Prise en compte des contraintes résiduelles dans le dimensionnement en fatigue oligocyclique par des méthodes simplifiées

Taking residual stresses into account using simplified methods in low cycle fatigue

• Auteur / Autrice : Bruno Levieil
• Direction : Sylvain Calloch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 03/11/2016
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer (Plouzané, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Pommier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Calloch, Sylvie Pommier, Rodrigue Desmorat, Thierry Palin-Luc, Thomas Bonnemains, David Thévenet, Cédric Doudard, Fabien Lefebvre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Rodrigue Desmorat, Thierry Palin-Luc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes résiduelles

Plasticité

Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

Élasto-plastique

Méthode simpllifiée

Durée de vie

Approche locale

Plasticité confinée

Elasto-plastic

Simplified method

Fatigue life

Local approach

Confined plasticity

Résumé

Les contraintes résiduelles, introduites lors de la fabrication des pièces mécaniques, influent sur leur durée de vie en fatigue et doivent donc être prises en compte. Ce travail vise à développer une méthode de dimensionnement rapide en fatigue oligocyclique permettant leur prise en compte, aussi bien sous chargement de traction que de compression. L’idée principale est de calculer analytiquement le cycle stabilisé uniquement au point critique de la structure à l’aide d’une méthode simplifiée en plasticité confinée. Cette dernière est basée sur une loi de localisation, qui étend les méthodes énergétiques de type Neuber au cas général multiaxial. La loi de localisation permet de relier le chargement appliqué à la structure à celui observé localement au point critique. Elle est calibrée à l’aide d’une simulation éléments finis sous chargement monotone de la structure. Pour cela, le comportement élasto-plastique du matériau est d’abord caractérisé à partir d’un essai de traction avec charges-décharges. A l’aide de ce seul essai, la loi de comportement est identifiée de manière séquentielle, en utilisant des écrouissages cinématique et isotrope à seuil. Ce seuil permet d’améliorer la prévision de la contrainte moyenne stabilisée, utilisée dans le critère de fatigue proposé. Ce dernier a été identifié sur des essais purement alterné (Rε=-1), puis validé pour des chargements de traction alternée (Rε>-1) et de compression alternée (Rε<-1). L’application de la démarche en plasticité confinée est réalisée sur des éprouvettes à double encoche présentant initialement différents états de contraintes résiduelles. L’évolution des contraintes locales sous chargement cyclique nominal de traction répétée (Rσ=0) ou de compression répétée (Rσ=-∞) est mesurée. Cette évolution est ensuite comparée aux prévisions numériques et analytiques obtenues à l’aide de la loi de comportement et de la méthode simplifiée. L’application du critère de fatigue aux données stabilisées prévues par les modèles a permis d’obtenir des durées de vie avec un conservatisme indépendant du rapport de charge et de l’état initial. Enfin, une application de la démarche complète sur des joints soudés en T est réalisée afin d’élargir le spectre d’application de la méthode.

Residual stresses are inherent to the manufacturing processes and can have a strong effect on the fatigue life of structures. Therefore, they shall be taken into account in fatigue design. In this PhD thesis, a fast design method is developed to take residual stresses into account in low cycle fatigue, either under tensile or compressive loadings. The main idea is to calculate analytically the stabilised stress-strain curve, at the critical point, by using a simplified method for confined plasticity. This method is based on a localisation law that extends energetic methods like Neuber to general multiaxial stress states. The localization law links the applied load to the local load at the critical point. It has to be identified on a finite element analysis of the structure under monotonic load. For this purpose, the elasto-plastic behaviour of the material is characterised from one single tensile test with loadings-unloadings. The behaviour law, identified sequentially, includes isotropic and kinematic hardenings with thresholds. This improves the stabilised mean stress prediction, which is used in the proposed fatigue criterion to represent the influence of the load ratio on the fatigue life. This criterion is identified on purely alternated tests (Rε=-1), and then validated under various tensile load ratios (Rε>-1) as well as compressive load ratios (Rε<-1). The methodology is validated on plate specimens with two semi-circular notches, which initially present different residual stresses states. The experimental evolution of local stresses during cyclic compressive (Rσ=-∞) and tensile (Rσ=0) repeated applied loads have been studied experimentally and compared to the numerical and analytical predictions. The same work has been achieved on the fatigue lives predictions. It shows that a slight conservatism, independent from the load ratio and the initial state, is obtained. Finally, an application of the method on T-Joints is realised to enlarge the scope of the method.