Estimation de la durée de vie en fatigue de coussinets de paliers multicouches et leur écaillage sous un chargement de pression hydrodynamique cyclique dans un moteur à combustion interne

Prediction of fatigue lifetime and spalling damage for multilayered bearing shells subjected to cyclic hydrodynamic pressure in an internal combustion engine

• Auteur / Autrice : Chafic, Claude El-Daher
• Direction : Hocine Kébir, Salima Bouvier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique Numérique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 13/06/2023
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Éléments finis, Méthode des

Moteurs à combustion interne

Hydrodynamique

Tribologie (technologie)

Frottement

Durée de vie (ingénierie)

Matériaux -- Fissuration

Contraintes (mécanique)

Rupture, Mécanique de la

Matériaux -- Fatigue

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Détérioration

Paliers et coussinets

Mots clés libres

Ecaillage

Endommagement par fatigue

Coussinets multicouches de paliers hydrodynamiques

Fatigue multiaxiale non proportionnelle en compression

Propagation de fissure sous chargement cyclique

Spalling

Fatigue damage

Multi-layered bearing shells

Non-proportional multiaxial fatigue in compression

Crack propagation under cyclic loading

Tribology

Friction

Fracture mechanics

Hydrodynamic

Internal combustion engines

Strains and stresses

Computer simulation

Résumé

Ce travail de recherche vise à apporter, au travers de la modélisation numérique, un outil capable d’estimer la durée de vie en fatigue de coussinets de paliers soumis aux chargements de pressions hydrodynamiques cycliques d’un moteur à combustion interne. Ces pièces, de nature multicouche, permettent de limiter les frottements au niveau du contact avec le vilebrequin grâce aux propriétés d’antifriction de leur couche tribologique. Celle-ci est composée d’un mélange hétérogène en aluminium-étain. La rupture en fatigue de ces composants se traduit par l’écaillage, i.e. détachement, d’un morceau de la couche tribologique du reste du coussinet. Cela amène à l’endommagement du moteur en fonctionnement ainsi qu’à l’arrêt du véhicule. L’état de l’art souligne l’absence d’un critère de fatigue qui considère l’état de contrainte multiaxiale 3D du coussinet sous une sollicitation hydrodynamique cyclique. Afin de répondre aux attentes de ce projet, une campagne expérimentale a permis de caractériser en fatigue un coussinet multicouche soumis à un chargement hydrodynamique. Un modèle en éléments finis 3D a ensuite été développé pour prendre en compte la séquence complète de chargements imposés aux coussinets. Un état de contrainte cyclique en compression multiaxiale non-proportionnelle a été identifié. La comparaison de plusieurs critères de fatigue multiaxiale a permis de sélectionner celui de Dang Van mais en l’adaptant pour le domaine de la compression. Les durées de vie issues de la campagne expérimentale ont permis d’associer des limites de fatigue au critère proposé et de vérifier son caractère prédictif sur structure moteur. Par la suite, la nécessité d’un modèle numérique fin pour être précis dans les calculs de durées de vie est motivée. Pour estimer l’endommagement des coussinets durant les applications où les chargements cycliques imposés varient, une approche de réduction de modèle a été proposée. Un plan d’expérience numérique 3D couplé à la contrainte équivalente de Dang Van a été mis en place. Une cartographie de durée de vie des coussinets a été associée aux différentes sollicitations imposées par le moteur aux coussinets. Cette cartographie est en accord avec des résultats expérimentaux et permet de déterminer une proportion de défaillance des coussinets associée à l’usage d’un client. Enfin, la présence d’une fissure et son évolution a été investiguée. En se basant sur des observations issues de la campagne expérimentale, un modèle en éléments finis 3D a été développé pour estimer la durée de vie d’un coussinet avec un défaut amorcé. La faisabilité de l’approche « tolérance aux dommages » est mise en avant et un critère basé sur les taux de restitutions d’énergie est proposé.

This research work aims to provide, through numerical modeling, a tool capable of estimating the fatigue life of bearing shells subjected to the cyclic hydrodynamic pressure of an internal combustion engine. These multi-layered parts limit the rotational friction of the crankshaft through the anti-friction properties of their tribological layer. This layer is composed of a heterogeneous mixture of aluminum and tin. Fatigue failure of this component results in the spalling, i.e. detachment, of a piece of the tribological layer from the rest of the bearing shell. This leads to the damage of the engine during operation as well as the vehicle shutdown. The state of the art underlines the absence of a fatigue criterion that considers the 3D multiaxial stress state of the bearing shell under a cyclic hydrodynamic loading. In order to meet the expectations of this project, an experimental campaign is conducted. The fatigue life of a multi-layered bearing shell subjected to hydrodynamic is characterized. A 3D finite-element model, which takes into account the complete loading sequence imposed on the bearings, is then developed. A non-proportional multiaxial cyclic stress state in compression is identified. The comparison of several multiaxial fatigue criteria motivates the selection of Dang Van's criterion but adapts it regarding the compression domain. The lifetimes obtained from the experimental campaign allow to associate fatigue limits to the proposed criterion and to verify its predictive character on engine structure. For more accuracy in the calculation of lifetimes, the requirement for a fine numerical model is subsequently motivated. In order to estimate the bearing damage during applications where the imposed cyclic loadings vary, a model reduction approach is proposed. A 3D numerical experimental design coupled with the Dang Van equivalent stress is implemented. A mapping of bearing life is associated with the different loads imposed by the engine on the bearings. This mapping is in agreement with experimental results and allows to determine a proportion of bearing shell failure for the use of a customer. Finally, the presence of a crack and its evolution is investigated. Based on observations from the experimental campaign, a 3D finite element model is developed to estimate the lifetime of a bearing shell with an initiated defect. The feasibility of the ''damage tolerance'' approach is put forward and a criterion based on the energy restitution rates is proposed