Dimensionnement à la fatigue thermomécanique de structures dans l'industrie automobile

¹ Laboratoire de Mécanique de Lille, UMR CNRS 8107, boulevard Paul Langevin, 59655 Villeneuve d'Ascq Cedex, France
² P.S.A. Peugeot-Citroën, Direction de la Recherche et de l'Innovation Automobile, Centre de Vélizy, route de Gisy, Bât. 57 rdc, 78943 Vélizy-Villacoublay, France

Auteur de correspondance : eric.charkaluk@univ-lille1.fr

Reçu : 10 Juillet 2002
Accepté : 23 Octobre 2003

Résumé

Cet article présente une approche globale du dimensionnement à la fatigue thermomécanique des structures dans l'industrie automobile. Cette approche repose sur quatre aspects : la définition du chargement, la modélisation du comportement du matériau, celle de l'endommagement et un critère de ruine de la structure. Cette démarche est appliquée au cas de culasses et de collecteurs d'échappement soumis à des chargements thermiques transitoires. Les hypothèses et choix principaux nécessaires à un calcul intégré dans un schéma de développement industriel sont tout d'abord présentés. Deux points sont plus particulièrement développés : le comportement mécanique et l'endommagement. Deux modèles de comportement viscoplastique ont été choisis et leurs paramètres identifiés à partir d'essais isothermes et validés à l'aide d'essais anisothermes. Un critère de dimensionnement basé sur l'énergie mécanique dissipée dans le matériau est proposé. Associé à un calcul de structure, il permet une estimation de la durée de vie de pièces soumises à un chargement cyclique multiaxial anisotherme. On a ainsi accès dès la phase de conception à des calculs prédictifs de la tenue en service de composants automobiles.

Abstract

This article presents a global approach for the design of structures undergoing thermomechanical loadings in the automotive industry. This approach is based on four topics: the applied loading, the modeling of the material behaviour, the modeling of the fatigue damage and a failure criterion. This method is applied for the design of cylinder head and exhaust manifold undergoing a thermal transient loading. In order to integrate this approach in an industrial development scheme, the initial hypothesis for the modeling are first presented. Two particular points are then underlined: the mechanical behaviour and the damage modeling. Two viscoplastic constitutive laws are chosen and their parameters are calibrated by using isothermal tests and validated with non isothermal tests. A design criterion based on the mechanical energy dissipated in the material is proposed. The analysis of the computations results on structures with this criterion yields an estimation of the lifetime in a non isothermal multiaxial context. This allows to guaranty the integrity of the structure, as soon as the design exists.