Dialogue entre analyses micromécanique et probabiliste pour l’estimation de la durée de vie résiduelle de structures métalliques soumises à la fatigue

Le vieillissement des matériels équipant les aménagements hydrauliques en France et dans le monde conduit les gestionnaires à choisir entre plusieurs scénarii : prolongement de la durée de vie à l’identique, réparations, renforcements, voire remplacement complet. Les enjeux sont souvent très importants. Ils peuvent être de l’ordre de la sûreté d’exploitation lorsque les matériels concernés ont des fonctions de sécurité, financiers, compte tenu de la fonction des ouvrages, des coûts de fabrication de ces matériels (prototypes spécifiques à chaque aménagements), de chantier et des pertes d’exploitation durant les arrêts de production programmés (maintenance) ou non programmés (aléas). Les gestionnaires sont donc demandeurs d’un maximum d’éléments leur permettant d’évaluer le niveau de risque associé et la durée de vie résiduelle à chacun des scénarii précités.

Une équipe de chercheurs (Université Grenoble-Alpes) et d’ingénieurs du monde industriel (SPRETEC/Artelia, Compagnie Nationale du Rhône -CNR-, EdF, CETIM) a uni ses forces au sein de la chaire Medelia (chaire industrielle soutenue pour ce travail par la CNR, EdF) pour relever plusieurs défis liés à ce domaine de l’industrie, et en particulier pour caractériser et modéliser la vulnérabilité des structures métalliques hydromécaniques et notamment leur durée de vie résiduelle lorsqu’elles sont affectées par des dégradations liées à des phénomènes de fatigue. Sur la figure ci-dessus, des exemples sont à gauche la structure mécanosoudée d’une vanne et à droite la fissuration par fatigue dans une zone de concentration de contraintes (congé de raccordement) d’une pièce massive de révolution en acier forgé, après une trentaine d’années de service.

Le comportement en fatigue est un phénomène intrinsèquement aléatoire caractérisé, notamment, par des incertitudes liées aux chargements, à l’hétérogénéité de la microstructure du matériau constituant l’ouvrage, à la géométrie et en particulier des zones ou régions où les contraintes se concentrent, ainsi qu’au milieu auquel sont exposées les pièces (ici l’eau douce des lacs et des rivières). Un des objectifs du sujet de thèse proposé est de caractériser la nature aléatoire de la fissuration en fatigue, décrite avec une loi de Paris, et plus particulièrement la variabilité des paramètres C et m intervenant pour un matériau donné, employé dans les structures d’intérêt. Ceci sera étudié expérimentalement, en combinant des essais de fatigue sur éprouvettes de taille réduite, le suivi de la fissuration corrélation d’images et calculs des paramètres de chargement locaux.

Ce travail alimentera une analyse mécano-probabiliste en fatigue qui enrichit les calculs de dimensionnement standard en fatigue en intégrant les incertitudes (en particulier liées au matériau dans un milieu donné mais aussi au chargement et à la géométrie). Cette approche permet d'obtenir une estimation plus fiable et robuste de la durée de vie en fatigue. Le projet couvrira à la fois des assemblages charpentés mécano-soudés (vannes charpentées, portes d’écluse) et des composants en acier moulé ou forgé, plus massifs et sans soudure (corps de vannes en conduite ou éléments de chaîne cinématique de vannes : arbres, tourillons, axes). Les structures concernées sont généralement soumises à un nombre de cycles de chargement de l’ordre de 10⁴ à 10⁶ cycles sur leur durée de vie (50 ans à 80 ans au minimum).

Le sujet proposé est fondé sur un dialogue entre une étude mécanique, expérimentale et numérique – aux éléments finis - de la rupture locale et la prise en compte probabiliste des incertitudes et dispersions (en particulier matériau mais aussi de chargement et de géométrie) pour la caractérisation de la durée de vie des structures. Dans un second temps, l’influence de la variabilité spatiale de ces paramètres matériaux sur la fissuration et donc sur la durée de vie sera également explorée.

L’approche expérimentale envisagée sera basée sur la mise à disposition de matériaux prélevés sur des sous-ensembles d’équipements existants et en fonctionnement (fournitures CNR et EdF), en vue du suivi de la fissuration par corrélation d’images et la caractérisation du chargement au cours de l’avancement. On envisage en particulier de caractériser l’amorçage et la propagation initiale d’une fissure à partir d’un V-notch et en caractérisant la phase d’amorçage de pré-fissure de fatigue. En suivant la fissuration et notamment ses phases de propagation et d’arrêt, en fonction du chargement local, une modélisation de la variabilité spatiale des paramètres de la loi de Paris pourra être proposée.

Dès lors, un couplage mécano-probabiliste inspiré par les travaux de thèse en cours de K. Harb pourra être mis en œuvre et adapté pour caractériser la fissuration. Pour ce faire, une étude aux éléments finis stochastiques ad hoc de la propagation de fissure pourra être mise en œuvre.

L’approche fiabiliste se focalisera sur un modèle apte à estimer des probabilités de défaillance potentiellement faibles (10^-3 à 10^-7) dans la mesure où les composants concernés impactent la sûreté de fonctionnement des aménagements. Ce modèles et ces estimateurs devront donc pouvoir être suffisamment robustes et fiables, sans conservatisme excessif.

D’autre part, on cherchera une méthode permettant d’utiliser les données de surveillance en exploitation (par exemple le suivi de la progression d’une fissure par Examens Non Destructifs réguliers) afin de réactualiser les incertitudes du modèle probabiliste et ainsi mettre à jour l’évaluation de la durée de vie résiduelle.  In fine, l’objectif est de passer d’un diagnostic à un pronostic. La première phase concerne le temps d’amorçage d’un défaut qui est une donnée de sortie recherchée (par calcul et consolidé par END). La seconde phase concerne l’estimation fiable et sans conservatisme exagéré des durées d’exploitation résiduelles avant intervention (phase de propagation incluant la détermination de la taille critique du défaut et du temps à atteindre cette taille critique).

Pour ce projet, nous recherchons un.e doctorant.e enthousiaste pour contribuer à cette méthodologie d’étude de la fatigue de structures, pour laquelle seront associés des cas industriels concrets, de la mécanique expérimentale, de la simulation numérique de la mécanique de la rupture par éléments finis et des approches stochastiques. De fait, le sujet est à l’interface entre les approches déterministe de mécanique de la rupture et stochastique.

Le Laboratoire 3SR est une Unité Mixte de Recherche (UMR 5521) associant l'Université Grenoble Alpes, le CNRS et l'Institut National Polytechnique de Grenoble. Les locaux sont situés sur le campus de Saint Martin d'Hères, répartis sur deux bâtiments, Galilée pour les bureaux et Eiffel pour les installations expérimentales. Le laboratoire comporte 120 personnes menant des recherches de pointe en Mécanique des Solides, recherches qui touchent les domaines de l'ingénierie des structures, des ouvrages et des matériaux pour le génie civil, le transport, l'industrie manufacturière ou la santé.

Le laboratoire Science et ingénierie des matériaux et procédés (SIMAP) est localisé sur le campus Est de Grenoble, à Saint Martin d'Hères, sur environ 9200 m2 de locaux de Grenoble INP - UGA. Il a été créé en 2007 et c'est une unité mixte de recherche du CNRS, de Grenoble INP - UGA et de l’UGA

un Master ou un diplôme d'ingénieur mécanique, matériaux, ou en fiabilité des matériaux et/ou structures

une formation en mécanique des solides, des matériaux et/ou en fiabilité des matériaux et structures 

appétence pour la programmation et les simulations (par éléments finis, scripts python) et avec la modélisation probabiliste, et pour la mécanique expérimentale (essais mécaniques et corrélation d’images notamment).

Niveau de français suffisant pour travailler en équipe.

Un programme de formation doctorale fait partie du contrat doctoral, vous serez inscrit à l'école doctorale des sciences et de l'ingénierie (IMEP2 Université de Grenoble Alpes).