Experimental study and modelling of endurance in fretting fatigue: effect of plasticity and variable loadings
Étude et modélisation de l'endurance en fretting fatigue: effet de la plasticité et des sollicitations variables
Résumé
This work concerns the prediction of fretting fatigue cracking risk in the Teta/Frette contacts of flexible pipes used for oil&gaz transportation. Swell movements produce micro-displacements between Teta wires and Frette wires, which are typical of fretting. Fretting problem in flexible pipes is particularly complex as it involves taking account of high pressure levels inducing plasticity and variable loadings. To answer this problem, exerimental and numerical studies have been carried out.
Cracking study is divided between crack nucleation risk prediction and the study of crack propagation conditions. Crack nucleation is studied using Crossland multiaxial fatigue criterion applied at a critical distance to address fretting stress gradient effect. This critical distance is optimized to be representative of the wide spectrum of stress gradient studied. It is shown that if the critical distance is constant whatever the stress gradient, it is combined with a crack nucleation length which depends on the stress gradient (ℓopt-bopt couple). This optimized approach, combined with a representative elastic-plastic material law, allows very precise estimates of crack nucleation conditions.
Crack arrest condition ∆K_th is deduced by inverse analysis of plain fretting tests. We show that, whatever stress gradients and elastic or elasto-plastic loadings, this method remains stable. The crack arrest condition allows conservative predictions of crack arrest conditions as long as an elastic-plastic material law is considered. Indeed, accurate predictions of crack arrest conditions require good reproduction of the geometrical accommodation of the contact and of the residual stress generated by the plasticity
Knowing ∆K_th and optimized ℓopt-bopt couple, the fretting fatigue map, which, for a given contact, gives the non-cracking domain and non-propagation domain as function of macroscopic fretting and fatigue loadings, is established.
Crack propagation situation is also examined. Crack propagation kinetik is estimated by coupling Kujawski’s fatigue crack driving force parameter, K ̅*, with the Paris law of the material. K ̅* allows taking account of the stress ratio evolution below the contact. Thus we predict lifetime and crack propagation kinetik of tests under constant as well as variable fretting fatigue loadings. Loading history is taken into account by the successive application of the loading blocks in the finite element modelling.
We show that the developed methods allow adequate estimates of the fretting fatigue cracking response for a varied panel of constant loadings and blocks loadings, even if they tend to overestimate crack propagation. However the methods allow obtaining reasonably conservative predictions, which is the aim of the inductrial partner.
Ce travail porte sur la prévision du risque de fissuration en fretting fatigue des contacts Teta/Frette des conduites flexibles servant à l’acheminement du pétrole et du gaz. Les mouvements de la houle produisent des micros déplacements typiques du fretting entre les fils de Teta et de Frette. Le problème des conduites flexibles est particulièrement complexe puisqu’il implique de prendre en compte des forts niveaux de pressions induisant de la plasticité et des sollicitations variables. Pour répondre à ce problème, des études expérimentales et numériques ont été menés en parallèle.
L’étude de fissuration est divisée entre prévision du risque d’amorçage des fissures et étude des conditions de propagation. L’amorçage est étudié avec le critère de fatigue multiaxial de Crossland appliqué à distance critique pour prendre en compte les gradients de contrainte spécifiques au fretting. Cette distance critique est optimisée pour être représentative du large spectre de gradient des contraintes étudié. Il est montré que si la distance critique est constante quelle que soit le gradient des contraintes, elle est associée à une longueur de fissure amorcée dépendante du gradient (couple ℓopt-bopt). Cette approche optimisée, combinée à une loi élastoplastique représentative permet des estimations très précises des conditions d’amorçage des fissures.
La condition d’arrêt de fissuration ∆K_th est déduite par analyse inverse d’essais de fretting simple. Nous montrons que quels que soient les gradients de contrainte, et le caractère élastique ou élastoplastique de la sollicitation, cette méthode reste stable. Cette valeur permet des prévisions conservatives des conditions d’arrêt de propagation des fissures tant qu’une loi élastoplastique est considérée. En effet, une prévision correcte des conditions d’arrêt de propagation nécessite de bien reproduire à la fois l’accommodation géométrique du contact et les contraintes résiduelles générées par la plasticité.
Connaissant ∆K_th et des paramètres ℓopt-bopt optimisés, la carte de fretting fatigue, qui donne pour un contact donné les domaines de non amorçage et de non propagation des fissures en fonction des chargements macroscopiques de fretting et de fatigue, est établie.
Le cas de fissures propageantes est également examiné. La cinétique de propagation est estimée en couplant le paramètre moteur de propagation de Kujawski K ̅* avec une loi de Paris. K ̅* permet de prendre en compte l’évolution du rapport de charge sous le contact. Ainsi nous prévoyons la durée de vie et la cinétique de propagation d’essais sous sollicitations constantes de fretting fatigue comme sous sollicitations variables de fretting fatigue. L’historique de chargement est pris en compte par l’application successive des blocs dans le calcul éléments finis.
Nous montrons que les méthodes développées permettent d’estimer de manière adéquate la réponse en fretting fatigue d’un panel varié de conditions de chargements constants et de chargements blocs, même si elles ont tendances à surestimer la propagation des fissures. Toutefois, cela permet d’obtenir des prévisions raisonnablement conservatives, ce qui est l’objectif visé par l’industriel.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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