Développement d'un modèle éléments finis pour la simulation d'écoulements à surface libre : application au soudage

Development of a finite element model for the simulation of free surface flows : application to welding

• Auteur / Autrice : Sylvain Rabier
• Direction : Roger Martin, Marc Medale
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Énergétique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Provence. Section sciences - Ecole Polytechnique Universitaire (Marseille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Transfert de chaleur

Soudage par fusion

Résumé

Ce travail est porté sur le développement d'un modèle éléments finis tridimensionnel destiné à l'étude des transferts thermiques dans les pièces à souder et de l'écoulement dans le bain liquide obtenu lors d'une opération de soudage par fusion. Le modèle numérique développé permet de prendre en compte l'évolution de la surface libre du bain de fusion par l'utilisation d'un maillage mobile. Ce maillage mobile est géré numériquement par la méthode Lagrange-Euler Arbitraire (ALE). La validation du modèle a consisté en la réalisation de problèmes tests avec notamment la simulation d'un écoulement à surface libre pour lequel nous disposons d'une solution analytique. Nous nous sommes intéréssés plus spécifiquement à trois des phénomènes physiques générant l'écoulement du métal liquide dans le bain de fusion. Il s'agit de l'effet d'entraînement dû à la vitesse de soudage, de l'effet Marangoni et de l'effet de la pression du procédé de soudage. Les simulations, réalisées en séparant les phénomènes moteurs de l'écoulement, ont permis de quantifier l'influence de l'écoulement du métal liquide sur la distribution de température dans les cas traités.

This work is focused on the development of a three-dimensional finite element model to study the heat transfer in the whole pieces to weld and the fluid flow in the weld pool resulting from the welding process. The numerical model allows us to consider the evolution of the free surface of the molten pool by the use of a moving mesh. The moving mesh is numerically implemented with an ALE Method. Validation of the model is conducted by the way of several tests problems with notably the numerical simulation of a free surface flow with an analytical solution. We have been interested more specifically to three of the main physical phenomena generating fluid flow in the molten pool. These are the driving effect due to the welding speed, the Marangoni effect and the welding process pressure. The numerical simulations, being performed separating the physical phenomena, have permitted to quantify the influence of the weld pool flow on the temperature distribution in the cases treated.