Développement et exploitation d'un banc vibratoire en flexion pour les essais de fatigue

par Christophe Gautrelet

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, génie mécanique, productique, transport et génie civil

Sous la direction de Leila Khalij.

Soutenue le 22-11-2019

à Normandie , dans le cadre de École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....) (établissement de préparation) et de Laboratoire de mécanique de Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1993-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Stéphane Panier.

Le jury était composé de Leila Khalij, Domingos Alves Rade, Roger Serra.

Les rapporteurs étaient Stéphane Panier, Domingos Alves Rade.

mots clés

• Excitateur électrodynamique
• Fatigue vibratoire
• Détection de l'initiation de fissure
• Propagation de fissure
• Essais expérimentaux
• Électrodynamique
• Vibrations -- Essais
• Rupture, Mécanique de la
• Matériaux -- Fissuration
• Matériaux -- Fatigue

Résumé

Dans le but de fournir des données expérimentales pour alimenter les modèles numériques développés au Laboratoire de Mécanique de Normandie, nous avons mis en place un banc d'essais uniaxiaux en fatigue vibratoire permettant de tester des structures à grand nombre de cycles. Après la rédaction d’un cahier des charges pour définir les caractéristiques d’excitations et de mesures, une étude de qualification de ce moyen d’essais est présentée afin d’obtenir les plages de performance basée sur l’hypothèse de linéarité du système. Ensuite, pour vérifier la faisabilité en fatigue, nous avons réalisé une étude visant à établir une courbe de caractérisation d’un acier bas carbone. Néanmoins, ce banc d’essais ne permet pas de distinguer les phases d’initiation de fissure, de propagation et de rupture. Nous avons donc proposé quelques pistes pour évaluer le nombre de cycles à fissuration : la première est basée sur la variation de pente de l’amplitude de déformation mesurée à partir de jauges de déformation et la seconde utilise le décalage de la fréquence de résonance. Nous avons ainsi proposé un modèle simple de dommage non linéaire basé sur la variation de la fréquence de résonance qui permet également d'évaluer les nombres de cycles à la rupture des spécimens. La durée de vie en fatigue expérimentale obtenue par ce modèle est confrontée avec celle en fatigue obtenue par un modèle de dommage issu de la littérature.

mots clés

• Electrodynamic shaker
• Vibratory fatigue
• Detection of crack initiation
• Crack propagation
• Experimental tests

Titre traduit

Design and exploitation of a vibration-based bending bench for fatigue testing

Résumé

The aim of Laboratory of Mechanics of Normandy is to provide experimental data to enhance the numerical models developed for structural design. Therefore, we have set up a vibration-based uniaxial bending bench for testing structures under a high cycle fatigue. After setting up specifications to specify the characteristics of the excitations and measurements, a qualification investigation of this test bench is presented in order to obtain the performance ranges based on the assumption of the system linearity. Then, to verify the feasibility in fatigue, we conducted a study to establish a characterization curve of a low carbon steel. Nevertheless, this test bench does not distinguish the phases of initiation, propagation and fracture of the crack. We have therefore proposed some ways to assess the cycle number of crack initiation: the first one is based on the slope variation of the strain amplitude measured from strain gauges and the second one uses the resonant frequency drop. We have thus proposed a simple model of nonlinear damage based on the variation of the resonant frequency which also makes it possible to evaluate the cycle number at fracture of the specimens. The experimental fatigue life obtained by this model is compared with the fatigue life obtained by a damage model provided by the literature.