L'unité d'enseignement est obligatoire. 
Les cours sont dispensés en anglais.

Descriptif de l'Unité d'Enseignement

3 ECTS / 30 h / 10 séances de 3 heures

Cours magistral : 15 h

Travaux dirigés : 3 h

Travaux pratiques : 6 h

Conférences : 6 h

Equipe pédagogique

Coord. Thilo Mogeneyer (thilo.morgeneyer@mines-paristech.fr, Mines ParisTech)

 

 

 

Objectifs

Cette unité d’enseignement porte sur l’intégrité des structures fondée sur la mécanique de la rupture et qui a pour but de prévoir la fiabilité, la durée de vie et la sécurité de composants industriels de dimensions, géométries ou matériaux variés. Nous avons pour objectif de présenter et de pratiquer les démarches modernes et efficaces de dimensionnement en présence de fissures selon le mode de fissuration envisagé.

Applications

La mécanique de la rupture est appliquée dans l’industrie lorsque la rupture potentielle d’un composant peut avoir des conséquences catastrophiques (perte de vies humaines, dégâts écologiques importants etc..). C’est le cas des transports aéronautiques ou ferroviaires, de la production d’énergie et en particulier nucléaire et enfin des industries de la fabrication, du transport ou du recyclage de divers produits actifs ou toxiques (industrie pétrolière, chimique, etc…). Dans ces secteurs industriels, le risque de rupture n’est pas acceptable, il faut donc supposer à priori qu’un défaut peut exister, même si c’est très improbable, et prévoir à quelles conditions ce défaut ne pourra pas être à l’origine d’une rupture catastrophique.

Thèmes abordés

• Mecanique linéaire de la rupture, mode I et modes mixtes
• Mécanique non linéaire de la rupture
• Mécanismes de rupture : ductile, fragile, fatigue et modèles
• Travaux pratiques numériques: Calcul de K, J, T ...
• Travaux pratiques expérimentaux: obserations des mécanismes principaux en MEB, mesure de ténacité mode I, et modes mixtes

Bibliographie

• Mécanique de la rupture fragile et ductile, Jean-Baptiste Leblond, Hermes Science Publications (2003), Etudes en mecanique materiaux
• Comportement mécanique des matériaux : viscoplasticité, endommagement, rupture, D. Francois, A. Pineau, Hermes Sciences Publication (1993)
• La simulation numérique de la propagation des fissures, S. Pommier, A. Gravouil, N. Moës, A. COmbescure, Hermes Sciences Publication (2009)
• Fatigue of Materials, S. Suresh , Cambridge University Press, (1998)

Plan du cours

Séance 1 : Eléments de mécanique linéaire de la rupture

Introduction, Théorie de Griffith, Existence de singularités en élasticité, développement asymptotique, mécanique linéaire de la rupture (KI, KII, KIII, T)

Séance 2 : Exercices, application des concepts de la MLER

Analyse d’un essai de traction sur éprouvette pré-fissurée, détermination de KIC. Application sur une structure (expertise d’un accident réel).

Séance 3 : TP numérique, comment calculer numériquement les FIC

Détermination de KI, KII et T. Lissage des contraintes, des déplacements, intégrale J, intégrale d'interaction. Deux modèles seront utilisés, correspondant aux éprouvettes testées lors des TP expérimentaux.

Séance 4 : Mécanique linéaire de la rupture, problèmes tridimensionnels (géométrie et chargement)

Fissuration en mode mixte I, II, III. Critères de bifurcation en MLER. Rôle des termes non-singuliers sur la stabilité du plan de fissuration. Fissures tridimensionnelles à fronts courbes, Singularités de bord (intersection d'un front de fissure tridimensionnel avec la surface libre de la pièce), singularité d'interface.

Séance 5 : Eléments de mécanique non-linéaire de la rupture

Comment la plasticité modifie les conditions de chargement de la région en pointe de fissure. Mécanismes et modèles à l'échelle micro (seuil d'emission de dislocation, écrantage par la présence de dislocations), puis à l'échelle macro (zones plastiques d'Irwin, intégrale J et champs HRR)

Séance 6 : TP expérimental

Observation en microscopie électronique à balayage de faciès de rupture typiques, rupture ductile, fragile et par fatigue. Mesure de ténacité à l'initiation et à l'arrêt, en mode I et en mode mixte sur des éprouvettes dont la géométrie a été calculée lors du TP numérique.

Séance 7 : Fissuration par fatigue en mode I

Fissuration par fatigue en mode I. Loi de Paris et ses trois domaines, mécanismes de fissuration associés. Cas d’application, prévision de la durée de vie d’un composant ferroviaire. Cas des chargements variables, effet de la plasticité sur la fissuration et méthodes pour la prévision de la vitesse de fissuration.

Séance 8 : Fissuration par fatigue en modes mixtes

Fissuration par fatigue en modes mixtes. Exemples en torsion ou fatigue de roulement . Effet du frottement sur la fissuration et difficultés expérimentales associées. Mécanismes physiques de propagation en cisaillement plan ou antiplan.

Séance 9 : Nouveaux outils et concepts pour la prévision de la fissuration tridimensionnelle ductile ou fragile

Approche locale et effets de la taille des éléments pour la simulation de la rupture ductile et par fatigue. Level-sets et X-FEM. Zones cohésives.

Séance 10 : Conférence industrielle - la rupture ductile

Rupture ductile et méthodes de dimensionnement des composants industriels. Approches locale et globales de la rupture ductile.