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RÉSUMÉ
Procédé de plus en plus utilisé, le rivetage autopoinçonneur permet d’assembler des tôles de différentes natures (acier, aluminium, magnésium, plastique) et épaisseurs. La simulation numérique par éléments finis du procédé de rivetage apparaît comme un outil facilitant la compréhension des phénomènes physiques et mécaniques en jeu. Le coût et les délais de développement s’en trouvent ainsi réduits.
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Pierre-Olivier BOUCHARD : Ingénieur en calcul scientifique de l’École supérieure en sciences informatiques - Docteur en mécanique numérique de l’École des mines de Paris - Maître assistant au centre de mise en forme des matériaux de l’École des mines de Paris
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Laurent TOLLIER : Ingénieur de l’École nationale supérieure de mécanique et d’aérotechnique - Docteur en mécanique énergétique de l’université de Poitiers - Ingénieur matériaux et procédés, PSA-Peugeot-Citroën
INTRODUCTION
Le rivetage autopoinçonneur est un procédé de plus en plus utilisé, dans l’industrie automobile notamment, pour assembler des matériaux de différentes natures et épaisseurs. Un rivet, très rigide, est enfoncé dans deux tôles ou plus (acier, aluminium, magnésium, plastique) maintenues par une bouterolle et un serre-flan. Le rivet perce la première tôle, puis vient s’expanser dans la suivante selon la forme de la bouterolle utilisée. Le point d’assemblage ainsi réalisé présente de nombreux avantages, décrits dans la première partie.
Si le rivetage autopoinçonneur est maintenant bien maîtrisé, son amélioration est due principalement à des techniques d’essais-erreurs, ou encore à l’expérience des techniciens. Cependant, cette méthode expérimentale devient difficilement applicable au regard de l’augmentation des configurations d’assemblage (nuances, épaisseurs), de la multiplicité des paramètres du procédé ainsi que de la diminution des délais de développement. L’emploi d’un outil numérique de simulation du procédé de rivetage apparaît donc comme une solution pour réduire les coûts et les délais de développement et permettant une exploration plus complète de la technique. La modélisation numérique par éléments finis est maintenant couramment utilisée pour la mise en forme des matériaux. Elle s’est montrée très utile pour mieux comprendre les phénomènes physiques et mécaniques rencontrés, et ainsi pour modifier et/ou améliorer un procédé existant. Dans le cadre du rivetage autopoinçonneur, la modélisation numérique s’avère particulièrement délicate puisqu’elle fait intervenir de grandes déformations plastiques, de l’endommagement et de la rupture, ou encore du contact multimatériaux. Cette étude est essentiellement consacrée à la simulation du rivetage lui-même. Cependant, les résultats de la simulation (géométrie, contraintes résiduelles…) peuvent être utilisés en vue d’optimiser la tenue mécanique du point d’assemblage.
Dans la deuxième partie, les bases du modèle mécanique utilisé sont exposées puis, en troisième partie, nous en abordons les spécificités numériques. La quatrième partie est dédiée à la modélisation du procédé, et notamment aux précautions à prendre pour assurer une bonne mise en données des simulations ainsi qu’à la validation des résultats numériques. Enfin, la cinquième partie montre comment la simulation numérique peut être utilisée pour améliorer le procédé de rivetage autopoinçonneur, ainsi que la tenue mécanique finale du point d’assemblage ainsi réalisé. En perspective, nous montrons comment la méthodologie mise en place dans le cadre du rivetage autopoinçonneur peut être facilement transposable à d’autres techniques d’assemblage par contact impliquant de grandes déformations plastiques.
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Procédé de rivetage autopoinçonneur
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6. Conclusion et perspectives
Le procédé de rivetage autopoinçonneur est de plus en plus utilisé dans l’industrie automobile pour assembler des tôles de différentes natures. Malgré cela, la maîtrise de ce procédé reste très fortement liée au savoir-faire des techniciens. La diversification des configurations de rivetage (épaisseur, nombre et nature des tôles rivetées) demande cependant aux techniciens de trouver le couple rivet-bouterolle adapté à chaque nouvelle configuration. Ce choix est effectué actuellement à l’aide de procédures d’essais-erreurs avec plusieurs types de rivets et de bouterolles.
Grâce aux avancées récentes, la modélisation numérique permet à l’heure actuelle de modéliser avec précision le procédé de rivetage autopoinçonneur. Ce procédé est très complexe d’un point de vue numérique, puisqu’il fait intervenir de grandes déformations élastoplastiques, de l’endommagement et de la rupture, mais aussi du contact multidomaine et multimatériaux. Nous avons montré qu’en prenant un certain nombre de précautions, la modélisation numérique du procédé s’avérait très précise.
La modélisation numérique devient donc un outil performant pour l’industriel cherchant à définir le couple rivet-bouterolle pour toute nouvelle configuration de tôles à riveter. Il peut donc ainsi définir le domaine de rivetabilité de toute nouvelle configuration.
Il peut même aller plus loin en utilisant les résultats de la simulation du rivetage autopoinçonneur et en les exportant dans une configuration 3D pour modéliser des essais de tenue mécanique. Nous avons ainsi montré la méthodologie à utiliser pour intégrer la modélisation du procédé dans une phase de conception plus générale visant non seulement à définir le domaine de rivetabilité, mais aussi et surtout à optimiser la tenue mécanique du point d’assemblage ainsi généré.
Ainsi, à plus long terme, on peut envisager une procédure d’optimisation automatique consistant à réaliser une chaîne de simulations numériques (intégrant à la fois la phase d’assemblage et la phase de sollicitation mécanique en service) avec différents jeux de rivets et de bouterolles et qui permettraient d’optimiser la tenue mécanique et la durée de vie des points d’assemblage.
Il...
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BIBLIOGRAPHIE
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