Caractérisation en fatigue à grand nombre de cycles par mesures d’auto-échauffement des aciers d’arbres de transmission pour application navale sous chargements cycliques complexes

High cycle fatigue properties assessment of marine shaft line’s steel under complex loading using self-heating measurement

• Auteur / Autrice : Corentin Guellec
• Direction : Cédric Doudard, Sylvain Calloch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 03/04/2023
• Etablissement(s) : Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et le numérique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme - Institut de Recherche Dupuy de Lôme
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Naval Group
• Jury : Président / Présidente : Thierry Palin-Luc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Mabru, Jean-Loup Heuzé, Bruno Levieil, Ludovic Jian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Morel, Habibou Maitournam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Modèles mathématiques

Transfert de chaleur

Fatigue thermique

Thermométrie

Dissipation d'énergie

Matériaux -- Fatigue

Matériaux -- Fatigue -- Machines d'essai

Flexion (mécanique)

Acier -- Fatigue

Contraintes (mécanique)

Navires -- Transmissions

Mots clés libres

Multiaxial

Non-proportionnalité

Chargement variable

Contrainte moyenne

Mesures d’auto-échauffement

Fatigue à grand nombre de cycles (HCF)

Multiaxial

Non-proportionality

Variable loading

Mean stress

Self-heating

High cycle fatigue (HCF)

Résumé

Les lignes d’arbres de transmission navale sont soumises à des chargements cycliques complexes. Afin de caractériser en fatigue ces lignes d’arbres, deux objectifs complémentaires sont achevés. Dans un premier temps, les chargements des lignes d’arbres sont caractérisés afin d’identifier des cycles de fatigue pertinents. Lors de cette étape, une méthode paramétrique originale de dimensionnement en fatigue est mise en place. Cette méthode repose sur une modélisation des chargements avec une prise en compte de leur variabilité, de la contrainte moyenne et de la non-proportionnalité. Cette méthode montre qu’il existe deux modes d’endommagement avec un mode associé au régime cyclique établi de la flexion rotative et un mode associé aux manoeuvres du navire. Dans un second temps, une méthode de caractérisation rapide est mise en place afin d’étudier le comportement des aciers des lignes d’arbres en fatigue pour un grand nombre de configurations de chargements. Un modèle permettant d’identifier le comportement en fatigue à grand nombre de cycles, à partir des mesures d’autoéchauffements, est employé. Les aciers de l’étude sont caractérisés en traction-torsion pour diverses configurations de contraintes moyennes et de non-proportionnalité du chargement. Dans ce cadre, la notion de surface d’iso-auto-échauffement est introduite. Elle permet, pour une éprouvette, de modéliser le comportement élastoplastique et dissipatif du matériau dans l’espace dédié des contraintes. Leur utilisation permet de définir un critère de fatigue multiéchelle basé sur les invariants du tenseur des contraintes. Dans l’étude, une modélisation du comportement du matériau est proposée pour les chargements de très faible amplitude (fatigue à très grand nombre de cycles VHCF) montrant une différence forte de dissipation par rapport au régime d’amplitudes plus importantes (i.e. le domaine de la fatigue à grand nombre de cycles HCF).

Marine shaft lines undergo complex cyclic loadings. In order to characterize these structures in fatigue, two complementary objectives are achieved. Firstly, the marine shaft’s loads are characterized in order to identify relevant fatigue cycles. During this step, an original parametric fatigue design method is implemented. This method is based on the definition of an equivalent load considering multiaxiality, variability, non-proportionality and mean stress. This method allows to distinguish two damage modes with a mode associated with the established cyclic regime of rotary bending and a mode associated with the ship’s maneuvers. Secondly, a rapid characterization method is implemented to characterize in fatigue the marine shafts’ steels for a large number of loading configurations. The method is based on a model which enables fatigue identification behaviors from self-heating measurements. The steels of the study are characterized in tension-torsion for various configurations of mean stress and nonproportionality of the loading. In this context, the notion of iso-self-heating surfaces is introduced. It allows, for a specimen, to model the elastoplastic and dissipative behavior of the material in the dedicated stress space. Their use makes it possible to define a multiscale fatigue criterion based on the invariants of the stress tensor. In the study, a modeling of the behavior of the material is proposed for very low amplitude loads (VHCF) exhibiting a strong difference in dissipation compared to the regime of higher amplitudes (i.e. HCF domain).