Caractérisation rapide des propriétés à la fatigue à grand nombre de cycles des matériaux de fonderie à partir d'essais d’auto-échauffement : application aux alliages d'hélices marines

par Anthony Ezanno

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur. Mécanique des matériaux, des structures et des fluides

Sous la direction de Cédric Doudard et de Sylvain Calloch.

Soutenue en 2011

à Brest .


  • Résumé

    Les hélices marines sont soumises en service à des chargements cycliques susceptibles de provoquer la rupture de pales par fatigue. Obtenues par fonderie, les hélices, généralement en alliage cupro-aluminium, contiennent des défauts hérités du procédé de fabrication, à l’origine des mécanismes qui mènent à la rupture. Les objectifs de ces travaux de thèse sont d’une part, de mettre en place une chaîne numérique d’aide au dimensionnement à la fatigue dédiée aux structures obtenues par fonderie et d’autre part, de valider cette chaîne à l’échelle de la structure. Un modèle de comportement à la fatigue à grand nombre de cycles ad hoc est proposé. Il repose sur l’hypothèse que la ruine par fatigue est pilotée par l’activation de mécanismes de microplasticité qui ont lieu autour des défauts de fonderie et qui induisent une dissipation énergétique. On adopte une approche à deux échelles probabiliste en considérant un ensemble de sites élastoplastiques, de seuil d’activation variable et répartis aléatoirement dans une matrice élastique. On propose l’utilisation des essais d’auto-échauffement sous chargements cycliques pour identifier le comportement mécanique d’un site ainsi que la variabilité de la population de sites. Les défauts sont ainsi pris en compte de manière indirecte, i. E. Sans description géométrique, à travers la signature thermique du matériau sous sollicitations cycliques. Les prévisions de ce modèle sont comparées aux résultats d’une campagne d’essais de fatigue sur des hélices à échelle 1. Ces essais sur structure ont nécessité la conception et la mise en oeuvre d’un montage spécifique.

  • Titre traduit

    Fast characterization of High Cycle Fatigue properties of cast materials by the use of self-heating measurements : application to marine propeller alloys


  • Résumé

    Marine propellers are subjected to cyclic loadings which can lead to fatigue failure of the blades. Large ship propellers are typically obtained by a sand casting process, and are generally made of aluminium bronze. As per all cast components, propellers content casting flaws such as micro-shrinkage pores which act as fatigue crack initiation sites. The objectives of this thesis are to firstly develop a numerical tool that aids the fatigue conception of cast components and to validate it using full-scale tests. A High Cycle Fatigue model is proposed. In this model, it is assumed that fatigue failure is due to microplasticity which occurs around casting defects and results in the dissipation of energy. A two-scale probabilistic approach is adopted. A set of elasto-plastic sites with variable activation threshold and a random distribution in the material is considered. Self-heating tests under cyclic loadings are used to identify the mechanical behavior of a site and the variability of the population of sites. Castings defects are taken into account indirectly, without considering a precise geometrical description, thanks to the thermal response of the material under cyclic loadings. The predictions from the model are compared to experimental results from full-scale fatigue tests on propellers. These tests required the design of a specific experimental set-up.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XIV-208 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 203-208

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  • Cote : TBRE2011/55
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