Mesure de champs thermomécaniques pour l'étude de la fatigue par chocs thermiques

par Ali Charbal

Thèse de doctorat en Mécanique des solides

Sous la direction de Francois Hild et de Ludovic Vincent.

Soutenue le 03-03-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux, géosciences , en partenariat avec Ecole normale supérieure Paris-Saclay (établissement de préparation de la thèse) et de Laboratoire de mécanique et technologie (Cachan, Val-de-Marne) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-José Orteu.

Le jury était composé de Francois Hild, Ludovic Vincent, Jean-José Orteu, Bertrand Wattrisse, Pierre Vacher, Natasha Vermaak, Martin Poncelet.

Les rapporteurs étaient Bertrand Wattrisse.


  • Résumé

    Lorsqu'une structure est soumise à un chargement thermique hétérogène, des dilatations empêchées génératrices de contraintes surviennent. Lorsque ces sollicitations sont répétées un grand nombre de fois, un endommagement puis une fissuration du matériau peuvent apparaître. On parle alors de fatigue thermique du matériau. Ce phénomène, jugé responsable de différents incidents rencontrés dans les zones de mélange entre fluides chaud et froid des centrales nucléaires a fait l'objet de nombreuses études lancées au sein de projets successifs pilotés par EDF. Ces études portaient sur la détermination des chargements thermo-hydrauliques dans les zones de mélange, le transfert de chaleur à la structure, la résolution du problème thermomécanique permettant de connaître les champs de contrainte et de déformation en tout point de la structure et enfin la résistance du matériau (un acier inoxydable austénitique AISI 304L)soumis à de telles sollicitations. Concernant ce dernier aspect, plusieurs types d'essais ont été réalisés : d'une part, des essais de fatigue uniaxiaux et isothermes pour construire une courbe de fatigue mécanique du matériau et, d'autre part, des essais sur plusieurs dispositifs expérimentaux de fatigue thermique développés au sein d'organismes de recherche (CEA, EDF, JRC, JAEA,…) pour s'approcher des conditions de service. L'interprétation de ces derniers essais passe par l'estimation des champs de température et de déplacement dans la structure à partir de quelques mesures ponctuelles de température par thermocouples. On constate alors que les premières fissures s'amorcent en fatigue thermique pour un nombre de cycles sensiblement inférieur à celui estimé à partir des courbes de fatigue mécanique du matériau et de l'amplitude maximale de déformation équivalente estimée dans les essais de fatigue thermique. L'objet de ce travail de thèse consiste donc à concevoir et à réaliser des chocs thermiques sur un matériau de structure couplés à des mesures synchrones et sans contact de champs de température et de déplacement au niveau de la surface endommagée. Les chocs thermiques seront réalisés à l'aide d'un laser de puissance dont la longueur d'onde sort du spectre utilisé par la caméra infrarouge qui mesure le champ de température de surface de telle manière que le dépôt d'énergie n'affecte pas les mesures de température. Plusieurs pistes sont envisagées selon que les champs sont mesurés uniquement avec la caméra infrarouge ou en utilisant deux caméras, l'une travaillant dans l'infrarouge et l'autre dans le visible. Dans les deux cas de figure, l'absorptivité et l'émissivité de la surface soumise au choc thermique doivent être optimisées pour permettre d'avoir à la fois un dépôt d'énergie homogène par laser et une mesure précise des champs thermomécaniques. Une difficulté qu'il conviendra de surmonter est d'obtenir un champ d'émissivité de surface représentant un compromis acceptable entre une émissivité forte et homogène dans l'infrarouge pour des mesures de température et une émissivité hétérogène (dans l'infrarouge ou le visible selon la caméra utilisée) pour créer un contraste de niveau de gris indispensable aux mesures de déplacement par corrélation d'images. Parallèlement aux essais,des simulations numériques thermomécaniques seront également réalisées pour compléter ces champs en volume et tester l'influence des conditions aux limites. L'objectif final de la thèse est d'obtenir pour la première fois une mesure fiable des quantités d'intérêt dans une zone d'amorçage en fatigue thermique et ainsi pouvoir quantifier convenablement un éventuel effet aggravant des sollicitations de fatigue thermique.

  • Titre traduit

    Thermomechanical fields measurement for fatigue investigation under cyclic thermal shocks


  • Résumé

    Thermal fatigue occurs in nuclear power plant pipes. The temperature variations are due to the turbulent mixing of fluids that have different temperatures. Many experimental setups have been designed but the measured temperatures have only been punctual and out of the zone of interest (e.g., via thermocouples). The equivalent strain variation in the crack initiation region is calculated with numerical thermomechanical simulations. In many cases, the comparisons between numerical and experimental results have shown that the crack initiation predictions in thermal fatigue are non-conservative. A new testing setup is proposed where thermal shocks are applied with a pulsed laser beam while the thermal and kinematic fields on the specimen surface are measured with infrared (IR) and visible cameras, respectively. Experimental testings are performed and different measurement techniques for temperature and kinematic fields are used. IR camera and pyrometers allow to measure the temperature variations in the zone impacted by the laser beam. To estimate the absolute temperature, the surface emissivities at the respective wavelengths are determined by different methods. The absolute temperature field is then used to apply the actual thermal loading in a decoupled FE model after an identification process of the parameters of the laser beam. Once the thermal loading is generated based upon the experimental data, the stress and strain fields can be computed in the region of interest with an elastoplastic law.The experimental strain variations calculated from the DIC measurements are compared with the predictions obtained with the FE simulation.


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