1 Caractérisation de la propagation de fissure pour l’AS7U05G03 sous un chargem

1 Caractérisation de la propagation de fissure pour l’AS7U05G03 sous un chargement thermomécanique de fatigue Elias MERHY 1,* 01/10/2012 Elias MERHY 1PSA Peugeot Citroën, Route de Gisy, 78943 Vélizy-Villacoublay Cedex, France *elias.merhy@mpsa.com Application au dimensionnement de structures automobiles en alliage d’aluminium Al-Si 01/10/2012 2 Fissuration des culasses des moteurs HDI Conduit d’admission Conduit d’échappement Face flamme Chambre de combustion Circuit de refroidissement Pontet inter soupapes Admission / échappement Chargement mécanique : cycles de pression d’explosion Chargement thermique : cycles démarrage / arrêt du moteur fissuration du pontet inter soupapes Problématique industrielle Elias MERHY - 01/10/2012 3 Chargement thermomécanique des culasses des moteurs HDI À froid : pontet sollicité en traction (frettage des sièges) À chaud : pontet sollicité en compression (gradient thermique) Cyclage thermique Problématique industrielle (cycles démarrage/arrêt) fatigue thermomécanique (anisotherme) Elias MERHY - 01/10/2012 4 Problématique industrielle - Fissuration pontet inter soupapes (Echappement - Admission). - Amorçage face flamme coté conduit échappement. Essais type choc thermique sur banc chalumeau culasse (PSA) Propagation quasiment plane Jusqu’à présent, PSA utilise l’approche de dimensionnement à l’amorçage de la fissure Pour un dimensionnement optimal il faut prendre en compte la propagation de la fissure Npropagation ~ Namorçage Face flamme Fond du noyau d’eau Elias MERHY - 01/10/2012 5 Gains escomptés : - Gammes de validation des composants moins sévères - Gain potentiel en kW sur moteur - Gain potentiel en coût de développement/fabrication culasse Simulation EF (sur la structure) : Trajet de chargement, Champs mécaniques, … Essais à différents : Amplitude de charge, Rapport de charge, température et fréquence Objectifs : Méthode de dimensionnement basée sur la tolérance à l’endommagement ; Loi de propagation sous chargement anisotherme Elias MERHY - 01/10/2012 6 Plan 1 – Problématique industrielle 2 – Analyse numérique des champs thermomécaniques dans la culasse 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure 4 – Loi de propagation proposée 5 – Conclusions Elias MERHY - 01/10/2012 7 Plan 1 – Problématique industrielle 2 – Analyse numérique des champs thermomécaniques dans la culasse 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure 4 – Loi de propagation proposée 5 – Conclusions Elias MERHY - 01/10/2012 8 2 – Analyse numérique des champs thermomécaniques dans la culasse Température Déformation inélastique cumulée Énergie dissipée - Modèle EF 3D du bloc cylindre : 350 000 éléments C3D10 - Loi de comportement élasto-viscoplastique à écrouissage cinématique non linéaire (EVP-ECNL) Elias MERHY - 01/10/2012 9 2 – Analyse numérique des champs thermomécaniques dans la culasse Sièges de soupapes Noyau d’eau Face flamme Plastique Élastique Noyau d’eau Face flamme 1 3 2 Noyau d’eau Face flamme plastique élastique Déformation inélastique totale Elias MERHY - 01/10/2012 10 2 – Analyse numérique des champs thermomécaniques dans la culasse 1 – Zone à comportement élastique 2 – Zone à comportement plastique Bilan de l’analyse numérique ●Vérification de la criticité du pontet inter soupape ●Chargement anisotherme à rapport de charge négatif (R < 0) ●Deux zones de comportement différent dans le pontet: Elias MERHY - 01/10/2012 11 Plan 1 – Problématique industrielle 2 – Analyse numérique des champs thermomécaniques dans la culasse 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure 4 – Loi de propagation proposée 5 – Conclusions Elias MERHY - 01/10/2012 12 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure Essais réalisés Chargement anisotherme à R<0 (T varie, effet compression) Matériau élasto-viscoplastique (effet du temps/fréquence) Caractérisation générale de La propagation de la fissure 46 essais de fissuration (isothermes et anisothermes) T varie : 20°C, 100°C, 150°C et 170°C R varie : -1, -0.5, 0.1, 0.7 f varie : 0.005Hz, 0.05Hz, 1Hz, 20Hz Elias MERHY - 01/10/2012 13 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure Prélèvement et géométrie des éprouvettes CT16 et SEN Elias MERHY - 01/10/2012 14 Essais isothermes sur CT16 à R>0 et KK croissant (T) (R) R=0,1; f=20Hz T=20°C R=0,1; f=20Hz T=150°C T=100°C; f=20Hz R=0,1 T=100°C; f=20Hz R=0,7 Effet important de plasticité cumulée ? 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure Elias MERHY - 01/10/2012 15 KK ≈ 6 Mpa√m KK ≈ 9 Mpa√m KK ≈ 13 Mpa√m Cupules - rupture ductile Traces de fatigue Cupules - rupture ductile Traces de fatigue Cupules - rupture ductile Cupules - rupture ductile Traces de fatigue Direction de fissure Direction de fissure Matrice α-Al Essais isothermes sur CT16 à R>0 et KK croissant 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure Elias MERHY - 01/10/2012 16 Évalués par Essais isothermes sur CT16 à R>0 et KK croissant Trajet de fissuration Microstructure du matériau (rigidité α-Al, cohésion α-Al/Si et ténacité Si) Nature et amplitude du chargement (R, ∆K, …) Changement de mécanisme de fissuration Type et amplitude de l’endommagement du matériau devant la pointe de fissure Taille de la zone plastique monotone et amplitude des déformations inélastiques 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure Elias MERHY - 01/10/2012 17 Effets de fatigue + Chargement monotone + (Kmax=18) R=0,1 ∆K=12 R=0,7 ; ∆K=5.5 (Kmax=13.3) R=0,1 ∆K=8 (Kmax=9) Kmax KK Essais isothermes sur CT16 à R>0, KK constant et fréquence variable Matériau EVP Chargement industriel à basse fréquence (~ 0,005 Hz) (T) ∆K et T (Kmax, T) couplés Kmax=13,3 MPa√m Kmax=9 MPa√m (T) Basse fréquence Haute fréquence 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure Elias MERHY - 01/10/2012 18 Essais isothermes sur SEN à R<0, KK constant et fréquence variable 150 , 0,1 0,5 1 0.005 9 T C R R R f Hz K MPa m da da da dN dN dN = ° − − = = < < Comportement Traditionel : 150 , 0,1 0,5 1 0.005 13.3 T C R R R f Hz K MPa m da da da dN dN dN = ° − − = = = = 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure Elias MERHY - 01/10/2012 19 Essais isothermes sur SEN à R<0, KK constant et fréquence variable 1 2 Sous compression macroscopique : - Déformation elliptique de la matrice au niveau de l’interface α-Al/Si - Particule Si non déformé compatibilité d’interface force de réaction sur la matrice - x dislocations géométriquement nécessaires activation de systèmes de glissement additionnels 22 0 vp ε < - Champ local de contrainte résiduelle de traction 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure Elias MERHY - 01/10/2012 20 Essais isothermes sur SEN à R<0, KK constant et fréquence variable 1 cycle R<0 R<0 R<0 t t t T t t t da da da da da a dt dt dN dt dt dN dN + + + − + + + = ∆ = + = + ∫ ∫ max R <0 R=0 , , K f T da da dN dN + = max R<0 R<0 R=0 , , K f T da da da dN dN dN − = − Hypothèse: R<0 (Rel) R<0 R<0 (20Hz) da da da dN dN dN − − − = − Kmax=9 : Kmin &/ou T Kmax=13.3 : Kmin &/ou T Fréquence (Hz) da/dN - relatif (µm/cycle) 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure Elias MERHY - ( ) ( ) m ax m in , K K T f > + Parameters pilotes: 01/10/2012 21 Essais anisotherme sur SEN sous : R = -0.5, f ≈0.005Hz, Tmin(σmax) = 90°C, Tmax(σmin) = 170°C et KK croissant Kmax=9 Kmax=13.3 Kmax = 13.3 : 0.5 0.1 100 R R Non iso C da da dN dN − − ° = max R<0 R=0 , , K f T da da dN dN + = max min min aniso 0.5 0.1 0.5 0.1 T T T R R R R da da da da dN dN dN dN σ σ σ =− = =− = = + − Vérifie l’hypothèse : + - Pour les mêmes Kmax, T et f : Cal aniso basé sur essais iso 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure v v v v Elias MERHY - 01/10/2012 22 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure Bilan sur la caractérisation expérimentale de la propagation ●Mécanisme de propagation progressive et mixte (à R > 0) : Fissuration par fatigue à faible K Rupture ductile à K élevé. ●Effet notable de la fréquence sur la vitesse de propagation : - à haute fréquence : (∆K, T) - à basse fréquence : (Kmax, T) ●La partie compressive des cycles à R < 0 provoque une augmentation de la vitesse de propagation totale due à un effet de plastification locale induisant des σres > 0. ●Pour un chargement cyclique anisotherme et à R<0, la vitesse de propagation peut être déduite des vitesses sous conditions isothermes et à R>0 et R<0. ●Vitesse de propagation peut être caractérisée par   et é . Elias MERHY - 01/10/2012 23 Elias MERHY - Plan 1 – Problématique industrielle 2 – Analyse numérique des champs thermomécaniques dans la culasse 3 – Caractérisation expérimentale de la propagation de la fissure 4 – uploads/Ingenierie_Lourd/ merhy.pdf

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