Lois d'endommagement incrémentales isotrope/anisotropes pour applications thermomécaniques complexes

par Stéphane Otin

Thèse de doctorat en Mécanique. Génie mécanique. Génie civil

Sous la direction de Rodrigue Desmorat.

Soutenue en 2007

à Cachan, Ecole normale supérieure , en partenariat avec Laboratoire de mécanique et technologie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1975-2021) (laboratoire) .

mots clés

• Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)
• Isotropie
• Anisotropie
• Thermodynamique

Résumé

Les lois d'endommagement incrémentales présentent de nombreux avantages en terme de modélisation thermomécanique. S'affranchissant de la notion de cycle en fatigue, elles s'appliquent naturellement aux chargements complexes, anisothermes. Des extensions à l'anisotropie du modèle d'endommagement isotrope de Lemaitre sont proposées et identifiées sur le Haynesl88, superalliage à base cobalt utilisé pour la réalisation de chambres de combustion de turbomachines, permettant de déterminer les conditions d'amorçage de fissure par la méthode des éléments finis. Le cas des hautes températures est traité via un couplage viscoplasticité/endommagement dans le cadre de la thermodynamique des matériaux solides. Le seuil d'endommagement en énergie stockée et l'extension du modèle aux conditions unilatérales de refermeture des micro défauts sont présentés. Différents schémas numériques de résolution sont proposés, dans le cas de calculs couplés, ou de post traitements de calculs 3D viscoplastiques sans endommagement. Des applications anisothermes sont simulées: fluage à température variable, chargements biaxiaux, non proportionnels, aléatoires. . . Les apports de l'anisotropie de l'endommagement et des conditions unilatérales de refermeture des microdéfauts sont étudiés. Enfin, la robustesse du modèle est testée sur un essai original de fatigue thermique structural sur éprouvette multiperforée, reproduisant les sollicitations subies par une pièce réelle. La corrélation entre résultats numériques et expérimentaux en terme de comportement et de durée de vie permet la validation de la méthodologie d'identification et d'utilisation du modèle incrémental, en vue de son industrialisation.

Titre traduit

Isotropic/anisotropic incremental damage laws for complex thermomechanical applications

Résumé

Incremental damage laws présent many advantages in ternis of thermomechanical modeling. They enable to be freed fror the cycle concept in fatigue and are very convenient for complex, anisothermal loadings. Différent extensions to anisotropy of Lemaitre's isotropic damage model are proposed, identified on the cobalt based superalloy Haynesl88 uses for the manufacturing of turbomachines combustion chambers. The aim is the détermination of crack initiation condition at the combustion chamber scale for ils design, with the Finite Element method. The damage model is adapted to high températures, through a coupling between viscoplasticity and damage within the thermodynamic frameworks. The stored energy damage threshold and the extension to unilatéral conditions of micro defects closure effect are presented. Various numerical résolution schemes are proposed, in the case of coupled computations, or in the case of post processing, from 3D visco plastic computations without damage. Anisothermal applications are simulated, approaching the real requests: random loading, creep under variable température, biaxial loadings, non proportional loading. The contributions of damage anisotropy and unilatéral conditions of micro defects closure effect are pointed out. Last, the robustness of the model is tested on an original structural thermal fatigue test, where a multiperforate specimen is subrnitted to a complex thermal loading, reproducing the work conditions of a combustion chamber. The good corrélation between numerical simulation and expérimental results in ternis of behaviour and lifetime allows for the validation of the lifetime prédiction method, for its industrialization.