1.3 L’étude des frottements sous chocs au CEA/DAM
1.3.2 La technique expérimentale du CEA/DAM
A l’instar de l’AWE, le CEA/DAM dispose également d’une technique expérimentale permettant d’étudier les frottement sous chocs. Alors que la technique d’impact FN6 de l’AWE a essentielle- ment été conçue pour étudier les aspects phénoménologiques liés au frottement sous chocs (par le biais d’analyses post-mortems), l’application première du dispositif utilisé au CEA/DAM est d’éprouver les modèles de frottement aux très fortes sollicitations, en procédant pour ce faire à des mesures de vitesses libres.
D’un point de vue pratique, la technique consiste à impacter puis à faire glisser au moyen d’un lan- ceur à poudre un projectile de forme conique initialement confiné dans une cible cylindrique (Figures 1.11 et 1.12). L’originalité de cette méthode est qu’elle permet d’accéder à de larges plages de vi- tesses de glissement[V]ainsi qu’à d’importantes pressions de contactFN en jouant simplement sur la nature et la vitesse de l’impacteur, ou bien encore sur l’angle du cône. Les vitesses de glissement observées pour de telles expériences peuvent ainsi atteindre des valeurs particulièrement élevées. Il en va de même pour la pression de contact exercée à l’interface, celle-ci pouvant atteindre plusieurs dizaines de GPa. b b Percuteur (Cuivre) Cône glissant (Aluminium) Confinement guide (Acier) Points de mesure IDL
de vitesses libres
FIGURE1.11 – Aperçu de la technique de tir utilisée au CEA/DAM. Les points d’acquisition des vitesses
libres sont représentés en rouge à la surface du cône central et du confinement
Pour recaler les modèles de frottement, nous mesurons la vitesse de projectile ainsi que les vitesses de surface libre du cône central, dans l’axe de la cible, et du confinement. Leur acquisition s’effectue par Interférométrie Doppler Laser et par sondes chronométriques.
Cette configuration a notamment été utilisée lors de différentes campagnes de tir effectuées sur un couple aluminium/acier.
Afin de quantifier le frottement mis en jeu, il est nécessaire de procéder à une simulation numérique de l’expérience intégrant la loi de frottement à identifier ou valider. C’est précisément l’objet de notre étude. Ce dispositif expérimental nous servira donc de référence par la suite.
FIGURE1.12 – Aperçu post-mortem de la cible après impact.
Conclusion du chapitre
A
u cours de ce chapitre, nous avons eu l’occasion de nous familiariser avec les différentes no- tions liées à l’étude des frottements sous chocs. Nous retiendrons les points suivants :• La mise en glissement sous chocs d’interfaces métalliques s’accompagne de phénomènes
thermomécaniques irréversibles et fortement couplés entre eux.
• La sévérité de ces phénomènes semble fortement dépendre des conditions de frottement et
des sollicitations auxquelles sont soumises les interfaces de glissement. Plus particulièrement, le couple formé par la vitesse relative de glissement[V]et la pression de contactFN s’avère jouer un rôle prépondérant sur la dynamique global du frottement.
• En fonction de la valeur prise par chacun de ces deux paramètres, deux phénomènes majeurs
vont alors entrer en compétition et influer sur la dynamique globale du frottement :
— un phénomène d’adoucissement thermique occasionné par la mise en glissement de matériaux métalliques. Celle-ci s’accompagne d’échauffements importants produits à la fois par dissipation plastique et par le travail développé par les forces de frottement. Ces échauffements brusques affectent fortement la résistance des interfaces et peuvent dans certains cas conduire à la fusion partielle de l’interface. par conséquent .
— un phénomène d’écrouissage mécanique induit par les forts taux de cisaillement observés au sein de la couche de matière. A l’inverse du phénomène d’adoucissement, l’écrouissage va tendre à renforcer les propriétés mécanique des interfaces.
• L’analyse post-mortem d’échantillons mis en glissement par choc dans des problèmes d’im-
pact à haute vitesse permet de mettre en évidence lalocalisation de chacun de ces deux phénomènes au sein d’une couche de matière d’épaisseur micrométrique(≃ 20µm).
C
H A P I2
Modélisation classique des problèmes de
frottement sous chocs
Introduction du chapitre
D
ans ce chapitre, nous nous intéressons à la modélisation mathématique des problèmes de frottement sous chocs. Pour ce faire, nous nous proposons d’adjoindre à chaque phénomène physique le système d’équations qui lui est associé. Lorsque les structures sont soumises à des char- gements sévères en termes de pression, de température, de durée et de vitesse de chargement, il s’agit d’écrire un problème aux limites intégrant :• le comportement macroscopique observé à l’échelle de la structure : pour cela nous
devons disposer de modèles permettant de calculer le comportement dynamique en grandes déformations de matériaux sollicités par choc. Ces modèles doivent retranscrire les phéno- mènes transitoires induits par le passage d’onde de chocs, ainsi que l’apparition éventuelle de déformations irréversibles (cf. chapitre 1, pp. 30 à 31),
• le comportement microscopique observé au niveau des interfaces de contact : nous de-
vons également modéliser la résistance au glissement observée aux fortes pressions de contact et larges vitesses de glissement. Idéalement, le modèle doit tenir compte des mécanismes mis en jeu au voisinage des interfaces, telle que la déformation plastique en sous-couche, ainsi que la production de chaleur générée à la fois par le travail des forces de frottement et par dissipation plastique (cf. chapitre 1, 31 à 35).
Pour mener à bien la modélisation de tels problèmes, nous avons divisé ce chapitre en trois sections :
• La première section (pp. 44 a 50) nous permet de rappeler les bases de la modélisation ainsi
que les principales notations utilisées dans le cadre de cette étude. Nous y abordons égale- ment la description du mouvement en grandes transformations (pp. 46 à 47), avant de nous
intéresser à l’expression des déformations (pp. 47 à 48) et des contraintes (pp. 48 à 50) au sein des milieux continus.
• Au cours de la seconde section (pp. 51 à 71), nous introduisons l’ensemble des équations permettant de modéliser le comportement des structures sollicitées par choc, à savoir : les lois de conservation (pp. 51 à 52), les lois constitutives (pp. 52 à 62) ainsi que les conditions initiales et aux limites (pp. 62 à 71). La modélisation des interactions observées aux inter- faces de glissement fait quant à elle l’objet d’une attention particulière. Nous récapitulons dans un premier temps les conditions permettant de vérifier que deux corps sont en contact (pp. 64 à 65), puis nous passons en revue les principales lois permettant de modéliser le frot- tement éventuel (pp. 65 à 69). Enfin, nous nous intéressons à la modélisation des échanges de chaleur observés lors de la mise en glissement de matériaux métalliques (pp. 69 à 71). Ces différentes étapes nous permettent finalement d’obtenir un premier problème aux limites de base, caractéristique de la majorité des problèmes de frottement sous choc !
• A partir de cette trame, nous nous intéressons dans la troisième et dernière section (pp. 71 à
77) au cas particulier des problèmes d’évolution en déformations planes que nous modélisons dans l’espaceR2à deux dimensions.