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Theses Year : 2006

Fatigue design of the cylinder head : heat treatment modeling and new methods developpement.

Tenue à la fatigue des culasses : modélisation du traitement thermique et développement de nouvelles méthodes numériques.

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Abstract

TO OBTAIN THE OPTIMAL MATERIAL PROPERTIES, AUTOMOTIVE CYLINDER HEADS, MADE OF ALUMINIUM ALLOYS, ARE HEAT TREATED (QUENCHING - AGEAING). THIS THERMAL TREATMENT GENERATES RESIDUAL STRESSES AND HAS TO BE TAKEN INTO ACCOUNT IN THE NUMERICAL HIGH CYCLE FATIGUE DESIGN. SINCE THE RESIDUAL STRESSES ARE PRINCIPALLY DUE TO THE INHOMOGENEOUS QUENCHING COOLING, THE THERMAL EVOLUTION MUST BE CORRECTLY SIMULATED. HEAT TRANSFER COEFFICIENTS H(T), DEFINING THE HEAT EXCHANGES, ARE USED TO OBTAIN THE NUMERICAL COOLING. A SIMPLE ANALYTICAL FUNCTION IS PROPOSED WHOSE PARAMETERS ARE OPTIMISED TO FIT THE EXPERIMENTAL CURVES. THE REMAINNING RESIDUAL STRESSES FOLLOW FROM A SIMPLE MECHANICAL ANALYSIS. IT IS FOUND THAT THE STRESSES IN THE LOCAL CRACKING AREA ARE TENSILE AND THEREFORE STRONGLY UNFAVOURABLE FOR THE HIGH CYCLE FATIGUE ENDURANCE. IN ADDITION, TAKING INTO ACCOUNT THE RESIDUAL STRESSES IN THE FATIGUE DESIGN, AT THE END OF THE THERMAL TREATMENT, LEADS TO PREDICTIONS FOR THE RISK REGIONS THAT ARE CONSISTENT WITH EXPERIMENTAL OBSERVATIONS. MOREOVER, IN ORDER TO USE NUMERICAL SIMULATION IN THE OPTIMISATION OF THE DESIGN PROCESS, COMPUTATIONAL TIME MUST BE REDUCED IN THE RESOLUTION OF AN EVOLUTION PROBLEM OR THE SEARCH OF THE STABILIZED SOLUTION OF A STRUCTURE SUBMITTED TO A PERIODIC LOADING. THE METHOD IS BASED ON THE LARGE TIME INCREMENT METHOD AND THE DIRECT CYCLIC METHOD : THE GLOBAL EQUILIBRIUM, WRITTEN UNDER ITS RESIDUAL FORM, IS SOLVED ONTO A REDUCED WAVELET BASE. A SUPSTENSIAL REDUCTION OF COMPUTATIONAL TIME IS OBTAINED WHEN THE STABILISED SOLUTION IS SEARCHED.
AFIN D'OBTENIR LES PROPRIETES METALLURGIQUES OPTIMALES DU MATERIAU, LES CULASSES AUTOMOBILES EN ALLIAGE D'ALUMINIUM SUBISSENT UN TRAITEMENT THERMIQUE (TREMPE-REVENU) GENERANT D'IMPORTANTES CONTRAINTES RESIDUELLES. LEUR MODELISATION EST NECESSAIRE POUR POUVOIR PREDIRE LA TENUE EN FATIGUE POLYCYCLIQUE. LES CONTRAINTES RESIDUELLES ETANT PILOTEES PAR LA THERMIQUE DE TREMPE, IDENTIFIER L'HISTOIRE THERMIQUE DU REFROIDISSEMENT EST PRIMORDIAL. LES COEFFICIENTS D'ECHANGE H(T), MODELISANT LES TRANSFERTS THERMIQUES AVEC L'EXTERIEUR, DETERMINENT LE REFROIDISSEMENT. LEUR EVOLUTION EST DEFINIE PAR UNE FONCTION ANALYTIQUE SIMPLE DONT LES PARAMETRES SONT RECALES PAR OPTIMISATION A PARTIR DE DONNEES EXPERIMENTALES. UNE FOIS L'HISTOIRE THERMIQUE SIMULEE CORRECTEMENT, LES CONTRAINTES RESIDUELLES SONT OBTENUES SUITE A UN CALCUL MECANIQUE METTANT EN EVIDENCE, DANS LES REGIONS A RISQUE, DES ZONES DE TRACTION DEFAVORABLES A LA TENUE EN SERVICE. LA PRISE EN COMPTE DE CET ETAT INITIAL PERMET ALORS DE CARACTERISER LES ZONES CRITIQUES EXPERIMENTALEMENT OBSERVEES. PAR AILLEURS, AFIN DE RENDRE L'OUTIL OPERATIONNEL EN BE, IL EST NECESSAIRE DE PROPOSER UNE METHODE NUMERIQUE PERMETTANT DE DIMINUER LES DUREES DE SIMULATION POUR LA RESOLUTION D'UN PROBLEME D'EVOLUTION ET POUR LA RECHERCHE DIRECTE DE LA REPONSE STABILISEE D'UNE STRUCTURE SOUMISE A UN CHARGEMENT CYCLIQUE. L'APPROCHE DEVELOPPEE REPOSE SUR LA METHODE A GRAND INCREMENT DE TEMPS ET LA METHODE CYCLIQUE DIRECTE : L'EQUILIBRE GLOBAL, ECRIT SOUS SA FORME RESIDUELLE, EST RESOLU SUR UNE BASE D'ONDELETTES REDUITE. DES GAINS SIGNIFICATIFS EN TEMPS CPU SONT OBTENUS POUR LA RECHERCHE DU CYCLE STABILISE.
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pastel-00002588 , version 1 (21-07-2010)

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  • HAL Id : pastel-00002588 , version 1

Cite

François Comte. Tenue à la fatigue des culasses : modélisation du traitement thermique et développement de nouvelles méthodes numériques.. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Ecole Polytechnique X, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00002588⟩
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