Prédiction de la rupture par fatigue dans les pièces automobiles en alliages aluminium

L'objectif de cette thèse consiste à évaluer le potentiel d'utilisation des pièces automobiles en alliages légers dans l'industrie automobile, en étudiant leur durée de vie en fonction de différents paramètres comme l'effet dynamique de la suspension, la nature de l'excitation, la géométrie et le poids de la pièce. La pièce est en alliage d'aluminium 7075-T6, ayant une géométrie semblable à celle qui existe dans le système de suspension d'un quart de véhicule en acier en l'occurrence le bras de suspension inférieur. Nous avons aussi étudié la possibilité d'optimiser le poids du bras de suspension supérieur du véhicule en fonction de sa durée de vie et ses fréquences naturelles. L'épaisseur est variée puisque l'état des contraintes est plan pour une flexion selon la direction de l'épaisseur de la pièce. En effet, la variation de l'épaisseur affecte le profil des contraintes, la densité d'énergie de déformation (SENER) et la durée de vie. Nous avons abordé cette recherche avec une étude exhaustive sur les différents types de critères de fatigue utilisés dans le domaine de la rupture des pièces métalliques sous des sollicitations dynamiques. Notre modèle est basé sur le critère multiaxial de la densité d'énergie de déformation, équivalent au cas analytique uniaxial. En effet, l'approche énergétique nous permet de comparer deux tenseurs de même ordre, cas multiaxial et du cas uniaxial. Dans les deux cas, uniaxial et multiaxial, la densité d'énergie de déformation est un tenseur d'ordre zéro. Nous avons démontré qu'on peut passer d'une excitation aléatoire de déplacement, décrite par une densité spectrale de puissance PSD, à une excitation directe par une force par la normalisation de cette dernière et en multipliant par un facteur commun calculé à partir des données dynamiques du véhicule.
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\nDeux cas de non linéarité sont rencontrés dans la présente étude : le couplage élasto-plastique du matériau et la non linéarité géométrique lors de la simulation numérique. Le couplage élasto-plastique décrivant la non linéarité du matériau, est décrit par la relation liant la déformation s et la contrainte a à partir de la relation de Ramberg-Osgood. Pour éviter l'utilisation de la méthode Newton-Raphson dans tous les éléments du maillage, nous avons créé une interface Matlab pour identifier les éléments critiques. Le signal SENER de l'élément est corrigé pour y enlever les anomalies par un algorithme de l'interface Matlab WAFO (Wave Analysis for Fatigue and Oceanography). L'extraction des cycles « rainflow » est faite selon la formulation de Markov afin de calculer le nombre de répétition, du signal de chargement à la rupture, calculé à partir de la règle de Miner. Les résultats montrent que le signal de chargement étudié doit se répéter 5,45xlO10 fois jusqu'à la rupture de la pièce, en alliage d'aluminium 7075-T6 ayant une épaisseur de 2,5cm. Nous avons démontré que l'utilisation d'une pièce en alliage d'aluminium peut donner la même durée de vie qu'une pièce en acier toute en gagnant environ 36% en poids. L'optimisation de la forme de la pièce nous permet de la rendre plus légère et ses fréquences naturelles loin du spectre de la densité spectrale de puissance PSD décrivant le profil de la chaussée. En plus, cette procédure permet une optimisation du poids de la pièce par rapport à sa durée de vie et ses modes propres dans des délais de temps raisonnables dans un maillage grossier ou raffiné, par rapport à la méthode directe.

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