Simulation numérique d’une source de chaleur mobile par la méthode Element-Free Galerkin

Champagne, Olivier (2020). Simulation numérique d’une source de chaleur mobile par la méthode Element-Free Galerkin. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les applications impliquant des sources de chaleur mobiles, telles que le soudage, sont courantes dans l’industrie. Dans le but de contrôler et de maîtriser ces procédés, les ingénieurs ont recours à la simulation numérique et, la plupart du temps, c’est la méthode des éléments finis (MÉF) qui est utilisée. Toutefois, cette dernière possède plusieurs inconvénients principalement liés au maillage, qui est un concept clef de la MÉF. Une alternative de plus en plus envisageable pour surmonter ces inconvénients est l’utilisation des méthodes sans maillage (meshless methods). Relativement nouvelles, certaines connaissances techniques relatives à leur utilisation sont encore limitées.

Dans ce mémoire, un code de calcul basé sur la méthode sans maillage Element-Free Galerkin (EFG) a été développé pour résoudre un problème tridimensionnel de conduction impliquant une source de chaleur mobile en régime transitoire. Le code a ensuite été validé numériquement en comparant avec la MÉF et un logiciel commercial. Un excellent accord a été obtenu entre les résultats des différentes méthodes.

Par la suite, des essais expérimentaux de soudage MIG sur des échantillons d’aluminium 6061-T6 ont été effectués. Grâce à des thermocouples situés à différentes distances du cordon de soudure, le cycle thermique du procédé a été enregistré et comparé avec les résultats de la simulation. Il a été convenu que la méthode permet de bien prédire les températures maximales et le taux de refroidissement du procédé, malgré l’utilisation de propriétés de matériau constantes.

Finalement, une étude paramétrique a été menée pour déterminer les paramètres optimaux à utiliser, c’est-à-dire la taille et la forme des domaines de support, les différentes fonctions de pondération et la quantité de points de quadrature requise. Il a été conclu que l’utilisation d’un domaine en forme de sphère ou de brique (parallélépipède droit) avec un nombre de points de quadrature 10 fois plus élevé que le nombre de noeuds représentent un choix approprié.

Titre traduit

Simulation of a moving heat source using the Element-Free Galerkin method

Résumé traduit

Applications of moving heat sources, such as welding, are common in many industrial areas. In order to master these processes, numerical simulation is generally used. More often than not, it is the finite element method (FEM) that is used. But the FEM has multiple drawbacks related to the use of a mesh, which is a crucial concept of the method. An alternative becoming more attractive to overcome the inconvenience of the FEM is the use of meshless methods. Rather new, the knowledge related to some aspects of these methods is still limited.

In this master’s thesis, a computer code relying on the meshless Element-Free Galerkin (EFG) method was developed to solve an unsteady and three-dimensional conduction problem involving a moving heat source. The in-house code was then validated with the FEM and a commercial software. Good agreement was obtained between the results.

Next, experimental work was conducted, consisting of bead-on-plate MIG welds on 6061-T6 aluminum samples. Using four thermocouples located at various distances from the weld bead, the thermal curves were recorded and compared with numerical results. It was shown that the EFG method is able to correctly predict the peak temperatures and the cooling rates, despite the use of constant physical properties.

Lastly, a parametric study was conducted to determine the best parameters to use, i.e. the size and shape of the support domain, the weight functions and the required quantity of quadrature points. It was concluded that the sphere- or brick-shaped domain with a quantity of quadrature points ten times higher than the quantity of field nodes is a suitable choice.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par article présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 79-83).
Mots-clés libres:	source de chaleur, soudage MIG, validation expérimentale, méthode Element-Free Galerkin, méthode des éléments finis, domaine de support, fonction de pondération, points de quadrature
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Pham, Tan
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	27 juill. 2020 20:17
Dernière modification:	27 juill. 2020 20:17
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2514

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