Modélisation de la tenue en fatigue d'assemblages métalliques par une approche locale

Fatigue modeling of metallic assemblies using a local approach

• Auteur / Autrice : Maxime Nutte
• Direction : Serge Kruch, Bertrand Langrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 16/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Matériaux et Structures (2017-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Daidié, Franck Morel, Habibou Maitournam, Véronique Favier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Daidié, Franck Morel
• DOI : 10.70675/ab6e3bbfza559z47e3z90c4z05661d1a7ddc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fatigue des matériaux

Simulation numérique

Mécanique

Mots clés libres

Multiaxialité

Fatigue

Comportement non linéaire

Contact

Assemblage boulonné

Contact

Non linear behaviour

Fatigue

Multiaxiality

Bolted joints

Résumé

De nos jours, deux défis importants à relever en matière de prédiction de la tenue fatigue concernent la multiaxialité et les sollicitations aléatoires, en particulier lorsque ces deux effets sont combinés. Ceci est particulièrement vrai dans les structures aéronautiques assemblées où de nombreux phénomènes non-linéaires interagissent (non-linéarité du comportement du matériau, contact avec frottement, comportement de la fixation...). L'objectif de cette thèse est de proposer une démarche de prédiction de tenue en fatigue robuste, afin d'estimer la durée de vie en fatigue d'assemblages métalliques boulonnés soumis à des conditions de sollicitations multiaxiales variées. Il s'agit d'estimer la durée de vie de pièces assemblées par une approche locale reposant sur une modélisation explicite de la fixation et des efforts induits. À cette fin, une campagne expérimentale majeure a été entreprise avec des essais de complexité croissante allant d'éprouvettes de caractérisation uniaxiale, à des assemblages complexes chargés multiaxialement au moyen d'un dispositif expérimental biaxial. Parallèlement, une analyse numérique par éléments finis a été réalisée pour modéliser aussi fidèlement que possible des assemblages industriels représentatifs, en tenant compte de toutes les non-linéarités observées (géométriques, induites par le problème de contact, la flexion secondaire, l'entaille, le matériau ...). Le dialogue entre les résultats expérimentaux et les simulations numériques a permis de tester et de valider le modèle d'endommagement de fatigue développé, ainsi que de mieux comprendre les mécanismes d'amorçages de fissures dans les assemblages métalliques boulonnés soumis à des chargements multiaxiaux.

Nowadays, two important challenges to be addressed in fatigue prediction deal with multiaxiality and random loads, especially when both effects are combined. This is particularly true in assembled aircraft structures where many nonlinear phenomena interact (non-linearity of the behavior of material, contact with friction, behavior of the screw ...). The aim of this thesis is to develop a robust fatigue life prediction approach for estimating the fatigue life of bolted metallic assemblies subjected to a variety of multiaxial loading conditions. It consists in predicting the fatigue life of assembled parts using a local approach based on explicit modeling of the fastener and induced forces. For this purpose, a major experimental campaign has been undertaken with experiments of increasing complexity ranging from uniaxial characterization specimens, to complex multiaxially loaded assemblies by means of a biaxial (tension/compression) experimental device. At the same time, a numerical finite element analysis was carried out to model representative industrial assemblies as faithfully as possible, taking into account all observed non-linearities (geometric, induced by the contact problem, secondary bending, notching, material...). The dialog between experimental results and numerical simulations has allowed us to test and validate the fatigue damage model developed, as well as to improve our understanding of crack initiation mechanisms in bolted metal assemblies subjected to multiaxial loading.