v2.2.4 (2114)

Cours scientifique - MS203 : Fatigue des matériaux et des structures

Domaine > Mécanique des fluides et énergétique, Science des matériaux, mécanique, génie mécanique, Mécanique.

Descriptif

L'objectif du cours est de donner des méthodes d'analyse et de dimensionnement de structures subissant notamment les phénomènes de fatigue et de fissuration. Le cours est illustré par de nombreux exemples d'applications industrielles issues des domaines des transports (automobiles, ferroviaires et aéronautiques), de l'énergie et du génie civil.

Objectifs pédagogiques

À la fin de ce cours, l'élève saura :
- les principaux critères de dimensionnement des structures
- ce qu'est le phénomène de fatigue  (cause de 80% des accidents mécaniques)
- reconnaître les différents types de fatigue (à grand et à faible nombre de cycles)
- dimensionner à l'apparition de fissure de fatigue

Il maîtrisera les concepts suivants :
- critères de limite d'élasticité
- contraintes résiduelles
- états limites de structures sous chargements cycliques
- critères de fatigue multiaxiale (Dang Van, type plan critique, etc.)
- énergie dissipée
- modèles de durée de vie à faible nombre de cycles
 

nombre d'heure en présentiel

21

nombre de blocs

7

Volume horaire par type d'activité pédagogique : types d'activité

  • Contrôle :
  • Petite classe :
  • Cours magistral :

Diplôme(s) concerné(s)

Parcours de rattachement

Pour les étudiants du diplôme Diplôme d'Ingénieur de l'Ecole nationale supérieure de techniques avancées

Mécanique des milieux continus MS101, élasticité linéaire MS102

 

Format des notes

Numérique sur 20

Littérale/grade européen

Pour les étudiants du diplôme Diplôme d'Ingénieur de l'Ecole nationale supérieure de techniques avancées

Vos modalités d'acquisition :

Contrôle écrit final avec les documents du cours

Le rattrapage est autorisé (Max entre les deux notes écrêté à une note seuil)
  • le rattrapage est obligatoire si :
    Note initiale < 6
  • le rattrapage peut être demandé par l'étudiant si :
    6 ≤ note initiale < 10
L'UE est acquise si Note finale >= 10
  • Crédits ECTS acquis : 2 ECTS
  • Scientifique acquis : 2

Le coefficient de l'UE est : 2

La note obtenue rentre dans le calcul de votre GPA.

L'UE est évaluée par les étudiants.

Programme détaillé

Un grand nombre d'accidents catastrophiques dans le domaine de l'aviation, de l'aérospatial et d'une manière générale du génie industriel, a pour origine la fissuration et la rupture de pièces mécaniques. L'une des principales causes d'amorçage de fissuration est la fatigue des matériaux et des structures. Celle-ci peut survenir sur toute structure soumise à des chargements variables. Or les structures mécaniques sont toujours soumises à des chargements thermomécaniques variables (cycliques ou aléatoires) : charges roulantes, vibratoires, rotatives.
Ainsi, les rails subissent les charges roulantes, leurs fluctuations, les variations de températures entre le jour et la nuit, entre l'été et l'hiver. Les éléments des centrales nucléaires sont soumis aux cycles marche-arrêt ; les tuyauteries connaissent, dans les zones de mélange entre les fluides chauds et froids, des sollicitations thermiques aléatoires. Les avions, entre plus des cycles décollage -atterrissage, subissent des turbulences, des fluctuations d'efforts dus au vent, tout comme les différents ouvrages d'art.

Des ruptures peuvent apparaître après un nombre très élevé de cycles de sollicitations sans aucun signe extérieur de dommage, alors même que la structure travaille dans le domaine élastique : on parle dans ce cas de fatigue à grand nombre de cycles. En régime plastique, la fatigue apparaît plus rapidement ;  on la qualifie alors de fatigue à faible nombre de cycles.

Aussi, ce cours débute par la présentation des critères de dimensionnement des structures, puis sur celle du problème de l'amorçage de fissures de fatigue. Un historique de la fatigue est effectué afin de mieux illustrer les difficultés rencontrées dans la formulation de critères fiables ainsi que dans le dimensionnement de structure à la fatigue.

On montre qu'au niveau macroscopique la nature de la fatigue susceptible de survenir est fonction de l'état stabilisé de déformations plastiques. Lorsque ces dernières sont importantes, il y a risque de fatigue oligocyclique (ou fatigue à faible nombre de cycles), alors que dans le cas où elles sont négligeables il y a plutôt risque de fatigue polycyclique (à grand nombre de cycles).
Ceci nous amène naturellement à étudier les états asymptotiques de structures élastoplastiques
soumises  des chargements cycliques. Trois types d'états stabilisés  (adaptation, accommodation ou rochet) sont possibles. Une condition suffisante d'adaptation est donnée. Elle est d'une importance primordiale pour la suite du cours, aussi  bien au niveau macroscopique dans la formulation locale du critère de fatigue (de Dang Van).

Ensuite, on s'intéresse  la fatigue polycyclique des métaux. Une présentation des critères classiques est faite. Elle permet de souligner leurs insuffisances, et de montrer la nécessité de tenir compte du trajet de chargement. Celle-ci est réalisée au moyen de l'approche macro-micro proposée par Dang Van.

Enfin, une introduction au problème de la fatigue à faible nombre de cycles vient clore cette première partie du cours. Elle donne aux élèves des notions permettant la détermination de la durée de vie des structures travaillant dans le régime plastique.

Mots clés

dimensionnement des structures, contraintes résiduelles, fatigue, fatigue polycyclique et oligocyclique, adaptation, critère de Dang Van, approche multi-échelle, modèles de durée de vie

Méthodes pédagogiques

cours magistral, illustrations par des exemples industriels, exercices d'applications
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