Fûts métalliques empilés et remplis de liquide sollicités de façon cyclique lors de leur transport, tenue en fatigue, modélisation et essais

Fatigue life study of metallic barrels, heaped or not, filled or not, cyclic loaded during the transport. Calculations and experimental results

ISMEP (Institut Supérieur de mécanique de Paris) – Groupe de Physique des Matériaux, 3 rue Fernand Hainaut, 93407 Saint Ouen Cedex, France

Auteur de correspondance : vladimir.gantchenko@ismcm-cesti.fr

Reçu : 1 Avril 2004
Accepté : 6 Février 2004

Résumé

Technique expérimentale: après consultation des normes françaises et étrangères, une machine originale a été conçue et réalisée. Elle permet de communiquer un mouvement cyclique, rectiligne et vertical à des fûts du commerce, plus ou moins remplis, empilés ou non. L'amplitude du mouvement vertical est fixée à ±12,7 mm, alors que la fréquence peut être réglée en continu de 2 à 6 hertz. Les fûts décollent de la table de la machine lorsque l'accélération de la pesanteur est atteinte pour une fréquence de 4,42 hertz. La machine de taille raisonnable permet d'essayer en fatigue un ou plusieurs fûts superposés de diamètre ∅ 350 mm, de hauteur 500 mm ou plus, de masse 60 kg lorsqu'ils sont remplis. Résultats : Nous nous sommes intéressés à la tenue en fatigue de fûts de section hexagonale, comportant un fond et un couvercle sertis. La zone de section hexagonale située entre les deux viroles cylindriques est obtenue par expansion. Pour deux fûts superposés, les fissures de fatigue apparaissent sur le fût inférieur porteur : 
Cas n° 1 : soit au niveau du fond, dans les nervures circulaires ;
 Cas n° 2 : soit au niveau du sertissage du couvercle ;
 Cas n° 3 : soit dans la zone de transition entre la zone expansée hexagonale et la virole cylindrique inférieure.
 Calculs : Le calcul du fût par éléments finis, en tenant compte du cas de l'interaction avec le fluide (supposé non visqueux) a permis de localiser la zone critique du cas n° 3 où les sollicitations sont les plus importantes. Les zones de sertissage et les nervures du fond n'ont pas été modélisées et ne peuvent donc pas apparaître comme zones critiques dans les résultats des calculs. Conclusion : Les contraintes calculées et un critère d'initiation de la fissuration en cisaillement (critère de Matake) ont permis de calculer l'endommagement des fûts et de le valider expérimentalement.

Abstract

Experimental technique: We have defined and built an original machine in order to test containers as specified by French and foreign standards. This machine allows to transmit a cyclic vertical displacement to commercial barrels, filled or not, heaped or not. The vertical motion amplitude is ±12.7 mm and frequency can be continuously varied from 2 to 6 hertz. The containers slip out of the machine table when their acceleration is higher than the gravity for a 4.42 hertz – frequency. The table dimensions allow testing one or several heaped barrels of 350 mm-diameter, 500 mm-height and 60 kg-weight. Experimental results: We have determined the fatigue life of containers with crimped cylindrical heads; their hexagonal section between two cylindrical heads has been manufactured by expansion from a cylinder. When two barrels have been heaped, fatigue cracks initiate on the lower barrel in three locations: 
– location No. 1: on the bottom cylinder between the two ribs;
 – location No. 2: on the bottom crump;
 – location No. 3: on the transition area between the hexagonal section and the bottom cylindrical head.
Calculations and comparison to experience: Barrels loading has been modelled by finite elements calculation in case of interactions with a non viscous fluid. The calculation results confirm that the maximum strain is located in the transition area (location No. 3). The other cracks locations, the bottom cylinder and the bottom crump, have not been modelled. We have determined begining of the failure with the calculated stresses and a shear initiation criterion of cracking (Matake criterion); the experimental fatigue tests confirm the calculated fatigue life.