Analyse par éléments finis du comportement en fatigue d'un joint soudé sur éprouvette en Acier (A48).

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012,

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Analyse par éléments finis du comportement en fatigue d'un joint soudé sur éprouvette en Acier (A48).

Y. Kambouz, B. Bouchouicha, F.Z. Méssabih, N. Cheriet, M. Benguediab,

Laboratoire des matériaux et systèmes réactifs- Département de Génie Mécanique- Faculté des Sciences de l'Ingénieur- Université de Sidi Bel Abbes.

Auteur Correspondant: y_kambouz@yahoo.fr Résumé:

Il n’existe pas de modèle ‘robuste’ de dimensionnement des assemblages soudés. Les codes de calcul, ou les estimations qui peuvent être faîtes incluent et se limitent le plus souvent à un coefficient de sécurité élevé. On envisage, d’étudier, de modéliser et de fournir des outils de dimensionnement fiables en termes de tenue en fatigue sous sollicitations aléatoires d’un assemblage soudé.

Le travail consiste à quantifier la tenue en fatigue des structures soudées.

La prédiction de la durée de vie de ces structures devra prendre en compte la qualité du soudage qui dépend de plusieurs facteurs (conditions opératoires, matériaux et chargement).

Les discontinuités géométriques des matériaux dans les assemblages soudés sont des sites préférentiels d’amorçage et de propagation.

Ce travail traitera de la prévision des durées de vie de ces assemblages en fatigue sous sollicitation uniaxiale et d’analyser l’influence des conditions opératoires sur la prévision des durées de vie.

Mots-clefs:Soudage, Endommagement, fatigue, cumul de dommage, durée de vie.

I. Introduction.

En général, l’endommagement d’un matériau est une altération de ses propriétés physiques et mécaniques, dégradation qui accompagne une sollicitation soit monotone (chargement lié à une mise en forme par exemple), ou variable au cours du temps (chargement généralement endommageant par fatigue). Nous ne nous intéressant dans ce travail qu’à la seconde catégorie de ces sollicitations qui conduit au dommage par fatigue.

Parmi les défaillances d'origine mécanique, on considère que la majorité des défaillances sont dues à un phénomène redoutable : la rupture par fatigue .celle-ci se produit sans prévenir, sans dissipation notable d'énergie et peut causer des dégâts considérables, en particulier sur des structures soudées.

La fatigue est l'exposition a un chargement cyclique non monotone, qui comporte des phases de chargement et de déchargement (voire de chargement en sens inverse).la fatigue peut être due à plusieurs causes : une vibration normale ou anormale, des contraintes d'origine thermique (gradient de température variables dans le temps, incompatibilité de dilatation thermique ...) en plus des chargements en service qui peuvent être très sévères [1].

Le présent travail est centré sur une analyse numérique à l'aide du code de calcul ANSYS. La simulation permet d'avoir une idée plus précise de l'allure des champs de contraintes, de déformations et de la durée de vie des joints soudés.

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II. Simulation en fatigue d’un joint de soudure sur une éprouvette en acier A48.

II.1.Présentation du matériau.

Le tableau II.1 donne des valeurs typiques des caractéristiques mécaniques du matériau utilisé pour l’éprouvette d’essai.

Tableau II.1 : Caractéristiques mécanique de l’acier A48 dans trois différentes zones [2].

Matériaux

Propriétés mécaniques

Re (MPa) Rm (MPa) A (%) k n

Métal de Base (MB) 325 660 30 980 0,401

Zone affectée thermiquement (ZAT) 445 760 40 836 0,302

Métal fondu (MF) 420 720 35 1009 0,508

Nous pouvons remarquer dans ce tableau les valeurs des caractéristiques des trois différentes zones (MB, ZAT, MF).

II.2. Modélisation de l’éprouvette d’essais de fatigue.

II.2.1. Dimensions de l'éprouvette

La modélisation de l’éprouvette d’essais de fatigue à été faite à l’aide de SOLIDWORKS qui nous a permis de la réaliser avec une très grande précision du point de vue dimensions et formes géométriques.

Figure II.1 : Géométrie de l’éprouvette de simulation de fatigue.

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II.2.2. Modélisation de l’éprouvette avec solidworks.

L’assemblage soudé a été modélisé par Solidworks version 2011et est représenté sur la figure suivante.

Figure II.2 : Modélisation de l’éprouvette d’essai.

Nous pouvons remarquer les différentes zones sur cette éprouvette

 MF : Métal fondu (couleur grise)

 ZAT : Zone affectée thermiquement de part et d’autre de la zone du métal fondu.

 Métal de base de part et d’autre de la ZAT (à gauche couleur verte et à droite couleur marron de même propriété mécanique).

Remarque: Chaque zone a ses propres caractéristiques mécaniques telles qu'il est mentionné sur le tableau II.1.

II.3. Simulation des essais de la fatigue.

L’objectif ici est de programmer à l’aide du code calcul « ANSYS » tous les éléments nécessaires permettant d’obtenir en temps réel l’évolution de l’indicateur de dommage proposé afin de pouvoir mieux connaitre l’état de l’endommagement dans la structure à chaque instant de la vie du matériau et d’estimer la durée de vie totale des pièces mécaniques sous chargement (bas/haut, haut/bas et bas/haut/bas)

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II.3.1.Etapes de l’analyse sur ANSYS :

Apres la modélisation de l’éprouvette son analyse est faite sur plusieurs étapes qui sont les suivantes :



Choix du matériau

Le logiciel (ANSYS) possède dans sa bibliothèque une gamme très variée de matériaux (aciers ; alliages d’aluminium ; alliages de cuivre…), il nous permet donc de faire un choix du matériau qui nous intéresse et ceci se fait en désignant sur géométrie (modèle) le nom de l’éprouvette, un tableau s’affiche en dessous de l’arborescence dans lequel on désigne le choix du matériau..

On peut remarquer sur l’arborescence la désignation des propriétés graphiques avec le matériau choisi sur lequel on peut voire toutes ses caractéristiques mécaniques et physiques.



Maillage

On désigne le maillage sur l’arborescence, un tableau s’affiche alors sur lequel on peut faire les choix des paramètres du maillage. Les résultats de cette simulation sont liés au maillage de l’éprouvette, de ce fait nous avons choisi un maillage avec un centre de pertinence fin, pour donner plus de précisions aux résultats, à savoir aussi que le maillage est différent d'une zone à une autre.



Nouvelle analyse

(structure statique, dynamique déformable, dynamique rigide, réponse harmonique etc.…..)

Après le choix du matériau et du maillage nous passons à l’analyse de la fatigue en désignant

« nouvelle analyse » on choisit ensuite « dynamique déformable ».

Pour la fixation et 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 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.

Pour la solution nous devons faire un choix des types de solutions à savoir :

 Contrainte normale.

 Déformation normale.

 Outils de fatigue (durée de vie).

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 128 La simulation sur ANSYS avec deux paliers de chargements consiste à charger l’éprouvette avec une force et un nombre de cycles donnés au premier palier et une deuxième force au deuxième palier et déterminer le nombre de cycles au second palier. Pour cela on fixe la valeur de la force du premier palier et deuxième palier on fixe aussi le nombre de cycles du premier palier et on donne arbitrairement des nombre de cycles pour le deuxième palier jusqu’à l’obtention de la valeur des blocs égale à 1 qui signifié que la somme des nombres de cycles du 1^er et 2^èmepalier utilisés est appliquée en une seule et unique fois suite à laquelle nous avons la rupture (D=1).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 (figure II.3).

II.3.2 Résultats de la simulation :

II.3.2.1 Résultats de la simulation chargements bas/ haut.

Tableau II.2: résultats de la simulation pour un chargement bas/haut.

Chargements 240 Mpa 260 Mpa 280 Mpa

305 Mpa Resultats

Expérimentaux.

Resultats Simulation Nombre de cycles par

bloc

103000 26258 19427 25730

Durée de vie totale 174415

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 129 Figure II.3 : Résultats de la simulation en fatigue avec quatre blocs de chargement bas/haut

II. 3.2.2. Résultats de la simulation chargements haut/bas.

Figure II.4 : Résultats de la simulation en fatigue avec quatre blocs de chargement haut / bas.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 130 Tableau II.3 : Résultats de la simulation pour un chargement haut/bas.

240 Mpa Résultats

Expérimentaux.

bloc

10950 19427 26258 55680

II.3.2.3. Résultats de la simulation chargements aléatoire.

Figure II.5 : Résultats de la simulation en fatigue avec quatre blocs de chargement aléatoire.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 131 Tableau II.4 : Résultats de la simulation pour un chargement aléatoire.

240 Mpa Resultats

Expérimentaux.

bloc

19427 10950 26258 51920

III. Conclusion.

La prédiction de la durée de vie en fatigue à partir d’une analyse par éléments finis pour un acier A48 a été étudiée pour une structure soudée soumise à des chargements bas/haut ensuite haut/ bas et enfin à des chargements aléatoires.

cette simulation donne l’avantage de visualiser les zones endommagées dans la structure et permet aux constructeurs d’optimiser la durée de vie des structures soudées; pour éviter les dommages importants et les pertes de vies humaines. Par conséquent, l’objectif du processus de conception consiste à effectué des calculs de fatigue à un stade précoce.

Il est important de signaler que des essais expérimentaux sont prévus afin de nous permettre de comparer entre les résultats de la simulation avec ceux expérimentaux.

IV. Références bibliographiques.

[1]- Claude Bathias, Jean Paul Baillon, La fatigue des matériaux et des structures, édition Hermès- Lavoisier (1997).

[2]- Henri-Paul Lieurade Centre des industries mécaniques (CETIM) 60300 senlis, France