A new shell formulation using complete 3D constitutive laws : Applications to sheet metal forming simulations

par Mickaël Sansalone

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Michel Brunet et de Francis Sabourin.

Le président du jury était Alain Combescure.

Le jury était composé de Michel Brunet, Francis Sabourin, Alain Combescure, Jean-Claude Gelin, Gérard Rio, Jean-Louis Batoz, Caroline Borot, Daniel Vieilledent.

Les rapporteurs étaient Jean-Claude Gelin, Gérard Rio.

  • Titre traduit

    Nouvelles formulations « coque » a loi de comportement 3D : Applications à la simulation de mise en forme de tôles


  • Résumé

    Dans le domaine de la mise en forme industrielle, des outils de simulation comme le logiciel Pam-stamp 2G permettent entre autres le prototypage et l’optimisation numérique des produits, réduisant ainsi les coûts expérimentaux de mise au point. Les éléments finis de type coques en hypothèse d’état plan de contrainte demeurent les plus utilisés car ils permettent une prise en compte réaliste des déformations majeures de membrane et de flexion. Cependant, de par leur définition, la contrainte normale pouvant apparaitre en cas de compression du flan dans la direction de l’épaisseur ou encore de flexion extrême sur petit rayon est systématiquement omise. De plus, Il existe de nouveaux procédés de mise en forme de tôle, comme le pliage/sertissage/emboutissage avec laminage et/ou écrasement ainsi que l’hydroformage, qui ne peuvent pas être traités avec ces formulations d’éléments coques classiques. L’utilisation de couches d’éléments volumiques est souvent considérée comme une alternative non convenable aux simulations de ces procédés. Outre le très haut coût CPU, s’ajoutent le rendu parfois non réaliste ainsi que la complexité liée à la découpe du maillage du flan. Récemment, des éléments de type “solid-shell” ont été mis à contribution mais requièrent des améliorations quant à leurs lois de comportements. L’objectif d’ESI group consiste en l’élaboration, l’évaluation, l’implémentation et la validation industrielle d’une nouvelle formulation d’élément fini. Cet élément devra permettre la gestion d’une éventuelle variation d’épaisseur avec prise en compte réaliste de la contrainte normale, tout en assurant des résultats dignes de ceux d’une coque conventionnelle en flexion. Une nouvelle formulation de type coque 3D est ainsi d’abord proposée. Des éléments coques triangulaires et quadrangulaire en théorie de Mindlin et de Kirchhoff sont utilisés. Cette approche est d’abord développée dans un solveur quasi-statique implicite de l’INSA de Lyon pour validation numérique sur cas académiques linéaires et non linéaires de référence. Une validation expérimentale sur opération de pliage dépliage est également réalisée. Aux vues des non linéarités dues au contact avec frottement, grandes déformations et grands déplacements posant des soucis de convergence en implicite au cours de la simulation d’opérations de mise en forme, la méthode est ensuite développée dans le solveur explicite de l’INSA de Lyon. Seuls les éléments en théorie de Mindlin sont considérés. Les particularités liées à cette méthode de résolution dynamique comme la matrice de masse, le pas de temps critique et l’optimisation du CPU sont traitées. Une nouvelle méthode de contact dédiée aux opérations de mise en forme impliquant du laminage et/ou de l’amincissement est également proposée. Elle permet une transition automatique d’éléments standards vers des éléments coque "3D", palliant ainsi le remaillage. Des essais de mise en forme en U avec ou sans laminage apportent une validation expérimentale concernant le retour élastique. Une fois validées, les techniques et formulations les plus abouties sont implémentées dans le code industriel dédié à la mise en forme Pam-stamp 2G v2011. Après une vérification sur tests de référence, des applications sont enfin menées sur cas critiques inspirés de procédés industriels complexes et nécessitant essentiellement une loi de comportement 3D.


  • Résumé

    In the sheet metal forming industry, shell elements in plane-stress assumption are employed, as they perform quite well in simulating the major membrane and flexural large deformations involved. However, the normal stress, caused by compression along thickness direction of the blank or local high bending over very small radii, is hence systematically omitted. Besides, when it comes to unusual and challenging processes such as hydro-forming, thinning/thickening, forming with ironing, bottoming and so on, makeshift solutions such as layers of 3D solid hexahedrons or even recent “solid-shell” elements are no longer appropriate. An innovative 3D finite element formulation methodology overcoming the overcoming the plane-stress definition of classification shell elements, while keeping their very good bending assets is first proposed in this work. The method basically consists in adding a central node endowed with two degrees of freedom at the element center. These two extra translations normal to the element mid-plane give a new quadratic displacement field along the shell normal direction. A derivative normal strain can hence be expressed and a linear normal stress comes via a full 3D constructive law. A very pioneering contact technique, dedicated to forming processes with ironing, thinning/bottoming operations and allowing a usual-to-enhanced automatic element switch is developed as well. Once widely assessed, most interesting achievements are implemented in the dynamic explicit industrial code Pam-stamp 2 G v2011 and evaluated over critical industrial forming processes that require essentially a full 3D strain-stress behavior.



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