Stratégies de calcul pour la fissuration en fatigue de structures ...

S
ÉMINAIRE DU 3 Juin 2005
Centre des Matériaux - Évry
Stratégies de calcul pour la fissuration en fatigue
de structures aéronautiques
Mode-I Cyclic Crack Propagation Calculations
Guido DHONDT,
MTU Aero Engines,
in an Industrial Environment
Postfach 50 06 40, D-80976 Munich, Germany
By now, experience on automatic crack propagation calculations is available for
nearly 10 years. In the mid-nineties a method was developed at MTU to perform cyclic
mode-I crack propagation calculations in an iterative way based on the finite element
method. The heart of the procedure is a remeshing algorithm capable to introduce an
arbitrary crack front into a given 20-node brick mesh, thereby generating new hexahedral
elements of good quality. The mode-I procedure is in its present version very stable and
standard work. Each iteration in the procedure consists of a preprocessing step, a finite
element calculation and a postprocessing step.
In the preprocessing step the actual crack front is inserted into a 20-node brick
mesh of the uncracked structure. This is the most difficult part of the algorithm since it
must work under all circumstances in a fully automatic way. In particular, the newly
generated elements must be of good enough quality to ensure the faultless execution of the
subsequent finite element analysis.
In the finite element calculation the fields are calculated which govern crack
propagation. In a linear elastic analysis this is the stress intensity factor or any fields
which allow for its calculation such as the displacements and/or stresses ahead of the
crack tip. For nonlinear applications other quantities may be relevant such as the crack
opening displacement.
The postprocessing step determines the crack propagation increment based on the
propagation relevant fields determined in the finite element analysis. The link between
both is the crack propagation law and is determined in an experimental way. In general, a
new iteration is started as soon as the crack propagation increment has reached a
representative size, e.g 50 µm. The largest value of the propagation relevant field along the
crack front determines the number of cycles needed for this increment.
The procedure is reiterated until final rupture or any other criterion determined by
the user. It has been applied extensively to engine components such as disks, blades,
vanes and casings. Several examples show the use of the software for industrial
components.
Centre des Matériaux Pierre-Marie Fourt
École Nationale Supérieure des Mines de Paris - ARMINES
Enceinte SNECMA - RN 447 - 91000 ÉVRY - France - Tél. : 01 60 76 30 00 - Fax : 01 60 76 31 50

Etude et modélisation numérique de la propagation des fissures
dans les aubes de turbine
Jean-Luc BOUVARD (DMSE / LCME)
ONERA
29, Avenue de la Division Leclerc, F-92322 Chatillon Cedex
1. CONTEXTE
L’un des enjeux actuels pour une meilleure conception, une augmentation du
potentiel et de la fiabilité des matériels en service consiste à mieux maîtriser les outils
prévisionnels pour la propagation des fissures dans le régime dit des « fissures courtes »,
pour des chargements de fatigue ou de fatigue-fluage. Cette étude s’inscrit dans le cadre
d’un ambitieux programme de recherche européen, SOCRAX, portant sur la propagation de
fissure dans les superalliages monocristallins.
2. OBJECTIFS
Les objectifs de la thèse sont les suivants :
· Suivi de la campagne expérimentale sur la propagation des fissures courtes
dans les superalliages monocristallins. Ce programme expérimental prévoit des essais de
fatigue et de fatigue-fluage, sur éprouvettes puis sur éléments structuraux.
Mais l’essentiel du sujet de thèse s’inscrit dans la partie modélisation numérique
de l’étude, avec l’exploitation de ces nombreux résultats,
· Etablir un modèle phénoménologique de propagation. En effet les modèles
phénoménologiques de propagation de fissure, qui rendent compte à haute température
des effets de temps de maintien et d’un environnement oxydant sur la propagation par
fatigue, seront étendus et validés dans le cas des fissures courtes, sur la base des
résultats de l’analyse numérique et de l’expérimentation.
· Développer une méthodologie de simulation numérique de propagation de
fissures, en appliquant une approche couplée en chargement cyclique. On s’interessera
plus particulièrement à l’utilisation d’éléments d’interface cohésifs, avec une loi de
comportement spécifique, pour simuler, sans discontinuité, et avec un caractère prédictif
l’avancée d’une fissure.
· Effectuer un recalage avec l’expérience.
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3. TRAVAUX REALISES
Durant ces deux années de thèse, mes travaux ont plus particulièrement porté :
· Sur la mise en place et le suivi des essais de propagation de fissures courtes.
· Sur le développement de modèles de zones cohésives :
- implémentation des lois d’interface cohésives, dans le code de calcul
ZéBuLoN, sous chargement cyclique,
- validation du modèle de fatigue en élasticité et en élastoviscoplasticité
sur des cas élémentaires et sur structure (figure 1),
- développement d’un modèle de zone cohésive prenant en compte le
couplage des endommagements de fatigue-fluage et les effets d’environnement tel que
l’oxydation.
Les travaux vont se poursuivre par l’identification des paramètres des modèles
numériques, puis par l’établissement d’un modèle phénoménologique rendant compte, s’il
existe, de l’effet de l’anisotropie matérielle du monocristal sur la vitesse de propagation en
régime fissures courtes, sous condition de chargements de fatigue et de fatigue-fluage.
Figure 1 : traînée plastique engendrée par la propagation d’une fissure.
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3D Crack analysis on complex structures by 3D crack insertion.
Francis SONIAK
Messier-Dowty
Zone Aéronautique Louis Breguet, 78140 Vélizy-Villacoublay
e-mail :francis.soniak@messier-dowty.com
The engines and the equipment of an airplane are designed in Fatigue in order to
avoid any case of initiation of cracks. Due to abnormal conditions during specific testing or
in service conditions, crack may occur in certain circumstances. Then the crack propagation
analysis is a powerful tool to validate a minimum life. During that life the whole structure is
still completely safe though the crack have not reach a limit size which is below the critical
size. Moreover this kind of tool is a powerful way for checking and validating the loading
conditions, when the whole cracking could be analyzed from the initiation .A minimum
inspection life could be fixed during the testing to guarantee the full cell testing integrity.
Initiate several years ago Snecma has got the experience of inserting 3D crack in
complex structures, by different ways and techniques, on the finite element modeling. Even
for complex shapes of cracks, complex thermo-mechanical loadings, for elastic or for elasticplastic
behavior laws, Snecma has developed internal tools which have been able to
correlate observation on various cases of crack propagation.
Propagation have been studied on numerous cases such as engine disks, guide
vanes, turbines cases, seals, …, with a complete success on correlation crack growth rate
predicted and observed.
This presentation shows different cases of cracks insertion on different kind of
structures, associated to specific loadings. It shows also the limitations due to the crack
integration, and the way they can be solved on a first approach for calculating the
associated stress intensity factor.
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Propagation de fissure en fatigue-fluage dans les aubes de turbine
monocristallines : aspects expérimentaux et numériques
Nicolas MARCHAL
Centre des Matériaux Pierre-Marie Fourt, UMR 7633, B.P.87, 91003 Evry
nicolas.marchal@ensmp.fr
La simulation de la propagation de fissure dans les aubes de turbine haute
pression est un point prépondérant pour l’amélioration des prévisions de durée de vie de
ces structures. Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet de recherche européen
SOCRAX qui vise à développer des outils numériques permettant de simuler explicitement
la propagation de fissures courtes dans ces structures.
Tout d’abord, des essais de comportement mécanique ont été réalisés afin
d’identifier les paramètres de la loi de comportement pour les deux alliages étudiés : AM1
et PWA1483. L’objectif était d’obtenir un modèle robuste, apte à décrire des conditions de
chargement très variées. Ensuite, des essais de propagation de fissure sous air, pour
différentes orientations cristallographiques et différents chargements (fatigue, fatiguefluage)
ont été menés. La faible influence des temps de maintien a été mise en évidence
pour l’un des alliages. Des essais sous vide doivent commencer pour mettre en évidence
l’influence de l’oxydation sur la vitesse de propagation de fissure. L’oxydation en pointe de
fissure a été étudiée expérimentalement : une éprouvette préfissurée est oxydée
statiquement à 950°C pendant 300 h : à la reprise de la fissuration, on constate une très
forte augmentation de la vitesse de propagation de fissure par rapport à l’essai de
référence à 20 Hz. Ceci permet d’estimer la longueur de la zone fragilisée par l’oxydation à
la pointe de la fissure.
Parallèlement, on a effectué des calculs éléments finis cycliques en pointe d’une
fissure statique, afin d’étudier l’activation des systèmes de glissement. Ceci a servi au
développement de deux modèles de propagation qui tiennent compte de la cristallographie
à proximité de la pointe de fissure. Le premier modèle est non couplé (post-processing). Il
permet d’estimer la vitesse d’avancée de la fissure pour un chargement donné. Le
deuxième modèle est couplé : il offre la possibilité de décrire un chemin de fissure non
rectiligne. Ces modèles sont toujours en cours de développement.
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