Modélisation et simulation numérique de procédés de formage électromagnétique

Numerical modelling and simulation of electromagnetic forming process

• Auteur / Autrice : Muhammad Ali Siddiqui
• Direction : Saïd Ahzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Travail des métaux

Résumé

Le formage électromagnétique est un procédé de mise en forme des métaux à grande vitesse de déformation. Ce procédé permet de déformer des pièces métalliques en déchargeant un courant intense pulsé à travers une bobine se situant à proximité de la pièce. La modélisation numérique des procédés de mise en forme est une approche couramment utilisée pour développer et améliorer (par la réalisation d’études paramétriques) de nouveaux procédés. Le but de cette thèse est de développer un simulateur numérique afin de décrire le procédé de formage électromagnétique et de mieux comprendre les phénomènes physiques intervenant pendant la déformation. Le problème électromagnétique est résolu par la méthode des différences finies afin d’obtenir la pression agissant sur la face de la pièce métallique. Le problème mécanique est quant à lui traité par un code commercial de calcul par éléments finis (ABAQUS/Explicit) en utilisant un algorithme de résolution de type dynamique avec une intégration du temps Explicit. La méthode des différences finies utilisée pour résoudre les équations de Maxwell a été programmée en langage FORTRAN. Ce programme a été validé sur un cas test et comparé aux résultats expérimentaux disponibles dans la littérature et aux prévisions obtenues avec un code libre de calcul par élément finis pour les problèmes de magnétisme (FEMM). Ce programme a été ensuite introduit dans le logiciel ABAQUS via un sous-programme utilisateur VDLOAD. Des simulations d’essais d’expansion de tôles métalliques ainsi que des essais d’expansion et de compression de tubes ont été réalisées. Les prévisions obtenues sont en accord avec les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature.

Electromagnetic sheet forming (EMF) is a high velocity forming process driven by the coupled electromagnetic and mechanical phenomena. The deformation of the workpiece takes place due to the body forces (Lorentz forces) that are created by a pulsed magnetic field produced by a flat spiral coil. Formability can be increased using this high velocity forming technique due to the inertial forces and high strain rates. In this Ph. D. Research, we considered the electromagnetic and the mechanical aspect of the process as two independent problems. We aimed to provide a mathematical model for EMF process, and validate it with existing numerical tools and experiments. We have developed a numerical and analytical tool which can accurately calculate the basic parameters of the EMF process. The finite difference method has been employed to solve the electromagnetic Maxwell’s equations. The pressure acting on the workpiece has been calculated neglecting the influence of the workpiece velocity on the magnetic field. Then it has been treated as a load in the mechanical problem. Numerical simulations of the mechanical problem have been performed with the commercial finite element code ABAQUS/Explicit. The magnetic pressure has been introduced in ABAQUS/Explicit as an analytical pressure distribution with the help of a user-defined sub-routine VDLOAD. FE simulations of the electromagnetic free bulging test have been performed. Furthermore, simulations of tube expansion and compression processes were also undertaken. The FE predictions are globally in agreement with the experimental results available in the literature.