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Doctorat en physique/mécanique expérimentales et numériques des contacts en matière molle (H/F)

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : lundi 12 décembre 2022

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Informations générales

Référence : UMR5513-DAVDAL-003
Lieu de travail : ECULLY
Date de publication : lundi 21 novembre 2022
Nom du responsable scientifique : Davy DALMAS
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 2 janvier 2023
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Le projet WEEL :
Le travail de thèse s'inscrira dans un projet collaboratif (acronyme WEEL) financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) entre le Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS), le laboratoire Ingénierie des Matériaux Polymères (IMP) et la société Solvay Silica. Ce projet vise à apporter de nouvelles connaissances dans la compréhension fondamentale des mécanismes d'usure par abrasion des élastomères renforcés qui serviront de base à l'amélioration future de la prédiction de la durabilité de ces matériaux, et en particulier des pneus de voiture ou de camion. Comprendre l'usure par abrasion reste un défi scientifique non résolu, que nous proposons de relever en combinant pour la première fois (i) des expériences d'usure appropriées avec (ii) une étude expérimentale et numérique avancée du champ de contrainte/déformation in-operando dans une interface frottante. En effet, notre principale hypothèse de recherche est que ces derniers champs mécaniques sont les véritables forces motrices locales responsables de l'évolution de l'usure. Notre stratégie sera donc la suivante :
(1) préparation de divers types d'échantillons d'élastomères renforcés par la société Solvay,
(2) utilisation d'un appareil de test d'usure développé au laboratoire pour caractériser les propriétés d'usure de ces échantillons, y compris les évolutions de leur forme et des motifs d'usure locaux
(3) utilisation d'un dispositif opto-mécanique de pointe pour analyser le champ de contrainte/déformation et la dynamique de contact, à différents stades de l'évolution de l'usure.
(4) développement d'un modèle amélioré et complet d'usure des élastomères renforcés intégrant les conditions locales de contact.
Le projet de thèse « mécanique des contacts » :
Alors que le point 2 ci-dessus sera réalisé par un autre doctorant, les points 3 et 4 sont l'objet du présent projet de doctorat. Ces dernières années, le consortium a développé une expertise reconnue internationalement dans la mécanique des contacts élastomères cisaillés. Sous cisaillement croissant, ces contacts subissent des changements importants dans la pression de contact moyenne et dans la morphologie des micro-contacts, même sous un chargement normal constant [R. Sahli et al. PNAS 115, 471 (2018)]. De tels changements devraient affecter toutes les réponses macroscopiques de l'interface, y compris l'usure. Mais, jusqu'à présent, ces informations n'ont pas été corrélées aux modèles spatiaux d'usure observés dans les élastomères renforcés.
La principale tâche expérimentale (point3) du/de la doctorant(e) sera d'effectuer des tribo-tests à cycle de chargement unique avec une cinématique complexe, sur des échantillons vierges ou déjà usés à partir de tests d'usure qui seront effectués par le consortium. Il/elle mesurera non seulement l'évolution classique des forces macroscopiques normales et tangentielles mais aussi l'évolution de la surface de contact et du champ interfacial de contrainte/déformation à différentes étapes du processus d'usure. Ces deux dernières quantités seront obtenues grâce à une analyse avancée d'images de contact in-situ en utilisant le suivi de particules [J. Lengiewicz, et al. J. Mech. Phys. Solids 143, 104056 (2020)] ou la corrélation d'images numériques (DIC) [A. Prevost et al. Eur. Phys. J. E 36, 17 (2013)]. Nous chercherons à extraire l'état local de contrainte/déformation, à différentes échelles, pour comprendre à la fois la morphologie globale de l'usure et l'origine des conditions locales et leur lien avec les différents mécanismes d'usure.
En parallèle, des approches numériques par éléments finis seront développées (point 4) pour corréler quantitativement les champs de contrainte/déformation simulés aux champs expérimentaux et pour interpréter les données d'usure. L'objectif principal n'est pas seulement de simuler les expériences mais aussi d'utiliser la flexibilité d'un modèle numérique pour augmenter notre compréhension et élucider l'occurrence des mécanismes d'usure. Du point de vue de la modélisation, il s'agit d'une tâche difficile car la modélisation des contacts souples implique généralement de traiter des non-linéarités sévères qu'elles soient géométriques, matérielles ou basées sur le frottement. Elles entraînent généralement des problèmes de convergence, des durées de calcul importantes, des distorsions de maillage ainsi que des phénomènes de blocage numérique dus à la nature incompressible des élastomères.
Ainsi, ce projet suivra une méthodologie que nous avons récemment utilisée avec succès sur le même sujet [J. Lengiewicz, et al. J.Mech. Phys. Solids 143, 104056 (2020)] : réaliser une comparaison quantitative entres data expérimentales et simulations numériques intégrant toutes les lois de comportement des matériaux et les conditions aux limites en jeu dans les expériences. L'appariement quantitatif à l'échelle locale est actuellement la meilleure preuve disponible que les bons ingrédients physiques dominants ont été utilisés dans les simulations, fournissant ainsi des informations uniques sur le mécanisme élémentaire se produisant dans le contact et des informations inestimables sur les conditions de chargement responsables des divers processus d'usure observés.


Ressources disponibles :
De nombreux montages expérimentaux et outils de simulation numériques (Abaqus, serveur de calculs, etc…) disponibles dans le laboratoire LTDS seront mis à disposition pour ce projet. Cela comprend en particulier un dispositif de mécanique de contact opto-mécanique de nouvelle génération de classe mondiale. De nombreuses autres installations du laboratoire LTDS seront utilisées pour des tests de friction spécifiques, la caractérisation d'échantillons (microscopie (optique, MEB, AFM...), caméra, caméra rapide...) ou la modélisation numérique, entre autres. La thèse sera localisée au LTDS (sites d'Ecully et de Saint-Étienne) en région lyonnaise mais impliquera un travail en étroite collaboration avec d'autres partenaires au sein du projet WEEL (IMP et Solvay, tous deux également très proches de Lyon), en particulier avec les autres doctorant(e)s dédiés aux expériences d'usure.

Contexte de travail

La thèse sera rattachée à l'École Doctorale Mécanique, Énergétique, Génie Civile et Acoustique (MEGA). Le(a) doctorant(e) travaillera au LTDS sur les site de l'École Centrale de Lyon à Écully (pour la partie expérimentale) et à Saint-Étienne (pour la partie numérique) au sein d'une équipe pluridisciplinaire incluant deux encadrants (chercheurs physiciens, un pour la partie expérimentale et un pour la partie numérique), deux ingénieurs (un en sciences des surfaces et un en instrumentation). Le travail comprendra une composante expérimentale importante : préparation/caractérisation physico-chimique des échantillons, leur caractérisation mécanique et optique. Il s'agira aussi de traiter et d'analyser une quantité importante de données, non seulement expérimentales mais aussi numériques. Le(a) doctorant(e) devra enfin synthétiser ces résultats, les replacer dans le contexte de la littérature internationale et s'en servir pour rédiger des articles pour des journaux scientifiques internationaux. Le travail inclura des participations à des congrès nationaux ou internationaux.

Contraintes et risques

Non applicable

Informations complémentaires

Le(a) candidat(e) devra être titulaire d'un master et/ou d'un diplôme d'ingénieur en physique/mécanique. Le poste nécessite de solides connaissances en mécanique des milieux continus (expérimentale, numérique et/ou théorique), en particulier des élastomères. Les compétences spécifiques suivantes ne sont pas exigées mais seront un plus :
- Expérience pratique en Tribologie et en particulier en mécanique du contact
- Expérience pratique avec les élastomères
- Expérience pratique en analyse d'images
- Expérience pratique en modélisation par éléments finis
- Capacité à développer ou modifier un dispositif expérimental
- Capacité à réaliser et à analyser des simulations numériques
La bonne maîtrise d'au moins un langage de programmation (idéalement Matlab) est nécessaire.
Une bonne maîtrise de l'anglais est nécessaire. Une expérience d'au moins 3 mois dans un pays non-francophone est vivement souhaitable.
Les candidats devront démontrer d'excellentes qualités rédactionnelles, et avoir démontré (stages par exemple) leur capacité à conduire un projet scientifique.
Ils devront être capables de travailler dans une équipe internationale et pluridisciplinaire.
Une grande autonomie, une capacité organisationnelle avérée et une bonne capacité à rendre compte sont attendues.
Les candidats devront montrer un haut niveau d'esprit critique, d'aisance dans l'argumentation scientifique et de capacité de prise d'initiative.
Les candidatures devront inclure un CV détaillé ; si possible deux références (personnes susceptibles d'être contactées) ; une lettre de motivation d'une page ; un résumé d'une page du mémoire de master ou travail de fin d'étude ; les notes de Master 1 ou 2 ou d'école d'ingénieur).

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