Analyse entropique et multi-échelle pour la fatigue et la rupture thermomécanique

Entropy and multi-scale analysis for fatigue and thermomechanical fracture

• Auteur / Autrice : Patrick Ribeiro
• Direction : Diogo Queiros-Condé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique, génie des procédés
• Date : Soutenance le 22/11/2017
• Etablissement(s) : Paris 10
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Connaissance, langage, modélisation (Nanterre, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energétique Mécanique Electromagnétisme (Nanterre)
• Jury : Président / Présidente : Michel Feidt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Diogo Queiros-Condé, Michel Feidt, Thomas Michelitsch, Sylvie Lorente, Lavinia Grosu, Laurent Gallimard, Luis Le Moyne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Michelitsch, Sylvie Lorente

Mots clés

Mots clés contrôlés

Entropie

Exergie

Rupture, Mécanique de la

Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

Entropie

Exergie

Fractal

Entropie d'échelle

Mécanique

Fatigue

Constructal

Entropy

Scale entropy

Exergy

Fatigue

Fractal

Mechanics

Constructal

Résumé

Ce travail de thèse apporte une contribution à l’utilisation de grandeurs thermodynamiques ainsi que géométriques en mécanique. La première partie de ce manuscrit est consacrée à l’étude de la fatigue oligocyclique, et de l’entropie de rupture en fatigue. Des entropies de rupture en fatigue sont estimées expérimentalement par diverses relations et sont comparées aux modèles empiriques utilisés dans la littérature. Il apparait que ces diverses entropies de rupture sont très proches ce qui permet de conclure qu'il existe une entropie de rupture constante liée uniquement au matériau. Pour les modèles empiriques, une extension du modèle de Ramberg-Osgood cyclique prenant en compte la variation temporelle de la contrainte est proposée et une étude sur l'imprécision du modèle de Park et Nelson est réalisée. Puis, une étude des différentes phases durant le test de fatigue est effectuée à travers l’étude de l’endommagement lié à l’entropie accumulée par le matériau. Une extension par l’utilisation du concept d’exergie permet la mise en évidence d’une nouvelle quantité, une exergie associée au travail de déformation plastique faisant intervenir une notion de qualité de la déformation plastique. Dans une deuxième partie, la diffusion de l’entropie d’échelle est étudiée et permet de créer divers comportements dépendants d’échelle. Elle permet d’étudier la log-périodicité d’un fractal déterministe fini (ou préfractal) ou de vérifier la construction de géométries déterministes finies dépendantes d’échelle. Une application de ces modèles dépendants d’échelle est effectuée dans le cadre de la détermination de propriétés mécaniques, pour l’analyse de faciès de rupture et pour la fragmentation. Finalement un lien possible entre comportement mécanique, géométrie et théorie constructale est présenté.

This Phd thesis is a contribution to the use of thermodynamics and geometry in mechanics. The first part of this manuscript is devoted to the study of low cycle fatigue and the notion of fracture fatigue entropy. Fracture fatigue entropies are experimentally estimated by various equations and compared to empirical models used in the litterature. It appears that these diverse fracture fatigue entropies are very close and allows to conclude that a constant fracture fatigue entropy exists only depending on the material. For the empirical models, an extension of the Ramberg-Osgood model is proposed taking into account the temporal variation of the loading, and, a study on the inaccuracy of the Park and Nelson model is realized. Then, a study on the different phases occurring in a fatigue test is done through the study of a damage parameter based on the entropy accumulated by the material. An extension using the concept of exergy allows the highlight of a new quantity, an exergy associated with plastic strain involving a quality factor. In a second part, the diffusion of scale-entropy is studied and permits to create various scale-dependent behaviors. It allows the study of log-periodicity of a finite deterministic fractal (or prefractal), or the verification of finite deterministic scale-dependent geometries. An application of these scale-dependent models is performed within the framework of the determination of mechanical properties, for the analysis of fractured surfaces and for fragmentation. Finally, a possible link between mechanical behavior, geometry and constructal theory is presented.