Date : 2025
Type : Livre / Book
Type : Thèse / ThesisLangue / Language : anglais / English
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Résumé / Abstract : Le fretting est un phénomène se produisant entre deux corps en contact soumis à des sollicitations d'origines vibratoires, à l'origine de micro-glissements à l'interface du contact.C'est un phénomène qui peut conduire à l'amorçage de micro-fissures et à la formation des débris d'usure dans la zone de contact. Sous l'influence d'une sollicitation répétée de fatigue, les micro-fissures initiées par fretting peuvent se propager dans les pièces en contact, pouvant conduire à une rupture prématurée de la structure. Le phénomène de fretting-fatigue est rencontré dans de nombreux secteurs industriels et est un enjeu majeur. En aéronautique par exemple, la sollicitation de fretting-fatigue est présente à l'interface du contact aubes/disque des turboréacteurs et peut provoquer la ruine d'une aube ou d'un disque, pièce tournant à grande vitesse et sur laquelle la fissuration n'est pas autorisée.Ce travail de thèse porte sur le développement et l'implémentation d'une chaine de calcul utilisable en contexte industriel et permettant de prédire l'amorçage de fissure en fretting-fatigue à travers une modélisation non locale de la zone de contact. Cette modélisation non locale repose sur une analogie entre la mécanique du contact et la mécanique linéaire élastique de la rupture, et permet de prendre en compte efficacement l'effet de gradient en fretting-fatigue à partir de variables non locales. Dans un premier temps, un nouveau formalisme permettant d'étendre la modélisation non locale au cas des contacts entre solides ayant des propriétés élastiques différentes est proposé dans ce travail. En effet, dans les applications industrielles, les corps en contact sont en général fait de matériaux différents. Ensuite, pour confronter les prédictions du modèle non local avec l'expérience, la société Safran Aircraft Engines s'est dotée d'un dispositif expérimental permettant de faire des essais de fretting-fatigue dans des conditions de chargement complexes. Ces essais sont représentatifs des problèmes de fretting-fatigue rencontrés dans les applications industrielles et ont constitués une première base de validation du modèle non local. Ainsi des outils et méthodes numériques ont été développés dans le but d'exploiter le modèle non local d'une part sur des simulations par éléments finis de fretting-fatigue en 3D et pilotés avec le même chargement que celui imposé lors des essais. D'autre part, ces outils et méthodes ont été appliqués directement sur les essais de fretting-fatigue. Pour ce faire, la technique de corrélation d'images numériques est utilisée afin d'extraire les champs mécaniques au cours des essais.Enfin, des analyses ont permit de révéler que la souplesse du dispositif expérimental de fretting-fatigue permettait des mouvements de rotation non attendus et devait être prise en compte pour définir correctement les conditions aux limites dans les simulations. Pour prendre en compte cette souplesse machine dans un modèle numérique, un jumeau numérique du banc d'essai a été développé afin de reproduire fidèlement les essais de fretting-fatigue par simulation numérique. Une implémentation complète de la chaine de calcul est également effectuée sur les simulations éléments finis réalisées avec le jumeau numérique.
Résumé / Abstract : Fretting phenomenon occurs when two contacting solids are subjected to vibratory loads, resulting in micro-slip at the contact interface. This phenomenon can lead to micro-cracks initiation and wear debris formation within the contact region. Under the combined action of a fatigue force, micro-cracks initiated by fretting can propagate into contacting parts, leading to an early failure of the structure. Fretting-fatigue phenomenon is encountered in many industrial applications and is a major concern. In aeronautical industry, fretting-fatigue occurs at blade/disk root attachment zones in aircraft engines and can lead to the failure of a blade or a disk on which cracking is not allowed.This thesis focused on the development and implementation of a calculation chain that can be used in an industrial context to predict fretting-fatigue crack initiation risk through a non-local modeling of the contact zone. This non-local modelling relies on an analogy between contact mechanics and linear elastic fracture mechanics, and enables to take into account efficiently the gradient effect in fretting-fatigue by using non-local variables. First, a new formalism to extend the non-local modelling to the case of elastically dissimilar contacting solids is proposed in this work. In fact, in industrial applications, the bodies in contact are generally made of different materials. Secondly, to compare the predictions of the non-local model with experiment, Safran Aircraft Engines has acquired an experimental setup to carry out fretting-fatigue tests under complex loading conditions.These tests are representative of the fretting-fatigue problems encountered in industrial applications, and provided a basis for the validation of the non-local model. Thus, numerical tools and methods have been developed for the use of the non-local model, firstly on 3D finite element simulations performed by applying the same loading conditions as those imposed during fretting-fatigue experiments. These tools and methods were then applied directly to the fretting-fatigue tests. For this puurpose, the digital image correlation technique is used to extract mechanical fields during the experiments.Finally, analyses revealed that the flexibility of the fretting-fatigue experimental setup allowed for unexpected rotational movements and needed to be taken into account to properly define the boundary conditions in the simulations. To account for this compliance in a numerical model, a digital twin of the experimental setup has been developed to faithfully reproduce numerically the fretting-fatigue tests. A complete implementation of the calculation chain is also carried out on the finite element simulations performed with the digital twin model.