Fatigue analysis of thin welded structures under variable amplitude loadings
Caractérisation de la fatigue des assemblages soudés soumis à des chargements à amplitude variable
Résumé
In the automotive field, engineers are designing lighter and more reliable parts to meet new emissions standards. Arc-welded parts of the chassis must be resistant to fatigue despite relatively thin steel sheet. To assess welded joints fatigue, constant amplitude loadings are used: for fatigue characterization of materials and assemblies but also for mechanical field calculations. However, in-service loadings are very different. Bumps on the road, cornering and braking induce complicated time evolutions of the loading. Several models translate the complex evolution of efforts into an equivalent constant amplitude loading. Among these models, linear cumulative damage model consider that the damage created by a loading cycle is independent on the previous loading. However, this fact is contradicted by most of the literature results. This hypothesis can lead to significant design errors. Alternative damage accumulation models from the literature are evaluated. Moreover, thin welded structures are tested to determine how the damage accumulates under variable amplitude loading. Care has been taken to design, instrument, model and understand these tests. The effects of residual deformation due to welding and specimens clamping are analyzed and considering. To follow indirectly the damage evolution, dissipation is identified from temperature field measurement. It is an extension of the method of characterization of the fatigue limit by self-heating to finite life domain for welded structures under variable amplitude loading. These tests reveal two opposing effects of nonlinear damage accumulation. On the one hand, overloads create residual compression stresses that increase the life of welded joints. On the other hand, the repetition of overloads prevents the occurrence of local elastic shakedown. Considering these tests, recommendations are finally given for the choice of relevant fatigue tests loadings and damage accumulation models suitable for welded structures.
Dans le monde de l'automobile, les ingénieurs conçoivent des pièces de plus en plus légères pour répondre aux nouvelles normes de dépollution. En particulier, les pièces soudées à l’arc de la Liaison Au Sol (LAS) qui soutiennent une part du poids des véhicules doivent tenir à la fatigue malgré des épaisseurs de tôle relativement fines. Pour dimensionner les assemblages soudés, des chargements à amplitude constante sont utilisés : à la fois pour la caractérisation à la fatigue des matériaux et des assemblages mais aussi dans les calculs de champs mécaniques. Toutefois, les chargements réels vus par les pièces en service leurs sont différents. Les cahots sur la route, les virages et les freinages induisent des efforts dont l’évolution temporelle est complexe. Plusieurs modèles prédisent la durée de vie sous un chargement complexe à partir de chargement à amplitude constante. Parmi ces modèles, le modèle de cumul linéaire considère que l’endommagement créé par un cycle de chargement est indépendant du chargement qui le précède. Les résultats de la littérature contredisent cette hypothèse. Cette dernière peut induire des erreurs de dimensionnement importantes. Des modèles de cumul d’endommagement alternatifs de la littérature sont alors évalués. De plus, des essais sur structures soudées minces sont mis en œuvre pour compléter les résultats expérimentaux disponibles et ainsi contribuer à la compréhension du cumul d’endommagement sous chargements à amplitude variable. Un soin particulier a été pris pour concevoir, instrumenter, modéliser et comprendre ces essais. Les effets de déformée due au soudage et de maintien des éprouvettes sont analysés et pris en compte. Des mesures de champ de température sont utilisées pour identifier la dissipation qui permet un suivi indirect de l’endommagement. C’est une extension de la méthode de caractérisation de la limite d’endurance par auto-échauffement à l’endurance limitée des structures soudées sous chargement à amplitude variable. Les essais révèlent deux phénomènes de cumul d’endommagement non linéaire à effets contraires. D’une part, les surcharges créent des contraintes résiduelles de compression qui augmentent la durée de vie des assemblages soudés. D’autre part, la répétition des surcharges empêche l’adaptation locale. À la lumière de ces essais, des préconisations sont finalement données pour les chargements de fatigue et les modèles de cumul d’endommagement adaptés aux structures soudées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)