Prise en compte des méconnaissances dans la quantification de la nocivité des fissures en fatigue

par Pierre Boutet

Thèse de doctorat en Mécanique des matériaux

Sous la direction de François Hild.

Le président du jury était Michel Castaings.

Le jury était composé de François Hild, Michel Castaings, Jean-Noël Périé, Nicolas Carrere, Fabien Lefebvre, Franck Morel, Yves Nadot.

Les rapporteurs étaient Jean-Noël Périé, Nicolas Carrere.


  • Résumé

    Dans les installations industrielles, des inspections régulières sont planifiées pour évaluer l’état de santé interne des composants. Si des fissures sont révélées, il est souhaitable de savoir si l’exploitation de la structure peut se poursuivre ou si un régime de fonctionnement dégradé pourrait être envisagé. En se basant sur la mécanique élastique linéaire de la rupture, les travaux présentés traitent donc dans le cas de composants fissurés de la dispersion de durée de vie résiduelle relative aux incertitudes sur les paramètres du modèle de prévision. La longueur de fissure initiale, les propriétés du matériau ainsi que les paramètres d’entrée de la loi de Paris ont été considérés comme des variables aléatoires, dont les distributions ont été déterminées expérimentalement puis ajustées par des lois statistiques adéquates. Des contrôles ultrasonores par mesure du temps de vol de l’onde diffractée – Time Of Flight Diffraction (TOFD) en anglais – et des mesures de champs obtenues par corrélation d’images numériques ont été utilisés pour quantifier la propagation d’une fissure dans une éprouvette à défaut soumise à des sollicitations cycliques uniaxiales. Les données expérimentales recueillies ont été utilisées pour initialiser les calculs et valider les résultats numériques. Les distributions de taille de fissure obtenue après un nombre donné de cycles de sollicitation et de nombre de cycles de sollicitation conduisant à une taille définie de fissure ont été obtenues par une méthode de Monte-Carlo appliquée au modèle de prévision. L’ajustement de ces distributions par de lois log-normales a fourni des outils analytiques d’estimation probabiliste de propagation de fissure. Cela a notamment permis la réalisation de cartographies de risques et l’évaluation de l’évolution de la fiabilité du composant étudié. Enfin, les effets d’une actualisation de la connaissance de la longueur de fissure au cours de la vie de ce composant en termes d’incertitude de prévision et d’extension de durée de vie résiduelle prévisionnelle ont été étudiés. En particulier, afin de limiter le coût des campagnes de contrôle non destructifs dans le cas industriel, une stratégie d’optimisation de l’actualisation de cette connaissance basée sur l’étude de fiabilité a été proposée.

  • Titre traduit

    Integration of uncertainties in fatigue cracks hazardness quantification.


  • Résumé

    In industrial plants, regular inspections are planned to assess the internal state of installations. If some cracks are revealed, it is desirable to know whether the structure can still be used or if a degraded mode of operation should be considered. Starting from a linear elastic fracture mechanics model, the work presented studied the scatter of the remaining life of such cracked parts due to the uncertainties on the parameters of the prediction model. Initial crack size, material properties and input parameters of Paris’ law have been considered as random variables and their distributions have been experimentally identified and fitted with convenient statistical laws. Time Of Flight Diffraction (TOFD) and field measurement technique based on Digital Image Correlation (DIC) were used to monitor the crack propagation initiated from a notch introduced in specimen submitted to uniaxial cyclic loading. Experimental crack length results were used to initiate computations and as a mean to validate numerical results. Both the crack lengths distributions resulting from the application of loading cycles and the distribution of the number of cycles leading to a given crack length were obtained from a Monte-Carlo method applied to the prediction model. The fit of these distributions with log-normal laws provided analytical tools to assess probabilistic crack propagation. It allowed for risk mapping and for the evaluation of the studied component’s reliability evolution. Last, the effects of an actualisation of crack length knowledge along the life of this component in terms of assessment uncertainty and predicted residual life extension has been studied. Especially, to limit the cost of non-destructive techniques inspection in industrial cases, a reliability-based strategy has been proposed for the optimisation of the crack knowledge actualisation.


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