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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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Lire l’articleAuteur(s)
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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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5. Tenue mécanique des points d’assemblage
5.1 Conception virtuelle globale
Les départements de conception, de calcul de procédé de mise en forme et de calcul de la tenue mécanique en service sont bien souvent dissociés dans l’industrie. Ainsi, la mise au point de nouvelles pièces grâce à la modélisation numérique peut schématiquement être représentée tel que sur la figure 26.
Dans certains cas, il peut y avoir de nombreuses itérations entre les différents services concernés avant d’aboutir à la phase de production. Une des causes de ces itérations réside dans le fait que l’étude de la prestation fonctionnelle de la pièce ne prend pas en compte l’histoire thermomécanique qu’elle a subi lors des différentes phases de sa fabrication (mise en forme, assemblage, cuisson peinture…). La modélisation du calcul de structure est réalisée en partant d’une pièce vierge de contrainte et d’endommagement, ce qui peut parfois conduire à une mauvaise appréciation de la tenue mécanique réelle de la pièce. Ainsi, si des contraintes résiduelles positives subsistent dans la pièce après mise en forme, et si cette zone est amenée à subir des contraintes de traction lors de son utilisation en service, la durée de vie de la pièce est réduite (de même pour les zones endommagées).
Les industriels ont donc tout intérêt à augmenter le couplage entre les différents domaines (simulation du procédé et simulation de la prestation fonctionnelle de la structure) de façon à minimiser le délai de développement du produit.
De plus, de telles interactions entre modélisation du procédé et modélisation de la tenue en service peuvent permettre d’optimiser cette dernière en modifiant légèrement certaines conditions du procédé. C’est dans cette optique que nous présentons dans la suite la méthodologie à suivre pour « enchaîner » une simulation numérique du procédé d’assemblage, et une simulation numérique d’un essai mécanique sur la pièce assemblée.
HAUT DE PAGE5.2 Vers la résistance du point d’assemblage
Comme nous l’avons vu au paragraphe ...
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Tenue mécanique des points d’assemblage
BIBLIOGRAPHIE
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