Détermination numérique et expérimentale des critères d'arrêt des essais de fatigue-vibratoire

L’objectif de ce projet est de déterminer s’il est possible, en utilisant des méthodes numériques, de définir des critères d’arrêt pour des éprouvettes de fatigue-vibratoire subissant un chargement de flexion et de cisaillement pur. Les critères d’arrêt sont basés sur une diminution de la fréquence de résonance du mode testé des éprouvettes due à la propagation de fissures de fatigue. L’utilisation de modèles numériques, permettant de prévoir cette relation entre fissuration et diminution relative de la fréquence propre, a été réalisée et les résultats obtenus ont été comparés à des résultats expérimentaux. Des simulations ont été réalisées en utilisant la méthode des éléments finis et en considérant un modèle purement élastique. La valeur de la fréquence propre des éprouvettes a été déterminée par des analyses modales et les fissures ont été modélisées en utilisant la méthode de détachement des nœuds (ND) et la méthode des éléments finis étendus (XFEM). Pour les deux modes de chargements étudiés, les différents schémas d’endommagement liés à l’amorce et la propagation des fissures ont été identifiés. Une analyse paramétrique comparative a permis d’identifier l’impact de différents paramètres d’endommagement et d’identifier des schémas d’endommagement critiques. Ces derniers sont utilisés pour encadrer les prévisions de taille de fissure en fonction de la diminution relative de fréquence propre. Pour les éprouvettes de flexion, les schémas d’endommagement critiques sont liés aux positions extrémales du site d’amorce des fissures dans la zone hautement sollicitée. Pour le cisaillement pur, ce sont les différents angles de propagation et les positions des sites d’amorce qui permettent d’encadrer les prévisions. Cette méthode permet, pour une valeur de critère d’arrêt, de prévoir la valeur moyenne de taille de fissure attendue, plus ou moins les écarts liés à la variabilité des schémas d’endommagement. La méthodologie de simulation et d’analyse réalisée peut être généralisable à d’autres géométries d’éprouvettes de fatigue-vibratoire. Des essais de fatigue-vibratoire avec suivi de la fréquence de résonance et de la taille de fissure ont été réalisés. Ces derniers ont permis de déterminer expérimentalement la relation entre fissuration, diminution de la fréquence de résonance et nombre de cycles. La taille de fissure a été mesurée par le biais de prises de répliques, en arrêtant régulièrement l’essai et par l’observation de ces dernières au microscope optique. La fréquence de résonance a été mesurée par balayage fréquentiel à accélération constante. Pour les quatre essais sur des éprouvettes de flexion en Ti 6Al 4V corroyé dont la fréquence de résonance est de l’ordre de 70 Hz, l’étude s’est intéressée à des durées de vie comprises entre 5×10^4 et 7×10^4 cycles et dans ce domaine la phase de propagation de fissures longues a représenté moins de 10 % de la durée complète des essais, pouvant donc être considérée négligeable.