Optimization of Shape Memory Alloy Structures with Respect to Fatigue

par Xiaojun Gu

Thèse de doctorat en M?canique des solides

Sous la direction de Ziad Moumni.

Soutenue le 25-09-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences m?caniques et ?nerg?tiques, mat?riaux, g?osciences , en partenariat avec Institut des Sciences de la M?canique et Applications Industrielles (laboratoire) , ?cole nationale sup?rieure de techniques avanc?es (Palaiseau, Essonne) (?tablissement op?rateur d'inscription) et de Unit? de M?canique / ENSTA ParisTech UME (laboratoire) .

Le président du jury était Andrei Constantinescu.

Le jury était composé de Ziad Moumni, Wael Zaki, Etienne Patoor, Weihong Zhang.

Les rapporteurs étaient Gunay Anlas, Micha?l Peigney.


  • Résumé

    Cette th?se pr?sente une approche globale d?optimisation vis-?-vis de la fatigue des mat?riaux et structures en alliages ? m?moire de forme (AMF). Cette approche s?articule en trois ?tapes : i) Le d?veloppement d?une loi de comportement capable de pr?dire la r?ponse thermom?canique ? l??tat stabilis? d?une structure en AMF sous chargement cyclique multiaxial non proportionnel. On prend notamment en compte la d?pendance de la d?formation r?siduelle par rapport ? la temp?rature. Par ailleurs, la m?thode LATIN ? grand incr?ment de temps a ?t? g?n?ralis?e pour les AMF dans le cadre du mod?le ZM. Ceci permet de r?soudre les probl?mes de convergence num?rique rencontr?s lorsque le processus de transformation de phase se produit avec une pente du plateau de transformation faible. ii) Le d?veloppement d?un crit?re de fatigue ? grand nombre de cycles pour les AMF. Ce crit?re s?inscrit dans le cadre de la th?orie d?adaptation ? l?instar du crit?re de Dang Van pour les m?taux ?lasto-plastiques. Le crit?re propos? permet de calculer en chaque point de la structure en AMF un facteur de fatigue indiquant son degr? de dangerosit?. iii) Le d?veloppement d?une approche d?optimisation structurale qui peut ?tre utilis?e pour am?liorer la dur?e de vie en fatigue pr?dite par le crit?re propos? dans la deuxi?me partie. Des exemples num?riques sont trait?s pour valider chaque ?tape. L?approche globale a par ailleurs ?t? test?e et valid?e pour l?optimisation structurale d?un stent.

  • Titre traduit

    Optimisation structurale vis-?-vis de la fatigue des structures en alliages ? m?moire de forme.


  • Résumé

    This thesis presents a comprehensive and effi cient structural optimization approach for shape memory alloys (SMAs) with respect to fatigue. The approach consists of three steps: First, the development of a suitable constitutive model capable of predicting, with good accuracy, the stabilized thermomechanical stress state of a SMA structure subjected to multiaxial nonproportional cyclic loading. The dependence of the saturated residual strain on temperature and loading rate is discussed. In order to overcome numerical convergence problems in situations where the phase transformation process presents little or no positivehardening, the large time increment method (LATIN) is utilized in combination with the ZM (Zaki-Moumni) model to simulate SMA structures instead of conventional incremental methods. Second, a shakedown-based fatigue criterion analogous to the Dang Van model for elastoplastic metals is derived for SMAs to predict whether a SMA structure subjected to high-cycle loading would undergo fatigue. The proposed criterion computes a fatigue factor at each material point, indicating its degree of safeness with respect to high-cycle fatigue. Third, a structural optimization approach, which can be used to improve the fatigue lifetime estimated using the proposed fatigue criterion is presented. The prospects of this work include the validation of the optimization approach with experimental data.


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