Bibliographie & annexes
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En anglais
RÉSUMÉ
La prévision des durées de vie de composants mécaniques soumis à un chargement cyclique est l’objectif de tout ingénieur numéricien. Quel que soit le domaine d’application, la complexité de cet exercice réside dans la prise en compte de plusieurs paramètres, tels que les propriétés des matériaux, les procédés de fabrication, les contraintes résiduelles associées et la dispersion des conditions opératoires. Dans cet article, l’impact de plusieurs paramètres sur la fatigue à faible et à grand nombre de cycles est étudié. L’exemple du développement récent d'une nouvelle famille de moteurs à combustion interne a été considéré pour illustrer et quantifier cet impact.
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Predicting the lifetime of mechanical components subjected to cyclic loading is the goal of a simulation engineer. Whatever the field of application, the complexity of this exercise lies in the consideration of several parameters such as material properties, manufacturing processes and associated residual stresses, dispersion of the operating conditions. In this article, the impact of several parameters on low and high cycle fatigues is studied. An example from a recent development of a new internal combustion engines family has been considered to illustrate and quantify this impact.
Auteur(s)
-
Béchir MOKDAD : Ingénieur de l’École Nationale d’Ingénieurs de Tunis (ENIT), Tunisie - Docteur en Mécanique, Énergétique et Ingénieries de l’Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG), France - Chef de Département Validation Moteurs – Liebherr-Components Colmar SAS, France
INTRODUCTION
Pour répondre aux défis de l’industrie du futur, le dimensionnement des composants mécaniques soumis à des sollicitations cycliques et multiples passe impérativement par une bonne connaissance et une maîtrise de tous les modes de défaillances, ainsi que des mécanismes associés. Les mécanismes de chargement et leurs combinaisons (thermiques, mécaniques, en phase, en contre phase), les propriétés des matériaux et les procédés de fabrication (contraintes résiduelles, porosités) constituent quelques exemples. Afin de pallier la complexité de la prise en compte de tels phénomènes, le dimensionnement de ces composants reposait sur des marges de sécurité confortables.
Avec le progrès des outils de simulation et des techniques d’essai des dernières décennies, l’optimisation de la conception et des performances des pièces mécaniques représente une forte demande du marché. Le développement des moteurs à combustion interne, avec une réduction significative du nombre d’itérations pour fiabiliser ses différents composants, représente un exemple concret de l’apport de la simulation numérique. Des composants comme la culasse ou le piston nécessitent plusieurs itérations d’essais avant que l’on obtienne un fonctionnement optimal.
En raison de la tendance à l’augmentation des sollicitations issues des conditions opératoires, entre autres considérations, le mécanisme de fatigue est aujourd’hui considéré comme le principal mode de défaillance. La complexité des mécanismes de fatigue a encouragé les industriels à utiliser des méthodologies de simulation modernes dès les premières phases du développement.
Pour l’ensemble de cet article, un exemple de développement récent d’une nouvelle famille de moteurs à combustion interne, et particulièrement sa culasse, a été utilisé.
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MOTS-CLÉS
contraintes résiduelles Diagramme de Wöhler Fatigue à faible nombre de cycles Fatigue à grand nombre de cycles Fatigue à très grand nombre de cycles Fatigue thermomécanique Déformation plastique
KEYWORDS
residual stresses | Wöhler diagram | Low cycle fatigue | High cycle fatigue | Very high cycle fatigue | Thermomechanical fatigue | Plastic strain
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Fatigue des matériaux
Selon la nature des conditions de fonctionnement, les fissures de fatigue peuvent être classées en deux mécanismes : la fatigue thermomécanique (en anglais Thermo-Mechanical Fatigue) et la fatigue à grand nombre de cycles (en anglais High Cycle Fatigue). Le dimensionnement d’une pièce pour une sollicitation en fatigue se fait à partir des courbes de Wöhler ou courbe S-N (Stress (Contrainte) – Number of cycles). Ces courbes sont définies pour chaque type de matériau.
Les essais permettant de les tracer sont réalisés, par exemple, en flexion rotative : une éprouvette cylindrique d’un matériau donné est mise en rotation autour de son axe de révolution, et est soumise à une contrainte (σ a). Chaque éprouvette est sollicitée de façon cyclique jusqu’à la rupture, et on note N R le nombre de cycles nécessaire pour atteindre cette rupture.
À chaque éprouvette testée correspond donc un point du plan (σ a, N R). À partir d’un certain nombre d’essais à amplitude de contrainte décroissante, on peut faire passer une courbe par les différents points du graphe (figure 1). Trois zones sont délimitées en fonction du nombre de cycles d’oscillation N et trois pentes identifiées :
-
fatigue à faible nombre de cycles : jusqu’à 104 cycles, avec une première pente K, appelée pente à faible nombre de cycles ;
-
fatigue à grand nombre de cycles : jusqu’à 106 cycles environ, avec une deuxième pente K*, appelée pente à grand nombre de cycles ;
-
fatigue à très grand nombre de cycles : au-delà de 106 cycles environ, avec une troisième pente K**, appelée pente à très grand nombre de cycles.
1.1 Fatigue...
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Fatigue des matériaux
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WÖHLER (A.) - Versuche zur Ermittlung der auf die Eisenbahnwagenachsen einwirkenden Kräfte und die Widerstandsfähigkeit der Wagen-Achsen. - Zeitschrift für Bauwesen, X, p. 583-616 (1860).
-
(2) - NICHOLAS (T.) - High cycle fatigue – A mechanics of materials perspective. - Elsevier Science, USA (2006).
-
(3) - SONSINO (C.M.) - Course of SN-curves especially in the high-cycle fatigue regime with regard to component design and safety. - International Journal of Fatigue, 29(12), p. 2246-2258 (2007).
-
(4) - PYTTEL (B.), SCHWERDT (D.), BERGER, (C.) - Very High Cycle Fatigue - Is there a Fatigue Limit ? - International Journal of Fatigue, 33(1), p. 49-58 (2011).
-
(5) - XUE (H. Q.), BAYRAKTAR (E.), BATHIAS (C.) - Damage mechanism of a nodular cast iron under the very high cycle fatigue regime. - Journal of Materials Processing Technology, 202(1-3), p. 216-223 (2008).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Aachen Colloquium on Automobile and Engine Technology http://www.aachener-kolloquium.de/en/
Torsional Vibration Symposium http://torsional-vibration-symposium.com/
Congrès CIMAC https://www.cimaccongress.com/
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ISO 8062-3 (2023), Spécification géométrique des produits (GPS) – Tolérances dimensionnelles et géométriques des pièces moulées – Partie 3 : Tolérances dimensionnelles et géométriques générales et surépaisseurs d’usinage pour les pièces moulées utilisant des tolérances ± pour les dimensions indiquées, seconde édition
ISO DIN EN 1561 (2011), Fonderie – Fontes à graphite lamellaire
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