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Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'ingéniérie, matériaux, procédés, énergie (Blanc SIMI 9)
Edition 2011


FAST 3D


Couplage entre méthodes cycliques directes et mesure de champs dissipatifs locaux : stratégie de détermination rapide des domaines d’endommagement en fretting-fatigue.

Fast 3D
Couplage entre méthodes cycliques directes et mesure de champs dissipatifs locaux : stratégie de détermination rapide des domaines d’endommagement en fretting-fatigue.

Enjeux et objectif
Les structures sollicitées en fatigue sont généralement soumises à des chargements multiaxiaux présentant un gradient de contrainte. La prise en compte des effets des forts gradients sur le comportement et la tenue mécanique est indispensable pour une bonne évaluation de la durée de vie. La sollicitation de fretting représente le cas introduisant les plus forts gradients dans les structures, c’est pourquoi nous nous focaliserons sur ce type de sollicitation mais les résultats issus de ce projet permettront d’aborder la problématique des gradients de contraintes en fatigue. La sollicitation de fretting entraîne des endommagements diminuant fortement la durée de vie des systèmes industriels. Tous les secteurs sont concernés (transport, énergie,…) Ce phénomène est associé à des micro-déplacements de faible amplitude, inférieure à la dimension du contact. Dans le cas du glissement partiel, l’endommagement se caractérise essentiellement par l’apparition de fissures. Le dimensionnement d’un contact passe par la construction des cartes de fretting-fatigue définissant les domaines de non d’amorçage, d’amorçage suivi d’un arrêt de fissuration et de rupture en fonction des paramètres de chargement. Expérimentalement, elles sont obtenues par des méthodes destructives très couteuses en temps et en matériau. Nous développerons donc une stratégie expérimentale s’appuyant sur la réponse en dissipation du matériau couplée à une stratégie de modélisation et calcul numérique. Les concepts sous-jacents sont les phénomènes d’adaptation, d’accommodation et de rochet. Actuellement ils sont peu exploités lors de la modélisation et du calcul de structures. De plus, l’obtention des réponses thermomécaniques asymptotiques dans la zone de contact dues aux sollicitations de fretting-fatigue se heurte à deux difficultés : le nombre de cycles de chargement et la finesse de maillage. C’est la raison pour laquelle le fretting est rarement pris en compte en calcul de structure.

Méthodes / Approches
Le but de FAST FM est de mieux comprendre et modéliser l’endommagement sous sollicitation de contact cyclique avec de forts gradients de contrainte. Pour cela, nous nous fixons trois objectifs :
1. Développer une méthode de construction rapide de carte de fretting en s’appuyant sur des dispositif expérimentaux originaux et deux techniques de mesure de champs quantitatives : la thermographie infrarouge et la corrélation d’images. Ceci passera par la généralisation au cas du fretting des méthodes de détermination rapide de limite de fatigue à partir des mesures d’autoéchauffement.
2. Proposer des lois de comportement thermomécaniques inélastiques adaptées aux spécificités des sollicitations de fretting identifiés à partir de champs cinématiques et thermiques expérimentaux.
3. Développer des stratégies numériques alternatives compatibles avec le cadre thermomécanique couplé, permettant de diminuer drastiquement les temps de calcul. Dans ce cas, la stratégie de calcul cyclique directe est la plus adaptée moyennant un enrichissement des algorithmes.

Résultats

- Un protocole explicitant une méthode de construction rapide de carte de fretting,
- des lois de comportement thermomécaniques inélastiques adaptées aux spécificités des sollicitations de fretting,
- un démonstrateur présentant une stratégie numérique alternative compatibles avec le cadre thermomécanique couplé, permettant de diminuer drastiquement les temps de calcul (calcul cyclique direct).

Perspectives

Travailler à une échelle plus fine expérimentalement et numériquement. (celle des grains).
Développer une méthode permettant de déterminer les sources de chaleurs lors d'une essais de fretting.

Productions scientifiques et brevets

Articles :
1. Berthel B., Moustafa A.-R., Charkaluk E., and Fouvry S., 2014, “Crack nucleation threshold under fretting loading by a thermal method,” Tribol. Int., 76, pp. 35–44.
2. Alquezar, M., Arrieta, V., Flandi, L., Constantinescu, A., Maitournam, M., and Wackers, P. Computational. fretting-fatigue maps for different plasticity models. Fat.Fract.Eng.Mat.Stru., 37(4):446–461, 201, dx.doi.org/10.1111/ffe.12130.

Conférences :
1. Berthel B., and Fouvry S., 2013, “Crack nucleation threshold obtained by thermal method,” 7th International Symposium on Fretting Fatigue - ISFF7, Oxford, UK.
2. Berthel B., and Fouvry S., 2013, “Crack Nucleation Threshold Under Fretting Loading by a Thermal Method,” SEM 2013 Annual Conference, Lombard, USA.
3. Berthel B., Moustafa A. R., and Fouvry S., 2013, “CRACK THRESHOLD CONDITIONS UNDER FRETTING LOADING BY THERMAL ANALYSIS,” PhotoMechanics 2013, Montpellier, France.
4. Moustafa A.-R., Berthel B., Charkaluk E., and Fouvry S., 2014, “Experimental study by full field measurement techniques of the stress gradients effect under fretting, fretting-fatigue and notch fatigue,” International Conference on Fatigue Damage of Structural Materials X, Hyannis, USA.
5. Moustafa A. R., Berthel B., Charkaluk E., and Fouvry S., 2014, “Experimental study by full field measurement techniques of the stress gradients effect under fretting, fretting-fatigue and notch fatigue,” QIRT 2014, Bordeaux, France.
6. Moustafa A. R., Berthel B., Fouvry S., and Charkaluk E., 2013, “Détermination par analyse thermique des seuils d’amorçage des fissures sous chargement de Fretting,” Congrès Français de Mécanique 2013, Bordeaux, France.

Partenaires

LML Ecole Centrale de Lille

LMS CNRS DR Ile de France Secteur Ouest et Nord

LTDS Ecole Centrale de Lyon

Aide de l'ANR 429 600 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2012 - 48 mois

Résumé de soumission

Les structures sollicitées en fatigue sont généralement soumises à des chargements thermomécaniques variables générant des états multiaxiaux de contraintes à gradients plus ou moins prononcés. La prise en compte des effets des forts gradients sur le comportement et la tenue mécanique est indispensable pour une bonne évaluation de la durée de vie. Dans ce cadre, l’objectif de ce projet est d’utiliser des concepts et des dispositifs originaux pour : (i) mettre en place une méthode rapide de détermination de condition d’amorçage de fissures, fondée sur des concepts et des dispositifs originaux (ii) de proposer des lois de comportement thermomécaniques adaptées à ces sollicitations (iii) de développer des stratégies numériques permettant de diminuer drastiquement les temps de calcul.
La sollicitation de fretting représente probablement le cas introduisant les plus forts gradients dans les structures, c’est pourquoi nous nous focaliserons sur ce type de sollicitation mais les résultats issus de ce projet permettront d’aborder, plus généralement, la problématique des gradients de contraintes en fatigue. La sollicitation de fretting entraîne des endommagements diminuant fortement la durée de vie des systèmes industriels. Tous les secteurs sont concernés : transport, énergie, biomécanique,… Ce phénomène est associé à des micro-déplacements de faible amplitude, inférieure à la dimension du contact. Dans le cas du glissement partiel, une partie de la zone de contact reste collée et l’endommagement se caractérise essentiellement par l’apparition de fissures. Aujourd’hui, le dimensionnement d’un contact passe par la construction des cartes de fretting-fatigue définissant les domaines de non d’amorçage, d’amorçage suivi d’un arrêt de fissuration et de rupture en fonction des paramètres de chargement. Expérimentalement, elles sont obtenues par des méthodes destructives très couteuses en temps, en matériau et qui donnent des résultats dispersés. Nous développerons donc une stratégie expérimentale s’appuyant sur la réponse en dissipation du matériau couplée à une stratégie de modélisation et calcul numérique. Les concepts sous-jacents sont les phénomènes d’adaptation, d’accommodation et de rochet. Actuellement ils sont peu exploités lors de la modélisation et du calcul de structures. De plus, l’obtention des réponses thermomécaniques asymptotiques dans la zone de contact dues aux sollicitations de fretting-fatigue se heurte à deux difficultés : le nombre de cycles de chargement et la finesse de maillage. Les méthodes incrémentales classiques par éléments finis sont alors inopérantes. C’est la raison pour laquelle le fretting est rarement pris en compte en calcul de structure.
Le but de FAST 3D est de mieux comprendre et modéliser l’endommagement sous sollicitation cyclique avec de forts gradients de contrainte. Pour cela, nous nous fixons trois objectifs :
1. Développer une méthode de construction rapide de carte de fretting en s’appuyant sur des dispositifs expérimentaux originaux et deux techniques de mesure de champs quantitatives : la thermographie infrarouge et la corrélation d’images.
2. Proposer des lois de comportement thermomécaniques inélastiques adaptées aux spécificités des sollicitations de fretting identifiées à partir de champs cinématiques et thermiques expérimentaux.
3. Développer des stratégies numériques alternatives compatibles avec le cadre thermomécanique couplé, permettant de diminuer drastiquement les temps de calcul. Dans ce cas, la stratégie de calcul cyclique direct est la plus adaptée moyennant un enrichissement des algorithmes.
Les trois partenaires participant à FAST 3D (LML, LMS et LTDS) apportent des savoir-faire, des moyens expérimentaux et numériques complémentaires pour atteindre ces objectifs. Tous les chercheurs impliqués ont travaillé sur les mécanismes d’amorçage de fissure en fretting et/ou fatigue et la majorité sur une approche thermomécanique basée sur les concepts d’accommodation et d’adaptation.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'ingéniérie, matériaux, procédés, énergie (Blanc SIMI 9) 2011

Référence projet : ANR-11-BS09-0012

Coordinateur du projet :
Monsieur Bruno BERTHEL (Ecole Centrale de Lyon)
bruno.berthel@nullec-lyon.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.