Simulation numérique du soudage de grandes structures par une approche locale/globale

Numerical simulation of welding of large structures using a local/global approach

¹ Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes, UMR 5513 CNRS/ECL/ENISE, École Nationale d'Ingénieurs de Saint-Étienne, 58 rue Jean Parot, 42023 Saint-Étienne Cedex 2, France
² ESI Group, Le Récamier, 70 rue Robert, 69458 Lyon Cedex 06, France
³ LMM UMR 7607 CNRS/Université Paris VI, Tour 65-55, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05, France

Auteur de correspondance : yong-gang.duan@enise.fr

Reçu : 25 Mai 2007
Accepté : 24 Janvier 2008

Résumé

Le soudage est une des techniques d'assemblage les plus utilisées dans les secteurs de l'aéronautique, de l'automobile et de la construction navale. Un des principaux enjeux industriels est de limiter l'utilisation des outils de bridage de façon à réduire le coût et faciliter l'automatisation des lignes d'assemblage. Une façon de répondre à cette demande est de chercher à optimiser le procédé de soudage et la séquence de soudage. Cependant, l'optimisation expérimentale nécessite la mise en place de prototypes et de mesures coûteuses qui limitent le nombre de solutions pouvant être étudiées. La simulation par éléments-finis peut être utilisée à cette fin, cependant elle est rendue difficile car, d'une part, elle met en jeu des phénomènes physiques complexes et, d'autre part, alors que des modèles locaux de la soudure sont généralement suffisants pour prédire les contraintes résiduelles, des modèles globaux sont nécessaires pour évaluer les distorsions. Une approche locale/globale [Ph. Mourgue et al., Proc. of EUROPAM'2000, 10th Int. Conf. and Exhibition on Virtual Prototyping by Numerical Simulation, Nantes, France, 2000., p. 9] a ainsi été développée pour déterminer les distorsions résiduelles de soudage des structures de taille importante. Cette méthode consiste à calculer les déformations plastiques sur un modèle local et à les projeter ensuite sur un modèle global. Les distorsions dues au soudage sont alors obtenues par une simple analyse élastique. Dans cet article, le principe de l'approche locale/globale est tout d'abord présenté. On s'intéresse ensuite à la définition du modèle local en terme de taille et de conditions aux limites à lui appliquer.

Abstract

Welding technology is one of the main joining techniques used in industry for parts assembly in aeronautics, automobiles and ships. One major industrial concern is to limit the use of clamping tools to reduce the cost and facilitate the automation of assembly lines. Optimization of the welding sequence and process is one way to reach this goal. However, experimental optimization requires prototyping and measurements which are extremely expensive and time consuming and finally, very few solutions can be used. Finite-element simulations can be used in that aim but the difficulty is, on one hand, that welding processes involve complex physical phenomena and, on the other hand, that where local models are sufficient to predict stresses, only global 3D models can correctly evaluate distortions. A local/global approach [Ph. Mourgue et al., Proc. of EUROPAM'2000, 10th Int. Conf. and Exhibition on Virtual Prototyping by Numerical Simulation, Nantes, France, 2000., p. 9] has thus been developed to determine the welding residual distortions of large structures. This method consists in calculating the plastic strains on a local model and projecting them to a global model. The distortions due to welding are then obtained through a simple elastic analysis. In this article, the principle of the local/global approach is presented firstly. The definition of the local model is studied then in terms of the size of model and applied boundary conditions.