Academic literature on the topic 'Machines agricoles – Matériaux – Fatigue'

Les machines agricoles doivent être conçues pour être optimales, fiables et résistantes à la rupture par fatigue. L’approche déterministe de la conception ne garantit pas ces exigences, elle est néanmoins traditionnellement appliquée pour la conception de machines agricoles. Cela est dû à la difficulté de modéliser la nature stochastique des forces agissant sur les machines agricoles, en particulier les machines de labour, car elles fonctionnent dans un environnement irrégulier et dans des conditions de fonctionnement variables. Le principal objectif de cette thèse est de développer un cadre général pour la conception de machines agricoles, en intégrant les outils d'optimisation, de fiabilité et de fatigue. En cela, nous visons à proposer une alternative à l'approche déterministe. Tout d'abord, cette thèse propose des méthodes et des modèles pour modéliser la variabilité des forces durant le labour en prenant en compte à la fois la variabilité des paramètres du système de labour et de rupture du sol. Deuxièmement, sur la base des méthodes d’optimisation fiabiliste et d’analyse de la fatigue, nous proposons des méthodologies pour la conception de machines agricoles. Tout au long de la thèse, les approches développées sont appliquées à la conception de la dent d'un chisel<br>Agricultural machines should be designed to be optimal, reliable and have thecapacity to resist failure by fatigue. Although, the deterministic design approach does not guarantee these requirements, it is traditionally applied in the design of agricultural machines. This is due to the difficulties to model the stochastic nature of the forces acting on agricultural machines, especially the forces acting on tillage machines which work in irregular environment and under varying conditions. Therefore, the main objective of this dissertation is to develop a general framework for the design of agricultural machines by integrating the optimization, the reliability and the fatigue tools. We aim to provide an alternative to the traditional deterministic design one. First, this dissertation proposes methods and models for modeling the variability in tillage forces considering both thevariability in tillage system parameters and the soil failure. Second, based on the available methods in reliability-based design optimization and fatigue analysis approaches, itproposes methodologies for the design of agricultural machines. Throughout the dissertation, the developed approaches are applied to the design of the shack of a chisel plough

Les composants mécaniques, et en particulier ceux des véhicules sont soumis tout au long de leur durée de vie à environ 108-1010 cycles (fatigue gigacyclique), alors que les dimensionnements actuels sont basés sur des données obtenues expérimentalement jusqu’à 107 cycles (fatigue mégacyclique), qui sont les seuls atteignables avec les techniques expérimentales actuelles. Ceci implique l’utilisation de facteurs de sécurité relativement importants pour tenir compte de l’incertitude dans cette extrapolation. La présente étude a permis de mettre au point et fiabiliser une technique d’essai de traction - compression par résonance à 20 kHz et par résonance à 30 kHz permettant d’atteindre expérimentalement 108-1010 cycles et 1011 cycles respectivement. La méthode a été validée en vérifiant la cohérence des résultats obtenus avec la nouvelle méthode et les méthodes classiques dans leur domaine de recoupement (~107 cycles). Cette étude a également généré des données de fatigue gigacyclique sur les principaux matériaux alternatifs utilisés dans la fabrication des principales pièces mécaniques (aciers, fonte, aluminium…), permettant d’établir une première base de données pour un meilleur dimensionnement de ceux-ci. Les résultats obtenus en fatigue gigacyclique montrent que, dans de nombreux cas, il n’existe pas de limite d’endurance à 107 cycles, comme cela est actuellement postulé dans les principaux codes de dimensionnement, qui devraient donc être revus en fonction de ces nouveaux résultats. Une interprétation des résultats en termes de sensibilité du matériau au défaut et hétérogénéité et/ou finesse de la microstructure a été proposée, pour rendre compte de l’ensemble de ces résultats. Finalement, un nouveau prototype d’essais en fatigue à 20 kHz en torsion a été conçu et calculé, ainsi les premiers résultats de fatigue en torsion entre 106 et 1010 cycles sur un acier à matrice biphasée (50% ferrite – 50% perlite) ont été obtenus<br>Mechanical components, particularly those used in the automotive industry, reach 108 – 1010 cycles during all their lifetime under cyclic loads (gigacycle fatigue), whereas the present designs are based on the results obtained experimentally up to 107 cycles, (megacycle fatigue), which are obtained with the conventional experimental techniques (hydraulic and/or electromagnetic fatigue machines). This implies the use of factors of safety relatively important to take into account the uncertainty from this extrapolation. The present study has allowed the set up of a resonance fatigue technique on traction - compression at 20 and 30 kHz, in order to reach experimentally 108 - 1010 cycles in less than one week and 1011 cycles in around 40 days, respectively. The reliability of the experimental equipment was carried out, in a beginning thanks to the calculation of components key on resonance like; the amplifier of displacement (sonotrode) and specimens. In a second stage the reliability was attained through the test equipment calibration. Accurate automatic control of stress and number of cycles during test. Verification of the absence of other ways of vibration which can generate wrong loads (flexion, torsion, etc. . . . ). In addition a control of temperature during fatigue test was carried out using an equipment of infrared in the zone of maximal stress, where an air jet is applied to limit the temperature a maximum of between 15 and 25°C. Finally, a verification of the mechanical properties (hardness) and microstructure was carried out in the zone of rupture, with the purpose of comparing to original state. The experimental method has been validated verifying the coherence of results obtained with this new method, and classic methods in the common zone within the curves S-N (~107 cycles). This study has also generated information on the gigacycle fatigue of the main alternative materials used in the manufacture of mechanical parts (steel, cast-iron, aluminium), allowing to establish a data base for a better design of these as well as general a scientific point of view on the gigacycle fatigue. The results obtained in gigacycle fatigue show that, in most of the cases it does not exist a fatigue limits at 107 cycles, like, it is postulated in the international standards, which will should reviewed based on these new results. An interpretation of the results in terms of the sensitivity of the material to the defects (inclusions, porosities) and to the heterogeneity and/or size of the microstructure (martensite, bainite, perlite, ferrite, austenite), has been proposed, to help the understanding of related results. In the case of the aluminium alloy, a discussion of the international norm [ASTM 2003/E468-90(1998)] is proposed in order to design components using this alloy based on the mechanisms of crack initiation: (surface and internal). On the other hand, an analysis of the diagram of Kitagawa has been implemented to define the critical size of the defect in the crack initiation on very high cycle fatigue. The model developed by Paul C. Paris concerning the prediction of crack growth life portion from crack initiation until specimen fail “fish-eye” was also used in this study; also the model of Murakami consisting to the prediction the fatigue strength was employed on very high cycle fatigue. On the other hand, an application of the index of Ashby appears to classify the materials in terms of their performance. Finally, a new vibratory fatigue prototype in torsion at 20 kHz has been design, obtaining the first results of fatigue in torsion between 106 and 1010 cycles on a bi-phase steel (50% ferrite - 50% perlite)

Cette étude expérimentale s'intéresse aux effets du renforcement d'une matrice cimentaire mortier) par des fibres métalliques et plus particulièrement au comporte ment rhéologique du composite durci. Ainsi, après la caractérisation mécanique du matériau. , sont successivement examinés le retrait, le fluage et la fatigue. A noter que les examens faits en fatigue superposent retrait et fluage et qu'aucune protection n'empêche la dessiccation des éprouvettes. Deux méthodes très différentes de renforcement de la matrice (avec 1 % de fibres) sont comparées : dans un cas, il s 'agit de fibres bien ancrées par ses extrémités, dans l'autre de fibres avec un volume unitaire lus faible, qui se dispersent en plus grand nombre dans le matériau Les performances obtenues avec plusieurs longueurs de fibres sont mises en parallèle. Le retrait de la matrice est diminué par la présence des fibres : la cinétique de séchage est un peu modifiée. Deux modèles prévisionnels sont confrontés aux résultats expérimentaux. Si les déformations de fluage sous efforts uni axiaux sont légèrement réduites à cause des fibres, la flèche de fluage observée en flexion avec certaines fibres est deux fois plus faible. Le couplage entre le retrait le flua e et la fissuration du matériau, favorable au béton de fibres est mis en évidence. Enfin, les fibres améliorent, dans le cas de la flexion, la tenue en fatigue de la matrice ; ces effets sont quantifiés (courbes S-N) et Corrélés avec les essais statiques par le suivi de l'évolution des flèches<br>This experimental study deals with metallic fibres reinforced cementa matrix (mortar), and particularly with rheological behaviour of hardened composite. So, after the material mechanical characterization, shrinkage, creep and fatigue are successively examined. Notice that fatigue tests add creep and shrinkage effects, and no shield prevents the samples desiccation. Two matrix reinforcement methods (1% fibres), very different, are compared : on one hand fibres which are well anchored on ends, on the other hand fibres with low unit volume which disperse in large number in the material. The performances of several fibre lengths are compared. Test results showed that, the matrix creep is reduced by the fibres reinforced ; furthermore the drying kinetic is modified. Two predicting models are compared to test data. If creep deformations under uniaxial efforts are slightly reduced the observed flexural creep deflection with some fibres is twice smaller, with reference to the matrix. A phenomenological explanation is proposed. Shrinkage, creep and material cracking interaction favourable to fibres concrete exhibited by prediction. At last, fibres improved the matrix flexural fatigue. These effects are quantified (S-N curves) correlated with the static test by the deflection analysis

Les machines agricoles doivent être conçues pour être optimales, fiables et résistantes à la rupture par fatigue. L'approche déterministe de la conception ne garantit pas ces exigences, elle est néanmoins traditionnellement appliquée pour la conception de machines agricoles. Cela est dû à la difficulté de modéliser la nature stochastique des forces agissant sur les machines agricoles, en particulier les machines de labour, car elles fonctionnent dans un environnement irrégulier et dans des conditions de fonctionnement variables. Le principal objectif de cette thèse est de développer un cadre général pour la conception de machines agricoles, en intégrant les outils d'optimisation, de fiabilité et de fatigue. En cela, nous visons à proposer une alternative à l'approche déterministe. Tout d'abord, cette thèse propose des méthodes et des modèles pour modéliser la variabilité des forces durant le labour en prenant en compte à la fois la variabilité des paramètres du système de labour et de rupture du sol. Deuxièmement, sur la base des méthodes d'optimisation fiabiliste et d'analyse de la fatigue, nous proposons des méthodologies pour la conception de machines agricoles. Tout au long de la thèse, les approches développées sont appliquées à la conception de la dent d'un chisel.

La fatigue occasionne 90% des ruptures des pièces en service. Les états de contraintes sont généralement multiaxiaux mais paradoxalement les critères qui permettent de juger de la sécurité sont peu nombreux et s'avèrent peu satisfaisants soit dans le principe,soit dans la commodité d'exploitation. Le présent mémoire propose un critère de fatigue multi axiale basé sur la moyenne quadratique des amplitudes des contraintes tangentielles et normales. Ce critère est satisfaisant dans son principe et toutes les conséquences (diagramme de HAIGH en traction et torsion en particulier) en sont tirées. Le domaine de validité est tel que τ(-1)/σ(-1) est compris entre 0,577 et 0,866. Un programme général de calcul a été développé. La validation du critère est faite à l'aide d'essai de la littérature selon une méthode originale de validation statistique consistant à comparer lès distributions de la contrainte équivalente et de la limite de fatigue σ(-1) par la méthode de MONTE CARLO. Le critère est validé pour 70% à 80% des essais étudiés<br>Fracture of mechanical parts in operation are induced mainly by fatigue ( 90%). The stress state are generally multiaxial but surprisingly,criteria which permit safety evaluation are few and not well based in theory and not well suited for practice. The multiaxial fatigue criterion proposed in this report is based on quadratic average of the intensity of tangential and normal stress. This criterion satisfies theoretical requirements and all practical consequences as diagrams of HAIGH in traction and torsion are deduced from it. The validity domain in τ(-1)/σ(-1) is between 0,577 and 0,866. A general program of calculation has been developed. The criterion has been validated by tests found in the technical literature following an original method of statistical validation applied to the comparison of the equivalent stress and of fatigue limit σ(-1). The criterion is qualified for 70 to 80 % of studied tests

Dans cette thèse, nous avons caractérisé expérimentalement les emballages en carton compact et ondulé à l’aide de tests spécifiques qui permettent de reproduire les conditions de transport. Après avoir effectué des essais de traction pour caractériser le comportement orthotrope des papiers et carton compact, nous avons déterminé par des essais de compression statique la résistance à la compression verticale (RCV) des boîtes en carton compact et des caisses en carton ondulé étudiées. Pour l’analyse dynamique, nous avons mené des expériences de vibrations aléatoires et de chocs sur ces emballages. Nous avons ensuite implémenté un modèle de comportement élastoplastique orthotrope (IPE) pour les papiers et le carton compact dans le logiciel Abaqus à l'aide du programme utilisateur VUMAT. Nous avons également proposé une homogénéisation du modèle IPE pour le carton ondulé, que nous avons implémenté dans lelogiciel Abaqus à l'aide du programme utilisateur UGENS. Nous avons montré que le modèle élastoplastique IPE permettait de décrire de manière très satisfaisante le comportement statique et dynamique des boîtes en carton compact. L’utilisation du modèle IPE homogénéisé permettait, d’une part la création facile de la géométrie, et d’autre part la réduction importante des temps de calcul. Les résultats obtenus avec le modèle homogénéisé se comparaient très bien avec ceux obtenus avec le modèle 3D complet et les résultats expérimentaux en statique et en dynamique. Enfin, pour la simulation des essais de fatigue, nous avons réalisé des simulations des essais de chocs successifs jusqu’à l’endommagement de la caisse, et nous avons utilisé un modèle de fatigue dans le logiciel Fe-Safe pour déterminer la durée de vie des caisses. Les résultats des simulations obtenus montrent que notre modèle permet de bien reproduire les résultats expérimentaux pour les trois zones d’endurance des courbes limites de dommage<br>In this thesis, we have experimentally characterized compact and corrugated cardboard packaging using specific tests that reproduce transport conditions. After carrying out tensile tests to characterize the orthotropic behavior of papers and cardboard, we determined by static compression tests the box compressive strength (BCT) of the cardboard and corrugated cardboard boxes. For the dynamic analysis, we conducted random vibration and shock experiments on these packages. We then implemented an orthotropic elastoplastic behavior model (IPE) for papers and cardboard in Abaqus software using the VUMAT user program. We also proposed a homogenization of the IPE model for corrugated cardboard, which we implemented in the Abaqus software using the UGENS user program. We have shown that the IPE elastoplastic model allows a very satisfactory description of the static and dynamic behavior of cardboard boxes.The use of the homogenized IPE model allowed, on the one hand, the easy design of the geometry, and on the other hand, the significant reduction in computation times. The results obtained with the homogenized model compared verywell with those obtained with the full 3D model and the experimental results in statics and dynamics. Finally, for the simulation of the fatigue tests, we carried out simulations of successive impact tests until the box was damaged, and we used a fatigue model in the Fe-Safe software to determine the fatigue life of the boxes. The results of the simulations obtained show that our model makes it possible to well reproduce the experimental results for the three endurance zones of the damage boundary curves

Cette étude vise à modéliser les mécanismes d'endommagement sous chargements multiaxiaux en Fatigue à Grand Nombre de Cycles (FGNC). Le rôle des hétérogénéités microstructurales introduites en particulier par le procédé d'Usinage Assisté Laser fait l'objet d'une attention particulière. On propose de tenir compte de l'aspect dispersé des données en fatigue à l'aide d'une approche de type plan critique et d'un modèle à deux échelles. Plus précisément, une approche probabiliste de type Weibull est d'abord introduite pour prendre en compte le rôle des hétérogénéités microstructurales sur le comportement en fatigue à l'échelle macroscopique. Une deuxième partie de l'étude concerne l'utilisation d'un modèle de couplage plasticité - endommagement à l'échelle mésoscopique afin de refléter les effets de cumul d'endommagement observés en FGNC. Les prédictions des deux approches sont confrontées à des données expérimentales relatives à des chargements complexes (traction biaxiale, traction-torsion hors phase, asynchrone ou encore chargement d'amplitude variable). On montre un très bon comportement d'ensemble ainsi que la possibilité d'associer les deux modélisations pour obtenir une loi d'endommagement probabiliste dont une application directe est l'obtention de courbes P-S-N (Probabilité-Contrainte-Nombre de cycles) pour n'importe quel type de chargement. La dernière partie du travail est consacrée à l'étude de l'interaction entre un procédé d'usinage par assistance Laser (UAL) et la tenue en fatigue des composants métalliques obtenus (acier et alliage de titane). Le rôle des caractéristiques d'intégrité de surface (la microstructure, l'écrouissage, les contraintes résiduelles, l'état de surface

Le roulement est l'un des composants les plus importants des machines tournantes. Néanmoins, dans des conditions normales d'utilisation, il est soumis à de la fatigue de roulement qui peut conduire à un défaut d'écaillage. Dans ce travail, nous présentons un suivi de la fatigue d'un roulement de butée grâce à un banc d'essais dédié. L'analyse vibratoire est une méthode qui permet de caractériser et de localiser les défauts dans les roulements. Des mesures successives de ces niveaux de vibrations donnent des indications quant à l'évolution de la sévérité des défauts. Le suivi de cette évolution est fait grâce à un indicateur statistique, la valeur RMS (Root Mean Square) qui peut être corrélée avec la taille d'un écaillage de roulement. L'approche suit le fonctionnement du roulement de butée jusqu'à la dégradation avec une acquisition on line des états vibratoires sous forme de signaux temporels. A l'aide du traitement de signal, on obtient les valeurs des amplitudes vibratoires qui caractérisent l'état vibratoire du roulement. Par conséquent, ces valeurs nous permettent de tracer les courbes de fatigue. Au cours de notre travail expérimental, cette opération est appliquée à un lot de butées à billes pour lesquelles nous avons obtenu des courbes semblables où la tendance de l'évolution suit un modèle mathématique à partir de la détection de l'apparition de la première écaille. Le résultat de ce travail contribuera à prédire la durée de vie résiduelle avant la panne<br>The bearing is one of the most important components of rotating machines. Nevertheless, in normal conditions of use, it is subject to fatigue which creates a defect called a rolling fatigue spalling. In this work, we present a follow-up of the thrust bearing fatigue on a test bench. Vibration analysis is a method used to characterize the defect. In order to obtain the fatigue curve more adjusted, we have studied the vibration level according to statistical indicators: the Root Mean Square value (RMS value), which is one of the best indicators to show the evolution of the bearing degradation. The approach follows the working of the bearing until the degradation with an on line acquisition of vibration statements in form of time signals. With the signal treatment, we obtain the values of the vibration amplitudes which characterize the vibration state of the bearing. Consequently, these values allow us to plot the fatigue curves. During our experimental work, this operation is applied for a batch of thrust bearings for which we have obtained similar fatigue curves where the evolution trend follows a mathematical model from the detection of the onset of the first spall. The result of this work will contribute to predict the working residual time before failure

Cette étude a pour objectif d'identifier les paramètres responsables de l'endommagement des polymères en transport pneumatique et de comparer les mécanismes d'endommagement mis en jeu pour différents polymères. Le choix des dispositifs expérimentaux s'est porté sur les deux tests suivants: un test à échelle industrielle, id est une boucle de transport pneumatique, un test à échelle de laboratoire. Les essais sur la boucle de transport pneumatique ont été réalisés suivant deux procédures différentes. . . Les résultats illustrent l'influence des caractéristiques mécaniques des polymères sur les taux d'endommagement obtenus et l'influence des paramètres de transport pneumatique sur la génération de débris. Les essais sur la machine test d'endommagement ont été réalisés sur deux polymères: le polypropylène et le polystyrène. L'étude de l'effet des paramètres opératoires a montré l'influence du phénomène de fatigue sur l'endommagement des granulés mais également l'importance de la rugosité de la paroi impactée. Une analyse qualitative des débris obtenus pour ces deux tests nous permis d'identifier et de séparer les influences des vitesses normales et tangentielles d'impact sur les comportements mis en jeu lors de l'endommagement des granulés plastiques, ainsi que le rôle des caractéristiques mécaniques et morphologiques.