Modélisation du comportement mécanique en fissuration d'alliages aéronautiques
Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The aim of this work is to develop a numerical model to predict the behaviour of cracked panels, in place of expensive and complex experiments to generate data for designers. In particular, the model has to simulate toughness, R curve and fatigue crack propagation at high level of ΔK tests for a wide variety of metallic alloys including aluminium alloys, titanium alloys and high strength steels. The proposed model is based on a thermodynamic approach within the framework of Continuum Damage Mechanics which provides numerical robustness as well as a precise description of the physical micromechanism of fracture. An extension of a classical CDM approach, named Lemaitre model, is presented. Lemaitre model, which has been shown to be particularly well suited to describe ductile damage under monotonic loading, has been only applied separately to low cycle fatigue and high cycle fatigue. The extension has to simulate fatigue crack propagation. Experimental results have evidenced the role of two distinct mechanisms in the high fatigue crack growth rate regime. In order to account for the different mechanisms involved in fatigue crack propagation two damage variables are introduced in the Lemaitre model. Then, to correctly predict fatigue crack propagation rates, an internal length has to be defined. An energetic equivalence criterion has been inserted to model crack propagation and to reduce mesh dependence. This model has been implemented in the commercial finite element code Abaqus/Cae. Explicit computations have been performed. The results are analyzed by discussing the drawbacks and advantages of the proposed method.
Abstract FR:
Cette étude, menée en collaboration avec Airbus, porte sur la modélisation du comportement mécanique en fissuration d'alliages aéronautiques incluant des alliages d'aluminium, de titane et un acier haute résistance. L'objectif est, à terme, de remplacer les essais expérimentaux, longs et coûteux nécessaires à la qualification d'un matériau dans le domaine aéronautique. Trois essais sont abordés dans cette étude : l'essai de ténacité, de courbe R et de propagation de fissure à fort ΔK. Une étude bibliographique a tout d'abord permis de choisir un modèle de référence pour ces travaux. Après avoir constaté la véracité des dires de Paul Valéry « Tout ce qui est simple est faux, tout ce qui n'est pas simple est inutilisable », le modèle de Lemaitre, couplé à un critère de rupture énergétique permettant de réduire la dépendance au maillage de la réponse numérique, est apparu comme le meilleur candidat. Ses avantages, incluant un cadre thermodynamique robuste, compensent son principal inconvénient qui est sa description basique de l'endommagement mise en défaut par des observations expérimentales. En effet celles-ci mettent en évidence que deux mécanismes de fissuration gouvernent la propagation de fissure à fort ΔK et/ou fort rapport R. C'est pourquoi deux variables d'endommagement ont été définies dans un modèle alternatif, proche du modèle de référence. Un tel modèle permet de conserver les qualités du modèle de Lemaitre sous chargement monotone tout en améliorant les simulations des essais de propagation de fissure à fort ΔK. De plus, l'un des points forts du modèle proposé est de permettre la modélisation sous certaines conditions des trois essais de qualification à partir de paramètre identifiés sur un seul essai de traction. Les simulations sous le logiciel de calcul par éléments finis Abaqus sont comparées aux essais afin de valider les améliorations apportées au modèle classique de Lemaitre. Les résultats, les avantages et les défauts sont explicités dans ce manuscrit.