Les objectifs de la thèse portent, d'une part, sur l'application d'un modèle incrémental pour simuler la fissuration par fatigue des roues de train sous chargement à amplitude variable, et d'autre part, sur l'enrichissement de ce modèle pour prendre en compte la compression, la contrainte T et la forme servi , elliptique des fissures. Le modèle incrémental repose sur l'idée qu'en fatigue à grand nombre de cycle, l'avancée instantanée d'une fissure est proportionnelle à l'émoussement plastique de sa pointe. Les équations d'évolution de l'émoussement plastique sont déterminées par Eléments Finis à partir du comportement élastoplastique de la structure fissurée. Deux essais sont nécessaires pour identifier les paramètres du modèle, un essai de comportement élastoplastique cyclique du matériau et un essai de fissuration en fatigue à amplitude; constante. Les calcul de propagation ont montré que le modèle reproduit fidèlement tout les phénomènes, observés en fatigue à amplitude variable : retard après surcharge, accélération après souscharge, interaction entre cycles et histoire de chargement pour les signaux complexe. La compression et la contrainte T ont' été ensuite intégrée dans le modèle et validées grâce à des essais de fissuration réalisés sur des éprouvettes prélevées dans une roue de TGV. Enfin le modèle a été étendu en 3D, des essais de fissuration sur fissure servi elliptique ont été menés sur éprouvettes de flexion 4 points et sur roues à l'échelle 1, l'accord avec les prédictions du modèle est satisfaisant.

LE MODELE DEVELOPPE DANS CETTE ETUDE DE LA PREDICTION DE LA VITESSE DE PROPAGATION DES FISSURES DE FATIGUE SOUS CHARGEMENT A AMPLITUDE VARIABLE EST BASE SUR LE CONCEPT DE LA FERMETURE DE FISSURES DE FATIGUE PROPOSE PAR ELBER: UNE FISSURE DE FATIGUE SOUMISE A UNE CHARGE APPLIQUEE NE SE PROPAGE QUE LORSQU'ELLE EST ENTIEREMENT OUVERTE; L'AMPLITUDE EFFICACE DU FACTEUR D'INTENSITE DE CONTRAINTES EST LE PARAMETRE QUI CONTROLE LA PROPAGATION DE LA FISSURE. LE FACTEUR D'INTENSITE DE CONTRAINTES D'OUVERTURE DE FISSURE, NIVEAU MINIMAL DANS CETTE AMPLITUDE EFFICACE, PEUT ETRE CALCULE A PARTIR DE DEUX ELEMENTS: LE MAXIMUM DES CONTRAINTES RESIDUELLES A LA POINTE DE FISSURE ET LA LONGUEUR DE FISSURE FERMEE. L'EVOLUTION DU PREMIER ELEMENT SOUS LES CHARGES APPLIQUEES DE DIFFERENTS NIVEAUX A ETE OBTENUE GRACE A UN ESSAI DE FATIGUE EN DEFORMATION IMPOSEE, ET AUX MESURES DES PROFILS DES CONTRAINTES RESIDUELLES PAR DIFFRACTION DES RAYONS X ET NEUTRONIQUE DANS UNE EPROUVETTE DE FISSURATION PAR FATIGUE. CELLE DU DEUXIEME ELEMENT A ETE CALCULEE A L'AIDE D'UN MODELE D'ECARTEMENT DES LEVRES DE FISSURE ET DES INFORMATIONS FOURNIES PAR LES MESURES DIFFRACTOMETRIQUES. AINSI, LE MODELE PREND EN CONSIDERATION DE L'INFLUENCE DU CHARGEMENT D'AMPLITUDES DIFFERENTES SUR LE NIVEAU D'OUVERTURE DE FISSURE. CE MODELE A ETE VERIFIE PAR LES RESULTATS DES ESSAIS DE FATIGUE SOUS CHARGEMENT D'AMPLITUDES DIFFERENTES PROGRAMMEES. LA PREDICTION DE LA VITESSE DE PROPAGATION DE FISSURES PAR LE MODELE EST BONNE

Le travail de cette thèse porte sur la modélisation numérique de la propagation et l'arrêt de fissures 2D et 3D en fatigue thermique dans les circuits de refroidissement des réacteurs à l’arrêt (RRA) des centrales nucléaires.Plusieurs points sont abordés dans ce travail, tout d’abord nous avons mis au point dans le code éléments finis Code_Aster une stratégie afin de pouvoir simuler automatiquement la propagation et l’arrêt d’une fissure unique ou d’un réseau de fissures tridimensionnelles, sous chargement thermomécanique à amplitude et fréquence variables. Nous avons étudié également l’arrêt d’une fissure 2D et 3D (semi – elliptique) dans un tube de même géométrie que les circuits RRA et soumis à un chargement thermique sinusoïdal, l’objectif est de déterminer les paramètres du chargement thermique avec lesquels la fissure s’arrête. L’influence du réseau sur l’arrêt des fissures dans le cas 3D est aussi traitée, des simulations tridimensionnelles ont permis d'obtenir des informations sur la progression des fronts dans l'épaisseur. On propose ici de traiter la propagation et la coalescence par des modèles de forces cohésives. la dernière partie de ce travail traite le décollement d’un film mince sous chargement cyclique. En adoptant l’approche variationnlle de la fatigue, nous proposons d’étendre la construction des lois de fatigue limite pour des chargements cycliques d’amplitudes variables. On s’intéresse essentiellement à la propagation de fissure en mode I

LE SUJET TRAITE CONSISTE D'UNE PART A DEGAGER UN OUTIL PERMETTANT UNE DESCRIPTION RAISONNABLE DE LA LOI DE PROPAGATION ET DU SEUL DU NON PROPAGATION, D'UNE PART A PRENDRE EN COMPTE LE CHARGEMENTS D'AMPLITUDE VARIABLE POUR LA PREDICTION DE LA PROPAGATION. LA PREMIERE PARTIE CONCERNE L'INFLUENCE DES PRINCIPAUX PARAMETRES DE FATIGUE: RAPPORT R, ENVIRONNEMENT, LONGUEUR DE LA FISSURE ET LEUR INFLUENCE SUR LA FERMETURE DES FISSURES. NOUS AVONS MONTRE QU'EN REGLE GENERALE LE FACTEUR D'INTENSITE DE CONTRAINTE DE L'OUVERTURE, U, QUI PERMET DE CALCULER LA FACTEUR D'INTENSITE DE CONTRAINTE EFFICACE ET LA VALEUR DU SEUIL. LA DEUXIEME PARTIE TRAITE DE LA PROPAGATION SOUS CHARGEMENT 'AMPLITUDE VARIABLE. UNE ETUDE PARAMETRIQUE A PERMIS DE DETALLER L'INFLUENCE DE LA LARGEUR DE BANDE DU SPECTRE ET DES METHODES DE COMPTAGE MISES EN UVRE. A L'AIDE DE METHODES DE COMPTAGE APPROPRIEES NOUS AVONS VALIDE L'APPROCHE DITE DU CHARGEMENT EQUIVALENT DEFINI PAR LE MOMENT STATISTIQUE D'ORDRE M DE LA DISTRIBUTION DES AMPLITUDES DE CONTRAINTES, M ETANT LA PENTE DE LA LOI DE PARIS EN AMPLITUDE CONSTANTE, DANS LE CAS D'HISTORIQUES DE CONTRAINTES STATIONNAIRES DE TYPE GAUSSIEN

L'étude a porté sur l'acier S355NL employé dans la conception de bâtiments de surface. Si le comportement des fissures longues est assez bien connu, celui des fissures courtes est peu maîtrisé. Des essais à amplitude de contrainte constante ont tout d'abord été entrepris pour caractériser le comportement des fissures courtes de fatigue. Les rapports de charge R utilisés pour ces essais de fatigue furent 0.1, 0.3, 0.5 et enfin -1. Des essais à amplitude variable (croissante, décroissante et issue d'un spectre de chargement) ont également été réalisés. Les résultats obtenus ont été systématiquement comparés aux courbes de propagation des fissures longues également établies pour ce matériau. Parallèlement à ces travaux, une étude numérique a été menée en utilisant le code éléments finis ABAQUS pour déterminer la répartition des contraintes, le coefficient de concentration de contrainte et le facteur d'intensité de contraintes. Ces derniers ont été établis pour différentes configurations d'éprouvettes et de fissures dans les cas élastiques et élastoplastiques.

CETTE ETUDE A POUR OBJET LA CARACTERISATION DE LA PROPAGATION DES FISSURES DE FATIGUE SOUS SPECTRES DE CHARGEMENT REDUITS COMPARATIVEMENT A LA PROPAGATION SOUS CHARGEMENT D'AMPLITUDE CONSTANTE DANS LE CAS D'UN ALLIAGE D'ALUMINIUM 2024-T351. LES SPECTRES REDUITS CONSIDERES SONT ISSUS DE L'HISTORIQUE STATISTIQUE DES CONTRAINTES SUR L'INTRADOS DE L'AILE D'UN AVION CIVIL. LES RESULTATS EXPERIMENTAUX PERMETTENT DE DECRIRE LA CROISSANCE DES FISSURES PAR VOL EN FONCTION DU FACTEUR D'INTENSITE DE CONTRAINTE MAXIMAL K#M#A#X ET DE MESURER LA DUREE DE VIE CORRESPONDANT A LA CROISSANCE ENTRE DEUX LONGUEURS DE FISSURE. LA PRISE EN COMPTE DE L'EFFET DE FERMETURE A PERMIS D'OPTIMISER L'ESTIMATION DE LA DUREE DE VIE FAITE SELON UNE DEMARCHE CLASSIQUE DE CUMUL LINEAIRE DANS LE DOMAINE DE PROPAGATION SUPERIEUR A UNE TRANSITION DANS LE MECANISME DE PROPAGATION APPELEE T#2. UNE METHODE D'ANALYSE FRACTOGRAPHIQUE QUANTITATIVE A ETE MISE AU POINT. IL EST MONTRE QUE L'EVOLUTION DES FACIES, POUR K#M#A#X SUPERIEUR A T#2, EST ESSENTIELLEMENT CONTROLEE PAR LE NIVEAU DU CHARGEMENT LE PLUS ELEVE. PAR CONTRE, POUR LES FAIBLES VALEURS DE K#M#A#X (EN DESSOUS DE T#2), LE PARAMETRE DOMINANT EST LE CYCLE SOL-AIR-SOL. UN MODELE BASE SUR LES CONCEPTS ENERGETIQUES EST PROPOSE. CE MODELE, QUI PERMET L'ETABLISSEMENT D'UN CHARGEMENT D'AMPLITUDE CONSTANTE EQUIVALENT, CONDUIT A UNE MEILLEURE PREVISION DE LA DUREE DE VIE POUR LES SPECTRES SANS SURCHARGES

Sous l'effet des sollicitations mécaniques répétées induites par les passages des trains, on observe l'apparition de fissures de fatigue de contact dans les rails. Une fois amorcées, celles-ci peuvent se propager et mener à la rupture du rail. Dans un contexte d'intensification du trafic et d'augmentation globale des vitesses de circulation, il devient stratégique pour SNCF d'optimiser sa politique de maintenance. Afin de définir des pas de surveillance adaptés et une planification optimisée des opérations de maintenance, une meilleure connaissance des mécanismes d'endommagement par fatigue du rail s'avère nécessaire. Tendre vers cette stratégie de maintenance prédictive passe par la mise en place d'outils de simulation numérique adaptés. Dans ce contexte, une chaîne d'outils a été développée : détermination des sollicitations transmises au rail, des champs de contraintes et de déformations résiduelles, localisation des zones critiques vis-à-vis du risque de fissuration. L'étape suivante consiste à estimer le risque lié à la présence de fissures et à étudier leurs propagations. Elle constitue une partie des objectifs de ces travaux de thèse. La résolution du problème tri-dimensionnel d'une structure fissurée, avec contact et frottement entre les lèvres, est effectuée grâce à un modèle tri-dimensionnel éléments finis étendus multi-échelles. Ce modèle fait appel à une formulation mixte stabilisée où chaque champ est écrit à l'aide d'enrichissement. La fissure est représentée grâce à une stratégie implicite-explicite. Le problème est résolu à l'aide du solveur non-linéaire LATIN. Une étude empirico-numérique a permis de proposer des formules a priori assurant à la méthode de résolution un taux de convergence proche de l'optimal. La simulation de la propagation des fissures de fatigue est réalisée à l'aide de critères spécifiques, adaptés à un chargement multi-axial et non-proportionnel, et d'une loi de propagation dédiée en mode mixte. La confrontation des résultats de simulation avec des essais réalisés sur une configuration cylindre-plan a validé la stratégie X-FEM/LATIN à deux échelles. Tous ces développements ont été implémentés dans le code de calcul éléments finis CAST3M. Des contraintes résiduelles réalistes, provenant d'un logiciel externe, ont été introduites. Cette étape a requis la mise en place d'une procédure de transfert des champs entre les deux maillages (celui utilisé pour le calcul des contraintes résiduelles et celui utilisé pour la résolution du problème de mécanique élastique linéaire de la rupture). L'étude de la flexion du rail a révelé l'influence de ce phénomène uniquement lors du passage du chargement sur la fissure.Enfin, une étude numérique a montré la très forte influence de l'orientation du chargement tangentiel, des contraintes résiduelles et de la présence de plusieurs fissures sur la direction et les vitesses de propagation des fissures de fatigue.