Caractérisation expérimentale et modélisation du comportement en fatigue à grand nombre de cycles des structures soudées : application aux engins de manutention

The structure of the handling equipment manufactured by Manitou encompassestwo welded assemblies, the chassis and the boom. These two structures are submitted tovariable and complex loading during the service life of the machines (10000 hours). Therefore,the fatigue design, of the welded structures, is a major challenge for Manitou. The mainobjective of this work consists of setting up a numerical sizing approach adapted to thestructures considered. First fatigue tests are conducted on different elementary weldedstructures, typical of the chassis and the boom, in order to assess the fatigue resistance ofthe welded structures manufactured by Manitou. Considering the material fatigue as a localphenomenon and the size of the chassis and the boom, a multiscale numerical approach ispresented. This approach makes it possible to access the mechanical fields at the weld toesand the weld root from a global shell element model. Then a fatigue criterion calculatedfrom local mechanical fields is identified, considering experimental fatigue test results. Thecriterion is then used to discuss the influence of the local geometry, the material behaviourand the residual stress field on the fatigue resistance of the welded structure. In particular, theinfluence of the local plasticity on the effect of the applied stress ratio is studied. Eventually,the proposed model is used to evaluate the stiffness behaviour and the fatigue resistanceof a more complex welded structure. Comparison with experimental results gives promising results.La structure des engins de manutention Manitou est composée de deux assemblagesmécano-soudés, le châssis et la flèche, soumis à des chargements variables et complexes au coursde l’utilisation des machines. Le dimensionnement en fatigue des structures soudées est donc unenjeu majeur, pour Manitou, afin d’assurer la résistance en fatigue des machines, à minima pour10000 heures de fonctionnement. L’objectif du présent travail est de proposer une approche dedimensionnement en fatigue des assemblages soudés plus adaptée que la méthode actuellementutilisée. La mise en place d’une méthode de dimensionnement nécessite, dans un premier temps,de réaliser une campagne d’essais sur des structures élémentaires représentatives des structuresréelles afin de caractériser leur résistance à la fatigue. Ensuite, la fatigue des matériaux étantun phénomène local, la connaissance des champs mécaniques locaux au niveau des cordonsest nécessaire pour calculer un critère de fatigue. De ce fait, une modélisation multiéchelleadaptée aux structures de grandes dimensions est mise en place. Les différents résultats d’essaissont alors utilisés pour identifier un critère de fatigue, calculé à partir des champs mécaniqueslocaux, adapté aux structures étudiées. L’influence de la géométrie du cordon de soudure, ducomportement matériau et du champ de contraintes résiduelles sur la résistance à la fatiguesont ensuite analysés et l’influence du rapport de charge est discutée. Finalement, le modèle estconfronté à des essais réalisés sur une structure complexe permettant de discuter de la validité del’approche mise en place