Comportement et durée de vie de pièces tubulaires, soudées ou non, en acier ferritique 1. 4509 : application automobile

par Marie-Cécile Robin-Boudaoud

Thèse de doctorat en Mécanique numérique

Sous la direction de Roland Logé.

Soutenue en 2010

à Paris, ENMP .

  • Titre traduit

    Mechanical behavior and fatigue lifetime of tubular parts, welded or not, made of ferritic stainless steel (1. 4509) : car manifold lifetime assesment


  • Résumé

    Faurecia emploie des aciers inoxydables ferritiques pour réaliser des collecteurs d’échappement tubulaires mécano-soudés. Cette étude intervient dans le cadre de l’optimisation de la conception de ces produits et constitue une contribution à la prédiction de la durée de vie de pièces tubulaires en acier 1. 4509, soudées ou non, sous chargement de fatigue thermomécanique. Ce travail s’articule en trois axes complémentaires : la modélisation du comportement cyclique des pièces tubulaires soudées ou non, la modélisation de leur endommagement et de leur tenue en fatigue, le développement d’une méthodologie numérique permettant le calcul de la tenue en fatigue de collecteurs dans un temps compatible avec un usage en bureau d’études. Les comportements cycliques du métal de base (acier 1. 4509) et du métal fondu sont ainsi caractérisés pour différentes conditions de sollicitations thermomécaniques puis modélisés à l’aide d’un modèle de comportement élastoviscoplastique dans le logiciel Abaqus. Le comportement spécifique de la zone affectée thermiquement est également étudié. La modélisation proposée pour rendre compte du comportement mécanique des jonctions soudées est validée via un essai de traction-compression avec mesure locale des déformations par stéréo corrélation d’images. L’étude de la durée de vie de l’acier 1. 4509 est ensuite abordée. Une gamme importante d’essais de durée de vie est ainsi constituée. Les coefficients d’un modèle d’endommagement continu, développé par J. Lemaitre, sont identifiés et validés. La même gamme d’essais est appliquée à des éprouvettes soudées. Il est choisi de recourir à une approche découplée du comportement et de l’endommagement pour prédire la durée de vie de ces éprouvettes. Cette approche repose sur l’hypothèse que la tenue en fatigue de la jonction soudée est conditionnée par la répartition des déformations au cycle stabilisé et peut être calculée par post-traitement. Cette méthode permet de prédire dans une bande de dispersion de facteur 3 maximum, la majorité des essais. Finalement, la dernière phase de ce travail est consacrée à la mise en oeuvre des modèles identifiés pour prédire la tenue en fatigue de pièces soudées industrielles. Une méthodologie dite de "sous-modèle" est mise en place afin de prédire avec précision la réponse mécanique des zones soudées au cycle stabilisé. La durée de vie de ces zones est alors estimée par post-traitement de ce cycle. Cette méthode est appliquée avec succès pour prédire la durée de vie, sous chargement thermomécanique, de deux pièces soudées, dont un collecteur.


  • Résumé

    Faurecia uses stainless ferritic steels to produce car manifolds, which are made of several tubular parts welded together. In order to reduce design costs, Faurecia needs to developp a robust numerical design tool. In the frame of this project, this thesis is a contribution to fatigue life assessment of 1. 4509 stainless steel tubular parts, welded or not, submitted to cyclic thermomechanical loadings. In a first part, the cyclic mechanical behaviors of the base metal (1. 4509 steel) and the melted metal are experementally studied under various loads. They are then described thanks to an elastoviscoplastic model. The specific mechanical behavior of the heat affected zone is also considered. The ability of the proposed models to describe the mechanical response of a welded zone is assessed thanks to a traction compression test including local strain measurements. In a second part, fatigue life of 1. 4509 steel is adressed. A large experimental dabase is built up. A non isothermal continuum damage model (J. Lemaitre model) is identified. The same test conditions are applied to welded specimens. Then, the resuts of those tests are analysed thanks to an uncoupled approach of mechanical behavior and damage. It is so considered that the strain distribution at the stabilized cycle, governs the fatigue life of the welded specimen. Thanks to this method, most the tests are well predicted (within a scattering band of factor 3 maximum). Finally, last part of this thesis concerns the integration of the identified models in a robust numerical tool in order to predict fatigue life of industrial welded parts. A submodel methodology is used in order to precisely predict the stabilized mechanical behavior of welded zone. This technique is successfully applied to predict the fatigue life of two welded parts, included a car manifold.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (198 p.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'au ? (date non communiquée)
  • Annexes : Bibliographie 100 ref.

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