Maîtrise de la tenue en fatigue des cordons de soudure

Fatigue Life Assessment of Welded Joints

• Auteur / Autrice : Fabricio dal Cero Coelho
• Direction : Yves Nadot, Damien Halm
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 22/10/2014
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Renault
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Calloch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Bignonnet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thierry Palin-Luc, Habibou Maitournam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fissuration

Éléments finis, Méthode des

Automobiles -- Châssis

Soudures -- Fatigue

Durée de vie (ingénierie)

Acier -- Fatigue

Mots clés libres

Cumul de dommage

Spectre de chargement complexe

Gradient de contraintes

Cumulative Damage

Complex Loading Spectrum

Stress Gradient

Résumé

Les châssis automobiles sont composés en majorité de pièces mécano-Soudées soumises à deschargements multiaxiaux complexes. Par leur géométrie particulière et les transformations induites par leprocédé de fabrication, les joints soudés sont des sites privilégiés d’amorçage et de propagation de fissures enfatigue. Une méthode de calcul fiable et maniable représente un enjeu majeur pour l’industrie automobile, carelle permet de détecter les points critiques dès la phase d’avant projet, d’éviter le surdimensionnement et deréduire le nombre des prototypes physiques.Afin de découpler les incertitudes et permettre l’analyse isolée des effets induits par le chargementmultiaxial lui-Même et par les caractéristiques particulières du joint soudé, cette étude est divisée en deux parties.La première partie se concentre sur le chargement multiaxial complexe. Le comportement d’un « matériauécole », l’acier C35, est étudié sous spectre de chargement de type « automobile ». Différentes méthodes deprévision de la durée de vie sont ensuite comparées sous deux critères : la qualité de prédiction et la simplicitéd’utilisation. La deuxième partie est centrée sur l’étude du comportement des assemblages soudés et lasimulation de leur durée de vie. Pour ce faire, une éprouvette représentative des pièces de liaison au sol et duprocédé de fabrication a été conçue. L’étude micrographique de l’assemblage combinée à des essais instrumentésa permis de construire un modèle EF représentatif de la structure. Deux modes de sollicitation sont utilisés lorsdes essais de fatigue dans le but d’activer différents mécanismes de dommage en amplitude constante et enspectre « automobile ».Finalement, la méthodologie « Weld Stress Gradient » est proposée pour intégrer l’effet du gradient decontraintes en proximité des points critiques du joint soudé au calcul de fatigue. Cette méthodologie, associée aucritère de Vu (prise en compte du chargement complexe) et à la règle de cumul de dommage non linéaire« DCA » (prise en compte de l’interaction entre les blocs de chargement du spectre), permet d’obtenir desrésultats encourageants pour l’assemblage étudié.

Automotive chassis are composed mostly of welded parts subjected to complex multiaxial loadings.Welds are potential sites to initiation and propagation of fatigue cracks because of their particular geometry andtransformations induced by manufacturing process. A reliable and tractable fatigue design methodology is achallenge for automotive industry designers because it allows detecting the critical points from the upstreamphase, avoiding oversizing and reducing the number of physical prototypes.This study is divided into two parts allowing the distinction of effects induced by multiaxial loadingsand particular characteristics of the welded joints. The first part focuses on the complex multiaxial loading. Thebehavior of a “well known material”, the 1045 steel, is studied under ''automobile'' spectrum loading. Differentfatigue life prediction methods are compared under two criteria: quality of prediction and simplicity of use. Thesecond part focuses on the study of behavior and fatigue life simulation of welded structures. To achieve thisgoal, a representative specimen of chassis parts and manufacturing process has been designed. A representativeFE model is constructed, based on micrographic observations and instrumented tests. Two loading modes areused in fatigue tests in order to activate different damage mechanisms at constant amplitude and under''automobile'' spectrum.Finally, the methodology ''Weld Stress Gradient'' is proposed to incorporate in fatigue analysis theeffect of the stress gradient at the vicinity of weld joints critical points. This methodology, combined with Vucriterion (taking into account complex loadings) and ''DCA'' nonlinear cumulative damage rule (taking intoaccount interaction between spectrum loading blocks), provides encouraging results for the studied specimen.