Éléments finis solide-coque pour l’analyse quasi-statique et dynamique des structures minces 3d : application aux procédés de mise en forme

Solid–shell finite elements for quasi-static and dynamic analysis of 3D thin structures : application to sheet metal forming processes

• Auteur / Autrice : Peng Wang
• Direction : Farid Abed-Meraim, Hocine Chalal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 06/04/2017
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....) - Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Ponthot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Farid Abed-Meraim, Hocine Chalal, Olivier Polit, Habibou Maitournam
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Duchène, Thomas Elguedj

Mots clés

Mots clés contrôlés

Coques (ingénierie)

Éléments finis, Méthode des

Constructions -- Dynamique

Mots clés libres

Structures minces

Elément finis

Verrouillage

Déformation postulée

Solide–coque

Mise en forme de tôles

Thin structures

Finite element

Locking

Assumed strain

Solid–shell

Sheet metal forming

Résumé

La simulation numérique par la méthode des éléments finis (MEF) fournit de nos jours une grande aide pour les ingénieurs dans les processus de conception d’optimisation des produits. Malgré le développement croissant des ressources de calcul, la fiabilité et l’efficacité des simulations numériques par la MEF restent à améliorer. Ce travail de thèse consiste à développer une famille d’éléments solide-coque (SHB) pour la modélisation tridimensionnelle des structures minces. Cette famille d’éléments SHB est basée sur une formulation tridimensionnelle en grands déplacements et rotations. La technique dite “d’intégration réduite dans le plan”, en utilisant un nombre arbitraire de points d’intégration dans la direction de l’épaisseur, permet la modélisation des structures minces avec une seule couche d'éléments. Dans ce travail de thèse, deux éléments linéaires SHB prismatique et hexaédrique, ainsi que leurs contreparties quadratiques, ont été implantés dans le code par éléments finis ABAQUS pour l’analyse quasi-statique et dynamique des structures minces. La performance de ces éléments a été validée à travers une série de cas tests académiques, ainsi que sur des problèmes complexes de type impact/crash et des procédés de mise en forme de tôles minces. L'ensemble des résultats numériques obtenus révèle que les éléments SHB représentent une alternative intéressante aux éléments coques et solides traditionnels pour la modélisation tridimensionnelle des structures minces.

Nowadays, the finite element (FE) simulation provides great assistance to engineers in the design of products and optimization of manufacturing processes. Despite the growing development of computational resources, reliability and efficiency of the FE simulations remain the most important features. The current work contributes to the development of a family of assumed strain based solid-shell elements (SHB), for the modeling of 3D thin structures. Based on reduced integration and special treatments to eliminate locking effects and to control spurious zero-energy modes, the SHB solid‒shell elements are capable of modeling most thin 3D structural problems with only a single element layer, while describing accurately the various through-thickness phenomena. In the current contribution, a family of prismatic and hexahedral SHB elements with their linear and quadratic versions have been implemented into ABAQUS using both standard/quasi-static and explicit/dynamic solvers. The performance of the SHB elements is evaluated via a series of popular benchmarks as well as with impact/crash and sheet metal forming processes. All numerical results reveal that the SHB elements represent an interesting alternative to traditional shell and solid elements for the 3D modeling of thin structural problems.