Modélisation numérique de la mise en forme et de la tenue mécanique des assemblages par déformation plastique : application au rivetage auto-poinçonneur

Numerical modelling of process and mechanical strength of joining by deformation : application to self-piercing riveting

• Auteur / Autrice : Sébastien Fayolle
• Direction : François Bay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Élastoplasticité

Rhéologie

Assemblages à rivets

Travail des métaux

Résumé

Le travail de thèse porte sur la modélisation de la mise en forme et de la tenue mécanique des assemblages par déformation plastique avec comme principale application le rivetage auto-poinçonneur. Dans un premier temps, le développement d’un modèle de comportement, capable de prendre en compte l’ensemble des phénomènes physiques apparaissant lors de la pose du rivet ou de la tenue mécanique du point d’assemblage, est abordé. Le comportement retenu est un comportement élasto-plastique endommageable. Le modèle d’endommagement, basé sur le modèle de Lemaitre et le principe d’équivalence en déformation, a été amélioré afin de prendre en compte l’effet de fermeture des fissures ainsi qu’une limite de triaxialité en dessous de laquelle l’endommagement ne peut plus évoluer. Ce modèle de comportement a alors été implémenté dans la suite logicielle Forge2005®. Afin de s’affranchir du phénomène de localisation, des méthodes d’endommagement non locales ont été introduites. Dans un deuxième temps, la caractérisation des paramètres des lois d’écrouissages et d’endommagement est réalisée en utilisant une méthode d’indentification par analyse inverse basée sur un algorithme évolutionnaire couplé à un méta-modèle. L’ensemble des essais mis en place pour alimenter cet algorithme est abordé de façon précise. Finalement, le modèle numérique développé est utilisé pour simuler le rivetage auto-poinçonneur et la tenue mécanique du point d’assemblage. Pour ce dernier point, un montage ARCAN a été conçu pour solliciter les éprouvettes assemblées en cisaillement, traction ou encore pour des sollicitations mixtes. Les résultats obtenus sont alors comparés avec l’expérience et montrent une bonne corrélation. Le modèle numérique ainsi développé peut également être utilisé pour la majorité des technologies d’assemblage par déformation plastique, mais il constitue également un outil d’aide à l’optimisation de la tenue mécanique, comme cela est illustré en dernière partie de ce travail.

The thesis deals with the numerical modelling of process and mechanical strength of joining by deformation with self-piercing riveting as main application. The first step was to develop a material model. This model needed to represent all the phenomena which appeared during the riveting process or during the mechanical testing of the joint. We have opted for damaged elastic-plastic behaviour. The damage law is based on the model of Lemaitre and its strain equivalence principle. We have improved this damage model to take into account the crack closure effect and a lower limit of triaxiality under which the damage cannot evolve. This material model was implemented in the finite element software Forge2005®. No local damage models were used to prescribe the damage localization effect. In a second step, the characterisation of hardening and damage law parameters was performed using an inverse method based on an evolutionary algorithm coupled with a meta-model. All the specific experimental tests were presented with accuracy. Finally, computations of self-piercing riveting process and computations of mechanical test on a riveted joint were achieved with the developed numerical model. For this last part, an ARCAN type device was developed to apply shear, tensile and mixed solicitations on the riveted samples. Numerical results were compared with the experimental ones and shown good agreements. As shown in the last part of this thesis, the developed numerical model was able to model all the joining by deformation technologies and it may be use like an optimization tool.