Academic literature on the topic 'Fatigue multiaxiale du caoutchouc'

Ce travail présente l’étude de l’évaluation de la durée de vie en fatigue d’un joint éclissé de rail en utilisant deux critères de fatigue multiaxiaux. Le premier critère, basé sur l’approche de type plan critique, est celui de Dang Van. C’est un critère largement utilisé pour les applications industrielles en France. Pour certaines conditions de chargement, en particulier lorsque la structure est soumise à des états de contraintes non proportionnels, l’approche plan critique ne fournit pas toujours une durée de vie conservative en fatigue. C’est la raison pour laquelle un autre critère, basé sur une approche différente de fatigue multiaxiale, a été implémenté et mis en œuvre. Le second critère relève de l’approche intégrale proposée par Zenner. Ces deux critères sont programmés sur le logiciel Matlab pour le calcul de la durée de vie en fatigue multiaxiale. Des différences significatives sont obtenues selon l’approche de fatigue multiaxiale utilisée.

Le caoutchouc est souvent demandé dans l’industrie. Un des problèmes majeurs rencontré dans l'utilisation du caoutchouc reste encore aujourd’hui la prédiction des durées de vie en fatigue. Puisque les composants de l’industrie subissent souvent la sollicitation compliquée, on concentre le sujet dans cette étude sur la fatigue du caoutchouc sous la sollicitation multiaxiale. Les objectifs de cette étude devraient inclure la chose suivante :1) Obtenir une bonne compréhension du mécanisme de fatigue multiaxiale du caoutchouc; 2) Identifier des approches existantes pour l'analyse de fatigue multiaxiale dans le caoutchouc, puis développer une nouvelle approche d'analyse de fatigue multiaxiale;3) Evaluer des approches existantes et nouvelles selon les résultats expérimentaux. Afin d'accomplir ces objectifs, trois éprouvettes différentes sont adoptées. Avec ces éprouvettes, on réalise plusieurs séries d’essais sous des chargements axiaux et biaxiaux sur une machine de fatigue biaxiale d’INSTRON. La simulation des éprouvettes est effectuée par Eléments Finis. Les durées de vie en fatigue sont analysées selon les résultats. Des études tomographies sont effectuées par un scanner médical pour évaluer les endommagements dans le caoutchouc pendant le processus de fatigue. Enfin, les surfaces des fissures de fatigue sont étudiées par M. E. B
Rubber is widely used in the industry. One of the major problems encountered in the applications of rubber remains still the prediction of the fatigue life of rubber. Since the components industrial undergo complex loading, we focus our subjects on fatigue of rubber under complex loading in this study. The objectives of this study should include the following points:1) To have a good understanding of the mechanism of multiaxial fatigue of rubber;2) To identify the existing approaches for analyzing the multiaxial fatigue of rubber, and hen develop a new approach;rubber, 3) To evaluate the existing and new approaches according to the test results. In order to accomplish these objectives, three different specimens are adopted. With these specimens we carry out several series of fatigue test under axial and biaxial loading on an INDTRON biaxial fatigue machine. The simulation of the specimens is performed by Finite Element Method. The fatigue lives of rubber are studied according to the test results. The tomography method is used to study the damage inside the rubber during the fatigue process by a medical scanner. Finally, the fatigue crack surfaces are examined by S. E. M

Le caoutchouc naturel est connu pour ses excellentes propriétés mécaniques en fatigue multiaxiale et celles-ci sont généralement attribuées à sa faculté à cristalliser sous contrainte. Cependant, le lien entre la cristallisation sous contrainte et les propriétés mécaniques du caoutchouc naturel n'a jamais été établi. L'objectif de cette thèse est donc de comprendre l'origine des excellentes propriétés en fatigue multiaxiale du caoutchouc naturel chargé au noir de carbone, en considérant deux échelles d'étude fines, par opposition à l'échelle macroscopique généralement considérée. La première partie de la thèse est dédiée aux mécanismes de propagation des fissures de fatigue uniaxiale et de dissipation d'énergie à l'échelle des fissures et micro-fissures ; ces mécanismes sont déterminés grâce à des essais originaux de propagation in-situ observés au microscope électronique à balayage. Dans la deuxième partie de la thèse, la cristallisation sous contrainte est étudiée à l'échelle macromoléculaire, en déformation quasi-statique multiaxiale d'une part et en fatigue uniaxiale d'autre part, par des essais de diffraction des rayons X réalisés au synchrotron Soleil. Les différentes caractéristiques des cristallites, c'est-àdire leur taille, orientation, nombre et paramètres de mailles sont mesurées lors des différents essais mécaniques. Il apparaît qu'en déformation multiaxiale, les cristallites sont de même taille et ont les même paramètres de maille que celles nucléées en déformation uniaxiale, mais leur orientation varie fortement avec la multiaxialité de la déformation et n'est pas influencée par le chemin de déformation. Enfin, on montre qu'en fatigue uniaxiale, les caractéristiques des cristallites évoluent avec le nombre de cycles, différemment en fonction des extensions minimales et maximales imposées à chaque cycle.

Le caoutchouc naturel est connu pour ses excellentes propriétés mécaniques en fatigue multiaxiale et celles-ci sont généralement attribuées à sa faculté à cristalliser sous contrainte. Cependant, le lien entre la cristallisation sous contrainte et les propriétés mécaniques du caoutchouc naturel n’a jamais été établi. L’objectif de cette thèse est donc de comprendre l’origine des excellentes propriétés en fatigue multiaxiale du caoutchouc naturel chargé au noir de carbone, en considérant deux échelles d’étude fines, par opposition à l’échelle macroscopique généralement considérée. La première partie de la thèse est dédiée aux mécanismes de propagation des fissures de fatigue uniaxiale et de dissipation d’énergie à l’échelle des fissures et micro-fissures ; ces mécanismes sont déterminés grâce à des essais originaux de propagationin-situ observés au microscope électronique à balayage. Dans la deuxième partie de la thèse, la cristallisation sous contrainte est étudiée à l’échelle macromoléculaire, en déformation quasi-statique multiaxiale d’une part et en fatigue uniaxiale d’autre part, par des essais de diffraction des rayons X réalisés au synchrotron Soleil. Les différentes caractéristiques des cristallites, c’est-à-dire leur taille, orientation, nombre et paramètres de mailles sont mesurées lors des différents essais mécaniques. Il apparaît qu’en déformation multiaxiale, les cristallites sont de même taille et ont les même paramètres de maille que celles nucléées en déformation uniaxiale, mais leur orientation varie fortement avec la multiaxialité de la déformation et n’est pas influencée par le chemin de déformation. Enfin, on montre qu’en fatigue uniaxiale, les caractéristiques des cristallites évoluent avec le nombre de cycles, différemment en fonction des extensions minimales et maximales imposées à chaque cycle
Natural rubber is well-known for its excellent mechanical properties in multiaxial fatigue and those are generaly attributed to the ability of the material to crystallize when strained. However, the relationship between strain-induced crystallization and mechanical properties of natural rubber has never been established. The aim of this thesis is therefore to understand the origin of the great multiaxial fatigue properties of carbon black-filled natural rubber, by considering two small scales of study, as opposed to the macroscopic scale generally considered. The first part of this thesis is dedicated to uniaxial crack growth and energy dissipation mechanisms at the cracks and micro-cracks scale ; those mechanisms are determined thanks to original in-situ propagation tests observed with scanning electron microscope. In the second part of the thesis, strain-induced crystallization is studied at the macromolecular scale, in static multaxial deformation on the one hand and in uniaxial fatigue on the other hand, thanks to X-ray diffraction measurements performed at the Soleil synchrotron facility. The characteristics of crystallites, i. E. Their size, orientation, number and lattice parameters, are measured during the different mechanical tests. We observe that in multiaxial deformation, the crystallites are similar in size and have the samei lattice parameters than those nucleated in uniaxial deformation, but their orientation strongly varies with the multiaxiality of the deformation and is not influenced by the loading path. Finally, we show that in uniaxial fatigue, the characteristics of the crystallites evolve with the number of cycles, differently depending on the minimum and maximium stretch ratios reached at each cycle

Cette étude contribue à une compréhension assez fine du comportement du matériau, caoutchouc naturel renforcé avec du noir de carbone (NR-CB). Des sollicitations, monotones et cycliques, uniaxiales et multiaxiales, ont permis de dégager les principaux phénomènes physiques ainsi que leur influence sur le comportement de l’élastomère. Ensuite, nous avons modélisé le comportement du matériau par deux lois : la première est hyperélastique incompressible et la seconde est compressible endommageable. Enfin, une comparaison entre ces deux modèles a été effectuée. Par ailleurs, l’étude expérimentale de la fatigue sous chargements complexes a permis de décrire les interactions entre les sollicitations axiales et de torsion ainsi que l’effet du déphasage sur la localisation et la durée de vie. Cette analyse est complétée par des études fractographiques permettant l’identification des différentes phases de fissuration (échelle macroscopique) et des sites d’amorçage (échelle microscopique). Enfin, nous avons établi un critère de prévision de la durée de vie robuste sous chargements complexes. Ce critère prévoit la localisation de l’amorçage, l’orientation de fissures et le nombre de cycles à l’amorçage. Il a été validé sur des éprouvettes de structure et sur des pièces industrielles. Enfin, nous avons comparé ce critère à un modèle pris dans la littérature
This work explores the mechanical behaviour of a carbon-black reinforced natural rubber (NR-CB) subjected to monotonic, cyclic, uniaxial and multiaxial loading. Several physical phenomena have been identified. In particular, we have characterised the material compressibility under various kinds of loading conditions and confirmed the results by means of microscopic observations. Consequently, in order to describe the material behaviour, we have considered and compared two constitutive models: the first one is hyperelastic incompressible whereas the second one is more realistic as it uses a damage-induced compressible approach. Furthermore, fatigue experimental results obtained under complex loading histories allow to describe the interaction between axial and torsional loading. In particular, the phase angle effect on the lifetime and the crack location have been determined. These analyses were supported by fractographic observations that allow the identification of different tearing steps (macroscopic scale) and initiation sites (microscopic scale). Finally, we have established a model able to predict the location and orientation of cracks, as well as lifetime under complex loading. This criterion has been validated for complex geometry and industrial components. Finally, we have compared this model with another taken in literature

Trois étapes sont mises en oeuvre ici : la méthode de localisation, la fonction de dommage matériau et le processus de détermination des chargements équivalents en fatigue (CEF). De nombreux essais de fatigue ont été réalisés (415 au total) pour étudier le comportement en fatigue sous chargement multiaxial relaxant et non relaxant sur des éprouvettes de caoutchouc naturel. La durée de vie et les caractéristiques des fissures sont analysées pour finalement introduire un critère de fatigue approprié basé sur le plan critique et permettant de rendre compte de l'effet de déformation moyenne. Ce critère est généralisé à travers une méthode originale de recherche du plan critique. Pour estimer la réponse mécanique locale (méthode de localisation), une méthode de couplage des axes adaptée à la nature non linéaire des structures élastomères est proposée. Elle est basée sur la décomposition multiplicative des tenseurs du gradient de la déformation. Ces deux étapes sont ensuite mises en oeuvre dans le cadre du processus de détermination du CEF. Pour cela, une méthode d'optimisation globale est ajoutée pour déterminer les chargements simplifiés, induisant partout localement le même endommagement en fatigue dans la structure étudiée que le RLD. Le temps de calcul de cette optimisation est réduit en ne considérant qu'un sous-ensemble de points matériels, les plus endommagés, pour la détermination du CEF. Enfin, la méthode a été testée sur une éprouvette afin de souligner ses capacités et de valider l'approche
This thesis introduces an Equivalent Fatigue Load (EFL) approach for the multiaxial fatigue design of elastomeric parts. As direct Finite Element Analysis (FEA) calculations of automotive in-service loads (Road Load Data (RLD)) are too expensive, the objective is to derive simplified load blocks as a realistic input for numerical damage calculations. Three streps are applied for this method: the localization method, the material damage function and the EFL determination process. Various fatigue tests have been conducted (415 samples) to study the fatigue behavior of this complex type of relaxing and non-relaxing multiaxial loading on natural rubber specimens. Lifetime and crack features are analyzed to eventually introduce an appropriate critical planebased fatigue measure and to establish a novel mean strain effect model. This criterion is generalized throughout an original critical plane search method. To estimate the local mechanical response (localization method), this thesis identifies an axes-coupling method that is fitted for the nonlinear nature of elastomeric structures. It is based on the multiplicative decomposition of the deformation gradient tensors. These two steps are then implemented in the framework of the EFLdetermination process. For this, a global optimization method is added to determine the simplified load blocks, causing locally the same fatigue behavior in the given structure. The computational costs of this optimization are reduced by only considering a subset of the most damaged material points for EFLdetermination. Finally, the method has been challenged on a specimen to outline its capabilities and to validate the approach

L'industrie automobile utilise de nombreuses pièces en caoutchouc aux fonctions antivibratoires, dont il faut garantir la tenue en service. L'objectif de ce travail de thèse est de proposer une méthode pour prévoir la durée de vie en fatigue d'une structure en caoutchouc naturel chargé au noir de carbone. La démarche proposée consiste à découpler l'évolution du comportement mécanique et l'endommagement sous chargement cyclique. On suppose qu'il existe un cycle stabilisé et que la durée de vie, définie comme l'amorçage d'une fissure détectable, ne dépend que des grandeurs mécaniques évaluées sur celui-ci. Les élastomères soumis à un chargement cyclique présentent un adoucissement associé à l'effet Mullins, qui se produit surtout pendant les premiers cycles, après lesquels la réponse du matériau reste identique. On propose un modèle capable de décrire cette réponse stabilisée, ne dépendant que des variables mécaniques en régime établi. Ses paramètres sont les élongations maximales dans un nombre fini de directions matérielles, de façon à décrire l'anisotropie induite par l'effet Mullins. Ce modèle est ensuite utilisé pour analyser un grand nombre d'essais d'endurance uniaxiaux et multiaxiaux, réalisés sur éprouvettes axisymétriques. On montre qu'il permet de prendre en compte efficacement l'influence du type de contrôle ou d'une précharge. L'analyse des essais multiaxiaux ne mettant pas en jeu de renforcement, c'est-à-dire passant par l'état de déformation nul, montre que la contrainte principale maximale est suffisante pour représenter tous les cas de chargement, à l'exception de ceux qui font intervenir des phénomènes de cumul multi-plans. On propose alors une loi de cumul d'endommagement pour représenter ce type de chargement.

Les élastomères présentent une diversité d'utilisation et des caractéristiques mécaniques spécifiques (grandes déformations, comportement dissipatif, ...) qui en font une famille de matériaux très utilisés dans l'industrie. Lors de leur fonctionnement, les pièces réelles subissent des sollicitations complexes. Comprendre les phénomènes induits par la fatigue multiaxiale constitue ainsi un enjeu important dans la phase de conception industrielle. Le matériau utilisé au cours de cette étude est un polychloroprène (CR), fourni par la société Hutchinson et présent dans les poulies découpleuses. Celui-ci possède une réponse dissipative en grandes déformations. Son comportement est modélisé à partir de lois de comportements viscohyperélastiques suivant deux approches : une méthode analytique impliquant un calcul simple en un point d'un cylindre et l'autre utilisant un calcul éléments finis implémenté dans ANSYS. Une campagne expérimentale en fatigue multiaxiale est alors réalisée, en traction-torsion afin de tester l'énergie dissipée comme critère de fatigue multiaxial. Celui-ci présente des résultats intéressants. Des diagramme de Haigh ont été établis afin de mettre en évidence le phénomène de cristallisation. Des analyses post-mortem ont été menés avec un microscope électronique à balayage et expose des spécificités morphologiques liées à la sollicitation vue par le matériau.

Ce travail est consacre a l'elaboration d'une methode de calcul de la duree de vie a l'amorcage applicable au cas de la fatigue multiaxiale a grand nombre de cycles des metaux polycristallins. Tout au long de l'etude, un soin particulier est apporte a la description de l'influence du dephasage sur l'accumulation du dommage. Au cours d'une analyse bibliographique, differents criteres d'endurance et quelques methodes de calcul de la duree de vie concernant les chargements d'amplitude variable sont decrits. Les propositions issues de l'approche microscopique sont analysees en detail. Pour etablir la nouvelle methode, la deformation plastique microscopique accumulee est choisie comme variable de dommage. Son calcul necessite le reperage du plan subissant le plus grand dommage. Apres la presentation des etapes du calcul dans le cas des chargements multiaxiaux sinusoidaux et une confrontation encourageante avec des resultats experimentaux, la methode est etendue aux chargements multiaxiaux quelconques. Une nouvelle procedure d'equivalence destinee au controle de la tenue en fatigue des structures est proposee. Finalement, des essais sous chargement d'amplitude variable sont entrepris afin de valider experimentalement la methode presentee. Le materiau teste est un acier a haute resistance de type 35ncd16 et le chargement applique est une sequence standard automobile (carlos). Pour trois types de sollicitation (traction, torsion et traction-torsion), on constate que les previsions du modele sont en bon accord avec les durees de vie experimentales

Le travail présenté traite de la fatigue multiaxiale. Il a pour but l'estimation de la durée de vie de structures industrielles soumises à tout type de chargement, du cas le plus simple, uniaxial et périodique, au cas le plus général et le plus complexe, multiaxial et à amplitude variable. La première partie présente une analyse, à partir d'une recherche bibliographique, des critères de fatigue multiaxiaux en contraintes. Elle regroupe 37 critères classés en trois familles : les critères empiriques, ceux de type plan critique et ceux d'approche globale. 24 critères ont été validés à l'aide d'une banque de données constituée de 233 essais de fatigue multiaxiaux tirés eux aussi de la littérature. La deuxième partie traite de la prise en compte de l'effet du gradient de contrainte dans les critères de fatigue multiaxiaux. Basée sur une proposition existante, l'introduction de l'effet du gradient dans les deux critères du LMSo est réalisée. Ces critères sont validés sur des essais multiaxiaux de flexion-torsion. Une méthode est proposée pour estimer le gradient de contrainte en tout point d'une structure complexe calculée par éléments finis dans le but de pouvoir appliquer ces critères avec gradient au cas des structures industrielles. La dernière partie concerne les évolutions et la validation de la méthode en contraintes d'estimation de durée de vie en fatigue multiaxiale d'amplitude variable proposée par le LMSo. Une première évolution de la méthode est établie. Elle est basée sur le principe du calcul et du cumul de dommage par plan physique. L'étude de l'influence de la variable de comptage, qui permet l'identification et l'extraction des cycles de contraintes de la séquence multiaxiale, aboutit à une seconde évolution, qui permet de s'affranchir du problème du choix de la variable de comptage. Elle réalise, plan par plan, le comptage des cycles, le calcul puis le cumul du dommage. Ces évolutions nécessitent d'utiliser un critère de type plan critique. L'ensemble des travaux est réuni et intégré sous la forme d'un logiciel industriel, Sollife, qui permet de modéliser le comportement en fatigue de structures complexes. Deux exemples industriels valident le logiciel. Les résultats obtenus sont encourageants. Ils montrent l'importance des effets de mise en forme et ouvrent de nombreuses perspectives
The work of thesis deals with multiaxial fatigue. Its purpose is the fatigue life assessment of industrial structures submitted to any kind of solicitations, from the most basic case, which is uniaxial and periodical, to the most general one, which is multiaxial and of variable amplitude. The first part is dedicated to the study of multiaxial fatigue stress-based criteria. 37 criteria issued from the literature are analysed. They are divided into empirical, critical plane and global approaches. 24 criteria are validated through 233 multiaxial fatigue tests issued also from the literature. The second part aims at taking into account the stress gradient effect within the multiaxial criteria formulation. Similarly to some recent work, the stress gradient effect is introduced within the Laboratory's criteria. These propositions are validated through combined bending-torsion tests. A proposition is made to calculate the stress gradient field from finite elements results obtained over any complex industrial structure. The third part describes the evolution of the Laboratory's fatigue life prediction method under multiaxial random loading. The first step presents a plane per plane damage accumulation. The fatigue damage is calculated and cumulated on physical planes. The second step shows the influence of the so-called counting variable on the fatigue life prediction results, and leads to a new concept: the cycle counting and the damage assessment are performed plane per plane. This procedure avoids the dependence of the choice of the counting on the life assessments. A critical plane approach criterion is required for these latter methods. This work is integrated to an industrial software called Sollife allows one to simulate the fatigue behaviour of any complex structure. The first results are in good assessment with experiments. They show the important effect of metal forming process (as stamping) and result in lots of perspectives