Les travaux présentés concernent le développement d'un modèle de prévision de durée de vie unifié pour traiter les problématiques de fatigue à faible et grand nombre de cycles. Le modèle est basé sur une approche à deux échelles et un endommagement de type Lemaitre. Le caractère "en vitesse" de la loi d'endommagement permet de traiter des chargements complexes, non proportionnels et aléatoires. Une campagne expérimentale de fatigue sur 12 éprouvettes cruciformes en alliage TA6V pour application aérospatiale est présentée. Elle comporte des essais biaxiaux proportionnels et non proportionnels ainsi que des cas de chargement pseudo-aléatoires. L'utilisation de la corrélation d'images numériques prises dans la zone utile permet d'évaluer les déformations locales en réponse aux sollicitations appliquées. Les cas de chargements sont simulés afin de confronter les déformations de surface et les durées de vie obtenues par calcul, aux résultats expérimentaux. Parmi les contributions théoriques présentées dans le manuscrit, sont à noter : - La proposition d'une nouvelle loi d'évolution pour écrouissage cinématique adaptée au comportement élastoplastique du TA6V sous chargement cyclique; - L'utilisation d'une correction élastoplastique locale permettant d'évaluer les déformations plastiques en surface à partir de calculs de structures linéaires; - L'amélioration d'un critère de micro-plasticité pour la prise en compte des effets de contrainte moyenne et de triaxialité en fatigue à grand nombre de cycles; - L'unification de deux lois d'endommagement afin d'étendre le domaine de validité du modèle initial vers les durées de vie à faible nombre de cycles. La démarche s'appuyant sur le cadre thermodynamique de la mécanique des milieux continus, de nombreuses perspectives d'amélioration du modèle sont discutées. / This work presents the proposal of a unifying predictive model to deal with LCF and HCF problems. It is based on a two-scale approach initially developed by Lemaitre. As the damage evolution law is rate written, complexity due to non proportional and random loadings may also be treated. An experimental fatigue campaign of 12 cross shaped samples made of TA6V alloy for aerospace applications is presented. It includes not only proportional and non proportional biaxial tests but also pseudo random loadings. Digital Image Correlation is used to evaluate the local strains from pictures taken in the zone of interest. Loadings are the simulated and both strains and lifetimes are compared to experimental observations. Among the theoretical contributions presented in this work, the main are: - A new kinematic hardening evolution law for the modeling of elasto-plasticity of TA6V alloy under cyclic loadings; - Use of local elastoplastic correction from linear Finite Element Calculation to estimate plastic strains in the structure zone of interests; - Improvements of the micro-plastic yield function to take into account mean stress effect and triaxiality effects in the lifetime prediction in HCF domain; - A unifying method of two damage variables in order to extend the validity domain of the initial model to shorter lifetimes (LCF). As the model is based on a thermodunamical framework for continuum mechanics, several extension are mentioned as future propects.

Les structures industrielles sont soumises à des sollicitations complexes dont certaines biaxiales. Afin d'étudier de manière expérimentale l'influence de la biaxialité du chargement sur la durée de vie, des essais de fatigue biaxiale à grand nombre de cycles sont menés sur matériaux acier inoxydable austénitique 304L CLI, et alliage de titane. Une géométrie d'éprouvette en croix, affinée en son centre a été dimensionnée pour cette étude. Une vingtaine d'essais en efforts imposés, à température ambiante ont été menés avec divers types de chargements. Des moyens sophistiqués de prises de vues sont mis en place, et permettent par corrélation d'images, de caractériser les déformations plastiques et amplitudes de déformations. Pour prendre en compte la dispersion expérimentale de la limite de fatigue d'un matériau métallique, le modèle d'endommagement et de fatigue à deux échelles est rendu probabiliste dans la nouvelle version du post-processeur DAMAGE_2009. Enfin, l'ajout d'un terme de Drucker-Prager dans la fonction critère du modèle permet de mieux retranscrire l'effet de contrainte moyenne sur la durée de vie.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-08-17T19:19:40Z No. of bitstreams: 1 WALTER BELARMINO DA SILVA FILHO – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 7502952 bytes, checksum: ae7fd33b1f96a68780e718b129b40e97 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-17T19:19:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 WALTER BELARMINO DA SILVA FILHO – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 7502952 bytes, checksum: ae7fd33b1f96a68780e718b129b40e97 (MD5) Previous issue date: 2017-11-30 / O presente estudo documentado neste trabalho buscou o desenvolvimento, a partir das soluções apresentadas na literatura, de um dispositivo para a realização de ensaio de tração biaxial. Inicialmente realizado um estudo que foi condensado em um quadro de informações e posteriormente extraído os dados que serviram como base para o projeto. Aplicando a metodologia de projeto e analisado os dados iniciais, foi escolhido um dispositivo a ser acoplado em uma máquina de tração convencional, devido à facilidade na aplicação. Seguindo a metodologia, teve a etapa de projeto informacional, projeto conceitual, projet o preliminar, projeto detalhado, fabricação e teste. O teste do protótipo foi realizado com corpo de prova em formato de cruz segundo a norma ISO 16842:2014. Sendo possível o desenvolvimento de um dispositivo de ensaio biaxial baseado no mecanismo apresentado por Rohr, Harwick e Nahme para ser acoplado em uma máquina de ensaio de tração universal e utilizando um corpo de prova cruciforme. / The present study, which was documented in this paper, sought to develop a device for conducting a biaxial traction test using the solutions presented in the literature. Initially conducted a study that was condensed into an information frame and subsequently extracted the data that served as the basis for the project. Applying the design methodology and analyzing the initial data, a device to be coupled to a conventional traction machine was chosen due to its ease of application. Following the methodology, had the stage of informational design, conceptual design, preliminary design, detailed design, fabrication and testing. The prototype test was performed with a cross-shaped test piece according to ISO 16842: 2014. It is possible to develop a biaxial test device based on the mechanism presented by Rohr, Harwick and Nahme to be coupled to a universal traction test machine and using a cruciform test body.

L’évaluation de la résistance probable des éléments dissipatifs d’énergie sismique lors du dimensionnement parasismique des charpentes d’acier au Canada repose sur la limite élastique probable de l’acier. Les taux de déformation élevés dans les éléments dissipatifs au cours d’un tremblement de terre ont pour effet d’augmenter la limite élastique de l’acier dans ces éléments. Le comportement dynamique de l’acier étudié par le biais d’essais uniaxiaux conventionnels ne permettent pas nécessairement de valider le comportement d’un élément dissipateur d’énergie sismique pouvant être sollicité selon deux dimensions. Les cadres contreventés excentriques, où le lien ductile subi des déformations biaxiales par les effets combinés du cisaillement et de la flexion en est un exemple. Le projet de recherche présenté dans ce mémoire de maîtrise vise à évaluer l’effet du taux de déformation sur la limite élastique de l’acier structural de grade 350W lors de sollicitations impliquant un état planaire de contrainte. La conception d’une éprouvette cruciforme optimale en acier basée sur des recommandations proposés dans la littérature et sur des analyses par éléments finis a été effectuée. Six essais de traction uniaxiaux et quatre essais de traction équibiaxiaux sur éprouvettes cruciformes ont été réalisés à différents taux de déformation entre 0.0001/sec et 2.4/sec. Durant ces essais, les déformations moyennes à travers la partie centrale des éprouvettes ont été mesurées par un système de potentiomètre conçu dans le cadre de ce projet. Quatre essais biaxiaux sur éprouvettes cruciformes selon des rapports de déformation distincts ont également été réalisés à un taux de déformation quasi-statique. Chaque essai a été simulé numériquement à l’aide d’un modèle éléments finis dans lequel la limite élastique a été calibrée afin de reproduire le comportement observé lors des essais. Le critère d’écoulement plastique de Von Mises ainsi qu’une formulation d’écrouissage non-linéaire ont été adoptés lors des analyses numériques. Les modèles calibrées ont permis de déterminer la limite élastique dynamique observée lors de chaque essai. Les résultats des analyses confirment que la limite élastique de l’acier augmente en fonction du taux effectif de déformation. Sept lois de prédiction de la limite élastique de l’acier ont été étudiées. Trois lois ont permis de représenter la limite élastique dynamique de l’acier testé dans la plage des taux de déformation étudiée. La loi qui semble la mieux adaptée à être implémentée dans un logiciel de modélisation a été identifiée. La loi de Drysdale et Zak utilisé dans le logiciel ADINA ne permet pas d’évaluer correctement le comportement dynamique observé lors des essais impliquant un taux élevé de déformation. Une étude numérique préliminaire sur le lien ductile est également présentée dans ce mémoire.

Les procédés de mise en forme des tôles métalliques sont largement utilisés dans l’industrie mécanique. La simulation numérique des opérations de mise en forme nécessite une caractérisation précise des modèles de comportement rhéologique des matériaux. Dans de nombreuses opérations de mise en forme des tôles métalliques telle que l’emboutissage, l’hydroformage, …, de grandes déformations et des vitesses de déformations dites intermédiaires peuvent être atteintes sous des états biaxiaux de déformation ou de contrainte. L’objectif de ce travail est de montrer le potentiel de l’essai de traction bi-axiale pour caractériser l’écrouissage des tôles métalliques pour de grandes déformations et dans une gamme de vitesse de déformation dite intermédiaire. A partir de simulations numériques, une forme optimale d’éprouvette en croix, permettant d’atteindre 30% de déformation plastique équivalente dans la zone centrale de l’éprouvette sous un chargement équibiaxial, a été proposée. Par la suite, des essais quasi-statiques et dynamiques de traction bi-axiale ont été réalisés sur la forme d’éprouvette proposée à partir d’une machine dédiée d’essais servo-hydraulique à quatre vérins. Dans un premier temps, le matériau choisi est un alliage d’aluminium AA5086 ne présentant pas de dépendance à la vitesse de déformation. Les déformations expérimentales sont déterminées à partir de la technique de corrélation d’images. L’écrouissage isotrope de différents modèles est identifié à partir d’une procédure inverse basée sur une modélisation éléments finis de l’essai de traction biaxiale. Trois critères de plasticité (Mises, Hill 48 et Bron et Besson) ont été successivement utilisés pour l’identification des paramètres des lois d’écrouissage. Les résultats obtenus montrent d’une part que la modélisation est très sensible au critère de plasticité choisi, et d’autre part que le critère de Bron et Besson permet d’obtenir une très bonne corrélation entre les courbes d’écrouissage identifiées à partir de l’essai bi-axial et de l’essai uni-axial. Pour les tests dynamiques bi-axiaux, les phénomènes de résonance du dispositif mécanique, générés à l’impact initial de début d’essai et matérialisés par de fortes oscillations du signal d’effort, sont atténués par l’interposition d’un élément en élastomère dans le système d’ancrage de chaque bras de l’éprouvette. Pour finir, la méthodologie d’identification proposée est appliquée à la caractérisation du comportement viscoplastique d’un acier dual phase DP600. Les courbes d’écrouissage identifiées à partir des essais bi-axiaux ont été comparées à celles obtenues par des essais uni-axiaux pour une gamme de vitesse de déformation allant de 10- 3s-1 à 101s-1. Le DP600 présente une même sensibilité à la vitesse de déformation quelque soit la sollicitation, uni-axiale ou bi-axiale. Les lois d’écrouissage de Ludwick et de Voce, identifiées jusqu’à 30% de déformation plastique équivalente sur la base de données expérimentales constituées des essais bi-axiaux, sont relativement proches. Les différences observées entre ces courbes d’écrouissage et celles identifiées à partir des essais de traction uni-axiaux montrent tout l’intérêt de l’essai de traction bi-axiale sur éprouvette en croix. / Sheet metal forming processes are widely adopted to produce panels, tubes, profiled parts in manufacturing industry. The numerical simulation of the forming processes requires accurate constitutive models of material. In many sheet metal working operations such as stamping, hydroforming, …, large strains and intermediate strain rates can be reached under biaxial strain or stress states. The objective of this work is to show the potential of the biaxial in-plane tensile test to characterize the hardening behaviour of metal sheets up to large strain levels. By numerical investigation, an optimal cruciform shape is designed to obtain large equivalent plastic strain, up to 30%, at the central zone under equi-biaxial strain path. As expected, the initial cracks of tested specimens are always observed at the central zone. Then, quasi-static and dynamic biaxial tensile tests on in-plane cross specimens have been performed on a dedicated servo-hydraulic machine. These biaxial tensile tests have been carried out on aluminium alloy AA5086 to validate the identification methodology of hardening behaviour under biaxial loading. This alloy has been chosen since its hardening behaviour is not dependent on the strain rate. Digital Image Correlation (DIC) technique is used for strain measurement. The parameters of isotropic hardening models are identified by inverse analysis based on the finite element model of the biaxial tensile test. Three yield criteria of Mises, Hill48 and Bron and Besson are compared for the parameter identification of different hardening laws. It is shown that the hardening law identified by biaxial test is precise only if an appropriate yield function is preliminarily determined. The biaxial flow stress curve identified with Bron and Besson yield function have been found in good agreement with the experimental flow stress curve obtained from uniaxial tensile tests. For biaxial tests at intermediate strain rates, damping layers are adopted to reduce oscillations on force versus time curves. The comparison of flow stress curves, identified from quasi-static and dynamic biaxial in-plane tensile tests on the non strain rate-dependent material AA5086, validates the identification methodology of strain-rate dependent hardening models. Finally, the proposed methodology is applied to the hardening characterization of a strain-rate dependent Dual Phase steel DP600 at room temperature. Identified biaxial flow stress curves have been compared with uniaxial ones for different strain rates ( . = 10-3s-1, 10-1s-1 and 101s-1). DP600 steel exhibits the same positive strain rate sensitivity for uniaxial and biaxial strain states. The biaxial flow stress curves identified on the basis of Ludwick and Voce hardening models are close, up to equivalent plastic strains of 30%. The benefits of the proposed methodology, based on a biaxial in-plane tensile test carried out on cross specimen, are clearly shown since the hardening behaviour identified in this case for large strains (up to 30%) is very different from the one identified from uniaxial tensile test on a smaller strain range.