Non-local approach to fretting fatigue problems, modelling contact behaviour under complex conditions

Approche non locale des problèmes de fretting-fatigue, modélisation du comportement des contacts en conditions complexes Le fretting est un phénomène se produisant entre deux corps en contact soumis à des sollicitations d'origines vibratoires, à l'origine de micro-glissements à l'interface du contact.C'est un phénomène qui peut conduire à l'amorçage de micro-fissures et à la formation des débris d'usure dans la zone de contact. Sous l'influence d'une sollicitation répétée de fatigue, les micro-fissures initiées par fretting peuvent se propager dans les pièces en contact, pouvant conduire à une rupture prématurée de la structure. Le phénomène de fretting-fatigue est rencontré dans de nombreux secteurs industriels et est un enjeu majeur. En aéronautique par exemple, la sollicitation de fretting-fatigue est présente à l'interface du contact aubes/disque des turboréacteurs et peut provoquer la ruine d'une aube ou d'un disque, pièce tournant à grande vitesse et sur laquelle la fissuration n'est pas autorisée.Ce travail de thèse porte sur le développement et l'implémentation d'une chaine de calcul utilisable en contexte industriel et permettant de prédire l'amorçage de fissure en fretting-fatigue à travers une modélisation non locale de la zone de contact. Cette modélisation non locale repose sur une analogie entre la mécanique du contact et la mécanique linéaire élastique de la rupture, et permet de prendre en compte efficacement l'effet de gradient en fretting-fatigue à partir de variables non locales. Dans un premier temps, un nouveau formalisme permettant d'étendre la modélisation non locale au cas des contacts entre solides ayant des propriétés élastiques différentes est proposé dans ce travail. En effet, dans les applications industrielles, les corps en contact sont en général fait de matériaux différents. Ensuite, pour confronter les prédictions du modèle non local avec l'expérience, la société Safran Aircraft Engines s'est dotée d'un dispositif expérimental permettant de faire des essais de fretting-fatigue dans des conditions de chargement complexes. Ces essais sont représentatifs des problèmes de fretting-fatigue rencontrés dans les applications industrielles et ont constitués une première base de validation du modèle non local. Ainsi des outils et méthodes numériques ont été développés dans le but d'exploiter le modèle non local d'une part sur des simulations par éléments finis de fretting-fatigue en 3D et pilotés avec le même chargement que celui imposé lors des essais. D'autre part, ces outils et méthodes ont été appliqués directement sur les essais de fretting-fatigue. Pour ce faire, la technique de corrélation d'images numériques est utilisée afin d'extraire les champs mécaniques au cours des essais.Enfin, des analyses ont permit de révéler que la souplesse du dispositif expérimental de fretting-fatigue permettait des mouvements de rotation non attendus et devait être prise en compte pour définir correctement les conditions aux limites dans les simulations. Pour prendre en compte cette souplesse machine dans un modèle numérique, un jumeau numérique du banc d'essai a été développé afin de reproduire fidèlement les essais de fretting-fatigue par simulation numérique. Une implémentation complète de la chaine de calcul est également effectuée sur les simulations éléments finis réalisées avec le jumeau numérique.