Passer au contenu de page

Stabilité opérationnelle

La stabilitĂ© opĂ©rationnelle est un terme issu de la science des matĂ©riaux et dĂ©crit la durĂ©e de vie calculĂ©e d’un composant. La stabilitĂ© opĂ©rationnelle dĂ©crit la capacitĂ© des matĂ©riaux et composants Ă  supporter sans dommage des charges statiques, quasi-statiques et dynamiques (rĂ©currentes ou brutales) tout en tenant compte de conditions environnementales pertinentes.

Les mĂ©thodes de rĂ©sistance Ă  la fatigue peuvent ĂȘtre Ă  la fois des mĂ©thodes mathĂ©matiques et des rĂ©sultats d’essais. La stabilitĂ© opĂ©rationnelle relĂšve ainsi de l'interaction de la charge (mĂ©canique et environnementale), du matĂ©riau, de la fabrication et de la conception.

Des charges dynamiques sont toujours ou presque Ă  l’origine de la dĂ©faillance des composants. La dĂ©faillance se produit frĂ©quemment toutefois avec des charges nettement infĂ©rieures Ă  la charge de rupture de l'essai de traction statique. Dans le cadre de la stabilitĂ© opĂ©rationnelle, la rĂ©sistance Ă  la fatigue dĂ©crit la dĂ©formation et le comportement de rupture des matĂ©riaux sous charge cyclique.

La courbe de Wöhler permet alors de prédire, avec une précision statistique, le nombre de cycles d'oscillation qu'un composant pourra supporter jusqu'à sa défaillance sous charge de fonctionnement.

La stabilitĂ© opĂ©rationnelle d’un composant

Bien souvent, le département développement ne conçoit pas un composant pour ses caractéristiques de résistance à la fatigue, mais pour sa stabilité (au plan opérationnel).

Afin de dĂ©terminer la rĂ©sistance Ă  la fatigue d'un composant, tous les types de chargement devront ĂȘtre pris en compte, de la contrainte de fluage statique Ă  la sollicitation par choc en passant par la contrainte de vibration Ă  amplitude constante ou variable. Les conditions ambiantes et environnementales telles que la tempĂ©rature, les prĂ©cipitations, la pression, ainsi que les modifications du matĂ©riau liĂ©es Ă  la corrosion ou vieillissement seront Ă©galement prises en compte. Le dĂ©fi consiste alors Ă  dĂ©terminer les valeurs caractĂ©ristiques au moyen d’essais les plus simples possibles, sur la base desquels le concepteur pourra concevoir un composant sĂ»r et fiable.

Le processus d’endommagement est cependant trĂšs complexe et ne peut ĂȘtre dĂ©crit par un seul paramĂštre. La formation de micro-fissures, Ă  partir de dĂ©fauts internes ou encoches (liĂ©s Ă  la construction ou Ă  la fabrication) entraĂźnant des dĂ©formations plastiques cycliques, se trouve toujours Ă  l’origine des dĂ©faillances. Ce processus est dĂ©crit par l’essai LCF. Il s'ensuit alors une croissance des fissures jusqu'Ă  la dĂ©faillance, pour laquelle des mĂ©thodes de mĂ©canique de la rupture seront utilisĂ©es.

L’essai de fatigue (ou essai de Wöhler), en revanche, ne fait pas la distinction entre l'amorce de fissure et la croissance de fissure. GrĂące aux mĂ©thodes d'accumulation des dommages (par exemple Plamgren/Miner), la ligne de Wöhler permet de prĂ©dire assez aisĂ©ment la durĂ©e de vie Ă  des amplitudes de charge variables.

Des essais de composants, requérant cependant un effort moindre grùce aux méthodes modernes de caractérisation des matériaux, sont toutefois encore nécessaires en fin de processus.

La stabilitĂ© opĂ©rationnelle est aujourd'hui testĂ©e dans la plupart des domaines de la technologie. Dans le secteur des constructions lĂ©gĂšres notamment, l’utilisation de la rĂ©sistance Ă  la fatigue offre cependant des avantages certains. Les composants conçus pour garantir une stabilitĂ© opĂ©rationnelle nĂ©cessitent en effet moins de matĂ©riaux et ont une masse moindre. Dans le secteur de l'industrie automobile, par exemple, un vĂ©hicule plus lĂ©ger permet d'Ă©conomiser du carburant, mais sa structure plus lĂ©gĂšre permettra Ă©galement une charge utile plus Ă©levĂ©e. Une conception basĂ©e sur la rĂ©sistance Ă  la fatigue remplirait, partiellement seulement, la fonction: des avions conçus pour rĂ©sister Ă  la fatigue ne pourraient pas voler car ils seraient tout simplement trop lourds.

Le dĂ©veloppement d’un composant

Chaque composant ou presque d'une machine, d'une installation ou d'un vĂ©hicule est exposĂ© Ă  des contraintes mĂ©caniques variables dans le temps pendant leur fonctionnement. La tĂąche du dĂ©veloppement consiste Ă  fabriquer un produit qui remplit sa fonction pendant toute sa pĂ©riode d’utilisation. Des objectifs de dĂ©veloppement court, des exigences de construction lĂ©gĂšre et des contraintes Ă©conomiques rendent toutefois cette tĂąche considĂ©rable. L'estimation de la durĂ©e de vie dans les essais de fatigue contribue Ă  garantir une conception sĂ»re et Ă©conomique des composants. La mĂ©canique de la rupture permet Ă©galement de dĂ©crire la propagation des fissures. Les chiffres clĂ©s des essais non-destructifs peuvent Ă©galement ĂȘtre intĂ©grĂ©s dans le dĂ©veloppement des produits.

Dans un tel contexte, l'objectif d'un composant stable est

  • la rĂ©alisation de la durĂ©e de vie requise
  • la fiabilitĂ© des Ă©lĂ©ments d'une construction ou de l'ensemble du systĂšme
  • la sĂ©curitĂ© contre les dĂ©faillances avant rĂ©alisation la durĂ©e de vie nominale (probabilitĂ© de dĂ©faillance)

la détermination expérimentale de la résistance à la fatigue

La durée de vie d'un composant dépend non seulement du niveau de charge, mais aussi de la séquence de charge. Lorsque le composant conçu offre une conception stable sur le plan opérationnel, les courbes de charge-temps (séquences de charge avec des amplitudes variables) similaires au fonctionnement fournissent ainsi des informations plus fiables sur la durée de vie que les études réalisées avec une charge monotone.

Essais de suivi

Des essais dits de suivi (Ă  l’intĂ©rieur desquels un signal de charge-temps enregistrĂ© devra ĂȘtre reproduit aussi prĂ©cisĂ©ment que possible sur le banc d'essai) sont rĂ©alisĂ©s dans le cadre de la stabilitĂ© opĂ©rationnelle. En dĂ©pit de rĂ©gulateurs rĂ©glĂ©s de maniĂšre optimale, le comportement du banc d'essai (et du composant) induit une absence de correspondance entre le signal effectif et le signal prescrit souhaitĂ©. Afin d'amĂ©liorer le comportement de suivi (correspondance entre le signal prescrit et le signal effectif), le signal prescrit sera modifiĂ© dans un processus d'itĂ©ration jusqu'Ă  ce que le signal effectif corresponde au signal initialement prescrit.

Essais avec séquences de charge standardisées

Des séquences de charge normalisées ont été définies, pour des applications de conception typiques, à partir d'un grand nombre de mesures représentatives des charges opérationnelles; elles servent, au niveau international, de base de conception pour composants soumis aux contraintes dynamiques.

Produits adaptés à la détermination de la stabilité opérationnelle

Top