pour remercier tous les collègues qui ont agrémenté les heures passées au travail : Jérôme VIAL (qui a commencé en même temps que moi et qui a donc partagé avec moi tous les moments de galère d’une thèse, je me souviendrai longtemps des veilles de réunion…), Jean- Luc HANUS, Benoît MAGNAIN, Nadia, Steve RUDZ, Julien PAVIER, Robin CRESSANT, Javier ALANIS, Delphine MENAGE, Marie-Odile GROSS, Claire, Julien ERMISSE, Stéphanie CAMUS, Charles SAINT-AMANS, Elodie PONS, Xavier BOISSY, Etienne CATRY, Maud QUEMERE, Arnaud COUTABLE, Duong, Léo COURTY, Cindy LASSALLE, Céline SORTAIS, Didier MATHIEU, Tristan LE BIHAN, Hélène DEMAILLY, Eric BOUTON, Xavier LEBORGNE, Denis ROCHER et Emma RICHET. Désolé pour ceux que j’aurais éventuellement oubliés. Ces remerciements ne se limitent pas à la sphère professionnelle, et je remercie aussi mes parents, ma famille et mes amis pour leur soutien sans failles. 1 TABLE DES MATIERES : INTRODUCTION GENERALE ....................................................................................................................... 13 CHAPITRE 1 MESURE DU FROTTEMENT ET PARTICULARITES DES EXPLOSIFS.............. 18 INTRODUCTION ................................................................................................................................................. 19 1.1 DISPOSITIFS DE MESURE DU FROTTEMENT SOUS HAUTES VITESSES ET HAUTES PRESSIONS ................. 19 1.1.1 Tribomètre « pion sur disque tournant » (pin on disk).................................................................. 19 1.1.2 Anneau dynamométrique avec échantillons parallélépipédiques.................................................. 20 1.1.3 Technique des barres de Hopkinson.............................................................................................. 21 1.1.4 Impact oblique de plaques (plate impact) ..................................................................................... 24 1.2 CARACTERISTIQUES DE L’EXPLOSIF ET DE SON EQUIVALENT MECANIQUE INERTE.............................. 26 1.2.1 Propriétés mécaniques .................................................................................................................. 26 1.2.2 Difficulté liée à leur faible cohésion ............................................................................................. 28 CONCLUSION..................................................................................................................................................... 29 CHAPITRE 2 PRINCIPE ET MODELISATION D’UN ESSAI DE FROTTEMENT CONFINE..... 30 INTRODUCTION ................................................................................................................................................. 31 2.1 LES TECHNIQUES DE CONFINEMENT.................................................................................................... 31 2.2 DISPOSITIF DE FROTTEMENT SOUS CONFINEMENT............................................................................... 33 2.3 MODELISATION DU DISPOSITIF............................................................................................................ 35 2.3.1 Objectifs et hypothèses.................................................................................................................. 35 2.3.2 Modélisation du comportement mécanique de l’échantillon......................................................... 36 2.3.3 Modélisation de la réponse mécanique du tube ............................................................................ 44 CONCLUSION..................................................................................................................................................... 45 CHAPITRE 3 ESSAIS DE FROTTEMENT A BASSES PRESSIONS SUR INERTE........................ 47 INTRODUCTION ................................................................................................................................................. 48 3.1 DISPOSITIF EXPERIMENTAL................................................................................................................. 48 3.2 RESULTATS EXPERIMENTAUX BRUTS.................................................................................................. 49 3.2.1 Essais quasi-statiques ................................................................................................................... 49 3.2.2 Essais dynamiques......................................................................................................................... 50 3.2.3 Récapitulatif des résultats ............................................................................................................. 54 3.3 IDENTIFICATION DES PARAMETRES DE FROTTEMENT .......................................................................... 55 3.3.1 Méthode analytique....................................................................................................................... 55 3.3.2 Validation à l’aide de simulations numériques par éléments finis................................................ 57 3.4 VALIDITE DES HYPOTHESES ................................................................................................................ 59 3.4.1 Effets des différences de rayons .................................................................................................... 59 3.4.2 Validité de l’hypothèse de comportement élastique ...................................................................... 60 3.4.3 Influence du déplacement de l’échantillon dans le tube................................................................ 61 CONCLUSION..................................................................................................................................................... 61 CHAPITRE 4 ESSAIS DE FROTTEMENT A HAUTES PRESSIONS ............................................... 63 INTRODUCTION ................................................................................................................................................. 64 4.1 ESSAIS QUASI-STATIQUES ................................................................................................................... 64 4.1.1 Essais sur inerte ............................................................................................................................ 64 4.1.2 Essais sur explosif ......................................................................................................................... 77 4.2 ESSAI DYNAMIQUE SUR INERTE........................................................................................................... 82 4.2.1 Dispositif expérimental ................................................................................................................. 82 4.2.2 Résultats expérimentaux................................................................................................................ 83 4.2.3 Simulations numériques ................................................................................................................ 84 CONCLUSION..................................................................................................................................................... 89 CHAPITRE 5 ESSAIS DE FROTTEMENT A HAUTES PRESSIONS ET HAUTES VITESSES.... 91 INTRODUCTION ................................................................................................................................................. 92 5.1 DISPOSITIF EXPERIMENTAL................................................................................................................. 92 5.2 RESULTATS EXPERIMENTAUX ET SIMULATIONS NUMERIQUES ............................................................ 94 5.2.1 Essai sur inerte.............................................................................................................................. 95 5.2.2 Essais sur explosif ......................................................................................................................... 99 2 5.2.3 Bilan de ces essais....................................................................................................................... 105 5.3 DISCUSSION DES RESULTATS OBTENUS : ANALYSE THERMIQUE........................................................ 106 CONCLUSION................................................................................................................................................... 108 CONCLUSION GENERALE .......................................................................................................................... 109 ANNEXES ......................................................................................................................................................... 112 ANNEXE 1 : EXEMPLES DE L’INFLUENCE DU FROTTEMENT LORS DES IMPACTS ............................................... 113 Annexe 1.1 : Cas du steven-test................................................................................................................. 113 Annexe 1.2 : Cas de l’essai de friabilité.................................................................................................... 113 Annexe 1.3 : Cas du Susan-test.................................................................................................................. 114 ANNEXE 2 : GENERALITES SUR LE FROTTEMENT............................................................................................. 117 Annexe 2.1 : Rappels sur la loi de Coulomb (ou d’Amontons).................................................................. 117 Annexe 2.2 : Notions de tribologie ............................................................................................................ 118 ANNEXE 3 : PROPAGATION DES ONDES MECANIQUES DANS UN SOLIDE UNIDIMENSIONNEL ............................ 123 Annexe 3.1 : Théorie.................................................................................................................................. 123 Annexe 3.2 : Exemples d’applications....................................................................................................... 126 ANNEXE 4 : COMPLEMENTS A LA MODELISATION DU DISPOSITIF .................................................................... 136 Annexe 4.1 : Limites de l’hypothèse de découplage des comportements du tube et de l’échantillon........ 136 Annexe 4.2 : Etablissement de la solution bidimensionnelle pour l’échantillon ....................................... 137 ANNEXE 5 : SUITE DES RESULTATS EXPERIMENTAUX DE LA PARTIE 5.2.2....................................................... 140 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES........................................................................................................ 144 3 LISTE DES FIGURES : Figure 1 : Schéma de l’impact d’un projectile sur une cible composée d’une plaque avant fine (enfoncée durant l’impact), d’une galette cylindrique d’explosif et d’une plaque arrière épaisse (vue en coupe). .......................... 14 Figure 2 : Simulation numérique par éléments finis (logiciel : ABAQUS CAE / Explicit) de l’échauffement de la galette d’explosif. Vue en coupe du champ des températures en Kelvin, 0,1 ms après l’impact du projectile pour différentes valeurs de f. ......................................................................................................................................... 15 Figure 3 : Evolution temporelle de la température maximale atteinte dans l’explosif en fonction de f. ............... 15 Figure 4 : Principe de fonctionnement du tribomètre « pion sur disque tournant ». ............................................. 19 Figure 5 : Système « pion sur disque tournant » permettant l’observation de l’allumage de l’explosif (inséré dans le porte-échantillon) à l’aide d’une caméra placée à l’opposé du disque (figure tirée de [13])............................. 20 Figure 6 : Tribomètre utilisant un anneau dynamométrique et des échantillons parallélépipédiques (figure tirée de [51])....................................................................................................................................................................... 21 Figure 7 : Schéma d’une barre de Hopkinson en configuration de torsion. .......................................................... 22 Figure 8 : Une surface de glissement annulaire. Vext : vitesse de glissement à l’extérieur de l’anneau, Vint : vitesse de glissement à l’intérieur de l’anneau.................................................................................................................. 22 Figure 9 : Banc d’essais utilisé dans [37] et [38]. ................................................................................................. 23 Figure 10 : Schéma d’un système de barres de Hopkinson en configuration de compression. La barre sortante et l’échantillon placé entre les deux barres ne sont pas représentés.......................................................................... 23 Figure 11 : Etude de l’usinage à grande vitesse à l’aide de la technique des barres de Hopkinson (figure tirée de [41])....................................................................................................................................................................... 24 Figure 12 : Schéma d’un impact oblique (utilisé pour générer du frottement)...................................................... 24 Figure 13 : Diagramme de Lagrange décrivant la propagation des ondes de compression et de cisaillement dans la plaque et dans la cible après l’impact (figure tirée de [57]). C : célérité des ondes de compression, CS : célérité des ondes decisaillement, x : abscisse le long d’un axe perpendiculaire aux surfaces de frottement, t : temps. ... 25 Figure 14 : Impact oblique généré par explosion (figure tirée de [42])................................................................. 25 Figure 15 : Principe de l’essai décrit dans [46] (vue en coupe). ........................................................................... 26 Figure 16 : Echantillons de I1 (à gauche) et de X1 (à droite) photographiés après un essai de frottement (diamètre et hauteur de 10 mm). ........................................................................................................................................... 26 Figure 17 : Vue en coupe de la configuration utilisée pour les essais triaxiaux (figure tirée de [4]). ................... 27 Figure uploads/Geographie/ bastien-durand-3406.pdf