A force de répétitions, la fatigue pourrait se faire sentir
Qu’est-ce que la fatigue mécanique ?
La fatigue mécanique apparaît sous l’effet de sollicitations répétées, parfois bien inférieures à la résistance statique du matériau. Au fil des cycles, des dommages peuvent s’accumuler jusqu’à provoquer l’initiation puis la propagation d’une fissure, et éventuellement la rupture.
Le comportement en fatigue dépend notamment du niveau de contrainte, du nombre de cycles, du matériau, de la géométrie, de l’état de surface et des concentrations de contraintes.
Pourquoi réaliser un calcul de fatigue ?
Une vérification statique ne suffit pas toujours à garantir la tenue d’un équipement dans le temps. Une structure peut résister à une sollicitation ponctuelle tout en se dégradant progressivement lorsqu’elle est soumise à des chargements répétés ou variables.
L’analyse en fatigue permet ainsi de déterminer si une conception répond aux exigences de durée de vie et d’identifier les améliorations nécessaires avant l’apparition des premiers dommages.
Cette analyse en fatigue associe compréhension du comportement mécanique, simulation numérique FEA et méthodes de calcul adaptées au matériau, aux sollicitations et au référentiel du projet.
Qu'est ce que permet un calcul de fatigue ?
Pour anticiper ce phénomène lié à la fatigue des matériaux, le calcul de fatigue permet de :
- déterminer une durée de vie estimée
- identifier les zones critiques
- déterminer un nombre de cycles admissibles
- évaluer un coefficient de sécurité en fatigue
- comparer plusieurs variantes de conception
- identifier les zones nécessitant un renforcement ou une modification géométrique
- vérifier l'adéquation d'une conception avec un spectre de chargement donné
Comment
réalise-t-on un calcul de fatigue ?
Une analyse en fatigue commence par la compréhension des conditions réelles de fonctionnement de l’équipement.
Définition des sollicitations
Les cas de charge et leur fréquence d’apparition sont identifiés.
Il peut s’agir de cycles de fonctionnement, de vibrations, d’accélérations, de phases de démarrage et d’arrêt, de variations de pression, de charges mécaniques répétées ou encore de combinaisons de sollicitations.
Analyse du comportement mécanique
Une première analyse permet de déterminer les contraintes et déformations générées dans la structure.
Selon le problème étudié, celle-ci peut être réalisée par calcul analytique, résistance des matériaux ou simulation aux éléments finis.
Identification des zones critiques
Les résultats permettent de localiser les zones présentant les niveaux de sollicitation les plus importants.
Les concentrations de contraintes au niveau des changements de section, congés, perçages, assemblages ou soudures peuvent notamment constituer des points sensibles.
Détermination du comportement en fatigue
Les sollicitations calculées sont comparées aux caractéristiques de fatigue du matériau ou du composant.
Selon la méthode utilisée, l’analyse peut notamment s’appuyer sur des courbes S-N, également appelées courbes de Wöhler, ou sur d’autres modèles adaptés au comportement étudié.
Estimation de la durée de vie
Le nombre de cycles admissibles peut alors être déterminé pour les différentes zones de la structure.
Lorsque les chargements sont variables, plusieurs niveaux de sollicitation peuvent être combinés afin d’évaluer le dommage cumulé.
Interprétation et optimisation
L’analyse permet enfin d’identifier les éventuelles faiblesses de la conception et de rechercher des solutions :
géométrie → épaisseur → matériau → rayon de raccordement → assemblage → procédé de fabrication
L’objectif est d’améliorer la durée de vie sans nécessairement augmenter systématiquement la quantité de matière.
Existe-t-il plusieurs types de sollicitations en fatigue des matériaux ?
Fatigue sous chargement cyclique
Lorsque les charges se répètent selon des cycles réguliers ou variables.
Fatigue à grand nombre de cycles
Quand les niveaux de contraintes retentent modérés, les structures peuvent être soumises à un très grand nombre de sollicitations. On parle dans un tel cas d’une fatigue polycyclique.
Fatigue à faible nombre de cycles
Lorsque les sollicitations sont importantes, engendrant fréquemment une plastification locale, le nombre de cycles avant endommagement est très limité. On parle alors d’une fatigue oligo-cyclique.
Chargements multiaxiaux
Lorsque plusieurs composantes de contraintes évoluent simultanément et rendent l’état de sollicitation plus complexe.
Chargements variables
Lorsque l’équipement ne subit pas toujours les mêmes niveaux de charge et que son historique de fonctionnement doit être pris en compte.
Cycles thermomécaniques
Un cycle thermomécanique correspond à une sollicitation dans laquelle la température et les efforts mécaniques évoluent au cours du temps, avec des interactions entre les deux.
Spectres de chargement calibrés par des mesures
Les jauges de déformation (jauges extensométriques) sont particulièrement intéressantes pour récupérer l'évolution des déformations ou des contraintes sur une pièce réelle. Collées à l’endroits bien identifiés, ces mesures permettent de calibrer le chargement extérieur et d’affiner les prévisions de la durée de vie des équipements.
On obtient alors un historique temporel plus fiables et/ou réel.
Le calcul de fatigue peut ensuite exploiter cet historique réel plutôt que de partir d'un chargement théorique.
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De la caractérisation des sollicitations à l'évaluation de la durée de vie, le groupe SOLSI mobilise ses compétences en mécanique, simulation numérique FEA, mécanique des fluides et mesures sur site, pour apporter une réponse globale aux problématiques de fatigue des structures.