Auteur: Karl D’haveloose
Les défaillances dues à la fatigue constituent un des principaux problèmes que l'on rencontre dans la conception des machines. Les ingénieurs comme les concepteurs doivent donc impérativement se pencher sur cette question, non seulement parce qu'elle peut leur coûter leur poste, mais aussi parce que ce n'est qu'ainsi que l'on peut garantir l'intégrité des structures et des composants des machines tout au long de leur cycle de vie.
Les principes fondamentaux :
Les défaillances dues à la fatigue, que l'on définit comme l'apparition et la propagation de fissures sous l'effet de charges cycliques, peuvent affecter toutes les structures, y compris les mieux construites. Si elles passent inaperçues pendant suffisamment longtemps, ces fissures peuvent évoluer vers des déformations structurelles bien plus importantes, entraînant de graves dommages aux composants mécaniques qui semblent pourtant fonctionner correctement dans leurs limites.
Cet article offrira un aperçu de ce que sont les défaillances dues à la fatigue, examinera quelques exemples notables tirés du monde réel et rappellera les principes essentiels que tout ingénieur devrait comprendre pour contribuer à prévenir ce problème très courant. Il abordera également la relation entre les défaillances dues à la fatigue et les logiciels d'AEF (Analyse par Éléments Finis).
Un exemple notable de défaillance due à la fatigue dans l'industrie aéronautique. Avant d'aborder la question de la rupture par fatigue, il convient d'examiner les conséquences d'une défaillance mécanique. Un exemple notable tiré du monde réel est celui du crash du de Havilland Comet survenu en 1954. Premier avion de ligne à réaction au monde, le Comet était le fleuron de l'industrie aéronautique et spatiale britannique ainsi qu'un symbole concret de la puissance de l'aviation britannique... jusqu'à ce qu'une malheureuse série d'accidents change le cours de son histoire.
À partir du vol BOAC 781, deux catastrophes mortelles impliquant des Comet ont fait l'objet d'une enquête qui s'est étalée sur plusieurs années et à l'issue de laquelle les autorités ont conclu que la fatigue des métaux due à des défauts de conception avait entraîné une dépressurisation explosive de la cabine pendant les vols. La conception carrée des hublots orientés vers l'avant avait notamment favorisé l'accumulation de contraintes dans les angles, dont l'effet était amplifié par des montants de hublots rivetés (au lieu d'être collés).
La combinaison de ces décisions de conception a entraîné l'apparition de fissures de fatigue après l'augmentation cyclique de la pression dans la cabine, ce qui a fini par provoquer l'expansion des fissures et la violente dépressurisation de l'avion qui s'en est suivie.
Phases de la rupture par fatigue
En partant de l'exemple illustrant ce qui se passe lorsque les structures ne sont pas conçues en tenant compte de la rupture par fatigue, nous pouvons approfondir les principes de la rupture par fatigue et ses caractéristiques identifiables. Pour faire court, la rupture par fatigue fait référence à l'affaiblissement critique d'un matériau ayant été soumis à des contraintes répétées. À un niveau élevé, une structure fatiguée passe par plusieurs phases avant de se rompre complètement.
Comme indiqué plus haut, la première chose que subit une structure fatiguée est bien évidemment... la fatigue. L'exposition à des charges fluctuantes (par exemple, des roues sur des rails ou la pressurisation/dépressurisation d'une cabine d'avion) peut entraîner l'apparition de fissures ou de rayures superficielles dans les zones soumises à de fortes contraintes sur les systèmes mécaniques. Cette phase s'appelle l'initiation.
Ces zones peuvent présenter des caractéristiques telles que des cavités, des arêtes ou des bourrelets. Au fil du temps, ces petites fissures s'agrandissent à chaque cycle de charge (phase de propagation) et finissent par atteindre des dimensions susceptibles de provoquer des ruptures structurelles soudaines.
L'image ci-dessus illustre les différentes phases de la rupture par fatigue. L'origine de la fatigue (fatigue origin) montre le développement d'une fissure superficielle, qui se propage ensuite sous forme de marques de plage (beachmarks), lesquelles finissent par provoquer une surcharge (overload) de la structure et, ensuite, sa rupture.
Les deux principaux types de rupture par fatigue sont la fatigue mégacyclique et la fatigue oligocyclique. La fatigue mégacyclique est due à des contraintes relativement faibles qui s'exercent sur un composant mécanique et qui entraînent une rupture par fatigue après plusieurs millions de cycles. À l'inverse, la fatigue oligocyclique est due à des contraintes plus importantes qui entraînent une rupture par fatigue après un nombre moins élevé de cycles (plusieurs milliers).
Facteurs à prendre en considération pour limiter les risques de rupture par fatigue
Maintenant que le concept de rupture par fatigue a été clairement défini à l'aide de principes fondamentaux et d'un exemple, la question que l'on doit logiquement se poser est la suivante : "Comment les ingénieurs et les concepteurs peuvent-ils s'attaquer aux causes de la rupture par fatigue et les prévenir ?".
Une première réponse évidente est liée au choix des matériaux utilisés dans la fabrication. En choisissant soigneusement les matériaux les plus appropriés, les ingénieurs peuvent s'assurer que les composants mécaniques pourront résister à une grande variété de scénarios de charge et de conditions environnementales. Pour retarder l'apparition de fissures, les fabricants peuvent en outre prendre en compte les contraintes résiduelles, telles que celles générées par le soudage ou l'usinage, dans le processus de conception.
Le contrôle des conditions de charge est lui aussi essentiel lorsque l'on désire limiter les risques de rupture par fatigue. Lors de la conception des composants, les ingénieurs doivent évaluer l'ampleur, la direction et la fréquence des charges cycliques pour être en mesure de prédire où les fissures pourraient apparaître. Un sentiment similaire est à l'origine des efforts déployés pour prévoir les effets des contraintes liées à la température. Des températures extrêmes et fluctuantes peuvent en effet affaiblir les matériaux au fil du temps, accélérant ainsi le processus de propagation des fissures.
Une méthode couramment utilisée par les ingénieurs pour optimiser leurs processus de conception consiste à simuler la réaction d'un produit ou d'un matériau à l'aide d'un logiciel d'Analyse par Éléments Finis (AEF).
La relation entre l'AEF et l'analyse de la fatigue
L'Analyse par Éléments Finis (AEF) est une composante essentielle de la boîte à outils de l'ingénieur, en particulier lorsqu'il s'agit de prédire les défaillances dues à la fatigue dans les conceptions mécaniques. En créant un réseau d'éléments plus petits à partir de géométries complexes, les logiciels d'Analyse par Éléments Finis peuvent calculer des distributions détaillées de contraintes et de déformations dans des scénarios de charge réalistes. Les ingénieurs peuvent ainsi identifier les zones soumises à des contraintes élevées, qui sont souvent les premières parties d'une conception où des fissures ont tendance à apparaître.
Les logiciels d'Analyse par Éléments Finis les plus évolués sont capables de combiner les résultats des simulations avec les analyses de fatigue et de générer des illustrations telles qu'une courbe de Wöhler, qui définit une relation entre la contrainte et le nombre de cycles. Ces graphiques peuvent donner une idée de la durée de vie en fatigue d'un matériau, ce qui permet aux concepteurs de savoir quels matériaux sont les mieux adaptés à la tâche à accomplir.
Grâce à cette analyse de la fatigue, l'AEF peut mettre en évidence les zones sujettes à la fatigue et permettre aux ingénieurs d'apporter des améliorations ciblées, ce qui se traduit au final par des composants plus fiables dont la durée de vie est plus longue.
Optimisation des performances sur la base des enseignements tirés
La notion de rupture par fatigue est un domaine d'étude important dans de nombreuses disciplines d'ingénierie et a évolué au fil du temps. Les progrès technologiques des logiciels actuels ont aidé les ingénieurs à effectuer des analyses de fatigue plus précises que jamais, ce qui a permis de construire des structures plus sûres et de meilleure qualité.
Si les catastrophes telles que le crash du de Havilland Comet resteront toujours un risque inhérent au transport aérien, l'utilisation combinée de logiciels d'Analyse par Éléments Finis et de programmes de CAO modernes permet aux ingénieurs de réduire ce risque au minimum. Les enseignements tirés du crash du Comet restent néanmoins d'actualité et cet accident nous rappelle à quel point il est essentiel de prendre en compte les défaillances dues à la fatigue dès les premières phases de la conception d'une machine.
