Simulation numérique du soudage FSW à l'aide d'une formulation ALE

par Sabrina Gastebois

Thèse de doctorat en Mécanique numérique et Matériaux

Sous la direction de Lionel Fourment.

Le président du jury était Guillaume Racineux.

Le jury était composé de Lionel Fourment, Guillaume Racineux, Hamid Zahrouni, Christophe Desrayaud, Julie Vaudour, Laurent Dubourg, Katia Mocellin.

Les rapporteurs étaient Hamid Zahrouni, Christophe Desrayaud.


  • Résumé

    Depuis l'invention du soudage par frottement malaxage (FSW) en 1991 par The Welding Institute (TWI), l'industrie aéronautique envisage de remplacer l'assemblage par rivetage des tôles par ce procédé. L'objectif est d'alléger les structures, plus particulièrement les panneaux des structures d'aéronefs qui sont souvent raidis avec des lisses et des profilés assemblés à la peau extérieure. La qualification du procédé FSW dans l'aéronautique requiert de produire des joints de très haute qualité avec une longue durée de vie des outils. Ceci nécessite un réglage fin des paramètres procédé tels que la géométrie de l'outil (dimensions de l'épaulement et du pion, filetage) et les vitesses d'avance et de rotation. Le but de ce travail est d'accompagner la conception du procédé par la simulation numérique. Il comporte trois parties: (1) le développement de la formulation arbitrairement lagrangienne ou eulérienne (ALE) dans la version parallèle du logiciel Forge® pour l'adapter au FSW, (2) la modélisation du procédé FSW et (3) la calibration du modèle EF et la validation des résultats numériques suite à la réalisation d'essais FSW en configuration par recouvrement.Ce travail est basé sur la formulation ALE parallèle développée dans Forge® afin de modéliser les différents défauts caractéristiques du FSW (bavures et trous). L'algorithme de transport des champs continus, indispensable au caractère eulérien, est affiné afin de considérer les particularités de l'écoulement du procédé (nœud du plan d'entrée, en contact avec l'outil ou dans les bavures et sortant du domaine d'étude). Un nouveau schéma d'intégration temporelle basée sur les coordonnées cylindriques plus adapté à ce procédé fortement rotationnel est introduit. Enfin, un filetage sur l'outil est modélisé par l'introduction d'une nouvelle loi de frottement à l'interface outil / matière.Cette formulation ALE générale et parallèle a montré sa robustesse pour modéliser le procédé FSW. Les résultats thermomécaniques sont en accord avec de précédents résultats validés par l'expérience. De plus l'outil numérique obtenu a montré ses capacités pour la modélisation des bavures ou des pertes de contact derrière le pion.Finalement la configuration de soudage par recouvrement industrielle a été étudiée. Pour cela des essais expérimentaux ont été réalisés pour divers paramètres du procédé et divers types de joints de recouvrement. Puis les mesures de forces et du couple dans l'outil et de la température dans l'outil et la tôle ont permis de calibrer les paramètres du modèle (frottement, loi de comportement, coefficients thermiques) et de valider les résultats EF.

  • Titre traduit

    Arbitrary lagrangian eulerian formulation for the numerical simulation of FSW process


  • Résumé

    Since the invention of Friction Stir Welding (FSW) in 1991 by The Welding Institute (TWI), aeronautics industry has been investigating the possibility to use this process instead of riveting with the objective to lighten its structures and more particularly the aircrafts structure panels. Aircraft panels are often straightened with stringers and profiles which are joined to the outer skin. The qualification of FSW process in aeronautics requires producing very high quality joints with the longevity of tools, which requires fine tuning of process parameters such as the geometry of the welding tool (shoulder and pin dimensions, threads on pin and shoulder) and the advancing and rotating speeds. The aim of this work is to support the design of the process by numerical simulation. It has three parts: (1) developing an efficient and accurate Arbitrary Lagrangian or Eulerian (ALE) formulation within the parallel version of Forge® software, (2) modelling the FSW process and (3) calibrating the F.E. model and validating simulation results thanks to FSW experiments on lap joints.This work is based on the parallel ALE formulation developed in Forge® to model the different possible defects taking place in FSW (flashes and worm holes). The transport algorithm of continuous fields, required by the Eulerian frame, is enhanced to take the special characteristics of the FSW's flow into account (nodes located in input plan or flashes or in contact with the tool). A new time integration scheme based on cylindrical coordinates, which are best suited for this process, is introduced. Finally, the pin and shoulder threads are modelled by introducing a new friction law at the tool / material interface.This general and parallel ALE formulation is robust enough to model the FSW process. Thermomechanical results obtained are in agreement with previous results validated by experiences. And the numerical tool demonstrated its ability to model flashes formation and losses of contact behind the pin. Finally industrial welding lap joints configuration was studied. Experimental tests were conducted with several process parameters and type of lap joint. And measure of torque and forces in tool, and temperature in tool and sheet metal allowed to calibrate model parameters (friction, behavior law, thermal coefficients) and to validate FE results.


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