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Introduction à la modélisation de la rupture fragile
De nombreux logiciels de calcul de la probabilité de rupture de structures ont été mis au point. Le logiciel le plus connu par les industriels est Weibull++®. Il permet de déterminer les paramètres de Weibull à partir d’une distribution de valeurs expérimentales d’une variable définie. Il peut s’agir des valeurs de contraintes à la rupture ou du temps de fonctionnement avant rupture d’un produit. Il est essentiellement dédié à l’ingénierie de fiabilité.
D’autres logiciels sont spécifiquement dédiés à l’étude de la prédiction de rupture de structures mécaniques. Ils sont principalement basés sur le modèle de Batdorf ou sur le modèle de Weibull et sur la méthode des éléments finis. Le calcul de la probabilité de rupture est réalisé en post-traitement. Le problème thermomécanique est modélisé puis simulé. Le champ de contrainte obtenu est ensuite analysé par le modèle de rupture fragile choisi pour calculer la probabilité de rupture de la structure. Il existe plusieurs logiciels dont certains développés en laboratoire, par exemple : CERAM et CARES/LIFE.
Le logiciel CERAM [76] est construit sur le modèle de la contrainte élémentaire multiaxiale. Il intègre aussi le modèle de Weibull et permet de réaliser des comparaisons entre les deux distributions pour un même problème mécanique. Il est uniquement dédié à la prédiction de la rupture. La détermination des paramètres de Weibull doit être réalisée a priori par l’une des méthodes de la section 1.II.5.
CARES/LIFE [120] utilise le modèle de Weibull et celui de Batdorf pour calculer la fiabilité d’une structure. Le logiciel inclut la méthode du maximum de vraisemblance pour déterminer les paramètres de la distribution statistique. Il utilise le critère de la contrainte principale maximale et le principe d’indépendance des actions.
Il est possible d’ajouter à des codes de calculs existants (Abaqus®, Nastran, etc..) et n’intégrant pas le calcul de la probabilité de rupture, des sous-programmes effectuant un travail similaire aux logiciels spécifiquement dédiés à l’analyse de la probabilité de rupture. L’avantage des sous-programmes est la liberté de choix. En effet, alors que les logiciels dédiés imposent un ou des modèles, cette méthode permet de créer un programme à partir d’un modèle désiré. Le choix d’un critère de contrainte équivalente et d’une approche volumique ou surfacique est aussi possible. Ce type de démarche est souvent disponible et explicitée dans les mémoires de thèse.
Par exemple, Hild [41] a mis en place, dans un premier temps, une approche locale de la rupture fragile, couplée avec des phénomènes d’endommagement. Il a pu identifier, à partir de retours d’expérience industriels, la taille des défauts lors de la rupture d’une structure. Cela lui a permis de créer un modèle basé sur un défaut représentatif de forme sphérique. L’auteur a ensuite pu étudier l’influence de la concentration des défauts sur la probabilité de rupture, à la fois leur nombre dans un volume donné et les effets de la concentration de défauts dans une partie du matériau.
Dans un second temps, Hild s’est consacré au calcul de la probabilité de rupture d’une structure à partir du modèle de Weibull et d’un modèle basé sur une fonction de densité de défauts qu’il a proposée à partir de ses résultats expérimentaux (fonction béta de la section 1.II.3.3). Les deux modèles sont utilisés avec le critère de la contrainte principale maximale. Il a étudié l’influence des différents paramètres de sa fonction de densité de défaut sur la probabilité de rupture et des effets de volume.
Deschaux-Beaume [121] a réalisé des simulations par la méthode des éléments finis en utilisant le logiciel POLLUX® pour le cas de céramiques à base de nitrure de silicium utilisées pour des outils de matriçage isotherme. Le modèle de Weibull a été utilisé avec le critère de la contrainte principale maximale dans un premier temps, puis avec celui de la contrainte équivalente de Freudenthal. Les résultats obtenus étaient sensiblement les mêmes pour les deux critères. Le modèle a été validé par comparaison avec des essais expérimentaux. L’auteur a aussi montré que le nombre d’éléments du modèle impactait la valeur de la probabilité de rupture de la structure modélisée. A noter que la modélisation reposait sur le principe de la surface équivalente donc sur une approche surfacique de la rupture.
Nazaret [92] a intégré au code de calcul Abaqus® des sous-programmes de calcul de la probabilité de rupture d’une structure basé sur le modèle de Weibull et sur la contrainte équivalente de Freudenthal. Le modèle avait été notamment utilisé dans le cadre du dimensionnement de matrices en céramique. Les effets de volume avaient été étudiés, ainsi que l’impact sur la probabilité de rupture du type d’éléments choisis pour la modélisation. Il avait démontré que le type d’interpolation, linéaire ou quadratique, pour des problèmes mécaniques à deux dimensions, influe sur la valeur de la probabilité de rupture. L’erreur sur l’estimation de la probabilité de rupture était plus faible avec des éléments à interpolation quadratique qu’avec des éléments à interpolation linéaire.
Essais de flexion trois points
Essais sur éprouvettes technologiques
L’objectif scientifique est de vérifier le critère de la contrainte équivalente à la rupture. En effet, pour les cas de flexion quatre points et trois points, il est possible de négliger les composantes du tenseur des contraintes autres que la composante de traction/compression associée au moment de flexion. Le chargement peut être considérée alors uniaxial pour lequel il n’est pas utile d’avoir recours à une contrainte équivalente. Dans le cas de champs de contraintes multiaxiaux, conséquence de singularités géométriques (trou et congés par exemple), le chapitre bibliographique (1.II.4.3) a permis de mettre en valeur différentes contraintes équivalentes pour le calcul de la probabilité de rupture. Pour la présente étude, la formulation proposée par Freudenthal a été choisie. Ces essais permettront de conforter ce choix.
L’objectif industriel est de caractériser par des sollicitations mécaniques la résistance de certaines géométries spécifiques des boitiers sans passer par une campagne d’essai sur un boitier réel.
Plusieurs formes ont alors été retenues avec une sollicitation correspondante. Elles permettent de caractériser la résistance de zones critiques du boitier, notamment les pattes de fixations.
Flexion quatre points sur éprouvettes percées
Les dimensions retenues sur la Figure 24 sont une épaisseur h de 3 mm, une largeur b de 8,2 mm et un diamètre du perçage d égal à 3,2 mm, avec une distance entre les appuis supérieurs l de 20 mm et inférieurs L de 40 mm. Les éprouvettes sont découpées à partir de plaques d’AlSi par scie diamantée.
La distance L sur la Figure 25 définit la distance entre l’axe de la vis de serrage et le point d’application de l’effort. Elle est fixée à 25 mm. L’éprouvette possède des dimensions proches de celles de l’éprouvette avec un perçage central (cf. 2.I.5.1) : une largeur b de 8,2 mm, une épaisseur h de 3 mm mais est plus courte (longueur totale de 35 mm). Le perçage est positionné à 4,1 mm de l’extrémité libre de l’éprouvette (Figure 25). Les éprouvettes sont découpées à partir de plaques brutes d’AlSi par scie diamantée.
L’échantillon est analysé sous deux configurations présentées sur la Figure 27. La première favorise un mode de flexion pure particulièrement sensible au module d’Young. La seconde favorise un mode de torsion plus sensible au module de Coulomb et donnant accès au coefficient de Poisson. La mesure du module d’Young, nécessitant de connaître le coefficient de Poisson, elle doit ainsi être affinée itérativement.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
1.I DEUX MATERIAUX A RUPTURE FRAGILE
1.I.1 AlSi CE9F, le matériau innovant
1.I.2 Alumine cofrittée à haute température (HTCC)
1.II LA RUPTURE FRAGILE ET LE MODELE DE WEIBULL
1.II.1 Notion de rupture fragile
1.II.2 Modèle de Weibull – Théorie et définition
1.II.3 Modulations du modèle de Weibull et autres distributions
1.II.4 Volume équivalent et effet d’échelle
1.II.5 Sur la détermination des paramètres du modèle de Weibull
1.II.6 Introduction à la modélisation de la rupture fragile
CHAPITRE 2 METHODES DE CARACTERISATION DES MATERIAUX
2.I CARACTERISATION PAR ANALYSE STATISTIQUE DE LA RESISTANCE A LA RUPTURE
2.I.1 Essais de flexion quatre points
2.I.2 Essais de flexion trois points
2.I.3 Campagnes d’essais de flexion quatre points à -50°C et à 130°C
2.I.4 Détermination des paramètres de Weibull
2.I.5 Essais sur éprouvettes technologiques
2.II CARACTERISATION DES PROPRIETES ELASTIQUES
2.II.1 Résonance acoustique
2.II.2 Essais de DMA (Dynamic mechanical analysis)
2.II.3 Essais dilatométriques et détermination du coefficient de dilatation thermique (CTE)
2.II.4 Nano-indentation de Berkovich et mesure locale du module d’élasticité
2.III CARACTERISATION MICROSTRUCTURALE
2.III.1 Observations au microscope électronique à balayage (MEB)
2.III.2 Analyse par diffraction des rayons X (DRX) et détermination des contraintes internes
2.III.3 Analyse par EBSD (Electron BackScattered Diffraction)
2.III.4 Méthode des Intercepts
CHAPITRE 3 ETUDE MICROSTRUCTURALE ET MECANIQUE DES MATERIAUX ETUDIES
3.I CARACTERISATION DE L’ALUMINE HTCC
3.I.1 Propriétés thermoélastiques de l’alumine HTCC
3.I.2 Etude détaillée de la microstructure d’Alumine HTCC
3.I.3 Analyse probabiliste de la rupture de l’alumine HTCC à température ambiante
3.II CARACTERISATION DU MATERIAU ALSI CE9F
3.II.1 Propriétés thermoélastiques de l’AlSi CE9F
3.II.2 Microstructure de l’AlSi CE9F
3.II.3 Analyse probabiliste de la rupture de l’AlSi CE9F
3.II.4 Influence de cycles thermiques sur les propriétés mécaniques de l’AlSi CE9F
3.II.5 Discussion sur l’influence de la température sur le comportement de l’AlSi
3.III SYNTHESE SUR LE CHAPITRE
CHAPITRE 4 SIMULATION NUMERIQUE ET VALIDATION D’UN CRITERE DE LA RUPTURE FRAGILE
4.I ETUDES DU MODELE NUMERIQUE DE LA RUPTURE FRAGILE
4.I.1 Implantation numérique du modèle
4.I.2 Confrontation avec les résultats expérimentaux
4.II CONFRONTATION EXPERIENCE/SIMULATION POUR DES CAS DE CHARGEMENTS COMPLEXES
4.II.1 Flexion quatre points sur éprouvette en T
4.II.2 Flexion quatre points sur éprouvette percée
4.II.3 Flexion simple sur éprouvette vissée
4.II.4 Bilan sur l’étude des cas de chargements complexes
4.III ETUDE D’UN COMPOSANT EN ALUMINE HTCC
4.III.1 Définition du composant et retour d’expérience
4.III.2 Résultats expérimentaux – flexion quatre points
4.III.3 Observation des faciès de rupture
4.III.4 Simulation numérique de la fenêtre en alumine HTCC
4.III.5 Discussion sur la fenêtre en alumine HTCC
4.IV SYNTHESE SUR LE CHAPITRE
CHAPITRE 5 ETUDES SUR BOITIER HYBRIDE EN ALSI CE9F
5.I CALCUL DE LA PROBABILITE DE RUPTURE EN CONDITIONS ANISOTHERMES
5.I.1 Cas général du calcul de la probabilité de rupture
5.I.2 Application à une plaque encastrée soumise un gradient de température
5.I.3 Bilan de l’étude
5.II SIMULATIONS NUMERIQUES D’ESSAIS DE CERTIFICATION D’UN BOITIER
5.II.1 Définition du composant et hypothèses
5.II.2 Simulation d’un cas thermomécanique
5.II.3 Simulation du comportement sous sollicitation dynamique
5.III SYNTHESE SUR LE CHAPITRE
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIe
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