Simulation numerique tridimensionnelle du refroidissement des pieces en fonderie : approche thermo-mecanique

3d numerical simulation of the cooling stage in casting processes : thermo-mechanical approach

• Auteur / Autrice : MAMAR MENAI
• Direction : Michel Bellet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées
• Date : Soutenance en 1995
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Résumé

La simulation numerique du procede de fonderie est aujourd'hui un des moyens que les industriels envisagent d'utiliser intensivement pour faire face aux exigences de plus en plus severes des cahiers des charges des pieces moulees et pour optimiser leurs procedes. Une modelisation complete du procede doit prendre en compte les differentes phases de remplissage du moule, de solidification au niveau macroscopique (deformations, contraintes) et microscopiques (segregation, microstructure). Le present travail se focalise sur la seconde phase: analyse mecanique de la solidification. Si on considere, en premiere approximation, que le refroidissement d'une piece est essentiellement gere par la variable temperature, on est amene a resoudre les equations de la chaleur dans un cadre tout a fait general. Pour resoudre ce probleme, nous avons utilise la methode des elements finis en 3d (element tetraedrique 4 nuds) qui permet de discretiser l'espace. Le choix d'un schema d'integration temporelle est rendu plus difficile du fait de la forte non-linearite du probleme due essentiellement au changement d'etat liquide-solide. L'originalite du modele thermique reside dans la resolution multi-domaines utilisee. Une des particularites de la phase de refroidissement est la presence de fort gradient thermique aux interfaces piece-moule. Nous avons montre que le choc thermique en presence pouvait etre traite de deux manieres differentes: technique de condensation de la matrice de capacite, technique de raffinement de maillage. La modelisation de la phase de refroidissement ne peut etre concue sans couplage entre les effets thermiques et mecaniques. En effet, de par l'evolution du comportement du materiau, et d'autre part de l'apparition d'une lame d'air entre la piece et le moule, changeant ainsi les conditions aux limites thermiques. Pour traiter le probleme mecanique nous avons choisi une loi de comportement de type elasto-viscoplastique. Dans un souci de conserver le meme maillage en mecanique qu'en thermique, nous avons developpe une formulation mixte vitesse-pression (element p1+/p1) qui permet de traiter rigoureusement l'incompressibilite de la partie viscoplastique de la deformation. Nous avons montre les performances du modele thermo-mecanique tant du point de vue quantitatif sur un cas academique que qualitatif sur une geometrie complexe de type industrielle