Durabilité des joints soudés sous chargement d’amplitude variable : effet des contraintes résiduelles

Contexte du projet :

La durabilité des joints soudés constitue un enjeu majeur pour de nombreuses structures industrielles, en particulier dans le domaine naval. Dans les pratiques actuelles d’ingénierie, notamment au sein de Naval Group, les chargements d’amplitude variable (par exemple décrits via des matrices de comptage de type Rainflow) sont généralement transformés en un chargement équivalent à amplitude constante, appelé « cyclage équivalent ».

Un premier enjeu industriel consiste à consolider voire faire évoluer cette approche de cyclage équivalent pour les calculs de durée de vie en fatigue ainsi que pour les analyses de tolérance aux défauts appliquées aux joints soudés de structures navales.

Par ailleurs, les joints soudés, notamment les assemblages en angle et bout-à-bout, présentent des niveaux élevés de contraintes résiduelles issues du procédé de soudage. Dans la continuité de travaux antérieurs (Bercelli et al., 2023), un second enjeu majeur est l’évaluation de l’effet de ces contraintes résiduelles sur la durabilité des structures, en considérant à la fois l’amorçage et la propagation des fissures.

Pour répondre à ce double enjeu, une thèse CIFRE est mise en place entre Naval Group et l'Institut de Recherche Dupuy de Lôme (IRDL - UMR CNRS 6027) à l'ENSTA sur le campus de Brest.

Descriptif du sujet :

L’objectif principal de cette thèse est d’améliorer la compréhension et la modélisation du comportement en fatigue des joints soudés soumis à des chargements d’amplitude variable, en intégrant l’effet des contraintes résiduelles.

Un point clé résidera dans la prise en compte de l’influence de la contrainte moyenne effective (résultant de la combinaison du chargement nominal et des contraintes résiduelles), notamment sur l’amorçage et la propagation des fissures longues. 

En premier lieu, il conviendra d’étudier expérimentalement l’influence d’un chargement cyclique d’amplitude variable, tant sur la phase d’amorçage (petites fissures) que sur la phase de propagation de fissures macroscopiques dans des joints soudés. Ces travaux seront menés principalement sur des assemblages soudés en angle et bout-à-bout en acier de construction navale.

À cette fin, différentes techniques expérimentales seront mises en œuvre, notamment la thermométrie, qui a déjà démontré tout son intérêt dans des études antérieures sous chargement d’amplitude constante (Carteron, 2020). La mise en place de post-traitements adaptés (Bercelli et al., 2025) permettra notamment de mettre en évidence les effets de fermeture de fissure au cours du cycle, ce qui constitue un élément essentiel pour la phase de modélisation. L’extension de cette technique à des chargements cycliques d’amplitude variable constitue l’un des verrous scientifiques majeurs du projet.

Dans un second temps, les résultats expérimentaux obtenus serviront de base à la mise au point d’un modèle de prévision de durée de vie et de tolérance aux défauts pour les joints soudés. La richesse des observations expérimentales devra permettre de justifier chacune des briques de la modélisation afin d’en améliorer la robustesse.

Références

Bercelli, L., Levieil, B., Doudard, C., Calloch, S., 2025. Fatigue crack closure assessment by wavelet transform of infrared thermography signals. Int. J. Fatigue 190, 108639.

Bercelli, L., Levieil, B., Doudard, C., Malek, B., Bridier, F., Ezanno, A., 2023. Use of infrared thermography to model the effective stress ratio effect on fatigue crack growth in welded T-joints. Eng. Fract. Mech. 279, 109061.

Carteron, L., 2020. De l’apport des mesures de champs de température sous sollicitations cycliques pour la caractérisation et la modélisation des propriétés en fatigue des assemblages soudés (thesis). Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne.

ENSTA, établissement d’enseignement supérieur et de recherche sous tutelle du ministère des Armées, développe des activités de formation, recherche et innovation dans les domaines de la défense et de la sécurité, des transports, de l'énergie, des activités maritimes, du numérique et de la santé.

L’école, présente sur deux campus, à Paris-Saclay et à Brest, est membre de l’Institut Polytechnique de Paris. Classée dans le Top 10 des meilleures écoles d’ingénieurs en France, elle a pour missions :

• la formation d’élèves ingénieurs civils et militaires, de cadres et docteurs pour les secteurs public et privé ;
• la recherche et l’innovation de haut niveau en relation étroite avec l’industrie des grands secteurs de souveraineté au sein de 6 unités de formation et de recherche (UFR).

La thèse se déroulera au laboratoire Institut de de Recherche Dupuy De Lôme (IRDL), dont l'ENSTA est l'une des tutelles. L’IRDL est une Unité Mixte de Recherche CNRS. Il s'agit d'un laboratoire référent des systèmes mécaniques en Europe liées à l’ingénierie des matériaux et des systèmes utilisés dans les secteurs industriels liés à l’automobile, le génie civil, l’énergie, l’aéronautique, la santé, aux transports et plus particulièrement tous les domaines en interaction dynamique avec le milieu marin, telles que la construction navale et offshore, les énergies marines. Le·la doctorant·e sera en particulier rattaché·e à une équipe de travail dont la thématique est la durabilité des matériaux.

• Titulaire d’un diplôme d’ingénieur ou d’un M2 Recherche en mécanique des solides ou des matériaux.
• Connaissances en fatigue, mécanique de la rupture ou comportement des matériaux.
• Intérêt pour les approches expérimentales et numériques.