Détermination rapide de la durée de vie en fatigue oligocyclique de structures au comportement inélastique confiné : application aux instruments endodontiques en alliage à mémoire de forme Nickel-Titane

Fast determnation of the low cycle fatigue life of structures with confined ilelastic behavior : application to nitinol endodontic instruments

• Auteur / Autrice : Yoann Congard
• Direction : Shabnam Arbab Chirani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : École nationale d'ingénieurs de Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme - Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ziad Moumni, Laurent Daniel, Karine Laverhne-Taillard, Marin Vincent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Coret, Ziad Moumni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endodontie

Matériaux -- Fatigue

Matériaux

Mots clés libres

Fatigue oligocyclique

Durée de vie

Correction inélastique locale

Niti

Instruments endodontiques

Low cycle fatigue

Fatigue life

Local inelastic correction

NiTinol

Endodontic instruments

Résumé

Les alliages de NiTi de par leurs grandes déformations réversibles sont majoritairement employés dans le cadre de l’élaboration d'instruments endodontiques. Leurs grandes souplesses permettent d’épouser la forme courbée des canaux dentaires. Cependant, des ruptures en service par fatigue sont parfois observées. La prise en compte du dimensionnement en fatigue des instruments pendant la phase de conception fait actuellement défaut. Cette étude présente la mise en place d'une méthode de prédiction rapide de la durée de vie en fatigue d'instruments endodontiques en alliage à mémoire de forme de type NiTi. L'utilisation de la méthode des éléments finis non linéaire dans le cadre de la fatigue à faible nombre de cycles d'une structure engendre un temps de calcul prohibitif. La méthode proposée par Darlet issue d’une loi de localisation dérivée de l'analyse par changement d'échelle est une approche alternative pour réduire le temps de calcul. Cette méthode de calcul simplifiée permet d'estimer un comportement multiaxial cyclique par post-traitement de deux calculs éléments finis élastiques. Cette approche a été généralisée pour estimer un comportement inélastique au point critique de la structure. Un critère de fatigue énergétique est ensuite appliqué au cycle stabilisé pour estimer la durée de vie. L'ensemble des paramètres matériau du modèle proposé sont identifiés à l'échelle de l'éprouvette à partir d'une sollicitation de flexion. La démarche numérique a été appliquée sur un instrument en NiTi sollicité en flexion rotative. L'approche numérique proposée a été validée sur structure par confrontation essais-calculs et permet d'estimer très correctement la durée de vie.

Due to their large reversible deformations, NiTi shape memory alloys are mainly used in the development of endodontic instruments. The high flexibility of these materials allows them to follow the curved shape of the root canals. However, fatigue failures in operation are sometimes observed. Instruments fatigue constraints are currently not taken into account during the design phase. This study presents an implementation of a fast method for the prediction of the fatigue life of endodontic instruments. Classical numerical methods like non-linear finite element method, leading to prohibitive computation time in low cycle fatigue. To overcome this issue, we propose to use Darlet fast prediction method based on homogenization and localization laws. This simplified calculation method allows to estimate a cyclic multiaxial behaviour by post-processing two elastic finite element calculations. This approach has been generalized to estimate inelastic behaviour at the critical point of the structure. An energetic fatigue criterion is then applied to the stabilized cycle in order to estimate the fatigue lifetime. All the material parameters of the proposed model are identified at the specimen scale from a bending test. The numerical approach was then applied to a NiTi endodontic instrument subjected to rotary bending solicitations. Finally, the numerical fatigue lifetime prediction of the structure was validated by confrontation with experimental fatigue results.