L'objectif de cette thèse est de démontrer comment faire une analyse théorique de fatigue et de mécanique de la rupture d'une structure éolienne à l'axe horizontal. La chaîne des calculs nécessaires pour atteindre cet objectif s'avère être particulièrement longue pour deux raisons : d'abord, la vitesse du vent varie aléatoirement avec le temps ; deuxièmement, l'amplitude de vibration du mât est amplifié en raison des ses fréquences naturelles de vibration. Un chapitre entier est consacré à la modélisation de la vitesse du vent dans l'espace et dans le temps. Ce même chapitre démontre comment synthétiser un signal aléatoire à partir d'une fonction de densité spectrale de puissance (DSP). La force axiale du rotor est le chargement le plus important sur une structure éolienne à l'axe horizontal. Cette force a un rapport non linéaire avec la vitesse du vent. Cela implique la nécessité de déterminer la DSP de la force axiale à partir de son signal, en se servant d'une technique d'estimation spectrale. La méthode Thomson Multitaper s'est avéré la plus satisfaisante pour cette application. La DSP des déplacements du mât est déterminée en associant la réceptance du système structurel avec la DSP de la force qui représente tous les chargements. Un signal de contrainte peut finalement être synthétisé à partir de sa DSP. La technique de comptage de cycles de chargement connue sous le nom de rainflow est abordée et appliquée. Le fait que le signal de contraintes a une amplitude variable implique la nécessité d'employer une technique plus avancée de simulation de propagation de fissures. La technique choisie pour cette thèse est connue sous le nom de strip-yield (bande d'écoulement). / The objective of this thesis is to demonstrate how to do theoretical analyses of fatigue and fracture mechanics in a structure for horizontal axis wind turbine. The chain of calculations required to reach this objective is particularly long for two reasons : firstly, the wind speed varies randomly with time , secondly, the vibration amplitude of the mast is amplified due to its natural frequencies of vibration. A whole chapter is dedicated to modeling the wind speed in space and time. The same chapter shows how to synthesize a random signal by employing a power spectral density function (PSD). The axial force of the rotor is the most important loading on a structure for horizontal axis wind turbine. This force has a non linear relation with the wind speed. This implies the need to determine the PSD of the axial force from its signal, by employing a spectral estimation method. The Thomson Multitaper method revealed to be the most satisfactory for this application. The PSD of displacement of the mast is determined by associating the receptance of the structural system and the PSD of the force representing all loadings. Finally, a signal of stress can be synthesized from its PSD. The fatigue cycle counting method known as rainflow is discussed and employed. The fact that the signal of stress has a variable amplitude implies the need of a more sophisticated method to simulate a crack propagation. The method chosen in this thesis is called strip-yield.

L'objectif de cette étude, réalisée en collaboration avec l'Agence d'Essais Ferroviaire (AEF) de la SNCF, est de proposer une méthode de calcul de durée de vie sous chargements complexes (chargements multiaxiaux d'amplitude variable) en fatigue à grande durée de vie. La première partie du document présente une analyse critique de différentes méthodes de la littérature dans ce domaine. La seconde partie du document présente la base de données expérimentales établie en vue de l'identification et de l'évaluation de la méthode proposée. Cette base de données est constituée d'essais sur éprouvettes lisses sous une large gamme de sollicitations à complexité croissante (les essais vont de la traction d'amplitude constante à des essais de flexion-torsion hors phase d'amplitude variable) mais également sur roue de TGV à échelle 1 (essais réalisés à l'AEF, sous chargements d'amplitude variable inspirés d'enregistrements en service). La suite du document présente une nouvelle méthode de calcul de durée de vie sous chargements multiaxiaux d'amplitude variable. En conservant une base énergétique et la notion de seuil de "non endommagement" définies au cours des précédents travaux menés au LAMEFIP, cette proposition prend en compte l'effet, sur la durée de vie, de la répartition spatiale des contraintes dans la pièce. Basée sur une définition incrémentale du travail de déformation fourni au matériau, cette proposition s'affranchit de toute méthode de comptage de cycle et est apte à prévoir la durée de vie d'une structure soumise à une sollicitation quelconque d'amplitude variable. Les prévisions de cette méthode sont confrontées à des résultats de différents essais de la littérature, notamment obtenus sur des éprouvettes entaillées, et aux résultats expérimentaux de l'étude. Enfin la méthode proposée est appliquée à un cas industriel : la prévision de la tenue en fatigue de la toile d'une roue de train à grande vitesse sous chargements d'amplitude constante ou par blocs. Les prévisions de la méthode, appliquée en post-processeur des résultats de calculs éléments finis sur la roue, sont en bon accord avec les résultats d'essais.

Dans le domaine aéronautique, la détection des défauts sur structures composites sefait lors des phases de maintenance. Celles-ci sont prévues de manière à détecter lesdéfauts avant que ceux-ci ne deviennent critiques pour la tenue des structures en service.L’optimisation des intervalles de maintenance représente donc un fort intérêt que ce soitau niveau financier ou opérationnel. Les dommages des structures composites sont aujourd’hui traités par la non-propagationdes défauts : lorsque ceux-ci apparaissent et qu’ils sont détectés, les pièces sont immédiatementréparées ou remplacées. Afin d’améliorer ces intervalles de maintenance, lecomportement des défauts soumis aux spectres de charges aéronautique nécessite d’êtrecaractérisé. Cela permettrait une transition vers une philosophie de tolérance aux dommages,en définissant des phases de propagation non-critique pour la tenue mécanique desstructures. Dans ce contexte, la propagation de délaminage est étudiée sous chargement de fatigue.En mode I de propagation, les effets de la fréquence de sollicitation et du rapport de chargesur la propagation de délaminage en fatigue sont déterminés. Ceux-ci amorcent l’étudede la propagation de délaminage sous spectre de charges à niveau variable. Les effets del’historique de chargement sont mis en évidence. En mode II de propagation, les effets de la fréquence de sollicitation sur la propagationde délaminage sont abordés pour quatre matériaux à l’aide d’un montage d’essaisvibratoires dédié. Une analyse thermique des essais est également conduite. De plus, leseffets du rapport de charge sont déterminés pour ce mode de propagation. / The detection of damage in composite aeronautical structures is carried out duringmaintenance phases. These operations are planned so that damage is detected beforereaching any critical size for the in-service structures. The optimization of maintenanceintervals is therefore of great interest both financially and operationally. Damage in composites structures is currently dealt through the no-growth approach :when damage appears and is detected, the affected parts are immediately repaired orreplaced. In order to improve the maintenance schedule, the behaviour of defects subjectedto aeronautical load spectra needs to be characterized. This would enable a transitiontowards a damage tolerance philosophy with a slow-growth approach by defining noncriticalpropagation phases for the mechanical strength of structures. In this context, delamination propagation under fatigue loading is studied. The effectsof loading frequency and load ratio on fatigue delamination propagation are determinedin mode I. Then a study of delamination propagation under complex load spectra isconducted for blocks at different loading amplitudes. Effects of the loading history arehighlighted. For the propagation in mode II, loading frequency effects on delamination propagationare investigated for four different composite materials using a dedicated vibration testingdevice. A thermal analysis is also conducted during high frequency tests. In addition, loadratio effects are determined for this propagation mode.

La plupart des pièces industrielles sont soumises à des chargements multiaxiaux à amplitude variable. La connaissance de la durée de vie résiduelle d'une pièce fissurée, nécessite des modèles de propagation capables de prendre en compte ces deux aspects.<br />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 semi-elliptique des fissures.<br />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 semi-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.