Thèse Année : 2024

Characterization of physics-based mechanisms during ultrasonic fatigue loading based on analysis of higher harmonic generation

Caractérisation des mécanismes physiques lors d’une sollicitation de fatigue ultrasonique à partir de l'analyse de la génération d'harmoniques d’ordres supérieurs

Résumé

Research into the very high cycle fatigue (VHCF) regime is made possible through the usage of ultrasonic fatigue tests, which can achieve billions of cycles in just a few days. However classical measurement and analysis are insensitive to microplasticity and/or damage (microcracks and microvoids), which eventually lead to fatigue failure. Consequently, these fatigue mechanisms are difficult to detect at early stages. However, the material nonlinearities maybe sensitive to high-frequency loading and exhibit nonlinear behavior such as higher harmonic generation at multiples of the applied frequency. Thus, the standing wave vibration of the fatigue specimen is explored in the context of nonlinear harmonic generation.The modeling of different nonlinear material phenomena is explored at their different length scales. Mesoscopic models of diffuse microplastic inclusions and microcracks are at a length scale of the same order as the vibration wavelength, and is attributed to be a potential source of harmonic generation. The multi-harmonic input given by the ultrasonic fatigue testing machine significantly influences the sensitivity and behavior of harmonic generation of the material nonlinearities. To address this, a multiscale fatigue specimen model which accompanies this boundary condition is employed. The experimental setup is modified to include an additional laser vibrometer to account for this effect. Accurate signal processing algorithms for the extraction of experimental harmonic parameters are benchmarked, and a new algorithm is developed for speed and accuracy. A non-convex penalty is introduced for data-driven sparse nonlinear system identification, surpassing existing state-of-the-art algorithms. Finally, the ultrasonic fatigue test vibration signals from copper and steel fatigue specimens in the VHCF regime are used to assess the multiscale model's ability to model the observed harmonic generation.
La recherche sur le régime de fatigue à très haut cycle (VHCF) est rendue possible par l'utilisation d'essais de fatigue ultrasonore qui permettent d'atteindre en quelques jours des milliard de cycles. Les mesures et analyses classiques sont cependant limitées car peu sensibles à la microplasticité ou aux dommages (microfissures et microvides) qui conduisent finalement à la rupture par fatigue lors de ces essais. Ces mécanismes de fatigue sont donc en pratique difficiles à détecter expérimentalement à un stade précoce. Cependant, les dommages décrits précédemment peuvent présenter un comportement dynamique non linéaire qui peut être exploiter pour surveiller l'apparition d'endommagement par fatigue. Ainsi, les vibrations non-linéaires d'ondes stationnaires dans un l'échantillon de fatigue endommagé sont étudiées dans le contexte de la détection d'endommagement lors d'essais de fatigue ultrasonore.La modélisation de différents phénomènes non linéaires est étudiée à différentes échelles spatiales. Les modèles mésoscopiques d'inclusions microplastiques diffuses et de microfissures se situent à une échelle de longueur du même ordre que la longueur d'onde de la vibration, et sont considérés comme une source potentielle de génération d'harmoniques. L'entrée multi-harmonique fournie par la machine d'essai de fatigue ultrasonique influence de manière significative la sensibilité et le comportement de la génération d'harmoniques des non-linéarités du spécimen. Pour y remédier, un modèle de spécimen de fatigue multi-échelle qui accompagne cette condition limite est utilisé. Le dispositif expérimental est modifié pour inclure un vibromètre laser supplémentaire afin de tenir compte de cet effet. Des algorithmes de traitement du signal permettant l'extraction des paramètres harmoniques expérimentaux sont comparés, et un nouvel algorithme est développé et sélectionné pour sa rapidité et sa précision. Une pénalité non convexe est introduite pour l'identification de systèmes non linéaires guidée par les données, surpassant les algorithmes de pointe existants. Enfin, les signaux de vibration des essais de fatigue par ultrasons des éprouvettes de fatigue en cuivre et en acier dans le régime VHCF sont utilisés pour évaluer la capacité du modèle multi-échelle à modéliser la génération d'harmoniques observée.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04955145 , version 1 (18-02-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04955145 , version 1

Citer

Shawn Kiser. Characterization of physics-based mechanisms during ultrasonic fatigue loading based on analysis of higher harmonic generation. Mechanics of materials [physics.class-ph]. HESAM Université, 2024. English. ⟨NNT : 2024HESAE011⟩. ⟨tel-04955145⟩
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