Simulation numérique du soudage FSW à l'aide d'une formulation ALE PDF Download
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Author: Sabrina Gastebois
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Languages : fr
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Book Description
Depuis l'invention du soudage par frottement malaxage (FSW) en 1991 par The Welding Institute (TWI), l'industrie aéronautique envisage de remplacer l'assemblage par rivetage des tôles par ce procédé. L'objectif est d'alléger les structures, plus particulièrement les panneaux des structures d'aéronefs qui sont souvent raidis avec des lisses et des profilés assemblés à la peau extérieure. La qualification du procédé FSW dans l'aéronautique requiert de produire des joints de très haute qualité avec une longue durée de vie des outils. Ceci nécessite un réglage fin des paramètres procédé tels que la géométrie de l'outil (dimensions de l'épaulement et du pion, filetage) et les vitesses d'avance et de rotation. Le but de ce travail est d'accompagner la conception du procédé par la simulation numérique. Il comporte trois parties: (1) le développement de la formulation arbitrairement lagrangienne ou eulérienne (ALE) dans la version parallèle du logiciel Forge® pour l'adapter au FSW, (2) la modélisation du procédé FSW et (3) la calibration du modèle EF et la validation des résultats numériques suite à la réalisation d'essais FSW en configuration par recouvrement.Ce travail est basé sur la formulation ALE parallèle développée dans Forge® afin de modéliser les différents défauts caractéristiques du FSW (bavures et trous). L'algorithme de transport des champs continus, indispensable au caractère eulérien, est affiné afin de considérer les particularités de l'écoulement du procédé (nœud du plan d'entrée, en contact avec l'outil ou dans les bavures et sortant du domaine d'étude). Un nouveau schéma d'intégration temporelle basée sur les coordonnées cylindriques plus adapté à ce procédé fortement rotationnel est introduit. Enfin, un filetage sur l'outil est modélisé par l'introduction d'une nouvelle loi de frottement à l'interface outil / matière.Cette formulation ALE générale et parallèle a montré sa robustesse pour modéliser le procédé FSW. Les résultats thermomécaniques sont en accord avec de précédents résultats validés par l'expérience. De plus l'outil numérique obtenu a montré ses capacités pour la modélisation des bavures ou des pertes de contact derrière le pion.Finalement la configuration de soudage par recouvrement industrielle a été étudiée. Pour cela des essais expérimentaux ont été réalisés pour divers paramètres du procédé et divers types de joints de recouvrement. Puis les mesures de forces et du couple dans l'outil et de la température dans l'outil et la tôle ont permis de calibrer les paramètres du modèle (frottement, loi de comportement, coefficients thermiques) et de valider les résultats EF.
Author: Sabrina Gastebois
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Depuis l'invention du soudage par frottement malaxage (FSW) en 1991 par The Welding Institute (TWI), l'industrie aéronautique envisage de remplacer l'assemblage par rivetage des tôles par ce procédé. L'objectif est d'alléger les structures, plus particulièrement les panneaux des structures d'aéronefs qui sont souvent raidis avec des lisses et des profilés assemblés à la peau extérieure. La qualification du procédé FSW dans l'aéronautique requiert de produire des joints de très haute qualité avec une longue durée de vie des outils. Ceci nécessite un réglage fin des paramètres procédé tels que la géométrie de l'outil (dimensions de l'épaulement et du pion, filetage) et les vitesses d'avance et de rotation. Le but de ce travail est d'accompagner la conception du procédé par la simulation numérique. Il comporte trois parties: (1) le développement de la formulation arbitrairement lagrangienne ou eulérienne (ALE) dans la version parallèle du logiciel Forge® pour l'adapter au FSW, (2) la modélisation du procédé FSW et (3) la calibration du modèle EF et la validation des résultats numériques suite à la réalisation d'essais FSW en configuration par recouvrement.Ce travail est basé sur la formulation ALE parallèle développée dans Forge® afin de modéliser les différents défauts caractéristiques du FSW (bavures et trous). L'algorithme de transport des champs continus, indispensable au caractère eulérien, est affiné afin de considérer les particularités de l'écoulement du procédé (nœud du plan d'entrée, en contact avec l'outil ou dans les bavures et sortant du domaine d'étude). Un nouveau schéma d'intégration temporelle basée sur les coordonnées cylindriques plus adapté à ce procédé fortement rotationnel est introduit. Enfin, un filetage sur l'outil est modélisé par l'introduction d'une nouvelle loi de frottement à l'interface outil / matière.Cette formulation ALE générale et parallèle a montré sa robustesse pour modéliser le procédé FSW. Les résultats thermomécaniques sont en accord avec de précédents résultats validés par l'expérience. De plus l'outil numérique obtenu a montré ses capacités pour la modélisation des bavures ou des pertes de contact derrière le pion.Finalement la configuration de soudage par recouvrement industrielle a été étudiée. Pour cela des essais expérimentaux ont été réalisés pour divers paramètres du procédé et divers types de joints de recouvrement. Puis les mesures de forces et du couple dans l'outil et de la température dans l'outil et la tôle ont permis de calibrer les paramètres du modèle (frottement, loi de comportement, coefficients thermiques) et de valider les résultats EF.
Author: Simon Guerdoux
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Pages : 228
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Ce travail présente le développement d’un outil numérique. Une formulation arbitrairement lagrangienne-eulérienne (ALE) est implémentée dans le logiciel 3D éléments finis FORGE3® pour simuler les différentes étapes du procédé de soudage par frottement malaxage (FSW). Une méthode découplée est utilisée : a) les champs de vitesses, pressions et températures du matériau sont calculés, b) la vitesse de maillage est calculée à partir de l’évolution des frontières du domaine et d’un critère de raffinement adaptatif procuré via une estimation d’erreur, c) les variables nodales et P0 sont transportées. Différentes techniques de calcul de la vitesse de maillage et de transport des variables sont étudiées, apportant des avantages significatifs par rapport à des approches plus standard. L’algorithme de contact a également été enrichi par une procédure de lissage d’outil. Ces améliorations ont été testées et appliquées sur des cas industriels. L’état stationnaire de soudage, tout comme les phases transitoires, sont simulés, montrant une bonne robustesse et une bonne précision de la formulation ALE développée. Dans un premier temps, la simulation de la phase de soudage stationnaire permet d’identifier, par comparaison avec des résultats expérimentaux, les paramètres de frottement. Dans un second temps, un des intérêts majeurs du modèle ALE étant la possibilité de simuler la formation de vide à l’interface outil/matière, la phase de plongée et des phases transitoires sont modélisées. Leurs simulations peuvent ainsi aider à mieux appréhender les mécanismes du phénomène complexe de déposition de matière qui doit avoir lieu à l’arrière du pion de façon à obtenir un joint sans défaut.
Author: Olivier Lorrain
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Pages : 118
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Le soudage par friction malaxage FSW est un procédé de soudage à l'état solide, sans fusion du matériau. La soudure est réalisée par l'action d'un outil composé d'un épaulement et d'un pion positionné à l'interface des deux pièces à souder. L'outil a deux rôles : échauffement de la matière par frottement de l'épaulement, malaxage de la matière par l'intermédiaire du pion. Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'un partenariat entre Arts et Métiers ParisTech et l'Institut de Soudure. Son objectif est de développer un modèle de simulation du FSW afin de réduire le nombre d'essais expérimentaux nécessaire à l'optimisation du procédé. Ainsi, plusieurs points ont été abordés dans ce manuscrit. Une analyse expérimentale des cycles thermiques et des mouvements de matière dans le cas où les pions sont non filetés a été menée. Cette situation permet (1) de faciliter la comparaison avec la simulation numérique et (2) de se placer dans les conditions de pions usés. L'analyse des formulations (lagrangienne, eulérienne et ALE) en vue de choisir celle la plus appropriée pour représenter les écoulements de matière a permis de retenir une formulation eulérienne (mise en œuvre dans le logiciel FLUENT) pour estimer les champs thermiques et de vitesses à l'état stationnaire. La mise en place d'un modèle numérique dans le logiciel FLUENT est présentée. Nous avons en particulier étudier l'influence des paramètres numériques sur les résultats et mis en place une stratégie d'identification de certains paramètres non accessibles expérimentalement. Une comparaison fine entre nos résultats expérimentaux et ceux issus des simulations a été effectuée avec succès. L'étude de l'impact des paramètres process (vitesse d'avance, vitesse de rotation) et de la géométrie du pion sur les champs thermiques et de vitesses a permis de mettre en évidence le lien entre les champs de vitesse et la présence de défauts de type tunnel.
Author: Kirk A. Fraser
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Friction stir welding, FSW, is a solid-state joining method that is ideally suited for welding aluminum alloys. Welding of the aluminum is accomplished by way of a hardened steel tool that rotates and is pushed with great force into the work pieces. Friction between the tool and the aluminum causes heat to be generated, which softens the aluminum, rendering it easy to deform plastically. In recent years, the FSW process has steadily gained interest in various fabrication industries. However, wide spread acceptance has not yet been attained. Some of the main reasons for this are due to the complexity of the process and the capital cost to procure the required welding equipment and infrastructure. To date, little attention has been paid towards finding optimal process parameters that will increase the economic viability of the FSW process, thus offsetting the high initial investment most. In this research project, a robust and efficient numerical simulation code called SPHriction-3D is developed that can be used to find optimal FSW process parameters. The numerical method is meshfree, allowing for all of the phases of the FSW process to be simulated with a phenomenological approach. The dissertation starts with a focus on the current state of art. Next an in-depth development of the proposed meshfree formulation is presented. Then, the emphasis turns towards the presentation of various test cases along with experimental validation (the focus is on temperature, defects, and tool forces). The remainder of the thesis is dedicated to the development of a robust approach to find the optimal weld quality, and the associated tool rpm and advancing speed. The presented results are of engineering precision and are obtained with low calculation times (hours as opposed to days or weeks). This is possible, since the meshfree code is developed to run in parallel entirely on the GPU. The overall outcome is a cutting edge simulation approach for the entire FSW process. Le soudage par friction malaxage, SFM, est une méthode idéale pour relier ensemble des pièces en aluminium. Lors du procédé, un outil en acier très dur tourne à haute vitesse et est presser dans les plaques avec beaucoup de force. L'outil frotte sur les plaques et génère la chaleur, ce qui ramollie l'aluminium, ceci le rendant plus facile à déformé mécaniquement. Récemment, le SFM a connu une croissance de reconnaissance important, par contre, l'industrie ne l'as pas encore adopté unilatéralement. Il existe encore beaucoup de terrain à défricher avant de bien comprendre comment les paramètres du procédé font effet sur la qualité de la soudure. Dans ce travail, on présente une approche de simulation numérique sans maillage pour le SFM. Le code développé est capable de prendre en considération des grandes déformations plastiques, le ramollissement de l'aluminium avec la température, et la condition de frottement complexe. Cette méthode permet de simulé tous les phases du procédé SFM dans une seule modèle. La thèse commence avec un mis en contexte de l'état actuel de la simulation numérique du SFM. Une fois la méthodologie de simulation sans maillage présenté, la thèse concentre sur différents cas de vérification et validation. Finalement, un travail d'optimisation des paramètres du procédé est réalisé avec le code numérique. La méthode de simulation présentée s'agit d'une approche efficace et robuste, ce qui le rend un outil de conception valable pour les ingénieurs qui travaille dans le domaine de SFM.
Author: Abdelaziz Timesli
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Le procédé de soudage par friction et malaxage est un procédé récent qui a été développé au sein de l'institut de soudure britannique "The Welding Institute" au début des années 90. Ce procédé, utilisé généralement en aéronautique, est sans apport de matière et permet de souder principalement des alliages d'aluminium difficilement soudables par les procédés classiques de soudage. Il consiste à malaxer le matériau de base à l'aide d'un outil constitué d'un pion et d'un épaulement frottant sur les faces supérieures des tôles à souder. La modélisation de ce procédé est très complexe puisque ce dernier implique des couplages entre des phénomènes mécaniques, thermiques et métallurgiques. Le malaxage dans le procédé de soudage FSW est difficile à simuler à l'aide de la méthode des éléments finis (en lagrangien) puisque la zone proche de l'outil de soudage est le siège de grandes déformations. Donc le remaillage est nécessaire. Cependant, le remaillage est cher et très difficile pour les problèmes tridimensionnels. Par ailleurs, après un remaillage, il est nécessaire d'interpoler les champs (vitesses, contraintes,...) correspondant à la solution courante, ce qui peut introduire des erreurs supplémentaires dans le calcul (on parle de diffusion numérique). Nous proposons dans ce travail des modèles basés sur la méthode sans maillage dite "Smoothed Particle Hydrodynamics SPH" et la méthode des moindres carrés mobiles (Moving Least Square MLS) pour la simulation de ce procédé. Ces modèles sont formulés dans le cadre lagrangien et utilisent la forme forte des équations aux dérivées partielles. Le premier modèle basé sur SPH considère la zone de soudure comme un fluide non newtonien faiblement compressible et dont la viscosité dépend de la température. Ce modèle est proposé pour la simulation numérique du comportement thermomécanique d'un matériau soudé par le procédé FSW. Dans le deuxième modèle, un algorithme itératif implicite de premier ordre a été proposé, pour simuler le malaxage de la matière dans le cas d'un matériau viscoplastique, en utilisant la méthode MLS et la technique de collocation. Le troisième modèle est un algorithme implicite d'ordre élevé basée sur le couplage de la méthode MLS et la Méthode Asymptotique Numérique MAN. Cet algorithme permet de réduire le temps de calcul par rapport à l'algorithme itératif implicite de premier ordre. La validation de ces trois modèles proposés a été faite par le code industriel Fluent.
Author: Ammar Guedoiri
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Le soudage par friction malaxage « Friction Stir Welding » est un procédé d'assemblage de pièces en phase semi solide. Le cordon de soudure est obtenu grâce à un outil de révolution composé d'un épaulement et d'un pion. Ce procédé utilise le principe de la conversion de l'énergie mécanique en énergie thermique par frottement de l'outil avec les pièces à assembler. Ce travail de thèse est une contribution à la modélisation expérimentale et à la simulation numérique de ce procédé permettant de fournir des modèles pour aider à la compréhension des phénomènes thermiques et mécaniques ainsi que les interactions entre les paramètres de soudage. Les études expérimentales sont principalement orientées vers la caractérisation de l'écoulement de matière à l'aide de marqueurs et vers l'optimisation des paramètres du procédé. L'effet de la géométrie de l'outil (outil à pion cylindrique ou outil avec méplats) sur l'écoulement de la matière au cours du soudage est étudié. Pour représenter la géométrie de l'écoulement et prédire les champs thermiques et mécaniques à l'état stationnaire, des modèles formulés sur la base de la dynamique des fluides sont adoptés dans la présente thèse. Deux modèles thermomécaniques sont développés: (1) un premier modèle numérique construit sous Fluent permet d'étudier le comportement thermomécanique et l'écoulement au cours du soudage FSW. Une loi de comportement dépendante de la température et de la vitesse de déformation est utilisée et une discussion sur les conditions de contact entre l'outil et les plaques à souder est présentée. Les résultats de l'écoulement sont comparés avec ceux obtenus expérimentalement dans le cas de suivi des trajectoires de particules de cuivre. (2) un deuxième modèle original basé sur une procédure itérative est mis en œuvre permettant le soudage de plaque de grandes dimensions. En effet, pour une meilleure prise en compte des conditions aux limites thermiques, un modèle thermomécanique construit autour de l'outil de soudage et couplé avec un modèle thermique pour tout le reste du domaine étudié. Ce modèle permet de prendre en compte le transfert de chaleur dans l'outil et dans la plaque support. Les cycles thermiques et la plage de viscosité pour deux alliages d'aluminium (AA7020-T6 et AA6061-T3) sont analysés et comparés avec succès aux résultats expérimentaux. Les efforts et le couple de soudage calculés numériquement sont validés par rapport à la littérature.
Author: Regis Blondeau
Publisher: John Wiley & Sons
ISBN: 1118623746
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 384
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Book Description
This book offers a comprehensive overview on the subject of welding. Written by a group of expert contributors, the book covers all welding methods, from traditional to high-energy plasmas and lasers. The reference presents joint welding, stainless steel welding, aluminum welding, welding in the nuclear industry, and all aspects of welding quality control.
Author: Vistasp M. Karbhari
Publisher: Elsevier
ISBN: 085709355X
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 729
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Book Description
The increased use of polymer matrix composites in structural applications has led to the growing need for a very high level of quality control and testing of products to ensure and monitor performance over time. Non-destructive evaluation (NDE) of polymer matrix composites explores a range of NDE techniques and the use of these techniques in a variety of application areas.Part one provides an overview of a range of NDE and NDT techniques including eddy current testing, shearography, ultrasonics, acoustic emission, and dielectrics. Part two highlights the use of NDE techniques for adhesively bonded applications. Part three focuses on NDE techniques for aerospace applications including the evaluation of aerospace composites for impact damage and flaw characterisation. Finally, the use of traditional and emerging NDE techniques in civil and marine applications is explored in part four.With its distinguished editor and international team of expert contributors, Non-destructive evaluation (NDE) of polymer matrix composites is a technical resource for researchers and engineers using polymer matrix composites, professionals requiring an understanding of non-destructive evaluation techniques, and academics interested in this field. - Explores a range of NDE and NDT techniques and considers future trends - Examines in detail NDE techniques for adhesively bonded applications - Discusses NDE techniques in aerospace applications including detecting impact damage, ultrasonic techniques and structural health monitoring
Author: Georg J. Schmitz
Publisher: John Wiley & Sons
ISBN: 3527339027
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 628
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Book Description
As one of the results of an ambitious project, this handbook provides a well-structured directory of globally available software tools in the area of Integrated Computational Materials Engineering (ICME). The compilation covers models, software tools, and numerical methods allowing describing electronic, atomistic, and mesoscopic phenomena, which in their combination determine the microstructure and the properties of materials. It reaches out to simulations of component manufacture comprising primary shaping, forming, joining, coating, heat treatment, and machining processes. Models and tools addressing the in-service behavior like fatigue, corrosion, and eventually recycling complete the compilation. An introductory overview is provided for each of these different modelling areas highlighting the relevant phenomena and also discussing the current state for the different simulation approaches. A must-have for researchers, application engineers, and simulation software providers seeking a holistic overview about the current state of the art in a huge variety of modelling topics. This handbook equally serves as a reference manual for academic and commercial software developers and providers, for industrial users of simulation software, and for decision makers seeking to optimize their production by simulations. In view of its sound introductions into the different fields of materials physics, materials chemistry, materials engineering and materials processing it also serves as a tutorial for students in the emerging discipline of ICME, which requires a broad view on things and at least a basic education in adjacent fields.
