Modeling of multiaxial cyclic elastic-plastic behavior by a strain-space multisurface approach
Modélisation du comportement élastoplastique cyclique multiaxial par une approche multisurface dans l'espace des déformations
Résumé
This work deals with the theoretical, numerical and experimental study of the elastoplastic mechanical behavior of metallic materials in complex multiaxial cyclic loadings. The elastoplastic behavior is described by a multisurface model, within the finite strain theory. This model is written in the five-dimensional Ilyushin strain space. The resulting model is capable of describing the multiaxial behavior of metallic materials, in complex cyclic loadings, in particular non-proportional, taking into account finite strain, time-independent irreversibility, cumulative second order effects (Poynting-Swift effect) and cyclic hardening. The model has been implemented in a commercial finite element calculation code, in order to produce an operational tool for calculating structures such as mechanical equipment and internal components of hydroelectric power plants (turbines, alternators, etc.). The proposed model was validated by comparison with combined tensile-torsion biaxial test results obtained on stainless steel. This model has been completed by an energy and thermodynamic analysis that allows the implementation of a relevant energy approach for the monitoring of fatigue damage. As part of this work, this approach was illustrated by the proposal of a fatigue criterion, validated by the comparison of its predictions with those of other classical fatigue criteria proposed in the literature.
Ce travail concerne l’étude théorique, numérique et expérimentale du comportement mécanique élastoplastique en chargements cycliques complexes multiaxiaux de matériaux métalliques. Le comportement élastoplastique est décrit par modèle multisurface, avec une prise en compte des grandes transformations. Ce modèle est écrit dans l’espace multidimensionnel d’Ilyushin des déformations, de dimension 5. La modélisation qui en résulte permet de décrire le comportement multiaxial des matériaux métalliques, en chargements cycliques complexes, notamment non proportionnels, avec une prise en compte des déformations finies, de l’irréversibilité indépendante du temps, des effets secondaires cumulés (effet Poynting-Swift) et des effets d’écrouissage cyclique. Le modèle ainsi développé a été implémenté dans un code commercial de calcul par éléments finis, afin de produire un outil opérationnel de calcul des structures telles que les équipements mécaniques et les composants internes des centrales hydroélectriques (turbines, alternateur…). Le modèle proposé a été validé par confrontation à des résultats d’essais biaxiaux de traction-torsion combinées, réalisés sur un acier inoxydable. Ce modèle a été complété par une analyse énergétique et thermodynamique qui permet la mise en place, à terme, d’une approche énergétique pertinente pour le suivi de l’endommagement par fatigue. Dans le cadre de ce travail, cette approche a été illustrée par la proposition d’un critère de fatigue, validé par la comparaison de ses prédictions à celles d’autres critères de fatigue classiques, proposés dans la littérature.
Origine : Version validée par le jury (STAR)