A Quantitative Approach to EHD Friction Prediction Based on Rheometry and Molecular Dynamics Simulations
Une approche quantitative pour le frottement EHD basé sur la rhéométrie et les simulations Dynamique Moléculaire
Résumé
This thesis presents a quantitative approach to elastohydrodynamic (EHD) friction prediction, based
on a combination of experimental rheometry data and molecular dynamics (MD) simulations. The
approach is applied to two fluids of different natures: a lubricant squalane (SQ) and a traction-like
fluid benzyl benzoate (BB). The Newtonian viscosity of the fluids is determined using measurements
from high-pressure viscometers (HPV) taken from the literature, and a novel Newtonian viscosity
model is proposed in this work, which is based on an existing thermal scaling model in the literature.
Subsequently, a comprehensive Eyring stress law, covering a wide range of temperature and
pressure conditions, is constructed from non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations.
The obtained Newtonian viscosity and Eyring stress are used to build Eyring-type generalised viscosity
models for both fluids. These are implemented into a finite element (FE) model of a lubricated
contact in the elastohydrodynamic regime, taking into account non-Newtonian and thermal effects
(TEHLnN) for friction prediction. The results are compared with friction measurements performed
in a tribometer under the same contact conditions and show good agreement. Notably, the friction
plateau and the thermal thinning regime observed experimentally are accurately reproduced by
the TEHLnN model. Further research was carried out to investigate the origin of friction plateaus.
The results suggest that friction plateaus result from a combination of non-Newtonian effects and
thermal effects. The work also reveals that the thermal effect arises almost simultaneously with
the non-Newtonian effect. This work presents a crucial step towards “true” friction prediction and
quantitative EHL, bringing together experimental rheometry, molecular dynamics simulations, and
contact modelling.
Cette thèse présente une approche quantitative de la prédiction du frottement élastohydrodynamique
(EHD), basée sur une combinaison de données expérimentales de rhéométrie et de simulations de
dynamique moléculaire (MD). L’approche est appliquée à deux fluides de natures différentes : un
lubrifiant, le squalane (SQ), et un fluide de type traction, le benzoate de benzyle (BB). La viscosité
newtonienne des fluides est déterminée en utilisant des mesures de viscosimètres à haute pression
(HPV) tirées de la littérature, ainsi qu’un nouveau modèle de viscosité newtonienne proposé dans ce
travail, basé sur un modèle de mise à l’échelle thermique existant dans la littérature. Par la suite, une
loi de contrainte d’Eyring complète, couvrant une large gamme de conditions de température et de
pression, est construite à partir de simulations de dynamique moléculaire hors équilibre (NEMD). La
viscosité newtonienne obtenue et la contrainte d’Eyring sont utilisées pour construire des modèles de
viscosité généralisée de type Eyring pour les deux fluides. Celles-ci sont implémentées dans un modèle
à éléments finis (FE) d’un contact lubrifié dans le régime élastohydrodynamique, en prenant en compte
les effets non-Newtoniens et thermiques (TEHLnN) pour la prédiction du frottement. Les résultats
sont comparés avec des mesures de frottement effectuées dans un tribomètre sous les mêmes conditions
de contact et montrent une bonne concordance. Notamment, le plateau de frottement et le régime
d’amincissement thermique observés expérimentalement sont reproduits avec précision par le modèle
TEHLnN. Des recherches supplémentaires ont été menées pour étudier l’origine des plateaux de
frottement. Les résultats suggèrent que les plateaux de frottement résultent d’une combinaison d’effets
non-Newtoniens et thermiques. Les travaux révèlent également que l’effet thermique se produit
presque simultanément avec l’effet non newtonien. Ce travail représente une étape cruciale vers une
prédiction quantitative du frottement, en rassemblant la rhéométrie expérimentale, les simulations de
dynamique moléculaire et la modélisation du contact.