Simulation numérique du soudage : couplage des écoulements dans le bain fondu avec les déformations de la partie solide
par Thomas Sayet
Thèse de doctorat en Mécanique et ingénierie
Sous la direction de Jean-Michel Bergheau, Eric Feulvarch et de Jean-Baptiste Leblond.
Soutenue en 2014
à l'Ecole nationale d'ingénieurs (Saint-Etienne ; 1961-....) .
mots clés-
Résumé
Welding with material fusion is a high temperature joining process widely used in the industry. The development of a simulation software able to reproduce the distortion and residual stresses must take into account the complexity of this multi-physical process. The work of this thesis is part of an ANR project entitled SISHYFE "simulation of hybrid welding of large thicknesses". In this thesis, we propose a numerical simulation tool of the arc welding process. We model the material in its solid state in a Lagrangian formulation and its liquid state in an ALE approach. The transition between the two states during heating and cooling is ensured in a "continuous" way using a specific behaviour law. This model brings three important points. The first point is the development of a solid tetrahedron linear finite element formulated in velocity/pressure. This element ensures results free of volumetric locking and a significant calculation time saving. The second point concerns the modeling of the surface tension effects, precisely the tangential effects known as "Marangoni flow" and the normal effects or "curvature effects". The last point is a behaviour law based on a parallel and series model. Several examples are presented in the chapters of this manuscript. The results are compared with analytical solutions in order to judge the ability of the tool to reproduce these results.
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Titre traduit
Simulation
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Résumé
Le soudage avec fusion est un procédé d'assemblage à haute température très utilisé dans l'industrie. Le développement d'un logiciel capable de reproduire les distorsions et les contraintes résiduelles, doit tenir comptes de la complexité de ce procédé multi-physique. Les travaux de la thèse s'inscrivent dans le cadre projet ANR intitulé SISHYFE "simulation du soudage hybride de fortes épaisseurs". Dans le cadre de cette thèse, nous proposons un outil de simulation numérique du procédé de soudageà l'arc. Nous modélisons la matière dans son état solide dans une formulation Lagrangienne et dans son état liquide dans une approche ALE. La transition entre les deux états, lors du chauffage et du refroidissement, est assurée de manière "continue" par une loi de comportement mixte. Ce modèle apporte trois points importants. Le premier point réside dans le développement d'un élément fini solide tétraédrique linéaire formulé en vitesse/pression. Cet élément présente des résultats libres du verrouillage volumétrique et un gain de temps important. Le deuxième point concerne la modélisation des effets liés à la tension de surface, à savoir les effets tangentiels "courant de Marangoni" et les effets normaux ou "effets de courbure". Enfin, le dernier point concerne une loi de comportements mixte basée sur un modèle parallèle et série. Plusieurs exemples sont exposés dans les différents chapîtres de ce manuscrit. Les résultats sont confrontés à des solutions analytiques afin de juger l'aptitude de l'outil à reproduire ces résultats.
