Etude expérimentale et modélisation de l'endommagement du contact aube-disque de soufflante soumis à des chargements de fretting fatigue PDF Download
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Author: Jean Meriaux
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Languages : fr
Pages : 206
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Book Description
L’optimisation du dimensionnement des structures passe par une meilleure connaissance de leur mode d’endommagement. Cette étude se focalise donc sur la caractérisation de l’endommagement du contact aube/disque des moteurs aéronautique. Cet assemblage mécanique est soumis a une combinaison d’un effort normal (force centrifuge) et tangentiel (dynamique de l’aube). La portée du disque en Ti-6Al-4V subi donc un chargement complexe de type fretting fatigue. Ce type de sollicitation entraine, entre autre dégradation, de la fissuration dont la modélisation expérimentale et numérique est rendue difficile par les limitations des moyens et des connaissances actuelles. Le premier objectif de ce travail de thèse est de développer un moyen d’essai et une instrumentation associée afin d’étudier de façon qualitative et quantitative la fissuration d’un contact Ti-6Al-4V/Ti-6Al-4V. Le second but est d’utiliser les données issues de ce moyen expérimental afin de proposer un modèle de prédiction des durées de vie de cet assemblage. Un montage inédit de fretting fatigue double vérin mono-contact a été mis en place avec une instrumentation nouvelle pour ce type d’essai : suivi de fissuration par suivi de potentiel et par émission acoustique. Une attention particulière a été apportée aux calibrations et aux méthodologies expérimentales. Ce banc d’essai permet notamment de simuler des efforts de fretting applique en phase ou alors de telle manière a simuler un vrai cycle de vol. Cet outil a permis de décrire quantitativement les premières courbes de Wohler en fretting à amorçage (Effort de fretting vs Nombre de cycles à amorçage) pour deux configurations de contact (cylindre/plan et plan/plan). Les impacts des différents paramètres de fretting sur l’amorcage ont pu être quantifies. Les paramètres influant sont : la configuration du contact, les niveaux des efforts appliques et leur mode de combinaison (cycles en phase ou cycles de type vol). De plus des courbes de cinétique de propagation des fissures ont pu être extraites des différents essais, montrant un fort impact du fretting sur les vitesses de propagation des fissures. Une analyse qualitative via l’émission acoustique a montré un mécanisme d’amorçage et de propagation en 3 étapes suivant la perte d’influence du contact. Un modèle de prédiction de l’amorçage et de simulation de la propagation des fissures a été mis en place. Bien que limite dans la prise en compte des effets gradients (approches non locales), ce modèle se montre très performant surtout dans sa capacité à utiliser les données expérimentales dans l’identification des lois d’amorçage ou de propagation. Ce travail a donc permis d’importantes avancées dans la compréhension des mécanismes de fissuration et dans leur modélisation ouvrant ainsi la porte vers une prédiction fiable de l’endommagement des contacts aube/disque.
Author: Jean Meriaux
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Pages : 206
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L’optimisation du dimensionnement des structures passe par une meilleure connaissance de leur mode d’endommagement. Cette étude se focalise donc sur la caractérisation de l’endommagement du contact aube/disque des moteurs aéronautique. Cet assemblage mécanique est soumis a une combinaison d’un effort normal (force centrifuge) et tangentiel (dynamique de l’aube). La portée du disque en Ti-6Al-4V subi donc un chargement complexe de type fretting fatigue. Ce type de sollicitation entraine, entre autre dégradation, de la fissuration dont la modélisation expérimentale et numérique est rendue difficile par les limitations des moyens et des connaissances actuelles. Le premier objectif de ce travail de thèse est de développer un moyen d’essai et une instrumentation associée afin d’étudier de façon qualitative et quantitative la fissuration d’un contact Ti-6Al-4V/Ti-6Al-4V. Le second but est d’utiliser les données issues de ce moyen expérimental afin de proposer un modèle de prédiction des durées de vie de cet assemblage. Un montage inédit de fretting fatigue double vérin mono-contact a été mis en place avec une instrumentation nouvelle pour ce type d’essai : suivi de fissuration par suivi de potentiel et par émission acoustique. Une attention particulière a été apportée aux calibrations et aux méthodologies expérimentales. Ce banc d’essai permet notamment de simuler des efforts de fretting applique en phase ou alors de telle manière a simuler un vrai cycle de vol. Cet outil a permis de décrire quantitativement les premières courbes de Wohler en fretting à amorçage (Effort de fretting vs Nombre de cycles à amorçage) pour deux configurations de contact (cylindre/plan et plan/plan). Les impacts des différents paramètres de fretting sur l’amorcage ont pu être quantifies. Les paramètres influant sont : la configuration du contact, les niveaux des efforts appliques et leur mode de combinaison (cycles en phase ou cycles de type vol). De plus des courbes de cinétique de propagation des fissures ont pu être extraites des différents essais, montrant un fort impact du fretting sur les vitesses de propagation des fissures. Une analyse qualitative via l’émission acoustique a montré un mécanisme d’amorçage et de propagation en 3 étapes suivant la perte d’influence du contact. Un modèle de prédiction de l’amorçage et de simulation de la propagation des fissures a été mis en place. Bien que limite dans la prise en compte des effets gradients (approches non locales), ce modèle se montre très performant surtout dans sa capacité à utiliser les données expérimentales dans l’identification des lois d’amorçage ou de propagation. Ce travail a donc permis d’importantes avancées dans la compréhension des mécanismes de fissuration et dans leur modélisation ouvrant ainsi la porte vers une prédiction fiable de l’endommagement des contacts aube/disque.
Author: Thomas Dick
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Languages : fr
Pages : 131
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La liaison entre aube et disque dans la soufflante d’un réacteur d’avion est fortement chargée et autorise en même temps un micro-débattement, si bien qu’elle s’endommage par fretting. Le but de cette étude est la construction d’un modèle de calculs par éléments finis(EF) approprié pour une prédiction des phénomènes de fatigue et d’usure. Des méthodes sont élaborées pour prendre en compte l’évolution du coefficient dte frottement et l’apparition d’un contact composite, la déformation plastique cyclique en particulier en plasticité cristalline, l’amorçage de fissure en utilisant un critère de fatigue HCF, l’usure et la modification de la géométrie du contact associée, la compétition entre fissuration et usure. Dans les calculs EF du contact aube-disque, on montre que l’usure peut se révéler favorable du point de vue de la durée de vie, mais que les redistributions liées à la déformation plastique peuvent avoir l’effet inverse.
Author: Alexis Hingue
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Languages : fr
Pages : 0
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Cette thèse porte sur la prédiction de la durée de vie de l'attache aube-disque sous chargement de fretting-fatigue. L'étude est consacrée à l'influence de la composante LCF (Low Cycle Fatigue) du chargement. Une méthodologie d'identification in-situ du coefficient de frottement pendant un essai de fatigue LCF à température ambiante sur éprouvette queue d'aronde a été mise en place. L'approche FEMU (Finite Element Method Updating) repose sur la minimisation de l'écart entre les données expérimentales et le modèle éléments finis. Les quantités d'intérêt sont les champs de déplacements en surface de l'éprouvette, mesurés par corrélation d'images numériques. La mise en donnée du problème numérique est définie par des hypothèses simplificatrices concernant les conditions aux limites. Les biais introduits par ces hypothèses sont quantifiés par l'utilisation d'essais virtuels. Deuxièmement, des essais de traction cycliques ont été réalisés sur des éprouvettes queue d'aronde et instrumentés par corrélation d'images numériques. L'effort de traction est appliqué linéairement entre deux niveaux de charges. Trois grandeurs d'intérêt ont été considérées pour l'identification du coefficient de frottement moyen : les composantes horizontales et verticales du champ de déplacements et l'amplitude de glissement sur le cycle, mesurés en surface. Les essais ont mis en évidence une augmentation du coefficient de frottement au cours des cycles de chargement. L'essai est caractérisé par la transition d'un régime de glissement total à un régime de glissement partiel survenant aux alentours du cycle 5 000. L'identification du coefficient de frottement en régime de glissement partiel n'est plus possible précisément, car la sensibilité des champs de déplacements au coefficient de frottement devient très faible. Enfin, des critères de fatigue classiques ont été implémentés et calculés pour des essais de traction sur éprouvettes queue d'aronde. La comparaison des prédictions des critères avec les observations expérimentales confirme la contribution prépondérante du cisaillement sur l'amorçage de fissure par rapport au terme de pression hydrostatique.
Author: Ruichun Duan
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Languages : fr
Pages : 326
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Ce travail est consacré à l'étude de l'endommagement en fretting fatigue d'un alliage d'aluminium 5086H24 dans un assemblage boulonné. Des essais de fatigue et des essais de fretting - fatigue sont réalisés sur des éprouvettes avec un trou central suivi ou non d'une expansion et sur des assemblages boulonnés en « Alu - Acier ». Une analyse micrographique sur les surfaces de contact et sur les facies de rupture a été réalisée afin d'identifier l'endommagement de contact et les sites d'amorçage. Un calcul aux éléments finis, prenant en compte le contact, a été développé en vue de déterminer les champs de contraintes, de déformations et de déplacements. En l'absence du contact, l'amorçage et la propagation d'une fissure de fatigue sont bien connus, par contre lors du fretting fatigue, nous sommes en présence d'une compétition du fretting et de la fatigue et/ou de la combinaison des deux. Pour notre configuration, avec les investigations expérimentale, micrographique, et de calcul, nous avons identifié les différents sites d'amorçage et leur localisation qui sont directement liés à l'effort normal (pression de contact). Ces sites d'amorçage passent du bord du trou à la frontière de contact avec une orientation qui dépend fortement de l'effort normal. Dans cette étude, nous avons montré que l'expansion du trou n'a pas une influence significative sur la durée de vie et que l'amélioration de celle-ci dépend de la pression de contact. Une Carte de Réponse du Matériau CRM (par analogie au phénomène d'usure et/ou fretting) a été établit pour représenter les conditions de l'amorçage de fissures.
Author: Hana Jerbi
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Languages : fr
Pages : 0
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Ce travail s'attardera sur deux types de dégradation par fretting, l'usure et l'endommagement par dégradation des propriétés matériaux. Une loi d'usure énergétique sera utilisée pour quantifier l'usure en glissement total d'un contact revêtu. Un modèle d'endommagement basé sur le concept de la déformation équivalente sera utilisé pour étudier l'évolution de l'endommagement dans un contact revêtu. L'analyse d'un problème de contact requiert un outil de calcul à la fois robuste et rapide. Dès lors des simulations d'usure et d'endommagement cyclique peuvent être réalisées en un temps court. Pour atteindre cet objectif, un code de contact basé sur une méthode semi-analytique est utilisé. Des solutions analytiques élémentaires permettent de relier les sollicitations normales et tangentielles aux déplacements élastiques résultants des surfaces en contact. Ces déplacements élastiques sont alors exprimés par un double produit de convolution discret entre des coefficients d'influence et les sollicitations dans le contact. La prise en compte d'un revêtement nécessite l'intégration d'un modèle d'homogénéisation dans le code de contact. Une technique d'enrichissement via la méthode de l'inclusion équivalente d'Eshelby, dans laquelle la contribution d'une ou plusieurs inclusions est superposée à la solution en élasticité, est utilisée. Le modèle de comportement revêtement/substrat peut être validé par comparaison avec les résultats obtenus avec un modèle basé sur les techniques Multigrille. La loi d'usure est ensuite implémentée, et une simulation d'usure est alors entreprise. Des simulations d'usure sont effectuées pour un contact poinçon-plan en glissement total. Les résultats numériques d'usure sont comparés à des essais antérieurs effectués par le LTDS. Pour l'endommagement, des calculs analytiques sont premièrement effectués permettant d'analyser le comportement endommageable sous chargement cyclique uniaxial. Le modèle de Mazars est ensuite adapté au problème de contact et implémenté ; des simulations sont alors menées pour étudier le comportement élasto-endommageable du contact sous chargement de fretting.
Author: Vincent Fridrici
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Languages : fr
Pages : 400
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La liaison entre aube et disque de fan de turbines aéronautiques est soumise à une sollicitation de fretting. Afin de lutter contre l'endommagement, l'alliage de titane grenaille utilisé est revêtu d'un dépôt plasma rugueux et épais de cu ni in et un film polymère contenant du mos2 (lubrifiant solide) est déposé sur les pieds d'aubes. Le but de la thèse est de comprendre et quantifier l'endommagement de ce contact soumis à des vibrations. Une approche énergétique locale a été développée pour quantifier la durée de vie du lubrifiant solide (définie par l'analyse de l'évolution du coefficient de frottement). Cela permet d'obtenir une courbe maitresse de durée de vie qui peut être utilisée pour prédire la durée de vie du film lubrifiant. Cette approche est stable vis à vis de la géométrie de contact et peut être utilisée pour le choix des revêtements. concernant l'endommagement sans lubrifiant, le critère de fatigue swt a permis d'étudier l'amorcage de fissures en glissement partiel.
Author: Houssein Abbouchi
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Languages : fr
Pages : 191
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Ce travail a consisté à étudier le phénomène de la fatigue de contact de roulement (RCF). Les avaries qui apparaissent par RCF se caractérisent, à la surface des pièces roulantes, par des fissures, des piqûres et des écaillages. Les fissures de RCF sont mal décrites, dans leur forme géométrique, dans les travaux précédents. Ceci a conduit à une approche expérimentale utilisant un dispositif bi-disques dans lequel le disque éprouvette est réalisé dans un matériau transparent. La conception du dispositif permet d’imposer une force tangentielle et de créer des conditions de roulement avec glissement partiel. On résume les résultats expérimentaux par :–faire apparaître une famille de fissures débouchantes.–suivre avec précision l’évolution des fissures, dans la matière en 3D.–proposer des équations paramétriques pour décrire la forme géométrique du front de fissure.–constater que l’endommagement de RCF, à sec, s’est établi pour la position ‘menant’ de l’éprouvette.–et l’existence d’un pas quasi régulier entre les fissures. On a proposé un modèle numérique pour comprendre les deux derniers points. Le calcul a été réalisé avec le logiciel MSC.MARC. On a réalisé quatre plans d’expériences. On a décrit l’action d’un contact roulant sur un massif fissuré de façon incrémentale. Ceci permet d’obtenir les répartitions de pression et de cisaillement dans ce contact conformes à la loi de frottement et à la cinématique expérimentale. Ce modèle a montré que la contrainte de ‘peau’ sxx atteint des niveaux plus élevés pour la position ‘menant’. C’est en accord avec les résultats expérimentaux. En s’appuyant sur la valeur de sxx max, on a expliqué le pas quasi régulier de fissures.
Author: Rémi Roux
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Languages : fr
Pages : 232
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EVALUATION DE L'ENDOMMAGEMENT PAR FATIGUE A L'AIDE DE DIFFERENTES METHODES. MODELISATION DES RESULTATS OBTENUS. LES METHODES SE CLASSENT EN DEUX CATEGORIES: CELLES QUI MESURENT LA PROGRESSION DE LA FISSURE PRINCIPALE ET CELLES QUI DECRIVENT L'EVOLUTION DES FISSURES SUPERFICIELLES. L'ETUDE DU COMPORTEMENT EN FATIGUE APRES FLUAGE DE L'ACIER A MONTRE QUE LE PREFLUAGE N'INFLUE QUE SUR L'AMORCAGE ET NON SUR LA PROPAGATION DE FISSURE PRINCIPALE
Author: Benjamin Van Peteghem
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Languages : fr
Pages : 139
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Les endommagements provoqués par le fretting sont multiples et peuvent causer de sévères disfonctionnements. Il est donc nécessaire d’étudier le fretting, en particulier dans le cas des alliages de titanes fréquemment employés dans l’aéronautique. Les endommagements générés par fretting peuvent être de l’usure, de la fissuration ou bien une combinaison des deux. La distinction entre ces deux comportements entraine régulièrement une dichotomie dans le choix des sujets traités. L’étude présentée ici fait le choix de rassembler en une seule démarche les études d’usure et de fissuration. Cette approche permet d’avoir une vision d’ensemble du comportement en fretting et fretting-fatigue d’un contact aube-disque dans un compresseur haute pression. Afin de respecter les contraintes industrielles, l’étude est réalisée à haute température (450°C) avec un contact plan sur plan revêtu. Pour réaliser cette étude, un dispositif expérimental original a été mis en place et validé. Les premiers résultats tribologiques montrent un effet majeur de la pression de contact sur le comportement tribologique de l’interface. Le coefficient de frottement du traitement de surface étudié diminue quand la pression de contact augmente. Une hypothèse d’expulsion du lubrifiant solide inclus dans le dépôt est proposée pour expliquer ce phénomène. Les résultats d’usure et notamment les analyses physicochimiques montrent un comportement sacrificiel du dépôt qui est usé préférentiellement au contre-corps. Cette caractéristique est bénéfique car dans l’application industrielle le contre-corps (le disque) doit être protégé en priorité par rapport à la pièce revêtue (l’aube). Les résultats d’usure dans la configuration industrielle sont complétés par une étude plus fondamentale mettant en évidence l’influence de la fréquence et du cycle de chargement du contact. La morphologie des traces d’usure est modifiée par ces deux facteurs, et le taux d’usure énergétique est également modifié. L’étude de la fissuration est menée en fretting simple et en fretting-fatigue. La fissuration du contre-corps non revêtu est modifiée par l’application d’un dépôt sur le poinçon revêtu. L’effet est principalement observable sur la longueur maximale de fissure, qui est divisée par deux dans le cas revêtu. Les résultats en fretting-fatigue sont également modifiés par la présence du revêtement, dont l’effet est plus présent pour les grands nombre de cycles. Enfin, une représentation des résultats sous forme de diagramme polaire normalisé est proposée afin de donner une image claire de l’ensemble des performances du dépôt.
Author: Nabil Marouf
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Languages : fr
Pages : 179
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Les contraintes thermiques et mécaniques vues par les turbines haute pression ont conduit à la conception de turbines à aubes monocristallines. Ces aubes utilisent des nuances présentant d'excellentes propriétés en fluage selon les directions cristallographiques de type 001 et ont ainsi permis, en augmentant la température des gaz et la vitesse de rotation de la turbine, une amélioration des performances spécifiques des turbomachines. En utilisation, les aubes sont principalement soumises à l'accélération centrifuge induite par la rotation de la turbine autour de son axe. Ce chargement est cyclique avec des cycles qui correspondent au décollage/atterrissage, mais aussi à des vibrations aux fréquences plus hautes pendant la phase de vol. Le chargement de la pale est transmis au disque de turbine par une liaison de type pied de sapin, qui par nature contient un jeu. Au niveau du contact aube/disque les contraintes sont très élevées et des mouvements oscillatoires de faible amplitude apparaissent. Cette configuration de contact est appelée fretting et sa superposition avec la fatigue oligocyclique est appelée fretting fatigue. On rencontre le phénomène de fretting fatigue dans la plupart des contacts quasi-statiques subissant de la fatigue et des vibrations. C'est un phénomène qui réduit considérablement la durée de vie des assemblages. Les travaux de cette thèse se sont articulés autour de deux grands thèmes ; la connaissance du matériau et en particulier de la couche corticale (couche superficielle de la matière modifiée par le traitement de grenaillage) et l'étude des endommagements subits lors des différents chargements mécaniques élémentaire de l'attache aube/disque. Le grenaillage fait partie du processus de fabrication des pieds de pales. Il permet d'aplanir les rainures de rectification et de pré-contraindre localement le matériau en compression. Il a été montré par le passé qu'il augmentait la durée de vie moyenne en fatigue des éprouvettes technologiques représentatives de l'attache aube/disque. C'est donc un traitement mécanique fondamental. Sur un monocristal le grenaillage, en déformant plastiquement la couche corticale, modifie profondément la structure du matériau, et augmente significativement la concentration en dislocation. Ce nombre important de dislocations contribue à une rotation locale du réseau cristallographique. Ainsi la couche corticale ne peut plus être considérée comme orthotrope. Pour caractériser ces rotations, deux techniques ont été utilisées. Dans un premier temps, l'observation de la matrice [gamma] a permis d'identifier la rotation du réseau cristallographique, ensuite une série de mesures par EBSD a permis de la quantifier. Par la suite, c'est la relaxation de la contrainte résiduelle introduite par le grenaillage dans un alliage polycristallin à base de nickel qui a été étudiée. Deux processus de relaxation ont été étudiés, le premier thermique et le second mécanique. Ces deux processus ont des cinétiques extrêmement importantes comparées à la durée de vie d'un moteur. Pour analyser le comportement en fissuration d'un plan monocristallin (MC2) soumis à une sollicitation de fretting imposée par un cylindre polycristallin (Udimet 720), trois orientations ont été sélectionnées parcourant l'ensemble des configurations rencontrées sur une aube. Les premiers résultats montrent que l'orientation du plan n'a pas d'influence sur le coefficient de frottement. Ensuite, le seuil d'amorçage a été déterminé, ce faisant les observations fractographiques des plans de MC2 ont mis en valeur l'importance de l'orientation relative des plans octaédriques et de la direction de fretting sur la direction de croissance des fissures. Ces constatations ont conduit à la réalisation de modèles éléments finis prenant en compte le caractère cubique des monocristaux de nickel et permettant d'évaluer l'amplitude du cisaillement résolu subi par un plan de fretting. [...].
