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Étude expérimentale assistée par simulation numérique du formage par ligne de chauffe de l'acier inoxydable austénitique AISI 304L

Pradinc, Guillaume (2013). Étude expérimentale assistée par simulation numérique du formage par ligne de chauffe de l'acier inoxydable austénitique AISI 304L. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le formage par ligne de chauffe est un procédé industriel qui permet de plier, seulement par l’introduction de contraintes thermique le long d’une « ligne de chauffe », une plaque de métal. Plusieurs mécanismes peuvent être mis en jeu en fonction des dimensions de la plaque et des conditions de chauffe. Le travail présenté ici concerne le mécanisme dit de gradient thermique, mécanisme qui s’applique dans le cas où le diamètre de la source de chauffe est petit devant l’épaisseur de la plaque. La première partie du projet a consisté en la mise en place d’une procédure expérimentale permettant d’obtenir des données pour la validation de simulations par éléments finis qui ont été effectuées à l’aide du logiciel SYSWELD. Les mesures de déformations ont été réalisées au moyen d’un LVDT et des mesures du champ de température ont été effectuées à l’aide de thermocouples. Différentes sources thermiques ont été utilisées pour ce projet. Des expérimentations avec une flamme oxyacétylénique et l’induction électromagnétique ont pu être faîtes à l’ÉTS, puis un laser à fibre d’une puissance de 3kW a été fourni par le CTFA, à Montréal, qui est un centre de recherche spécialisé sur le développement de procédés de fabrication pour l’aéronautique. Le matériau choisi pour les échantillons est l’acier inoxydable austénitique AISI 304L car ses propriétés physiques et mécaniques favorisent les déformations thermiques et l’absence de transformation martensitique simplifie la modélisation.

Les sources de chauffe ont été modélisées par des sources gaussiennes surfaciques et volumiques de type coniques et double-ellipsoïde, ou par un flux de chaleur constant dans le cas du chauffage par induction. Les résultats présentent des écarts relatifs entre expérimentations et simulations inférieurs à 10% pour la température et 25% pour la déformation.

Les résultats de modélisation ont été suffisament concluants pour nous lancer dans un exercice de simulation du chauffage avec des sources de chaleur virtuelles que nous ne pouvons pas expérimenter en laboratoire soit faute de moyens financiers pour les acquérir, soit parce qu’elles n’existent pas encore sur le marché. Ces simulations suggèrent que des sources volumiques sont plus efficaces que les sources surfaciques pour obtenir une plus grande déformation sans dépasser la température de fusion.

Ces résultats ont ensuite servi de base pour une méthode dite « à double source » dont la simulation montre qu’il est possible de relâcher les tensions limitant la déformation et d’augmenter la déformation finale de la plaque par rapport à un système à une seule source.

Résumé traduit

Line heating forming is an industrial process that allows bending metal plate only by the introduction of thermal stresses along a heating line. Several mechanisms take part in the process depending on plate size and heating conditions. The present work deals with the so called “Temperature Gradient Mechanism”, which is dominant when the heat source diameter is smaller than the metal plate thickness. The first part of the project was to design an experimental procedure that allowed getting data to later validate numerical simulations that have been performed with the commercial software SYSWELD. The measurements of the deformations have been done thanks to a LVDT and measurements of the temperature field have been done using thermocouples. Different heating sources have been used for this project. At the ÉTS, a series of experiments using a torch fueled with an oxygen/acetylene mix in one hand and induction heating on the other hand has been performed. Then, a second series of tests have been done with a 3kW fiber laser at the AMTC, Montreal, which is a governmental research center, specialized in manufacturing processes for the aerospace industry.

The material that has been chosen for the samples is the AISI 304L stainless steel since its physical properties gives better deformations, and the fact that there is no martensitic transformation simplifies the modeling.

The heat sources have been modeled with Gaussian 2D and 3D conical and double-ellipsoid sources, or by a constant heat flux in the case of induction heating. The results show a difference of about 10% between simulated and measured temperatures, and about 25% for the deformation. Our knowledge of SYSWELD allowed us to carry out simulations with virtual heat sources that cannot be performed experimentally either because of the cost of these experiments, or because these sources cannot be reproduced in a laboratory yet. The results show that volume sources are more efficient than the 2D ones as they can build higher deformation at a lower temperature. These results have been then used in the simulation of the so-called “double sources” process. This process improves the final deformation that would be obtained with only one source.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique" Bibliographie : pages 93-96.
Mots-clés libres: Acier inoxydable austénitique. Travail des métaux. 304l, aisi, chauffe, gradient, ligne, SYSWELD, thermique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Pham, Tan
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Fihey, Jean-Luc
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 18 déc. 2013 16:11
Dernière modification: 10 mars 2017 20:54
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1248

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