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RÉSUMÉ
Outil incontournable de la conception automobile, la simulation numérique des procédés de mise en forme, dont le sertissage à plat, permet de répondre aux objectifs de faisabilité et de productivité requis. Cet outil permet en effet d’économiser du temps dans la préparation d’un projet, garantissant notamment la mise au point d’un procédé. Cet article présente ainsi cette approche de modélisation au travers des caractérisations du comportement mécanique des tôles et du frottement entre les tôles et les lames. La simulation numérique est ensuite approfondie : modèles par éléments finis, résultats de calculs sur bords droit et sur bords courbes.
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An indispensable tool for automobile design, digital simulations of forming processes, including flat crimping, can meet feasibility and required productivity goals. This tool helps reduce the time it takes to prepare a project, thus ensuring the development of a process. This article presents the modeling approach via a description of the mechanical behavior of sheets and the rubbing between sheets and blades. The digital simulation is then descibed in depth: finite-element models, and straight-edge and curved-edge calculation results.
Auteur(s)
-
Christian LANGE : Ingénieur civil de l’École nationale supérieure des mines de Saint-Étienne - Docteur en sciences et génie des matériaux de l’École nationale supérieure des mines de Paris - Ingénieur d’études en mécanismes et armatures d’ouvrants, PSA Peugeot Citroën, site de Sochaux
INTRODUCTION
Face à une concurrence toujours plus forte sur le marché automobile mondial, la réduction des coûts et des délais de conception est devenue un axe majeur de développement chez les constructeurs. Afin de maintenir un haut niveau de qualité et de robustesse tout en assurant l’amélioration par l’innovation du style et de la technologie, les industries automobiles introduisent régulièrement de nouveaux moyens de production et de nouvelles nuances de tôles pour atteindre les objectifs de faisabilité et de productivité requis. La volonté de réduction de la masse des véhicules est devenue non seulement un enjeu compétitif important, mais aussi une contrainte environnementale.
Face à ces besoins, la simulation numérique des procédés de mise en forme est devenue un outil incontournable. Elle permet d’économiser un temps considérable dans la phase amont d’un projet afin de garantir la faisabilité des pièces ou la mise au point d’un procédé de mise en forme innovant. En effet, l’objectif de la simulation est de diminuer le nombre de campagnes expérimentales sur prototypes ou sur éprouvettes, jugées trop longues et trop coûteuses. C’est dans les années 1980 que les industriels commencent à s’y intéresser. Durant les années 1990, les simulations par éléments finis ont considérablement évolué dans le domaine de la mise en forme des tôles métalliques. Les modèles de simulation sont sans cesse améliorés suite à des exigences croissantes de la part des constructeurs automobiles qui veulent recevoir les fruits de leur investissement dans ce domaine. Ils réclament alors des prédictions de plus en plus fines.
La simulation numérique du procédé de sertissage à plat en est un bon exemple. C’est vers 1986 que l’on commence à s’intéresser à la simulation de ce procédé par éléments finis, l’objectif étant d’améliorer la qualité finale des pièces [1]. Le procédé de sertissage est décrit dans l’article « Sertissage à plat pour la carrosserie automobile : procédé » [BM 7 865]. L’amélioration des modèles de calcul de sertissage s’inscrit alors dans une politique de qualité afin de prévoir le dimensionnement exact des pièces.
Cet article permet d’appréhender le sertissage à plat par sa modélisation numérique. La première partie aborde la modélisation physique du comportement des tôles et du frottement avec les outils de sertissage en vue d’intégrer ces lois dans la simulation numérique du procédé. Le deuxième paragraphe présente les modèles de simulation par éléments finis utilisés classiquement. Il permet d’illustrer sur quelques nuances la robustesse des modèles numériques utilisés : modèles de calcul par éléments finis, lois de comportement et modèle de frottement.
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Modélisation physique pour la simulation
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3. Conclusion et perspectives
Le problème de la modélisation du sertissage à plat est abordé à travers une approche expérimentale et numérique du procédé. Le succès de la simulation numérique du sertissage réside avant tout dans une modélisation physique robuste du comportement des tôles et du frottement en sertissage. L’étude consiste également à évaluer la robustesse d’un code d’éléments finis commercial comme OPTRIS v6.1 utilisé dans l’industrie automobile. Les résultats montrent que les éléments coques basés sur l’hypothèse de Reissner-Mindlin, limitée théoriquement à des flexions moyennes des tôles, fournissent en fait des résultats acceptables en mise en forme par sertissage. Toutefois, une amélioration de ces éléments est proposée par Tabiei et Tanov [29] et peut permettre un meilleur comportement en forte flexion.
L’étude reste focalisée sur le sertissage de pièces plates. Elle peut être étendue à des pièces de géométrie plus complexe afin de prendre en compte non seulement la combinaison de plusieurs courbures de bord, mais aussi le galbe de la pièce. Compte tenu de la forte sensibilité de la géométrie finale de la pièce au frottement entre la peau et les lames, il serait intéressant de réaliser une étude de caractérisation expérimentale du frottement en sertissage non basée sur les essais physiques de sertissage que l’on cherche à simuler. À terme, l’objectif serait d’établir une loi déterministe reliant le coefficient de frottement de Coulomb à l’histoire tribologique des lames de sertissage à travers les paramètres suivants : forme des lames, fréquence d’utilisation de la lame, nuances utilisées, pression de contact, etc. Si les lois d’écrouissage combiné semblent appropriées pour la simulation du sertissage, celles-ci peuvent être améliorées grâce à un modèle d’écrouissage de Lemaître-Chaboche utilisant deux tenseurs d’écrouissage cinématique et permettant une description plus fine de l’effet Bauschinger [15]. Enfin, un des enjeux à venir est aussi de pouvoir maîtriser les différentes casses produites par sertissage. Si le modèle d’endommagement macroscopique de Lemaître couplé à la plasticité semble prometteur selon [22], il serait souhaitable à plus long terme d’introduire des méthodes non locales [30] garantissant la stabilité...
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