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Revue Française de Mécanique

1997-3

Sommaire/Table of contents

INSTRUC-3

(2ème partie)

A. Mohamed - Eléments finis et fiabilité‚ ; méthode de couplage et application une pièce fissurée FINITE ELEMENT AND RELIABILITY, COUPLING METHOD AND APPLICATION ON CRACKED PROBLEM FR_P.gif (1262 octets) UK_P.gif (1239 octets)
B. Barthelet - Approche probabiliste simplifiée pour déterminer les coefficients de sécurité des critères d'acceptabilité des défauts SIMPLIFIED PROBABILISTIC APPROACH TO DETERMINE SAFETY FACTORS IN DETERMINISTIC FLAW ACCEPTANCE CRITERIA FR_P.gif (1262 octets) UK_P.gif (1239 octets)
M. Serror - modèle probabiliste de propagation de fissure des structures soumises à la fatigue. Logiciel SISIF CRACK SIMULATION PROBABILISTIC MODEL FOR STRUCTURAL FATIGUE ANALYSIS: SOFTWARE SISIF FR_P.gif (1262 octets) UK_P.gif (1239 octets)
H.P. Lieurade - Rôle des contraintes résiduelles dans le comportement en fatigue des composants soudés EFFECT OF RESIDUAL STRESSES ON THE FATIGUE STRENGTH OF WELDED COMPONENTS FR_P.gif (1262 octets) UK_P.gif (1239 octets)
C. Faidy - Une règle codifiée d'analyse de la nocivité des défauts : le R.S.E.M
A CODIFIED RULE FOR FLAW EVALUATION
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A. Combescure - Quelques formules analytiques de rupture des structures sous combinaison de charges mécaniques et thermiques SOME ANALYTICAL FORMULAS TO EVALUATE THE RUPTURE OF SIMPLE STRUCTURES UNDER COMBINATION OF THERMAL AND MECHANICAL LOADS FR_P.gif (1262 octets) UK_P.gif (1239 octets)
M.H. Papin - Calcul simplifié de J sous chargement mécanique et thermique dans un tuyau droit fissuré EVALUATION OF J FOR A CRACKED PIPE UNDER MECHANICAL AND THERMAL LOADINC FR_P.gif (1262 octets) UK_P.gif (1239 octets)
M. Dubois - Application des méthodes de calcul l'évaluation de l'aptitude l'emploi des structures et des composants mécaniques APPLICATION OF NUMERICAL METHODS TO "FITNESS FOR PURPOSE" ASSESSMENT IN STRUCTURES AND MECHANICAL COMPONENTS FR_P.gif (1262 octets) UK_P.gif (1239 octets)

 ÉLÉMENTS FINIS ET FIABILITÉ; MÉTHODE DE COUPLAGE

ET APPLICATION A UNE PIECE FISSURÉE

par A. MOHAMED, M. LEMAIRE, J-C. MITTEAU

LaRAMA-IFMA/UBP, BP 265, F-63175 Aubière Cedex

et E. MEISTER

EDF-SEPTEN, F-69628 Villeurbanne Cedex

La méthode des éléments finis (MEF) est l'outil essentiel pour obtenir une solution numérique d'un problème de mécanique et pour évaluer des variables de sollicitations.

Pour dimensionner, il est ensuite nécessaire de construire une fonction de performance des sollicitations et des résistances espérées et de rechercher si le succès est acquis avec une probabilité suffisamment forte en raison de la variabilité des données. C'est l'objet de la théorie de la fiabilité. Piloter un code MEF en vue d'une analyse fiabiliste, c'est définir une méthode de couplage. Les principes de la théorie de la fiabilité couplée avec la MEF sont tout d'abord rappelés en introduisant plusieurs approches selon la dépendance des variables. Ce texte est illustré par la présentation d'un problème de paroi fissurée soumise à un retrait thermique. Le risque à estimer est celui de la propagation de la fissure dans le matériau.

 

FINITE ELEMENT AND RELIABILITY, COUPLING METHOD AND APPLICATION ON CRACKED PROBLEM

The finite element method (FEM) is the principal tool for the numerical analysis of mechanica1 problems and for the stress level determination.

In order to design a system, it is necessary to define a performance function of action effects and expected strengths and then to search how success is attained with sufficiently great probability with respect to data variability considérations. This is the aim of the reliability theory.

Monitoring FEM programme in order to carry out reliability analysis, it is to define a coupling method. TIie principles of the reliability theory with the FEM are reviewed by introducing severa1 approaches with dependent variables. This paper is illustrated by the presentation of the problem of cracked metal exposed to heat shortening-. The risk to evaluate is due to the crack propagation in the metal.

 

APPROCHE PROBABILISTE SIMPLIFIÉE POUR DÉTERMINER LES COEFFICIENTS DE SÉCURITÉ DES CRITERES D'ACCEPTABILITÉ DES DÉFAUTS

B. BARTHELET 1, E. ARDILLON 1

1 E.D.F. DEPT, Exploitation du Parc Nucléaire, 92060 Paris la Défense, France

2 E.D.F. Direction des Études et Recherches, 93 Saint-Denis, France

 Les règles d'acceptabilité des défauts dans les composants mécaniques des chaudières nucléaires en exploitation reposent sur des critères déterministes comportant des coefficients de sécurité supposés garantir la sûreté exploitation. Dans l'objectif de proposer des critères d'acceptabilité dans le RSE-M (Règles Surveillance en Exploitation des Matériels), Electricité de France a lancé une étude visant à établir le lien entre les coefficients de sécurité et la fiabilité visée.

Une approche probabiliste simplifiée est développée pour analyser le risque de défaillance. En considérant tout d'abord un modèle simple de Mécanique linéaire de la Rupture, il est possible en faisant l'hypothèse de distributions log-normales des principales variables, d'exprimer la probabilité de rupture comme une fonction des valeurs médianes et des coefficients de variation des valeurs. Le point de défaillance le plus probable peut être calculé analytiquement. Les coefficients partiels de sécurité sur les variables principales (contrainte, hauteur du défaut, ténacité) sont reliées aux valeurs de fiabilité visées.

L'approche est étendue à la Mécanique élastoplastique de la Rupture en exprimant la force fissurante appliquée comme un produit de la contrainte, la hauteur du défaut et la limite d'élasticité affectées d'exposants adaptés.L'approche simplifiée est validée par des analyses probabilistes détaillées avec le logiciel Proban En considérant des coefficients de variation raisonnables, la méthode permet de calibrer les coefficients de sécurité à appliquer en fonction des objectifs de fiabilité.

Une étude statistique des caractéristiques des principaux matériaux complète cette étude. Elle porte sur des données de recette et des données laboratoires.

Les résultats de cette étude sont discutés au sein d'un groupe de travail du RSE-M (règles de surveillance en exploitation des matériels).

 

SIMPLIFIED PROBABILISTIC APPROACH TO DETERMINE SAFETY FACTORS IN DETERMINISTIC FLAW ACCEPTANCE CRITERIA

The flaw acceptance rules in nuclear components rely on deterministic criteria supposed to ensure the safe operation of plants.

The interest of having a reliable method of evaluating the safety margins and the integrity of components led Electricité de France to launch a study to link safety factors with requested reliability.

A simplified analytical probabilistic approach is developed to analyze the failure risk in Fracture Mechanics. Assuming lognormal distributions of the main random variables, it is possible considering a simple Linear Elastic Fracture Mechanics model, to determine the failure probability as a function of mean values and logarithmic standard deviations. The "design" failure point can be analytically calculated. Partial safety factors on the main variables (stress, crack size, material toughness) are obtained in relation with reliability target values. The approach is generalized to elastic plastic Fracture Mechanics (piping) by fitting J as a power law function of stress, crack size and yield strength.

The simplified approach is validated by detailed probabilistic computations witli PROBAN computer program. Assuming reasonable coefficients of variation (logarithmic standard deviations), the method helps to calibrate safety factors for different components taking into account reliability target values in normal, emergency and faulted conditions.

Statistical data for the mechanical properties of the main basic materials complement the study. The work involves laboratory results and manufacture data.

The results of this study are discussed within a working group of the Frerich in service inspection code RSE-M.

 MODELE PROBABILISTE DE PROPAGATION DE FISSURE DES STRUCTURES SOUMISES -A LA FATIGUE: LOGICIEL SISIF

par M. SERROR

Ocean Engineering Management. Bureau Veritas, 92077 Paris la Défense Cedex

Résumé

Le but d'un calcul en fatigue d'une plate-forme offshore est d'évaluer l'endommagement subi lpar la structure, soumise aux sollicitations de la houle, tout au long de sa vie. Une telle analyse doit permettre aux utilisateurs, assistés d'ingénieurs d'estimer l'urgence de la gravité des dégats, et de définir une stratégie de réparation ou de maintenance.

La méthode présentée ici consiste à évaluer le risque de ruine d'un noeud de plate-forme Elle utilise les théories de la Mécanique la Rupture couplées à des outils fiabilistes. Le logiciel SISIF permet de calculer la probabilité de rupture d'une structure en tenant compte de l'amorçage d'une ou de plusieurs fissures et du caractère aléatoire des sollicitations et de l'incertitude des données.

 

CRACK SIMULATION PROBABILISTIC MODEL FOR STRUCTURAL FATIGUE

ANALYSIS: SOFTWARE SISIF

Abstract

The aim of a fatigue aiialysis on offshore structures is to evaluate the damage due to crack propagation, leading sometimes to the failure of a tubular joint. Those structures are submitted to fluctuating and repeated loading, due to wave actions. The result of such a calculation is to help operators to take decisions for inspection, repair and maintenance process.

In this paper, we present a method which determines the risk of failure by crack propagation or brittle rupture on a tubular joint, using the results of Fracture Mechanics Theory, associated with reliability methods. The results show that the software SISIF is able to determine the probability of failure of an offshore node, taking into account the fatigue crack initiation period, random environmental loads, and the uncertainties of the resistance variables.

 

 

 

 

 

 

 

 

DUCTION long de chaque profil de fissure, la répartition du fac-

teur d'intensité de contrainte (f.i.c) qui régit la phase de propagation.

té de la démarche proposée dans ce logi- La partie fiabiliste de SISIF utilise les résultats de

l'utilisation de coefficients de souplesse la Mécanique de la Rupture pour définir une fonction efficients) déterminés à partir d'une ana- d'état limite à partir d'un critère de ruine donné, et calfinis de type coque, pour un chemin de culer, grâce à des outils fiabilistes, comme SORM, dévensi qu'une simulation probabiliste de la loppé par S. Collwitzer, T. Abdo, et R. Rackwitz 111, d'initiation. Cette méthode permet de calculer le l'indice de fiabilité en fonction du temps d'une struc-

 

 

RÔLE DES CONTRAINTES RÉSIDUELLES DANS LE COMPORTEMENT EN FATIGUE DES COMPOSANTS SOUDÉS

par H.P. LIEURADE

CETIM, 52 Av Félix Louat, 60304 Senlis Cedex

Résumé  L'opération de soudage introduit des champs  de contraintes complexes qu'il est aujourd'hui possible d'évaluer, soit expérimentalement, soit par le calcul.

Ces contraintes peuvent atteindre la limite d'élasticité du métal de base, c'est pourquoi  le comportement mécanique des composants   soudés est généralement influencé par celles-ci.

Le présent article s'intéresse à l'effet et à la prise en compte des contraintes résiduelles dans le cas d'une sollicitation cyclique pouvant conduire the à un endommagement par fatigue. Ces aspectssont présentés dans le domaine de l'endurance  puis appliqués au stade de propagation des fissures de fatigue.

EFFECT OF RESIDUAL STRESSES ON THE FATIGUE STRENGTH OF WELDED COMPONENTS

Abstract

The purpose of this bibliographical review is to summarize present knowledge of, firstly, the simple or combined effects of mean stresses and of the field of residual stresses due to be  important as is the case of any comportent to joints subject to fatigue. Among these, the mean stress which forces are applied cyclically. Furthermore, welding causes déformation of welded joints leading to   appearance of a weld contaiiiing residual stresses. Various treatments can be used to change the stress field,but they are generally costly and may alter the mechanical and metallurgical qualities of a joint.

The parameters studied include stages of endurance, of propagation of cracks from existing flaws or of initiation of fatigue cracks.

 

UNE REGLE CODIFIÉE D'ANALYSE DE LA NOCIVITÉ' DES DÉFAUTS: RSE-M

par C. FAIDY

EDF-SEPTEN, 12-14 Av. Dutriévoz, 69628 Villeurbanne Cedex

et B. BARTHELET

EDF-EPN, PB26-Quartier Michelet, 92060 Paris La Défense Cedex 57

Résumé

Le RSE-M "Règles de Surveillance en Exploitation des Matériels Mécaniques des Ilots Nucléaires de Réacteurs à Eau Pressurisée" sera publié officiellement dans les prochains mois. Il présente pour l'ensemble des matériels concernés d'une centrale nucléaire, une description des pratiques de l'industrie nucléaire française en terme de surveillance en exploitation et à ce titre, il comprend une méthode de traitement des indications découvertes lors d'inspection en service. Cette méthode fait appel aux concepts de la mécanique de la rupture et le RSE-M regroupe l'ensemble des données, méthodes et critères nécessaires à la réalisation de ces études. L'objet de ce papier est de présenter la démarche décrite dans la version 1996 du RSE-M.

 

A CODIFIED RULE FOR FLAW EVALUATION: RSE-M

Abstract

The 1996 edition of RSE-M ("In-service Inspection Rules for the Mechanical Components of PWP, Nuclear Islands") will bc published soon. The content covers the surveillance program of the major riuclear island safety classed components and a complete methodology to analyse différent type of defects following inservi . ce inspection results. It is based on French Nuclear Industry practices. The corresponding Daw évaluation method is based on fracture mechanic approaches. The RSE-M proposal will be described in the paper, including material properties, analytical methods and acceptance criteria.

 

QUELQUES FORMULES ANALYTIQUES DE RUPTURE DES STRUCTURES SOUS COMBINAISON DE CHARGES MECANIQUES ET THERMIQUES

A. COMBESCURE
DMT-SEMTIlm-ENS CACHAN
Wilson 94230 Cachan

La prédiction des charges ultimes des cuves réacteur en cas d'accident sévère est une occupation relativement récente pour le dinsionnement des réacteurs à eau pressurisée. st maintenant demandé aux industriels de enter des dossiers de justification prenant en pte les accidents sévères pour les réacteurs nouvelle génération.

travail présenté dans ce document a pour et de donner des formules simples et explis de dimensionnement à la rupture pour des ations rencontrées en cas d'accident sévère. formules ne s'appliquent bien sûr que pour géométries simples (cylindres ou sphères) pour des cas de chargement très simples sont une combinaison de pression et de mps de température permanents. La princinouveauté de ce travail est qu'il intègre une iation des propriétés des matériaux avec la érature et que les formules de rupture sont plètement explicites : ceci permet de raisonqualitativement et quantitativement sur les ts des diverses données, et de comprendre le e d'influence de chacune d'entre elles sur la ture. Deux modes de rupture sont pris en te : la rupture par plasticité instantanée et upture par fluage. Une formule analytique est née pour chacun de ces modes de rupture. application de ces formules est donnée pour matériau voisin des aciers de cuve PWR. d'abord deux études sont présentées l'une permettant de prédire les pressions de rupture pour divers gradients de température à travers la paroi, la seconde donnant des temps de rupture pour diverses combinaisons de pression et de ients de température. Enfin un troisième cas où la structure s'endommage par plasticité et fluage est présenté.

SOME ANALYTICAL FORMULAS TO EVALUATE THE RUPTURE OF SIMPLE STRUCTURES UNDER COMBINATION OF THERMAL AND MECHANICAL LOADS

Abstract

The prediction of ultimate loads for nuclear reactors in case of severe accident has been introduced relatively recently in the design phase of reactor design. It is now as-ked to the designers to take into account severe accidents in the design phase of their reactors.

The work contained in this document gives simple and explicit analytical formula to evaluate the integrity of a nuclear vesse] submitted to quasi-static loadings. These formulas are based on very simple geometries, such as spheres cylinders, submitted to rather simple loadings, like uniform internal pressures associated v,,ith linear through thickness température gradients. This ,vork takes into account the dependancy of the material properties with température. The main originality of this work is that explicit formulas are given allowing to understand the main mechanisms leading to the rupture of the shells. To failure modes are studied - the first one is the plastic limit load failure mode : the second is the creep failure mode.

These formulas are applied for a typical PWR reactor with a typical pressurised reactor ferritic steel.

Some general conclusions are presented with some future work directions.

 

CALCUL SIMPLIFIE DE J SOUS CHARGEMENT MECANIQUE ET THERMIQUE DANS UN TUYAU DROIT FISSURE

par M.H. PAPIN, B. MICHEL, B. DRUBAY

CEN de Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex et CEN de Cadarache, 13108 St-Paul-Lez-Durance Cedex

Résumé

Le critère de stabilité en J est souvent utilisé pour l'analyse de nocivité de défauts dans des structures sous chargement nominal ou accidentel. Concernant le calcul de l'intégrale J, les méthodes numériques ont été largement développées au CEA, cependant une utilisation systématique de ces dernières n'est pas possible de part la lourdeur des calculs éléments finis non-linéaires associés à l'évaluation de J. Ainsi les approches simplifiées sont nécessaires et sont développées en parallèle aux méthodes numériques.

Afin de valider la prise en compte de la plasticité dans le calcul de J par méthode simplifiée, on compare les valeurs obtenues avec celles issues des éléments finis. Un ensemble de calculs a été fait par le CEA sur une configuration particulière d'un tube en acier austénitique ou en acier ferritique. Le défaut est axisymétrique interne et sa profondeur est le quart ou le huitième de l'épaisseur. Le tube est soumis à des chargements mécaniques (pression interne, effort axial) et thermiques (gradient linéaire de température) simples ou combinés.

Les valeurs de J sont déterminées par deux méthodes simplifiées, la méthode JsA,6 du document A16 et la méthode JR6 de la règle R6, puis comparées à celles issues d'un calcul aux éléments finis 2D axisymétrique sur CASTEM 2000.

 

EVALUATION OF J FOR A CRACKED PIPE UNDER MECHANICAL AND THERMAL LOADING

Abstract

This paper presents a simplified estimation of J parameter for cracked pipes using two methods : the JSAI6 method introduced in the A16 guide developed by the CEA for fast breeder reactor and the R6 method.

In order to estimate the value of J for cracks in pipes, a complete set of finite element computations was conducted in France by the CEA. The axisymetrical crack is located in the inner wall of the pipe. The crack depth is one quarter or one eighth of the thickness. The pipe  in austenitic steel or in ferritic steel, is subjected to internal pressure, axial lond and linear thermal gradient through the thickness.

The fidite element results of J were compared to those predicted by the two simplified methods.

 

APPLICATION DES MÉTHODES DE CALCUL A LIEVALUATION DE L'APTITUDE À L'EMPLOI DES STRUCTURES ET DES COMPOSANTS MÉCANIQUES

par M. DUBOIS

CETIM, 52 avenue Félix Louat, 60304 Senlis

Résumé

 

Dans des circonstances où il est nécessaire d'examiner de manière critique l'intégrité de structures mécaniques par des moyens de contrôle non destructifs, il est aussi nécessaire d'établir des niveaux d'admissibilité pour les défauts détectés.

La définition de ces niveaux dans des composants soudés peut être basée sur le concept d'aptitude à l'emploi ("fitness for purpose") : une soudure est considérée comme adéquate pour son emploi si les conditions susceptibles d'entraîner la rupture ne sont pas atteintes en situation de service.

Si les défauts détectés en contrôle de qualité sont trop sévères, la décision de rejet ou de réparation peut ainsi faire suite à une évaluation ("engineering critical assessment") utilisant des procédures répertoriées. Ces procédures font appel à la mécanique de la rupture dans le cas des défauts les plus sévères : défauts plans de type fissures.

Le présent article rappelle comment les dangers de rupture fragile conduisent aux concepts de la mécanique de la rupture (paramètres et critères de rupture brutale) et comment ces concepts interviennent dans les diverses procédures d'évaluation recommandées. Deux méthodes d'analyse des défauts sont plus particulièrement considérées: la méthode de la mécanique linéaire de la rupture et la méthode des deux critères. On présente l'application au CETIM de ces méthodes pour évaluer l'aptitude à l'emploi de structures mécaniques soudées.

 

APPLICATION OF NUMERICAL METHODS TO "FITNESS FOR PURPOSE" ASSESSMENT IN STRUCTURES AND MECHANICAL COMPONENTS

Abstract

In circumstances where it is necessary to examine critically the integrety of fusion welded joints in new or existing constructions by the use of non-destructive testing methods, it is also necessary to establish acceptance levels for the Da-,vs revealed.

The dérivation of acceptance levels for flaws in welds is based on the concept of 'fitness for purpose'. By this principle a weld in a particular fabrication is considered to bc adequate for its purpose provided the conditions to cause failure are not reached, after allowing for some measure of abuse in service.

If flaws more severe than the quality control level are revealed, décisions on wether rejection or repair are justilïecl may be based on an engineering critical assessment by specific procédures. Those procédures make use of fracture mechanics in case of most severe defects as cracks.

This paper reviews the risks of brittle fracture and how they give way to the concepts of fracture mechanics (Parameters and criteria for fracture) and how those concepts act in various recommended assessment procedures. T,,vo methods of plane defects analysis are especially considered : the linear fracture mechanics method and the two-criteria method. Application at CETIM of the corresponcling procédures are presented for assessment of lïtness for purpose of welded structures.