Détermination d’une stratégie de dimensionnement en fatigue à faible nombre de cycles adaptée au contexte industriel

Efficient low cycle fatigue life determination in an industrial context

• Auteur / Autrice : Bastien Agard
• Direction : Eric Feulvarch, Françoise Fauvin, Jean-Christophe Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Ingénierie
• Date : Soutenance le 12/07/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Michel Grédiac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Feulvarch, Françoise Fauvin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Delphine Brancherie, Hamid Zahrouni

Mots clés

Mots clés libres

Simulation numérique

Soudage

Fatigue multiaxiale

Déformations plastiques

Aciers bas carbone

Numerical simulation

Welding

Low carbon steel

Multiaxial fatigue analysis

Plastic strain

Résumé

Depuis le XXème siècle, le développement continu des puissances de calcul a permis aux méthodes numériques de devenir essentielles dans le processus de conception des produits industriels. La méthode de calcul par éléments finis apporte aux industriels des solutions fiables pour anticiper avec précision la tenue mécanique des composants sans recourir aux prototypages réels. La tendance actuelle d’optimisation des coûts de fabrication impacte directement la conception des produits avec notamment comme axe de travail la réduction des épaisseurs de matière. Dans ce contexte, les pièces de structures sont moins robustes qu’avant. La maitrise de la tenue en fatigue des composants est devenue aujourd’hui un enjeu majeur. Ce phénomène complexe se montre sensible à l’histoire vécu par la matière, notamment en ce qui concerne les potentiels impacts sur les propriétés matériaux locales des différents procédés de fabrication intrinsèques au composant. Le procédé de soudage induit des conséquences à plusieurs niveaux de l’assemblage qui peuvent s’avérer être néfastes pour la durée de vie des structures. Ces phénomènes multi-physiques d’origine thermique, métallurgique et mécanique doivent alors être pris en compte comme données d’entrée dans les études en fatigue pour fiabiliser les résultats. Cependant, la complexité des données d’entrée et les temps de traitements très conséquents freinent leur utilisation par les ingénieurs lorsqu’il s’agit de structures de grandes dimensions. Afin de répondre aux besoins des industriels, deux développements ont été créés pour réduire le temps d’analyse des approches de Manson-Coffin et de Fatemi-Socie de près de 99,9%. Ces post-traitements font partie intégrante d’une stratégie originale de dimensionnement en fatigue chainant la prise en compte des effets locaux des procédés d’assemblage, et permettant ainsi l’analyse en fatigue des grandes structures dans un délais compatible avec les attentes des bureaux d’études.

Since the 20th century, the continuous development of computing power has enabled numerical methods to become essential in the design process of industrial products. The finite element calculation method provides manufacturers with reliable solutions for accurately anticipating the mechanical strength of components by limiting the number of prototypes. The current trend of reducing manufacturing costs has a direct impact on product design with, in particular, the reduction of material thicknesses. In this context, the structural parts are more exposed to the risk of rupture. Controlling the fatigue behavior of components has now become a major challenge. This complex phenomenon is sensitive to the history experienced by the material, particularly with regard to the impacts on the local material properties by the various manufacturing processes. The welding process induces consequences at several levels of the assembly which can prove to be harmful for the life of the structures. These multi-physical phenomena of thermal, metallurgical and mechanical origin must then be taken into account as input data in fatigue studies to make the results more reliable. However, the complexity of the input data and the very substantial processing times hamper their use by engineers when dealing with large structures. In order to meet the needs of manufacturers, two developments have been created to reduce the analysis time of the Manson-Coffin and Fatemi-Socie approaches by nearly 99.9%. These post-processings take part of an original fatigue dimensioning strategy linking the consideration of the local effects of assembly processes, and thus allowing the fatigue analysis of large structures within a timeframe compatible with the industrial context.