Projets de l'opération modélisation théorique et numérique

Conception, optimisation et réalisation d'une machine de fatigue gigacyclique en torsion


Doctorant : Zhaoyi JIANG
Directeurs : Olivier POLIT, Johann PETIT
Opération : MTN et TMF

Depuis de nombreuses années, la fatigue des matériaux est un phénomène très fréquent qui peut aboutir à des pertes énormes dans les domaines de l'industrie mécanique, médicale, nucléaire, etc. La fatigue des matériaux est une cause très importante de problèmes, quand les matériaux travaillent à haute fréquence ou à un très grand nombre de cycles. Par exemple, la durée de vie en fatigue d'un moteur de voiture est de 10⁸ cycles ; les grands moteurs diesel des bateaux ou des trains à grande vitesse fonctionnent jusqu'à 10⁹ cycles ;  la  durée de vie en fatigue d'un turbomoteur est encore plus grande. Pour réduire les problèmes, l’étude de la fatigue est nécessaire.

Selon les applications, les modes  de chargement peuvent être très variés (états de contrainte différents et plus ou moins complexes). Ainsi, le développement de différentes  machines de fatigue gigacyclique est nécessaire. Il existe aujourd'hui différents types de machines fonctionnant dans le domaine de fréquence ultrasonique : traction-compression, torsion, traction-traction, flexion.

L'objet de cette thèse est de concevoir, réaliser et optimiser une machine de fatigue gigacyclique en torsion. Actuellement, il existe deux types de machine en torsion. La première est une machine en torsion directe,  le mouvement de l'élément qui crée la vibration mécanique (le convertisseur) est une rotation alternée générant directement une vibration de torsion dans le reste du système (composé de l'échantillon).  La deuxième est  une machine en torsion indirecte, le convertisseur crée une vibration mécanique longitudinale de traction-compression dans l'élément situé juste en aval et une liaison par goupille transforme la vibration longitudinale en une vibration de torsion dans le reste du système.  Dans ce projet, l'étude porte sur la machine en torsion indirecte.  Parce que la machine directe ne peut pas créer une contrainte très grande,  la mesure d’un acier rigide ne fonctionne pas.  Comme nous avons besoin de réaliser les expériences sur tous les aciers, nous avons conçu uns machine indirecte qui a une plus grande puissance.

La figure 1 présente la machine et l'électronique de pilotage.
 


Figure 1. Le générateur produit et envoie une consigne (signal électrique) à un convertisseur. Le convertisseur crée un déplacement longitudinal de type harmonique à l'extrémité de la sonotrode de traction-compression. La goupille transforme le déplacement longitudinal en déplacement angulaire pour la sonotrode de torsion. La contrainte de cisaillement maximale est créée au milieu de l'échantillon.

Cette étude commence par la modélisation du système en torsion indirecte. Par simulation, les calculs analytiques ont déterminé la position dangereuse et optimisé les sollicitations de ce système. A partir de la modélisation, un nouveau type de système en torsion a été construit. Il vibre en résonance à 20 kHz. Sa structure est renforcée. Ce système optimisé peut être utilisé sur tous les matériaux et jusqu’à un très grand nombre de cycles (jusqu’à 10¹⁰ ou plus).

Mis à jour le 05 mai 2015