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HAL Id: tel-00695047 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00695047 Submitted on 7 May 2012 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Fissuration en fatigue des structures mécano-soudées soumises à un environnement mécanique complexe David Lebaillif To cite this version: David Lebaillif. Fissuration en fatigue des structures mécano-soudées soumises à un environnement mécanique complexe. Matériaux. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2006. Français. <tel-00695047> N° d’ordre : D.U. 1669 EDSPIC : 351 Université BLAISE PASCAL – Clermont II Ecole Doctorale Sciences pour l’Ingénieur de Clermont – Ferrand Thèse Présentée pour obtenir le grade de Docteur de l’Université (Spécialité : Génie Mécanique) par David LEBAILLIF Ingénieur de l’Ecole Centrale de Lille DEA de Mécanique - Université Lille 1 Fissuration en fatigue des structures mécano-soudées soumises à un environnement mécanique complexe Soutenue publiquement le 13 septembre 2006 devant le jury : M. Henri-Paul LIEURADE Président du Jury Responsable de Recherche et Développement Matériaux (CETIM) M. Ky DANG VAN Rapporteur Directeur de recherche au LMS (Polytechnique) M. Gérard DEGALLAIX Rapporteur Professeur des Universités (Ecole Centrale de Lille) Examinateurs: M. Guy PARMENTIER Chef de service au département recherche Marine (Bureau Véritas) M. Eric PETITPAS Responsable de domaine Etude Amont (GIAT Industries) M. Naman RECHO Directeur de thèse Professeur des Universités (Université Blaise Pascal, Clermont II) Mme. Xiao-Bing ZHANG Maître de conférences (Université Blaise Pascal, Clermont II) Laboratoire de Mécanique et Ingénieries LaMI - 2 - - 3 - A mon père, - 4 - - 5 - REMERCIEMENTS Cette thèse a été effectuée dans le cadre d’une convention CIFRE à GIAT-Industries, en collaboration avec le CETIM, le Bureau Veritas et le LaMI. Je tiens tout d’abord à présenter mes remerciements à Monsieur Naman Recho, mon directeur de thèse et professeur à l’université Blaise Pascal (Clermont-Ferrand) et à l’université Pierre et Marie Curie (Jussieu, Paris) pour m’avoir permis de réaliser ce travail, soutenu et conseillé tout au long de ces années de recherche, donné l’envie de franchir les épreuves afin de présenter cette thèse dans son intégralité. Je lui suis plus que reconnaissant pour la confiance qu’il m’a accordée. Je remercie également Monsieur Gérard Degallaix, Professeur à l’école Centrale de Lille, et Monsieur Ky Dang Van, directeur de recherche au LMS – Polytechnique, pour m’avoir fait l’honneur d’assumer la tâche de rapporteurs et pour l’intérêt qu’ils ont manifesté dans ce travail. Je ne saurais trop remercier Monsieur Henri-Paul Lieurade, pour m’avoir ouvert les portes de la fatigue alors que j’étais stagiaire de l’école Centrale de Lille au CETIM et pour m’avoir associé à ses réflexions et recommandations, en particulier sur la qualité des joints soudés. J’ai bénéficié tout au long de ces travaux de ses qualités humaines et scientifiques et je tiens à lui exprimer particulièrement ma reconnaissance d’avoir accepté d’être le président du Jury. Mes remerciements vont également à Monsieur Eric Petitpas, à l’époque responsable du service Modélisation de Giat-Industries à Bourges, pour ses conseils et ses échanges tout au long de ces travaux et je lui exprime ma gratitude pour la confiance qu’il m’a accordée dans la poursuite de la démarche qu’il a initiée à Giat-Industries. Je tiens à exprimer ma sincère gratitude à Madame Michelle Serror, ingénieur au Bureau Veritas, pour le travail qu’elle a effectué afin de développer l’outil VERICRACK, et ce, malgré les épreuves. Je remercie également Mademoiselle Isabel Huther, Ingénieur au CETIM, pour sa participation aux réflexions et pour la réalisation des essais sur la maquette dont la fabrication a été menée de main de maître par Robert Périnet, ingénieur soudeur à Giat-industries. Parmi les acteurs de notre collaboration, je remercie également Monsieur Guy Parmentier et Monsieur Michel Huther du Bureau Veritas pour avoir grandement participé à la compréhension des phénomènes et leur modélisation dans un code de calcul. Il y a bien sûr mes collègues du LERMES de Montluçon, à savoir Philippe Darcis, Xiao Bing Zhang, Shixiang Ma et Jia Li que je tiens à remercier pour la participation aux réflexions menées sur les phénomènes de fermeture des fissures, pour leur soutien et pour avoir grandement contribué aux articles réalisés dans le cadre de ce travail. Un grand merci à mes ex-stagiaires, Hervé, Sébastien et Ludovic, pour leur contribution, leur sérieux et leur sympathie. Une mention spéciale pour mes collègues de Giat-Industries : Ludovic, Xavier, Maryline, Laurent, Paul-Olivier, Laëtitia, Bruno, Olivier, Pascal … Il m’est impossible de citer tout le monde mais je tiens à les remercier pour leur participation aux travaux et pour leurs encouragements. Enfin une pensée pour ma mère, ma sœur, mon amie, mes amis, qui m’ont supporté le temps de ces travaux et m’ont apporté leur soutien constant. - 6 - RESUME L’analyse en fatigue dans les structures mécano-soudées industrielles conduit à évaluer la durée de vie d’une structure avant rupture brutale. Ces structures, telles les navires, les véhicules blindés ou les voitures sont soumises à des chargements d’amplitude variable, parfois aléatoires (houle, roulage). Le but des analyses en fatigue est aussi de définir le suivi en service des structures et de prévoir la réparation des défauts. Dans ce travail, la démarche d’analyse est basée sur une approche multi-échelle avec l’utilisation de la méthode des éléments finis pour réaliser une carte du dommage avant de s’intéresser localement à l’amorçage de fissures. L’amorçage est déterminé par approche locale, à partir des caractéristiques locales des cordons de soudure. Sur ce même principe, le multi-amorçage permet de considérer la naissance de fissures multiples en pied de cordon. La propagation en pleine tôle est réalisée au moyen des éléments « Line Spring », introduits par Rice et Levy, dans le cas de fissures semi- elliptiques, et la propagation des fissures traversantes dans l’épaisseur de la tôle est réalisée grâce au développement de Boîtes A Fissures. De plus, une Boîte A Fissure a été introduite dans le code Abaqus de manière à simuler la propagation de défauts en minimisant le remaillage, dans des matériaux au comportement élastique ou élasto-plastique (cas 2D et coques). Cette technique a aussi été utilisée dans l’étude du phénomène de retard lors de l’application de surcharges. Cette approche est finalement comparée à la méthode des « Bandes Plastifiées » (type Dugdale). Tous ces développements ont permis de créer un outil, VERICRACK, permettant de traiter, sans remaillage, de l’amorçage d’une fissure jusqu’à la ruine. Appliqué au cas d’une structure mécano- soudée, il donne des résultats encourageants et met en avant l’importance de la qualité de soudage. Enfin, d’autres exemples industriels montrent l’intérêt de l’utilisation de cette méthodologie. Mots-clés Amorçage de Fissures de Fatigue, Propagation de Fissures, Boîtes A Fissures, Structures Soudées, Qualité de Soudure, Ouverture des Fissures, Surcharge, Maillage Automatique, Mode Mixte, Chargement Variable et Monotone. - 7 - ABSTRACT The aim of a fatigue analysis on welded complex structures is to evaluate the lifetime to initiate a crack and to propagate it, until the failure of the structure occurs. Those structures as ships, FPSO, armoured vehicles, cars, are submitted to variable amplitude loads, sometimes random, as the wave loads. The results of such a calculation is to help operators to take decisions for inspection, repair and maintenance process. In this study, we present a multi-scale approach, based on the use of finite elements from the global cartography of the damaged zones to the local calculation with cracks inserted in the models. Crack initiation is based on the local approach, taking into account the residual stress fields, notch and plastic corrections. Multi-initiation of fatigue cracks is considered as damage is accumulated during simulation. The crack propagation is performed using the Line Spring model introduced by Rice and Levy to take into account the flexibility due to cracks. Crack Box Technique allows to precisely calculate the stress intensity factors for various loads. Furthermore, a numerical automatic Crack Box Technique (CBT) is developed to perform fine fracture mechanics calculations in various structures (2D, shells) with minimum remeshing, for elastic and elastic-plastic materials. This technique is also used to study crack growth delay following an overload and compared with a 2D-modeling based on the Strip-Yield method. All these developments were included in the software VERICRACK which is efficient and easy to carry out to assess crack initiation until failure. This approach is then applied to an overall aluminium welded structure experiment, designed to allow several cracks to initiate and propagate. The results are in good agreement with calculations and point out the quality of welds for fatigue design. Some other examples show the use of this methodology in industrial structures. Keywords : Fatigue Crack Initiation, Crack Growth, Crack Box, Welded Structures, Weld Bead Quality, Crack Opening, Overload, Automatic Remeshing, Mixed-Mode Fracture, Monotonic and Variable loading. - 8 - NOTATIONS Majuscules latines C uploads/Litterature/ 2006clf21669-pdf.pdf