Instabilité des structures en contact frottant : Application au crissement des freins à disque de TGV

Le crissement des freins des Trains a Grande Vitesse (TGV) est un bruit aigu particulierement genant emis lors de l'arrivee du train en gare. Ce travail a pour but de comprendre le phenomene en vue de reduire voire de supprimer l'emission du bruit. Ce phenomene acoustique est d'origine vibratoire : le crissement des freins a disque resulte des vibrations auto-entretenues des differents constituants induites par le frottement des garnitures sur le disque. Le phenomene de frottement etant lie aux asperites de surface, il met en evidence un probleme a deux echelles ou un phenomene apparaissant a l'echelle microscopique cree des vibrations dans un disque a l'echelle macroscopique (amplitude de vibration du disque de l'ordre de quelques micrometres). Les phenomenes de bruits de freinage dont le crissement fait partie sont complexes, varies et ont des origines diverses selon les points de fonctionnement du mecanisme. Un etat de l'art sur les differents travaux de modelisation montre qu'une instabilite de l'equilibre stationnaire dite geometrique ou par couplage de mode permet de mobiliser les modes de vibration responsables du crissement et ceci a coefficient de frottement constant. D'un point de vue modelisation, ces constatations nous orientent vers un modele de mecanique des milieux continus deformables dans l'hypothese de petites transformations. Beaucoup de travaux sur les vibrations auto-entretenues s'interessent a la stabilite de l'equilibre mais font un raccourci rapide entre frequences des modes instables et solution transitoire. Les travaux numeriques traitant de la caracterisation de ces evolutions transitoires mettent en evidence des evenements fortement non lineaires sous la zone de contact (comme de 'adherence ou du decollement a cause de l'unilateralite du contact). Un premier objectif de ce travail est l'etude de l'evolution des perturbations proches de l'equilibre vers la solution transitoire. Cette etude permet de mettre en evidence les liens entre les frequences caracteristiques de cette solution transitoire (frequences de crissement) et les frequences des modes de stabilite. Le cas particulier d'un mecanisme de frein a disque TGV simplifie tridimensionnel est choisi. La transition entre l'evolution des perturbations proches de l'equilibre et l'evolution transitoire est etudiee grâce a une methode originale de projection sur les modes de stabilite. Elle permet une etude spatiale et temporelle des champs vibratoires solutions. Son application sur le modele simplifie de frein a disque est rendue possible grâce a une formulation eulerienne du probleme. D'un point de vue calcul de structures, les solutions transitoires ont ete determinees grâce a des algorithmes et des strategies numeriques adaptes permettant de tenir compte du caractere non regulier du comportement du contact unilateral frottant dans le cadre dynamique (tel que les situations de choc). L'instabilite de l'equilibre par couplage de mode est le mecanisme generateur de vibrations auto-entretenues privilegie dans la litterature. Qu'en est-il sur le mecanisme de freinage TGV? Cette question nous a conduit dans un premier temps a observer le comportement du mecanisme reel grâce a des campagnes d'essais. Dans un deuxieme temps, elle nous a conduit a proposer un modele de frein TGV realiste. L'etude de la stabilite de l'equilibre a permis de predire les frequences de crissement mesurees. Elle a aussi permis de preciser le mecanisme physique de couplage de mode ainsi que sa dependance vis a vis des caracteristiques physiques des garnitures. La connaissance de ce mecanisme physique est un fil conducteur robuste dans la recherche de solutions de reduction du bruit.