Simulation Numérique D`une Structure Soudée

Simulation Numérique D’une Structure Soudée
(Estimation de l’endommagement et la durée de vie)
N.H.CHERIET1, F.Z. KETTAF2, B. BOUCHOUICHA3
Laboratoire LMSR .Université Djillali Liabès
Sidi Bel Abbes- Algérie
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2
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3
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Résumé--L’objectif de ce travail est de programmer tous les
éléments nécessaires permettant d’obtenir l’évolution de
l’endommagement et d’estimer la durée de vie totale des pièces
mécaniques et de faire la simulation de la loi non linéaire
d’endommagement par fatigue de Miner. Il s’agit d’adapter cette
loi sur les plaques et structures présentant de frontières
hétérogène et de vérifier la dépendance des paramètres de la loi
vis-à-vis de la courbe S-N des différentes zones du matériau
utilisé pour leur obtention. Le modèle prédictif de durée de vie
des structures soudées utilisé, incarne des lois d’endommagement
classées suivant leurs bases physiques et leurs sensibilités avec les
paramètres du matériau considéré. Du moment que la
détermination des paramètres, ou calage de la loi, présente un
inconvénient de lissage par régression linéaire, l’évolution du
dommage par fatigue et par suite la durée de vie, s’en trouvent
donc modifiées. L’idée directrice est d’adapter un modèle basé
sur la loi de Miner déjà développée, sur les structures présentant
un détail d’hétérogénéité Différents modèles d’éprouvettes et
trois codes de calcul et de modélisation (ANSYS-WORKBENCHSOLIDWORKS) ont été utilisés. Une série d’éprouvettes
présentant chacune les propriétés mécaniques d’une zone
considérée (MB, MF et ZAT) avec des lois de comportements
vraies, puis une autre série présentant une configuration réelle
(MF au milieu puis décalé vers la ZAT). Les résultats obtenus ont
montré un bon accord entre la simulation et l’expérimentation.
Mots clefs : Structure soudée- zone de soudage- endommagement
–durée de vie- loi de Miner.
I. INTRODUCTION
La pression économique impose, pour une meilleure
rentabilité des constructions et des équipements, une plus
grande maîtrisé des marges de sécurité. La fatigue représente
toujours un mode de ruine fondamental. L’endommagement
par fatigue qui est défini comme la modification des propriétés
des matériaux consécutive à l'application d'efforts variables
dans le temps ou de cycles d'efforts.
Dans cette étude nous avons divisé notre simulation en
deux partis (étude statique et étude dynamique)
II. SIMULATION NUMÉRIQUE
Dans le but de faire une étude d’une structure soudée nous
avons divisé notre simulation en deux partis, premièrement
une étude statique, et deuxièmes une étude dynamique dans le
but de l’estimation de durée de vie.
Nous avons utilisé ANSYS qui est un code des éléments finis
d’usage général dédié à la résolution numérique d’une large
variété de problèmes physiques en général et mécaniques en
particulier ; Il y a deux méthodes pour utiliser le logiciel
ANSYS, soit en introduisant les informations directement
dans la fenêtre d’interface afficher, soit par un sousprogramme (langage de commande propre d’ANSYS).
La simulation est faite sous les étapes suivantes :




Géométrie : la modélisation de la pièce.
Engineering data : le Choix du matériau.
Model : le maillage.
L'analyse.
Pour l’estimation de l’endommagement des structures et la
durée de vie, Le modèle d’endommagement implanté au
logiciel utilisé est celui de Miner, ce modèle est le plus utilisé
pour quantifier le dommage par sa simplicité. Ce modèle est
une loi linéaire qui ne prend pas en compte l’histoire du
chargement. Les autres théories sont des lois non linéaires,
dont l’utilisation nécessite la connaissance de plusieurs
paramètres qui rendent difficile leur usage. Le critère utilisé
dans ce travail est l’indicateur qui présente une loi
d’évolution de l’endommagement en fatigue, la loi proposée
est une loi non linéaire qui prend en compte l’effet de
l’histoire du chargement. Le modèle utilisé est connecté à la
courbe S-N expérimentale et ne nécessite pas de nouveaux
paramètres à identifier, ce qui rend son utilisation aisée.
A. étude statique :
Pour l’étude statique nous avons simulé deux cas, le premier
sur des éprouvettes de traction soudées et le deuxième sur des
éprouvettes altères sans soudage avec les mêmes dimensions
mais avec différents propriétés mécaniques présentent chaque
zone de soudage. Notre matériau étudié est le C48 avec les
propriétés mécaniques suivantes:
Tableau I : tableau présente les propriétés mécaniques de C48
Propriétés mécaniques
Matériaux
Métal de Base
(MB)
Zone affectée
thermiquement
(ZAT)
Métal
fondu
(MF)
Re
(MPa)
Rm
(MPa)
A
(%)
k
n
325
660
30
980
0,401
445
760
40
836
0,302
420
720
35
1009
0,508
Pour le premier cas, nous avons faire la modélisation de deux
éprouvettes :
 Eprouvette contenant un cordon de soudure au milieu
de la pièce (le métal fondu situé exactement au
milieu).
 Eprouvette contenant un cordon de soudure mais
cette fois la zone affectée thermiquement situé au
milieu de la pièce.
Fig.2 : modélisation de première éprouvette étudie
Et finalement pour les conditions initiales :
 On désigne le premier côté de l’éprouvette qui doit
être fixé « support fixe ».
 On désigne le deuxième coté qui doit être chargé par
une force ou une pression.
Fig.5 : chargement de l’éprouvette
Et nous avons trouvé comme résultat :
Fig.6:Déformation de Von-Mises
Fig.3: modélisation de deuxième éprouvette étudie
Puis nous avons faire le maillage des éprouvettes :
Fig7 :contrainte de Von-Mises
Les résultats obtenus à partir des figures (6 et 7) ont montré
que la zone affectée thermiquement (zat) est la zone qui
présente une grande déformation relativement aux autres
zones.
Fig.4 : le maillage choisi pour les éprouvettes étudie
Pour le deuxième cas, nous avons faire la même simulation
mais cette fois sur des éprouvettes de tractions avec les mêmes
dimensions mais avec différents propriétés mécanique
présente chaque zone

Eprouvette entière avec des propriétés mécaniques de
métal de base(MB).

Eprouvette entière avec des propriétés mécaniques de
métal fondu(MF).

Eprouvette entière avec des propriétés mécaniques de la
zone affectée thermiquement (Zat).
Fig.12 : la courbe comparative entre les résultats expérimentaux et
numériques des contraints-déformations(Zat)
Fig.8 : les dimensions de l’éprouvette étudier
Les figures (10, 11, 12) exposent les courbes comparatives
entre les résultats de simulation et les résultats expérimentaux
des trois cas (MB, MF et ZAT).
- Dans le domaine élastique, les résultats obtenus par le
logiciel sont proches aux résultats expérimentaux.
- Le domaine élastique a une plage plus importante que le
domaine plastique.
Dans le domaine plastique, il y a un écart important entre
l’allure expérimentale et l’allure obtenue par le logiciel.
Fig.9 : lois de comportement de MB,MF et ZAT
(résultats expérimentaux)
B. étude dynamique
Pour l’étude dynamique nous avons utilisé deux codes de
calcule :
SOLIDWORKS : Nous avons choisi ce logiciel pour
modéliser notre éprouvette car il nous a permis de la réaliser
avec une très grande précision du point de vue dimensions et
formes géométriques.
ANSYS-WORKBENCH : nous avons utilisé ce logiciel pour
l’estimation de durée de vie et le cumul de dommage.
Fig.10 : La courbe comparative entre les résultats expérimentaux
et numériques( contraints-déformations(MB))
Fig.11 :la courbe comparative entre les résultats expérimentaux et
numérique des contraintes- déformations(MF)
Fig.13 :modélisation des éprouvettes avec SOLIDWORKS
Les résultats de cette simulation sont liés au maillage de
l’éprouvette, de ce fait nous avons choisi un maillage spécial
Dans le but de l'estimation de la durée de vie, nous avons fixé
la force appliquée en variant le nombre de cycle jusqu'à
l'obtention de la valeur minimal 1.000 .(nous pouvons
remarquer la distribution de la durée de vie le long de
l’éprouvette qui montre que la durée de vie minimale est au
milieu) ce qui signifie que le chargement se fait en 1.000 fois
pour atteindre la rupture de l’éprouvette (D=1).
Fig.14 : Le maillage choisi pour les éprouvettes sans soudage
fig.18: Exemple de résultats de la simulation.
.
Fig.15 : Le maiillage choisi pour les éprouvettes soudées
Le chargement initial de l’éprouvette :

On désigne le premier coté de l’éprouvette qui doit
être fixé « support fixe ».

On désigne le deuxième coté qui doit être chargé par
une force qui doit être évaluée à 0.1 Newton comme
charge initiale .Cette charge initiale est due à la fixation de
l’éprouvette entre les deux mors de la machine d’essais.
Fig.19 : Simulation de la première éprouvette soudée
(MF au milieu).
Fig.20 : Simulation de la deuxième éprouvette soudée
(ZAT au milieu).
Fig16 :le chargement initial de l’éprouvette
La simulation sur ANSYS dans le cas de cumul de
dommage, consiste à charger l’éprouvette avec une force
et un nombre de cycles. Pour les chargements des forces et
des nombres de cycles nous les important à partir du
logiciel « DELPHI » sur lequel on enregistre les données
des différents chargements
Fig 21: La courbe comparative globale de toutes les éprouvettes
étudiées.
Fig.17 : Le code de calcule PELPHI
Et pour Résultat de simulation des éprouvettes soudées :
Nous avons fait une estimation des durées de vie pour les deux
éprouvettes soudées (éprouvettes présentant un cordon de
soudure dans la partie la plus faible), les résultats obtenus sont
présentés dans les figures (19et 20)
La figure (21) représente une comparaison entre les
différentes éprouvettes et configurations étudies, les
conclusions suivantes ont été tirées :
 Les valeurs maximales des contraints appliqués
correspondent à l’éprouvette représentant la ZAT.
 Il y a un écart important entre les trois matériaux
(zones) dans le premier domaine (domaine
oligocyclique) entre 100 et 100000 cycles. Cet écart
décroit avec l’augmentation de nombre de cycles
jusqu’à ce qu'ils soient confrontés.


III. CONCLUSIONS
dans le but de bien cerner notre problème, nous avons utilisés
des différents logiciels (ANSYS,WORKBENCH et
SOLIDWORKS). Cette simulation numérique nous
permettons de faire :
- La modélisation géométrique des différents éprouvettes
étudiées, à savoir :




Les valeurs des contraints appliquées dans la courbe
de la deuxième éprouvette soudé sont plus
importantes que la courbe de la première éprouvette.
Il existe un écart décroissant entre les points des deux
courbes(courbes des éprouvettes soudée).
 Les points de la courbe de la première éprouvette
soudée (l’éprouvette qui contient un cordon de soudure
au milieu de la pièce, coïncident avec celle de la courbe
de l’éprouvette de MB.
 Il existe un écart décroissant entre les points de la
deuxième éprouvette soudée (la zone affectée
thermiquement située au milieu de la pièce et
l’éprouvette de Zat mais après 300000 cycles les
points coïncident converges vers des valeurs stables
présentent un écart faible.
Les figures suivantes (figure 22) présentent une comparaison
entre les résultats expérimentaux et numériques, et puisque
ceux obtenus numériquement sont limité à 3.10 6 et
expérimentalement à 8.106, nous avons présentés d’autres
figures sur des plages de nombre de cycles différentes.
On remarque que les deux résultats expérimentaux et
numériques présentent la même allure globale dans les trois
zones, avec un écart n’excédant pas 13% sur le palier
contraintes pour le même nombre de cycles.
Des éprouvettes de traction avec les mêmes
dimensions mais avec déférents propriétés mécanique
présente chaque zone:
Eprouvette entière avec des propriétés mécaniques de
métal de base(MB).
Eprouvette entière avec des propriétés mécaniques de
métal fondu(MF).
Eprouvette entière avec des propriétés mécaniques de la
zone affectée thermiquement (Zat).
 La modélisation géométrique d’autres éprouvettes mais
cette fois avec soudage sur des différentes zones, pour
faire une étude comparative de la zone la plus faible et la
comparer avec les autres éprouvettes sans soudage. Pour
donner une meilleure représentation nous avons modélisé
la zone étudiée exactement sur la section la plus faible de
l’éprouvette (une éprouvette contenant un cordon de
soudure au milieu de la pièce, le métal fondu situé
exactement au milieu), et la deuxième éprouvette
contenant un cordon de soudure mais cette fois la zone
affectée thermiquement situé au milieu de la pièce).
La simulation numérique de la durée de vie des structures
reste, pour l’instant, une affaire complexe. En effet, pour une
simulation, il est nécessaire de pouvoir associer des essais
expérimentaux à l’essai numérique pour calibrer le modèle,
plusieurs conclusions ont été tirées :
La simulation de la durée de vie dans les trois zones de la
soudure ainsi que la comparaison avec les résultats
expérimentaux était limité à 3.106 cycles. Globalement Les
deux résultats (expérimentaux et numériques) présentent la
même allure globale dans les trois zones, avec un écart
n’excédant pas 13% sur le palier contraintes pour le même
nombre de cycles.
pour notre travail avec les différents modèles d’éprouvettes et
les trois codes de calcule ANSYS, WORKBENCH et
SOLIDWORKS, nous avons trouvé que Les résultats obtenus
montre un bon accord entre la simulation et l’expérimentation.
IV. RÉFÉRENCES
Fig.22 : Représentation normale comparative entre les résultats de
simulation et les résultats expérimentaux.
[1]. Claude BATHIAS, Jean-Paul BAÏLON, La fatigue des matériaux et des
structures, édition Hermès – Lavoisier (1997).
[2]. AID Abdelkrim, Cumul d’endommagement en fatigue multiaxiale sous
sollicitations variables, thèse doctorat(2006)
[3]. T.BUI-QUOC: Cumul du dommage en fatigue, la fatigue des matériaux et
des structures.1980.
[4]. Kimtangar NGARGUEUDEDJIM,
d'endommagement en
Fatigue, thèse doctorat (2003).
Contribution à l'étude des lois
[5]. Mohamad JABBADO, Fatigue polycyclique des structures métalliques :
durée de vie sous chargements variables, thèse doctorat (2006)
[6].DOWLING, N.E. (1988). Estimation and correlation of fatigue lives for
random loading.
International Journal of Fatigue 10, No 3, 179-185.
[7].PALIN-LUC, T. (1996). Fatigue multiaxiale d’une fonte GS sous
solllicitations combinées d’amplitude variable. Thèse de Doctorat, ENSAM
CER de Bordeaux.
[8].SEKI, M., TANAKA, T., AND DENOH, S. (1971). Estimation of the
fatigue life under program load including the stresses lower than endurance
limit. Bulletin of the J. S. M. E. 14, 69, 183-190.
[9]. Manson S. S., Freche J. C. et Ensign S. R., Application of a double linear
damage rule to cumulative fatigue. In Fatigue Crack Propagation, ASTM STP
415. American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA, 1967,
384-412.
[10]. Henry D.L., A theory of fatigue damage accumulation in steel. Trans. of
the ASME, 1955, 77, 913-918.