Critère unifié pour la modélisation de l'endurance en fatigue sous chargement combiné

A unified criterion for fatigue endurance modeling under combined loading

• Auteur / Autrice : Bhimal Bholah
• Direction : Sylvie Pommier, Yoann Guilhem, Julien Jaravel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 18/03/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et technologie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1975-2021)
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Jury : Président / Présidente : Damien Halm
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Habibou Maitournam, Thierry Palin-Luc, Vincent Chiaruttini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Habibou Maitournam, Thierry Palin-Luc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Titane -- Alliages

Matériaux -- Fatigue

Contraintes (mécanique)

Mots clés libres

Critère de fatigue

Gradients de contraintes

Microfissure

Endurance

Approche non Llocale

Chargement non proportionnel

Fatigue criteria

Stress Gradient

Microcracks

Endurance

Non local Approach

Non proportional loading

Résumé

Dans cette étude, un critère basé sur l'énergie élastique de cisaillement pour l'amorçage de fissures de fatigue est proposé sur la base des paramètres de la mécanique linéaire élastique de la rupture (MLER) pour les fissures courtes, qui se composent des facteurs d'intensité de contrainte et des contraintes T. Une méthodologie pour l'utilisation de ce critère est présentée pour le cas industriel des compresseurs centrifuges dans les moteurs d'hélicoptères. Ces compresseurs sont soumis à des charges cycliques au cours d'une mission de vol. Ces charges consistent en des forces d'origines indépendantes dont les bases spatiales et temporelles ne sont pas corrélées, ce qui conduit à un état de contrainte combiné multiaxiale et non proportionnel. Les critères de fatigue actuels dans la littérature ont une application limitée dans ces cas. Cette recherche vise à proposer une approche permettant d'atteindre le conservatisme en faisant appel à la MLER, intrinsèquement non locale. Pour aborder l'aspect multiaxiale, la fonction de contrainte autour d'une fissure hypothétique est identifiée. Une réduction appropriée par décomposition orthogonale (POD) est utilisée pour diviser cette fonction en une fonction non locale et une fonction multiaxiale. Une méthodologie et un modèle sont proposés pour calculer les paramètres de la MLER d'une fissure paramétrée. Le matériau considéré dans ce travail est un alliage de titane Ti64 bimodal.

In this research, a distortional elastic energy criterion for fatigue crack initiation is proposed based on linear elastic fracture mechanics (LEFM) parameters for short cracks, which consist of the Stress Intensity Factors and the T-Stresses. A methodology for using this criterion is presented for the industrial case of centrifugal compressors in helicopter engines. Centrifugal compressors are subjected to cyclic loadings during a flight mission. These loads consist of independently originated forces with uncorrelated spatial and temporal bases leading to a combined multiaxial and non-proportional stress state. Current fatigue criteria in the literature have limited application in these cases. This research aims at proposing an approach to hitch up the conservatism by appealing to a LEFM-based approach, which is inherently non-local. To address the multiaxial aspect, the stress function around a hypothetical crack is identified. Proper Orthogonal Decomposition (POD) is used to split up this function into a non-local and a multiaxial function. The novelty of this research is to project the distortional elastic energy at the crack tip on a complex geometry computed from a combination of the decomposed stress functions linked to the LEFM. A methodology and a modeling tool are proposed to calculate the LEFM parameters for a parametrized crack in both tilt and twist orientation. The material considered in this work is a bimodal Ti64 titanium alloy.