Code_Aster
Titre :
Notice d’utilisation pour la simulation numérique [...]
Responsable :
Jean ANGLES
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Date :
10/08/2010
Page :
8/24
Clé :
U2.03.05
Révision :
4036
3 La simulation numérique du soudage
Tout ce qui est écrit, par la suite, peut être mis en œuvre dans deux situations d’études :
•
Lorsqu’on simule, évidemment, le soudage de deux pièces ;
•
Mais également, lorsqu’on simule la dépose d’un revêtement sur une pièce. On peut appliquer la même méthodologie que celle adoptée pour une opération de soudage.
3.1
Représentation visuelle d’une opération de soudage
•
La réalité : on a deux pièces A et B que l’on souhaite souder pour obtenir une pièce AB en
utilisant un procédé de soudage adapté (par exemple par apport de chaleur). Les deux pièces ne sont jamais soudées en une seule fois mais pas passes successives, la première passe s’appelant la passe de racine.
•
La représentation numérique : la première passe de racine n’est jamais modélisée. On
suppose donc qu’initialement, les deux pièces A et B sont en un seul bloc. Par la suite, nous verrons qu’il existe plusieurs méthodes pour activer les passes. Le plus souvent (c’est la configuration présentée dans le dessin ci-dessous), on choisit de représenter toutes les passes dans le modèle initial et on les active au fur et à mesure.
La réalité La représentation numérique
A
A
A
A
A
A B
B
B
B
B
B
Le soudeur
La source de chaleur apportée par le procédé de soudage, avec métal d’apport ici
Les deux pièces à souder
1 ère passe =
Passe de racine
2 ème passe
3 ème passe
4 ème passe
5 ème passe
AB
AB
AB
AB
AB
Manuel d'utilisation
Document diffusé sous licence GNU FDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)
La pièce initiale à modéliser, avec ici toutes les passes représentées initialement dans le modèle
Activation de la 1 ère passe à simuler
Activation de la 2
ème passe à simuler
Activation de la 3 ème passe à simuler
Activation de la 4 ème passe à simuler
Fascicule u2.03 : Thermo-mécanique
Code_Aster
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AB
6 ème passe
Pièce AB soudée
AB
3.2
Que cherche t-on à calculer ?
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5 ème passe
Pièce AB simulée
Le but final de la simulation est de déterminer les champs de contraintes et de déformations résiduelles. Pour ce faire, il est nécessaire de coupler ou de chaîner des calculs thermique,
éventuellement métallurgique et enfin mécanique.
3.3
Quelles sont les principales difficultés de la simulation ?
Les grandes difficultés, questions et choix de méthodologie auxquelles l’ingénieur sera confronté peuvent se résumer en six points :
•
Représentation 2D ou 3D de la structure étudiée ?
•
Quel maillage adopté ?
•
Comment prendre en compte l’apport de chaleur ?
•
Comment gérer l’ajout de matière, en thermique, en mécanique ?
•
Quel modèle de comportement mécanique (pour les transformations métallurgiques, il existe un unique modèle dans Code_Aster) ?
•
Quelles données physiques ?
Remarque : Les choix qui seront adoptés au final pour la simulation dépendent de beaucoup des
données expérimentales en la possession de l’ingénieur. Ces données regroupent :
•
Des données matériau ; Comme dans toute simulation, il est important d’avoir des données matériau pour identifier le plus proprement possible les lois de comportement (thermique, métallurgique et mécanique). Le soudage impliquant des températures très élevées (jusqu’à la fusion du matériau), il faut disposer, si possible, d’une part, de paramètres entre 20°C et la température de fusion, et d’autre part, d’essais permettant de caractériser les phénomènes visqueux.
•
Des données sur les conditions de soudage ; Parmi les nombreuses incertitudes sur les données d’entrée qui interviennent lors de la simulation numérique d’une opération de soudage ou de dépose d’un revêtement, l’indétermination de l’apport de chaleur est la plus pénalisante. En effet, même lorsqu’il s’agit d’un soudage automatisé, et que les paramètres de soudage sont bien connus, la modélisation de l’apport de chaleur reste de toute façon difficile, et un recalage est presque toujours nécessaire (sur des mesures de températures ou sur des macrographies de zones fondues) si une simulation numérique prédictive est
visée.
Dans le paragraphe 3 et pour chacun de ces points, nous présenterons les différentes méthodologies possibles et, parfois, les choix conseillés.
3.4
Les spécificités de Code_Aster
3.4.1 Quels sont les couplages considérés ?
Dans Code_Aster, il est actuellement possible de prendre en compte l’essentiel des phénomènes mais de façon découplée, par l’intermédiaire de calculs chaînés thermique, puis métallurgique
(éventuellement) et enfin mécanique.
Le calcul métallurgique éventuel est ainsi effectué en post-traitement du calcul thermique, sans tenir compte de l’influence de la métallurgie sur la thermique (différence de propriétés thermo-physiques selon les phases et chaleurs latentes de transformation).
Manuel d'utilisation Fascicule u2.03 : Thermo-mécanique
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De même, le calcul mécanique est découplé des calculs thermique et métallurgique : l’influence de la dissipation intrinsèque sur les champs thermiques est négligée, ainsi que l’influence de l’état de contraintes sur les transformations métallurgiques.
Pour résumer, voici les interactions prises (OUI) ou non (NON) en considération :
•
Influence de la Thermique sur la Métallurgie : OUI
•
Influence de la Métallurgie sur la Thermique : NON
•
Influence de la Thermique sur la Mécanique : OUI
•
Influence de la Mécanique sur la Thermique : NON
•
Influence de la Métallurgie sur la Mécanique : OUI
•
Influence de la Mécanique sur la Métallurgie : NON
3.4.2 Schéma type d’un fichier de commande Code_Aster
Pour résumer, voici les grandes étapes d’un calcul d’une opération de soudage dans Code_Aster :
1) On réalise un calcul thermique qui permet d’obtenir le champ de température en chaque nœud du maillage.
2)
Si le matériau considéré subit des transformations métallurgiques : on réalise en post
traitement du calcul thermique, le calcul métallurgique qui permet d’obtenir la proportion des différentes phases métallurgiques (et éventuellement la dureté associée) en chaque nœud du maillage.
3) A partir du champ de température et éventuellement des phases métallurgiques, on réalise le calcul mécanique en choisissant un modèle de comportement qui prend en compte
éventuellement les différents effets possibles des transformations métallurgiques. On obtient ainsi les champs de contraintes, de déformations et de variables internes en chaque point de
Gauss.
3.4.3 Restrictions de Code_Aster [5]
•
Calcul thermique
La résolution de l’équation de la chaleur en repère mobile par la commande
THER_NON_LINE_MO [U4.53.03] (utile pour caler la source de chaleur d’un calcul thermique
3D instationnaire) n’est disponible que dans le cas d’un trajet rectiligne de la source de chaleur, et pas dans le cas d’un trajet axisymétrique, comme lors du soudage de conduites cylindriques par exemple.
Il est actuellement impossible de définir une fonction de plus de deux variables avec
Code_Aster, alors que les sources de chaleur « classiques » (Gaussienne, double ellipsoide, source CIN) sont des densités de flux volumiques ou surfaciques, fonction de l’espace et du temps. Si la source est fonction du temps (a minima, excepté si le calcul est effectué en repère mobile), il ne reste plus qu’un seul paramètre d’espace disponible.
•
Calcul métallurgique
Le phénomène de revenu (qui a en particulier pour conséquence une diminution de la limite d’élasticité) des phases brutes de trempe n’est pas pris en compte. On peut éventuellement contourner ce problème. Si le nombre de phases formées au refroidissement permet de laisser des variables internes métallurgiques « libres », on peut alors assigner à ces variables internes des proportions de phases revenues et modéliser la cinétique de revenu en introduisant un
TRC fictif.
•
Calcul mécanique
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Il serait intéressant de développer, pour un matériau ne comportant qu’une seule phase métallurgique, les modèles équivalents à META_XXX_XXX (plusieurs phases). Cela oblige actuellement à réaliser un faux calcul métallurgique pour bénéficier de ces lois. Cela peut poser en 3D d’importants problèmes de temps de calculs et de capacité mémoire, pour peu qu’on utilise par exemple un modèle avec écrouissage cinématique (on stocke un tenseur comme variable interne pour chaque pas de calcul et pour chaque phase).
Manuel d'utilisation
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Fascicule u2.03 : Thermo-mécanique
