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R´esistance des mat´eriaux :
´elasticit´e,
m´ethodes ´energ´etiques, m´ethode des ´el´ements finisRappels de cours
et exercices avec solutionsYves Debard
Institut Universitaire de Technologie du Mans
D´epartement G´enie M´ecanique et Productique20 juin 2011
Table des mati`eres
1´Elasticit´e
11.1 Rappels
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.1 D´eplacements et d´eformations
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.2 Contraintes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.3 Loi de comportement ou loi constitutive
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.4 Cas particulier : ´etat de contraintes planes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.5 Formules math´ematiques
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Exercices
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 M´ethode des ´el´ements finis : approche r´esistance des mat´eriaux
252.1 Rappels : r´esolution d'un probl`eme stationnaire
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.1.1 Partition des degr´es de libert´e
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.1.2 Calcul des d´eplacements inconnus
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.1.3 Calcul des r´eactions d'appui
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2 Poutre soumise `a un effort normal
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2.1 Rappels
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2.2 Exercices
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3 Treillis plans `a noeuds articul´es
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.3.1 Rappels
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.3.2 Exercices
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.4 Poutre soumise `a un moment de torsion
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.4.1 Rappels
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.4.2 Exercices
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.5 Flexion des poutres `a plan moyen : mod`ele de Bernoulli
. . . . . . . . . . . . . . . . . 582.5.1 Rappels : flexion dans le plan{xy}
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.5.2 Exercices
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603 M´ethodes ´energ´etiques : poutres
833.1 Rappels
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.1.1 Expression de l'´energie de d´eformation en fonction des forces appliqu´ees : for-
mule de Clapeyron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.1.2 Th´eor`eme de r´eciprocit´e de Maxwell-Betti
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.1.3 Th´eor`eme de Castigliano
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.1.4 Th´eor`eme de M´enabr´ea
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.1.5´Energie de d´eformation d'une poutre
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843.1.6 Formules math´ematiques utiles
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 843.2 Exercices
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85IIExercices de resistance des materiaux
4 M´ethode des ´el´ements finis
1214.1 Rappels
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.1.1´Energie de d´eformation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.1.2´Energie cin´etique
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.1.3´Energie potentielle et ´el´ements finis
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.1.4 Modes propres
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.2 Exercices
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1244.2.1 Assemblage
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.2.2 ´El´ement de poutre droite soumis `a un effort normal . . . . . . . . . . . . . . . 1264.2.3 Exercice : mise en ´equation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1294.2.4 Exercice : mise en ´equation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1314.2.5 Exercice : contraintes et ´energie de d´eformation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1324.2.6 Exercice : contraintes et ´energie de d´eformation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.2.7 ´El´ement de poutre droite soumis `a un effort normal . . . . . . . . . . . . . . . 1374.2.8 Exercice : modes propres
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.2.9´El´ement fini de torsion
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1434.2.10
´El´ement fini de flexion : mod`ele de Bernoulli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1444.2.11 Exercice : ´elasticit´e plane
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148Chapitre 1
Elasticit´e
1.1 Rappels
Les d´eplacements et les d´eformations sont petits.1.1.1 D´eplacements et d´eformations
Vecteur d´eplacement :
⃗u=---→M0M ,{u}= u(x,y,z) v(x,y,z) w(x,y,z) (1.1.1)Tenseur des d´eformations :
xx1 2γxy1
2γxz
1 2γxyεyy1
2γyz
1 2γxz1
2γyzεzz
,[ε]T= [ε](1.1.2) xx=∂u ∂x , εyy=∂v ∂y , εzz=∂w ∂z (1.1.3a) xy=∂u ∂y +∂v ∂x , γxz=∂u ∂z +∂w ∂x , γyz=∂w ∂y +∂v ∂z (1.1.3b) Allongement unitaire enMdans la direction{n}= n x n y n zε(M,⃗n) ={n}T[ε(M)]{n}
Glissement enMdans les directions orthogonales⃗naet⃗nb: γ(M,⃗na,⃗nb) = 2{nb}T[ε(M)]{na},{nb}T{na}= 0(1.1.5)Variation relative de volume :
V(M) = tr[ε] =εxx+εyy+εzz(1.1.6)
2Exercices de resistance des materiaux
1.1.2 Contraintes
Vecteur contrainte sur la facette⃗nenM:
T(M,⃗n) =σn⃗n+⃗τn(1.1.7a)
Soit{n}=
n x n y n z un vecteur unitaire enM. Le vecteur contrainte sur la facette⃗nenMest donn´e par la formule de Cauchy : T x T y T z xxσyxσzx xyσyyσzy xzσyzσzz n x n y n z ,{T}= [σ(M)]{n}(1.1.8) o`u [σ(M)] est le tenseur des contraintes enM.Le tenseur des contraintes est sym´etrique :
[σ] = [σ]Tsoitσxy=σyx, σxz=σzx, σyz=σzy(1.1.9)La contrainte normale sur la facette⃗nest :
n={n}T[σ]{n} =n2xσxx+n2yσyy+n2zσzz+ 2nxnyσxy+ 2nxnzσxz+ 2nynzσyz(1.1.10) Soientσ1,σ2etσ3les trois contraintes principales en un pointMd'un solide. Les crit`eres deRankine, Von Mises et de Tresca s'´ecrivent :
1 21.1.3 Loi de comportement ou loi constitutive
Si le mat´eriau est isotrope, la loi de comportement s'´ecrit : xx=1 E (σxx-ν(σyy+σzz)) yy=1 E (σyy-ν(σxx+σzz)) zz=1 E (σzz-ν(σxx+σyy))(1.1.12a) xy=σxy G , γxz=σxz G , γyz=σyz G , G=E2(1 +ν)(1.1.12b)
o`uEetνsont respectivement le module de Young et le coefficient de Poisson du mat´eriau.Elasticite3
1.1.4 Cas particulier : ´etat de contraintes planes
Le tenseur des contraintes se r´eduit `a :
xxσxy0 xyσyy00 0 0
(1.1.13) d'o`u l'expression du tenseur des d´eformations : xx1 2γxy0
1 2γxyεyy0
0 0εzz
(1.1.14) et de la loi de comportement : xx=E1-ν2(εxx+ν εyy), σyy=E
1-ν2(εyy+ν εxx)
zz=-ν E (σxx+σyy), σxy=Gγxy, G=E2(1 +ν)(1.1.15)
Les contraintes et les d´eformations principales sont : 1 2} =σxx+σyy 2 ±1 2 (σxx-σyy)2+ 4σ2xy, σ3= 0(1.1.16) 1 2} =εxx+εyy 2 ±1 2 (εxx-εyy)2+γ2xy, ε3=εzz(1.1.17)Les directions principales sont :
{n1}= cosθ1 sinθ10
,{n2}= -sinθ1 cosθ10
,{n3}= 0 01
avec tanθ1=σ1-σxx xy(1.1.18) Les crit`eres de Rankine, Von Mises et de Tresca se r´eduisent `a : L'allongement unitaire enMdans la direction{n}= n x n y0
se r´eduit `a : ε(M,⃗n) ={n}T[ε(M)]{n}=n2xεxx+n2yεyy+nxnyγxy(1.1.20)4Exercices de resistance des materiaux
1.1.5 Formules math´ematiques
Valeurs et vecteurs propres d'une matrice sym´etrique de dimension deux `a coefficients r´eels :
Consid´erons la matrice sym´etrique [S] :
[S] =[SxxSxy S xySyy] ,([S]T= [S])(1.1.21) Les valeurs propresSn=1,2et les vecteurs propres{n}sont les solutions de l'´equation : [S]{n}=Sn{n},[SxxSxy S xySyy]{ nx n y} =Sn{nx n y} avecn2x+n2y= 1(1.1.22) soit :Sxx-SnSxy
S xySyy-Sn]{ nx n y} ={0 0} (1.1.23) Cette ´equation n'a de solution autre que la solution trivialenx=ny= 0 que si et seulement si : det [Sxx-SnSxy S xySyy-Sn] = 0(1.1.24) d'o`u l'´equation caract´eristique : S2n-(Sxx+Syy)|
{z tr[S]=S1+S2S n+SxxSyy-S2xy| {z det[S]=S1S2= 0(1.1.25) et les valeurs propres : S 1 S 2} =Sxx+Syy 2 ±1 2 (Sxx-Syy)2+ 4S2xy(1.1.26)Les vecteurs propres associ´es sont :
{n1}={cosθ1 sinθ1} ,{n2}={cosθ2 sinθ2} ={-sinθ1 cosθ1} (1.1.27) avec : tanθ1=S1-Sxx S xy,tanθ2=S2-Sxx S xy(1.1.28) Remarque: les deux directions principales sont orthogonales : |θ1-θ2|=π 2 ,tan2θ1= tan2θ2=2Sxy S xx-Syy,tanθ1tanθ2=-1 (1.1.29) D´eterminant d'une matrice carr´ee sym´etrique de dimension 3 : det S11S12S13
S21S22S23
S31S32S33
=S11det[S22S23 S32S33]
-S21det[S12S13 S32S33]
+S31det[S12S13 S22S23]
=S11S22S33-S11S223-S33S212-S22S213+ 2S12S13S23(1.1.30)Elasticite5
Formules trigonom´etriques :
tanφ=sinφ cosφ,cos(-φ) = cosφ ,sin(-φ) =-sinφ(1.1.31) cos(φ1+φ2) = cos(φ1) cos(φ2)-sin(φ1) sin(φ2)(1.1.32) sin(φ1+φ2) = sinφ1cosφ2+ cosφ1sinφ2(1.1.33) cos2φ=1 + cos2φ
2 ,sin2φ=1-cos2φ 2 ,sinφcosφ=sin2φ 2 (1.1.34) cos 2 = sinφ(1.1.35) cos45 ◦= sin45◦=1 2 2 2 ,cos60◦=1 2 3 2 (1.1.36) cos120 ◦=-1 2 3 2 (1.1.37)Sixetysont petits devant l'unit´e :
|x|≪1,|y|≪1(1.1.38a) on a les relations :1 +x≃1 +x
2 ,11 +x≃1-x ,(1 +x)(1 +y)≃1 +x+y(1.1.38b)
sinx≃x ,cosx≃1-x2 2 ,tanx≃x(1.1.38c)6Exercices de resistance des materiaux
1.2 Exercices
ELA1 : vecteur contrainte sur une facette
En un pointMd'un solide, dans le rep`ere orthonorm´e{⃗ı,⃗ȷ,⃗k}, le tenseur des contraintes a pour
valeur : [σ(M)] = 100-40 20 -40-60 50