RESIdual STress ANalysis for Critical Elements – RESISTANCE

L’élaboration et la mise en forme de composants structurels ainsi que leur assemblage génèrent des champs de contraintes résiduelles significatives dans les structures. Ces contraintes se superposent aux chargements en service et influent notamment sur la durabilité en fatigue et la tenue au flambement. Lorsque ces contraintes résiduelles ne sont pas connues, la mise en place d’une démarche de conception conservative conduit à un surdimensionnement qui peut être à la fois coûteux et limitant en termes de performance avec notamment un alourdissement des structures. Au-delà de l’optimisation des conceptions existantes, l’amélioration de la connaissance des contraintes internes aux composants déjà en service peut permettre d’autoriser la prolongation de leur durée de vie. Enfin, l’utilisation de nouveaux matériaux et de procédés de fabrication innovants (fabrication additive en particulier) rend nécessaire la caractérisation des contraintes résiduelles générées.
Les champs de contraintes résiduelles sont par nature hétérogènes et le plus souvent multiaxiaux. Leur connaissance passe donc par la caractérisation en différents points et dans différentes directions de l’espace. Pour cela, il existe diverses techniques qui se distinguent notamment par les profondeurs, le volume, ainsi que les directions de mesure.
Les méthodes normées et maîtrisées sont à ce jour réservées aux mesures proches de la surface. Peu de méthodes peuvent être employées pour la caractérisation des contraintes à cœur des structures de forte épaisseur et de grandes dimensions comme les coques de sous-marins ou les enceintes de confinement de réacteur nucléaire. Si la méthode du contour est aujourd’hui relativement répandue y compris en France, elle est limitée aux pièces de moyennes dimensions (< 1m). Seule la méthode du trou profond peut être appliquée sur des pièces de taille réelle mais cette méthode n’est actuellement maîtrisée que par quelques organismes étrangers et la reconstruction numérique du champ de contraintes à partir des informations obtenues reste un problème majeur. Le développement d’une méthode d’analyse complète en France revêt donc un intérêt stratégique, particulièrement dans le domaine de la défense et du nucléaire (civil et militaire).
L’objectif du projet ASTRID RESISTANCE (RESIdual STress ANalysis for Critical Elements) est de combiner différents résultats de mesure à cœur obtenues par différentes méthodes afin de permettre la reconstruction des champs de contraintes au sein de composants de forte épaisseur.
Plusieurs verrous techniques et scientifiques devront être levés dans le projet RESISTANCE. Expérimentalement, il sera tout d’abord nécessaire, au cours d’un post-doctorat de 18 mois, de développer une expertise sur la méthode du trou profond et d’en valider son application. Pour cela, différentes structures de référence seront conçues et fabriquées avec différents niveaux de complexité allant de la structure 2D plane à une structure plus complexe avec de forts gradients de contraintes dans les 3 directions représentatifs des structures visées.
Numériquement, il sera nécessaire d’adapter le principe de la méthode de reconstruction par déformation inhérente à un problème de mécanique incomplet dans le sens où il ne sera pas possible de disposer expérimentalement de toute l’information en tout point. L’information à disposition peut se révéler contradictoire du fait des différentes précisons de chaque mesure et des biais associés à chaque technique (notamment l’apparition de déformation plastique lors de la découpe/trépanage). Une méthode novatrice de reconstruction sera alors développée au travers d’une thèse de doctorat, et intégrera la prise en compte des incertitudes de mesure afin de pouvoir reconstruire un champ moyenné compatible. Enfin, une approche originale sera mise en place pour enrichir la méthode grâce à la mesure du profil d’écrouissage qui permettra de justifier la forme des champs de déformation introduits.