Shear-induced diffusion of road minerals within the tire tread: a solid flow modeling using a soft multibody approach - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2024

Shear-induced diffusion of road minerals within the tire tread: a solid flow modeling using a soft multibody approach

Diffusion des minéraux routiers dans la bande de roulement induite par le cisaillement : modélisation de l'écoulement solide par une approche multicorps déformables

Résumé

It can be seen from longitudinal sections of a tire tread that road minerals penetrate inside the tire. The aim of this work is to study experimentally and numerically the process leading to this penetration for an experimental configuration taken as a reference. This work is articulated around three main objectives. The first was to propose a method for characterizing the rubber-like material, adapted to the numerical model used subsequently. To this end, a reverse analysis of an indentation test was carried out. The numerical model considers the material to be composed of a multitude of discrete and deformable bodies. The parameters to be identified are the stiffness and cohesion between each discrete body. The study showed that the kinematics obtained is close to that measured experimentally. A convergence criterion for the reverse analysis was defined, based on hardness and residual depth. It has been shown that the effect of stiffness can be isolated from that of cohesion. Since their dependence on the convergence criterion is monotonic, the solution is unique. A numerical model was then developed to study mineral penetration and migration. It consists in shearing a layer of minerals on the surface of a rubber-like material, modeled as a collection of discrete and deformable bodies. First of all, it was shown that the initial penetration of minerals into the material differs from that observed over longer periods of time. In particular, three modes of penetration were defined: plowing, abrasion and fracture. These modes modify the rate at which minerals penetrate into the material. When the minerals are sufficiently embedded within the material, they form what is referred to as the mixed layer. Minerals migrate deeper and deeper, due to repeated contacts between mineral agglomerates, caused by their relative velocities (characterized by the shear rate). In particular, it has been shown that these contacts lead to a stochastic evolution of the position of a mineral. If all the minerals are considered, the behavior becomes deterministic and follows an evolution close to what is expected for a diffusive process. This last point allows the use of diffusion tools, in particular the evaluation of a diffusion coefficient through transverse velocity fluctuation and persistence. It was shown that these two parameters are highly dependent on local plastic phenomena, which in the current model are driven by cohesion.
Il peut être observé par des coupes longitudinales d’une bande de roulement que les minéraux de la route pénètrent à l’intérieur du pneumatique. L’objectif de ce travail est, pour une configuration expérimentale de référence, d’étudier expérimentalement et numériquement le processus menant à cette pénétration. Ce travail s’est articulé autour de trois grands axes. Le premier a été de proposer une méthode de caractérisation du matériau composé de caoutchouc, adaptée au modèle numérique utilisé par la suite. Pour ce faire, une analyse inverse d’un essai d’indentation a été réalisée. Le modèle numérique considère le matériau comme étant composé d’une multitude de corps discrets et déformables. Les paramètres à identifier sont la rigidité et la cohésion entre chaque corps discret. L’étude a montré que la cinématique obtenue est proche de ce qui est mesuré expérimentalement. Un critère de convergence pour l’analyse inverse a été défini, qui se base sur la dureté et la profondeur résiduelle mesurée. Il a été montré que pour un ratio de cohésion sur rigidité constant, la rigidité modifie uniquement la dureté. Par conséquent, comme cette cohésion modifie la profondeur résiduelle, la solution obtenue est unique. Un modèle numérique pour étudier la pénétration des minéraux a ensuite été réalisé. Il consiste à cisailler une couche de minéraux déposée sur la surface d’un matériau composé de caoutchouc, modélisé comme un ensemble de corps discrets et déformables. Il a tout d’abord été montré que les phénomènes initiaux de pénétration des minéraux dans la matière, sont différents de ceux observés à plus long terme. Notamment, trois modes de pénétration ont pu être définis, que sont le labourage, l’abrasion et la fracturation. Ces modes modifient la vitesse à laquelle les minéraux pénètrent à l’intérieur du matériau. Lorsque les minéraux sont suffisamment incorporés au matériau, ils forment ce qui sera appelé une couche mixée. Les minéraux migrent de plus en plus profondément, du fait de contacts répétés entre agglomérats de minéraux, causés par leurs vitesses relatives (pilotées par le taux de cisaillement). Il est notamment montré que ces contacts conduisent à une évolution stochastique de la position d’un minéral. Si l’ensemble des minéraux est considéré, le comportement devient déterministe et suit une évolution proche de ce qui est attendu pour un processus diffusif. Ce dernier point permet ainsi d’utiliser les outils de la diffusion, notamment d’évaluer un coefficient de diffusion via la fluctuation de vitesse transverse et sa persistance. Il est ainsi montré que ces deux paramètres dépendent fortement de phénomènes plastiques locaux, qui dans le modèle actuel sont pilotés par la cohésion.
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Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04691459 , version 1 (08-09-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04691459 , version 1

Citer

Kévin Daigne. Shear-induced diffusion of road minerals within the tire tread: a solid flow modeling using a soft multibody approach. Mechanics [physics]. Insa Lyon, 2024. English. ⟨NNT : 2024ISAL0046⟩. ⟨tel-04691459⟩
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