Bibliographie & annexes
Présentation
Auteur(s)
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Raed KOUTA : Docteur en mécanique - Maître de conférences, université Technologique de Belfort-Montbéliard
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Daniel PLAY : Ingénieur, Docteur, professeur d'université à l'institut national des Sciences appliquées de Lyon
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le calcul prévisionnel de la durée de vie d'un système, ou d'un composant, mécanique, fonctionnant dans des conditions réelles d'usage, s'effectue à partir de l'état de fatigue des matériaux constitutifs des composants étudiés.
La fatigue des matériaux se manifeste chaque fois que les efforts et les sollicitations varient au cours du temps. Ces sollicitations aléatoires prennent des allures très variées (consulter [BM 5 030] et [BM 5 031]). La rupture peut ainsi apparaître avec des contraintes relativement faibles, quelquefois inférieures à une limite conventionnelle appelée « limite d'endurance » SD .
La fatigue des matériaux est abordée de deux façons.
La première repose sur une approche globale où le matériau est considéré comme un milieu homogène à une échelle macroscopique. Les caractéristiques mécaniques du matériau sont présentés par les courbes de fatigue, dont la plus connue est la « courbe de Wöhler ». Les points critiques des composants sont définis par les points de sollicitations les plus dommageables, et les calculs de durée de vie sont faits en ces points.
La seconde façon d'aborder la fatigue des matériaux repose sur une approche locale où sont considérés des défauts caractéristiques potentiels du matériau (fissures). Dans ces zones, les sollicitations conduisent à la définition d'une vitesse de fissuration, et la rupture est obtenue lorsqu'une longueur limite de fissure est atteinte.
Ces deux façons d'aborder le calcul de la durée de vie en fatigue des systèmes, ou des composants mécaniques utilisent les mêmes distributions de charges aléatoires.
La présentation de ce dossier sera cependant limitée à l'approche globale, car cette façon d'aborder la résistance des matériaux est très largement répandue et repose sur une large compétence dans l'industrie. Un gain significatif de la qualité des prévisions est alors attendu avec la prise en compte des sollicitations aléatoires. Signalons toutefois que la seconde approche n'est pas exclue et que tous les développements présentés ici peuvent être extrapolés.
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Conclusion5. Organisation d'essais de validation
Les différentes modélisations présentées pour évaluer l'endommagement et la durée de vie, dans des conditions réelles d'usage, s'appuient sur divers types d'analyse des sollicitations mesurées sur un système ou un composant mécanique. Ces modélisations permettent aussi de définir des environnements d'essais qui doivent provoquer des conséquences semblables à celles observables dans les conditions réelles d'usage.
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Les moyens expérimentaux se perfectionnent de plus en plus pour pouvoir reproduire en laboratoire des sollicitations enregistrées dans les conditions réelles d'usage. Ces types d'essais sont conçus pour valider des modèles de calcul mécanique et n'ont pas pour objectif d'étayer la durée de vie estimée par les modèles présentés précédemment. Une telle validation demanderait beaucoup trop de temps. En effet, l'impératif de réduire de plus en plus la période de validation d'un produit impose de faire, autant que cela est possible, des essais de durée de plus en plus courte et avec un niveau de sollicitation plus sévère que celui observé dans les conditions réelles d'usage. Naturellement, ces essais sévères doivent faire apparaître des conséquences équivalentes à celles observées dans les conditions réelles d'usage.
L'endommagement représente un des indicateurs d'équivalence.
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La figure 11 illustre le principe de l'endommagement équivalent. Dans le cas des sollicitations alternées et avec un matériau dont on connaît la courbe de résistance à la fatigue (courbe de Wöhler), la durée de vie limite s'exprime en fonction de la contrainte alternée de la sollicitation. Si on fait l'hypothèse que les conditions réelles d'usage se résument en n réel répétitions d'une sollicitation sinusoïdale (avec S a ≥ S réel) dont N réel est la durée de vie limite dans ces mêmes conditions d'usage (n réel < N réel). Dans ce cas (d'après Miner), le dommage dans les conditions réelles d'usage est :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LIEURADE (H.-P.) - Estimation des caractéristiques de résistance et d'endurance en fatigue – La fatigue des matériaux et des structures. - Collection université de Compiègne, Éditeurs scientifiques : Bathias, C., Bailon, J. P., Les presses de l'université de Montréal (1980).
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(2) - FATEMI (A.), YANG (L.) - Cumulative fatigue damage and life prediction theories : a survey of the state of the art for homogeneous materials. - Int J Fatigue, 20(1), p. 9-34 (1998).
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(3) - LELUAN (A.) - Méthodes d'essais de fatigue et modèles d'endommagement pour les structures de véhicules ferroviaires. - Revue générale des chemins de fer, Gauthier-Villars éditions, p. 21-27, déc. 1992.
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(4) - BROZZETTI (J.), CHABROLIN (B.) - Méthodes de comptage des charges de fatigue. - Revue Construction Métallique, no 1 (1986).
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(5) - LALANNE (C.) - Vibrations et chocs mécaniques – tome 4 : Dommage par fatigue. - HERMES Science Publications, Paris (1999).
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