Non local energy fatigue life calculation approach of structures in multiaxial fatigue under variable amplitude loadings : application to a railway wheel
Approche énergétique non locale du calcul de durée de vie de structures en fatigue multiaxiale sous chargements d'amplitude variable : application à une roue de train ferroviaire
Résumé
The objective of this study, carried out in collaboration with the Agence d'Essai Ferroviaire (AEF) of the SNCF, is to propose a fatigue life calculation method under complex loadings (variable amplitude multiaxial loadings) in high cycle fatigue. The first part of the document presents a critical analysis of various methods of the literature. The second part presents the experimental data base established for the identification and evaluation of the proposed method. This data base consists of tests on smooth specimens under a large range of stresses with an increasing complexity (the tests go from constant amplitude tension tests to variable amplitude combined out-of-phase bendingtorsion) but also on a scale 1 TGV wheel (tests carried out at AEF, under variable amplitude loadings inspired by service recordings). The continuation of the document presents a new fatigue life calculation method under variable amplitude multiaxial loadings. By using an energy based model and the " no damage " threshold concept defined during previous works carried out at the LAMEFIP, this proposal takes into account the effect, over the fatigue life, of the stresses distribution in the part. Based on an incremental definition of the deformation work given to the material, this proposal is free from any cycle counting method and is ready to assess the fatigue life of a structure subjected to any multiaxial variable amplitude loadings. The predictions of this method are compared with various tests results of literature, in particular obtained on notched specimens, and with the experimental results of the study. Finally, the proposal is applied to an industrial case: the fatigue strength prediction of a high-speed train wheel under constant amplitude or blocks loadings. The predictions of the method, applied as post-processor finite elements results on the wheel, are in good agreement with the test results.
L'objectif de cette étude, réalisée en collaboration avec l'Agence d'Essais Ferroviaire (AEF) de la SNCF, est de proposer une méthode de calcul de durée de vie sous chargements complexes (chargements multiaxiaux d'amplitude variable) en fatigue à grande durée de vie. La première partie du document présente une analyse critique de différentes méthodes de la littérature dans ce domaine. La seconde partie du document présente la base de données expérimentales établie en vue de l'identification et de l'évaluation de la méthode proposée. Cette base de données est constituée d'essais sur éprouvettes lisses sous une large gamme de sollicitations à complexité croissante (les essais vont de la traction d'amplitude constante à des essais de flexion-torsion hors phase d'amplitude variable) mais également sur roue de TGV à échelle 1 (essais réalisés à l'AEF, sous chargements d'amplitude variable inspirés d'enregistrements en service). La suite du document présente une nouvelle méthode de calcul de durée de vie sous chargements multiaxiaux d'amplitude variable. En conservant une base énergétique et la notion de seuil de "non endommagement" définies au cours des précédents travaux menés au LAMEFIP, cette proposition prend en compte l'effet, sur la durée de vie, de la répartition spatiale des contraintes dans la pièce. Basée sur une définition incrémentale du travail de déformation fourni au matériau, cette proposition s'affranchit de toute méthode de comptage de cycle et est apte à prévoir la durée de vie d'une structure soumise à une sollicitation quelconque d'amplitude variable. Les prévisions de cette méthode sont confrontées à des résultats de différents essais de la littérature, notamment obtenus sur des éprouvettes entaillées, et aux résultats expérimentaux de l'étude. Enfin la méthode proposée est appliquée à un cas industriel : la prévision de la tenue en fatigue de la toile d'une roue de train à grande vitesse sous chargements d'amplitude constante ou par blocs. Les prévisions de la méthode, appliquée en post-processeur des résultats de calculs éléments finis sur la roue, sont en bon accord avec les résultats d'essais.