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Modélisation par la méthode des éléments finis des distorsion dues au soudage d'un joint en T

Kassab, Rabih Kamal (2007). Modélisation par la méthode des éléments finis des distorsion dues au soudage d'un joint en T. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans ce memoire, il s'agit de la modelisation du soudage d'un joint en T par la méthode des elements finis. Le but du modele est de prevoir les deformations et les contraintes residuelles associees au soudage des plaques. Le modele peut s'adapter pour ameliorer le procede du soudage en variant les parametres en jeu tels que la geometric du chanfrein, I'intensite du courant, le depot simultane des deux cordons, la vitesse de la torche, etc.

L'experimentation est faite sur deux plaques de 3/8 pouce d'epaisseur (9.5 mm) et de 10 pouces de longueur (254 mm). La largeur de la premiere plaque est de 10 pouces(254 mm) et celle de la deuxieme est de 6 pouces (152.4 mm), celle-ci est soudee perpendiculairement au centre de la premiere. La deuxieme plaque est faite avec un chanfrein de preparation de 'A pouce (6.35 mm) de hauteur et faisant un angle de 30 degres de chaque cote.

Pour avoir les parametres de soudage les plus precis possibles, le robot SCOMPI^ est utilisé pour la realisation des essais. Les parametres du soudage sont de 26,9 Volts, 220 Amperes et une vitesse d'avancement de 5 mm/seconde. L'efficacite du procede est estimee a 77 %. La simulation sert a predire numeriquement les temperatures, contraintes et déformations lors du soudage. La demarche de la modelisation est divisee en deux parties : la simulation thermique et la simulation structural.
La methode « birth and death » est utilisee pour la simulation du depot du metal d'apport, et le modele du double ellipsoide propose par Goldak, Chakravati et Bibby est utilisé pour I'apport de la chaleur.
Durant la simulation du depot du metal d'apport, une relation entre I'incrementation du temps et la taille des elements est faite. L'analyse transitoire est faite en fonction de la position de la torche plutot qu'en fonction du temps.

Les resultats thermiques de la simulation se comparent bien a ceux de I'experimentation. Une difference maximale de 1,5% a ete observee avec des temperatures comparables. Ces temperatures sont obtenues de thermocouples colles sur la plaque horizontale (THi). Les proprietes non lineaires du materiau en fonclion de la temperature sont utilisees.

Aussi, il y a une presentation d'une nouvelle fa^on pour le calcul du coefficient combine (radiation-convection) de perte de chaleur en fonction de la temperature. Les ecarts structuraux varient de 6.6 % pour la contrainte principale et jusqu'a 32.9 % pour le deplacement du cote de la deuxieme passe. L'écart sur les deplacements est surtout lié a l'incertitude de la rigidite du gabarit.

Le modele numerique reflete bien la realite. La facilite de varier ces parametres geometriques. thermiques et structuraux le rend flexible pour simuler plusieurs soudages de joints similaires.

Une amelioration du controle des conditions frontieres et d'autres de modeles de source de chaleur sera utile pour des travaux futurs.

Titre traduit

Finite element modeling of the distortions in a welded T joint

Résumé traduit

This thesis study the modeling of the welding of a T joint using the finite element method.

The goal of the model is to predict the deformations, distortions and residual stresses due to the welding of the plates. The validation of the model will make of it a good model to improve the welding process by varying its parameters such as the geometry of the assembly, the intensity of the current, the simultaneous deposit of the two beads, the torch's speed, etc.

The set-up is made of two 3/8 inch (9.5 mm) thick plates 10 inches (254 mm) long. The width of the plates is 10 inches (254 mm) and 6 inches (152.4 mm) respectively. The second plate is welded perpendicularly and along the center of the first. The second plate has a chamfer of 3/4 inch (6.35 mm) height at an angle of 30 degrees on both sides.

For optimum control of the weld's parameters, a robot (SCOMPI) is used to do the welding. The parameters of the welding are 26.9 Volts and 220 Amps with a torch speed of 5 mm/second. The efficiency of the process is estimated at n = 77%.

The modeling is divided into two parts that are the thermal problem and the structural problem.

The simulation uses the method of "birth and death" to simulate the deposition of the weld metal and the heat source is approximated by the double ellipsoid proposed by Goldak, Chakravati and Bibby.

During the simulation of the deposit of the weld metal, a relation between the time increment and the size of the elements is established. Time is calculated according to the torch position and the position is determined according to the finite element meshing. Temperature dependent nonlinear material properties are taken into consideration.

Also a novel presentation to calculate the temperature dependent combined coefficient of heat loss is introduced.

The thermal results compare well comparable with the experimentation. A maximum of difference of 1.5% was observed between the thermocouples and the predicted temperatures.

The structural differences vary from 6.6% for the first principal stress up to 31.9% for the maximum displacement of the second weld side edge. The difference between the displacements is mostly related to the uncertainty regarding the rigidity of fixture holding the plates.

The numerical model was proven very effective in representing the temperatures and the stresses during welding T joints. The facility to vary the geometrical, thermal and structural parameters makes it flexible to adequately simulate the welding of several similar joints.

Improving boundary conditions control and heat source models will help simulating similar models.

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". Bibliogr. : f. [141]-144.
Mots-clés libres: contrainte, deformation, distorsion, element, fini, joint, methode, modele, modelisation, plaque, residuel, simulation, soudage
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Champliaud, Henri
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Lê, Van Ngan
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 03 août 2010 12:52
Dernière modification: 30 nov. 2016 21:56
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/231

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