Contribution au développement d'une approche simplifiée de la simulation numérique du formage incrémental

Contribution to the development of a Simplified Approach for the numerical simulation of incremental sheet forming process

• Auteur / Autrice : Yan Yu
• Direction : Mohammed Nouari, Arnaud Delamézière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 11/12/2014
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique et de mécanique théorique et appliquée (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Batoz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lanouar Ben Ayed, Sébastien Thibaud, Frédéric Thiebaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Dal Santo, Hakim Naceur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Éléments finis, Méthode des

Simulation, Méthodes de

Simulation par ordinateur

Travail de la tôle

Mots clés libres

Formage incrémental

Approche Simplifiée

Simulation numérique

Éléments finis

Incremental sheet forming

Simplified Approach

Numerical simulation

FEM

Résumé

Le formage incrémental est un procédé innovant de mise en forme des tôles métalliques utilisant un outil rigide à bout hémisphérique piloté par une machine à Commandes Numériques. La tôle encastrée sur son contour est déformée localement suivant une trajectoire d'outil, définissant ainsi la forme finale de la pièce. Les avantages de ce procédé sont sa très grande flexibilité, son faible coût d'outillage, et sa capacité à raccourcir la chaîne de conception et de fabrication. Le respect de la demande de diminution des coûts, et des délais de développement a rendu la simulation numérique incontournable. De nombreux modèles robustes de simulation basés sur la méthode des éléments finis permettent de prédire la formabilité et la qualité de la géométrie d'une pièce. Les algorithmes classiques de la simulation garantissent des résultats de qualités mais les temps de calculs nécessaire sont encore très élevés. Dans ce contexte, une Approche Simplifiée a été développée afin de réduire les temps de calculs. Cette approche permet de se soustraire à l'intégration de l'outil et de son contact avec la tôle dans l'algorithme de simulation numérique, en les remplaçant par une imposition locale et évolutive de déplacement sur certains nœuds supposés être en contact avec l'outil. Un complément est proposé dans cette thèse pour diminuer la durée d'une séquence de simulation, en utilisant un élément coque triangulaire DKTRF (Discrete Kirchoff Triangle Rotation Free). Cet élément permet de tenir compte des effets de membrane et de flexion avec un nombre de degré de liberté restreint, car les termes en flexion sont définis en fonction des déplacements nodaux des éléments adjacents. L'intégration de cet élément associé à l'Approche Simplifiée pour un maillage régulier dans un problème élasto-plastique donne des résultats géométriques et comportementaux cohérents avec des temps de calculs considérablement réduit par rapport aux simulations numériques effectuées sous ABAQUS®. Les résultats obtenus à l'aide de la simulation numérique d'un cas-test sont par la suite comparés à des résultats expérimentaux, permettant ainsi de valider le modèle et d'étudier les influences des paramètres du procédé sur la pièce finale. Pour ce faire, une méthodologie d'essai expérimentale est développée afin de mieux estimer l'efficacité du procédé de formage incrémentale sur une machine à Commandes Numériques. La technique de mesure utilisée pour caractériser la géométrie (épaisseur et profil) de la pièce est la méthode de numérisation. Cet outil de mesure, retranscrit le plus fidèlement la géométrie de la pièce par l'intermédiaire de caméras et d'un logiciel de post-traitement. Particulièrement bien adapté pour l'évaluation du profil, la méthode d'acquisition reste cependant à optimiser notamment pour l'évaluation de l'épaisseur de la tôle

The incremental sheet forming (ISF) is an innovative process in sheet metal forming method by using a hemispherical rigid tool controlled by Computerized Numerical Control machine (CNC). The clamped sheet is locally deformed following a tool path, defining thus the final geometry of the part. The advantages of this method are its high flexibility, its low tooling cost, and its ability to shorten the design and manufacturing chain. The application of the reduction of the overall costs, and development time made the numerical simulation essential. Many robust simulation models based on the finite element method enable to predict the formability and the geometrical quality of the part. Classic algorithms of simulation ensure reliable quality results but necessary computation times (CPU) are still very long. In this context, a Simplified Approach has been developed to reduce the computation time. This approach allows avoiding the integration of the tool and its contact with the sheet into the numerical simulation, by replacing them with a local and progressive displacement imposition of certain nodes supposed to be in contact with the tool. A complementary solution is proposed within this thesis to reduce the CPU times of a simulation sequence, by using a shell element called DKTRF (Discrete Kirchhoff Triangle Rotation Free). This element takes account of the membrane and bending effects with restricted numbers of degrees of freedom, as the flexion terms are defined in accordance with the nodal translational displacements of the adjacent elements. The integration of this element combined with the Simplified Approach for a regular mesh in an elastoplastic problem gives consistent outcomes in geometric and behavioural, with significant diminution of CPU times in comparison with the industrial numerical simulation performed on ABAQUS©. Results obtained by means of numerical simulation of a study case are then compared with experimental results, thereby enabling to validate the model and to study the influences of process parameters on the final piece. To do this, an experimental test procedure is developed in order to evaluate the efficiency of incremental forming process on a Computerized Numerical Control machine (CNC). The measurement technique used to characterize the geometry (thickness and profile) of the piece is the scanning method. The measurement tool, transcribed accurately the geometry of the part via cameras and post-treatment software. Particularly well-suited for the assessment of the profile, the acquisition method remains to be optimize especially for assessing the thickness of the sheet