Etude expérimentale et numérique des distorsions de structures mécano-soudées

par Benoît Saint-Germain

Thèse de doctorat en Mécanique et matériaux

Sous la direction de Clotilde Berdin-Meric.

Soutenue en 2006

à Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris , en partenariat avec Laboratoire de mécanique des sols, structures et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-2021) (laboratoire) .

mots clés

• Acier -- Propriétés mécaniques -- Modèles mathématiques
• Soudage à l'arc TIG -- Modèles mathématiques
• Soudage GMAW -- Modèles mathématiques

Résumé

L'objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie et des outils permettant de simuler de façon efficiente les distorsions engendrées par le procédé de soudage sur de larges structures. Le premier aspect de notre étude porte sur la modélisation du comportement du matériau. Un modèle métallurgique est alors proposé. Celui-ci présente l'intérêt d'être directement identifiable à partir de diagrammes TTA ou TRC et peut donc être facilement transposable à d'autres matériaux et applications. En ce qui concerne le comportement mécanique, nous proposons une démarche simplifiée permettant à l'utilisateur d'employer des lois d'écrouissage et d'écoulement différentes pour les diverses phases métallurgiques. Le second aspect de notre étude traite de la modélisation et de la simulation du procédé de soudage à différentes échelles. Dans un premier temps, nous présentons l'ensemble des techniques mises en œuvre pour la modélisation du procédé de soudage, et notamment la modélisation de dépose de cordon et la liaison dynamique des pièces lors du soudage. Ces techniques permettent alors de prédire la distorsion d'une éprouvette de laboratoire et d'une structure semi-industrielle. Une étude de sensibilité du modèle numérique permet d'identifier les facteurs de premier ordre qui permettent de prédire correctement la distorsion de ces structures. La simulation de l'assemblage d'un essieu de véhicule automobile permet au final de valider l'ensemble des outils ainsi que la démarche globale de cette étude.

Titre traduit

Experimental and numerical study of distorsions in welded structures

Résumé

The objective of the present thesis is to provide a method and tools that permit to simulate welding distortions in large structures efficiently. The first part of the thesis deals with the modelling of material behaviour. A metallurgical model is proposed. The main advantage of this model is that it provides parameters which can be directly determined on TTT or CCT diagrams and thus easily applied to other materials and applications. Regarding mechanical behaviour, we suggest a simplified approach which enables the user to utilize different hardening laws or flow rules for each metallurgical phase. The second part deals with the modelling and simulation of the welding process in different true-scale components. All the techniques that allow to simulate the welding process, and more particularly dynamic activation of fillet elements and dynamic coupling of parts are presented. Thanks to these techniques, the prediction of distortions in a laboratory sample and a semi-industrial structure is made possible. A sensitivity study on the numerical model enables one to identify the most relevant factors that affect the model's response to distortions. Finally, this global approach is validated by the simulation of the automotive vehicle axle assembly.