Fatigue des matériaux et structures métalliques

L’axe “fatigue des matériaux et structures métalliques” s’intéresse à l’étude de l’endommagement en fatigue des pièces industrielles en relation avec leur environnement d’usage et les procédés de fabrication. Il s’agit de modéliser à l’échelle pertinente les phénomènes de dégradations sous sollicitations cycliques observés dans des ensembles mécaniques ou au cours d’essais sur éprouvettes et de valider ces modèles par l’expérience. Les applications structures traitent aussi des problèmes de conception. Trois thèmes ont été développés.

Fatigue de structures assemblées par boulons

Ce thème est né de la collaboration entre le DGM de l’ENSICA et le LGMT de l’INSA par la thèse de Konan KOFFI.

La conception et l’optimisation des assemblages aéronautiques en fonction de leur tenue statique et à la fatigue sont au centre de ses activités. La thèse de Éric Paroissien sur le comportement d’un assemblage hybride boulonné collé est dans la continuité de ce thème aussi bien d’un point de vue scientifique que par la collaboration avec le LGMT. Cette étude a permis de définir le taux de transfert de charge repris par la colle et par les boulons en vue d’une optimisation du nombre de boulons en fonction des propriétés de la colle.

Le partenaire industriel est principalement Airbus France mais d’autres sociétés comme AXS éditeur de logiciel et AIRCELLE constructeur de nacelle de réacteur aéronautique s’intéressent à ces études. Ces deux dernières sociétés et le laboratoire TREFLE de l’ENSAM Bordeaux sont nos associés sur le projet AXSPAD labellisé par le pôle AerospaceValley et financé par le FUI.

Fatigue et environnement

La fatigue thermomécanique est à l’origine de ce thème avec l’invention d’un banc de fatigue thermique et mécanique original et la modélisation numérique associée. Depuis la première thèse, un certain nombre de travaux (DEA et stages) ont permis un développement du moyen d’essai. Cependant, c’est vers le dimensionnement de structures complexes soumises à des environnements combinés que se développe actuellement ce thème. La thèse de Jihad Rishmany sur les échangeurs de chaleur aéronautique en est un exemple. Il s’agissait d’établir un modèle numérique pertinent pouvant décrire le comportement mécanique du faisceau de l’échangeur.

Fatigue et procédé de fabrication

Ce thème s’est construit sur une étude avec EdF sur les relations entre gammes d’usinage et tenue en fatigue d’un acier de construction. L’usinage par enlèvement de matière peut altérer la tenue en fatigue des pièces par modification de l’état de surface (rugosité, contraintes résiduelles, microstructure). Il s’agit de proposer des modèles au concepteur et au fabricant pour optimiser le coût et la qualité de leurs pièces. Une thèse en partenariat avec Airbus France concernant directement les relations entre état de surface/tenue en fatigue s’est terminée en 2006 (Monchai Suraratchai). Une autre thèse toujours en partenariat avec Airbus France et pilotée par l’axe Méthodes numériques avancées et portant sur la prévision de l’état de surface d’une pièce usinée en fonction des paramètres de coupe a accompagné ces travaux. Cette thèse soutenue en 2008 par Jérôme Limido a permis de parcourir pour la première fois à notre connaissance le chemin qui va de la gamme de fabrication à la tenue en fatigue de la pièce . Elle propose un enchaînement de modèles qui vont de la coupe à la tenue en fatigue d’un alliage d’aluminium en passant par la description du profil de la surface usinée décrit par un Kt local. Enfin, une thèse s’intéresse à l’influence conjointe de l’usinage et d’un traitement anti- corrosion sur la tenue en fatigue d’un alliage d’aluminium aéronautique avec Messier Bugatti et Airbus France.

Ces travaux ont mis les propriétés mécaniques de la surface au centre des activités de cet axe. Une thèse sur la dégradation des surfaces anodisées de pièces en aluminium pour application spatiales est en cours avec Yann Goueffon et en partenariat avec le CNES, ASTRIUM et le CIRIMAT. L’équipe, initialement composée depuis 2001 de Catherine Mabru, Jacques Huet et Rémy Chieragatti, a accueilli un maître de conférence du LGMT, Michel Chaussumier. Elle vise actuellement à s’intégrer dans la structure fédérative notamment par des collaborations soutenues avec le LGMT/production et le CROMEP/Sumo (co-encadrement de la thèse de Masood Shah, médaille Jacques Pomey 2008). Ce regroupement, SUMO (Surface, Usinage Matériaux, Outillage), préfigurant l’Institut Clément Ader en cours de création, s’intéressera aux relations entre les processus de fabrication et les propriétés mécaniques liées à la surface des matériaux des pièces et outillages industriels.