Présentation
En anglaisRÉSUMÉ
L’hydroformage est une technique récente alternative aux procédés conventionnels permettant sous pression de fluide de réaliser des pièces de formes complexes de bonne qualité d’aspect et/ou de structure. La mise au point de modèles de simulation numérique contribue à l’amélioration de la formabilité des pièces. Dans le cadre du couplage endommagement ductile et plasticité, un modèle de comportement à fortes non-linéarités géométriques en transformations finies est proposé dans cet article. Des simulations numériques avec remaillage adaptatif de l’hydroformage de pièces complexes sont proposées pour valider la faisabilité du procédé.
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Hydroforming is still to be considered a new and advanced technique and is an alternative to conventional methods allowing complex parts to be produced under fluid pressure. Within the framework of the finite elastoplastic constitutive equations coupled to the continuum damage are reviewed in this article. The models are developed to improve the predictive aspects by taking into account as "finely" as possible the "real" physical phenomena involved. As illustrated in the presented examples, this overall strategy ensures a robust and efficient mechanical model for numerical simulation of sheet and tubes hydroforming processes.
Auteur(s)
-
Abel CHEROUAT : Professeur des Universités - Équipe Projet INRIA – Génération Automatique de Maillage & Méthodes Avancées/GAMMA3, - Université de Technologie de Troyes, France
INTRODUCTION
Connaître pour mieux utiliser, puis connaître pour influencer. Une bonne connaissance du comportement des matériaux permet de concevoir des structures mécaniques performantes en utilisant des matériaux convenables en quantité optimale. En mise en forme, la bonne connaissance des matériaux nécessite le développement de modèles mécaniques capables de rendre compte, le plus finement possible et à l'échelle pertinente, des phénomènes observés métallurgiquement et physiquement (texture cristallographique, anisotropie, élasticité, plasticité, écrouissage, endommagement, effet de la température). Ces modèles sont destinés à être implémentés dans des codes de calcul afin de simuler les procédés de mise en forme de pièces par grandes déformations non réversibles. De plus, une fois les pièces fabriquées, on souhaite garantir leurs performances et durée de vie sous chargements complexes.
Les procédés de mise en forme de pièces en matériaux métalliques ou composites ont considérablement évolué ces dernières années, renforçant ainsi leur utilisation dans les secteurs automobile, aéronautique, spatial, etc. Les critères de qualité, de fiabilité et de coût sont devenus prépondérants lors de la conception d'un produit.
Lors de la mise en forme de pièces massives ou minces, les matériaux sont soumis à de grandes déformations irréversibles avec contact frottement évolutif et des transferts thermiques entre pièces et outils. Ces déformations thermo-élasto-visco-plastiques génèrent souvent des micro-défauts surfaciques ou volumiques qui naissent et se développent dans la pièce. L'évolution de ces défauts conduit à la création de fissures macroscopiques détectables provoquant la mise au rebut de celle-ci avant son utilisation. Ils peuvent également générés des micro-fissures internes non facilement détectables, mettant ainsi en danger l'intégrité de la pièce ce qui peut être à l'origine de rupture en service. Il est donc important que le concepteur dispose d'un indicateur capable de prédire où et quand un endommagement significatif se développe lors de la mise en forme de la pièce. On peut ainsi soit repousser l'apparition de l'endommagement (hydroformage ou forgeage) ou au contraire favoriser sa naissance et sa propagation (découpage ou usinage).
Afin de concevoir la gamme optimale de fabrication et du fait des possibilités réduites d'expérimentation (coût matière important, nombre d'ébauches réduites...), la simulation numérique s'avère indispensable. Elle permet à l'ingénieur de prévoir virtuellement la possibilité d'apparition de zones endommagées dans la pièce au cours de la mise en forme, et d'agir sur les paramètres pertinents afin d'obtenir une pièce saine dans dommage.
Dans cet article, après une synthèse bibliographique portant sur l'état de l'art des procédés de mise en forme par hydroformage, une formulation élastoplastique endommageable est proposée pour décrire le comportement des matériaux lors de la simulation par éléments finis de l'hydroformage des pièces minces. Comme la qualité de la pièce finie dépend fortement de l'évolution géométrique et mécanique de la pièce, il y a besoin de réactualiser, en continu, la discrétisation auto-adaptative en fonction d'estimateur d'erreurs géométriques et ou physiques. Une technique de remaillage permettant de raffiner ou déraffiner le maillage de la pièce au cours de l'hydroformage est détaillée.
Les exemples présentés de l'hydroformage à chaud ou à froid des tubes et des plaques permettent d'illustrer la pertinence du couplage plasticité-endommagement et d'optimiser le procédé d'hydroformage.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.
MOTS-CLÉS
hydroformage des tubes et plaques expérimentation plasticité-endommagement éléments finis avec remaillage adaptatif
KEYWORDS
plates and tubes hydroforming | experiment | plasticity-damage | FEA with adaptive remeshing
DOI (Digital Object Identifier)
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8. Glossaire
hydroformage ; hydroforming
Procédé de formage de tubes, de profilés ou de flans utilisant un fluide sous pression, qui offre une grande liberté de conception pour la réalisation de pièces complexes avec une grande précision dimensionnelle. La forme finale de la pièce est donnée par la géométrie de la matrice.
endommagement ; damage
Désigne la part des vides ou des microfissures dus aux fractures et autres cavités dans un matériau. La mécanique de l’endommagement continu propose de quantifier l’état d’endommagement du matériau par une variable scalaire D variant de 0, l’état non endommagé à 1, l’endommagement à la rupture.
critère de plasticité ; plastic criteria
Critère permettant de déterminer, sous des sollicitations données, si une pièce se déforme plastiquement ou si elle reste dans le domaine élastique. Deux critères principaux sont souvent utilisés :
-
le critère de cisaillement maximal de Tresca,
-
le critère de l’énergie de distorsion de von Mises.
En Résistance des matériaux (RDM), on désire parfois rester dans le domaine élastique, on parle alors de critère de résistance.
estimateur d’erreur ; error estimation
Méthode s'appuyant sur un lissage continu des solutions calculées permettant d'obtenir une meilleure précision. Deux versions existent et qui correspondent chacune à un lissage différent :
-
estimateur a priori qui permet avant tout calcul de prédire l’écart entre la solution numérique et la solution exacte qui est inconnue ;
-
estimateur a posteriori qui permet une fois le calcul réalisé d’estimer l’écart entre la solution numérique et la solution exacte.
méthode d’adaptation du maillage ; mesh refinement method
Procédures permettant d’améliorer la précision d’une méthode numérique en faisant varier la taille des mailles ou pas de maillage :
-
r-adaptation : consiste à déplacer ou relocaliser les points du maillage vers les zones d’intérêt pour un nombre d’éléments fixe ;
-
h-adaptation : consiste à modifier localement (ajout ou suppression) la taille h des éléments...
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HARTL (C.) - Research and advances in fundamentals and industrial applications of hydroforming. - Journal of Materials Processing Technology, vol. 167, p. 383-392 (2005).
-
(2) - FRANCIOSI (P.), MOUSSY (F.) - Physique et mécanique de la mise en forme des métaux. - Presses du CNRS (1990).
-
(3) - MIELNICK (E.D.) - Metalworking Science and Engineering. - Mc Graw Hill, Inc (1991).
-
(4) - BAUDELET (B.) - Mise en forme des métaux, et alliages. - Presses du CNRS (1976).
-
(5) - DOHMANN (F.), HARTL (C.) - Hydroforming-a method to manufacture lightweight parts. - Journal of Materials Processing Technology, vol. 60-61, p. 669-676 (1996).
-
(6) - ASNAFI (N.) - * - . – Analytical modelling of...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Logiciel de calcul non linéaire par éléments finis Abaqus :
Logiciel de simulation de forgeage Forge :
https://www.transvalor.com/fr/forge
Logiciel de simulation d’emboutissage Pamstamp :
https://www.esi-group.com/fr/products/pam-stamp
Logiciel de simulation de forgeage qform3d :
Logiciel de simulation de mise en forme :
HAUT DE PAGE2.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
AFM, L'Association française de mécanique,
European Scientific Association for Material Forming ESAFORM,
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