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UNIVERSITE D’ANGERS Année 2005 N° 669 ESTIMATION DES LOIS DE FIABILITE EN MECAN

UNIVERSITE D’ANGERS Année 2005 N° 669 ESTIMATION DES LOIS DE FIABILITE EN MECANIQUE PAR LES ESSAIS ACCELERES Thèse de Doctorat Spécialité : Sciences pour l’ingénieur ECOLE DOCTORALE D’ANGERS Présentée et soutenue publiquement Le 09 mars 2005 A l’Institut des Sciences et Techniques de l’Ingénieur d’Angers Par Mme Ouahiba TEBBI Devant le jury ci-dessous : Abdelkhalak EL HAMI Rapporteur Professeur à l’INSA de Rouen Olivier GAUDOIN Rapporteur Professeur à l’INP de Grenoble Yves DUTUIT Examinateur Professeur à l’Université Bordeaux I Bernard DUMON Examinateur Professeur à l’Université d’Angers Fabrice GUERIN Examinateur Maître de Conférences à l’Université d’Angers (HDR) Pierre DARFEUIL Invité Turbo Méca -TARBES Directeur de thèse : Bernard DUMON Co-encadrant : Fabrice GUERIN Laboratoire : Laboratoire en Sûreté de Fonctionnement, Qualité et Organisation (UPRES EA 3858) 62, avenue Notre Dame du Lac F-49000 ANGERS Tél. 02-41-22-65-00 ED 363 tel-00009407, version 1 - 7 Jun 2005 2 Remerciements Il m’a été très difficile d’écrire cette page par souci d'oublier les nombreuses personnes qu'il me faut citer pour leur aide, leur accueil, leur soutien... ! Qu'elles soient toutes assurées de ma plus profonde reconnaissance même si leur nom n’y figure pas ! Je teins à exprimer mes plus vifs remerciements à monsieur Bernard DUMON qui fut pour moi un directeur de thèse attentif et disponible malgré ses responsabilités nombreuses. Je lui suis très reconnaissante pour la liberté qu'il a bien voulu me laisser. Sa compétence, sa clairvoyance, son humanisme, m’ont beaucoup appris. Je suis extrêmement reconnaissante à monsieur Fabrice GUERIN mon co- encadreur, pour l’aide qu’il m’a fournie à mes débuts dans la recherche (en particuliers en mécanique) et pour ses avis toujours éclairés, pour sa grande disponibilité ainsi que son dynamisme et son ouverture d’esprit. J’ai beaucoup appris à son contact. Mille mercis à vous deux , Bernard et Fabrice, pour la confiance que vous m’avez témoignée tout au long de ces années de thèse. Je vous remercie pour votre contribution au développement et à la présentation de ce mémoire et surtout pour votre soutien continu. Vous m’avez offert une ouverture vers d’autre domaine que les statistiques, ouverture que j’ai beaucoup appréciées. Je remercie monsieur le Abdelkhalak EL HAMI, professeur à l’INSA de Rouen, pour l'intérêt qu'il a manifesté pour mon travail, pour ses questions constructives et ses précieux conseils. Je le remercie d’avoir accepté de juger ce travail en tant que rapporteur et président de jury. Je remercie monsieur Olivier GAUDOIN, professeur à l’INP de Grenoble, pour l’attention qu’il a accordée à mon travail, pour le temps qu’il a bien voulu consacrer à ce mémoire, sa lecture attentive, entre autres, du manuscrit et enfin pour ses questions et remarques constructives et intéressantes. Ses commentaires ainsi que ses recommandations m’ont été d’une grande importance dans l’amélioration de la qualité de ce manuscrit. tel-00009407, version 1 - 7 Jun 2005 3 Je remercie Monsieur Yves DUTUIT, professeur à l’université Bordeaux 1, pour l’intérêt qu’il a porté à mon travail et ses encouragements. Je lui suis reconnaissante d'avoir accepté d'être examinateur de ce travail. Je remercie Monsieur Pierre DARFEUIL, Ingénieur à Turbo Méca, pour son point de vue industriel très encourageant. Je le remercie d’avoir accepter notre invitation. Je remercie chacun des membres du département Qualité & Sûreté de Fonctionnement pour leur disponibilité et leur soutien. Je remercie tout particulièrement Abdelsamad KOBI et Rida HAMBLI pour leur aide et leur soutien surtout à la préparation de la soutenance. La réalisation de certains essais de fatigue n'aurait pas été rapide sans l'aide précieuse de mes deux camarades thésards Pascal LANTIENI et Daniel LEPADATU. Je leur souhaite ainsi que mes autres camarades thésards tout le courage pour finir leur thèse. Merci à mes amis pour l’affectueuse amitié dont ils ont toujours fait preuve. Je pense particulièrement à mes amis : Théodore et sa femme Anita, Hamida et son mari Marc, Smahane, Yasmina, Zohra, Fayçal (bon courage pour la dernière ligne de ta thèse) et enfin Haouari(toutes mes félicitations pour ton doctorat) . Un merci tout particulier à mon cher époux Essaïd pour sa confiance, son soutien et son amour. Je pense aussi à mon petit poussin Lokmann, sa naissance a rempli ma vie de joie et de bonheur et a créé en moi de nouveaux sentiments très agréables (c’est la maternité). Enfin j’adresse toute mon affection à mes très chers parents, mes frères et sœurs. Malgré mon éloignement depuis de nombreuses années, leur amour, leur soutien, leur confiance me portent et guident tous les jours. tel-00009407, version 1 - 7 Jun 2005 4 Résumé Le premier objectif fixé en début de ma thèse est de bien comprendre le contexte industriel et théorique de la fiabilité mécanique ainsi que les méthodes employées, afin de prouver l’efficacité de la méthodologie adoptée. Nous présentons en détails les caractéristiques des systèmes mécaniques ayant un effet direct sur l’évaluation de leur fiabilité. Après, nous passons en revue les principales méthodes d’évaluation de la fiabilité mécanique. Deux types de méthodes d’évaluation de la fiabilité sont présentés, la démarche traditionnelle et la méthode probabiliste, avec quelques commentaires sur leurs limites d’utilisation. Ensuite, nous présentons essentiellement les méthodes d’estimation de la fiabilité par les essais dans le cycle de développement d'un produit. Différentes catégories d’essais interviennent dans les études conceptuelles, les programmes de développement et les processus de fabrication. Nous montrons que les essais accélérés sont les plus courts avec un avantage certain économiquement. La dernière partie, est consacrée à l’étude des méthodes d’essais accélérés et leurs applications en mécanique. En particulier, nous considérons l'application des modèles standards de vie accélérée (SVA) à des composants soumis au dommage par fatigue, en menant des analyses théoriques, par simulation et expérimentales. Pour cela, nous avons développé un modèle d'essai de fatigue à partir des modèles d’endommagement par fatigue, ce modèle a été validé par des outils de simulation. Ensuite nous avons appliqué les modèles SVA selon deux types de plans d'expériences, un plan d’essai par régression et un deuxième avec endommagement préalable accéléré. Des approches paramétrique, semi-paramétrique et non paramétrique sont utilisées pour estimer les paramètres des modèles en question. Cette étude a permis d’estimer la fiabilité des systèmes soumis à des dégradations mécaniques, dans les conditions normales d’utilisation et pour la première fois de démontrer l’applicabilité des modèles SVA avec des données réelles des plans d’expériences dans le domaine de la mécanique. Mots clés: Basquin, Dommage par Fatigue, Essais de fiabilité, Estimation, Fiabilité, Miner, Modèle Standard de vie accélérée, Plan d’expériences, Tests de vie accélérée. tel-00009407, version 1 - 7 Jun 2005 5 Abstract The beginning of my thesis aims at understanding industrial and theoretical context of the mechanical reliability as well as the methods used, in order to demonstrate the efficiency of the adopted methodology. For that, we analysed the mechanical systems characteristics, which have a direct effect on the evaluation of their reliability and we also review the main methods of evaluation of the mechanical reliability including comments on their limits of use. Then, we present specifically the methods of estimating reliability by designing tests during the lifetime of product. Various techniques of tests are useful in the conceptual studies, the programs of development and the manufacturing processes. We show that the accelerated life testing has an unquestionable advantage economically. The last part presents basic concept of mathematical models for accelerated Life tests and their application to mechanical product. In particular, we consider the application of the Standard Accelerated Life Testing Models (SALT) to components subjected to fatigue damage, by leading theoretical analyses, by simulation and experimental. For that, a model of simulation of fatigue data is built using a damage model and validated by simulation. To apply the SALT models, we consider tow designs of experiments, the first plan by regression and the second one with previously accelerated damage. To estimate unknown parameters of the models, we use parametric, semi-parametric and non-parametric approaches. This study allowed predicting reliability of mechanical systems, subjected to more severe environment, under normal operating conditions and for the first time to demonstrate the use of SALT models in one mechanical problem, with analytical and real failure data. Key words: Accelerated Life Testing, Basquin, Design of experiments, Estimation, Fatigue damage, Miner, Reliability, Reliability Testing, Standard accelerated life model. tel-00009407, version 1 - 7 Jun 2005 6 Table des matières 1 Introduction générale .............................................................................................14 2 Concepts généraux de la fiabilité mécanique et Problématique ...........................20 2.1 Objectifs et intérêts de la fiabilité en mécanique................................................20 2.2 Principales caractéristiques probabilistes de la fiabilité......................................20 2.2.1 Fonction fiabilité ou fonction de survie.....................................................20 2.2.2 Taux de défaillance instantané..................................................................22 2.2.3 Temps moyen de bon fonctionnement.......................................................22 2.2.4 Principales lois de probabilité utilisées en fiabilité....................................23 2.2.4.1 La loi exponentielle..................................................................23 2.2.4.2 La loi normale (Laplace-Gauss)..............................................24 2.2.4.3 La loi Log-normale (ou de Galton) .........................................25 2.2.4.4 La loi de Weibull......................................................................25 2.2.4.5 La loi Gamma..........................................................................26 2.2.4.6 La loi uniforme .......................................................................27 2.2.4.7 La loi du Khi-deux ...................................................................27 2.2.4.8 La loi de Birnbaum-Saunders...................................................27 2.3 Spécificité de la fiabilité en mécanique..............................................................28 2.3.1 Les différentes phases du cycle de vie d’un produit ..................................28 2.3.1.1 Taux de défaillance pour des composants électroniques...........29 2.3.1.2 Taux de défaillance pour uploads/Geographie/ tel-00009407.pdf