Stratégie de réduction de modèle appliquée à un problème de fissuration dans un milieu anisotrope : application à la modélisation de la plasticité cristalline.

A model reduction strategy to predict plasticity induced memory effects in fatigue crack growth in an anisotropic medium : application to crystal plasticity

• Auteur / Autrice : Walid Tezeghdanti
• Direction : Sylvie Pommier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 26/02/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et technologie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1975-2021)
• Jury : Président / Présidente : Marion Risbet-Voitot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Pommier, Yoann Guilhem, David Nowell, Julien Réthoré, Véronique Doquet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henry Proudhon, Nicolas Moës

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Plasticité

Matériaux -- Fissuration

Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

Fissuration

Réduction de modèle

Fatigue

Modèle incrémental

Anisotropie

Plasticité cristalline

Crack propagation

Model reduction

Fatigue

Incremental model

Anisotropy

Crystal plasticity

Résumé

Les aubes des turbines à haute pression des réacteurs d'avion subissent des chargements complexes dans un environnement réactif. Prédire leur durée de vie peut nécessiter une approche en tolérance aux dommages, basée sur la prédiction de la propagation d'une fissure supposée. Mais cette approche est confrontée au comportement non linéaire sous des chargements à amplitudes variables et au coût énorme des calculs elasto-plastiques des structures 3D complexes sur des millions des cycles. Dans ce cadre, un modèle incrémental de fissuration a été proposé. Ce modèle est basé sur la plasticité comme mécanisme principal de propagation de fissure par fatigue pure. Cette modélisation passe par une réduction de modèle de type POD. La plasticité en pointe de la fissure est alors modélisée par un nombre réduit de variables non locales et des variables internes. Un ensemble d'hypothèses doit être respecté pour garantir la validité de cette modélisation. Pour décliner ce modèle dans le cas d'un matériau anisotrope représentatif du comportement des monocristaux, une première étude a été faite sur le cas d'une élasticité cubique avec de la plasticité de Von-Mises. Une stratégie a été proposée pour identifier un modèle matériau basé sur les facteurs d'intensité non locaux. Cette stratégie comporte une détermination de la fonction critère basée sur les solutions élastiques en anisotrope. L'étude des directions d'écoulement plastique avec les variables non locales montre une forte dépendance à l'anisotropie élastique du modèle même avec une plasticité associée de Von-Mises. La stratégie comporte également une identification des variables internes.Dans la deuxième partie, le problème d'une fissure avec un modèle de plasticité cristalline a été traité. L'activation de différents systèmes de glissement a été alors prise en compte dans la modélisation. Finalement, différentes méthodologies ont été explorées en vue de transposer le modèle local de plasticité cristalline à l'échelle non locale de la région en pointe de la fissure.

The fatigue life prediction of high pressure turbine blades may require a damage tolerance approach based on the study of possible crack propagation. The nonlinear behavior of the material under complex nonproportional loadings and the high cost of running long and expensive elastic-plastic FE computations on complex 3D structures over millions of cycles are some major issues that may encounter this type of approach.Within this context, an incremental model was proposed based on plasticity as a main mechanism for fatigue crack growth.A model reduction strategy using the Proper Orthogonal Decomposition (POD) was used to reduce the cost of FEA. Based on a set of hypotheses, the number of the degrees of freedom of the problem is reduced drastically. The plasticity at the crack tip is finally described by a set of empirical equations of few nonlocal variables and some internal variables.In order to apply this modeling strategy to the case of anisotropic materials that represent the behavior of single crystals, a first study was done with cubic elasticity and a Von-Mises plasticity. Elastic and plastic reference fields, required to reduce the model, were determined. Then, a material model of the near crack tip region was proposed based on nonlocal intensity factors. A yield criterion function was proposed based on Hoenig's asymptotic solutions for anisotropic materials. The study of plastic flow directions with the nonlocal variables of the model shows a strong dependency on the cubic elasticity. A strategy to identify internal variables is proposed as well. In the second part, a crystal plasticity model was implemented. The activation of different slip systems was taken into account in the model reduction strategy. A kinematic basis was constructed for each slip system. Finally, a strategy was proposed to transpose the local crystal plasticity model to the nonlocal scale of the crack.