Prévision de l'amorçage de fissures de fretting par une méthode asymptotique appliquée aux rotors d'hélicoptères

Fretting crack nucleation prediction using an asymptotic method applied on helicopters rotor parts

• Auteur / Autrice : Pierre Panico
• Direction : Marie-Christine Baietto, Thibaut Chaise
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Mécanique Multiéchelle pour les solides
• Jury : Président / Présidente : Siegfried Fouvry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Christine Baietto, Thibaut Chaise, Siegfried Fouvry, Christian Gauthier, David Hills, Christine Boher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Gauthier, David Hills

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture, Mécanique de la

Fissuration

Rotors (hélicoptères)

Mots clés libres

Mécanique des contacts

Fatigue

Fretting

Fissure de fatigue

Rotor d'hélicoptère

Endommagement des structures

Contrainte statique

Comportement mécanique

Modélisation numérique

Contact mechanics

Fatigue

Fretting

Fatigue crack

Helicopter rotor

Structure damage

Static stress

Mechanical behaviour

Numerical model

Résumé

L'endommagement de fretting est un phénomène de fissuration apparaissant à l'interface de contacts lors de sollicitations cycliques répétées. Prévenir l’apparition de la fissuration est un enjeu majeur pour la durabilité de toutes machines tournantes et plus particulièrement les rotors d’hélicoptères. La prévision de ce phénomène dans un contexte industriel est rendu difficile par la présence de contraintes localisées. Leurs déterminations nécessitent des modèles numériques gourmands en ressources et en temps de calcul. Au cours de cette thèse, une campagne expérimentale a été réalisée sur une gamme de géométries de contact. Ces essais de fatigue en configuration de fretting ont permis de caractériser l’apparition du phénomène en fonction des conditions de contacts et de leurs sollicitations. Une approche asymptotique a été utilisée pour établir une corrélation entre les résultats expérimentaux et des propriétés matériaux connues. Cette approche consiste en une décomposition en valeurs propres du problème dans la zone critique d’amorçage de fissures de fretting. L’exploitation de ces résultats a permis la proposition d’un critère d’amorçage de fissures de fretting prenant en compte toutes les géométries de contacts ainsi que la présence de sollicitations, statiques et dynamiques. Finalement, une méthode a été développée pour appliquer ce critère d’amorçage de fissures de fretting sur des modélisations éléments finis d’assemblages industriels. Cette méthode est basée sur un enrichissement analytique autour de la singularité formée par le contact. L’application de ce critère prévoit l’apparition de l’endommagement de fretting sur tous types de géométries de manière efficace par rapports aux méthodes existantes.

The fretting damage phenomenon takes place in loaded mechanical contact interfaces subject to oscillatory small displacement and could lead to cracks nucleation. The prediction of such events is a major challenge for aeronautical industry. The length scale difference between industrial models and the local stress reveals some difficulties in the risk evaluation. An experimental campaign on a wide geometrical contacting pad range has been performed. Those fatigue tests involving fretting solicitation have been used to characterize the fretting crack nucleation at 1 million cycles with various geometries and loading. A correlation between the crack nucleation results and the material properties become possible by using asymptotic parameters. They are defined as the contact edge eigenvalues and are related to the shear stress and normal stress intensity. A fretting crack nucleation criterion is proposed taking advantage of the equivalence of the asymptotic description with contact mechanics and linear elastic fracture mechanics. A numerical method is finally developed to apply this fretting criterion on finite element industrial models. The numerical tool, or analytical patch, is working as a post-processing method based on analytical stress enrichment to minimize the mesh size dependence. This analytical patch is computing the contact edge asymptotic parameters at each time step. The application of the fretting crack nucleation criterion allows a fast and robust fretting crack risk evaluation on industrial parts.