Prédiction numérique du comportement des fissures sous chargements combinés de fretting et fatigue - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Numerical prediction of the crack behavior under combined fretting and fatigue loadings

Prédiction numérique du comportement des fissures sous chargements combinés de fretting et fatigue

Julien Ferniot
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1268654
  • IdRef : 270980784

Résumé

Many fatigue criteria have been successfully proposed in order to predict crack paths and propagation under uniaxial and multiaxial loading. However, when fatigue is coupled with fretting, these criteria tend to neglect the high compression aspects inherent to fretting, therefore making the predictions inadequate. The work presented throughout this manuscript therefore aims to propose a cracking path prediction method that is both simple to implement while being robust for coupled fretting and fatigue loading. Fretting is defined as a contact problem involving small lateral displacements of an order of magnitude of ±100 µm. In addition to inducing non-proportional multiaxial stresses as well as strong stress gradients, fretting loading is characterized by a high compressive stress state, resulting from the quasi-static normal load (contact pressure). This work focuses on the description of the classic cylinder/plane contact through different material pairs for various loadings (simple fretting or fretting fatigue) for partial sliding conditions (i.e. avoiding the phenomenon of wear linked to contact). The project focuses on the prediction, using Stress Intensity Factors (SIF), of crack paths in simple fretting and fretting-fatigue. When it comes to the state of compressive stress, the usual method consisting of calculating the FIC using Rice's J integral turns out to be erroneous because it depends on the contour. We thus propose to provide an answer to the calculation of the FIC in mode II (in-plane shear mode) when the lips of the crack are in contact. To answer these questions, experimental and numerical studies were carried out in parallel. The approach is broken down into several chapters which follow one another as follows. Firstly, we endeavor to explain fretting, fatigue, all the parameters which control the cracking of metals and to carry out a review of the existing literature in these respective fields. The second part introduces and presents the materials and test benches governing the experimental campaigns. The antepenultimate part begins the heart of the problem with the description of the digital tool Crackbox, developed to support this work, its hypotheses and its operation before validation is made on the basis of reference analytical models. The penultimate part focuses on the propagation of cracks once initiation is guaranteed. This part also covers stopping cracking under the prism of temperature. Finally, all these elements will be concatenated to determine the best tool for predicting cracks in simple fretting, a problem that is relatively little addressed but whose mastery is necessary in order to then be able to study the prediction of cracking paths under coupled constraints of fretting and of fatigue.
De nombreux critères de fatigue ont été proposés avec succès dans le but de prédire les chemins et la propagation de fissures sous des chargements uniaxiaux et multiaxiaux. Cependant, quand la fatigue est couplée au fretting, ces critères tendent à négliger les aspects de fortes compressions inhérents au fretting, rendant donc les prédictions inadéquates. Les travaux présentés tout au long de ce manuscrit ont donc pour objectif de proposer une méthode de prédiction de chemin de fissuration à la fois simple à mettre en place tout en étant robuste pour des chargements couplés de fretting et de fatigue. Le fretting est défini comme une problématique de contact impliquant des faibles déplacements latéraux d’un ordre de grandeur de ±100 µm. En plus d’induire des contraintes multiaxiales non proportionnelles ainsi que de forts gradients de contraintes, un chargement de fretting se caractérise par un état de contraintes compressives élevé, résultant de la charge normale quasi statique (pression de contact). Ces travaux s’orientent sur la description du classique contact cylindre / plan au travers de différentes couples matériaux pour divers chargements (fretting simple ou fretting fatigue) pour des conditions de glissement partiel (i.e. en évitant le phénomène d’usure liée au contact).Le projet se focalise sur la prédiction, par l’intermédiaire des Facteurs d’Intensité de Contraintes (FIC) des chemins de fissures en fretting simple et en fretting-fatigue. Quand il s’agit d’état de contraintes en compression, la méthode usuelle consistant à calculer les FIC par l’intermédiaire de l’intégrale J de Rice s’avère erronée car dépendante du contour. On se propose ainsi d’apporter une réponse au calcul du FIC en mode II (mode de cisaillement dans le plan) lorsque les lèvres de la fissure sont en contact. Pour répondre à ces questions, des études expérimentales et numériques ont été menées en parallèle. La démarche se décompose en plusieurs chapitres qui se succèdent de la façon suivante. En premier lieu, on s’attache à expliciter le fretting, la fatigue, l’ensemble des paramètres qui pilotent la fissuration des métaux et de réaliser une revue de la littérature existante dans ces domaines respectifs. La deuxième partie permet d’introduire et de présenter les matériaux et les bancs d’essais régissant les campagnes expérimentales. L’antépénultième partie entame le cœur de la problématique avec la description de l’outil numérique Crackbox, développé pour venir en aide à ces travaux, ses hypothèses et son fonctionnement avant qu’une validation soit faite sur la base de modèles analytiques de référence. L’avant dernière partie s’intéresse quant à elle à la propagation des fissures une fois l’amorçage garanti. Cette partie traite également de l’arrêt de la fissuration sous le prisme de la température. Enfin, tous ces éléments seront concaténés pour déterminer le meilleur outil de prédiction de fissures en fretting simple, problématique assez peu traitée mais dont la maîtrise est nécessaire dans le but de pouvoir ensuite étudier la prédiction des chemins de fissuration sous des contraintes couplées de fretting et de fatigue.
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Dates et versions

tel-04156084 , version 2 (07-07-2023)
tel-04156084 , version 1 (26-11-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04156084 , version 1

Lien texte intégral

Citer

Julien Ferniot. Prédiction numérique du comportement des fissures sous chargements combinés de fretting et fatigue. Sciences de l'ingénieur [physics]. Ecole Centrale de Lyon, 2023. Français. ⟨NNT : 2023ECDL0003⟩. ⟨tel-04156084v1⟩
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