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Soutenance de thèse de Van-Vuong LAI

le lundi 26 novembre 2018 à 14h, Villeneuve d'Ascq

Van-Vuong LAI, doctorant de l'UMRAE et de l'Université de Lille 1, soutiendra sa thèse intitulée :

Simulation dynamique du contact roue/rail en courbe – Application au bruit de crissement
 
La soutenance se déroulera le lundi 26 novembre 2018 à 14h00 au Bâtiment M6, de la Cité Scientifique, 59650 Villeneuve d'Ascq
 
Le jury est composé de :

  • M. Philippe DUFRENOY, LaMcube, Université de Lille, Directeur de thèse
  • M. Olivier CHIELLO, UMRAE, IFSTTAR, Co-encadrant
  • M. Jean-François BRUNEL, LaMcube, Université de Lille, Co-encadrant
  • M. Gael CHEVALIER, FEMTO, Université de Franche Comté, Rapporteur
  • M. Jean-Jacques SINOU, LTDS, Ecole Centrale de Lyon, Rapporteur
  • Mme Béatrice FAVERJON, LaMCoS, INSA Lyon, Examinateur
  • Mme Astrid PIERINGER, Chalmers University of Technology, Examinateur
  • M. Huajiang OUYANG, University of Liverpool, Examinateur
  • M. Mohamed-Ali HAMDI, Roberval, UTC, Invité
  • M. Fabien LETOURNEAUX, I&R, SNCF, Invité

 

Résumé :
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. Dans les zones urbaines où les courbes sont nombreuses, le crissement peut affecter de nombreux passagers et résidents et il est nécessaire de réduire ce bruit. La littérature est riche en modèles de simulation du crissement en courbe. Ils se distinguent principalement au niveau des mécanismes d'instabilité conduisant au crissement (amortissement négatif introduit dans le système dû à la diminution du coefficient de frottement avec la vitesse de glissement ou couplage de modes dans le cas d'un coefficient de frottement constant), mais aussi au niveau des modèles de contact roue/rail et des types de solution (domaine temporel ou fréquentiel, analyse linéaire ou non linéaire).

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, des instabilités peuvent se produire en raison du couplage entre la dynamique normale et tangentielle dans les systèmes roue/rail. Ce couplage peut faire intervenir deux modes de roue (couplage de modes classique) ou un seul mode de roue lorsque la dynamique du rail est incluse. Il s'agit alors d'un mécanisme spécifique. La flexibilité verticale du rail joue notamment un rôle important dans l'occurrence d'instabilité sans "décroissance du coefficient de frottement" ni sans "couplage de modes". Ce rôle est ensuite clarifié par un modèle simple comprenant un mode de roue et un modèle analytique de rail. On constate alors que la partie imaginaire de la raideur complexe du rail, induite par le déphasage de l’onde de propagation mais aussi par l’amortissement des semelles et du rail, joue un rôle critique dans le mécanisme d’instabilité. La combinaison du frottement et de ce déphasage induit un amortissement négatif qui peut alors déstabiliser le système, conduisant à des vibrations auto-entretenues et au bruit de crissement. Il est finalement montré que les résultats de la modélisation sont cohérents avec les constatations expérimentales.

Le second objectif de la thèse est de développer un modèle élément finis complet de contact roue/rail pour calculer des solutions de référence. Une formulation par éléments finis autour de la position stationnaire dans un repère eulérien est proposée avec une discrétisation fine de la surface de contact. Des lois non régularisées de contact unilatéral et de frottement avec un coefficient de frottement constant sont utilisées. Cette formulation déjà utilisée dans d'autres types de structures frottantes est ici adaptée au cas avec roulement. Des techniques numériques appropriées sont développées pour résoudre les équations discrètes non linéaires dans des conditions quasi-statiques ou dynamiques. Outre l’approche transitoire, une analyse de stabilité réalisée autour de la position d’équilibre en glissement total permet de déterminer les modes et les fréquences instables. Afin de réduire le temps de calcul, des méthodes de réduction sont proposées pour la stabilité et le calcul temporel. La première technique utilise une base réduite classique de sous-structuration dynamique (Component Mode Synthesis ou CMS) comprenant des modes normaux et des modes statiques d'attache au contact. Une deuxième technique consiste simplement à ajouter une flexibilité de contact statique résiduelle aux modes normaux lors de la résolution des équations de contact par frottement (approximation statique du contact). La méthode est ensuite testée dans le cas d'un contact roulant et frottant entre deux cylindres annulaires. Les résultats quasi statiques montrent un bon accord avec ceux obtenus avec le logiciel CONTACT de Kalker, qui constitue la méthode de référence pour le contact roue/rail quasi-statique. Dans le cas de glissement total, l'analyse de stabilité fait apparaître une instabilité du couplage de modes lorsque la zone de contact est décalée latéralement du plan moyen des cylindres. Dans la configuration instable, la solution transitoire est cohérente avec les résultats de stabilité. En ce qui concerne les performances des modèles de réduction, les résultats obtenus montrent un bon accord avec ceux de référence dans l’analyse de stabilité et dans les calculs transitoires. 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 sensiblement pas les mécanismes d'instabilité. Cependant, en raison du couplage plus fort entre les degrés de liberté de contact normaux, les taux de divergence des modes instables sont plus élevés avec le modèle éléments finis que pour le modèle de contact ponctuel. Les résultats de la simulation dynamique transitoire sont cohérents avec l’analyse de stabilité et montrent des oscillations localisées adhérence/ glissement dans la zone de contact. Le coefficient de frottement global moyenné pendant les cycles stabilisés est légèrement inférieur au coefficient de frottement local constant. Ainsi, la diminution du coefficient de frottement global pourrait être interprétée comme une conséquence (et non une cause) des vibrations auto-entretenues. La courbe de saturation dynamique moyenne obtenue avec le modèle éléments finis montre une hystérésis qui est n'est pas obtenu avec les courbes quasi-statiques. Ce phénomène pourrait être dû à l'importante rigidité latérale liée aux effets transitoires dans la zone de contact. Des analyses non linéaires avec des modèles de contact ponctuels devraient ainsi prendre en compte cette rigidité pour améliorer la prédiction des cycles limites.
 
Abstract:
Squeal noise of rail-bound vehicles emitted in tight curves (radius lower than 200m) is characterized by high sound pressure levels at pure medium and high frequencies. In urban areas where tight curves are numerous, squeal may affect many passengers and local residents and it is necessary to reduce this noise. State-of-the-art abounds with models trying to simulate curve squeal. They can be distinguished according to the mechanisms leading to squeal (negative damping introduced in the system due to the decrease of friction coefficient with the sliding velocity or mode coupling in the case of constant friction coefficient) but also wheel-rail contact models and solution types (time or frequency domain, linear or nonlinear analysis) according to. 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, instabilities can occur because of the coupling between normal and tangential dynamics in wheel/rail system. However, this coupling may involve two wheel modes or only one wheel mode when the rail dynamics is included. The last case corresponds to a specific original mechanism. The rail vertical flexibility is notably found to play an important role on the instability occurrence without "falling friction" nor without "mode-coupling". This role is clarified by proposing a simple model including a single wheel mode and an analytical rail model. It is thus showed how the imaginary part of the complex stiffness of the rail, induced by the phase shift of the propagating wave but also by track damping (supporting pad, rail) plays an critical role in the instability mechanism. The combination of friction and phase shift induces a negative damping which may destabilize the system, leading to self-sustained vibration and squeal noise. Finally, it is shown that the results obtained with the model are rather coherent with experimental observations.

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 of Part I. A finite element formulation around the stationary position in an Eulerian reference frame is derived with a fine discretization of the contact surfaces. Unilateral contact and Coulomb friction with constant friction coefficient are assumed in the contact zone. This formulation, already used in other problems of structures destabilized by friction, is adapted here to a rolling case. Appropriate numerical techniques are used in order to solve the nonlinear discrete equations in quasi-static and dynamic conditions. In addition to the transient approach, a stability analysis performed around the full sliding equilibrium position allows to determine unstable modes and corresponding frequencies. In order to reduce the computational effort, reduction strategies are proposed for both domains. The first technique uses a classical reduction basis including free-interface normal modes and static contact attachments modes. A second original technique consists in simply adding a residual static contact flexibility to the free-interface normal modes when solving the frictional contact equations (Contact Static Approximation). The method is then tested in the case of frictional rolling contact between two annular cylinders. The quasi-static results show a good agreement with the ones obtained with Kalker's CONTACT software, which is the reference method for the quasi-static wheel/rail contact analysis. In case of full sliding, the stability analysis brings out a mode coupling when the contact zone is laterally shifted from the center of the cylinders. In the unstable configuration, the numerical integration provides solutions in the time domain, which are coherent with the stability results. Concerning the performance of the reduction strategies, the approximate results show a good agreement with the reference ones in both transient and stability analyses. 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 in comparison with the results obtained in the first part. However due to a stronger coupling between the normal contact degrees of freedom, the divergence rates of the unstable modes are greater for the finite element-contact model than for the point-contact model. The results of transient dynamics are consistent with the stability analysis and show localized stick/slip oscillations in the contact zone. The average global friction coefficient during stick-slip cycles is lightly smaller than the constant local friction coefficient. Thus, the decrease of the global friction coefficient could be interpreted as a consequence (and not a cause) of the friction-induced vibrations. Moreover, an hysteresis is observed in the average dynamic saturation curve provided with the finite element model. This result is is significantly different from those obtained with quasi-static curves. This could be due to the high lateral stiffness resulting from transient contact effects at squeal frequencies. Nonlinear dynamic analyses with point contact models should thus take into account this effect in order to provide correct limit cycles.