Prise en compte des spécificités des pinces forgées en fatigue illimitée.

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Caillet, Nicolas (2007) Prise en compte des spécificités des pinces forgées en fatigue illimitée. Doctorat Mécanique Numérique, CEMEF- Centre de mise en forme des matériaux, ENSMP p.148.

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Résumé

Ce travail s’inscrit dans une démarche d’intégration produit-procédé en vue d’optimiser les propriétés en fatigue illimitée des pièces de forge. Dans le domaine de la fatigue, afin de tirer bénéfice du procédé de forgeage il est indispensable de tenir compte, d’une part, des contraintes résiduelles issues de la mise en forme, mais également du comportement anisotrope des pièces, fonction de la direction des sollicitations vis-à-vis du fibrage de la pièce. Nous distinguons les matériaux dits sains et les matériaux à défaut, pour lesquels le comportement en fatigue est tributaire des inclusions. Pour ces derniers, dans le cas d’inclusions malléables, l’allongement des inclusions suivant la direction du fibrage constitue l’origine principale de l’anisotropie observée. Un critère dérivé de l’équation de Murakami est alors proposé. Une partie de l’anisotropie provient néanmoins de la microstructure, et cet aspect est également étudiée. Parallèlement, nous nous attachons à décrire de quelle manière le fibrage peut être modélisé dans le logiciel de simulation numérique de mise en forme Forge3®, pour être ensuite utilisé dans le calcul du critère de fatigue proposé. Une stratégie d’optimisation complète incluant calculs de forgeage et de fatigue est finalement illustrée sur une pièce réelle.

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Table des Matières

INTRODUCTION

I SPECIFICITE ET TENUE A LA FATIGUE DES PIECES FORGEES

I.1 Notations

I.2 Spécificités des pièces forgées

I.2.1 La notion de fibrage

I.2.2 Comportement des inclusions durant le forgeage

I.2.3 Influence du corroyage sur les propriétés mécaniques

I.2.4 Influence des traitements thermiques

I.2.5 Les contraintes résiduelles

I.2.6 Etat de surface des pièces forgées

I.3 Quelques notions sur la fatigue

I.3.1 Les différentes phases d’endommagement en fatigue

I.3.2 Conditions de chargement

I.3.3 Comportement du matériau sous différentes charges

I.3.4 Bilan

I.4 Phénomènes observés en fatigue

I.4.1 Influence du cisaillement moyen en torsion

I.4.2 Influence d’une contrainte normale moyenne en flexion

I.4.3 Evolution du rapport des limites de fatigue en traction et en torsion

I.4.4 Effet de gradient

I.4.5 Effet d’entaille

I.4.6 Influence des inclusions

I.4.7 Effet microstructure et texture

I.4.8 Fatigue des pièces forgées ou corroyées

I.4.9 Bilan sur les phénomènes observés en fatigue

I.5 Les critères d’endurance pour matériau sain

I.5.1 Introduction

I.5.2 Les critères macroscopiques

I.5.3 Les critères microscopiques

I.5.4 Les critères non locaux

I.5.5 Bilan sur les critères d’endurance pour matériau sain

I.6 Détermination de la limite de fatigue des matériaux contenant des défauts

I.6.1 Introduction

I.6.2 Classification des différentes approches

I.6.3 Les modèles empiriques type modèle de Frost

I.6.4 Les modèles de Mitchell et de Nordberg

I.6.5 Le modèle de De Kazinczy

I.6.6 Le modèle de El Haddad

I.6.7 Le modèle de Usami et Shida

I.6.8 Le modèle de Tanaka et al.

I.6.9 Murakami

I.6.10 Le critère de Billaudeau

I.6.11 Conclusion sur les critères pour matériaux avec défauts

I.7 Prise en compte des contraintes résiduelles

I.8 Conclusion de l’analyse bibliographique

II IMPLEMENTATION DE CRITERES DE FATIGUE DANS FORGE3®

II.1 Présentation de Forge3®

II.1.1 Le problème mécanique

II.1.2 La discrétisation du problème

II.1.3 Résolution numérique

II.1.4 Remaillage et transport de variables

II.2 Choix des critères à implémenter dans Forge3®

II.2.1 Critère pour matériau sain

II.2.2 Critère pour matériau à défauts

II.3 Implémentation du critère de Dang Van

II.3.1 Méthodologie

II.3.2 Détermination des contraintes résiduelles stabilisées : algorithme de recherche de la plus petite

hypersphère contenant le trajet de chargement

II.3.3 Prise en compte des contraintes résiduelles

II.3.4 Possibilités d’extension anisotrope

II.3.5 Bilan sur l’implémentation du critère de Dang Van dans Forge3®

II.4 Réalisation d’un calcul de fatigue (critère de Dang Van) avec Forge3®

II.4.1 Application des contraintes

II.4.2 Modifications apportées sur le pas de temps

II.4.3 Blocage des noeuds

II.4.4 Exemple de calcul utilisant le critère de Dang Van

II.5 Implémentation d’un critère d’endurance pour matériaux avec défauts

II.5.1 L’équation de Murakami

II.5.2 Extension biaxiale

II.5.3 Proposition d’extension multiaxiale de l’équation de Murakami

II.6 Quantification du fibrage

II.6.1 Principe pour des inclusions ductiles

II.6.2 Principe pour des inclusions qui ne se déforment pas II.6.3 Application dans le logiciel Forge3®

II.6.4 Exemple : Ecrasement de lopin

III VALIDATIONS DES CRITERES ET APPLICATIONS A DES PIECES SOUS SOLLICITATION

III.1 Essais Ascométal

III.1.1 Présentation des essais

III.1.1.1 Matériau de l’étude

III.1.1.2 Résultats

III.1.1.3 Observations micrographiques

III.1.2 Comparaison entre l’aire de défaut mesurée et le paramètre « area » de l’équation de Murakami

III.1.3 Détermination du taux de corroyage

III.1.3.1 Utilisation des observations micrographiques des éprouvettes sens travers

III.1.3.2 Utilisation des observations micrographiques des éprouvettes sens long

III.1.3.3 Bilan sur le calcul du corroyage

III.1.4 Analyse des résultats des essais de traction alternée

III.1.4.1 Prédictivité de l’équation de Murakami en fonction du rapport de charge

III.1.4.2 Origine de l’anisotropie

III.1.4.3 Couplage de la modélisation du corroyage avec l’utilisation du critère de Murakami

III.1.5 Analyse et simulation numérique des essais de torsion alternée

III.2 Bilan de l’étude des aciers Ascométal et modification du critère de fatigue

III.3 Premier exemple d’application : une vis

III.3.1 Mise en forme de la vis

III.3.2 Calculs de fatigue

III.4 Deuxième exemple d’application : un vilebrequin

III.4.1 Présentation du cas

III.4.2 Mise en forme du vilebrequin

III.4.2.1 Simulation des premières étapes de forgeage

III.4.2.2 Ebavurage

III.4.2.3 Fibrage du vilebrequin

III.4.3 Calculs de fatigue

III.4.3.1 Applications des sollicitations en fatigue

III.4.3.2 Résultats du critère issu de l’équation de Murakami

III.4.4 Influence des opérations de parachèvement

III.5 Conclusion

IV LA DEMARCHE D’OPTIMISATION : APPLICATION A UN POUSSOIR DE SOUPAPE

IV.1 Présentation du cas d’application : le poussoir de soupape AMIS

IV.2 Mise en forme du poussoir de soupape

IV.2.1 Rhéologie

IV.2.2 Etat inclusionnaire

IV.2.3 Simulation numérique

IV.2.3.1 Mise en forme du poussoir de soupape

IV.2.3.2 Fibrage

IV.3 Comportement en fatigue

IV.3.1 Caractérisation du poussoir en fatigue (compression répétée)

IV.3.1.1 Protocole expérimental

IV.3.1.2 Essais de fatigue sur poussoir forgé

IV.3.1.3 Essais de fatigue sur poussoir usiné

IV.3.1.4 Amorçage de la fissure de fatigue pour le poussoir forgé

IV.3.2 Calculs de fatigue avec Forge3®

IV.3.2.1 Chargement appliqué

IV.3.2.2 Critère de Dang Van

IV.3.2.3 Influence du maillage sur les résultats du calcul de fatigue

IV.3.2.4 Critère dérivé de l’équation de Murakami

IV.3.2.5 Comparaison des zones critiques avec les lieux d’amorçage expérimentaux

IV.3.2.6 Deuxième critère dérivé de l’équation de Murakami

IV.4 Optimisation : une première approche

IV.4.1 Le principe de l’optimisation

IV.4.2 Les paramètres variables

IV.4.3 L’optimisation manuelle

IV.4.3.1 Influence du fibrage initial

IV.4.3.2 Influence de l’épaisseur

IV.5 Vers une optimisation automatique

IV.5.1 Objectifs

IV.5.2 Les algorithmes d’optimisation

IV.5.2.1 Les algorithmes à direction de descente

IV.5.2.2 Les méthodes d’ordre 0 et les algorithmes évolutionnaires

IV.5.2.3 Les méthodes hybrides

IV.5.3 Mise en oeuvre d’une optimisation automatique

IV.5.3.1 Paramétrisation du poinçon de la deuxième passe de forgeage

IV.5.3.2 Simulation de la mise en forme

IV.5.3.3 Calcul de fatigue

IV.5.3.4 Résultat

IV.6 Conclusion sur la démarche d’optimisation

CONCLUSION ET PERSPECTIVES

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

ANNEXES

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