Éléments finis stochastiques étendus pour le calcul en fatigue de joints soudés avec géométries aléatoires

Extended Stochastic Finite Element method for the fatigue computation of welded joints by considering random geometries

• Auteur / Autrice : Olivier Pasqualini
• Direction : Franck Schoefs, Mathilde Chevreuil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l’Ingénieur, Mécanique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Président / Présidente : Anthony Nouy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anthony Nouy, Alaa Chateauneuf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alaa Chateauneuf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Processus stochastiques

Mots clés libres

Concentration de contraintes

Cordons de soudure

Xsfem

Calcul en fatigue

Chaos polynomial

Résumé

Les cordons de soudure sont des éléments essentiels présents lors de la construction de nombreuses structures fixes, flottantes ou immergées. L’importance structurelle de ces éléments requiert d’avoir une parfaite connaissance de leur tenue en fatigue dans le but de prédire le comportement de la structure sous l’effet de charges cycliques. Le calcul de durée de vie d’un cordon de soudure est dépendant de plusieurs paramètres, notamment de sa géométrie. Le calcul du coefficient de concentration de contraintes Kt permet de relier la contrainte RDM connue ou facilement calculable avec le maximum de la contrainte dans la structure et de déterminer la durée de vie de la structure via les courbes de Wöhler. Afin de réaliser un calcul du Kt intégrant des données réalistes et leur incertitude, des mesures sur cordon de soudure ont été effectuées sur des structures réelles en utilisant un procédé de contrôle non-destructif par mesure au laser. Une analyse statistique de ces mesures a été effectuée afin de modéliser les paramètres géométriques du cordon par des variables aléatoires dont on a identifié les distributions de probabilité. Le calcul du Kt a été effectué en utilisant la méthode aux Eléments Finis Stochastiques Etendus combinant la méthode SSFEM efficace pour prendre en compte l’aléa physique du domaine et la méthode XFEM efficace pour délimiter implicitement la géométrie du domaine à l’aide de level-sets. En particulier, nous utilisons une méthode non-intrusive par régression permettant d’obtenir une formulation du Kt sur une base de chaos polynomial en réalisant un minimum de tirages aléatoires. Sur cette base, le manuscrit aboutit à une formulation semi-probabiliste.

Welded joints are essential components for the construction of various fixed or floating structures. These elements are so important that we need to fully understand the fatigue process in order to foresee the structural behaviour under cyclic loading. The fatigue lifetime computation of a welded joint depends of various parameters such as the geometry of the structure. The stress concentration factor computation Kt is an efficient key parameter to model the fatigue lifetime. It has the advantage to link theoretical stress with the maximum value of local stresses and so with the fatigue lifetime thanks to S-N curves. In order to compute the Kt coefficient from real data and their uncertainties, some measurements along welded joints were realized by using a Non-Destructive Control device with laser process measurement. A statistical analysis of these measures were carried out to model the geometrical parameters by random variables and to identify their probability distribution. Kt-computation were performed by using eXtended Stochastic Finite Element Method; this computation method combines the Stochastic Finite Element Method, efficient to solve problems governed by random physical inputs, and the XFEM, efficient to implicitly define the domain geometry by using level-sets. In particular, we use a non-intrusive method of least-square computation to carry out, with a few numbers of random values, a Kt formulation defined on Polynomial Chaos base. From these results, an original semi-probabilistic model is suggested which introduces the geometrical parameters.