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Simulation de l’échauffement d’un disque de frein d’une moto de compétition sous Star-CD
Projet de formation
CHEVEREAU Edouard
COSSON Yves
FRÉNAL Antoine
MONNIER Benoît
PRIEUR François
TROJANI Joseph
PREAMBULE
STAR-CD ET CD ADAPCO
Le groupe CD-adapco, est l’un des Leaders mondiaux de la mécanique des fluides dans le domaine automobile, grâce à STAR-CD.
Ce secteur à l’avantage de présenter des applications très variées et très représentatives des problèmes d’écoulement et/ou de thermique que l’on retrouve dans l’industrie.
Au-delà du marché automobile, de nombreux clients de STAR-CD et de ses services se retrouve dans des secteurs aussi divers que l’énergie, les turbomachines, l’aéronautique, la chimie et les procédés, le biomédical, le ferroviaire, le génie civil, l’offshore et la marine, l’environnement, la pharmacie, l’électronique, l’électroménager et toute autre application industrielle.
La dernière version de Star-CD est une solution logicielle intégrée avec un modeleur paramétrique de toute dernière génération, un mailleur automatique, qui fonctionnent sous les deux grands systèmes d’exploitation (Windows et Unix). Ses solveurs sont reconnus comme les plus rapides du marché pour les problèmes instationnaires et tirent un avantage considérable des architectures en cluster.
CD Adapco Group est spécialisé dans le développement de logiciels de simulation en mécanique des fluides et milieux continus et réalise de la sous-traitance en engineering.
CD Adapco Group compte 300 employés parmi lesquels de nombreux spécialistes bénéficiant d'une grande expertise en Mécanique des Fluides, Thermique, Calcul de Structures et Interaction Fluide/Structure.
TABLE DES MATIERES
III DETERMINATION THEORIQUE DE LA TEMPERATURE ATTEINTE AU FREINAGE.............. 12
IV RESOLUTION D’UN PROBLEME DE THERMIQUE DANS UN ECOULEMENT........................ 14
I INTRODUCTION
I.1 Enoncé du problème
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Cette étude nous a été proposée par une modeste écurie de course engageant une moto lors des 24 Heures du Mans. Cette équipe, JLC Moto, prépare en effet une Métisse, moto particulière car son système de direction avant est dépourvue de fourche classique. Elle est équipée en quelque sorte comme une voiture sportive avec un triangle inférieur et supérieur, et d’un porte moyeu. Cette dernière pièce autorise un emplacement restreint pour le frein et donc le dimensionnement du disque s’avère compliqué pour trouvé un bon compromis avec la performance.
Le problème rencontré est donc le suivant. Lors des courses d’endurance comme les 24 Heures du Mans motos, le disque avant est trop sollicité par les nombreux freinages, il en résulte donc une usure prématuré et une casse. Nous allons donc nous pencher sur la cause de cette rupture caractérisée par une grosse fissure, un craquage thermique. |
Figure 1: Photo présentant le dispositif de suspension avant de la métisse
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I.2 Principe et fonctionnement
Un frein à disque est un système de freinage utilisant un disque fixé sur le moyeu ou la jante de la roue et, des plaquettes maintenues par un étrier fixé au véhicule, venant frotter de chaque côté du disque. Un système pousse, le plus souvent, des pistons hydrauliques, les plaquettes qui viennent serrer fortement le disque. La force de frottement entre les plaquettes et le disque crée le couple de freinage.
I.3 Historique
Le frein à disque est à peu près aussi ancien que les véhicules à roues motorisés. Il est d'ailleurs très proche du frein à patin des vélos. Seul le manque de fiabilité dû aux fortes contraintes imposées aux matériaux du système ont freiné son utilisation massive.
Sur les motocyclettes, son utilisation a été rare jusqu'à la 750 four Honda de 1969, qui a imposé le disque à commande hydraulique. Ce même type de freinage a rapidement été repris sur les machines de compétition. Il s'est perfectionné en se perforant et en devenant double (à l'avant).
Dans le domaine automobile, les freins à disques ont commencé à se généraliser dans les années 60 sur les véhicules haut de gamme, avant de s'étendre à tous les véhicules sur le train avant. En 2007, seules les petites automobiles utilisent encore les frein à tambours sur l'essieu arrière.
La première voiture à adopter les freins à disques à l'avant de série fut la Citroën DS en 1955.
En aviation, ce type de frein, plus léger, plus facile d'entretien que les autres systèmes, dans un domaine où les coûts sont accessoires, est utilisé depuis plus longtemps.
I.4 Technique et Technologie
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Figure 2 : Dessin d'un dispositif de freinage complet |
Par rapport au frein à tambour, le frein à disque a l'avantage d'être plus progressif car il n'est pas autoserrant. En revanche, il nécessite une plus grande pression pour être efficace, la pression du conducteur est transmise par un système hydraulique bien souvent assisté (c'est pourquoi la commande en est rarement mécanique, car il est malcommode d'obtenir une démultiplication suffisante par un système de leviers).
Les véhicules plus lourds ou sportifs disposent de disques ventilés : des disques plus épais que la normale, dans l'épaisseur desquels des canaux créent une circulation d'air forcée. Toutes sortes de matériaux peuvent être utilisés.
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Pour les disques :
- Acier inoxydable (assez cher, peu accrocheur)
- Fonte (le plus économique, rouille facilement, le plus lourd, le plus utilisé)
- Carbone (hors de prix, hyper léger, très endurant, véhicules de sport très haut de gamme)
Un système de freinage a pour fonction principale de transformer une énergie mécanique en une énergie calorifique. Cette énergie se caractérise par un échauffement global du disque et des plaquettes lors d’une phase de freinage. Il est d’autant plus intéressant de simuler ce phénomène à plusieurs titres. Dans un premier temps, ces simulations permettent de connaître les diverses températures se localisant au niveau des zones de contacts (surfaces du disque et des garnitures). Puis dans un second temps, permettent d’optimiser le système grâce aux résultats obtenus à partir du modèle existant.
L'utilisation des simulations numériques en mécanique des fluides et thermique sont en pleine expansion dans l’industrie, et en particulier dans le domaine automobile.
Celle-ci consiste à modéliser les écoulements et les échanges de chaleurs pour un problème donné : elle permet donc à l’industriel de comprendre et de quantifier les phénomènes physiques sans avoir recours à des essais. Ainsi, la simulation réduit considérablement le prix des études lors de la conception d’un produit car elle contribue à diminuer le nombre d'essais expérimentaux (en soufflerie ou sur banc) et la construction de prototypes.
II POSITION DU PROBLEME
On se propose dans cette étude de mettre en évidence un problème d’échauffement excessif du disque, et de visualiser ainsi les conséquences et les effets résultants pour pouvoir en tirer les modifications qui s’imposent sur la conception du disque de frein du point de vue des matériaux et du profile.
II.1 Etude théorique
Les freins à disque sont couramment employés pour réduire la vitesse des véhicules grâce à leurs caractéristiques de stabilité, de contrôlabilité et de leurs capacités à fournir un couple progressif de freinage.
Au cours d’un freinage, tous les paramètres physiques (vitesse, pression, température, caractéristiques mécaniques et tribologiques des matériaux, et des conditions des contacts) évoluent avec le temps. La chaleur, issu de la friction produite sur l'interface du rotor et des garnitures (plaquettes), peut causer un très grand échauffement de cette dernière. A terme, la température peut dépasser la valeur critique pour un matériau donné, qui mène à des effets indésirables, tels que des phénomènes de détérioration, comme des marquages locaux, craquages thermiques, et instabilité thermo-élastique.
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Figure 3 : |
Il est prouvé que la température de contact est le facteur reflétant l'influence spécifique de l'effet de frottement combiné de la pression, de la vitesse, du coefficient de frottement, et des propriétés thermo-physiques et de longévité des matériaux constituant le système de friction. En outre, l'état physique de l'interface du disque et des plaquettes est déterminé non seulement par la température de contact mais par le champ thermique non-stationnaire du disque. Par conséquent, l'analyse thermique du système de freinage est devenu l’une des étapes principales pour la conception et la fabrication d’un système de freinage.
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Le système de freinage se compose de deux pièces : un disque rotatif, géométriquement axisymétrique ; et de garnitures stationnaires, dont la géométrie est tridimensionnelle. Les conditions de contact entre le disque et les garnitures correspondent à un flux de chaleur qui est une fonction des variables de temps et d'espace r et θ.
Les conditions thermiques de frontière en dehors de la région de contact correspondent à la convection, au rayonnement et à la température connue du contact. Dans notre modèle StarCD nous mettrons les options précédentes en action.
La vitesse de glissement et le flux thermique issu de la friction sont dépendant du temps et leur intensité est fonction des variations de pression. Pour simuler cela notre étude sera faite en ‘transient’ qui est une résolution faite pas à pas avec un pas de temps dt.
En pratique, le système de freinage baigne dans un flux d’air, plus ou moins forcée selon le système, qui participe au refroidissement du disque et des plaquettes. Ce flux d’air est régit par les lois de l’aérodynamique, de par ce fait sur le logiciel StarCD nous inclurons donc un modèle turbulent avec un coefficient K-e.
Il convient de souligner, c'est que l'aérodynamique est, avant tout et par essence, une science expérimentale. On ne niera pas l'utilité de la théorie, car elle permet d'élaborer des modèles mathématiques simulant la réalité, ce qui est toujours une économie de temps, d'argent et d'énergie, et apporte une sécurité accrue. Mais un modèle et sa simulation doivent toujours faire appel à l'expérience pour trouver une confirmation par les faits, confirmation validant un champ forcément limité d'applications.
II.2 Formulation du problème
II.2.a Éléments finis et conditions limites de la thermique
Pour appliquer le modèle thermique et aérodynamique d’éléments finis avec un rotor, on suppose que :
1. la pression de freinage est uniformément
répartie sur la zone de contact du disque et des plaquettes sur les surfaces
intérieures et extérieures (ainsi la dis
tribution de la
température est la même sur les deux flancs du disque et il y a ainsi symétrie
par rapport au plan central du disque).
2. le coefficient de frottement reste constant pendant le freinage.
3. les matériaux du disque et des plaquettes sont homogènes et leurs propriétés thermiques sont invariables avec la température.
4. l’écoulement du flux d’air entrant (inflow) est de type turbulent mais .
L'équation de conduction de la chaleur est donnée dans un système de coordonnés cartésien :
Les conditions de frontière peuvent être indiqués comme suit :
qd est le flux de la chaleur entrant dans le disque au niveau de la zone de contact, et hd1 et hd3 sont, respectivement, les coefficients de convection hors de la zone de contact et de la surface du disque.
L'analyse thermique du système de freinage exige une détermination précise de la chaleur totale de friction produite et ainsi que la distribution de cette énergie entre le disque et les garnitures. Lors bref d’un freinage d’urgence, toute la chaleur produite à l'interface est égale à la chaleur absorbée par le disque et les garnitures.
Ainsi,
qd(r,t)=γμp(r,t)v(r,t)=γμp(t)ω(t)r ,
μ est le
coefficient de frottement et γ
est le facteur de dispersion de chaleur représentant la
quantité du flux thermique de friction entrant dans le disque, qui est donné
comme suit : 
ρ est la densité, c la chaleur spécifique et k est la conductivité thermique. Les indices p et d signifient respectivement la garniture et le disque. La pression p peut être formulée comme suit :
,
β est un paramètre qui caractérise la durée de l'augmentation de la pression de frein de zéro à la valeur nominale p0.
Lorsqu’un véhicule freine, une partie de la température de friction s’échappe dans l'air grâce à la convection et au rayonnement. Par conséquent, la détermination des coefficients de convection est très importante. Il est, cependant, très difficile de les calculer exactement, car ils sont affectés par la forme du système de freinage, de la vitesse de déplacement du véhicule et donc, par conséquent, de la circulation de l'air.
II.2.b Flux d’air en mécanique des fluides
L’écoulement dans le sillage des véhicules automobiles peut-être séparé en deux structures. La première issue d’une ligne de séparation bidimensionnelle génère un écoulement de base avec une pression statique constante et une vitesse de transport voisine de zéro. La seconde et issue d’une séparation tridimensionnelle de l’écoulement et engendre des zones à enroulements tourbillonnaires.
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Ces deux effets produisent la traînée de forme à laquelle s’ajoute une traînée de pression résultant de la distribution de pression sur la géométrie du véhicule et une traînée de frottement due au cisaillement du fluide dans la couche limite. L’ensemble constitue la traînée aérodynamique globale associée au véhicule.
En aérodynamique automobile, les écoulements fluides sont de nature turbulente et dans les conditions courantes d’utilisation, le déplacement du véhicule s’effectue à un nombre de Mach très inférieur à 0.3. |
Figure 4 : Flux d’écoulement d’air sur une moto |
De plus, les actions mécaniques de gravité que le fluide exerce sur le véhicule sont faibles comparés aux actions mécaniques de viscosité, de turbulence ou de pression. Pour ces raisons le fluide est considéré incompressible et non pesant.
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Pour calculer la traînée aérodynamique sous l’aspect tourbillonnaire on va s’intéresser à une formulation intégrale construite sur un bilan de quantité de mouvement à partir des pressions moyennées au sens de la turbulence.
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Formulation théorique :
1er terme : Contribution due à la vitesse longitudinale
2ème terme : Contribution due à la rotation du fluide
3ème terme : Contribution due à la perte de pression d’arrêt
Coefficient local de frottement – Coefficient de traînée :
Le coefficient local de frottement est défini à partir de la contrainte pariétale locale normée par la pression dynamique soit :
Le coefficient de traînée s’obtient de façon similaire à partir d’une surface de référence et d’une pression dynamique.
Elle est définie à partir de la vitesse à l’infinie
(D étant la traînée visqueuse) : 
II.2.c Equations caractérisant un domaine fluide
Voici les équations qui régissent un domaine d’écoulement :
La première équation est l’équation de continuité pour un fluide incompressible, la seconde représente l’équation de Navier-Stockes pour un fluide Newtonien et enfin l’équation de l’énergie pour un petit nombre de Mach et d’Eckert.
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Dans notre cas, l’écoulement d’air (inflow) est laminaire jusqu’au moment où il rencontre le disque. Une partie de ce flux devient turbulent. La turbulence est un mode naturel d’écoulement d’un fluide visqueux où des mécanismes internes d’échange d’énergie assurent la création et le maintien de toute une hiérarchie de mouvements chaotiques répartis continûment sur une large gamme d’échelle macroscopiques.
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Figure 5 : |
II.2.d Méthode de résolution transient
Pour résoudre le problème, la technique du transient est employée. Pendant la simulation de freinage, les différentes valeurs du flux thermique sont assignées aux éléments dépendants de la zone de contact à chaque pas de temps dans le modèle.
La localisation de la région de contact, à chaque pas de temps, doit être déterminée par la position relative du disque et de la plaquette.
De cette façon, la distribution de source de chaleur peut être transférée au modèle, et le problème de conduction peut être résolu comme problème tridimensionnel de transfert thermique avec une source de chaleur immobile.
Au pas de temps suivant, la source de chaleur se déplace aux éléments voisins selon la direction relative de glissement, alors que le problème de conduction thermique est, à plusieurs reprises, résolu en utilisant un incrément de temps plus petit que les pas de temps mentionnées incluant la distribution initiale de la température correspondant exactement au résultat qui a été obtenu au pas de temps précédent. Le pas de temps est régi par la variation de la vitesse de rotation de disque.
Employer la méthode du transient en éléments finis permet de simuler le transfert thermique dans un disque tridimensionnel avec une vitesse variable et un flux transient non-axisymmetric de la chaleur.
Afin de modéliser l’ensemble de ces phénomènes (mécanique des fluides et thermique), on utilise le logiciel Star-CD.
Le prochain chapitre détaillera donc les principales étapes de création d’un modèle pour ce logiciel et de résolution du problème.
III DETERMINATION THEORIQUE DE LA TEMPERATURE ATTEINTE AU FREINAGE
Pour le problème présent nous devons savoir la raison pour laquelle la moto Métisse est confrontée à une usure précoce et in fine à une casse du disque de frein. Tout d’abord nous allons donc nous attacher à déterminer de façon théorique la température atteinte lors d’un gros freinage et vérifier ainsi la cause de la casse. Le but est aussi de reporter cette température sur le modèle que nous devons élaborer sur Star-CD.
Ces calculs seront effectués avec 2 types de disque avec des matériaux différents. Dans un premier temps nous évaluerons la température avec de l’acier inoxydable, matière utilisée par la Métisse, et dans un second temps avec du carbone.
Caractéristiques thermiques et températures limites d’utilisation de l’acier inoxydable et du carbone :
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Acier Inoxydable |
Carbone pyrolytique |
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KA = 20 W.m-1.K-1 rA = 7900 kg.m-3 CA = 560 J.kg-1.K-1 T lim,A = 1670 K |
KC = 65 W.m-1.K-1 rC = 2200 kg.m-3 CC = 1600 J.kg-1.K-1 T lim,C = 2270 K |
On souhaite prédire l’évolution de la distribution de température T(x,t) de ce milieu de conductivité thermique uniforme et isotrope. L’équation de bilan thermique d’un domaine limité par des plans est de la forme :
Conditions limites :
Les données cinématiques du freinage de la Métisse permettent d’en apprécier la violence : la vitesse de la moto (masse de 200 kg , pilote compris) passe approximativement de 290 km/h à 100 km/h en 120m. La durée de freinage s’exprime donc par
,
avec
,
où vi = 80,55 m/s et vf = 27,77 m/s .
Soit une durée de freinage tf de 2,2 s .
La décélération est définie par
.
Soit une décélération supposée constante de –23,9 m/s-2 qui équivaut à 2,4 g .
On suppose que l’énergie cinétique de la moto est totalement convertie en énergie thermique par frottement des plaquettes (2 par disques) sur les freins, nous avons donc :
,
avec Sf la surface des plaquette en contact avec le disque soit 0.0035 m2.
L’énergie cinétique de la moto en décélération est donc d’environ 571 712 J.
Nous pouvons alors déterminer le flux thermique produite à chaque interface plaquette-disque, soit jf = 18,56 MW.m-2.
Pour un flux imposé j0 nous avons :
,
avec b l’effusivité thermique du matériau, soit pour chaque matériau 1 et 2 :
.
La densité de flux thermique jf se répartit entre la plaquette et le disque selon deux composantes respectivement notées j1 et j2, la température finale sera alors donnée par :
.
Calcul de l’effusivité thermique de l’acier inoxydable et du carbone, respectivement b1 et b2 :
,
.
Avec une température initiale Ti de 60 °C soit 333 K nous pouvons désormais définir la température Tf :
.
Cette température finale est donc proche de la température critique de l’acier inoxydable (1670K) il en résulte donc un craquage thermique qui se vérifie sur le disque. Ce résultat n’est pas étonnant au vue des problèmes rencontrés sur la Métisse, l’usure est alors précoce et le bris de disque est plus probable sur des circuits ayant de fortes sollicitations en freinage. Cependant lors de ce calcul théorique nous n’avons pas pris en compte le refroidissement par air du disque ventilé.
Cependant cette température est à mettre en relation avec un système disque-plaquette en matière carbone-carbone, la température finale atteinte est alors de
,
alors que sa température critique est bien plus haute, 2270 K.
IV RESOLUTION D’UN PROBLEME DE THERMIQUE DANS UN ECOULEMENT
L’utilisation de Star-CD est complexe. Celle-ci se fait par utilisation de plusieurs modules spécifiques.
N’ayant pas accès au modeleur de Star-CD, on doit donc créer la géométrie par un autre logiciel, et utiliser un format d’enregistrement compatible.
IV.1 Création de la géométrie
La première étape consiste à créer la boîte qui contient le système à étudier. Celle-ci doit être assez grande pour ne pas générer d’effets de bords.
Dans une seule et
même pièce on représente le disque et la plaquette dans la configuration réelle
(plaquette en contact avec le disque). Cependant on crée ces éléments dans deux
corps de pièces différents, afin que Star-CD les différencie.
Attention : avant l’enregistrement (au format STL), il ne faut pas laisser le rendu « filaire » du modèle mais le remettre en « réaliste » sinon il y aura une erreur pendant le maillage.
On utilise donc Catia V5R8 afin de créer la zone ou le fluide va s’écouler.
On applique enfin l’opération booléenne retirer et on obtient donc une géométrie, à enregistrer au format stl.
On utilise donc dans l’ensemble des calculs, afin de mailler notre géométrie, le Mesh Wizard de Pro-Am.
IV.2 Maillage de la géométrie
IV.2.a Importation de la géométrie
Dans cette étape, on va simplement chercher par « Browse » le fichier stl créé par Catia, afin de le stocker en mémoire.
L’étape suivante consiste à importer cette géométrie dans Star-CD. Voici les paramètres utilisés par le Mesh Wizard de Star-CD :
Le fichier .stl est importable par Star-CD
dans la première étape du Mesh Wizard.
IV.2.b Préparation de la surface
Dans cette étape, Star-CD va préparer la surface afin de faciliter le maillage.
On va donc choisir des tailles maximales et minimales de surfaces que Star-CD va utiliser pour « mailler » la surface, ou plutôt pour la préparer au maillage.
Dans cette étape, on supprime donc de la géométrie tous les détails inférieur la taille minimale choisie.
La deuxième étape
consiste à préparer le maillage. En effet, un premier maillage est appliqué à
la géométrie. Celui-ci servira de base de travail pour les opérations
suivantes.
L’intervalle de longueurs d’éléments est ici définie. Dans notre cas les éléments ont des longueurs comprises entre 200 mm (éléments proches de la boîte) et 0.5 mm (éléments proches du disque).
IV.2.c Génération de la couche limite
On va choisir ici l’épaisseur de la couche limite, qui sera maillé indépendamment par extrusion du maillage de surface sur une maille, et qui est donc enlever du modèle courant pour les deux étapes suivantes.
Dans la troisième étape, le Mesh Wizard génère la couche limite du modèle.
IV.2.d Génération de la finesse du maillage
On choisit ici des valeurs maximales et minimales entre lesquelles le mailleur automatique va gérer la finesse du maillage.
On obtient donc à la fin de cette étape une cartographie pour l’ensemble de la structure de la finesse du maillage qui sera utilisée dans l’étape suivante.
Cette étape sert à définir la finesse du maillage. Ces valeurs dépendent des longueurs d’éléments définies dans la deuxième étape. De plus, le Mesh Wizard génère ici une cartographie du maillage utile pour les prochaines étapes.
IV.2.e Création du maillage
Dans cette étape, à partir de la cartographie de finesse du maillage, le mailleur va mailler le volume par des mailles de type tétraédrique (tetrahedral) ou cubique (trimmed) au choix de l’utilisateur.
Le maillage définitif peut maintenant être généré, grâce à la cartographie obtenue. Deux types de maillages sont disponibles : Trimmed (prismes réguliers) et Tetrahedral. Dans notre cas, un maillage de forme tétraédrique est plus approprié à la géométrie utilisée.
IV.2.f Extrusion de la couche limite
Ici, le mailleur va reconstituer la couche limite par extrusion du maillage de surface, afin d’obtenir des mailles d’épaisseurs égales à l’épaisseur de la couche limite.
Dans cette étape, le Mesh Wizard va extruder les volumes entre les couches limites. Cela a pour but de différencier la boîte et la pièce, afin d’appliquer un fluide dans les zones extrudées.
IV.2.g Statistiques
On vérifie ici l’ensemble des paramètres générés par le mailleur automatique, c’est à dire le nombre de mailles de fluide, le nombre de mailles générées par l’extrusion lors de l’étape précédente, ainsi que le nombre de mailles « ratés ».
IV.2.h Vérification du maillage
Le mailleur automatique n’étant pas parfait, il est nécessaire de vérifier le maillage obtenu par le Star-Guide.
On utilise donc le « check grid », avec comme option de vérification : « severe check ». On obtient alors un listing des vérifications dans la fenêtre texte de Pro-Am.
IV.2.i Correction du maillage
Maintenant que le maillage est vérifié, il convient de supprimer les mailles défectueuses. Pour cela, on va lister celles-ci par le menu « lists », et « cells ». Une fenêtre s’affiche, listant l’ensemble des mailles défectueuses. On les supprime donc, et on fait de même pour les couples.
Mais cette opération peut créer de nouveaux problèmes dans le maillage. On doit donc itérer les opérations 9 et 10 jusqu’à l’obtention d’une fenêtre vide dans les deux listing.
IV.3 Modèle physique
Dans cette étape, on va renseigner l’ensemble des caractéristiques physique du fluide, du solide ainsi que des parois.
Le maillage étant effectué, il faut définir tous les paramètres des différents modèles afin de lancer l’analyse.
IV.3.a Etat stationnaire
Dans un premier temps il faut valider les modèles choisis, donc une analyse en stationnaire est suffisante : Steady State.
Il ne faut pas oublier d’activer le calcul du transfert de chaleur : « Heat Transfer On » dans Thermal Options.
On a ainsi accès au menu « Solids » qui regroupe les paramètres des matériaux non fluides.
Vérifier que la
gravité s’exerce dans la bonne direction et le bon sens : ici suivant
l’axe z.
IV.3.b Initialisation de la turbulence
Le type de d’écoulement doit ensuite être déterminé. Ici on choisit un écoulement turbulent de type k-e en utilisant le nombre de Reynolds. Ce type d’écoulement est utilisé fréquemment pour de nombreux problèmes. Ceci nous permet d’observer distinctement une turbulence autour du disque. Cependant, en ajoutant les paramètres de la thermique nous avons connus des problèmes en lançant l’analyse, donc nous avons utilisé une turbulence constante avec une viscosité de 0.005, bien moins capricieuse pour le calcul.
Vérifier tout d’abord que le calcul de la température de l’air est activé.
Ensuite initialiser des paramètres de la turbulence : les deux paramètres ont été réglés à 0.5.
IV.3.c Définition du modèle matériau
Tout d’abord il est nécessaire d’assigner les matériaux solides utiles au modèle. Ainsi pour le disque, nous avons utilisé un acier se trouvant dans la bibliothèque.
Pour simplifier l’étude, nous avons utilisé ce même acier pour la plaquette de frein.
Nous avons donc deux matériaux en tout : l’acier pour les solides et l’air pour le fluide.
Pour
appliquer ces matériaux aux cellules solides et fluides, il faut définir les
types de cellules existantes, ainsi que les matériaux associés dans « Cell
Table Editor ».
Par défaut, toutes les cellules sont fluides. Cependant le contour de la boîte et les pièces au milieu ne sont pas classés dans la même table que les cellules intérieures de la boîte, ce qui explique la différence de couleur.
Pour appliquer le matériau aux pièces, il faut utiliser le
bouton «Modify Type» dans le Cell Tool, en ayant préalablement rendu actif le
type de cellules voulu. On sélectionne donc les cellules correspondantes.
Avec le mode de sélection « select zone », des cellules appartenant à la boîte sont parfois sélectionnées, il faut donc changer leur type et les remettre fluides (ne surtout pas le supprimer).
Après cette opération il est très probable que certaines cellules soient communes au disque et à la plaquette, et parfois certaines cellules existent en double. Afin de corriger ce problème, il faut se rendre dans « Check Grid » dans le Star-Guide puis dans le menu déroulant « Check option » sélectionner « severe checks », en vérifiant que « put failed cells into new cell set » soit sur « yes ». Ensuite, dans le menu déroulant « Lists », puis « Cells » apparaissent seulement les cellules critiques (s’il y en a), elles doivent être supprimées. Réitérer le procédé jusqu’à ce qu’il n’y ait plus aucune cellule défaillante dans la liste.
IV.3.d Définition du modèle Conditions Limites
La première étape consiste à sélectionner les faces d’entrée et de sortie du flux de la boîte. Ces options se trouvent dans le menu « Create Boundary » dans le Star Guide.
La face d’entrée du flux (Inlet).
La face de sortie du flux (outlet).
Des conditions aux limites sont également nécessaires sur les deux pièces. Nous avons utilisé les conditions « Wall ». Cela est obligatoire car on peut régler un certain nombre de paramètres sur ces C.L. , comme une vitesse de rotation W sur le disque, ou une source de chaleur ainsi que les paramètres de radiation thermique sur la plaquette.
IV.3.e Chargements
L’échauffement dû au frottement de la plaquette sur le disque est très compliqué à simuler, c’est pourquoi une température initiale de 600 K est appliquée directement sur la plaquette. Nous avons donc un problème de conduction thermique entre deux solides.
Dans le menu « Define boundary regions » il est possible de régler les différents paramètres propres à chaque condition.
Définition des paramètres :
Inlet : on applique une vitesse U= -58 m.s-1 pour le flux.
Wall (disque) : on applique une vitesse de rotation W=2000 tr.min-1 dans le repère n°4. On fixe une température initiale de 293 K ainsi qu’une résistance de 20 m²K/W.
Pour créer un nouveau repère, cliquer sur le bouton « Csys », puis garder les mêmes paramètres que pour le repère 1 en ajoutant une rotation Rzx de 90°, puis cliquer sur « New (global) ».
Les vitesse de rotation du disque a été posée, pour un diamètre de la roue de 70 cm, cela donne une vitesse de 208 km.h-1 pour le véhicule (ce qui semble réaliste), d’où une vitesse du flux de 58 m.s-1.
Wall (plaquette) : Il faut changer les paramètres thermiques de cette condition. Dans “Wall heat”, on choisit “Fixed” avec pour valeur 600 K
Pour les deux solides les valeurs de l’émissivité et de la réflexion thermique sont respectivement de 0.8 et 0.2.
Radiations :
Ce paramètre doit être activé afin de visualiser l’influence de la température des pièces sur le flux d’air.
Cette partie est une des plus délicate car plusieurs méthodes de résolutions sont proposées, il faut donc choisir la plus appropriée à notre modèle.
Dans notre cas, nous avons utilisé la méthode « Discrete Transfer – Internal VF Calc » dans « Thermal Options ». Nous avons réglé « Beams per patch » sur 1600.
Avec cette méthode, Star-CD nous impose d’appliquer des « patches » sur les conditions aux limites dans l’onglet approprié qui se trouve dans « Create Boundaries ».
Attention, il ne faut pas oublier d’activer le calcul des radiations pour le solide dans le Cell Table Editor. (Radiation sur « On »).
Avant de lancer une analyse (parfois très longue), on doit bien s’assurer que le modèle ne contient pas d’erreurs. C’est pourquoi il faut vérifier tout le modèle.
Dans « Check Model Setup » puis « Check Everything », cliquer sur « All ». Une série de tests va contrôler les cellules, les conditions limites…
On peut suivre en temps réel cette série de tests dans la fenêtre « pro-STAR Output ». Cela peut prendre un peu de temps. Le test se termine par la vérification des régions, et doit en cas de succès afficher « Region Checking Completed – NO ERROR ».
IV.3.f Analyse
Autres réglages :
Pour obtenir un meilleur résultat au niveau du calcul de la température, régler l’option « solution algorithm » sur « PISO » au lieu de « SIMPLE ». cet algorithme de calcul fait intervenir plusieurs correcteurs afin d’augmenter la précision du résultat.
Afin de visualiser la chaleur, il est nécessaire de cocher les cases « post » et « print » pour ces paramètres dans le menu « Analysis Output ».
Analyse Stationnaire :
On choisit le nombre d’itérations que le calculateur va effectuer. Plus le nombre est élevé, et plus le résultat sera précis, mais également plus long à calculer.
On détermine ensuite le facteur d’échelle voulu (0.001 pour les millimètres), et en sélectionnant le mode « Double Precision » on accrue la fiabilité du résultat. On lance l’analyse et on peut suivre la progression et les messages d’erreurs dans le « STAR-Launch ».
Pour les premières analyse nous avons préféré visualiser l’écoulement de l’air autour du disque. En effet il serait inutile de réaliser une analyse complète si l’allure du flux ne semble pas réaliste ou si celle-ci provoque des erreurs lors du calcul. Il faut ainsi procéder étape par étape pour connaître les sources d’erreurs.
Dans la partie Post-Processing nous avons donc affiché la vélocité totale du flux, représentée par des vecteurs. On distingue nettement le champ de turbulence créé par la rotation du disque.
Pour accentuer cette interprétation, nous avons ajouté un ruban sur la face inlet. Les résultats confirment les observations effectuées précédemment. En effet, le flux contourne le disque et possède plusieurs tourbillons.
(En ajoutant le chargement thermique décrit en IV.3.e, le résultat obtenu n’est pas très satisfaisant car l’échauffement du disque est local, au niveau du contact avec la plaquette.) JE SAIS PAS SI C’EST LE BON MOMENT POUR PARLER DE CA
Donc ici, nous avons appliqué le chargement thermique directement sur le disque afin d’observer les conséquences sur la température du flux.
On remarque que le disque ne subit pas beaucoup l’influence du flux d’air car il reste uniformément à la même température. Cependant il est intéressant de voir que le flux, lui, subit bien la radiation thermique du disque, et affiche ainsi une traînée qui a le même sens que l’écoulement.
Analyse transient :
Après avoir sélectionné le mode Transient dans « Select Analysis Features » nous devons définir le domaine temporel étudié.
Conclusions :
IV.4 Lancement du calcul
Après vérification du modèle et des conditions aux limites, on lance enfin le calcul dans cette fenêtre, avec la bonne unité.
IV.5 Post-traitement
IV.5.a Chargement du fichier de résultat
Les résultats sont stockés dans un fichier spécial, il convient donc de le charger en mémoire.
IV.5.b Chargement des données voulues
Dans cette étape, on charge pour l’affichage en vecteur et en couleur les données voulues du fichier résultat.
IV.5.c Affichage écran des données
A partir des données chargées à l’étape précédente, on les affiche à l’écran, avec la visualisation voulue.
V ANALYSE DES RESULTATS
VI ETUDE THERMOMECANIQUE DU CONTACT ENTRE UNE PLAQUETTE EN CARBONE ET UN DISQUE EN ACIER INOX
Cette étude est réalisée a l’aide du logiciel ABAQUS. C’est un logiciel de calcul éléments finies développé par ABAQUS, Inc.
Il se compose de trois produits : ABAQUS/Standard, ABAQUS/Explicit et ABAQUS/CAE. ABAQUS/Standard est un solveur généraliste qui recourt à un schéma traditionnel d'intégration implicite. Le solveur ABAQUS/Explicit emploie un schéma d'intégration explicite pour résoudre des problèmes dynamiques ou quasi-statiques non-linéaires. ABAQUS/CAE constitue une interface intégrée de visualisation et de modélisation pour les dits solveurs. Chacun de ces produits est complété par des modules additionnels et/ou optionnels, spécifiques à certaines applications.
VI.1 Introduction
Lorsque deux corps entrent en contact avec frottement, il y a dissipation d’énergie et donc de la chaleur produite au niveau du contact, ce qui entraîne une dilatation pouvant accroître le champ de pression, … . Ce phénomène s’accroît si les contraintes tangentielles ainsi que les vitesses relatives de glissement entre les deux corps sont importantes.
Ces effets thermomécaniques se traduisent la plus part du temps par la formation de zones localisées à très forts gradients thermiques, les points chauds. Il y a apparition de déformations thermiques et des concentrations de contraintes pouvant générer des fissures, des vibrations.
VI.2 Etude thermomécanique
Nous avons modélisé le disque et la plaquette en caractérisant pour chaque pièce les propriétés mécaniques et thermiques du matériau, présentées dans le tableau. Ensuite, nous avons appliqué les conditions aux limites du modèle :
- une pression appliquée sur la face supérieure de la paquette 1000 Pa.
- Les nœuds de la surface supérieur de la plaquette sont bloqués suivant x et y.
- Les nœuds du diamètre intérieur du disque sont bloqués suivant z et ont une vitesse angulaire imposée w=157rad/min suivant z.
Sans oublier la création des interactions du contact (frottement, …) entre les deux pièces.
Figure 6 : Schéma du contact avec frottement entre les deux corps.
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Disque |
plaquette |
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Matériau |
Acier inoxydable |
Carbone |
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Module de Young |
200 000 Mpa |
1 000 000 Mpa |
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Coefficient de poisson |
0.3 |
0.3 |
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Masse volumique |
7900 Kg.m-3 |
2200 Kg.m-3 |
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Conductivité |
20 W.m-1.K-1 |
65 W.m-1.K-1 |
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Capacité thermique |
560 J.Kg-1.K-1 |
1600 J.Kg-1.K-1 |
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Coefficient de frottement |
0.9 |
|
Figure 7 : Tableau des caractéristiques mécaniques et thermique.
VI.3 Résultats
Le contact avec frottement plaquette/disque (lors de la phase du freinage), génère de la chaleur qui se diffuse sur la plaquette et le disque. La figure 4 représente la Température produite par le frottement.
Pour pouvoir réaliser une étude thermomécanique, le type d’analyse est une analyse Dynamique, Temp-disp, Explicite. Le maillage crée est un maillage couplé température-déplacement figure 3. En effet Il est nécessaire de connaître la température des nœuds afin de pouvoir prendre en compte la dilatation du maillage mécanique.
Figure 8 : couplage élément mécanique-thermique
décollement adhérence glissement
Figure 9 : Température émise par la surface de contact plaquette/disque.
Le résultats obtenus, nous montrent la localisation de l’apparition de la chaleur ainsi que sa diffusion au cours du temps lors de la phase de freinage.
Nous remarquons aussi trois zones différentes sur la surface de contact. Car lors d’un contact avec frottement, il apparaît une surface de glissement, de décollement et d’adhérence.
Conclusion :
Ce sujet d’étude a tout d’abord servi à nous familiariser avec les logiciels STAR-CD et Abaqus. En suivant les tutoriaux divers, nous avons remarqué que ce sujet inclut l’utilisation de méthodologies présentes dans la plupart des cas d’analyses « simples ».
En effet, nous avons du associer à l’écoulement d’air, des paramètres de thermique ainsi que l’utilisation de paramètres que l’on retrouve dans d’autre cas, comme par exemple la rotation du disque qui a été réalisée comme dans les cas d’écoulement autour d’un cylindre.
blablabla
……
………….
………..
………..
………
..
.
.
.
.
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Cette étude peut être bien mieux optimisée, en utilisant un maillage séparé pour chaque pièce. Il s’agit de la méthode utilisée pour les cas d’analyse de ventilateurs. Les pièces maillées peuvent être assemblées, et en utilisant la C.L. « Attach » STAR-CD différencie mieux les éléments solides en mouvements des solides fixes et du fluide. Cependant cette méthode requiert des connaissances spécifiques du logiciel et est très difficile à mettre en place, voici pourquoi nous sommes restés sur notre modèle.
VII Bibliographie
Transient temperature field analysis of a brake in a non-axisymmetric three-dimensional model C. H. Gao and X. Z. Lin, Fuzhuo University China, 2002.
StarCD, Pro_Star tutorial, chap. X
StarCD, Method & User Guide, V 3.10
Solutions of 3D Navier-Stockes benchmark problems with adaptive finite elements, M. Braack and T. Richter, To appear in Computers & Fluids, 2005
Numerical anjd experimental analysis of a pegs-wing ventilated disk brake rotor, wiht pads and cylinders, P. F. Gotowicki, V. Nigrelli, G. Virzi Mariotti, 2005
Quasi-3D flow simulation of a real disc cavity with conjugate heat transfer, Glen C. Snedden, 2005
Exploration du code Star-Cd, P. Claudon
A brake disc's temperature estimation module, S. Artus, 2004
Aspect énergétique du contact : couplage thermomécanique, M. Bettaieb, thèse « Modélisation du comportement mécanique d’engrenages, couplages entre engrenement et éléments de structure flexibles », 2006
Simulation du comportement d’un frein à disque, L’ENSIETA, Partenaire du secteur automobile
Internet
Site d’étudiant très utile sur l’étude d’une éolienne avec les démarche à suivre et les conseils
http://www.enseeiht.fr/hmf/travaux/CD0203/travaux/optsee/bei/1/conseil.html
Site dédié à la moto et particulièrement sur la technique adoptée par la Métisse avec son mono-bras avant :
http://technomoto.blogspot.com/2006/04/metiss.html
Généralités sur les freins :
http://www.techniques-ingenieur.fr/dossier/technologie_du_freinage_freins_a_disque/B5574
Application sur StarCD relative aux freins :
http://www.cd-adapco.com/applications/automotive.html#