High-Cycle Fatigue of Metallic Structures : Lifetime Duration under Variable Loadings.
Fatigue polycyclique des structures métalliques : durée de vie sous chargements variables.
Résumé
The purpose of this work is to present a reliable model for the assessment of the lifetime at crack nucleation of metallic structures, working in finite life regime of high-cycle fatigue and subjected to variable amplitude multiaxial loadings. This deterministic model is characterized by its possible use in the industry which demands certain requirements : predictive model on structures without counting of cycles, model of simple use (not too many parameters to be identified, not too many fatigue data to be used and less expensive calculation) and applicable on a broad variety of metallic materials for any type of repeated blocks of variable amplitude multiaxial loading. After a bibliographical analysis of the criteria suggested in this field, none of them is used in design offices, and does not fulfill completely the industrial requirements. The model is based on a mesoscopic approach. Two features characterise it : (i) the choice of the accumulated plastic meso-strain per stabilized cycle "pc s as relevant parameter in fatigue design with the use of a hydrostatic stress dependent elastoplastic model to evaluate it, (ii) the assessment of the lifetime at crack nucleation by the definition of a damage factor depending on the accumulated plastic meso-strain per stabilized cycle "pc s and some material and loading parameters. The model has six parameters identified with one SN curve and two fatigue limits. The validation of the model is ensured via fatigue tests (from the literature) under constant and variable amplitude multiaxial loadings, carried out on five materials. Good correlations with the experimental fatigue lives were obtained. Finally, the model is used to determine the lifetime of a vehicle suspension spring working in finite life regime.
L'objectif de ce travail est de présenter un modèle prédictif de durée de vie à l'amorçage des structures métalliques travaillant en endurance limitée et qui sont soumises à des sollicitations multiaxiales d'amplitude variable. La particularité de ce modèle déterministe réside dans son utilisation possible dans l'industrie qui requiert certaines exigences : modèle prédictif sur structures sans comptage de cycles, d'utilisation simple en termes de données et de rapidité (pas trop de paramètres à identifier, pas trop de données de fatigue utilisées et calcul moins coûteux) et applicable sur une large variété de matériaux métalliques pour tout type de séquences répétées de chargement multiaxial d'amplitude variable. Après une analyse bibliographique des critères proposés dans ce domaine, aucun d'entre eux n'est utilisable dans les bureaux d'études, et ne répond pas complètement aux exigences industrielles. Le modèle est fondé à l'échelle mésoscopique. Il repose sur deux points : (i) le choix de la déformation plastique mésoscopique cumulée du cycle stabilisé "pc s comme variable de dommage avec l'utilisation d'un modèle élastoplastique dépendant de la pression hydrostatique pour son évaluation, (ii) la détermination de la durée de vie à l'amorçage via un facteur d'endommagement dépendant de "pc s et de certains paramètres liés au matériau et au chargement. Le modèle fait intervenir six paramètres identifiables à l'aide d'une courbe de Wöhler et deux limites d'endurance. La validation du modèle est assurée via des essais de fatigue (de la littérature) sous chargement multiaxial d'amplitude constante et variable, réalisés sur cinq matériaux. De bonnes corrélations avec les essais expérimentaux ont été obtenues. Enfin, le modèle est utilisé pour déterminer la durée de vie à l'endurance limitée d'un ressort de suspension d'automobile.