Calcul des contraintes résiduelles dues au soudage par la méthode des éléments finis

Morin, Olivier (2006). Calcul des contraintes résiduelles dues au soudage par la méthode des éléments finis. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La présente étude a pour but de développer un outil informatique permettant de prédire le niveau de contrainte généré par le procédé de soudage «gaz metal arc-welding» (GMAW). La méthode des éléments finis a été choisie, et a été utilisée à l'aide du logiciel commercial Ansys®. La méthode du double ellipsoïde a été sélectionnée afin de simuler la source de chaleur, en utilisant un maillage composé d'éléments briques à huit noeuds dont la taille varie entre les différentes sections de la pièce. Des analyses de la convergence de la taille du maillage et des incréments de temps ont permis de déterminer les paramètres optimaux pour réaliser la simulation.

La première analyse présentée est celle du dépôt d'un cordon de soudure sur le dessus d'une plaque en acier au carbone simplement supportée. Une première simulation a été réalisée en modélisant seulement la plaque, sans le cordon de soudure. Cette analyse, une fois tous les paramètres de la simulation ajustés, a permis de valider la précision du modèle thermique en obtenant un écart moyen des températures maximales atteintes par les thermocouples de 6,3% par rapport à l'expérimentation. La comparaison des profils des contraintes résiduelles a également permis de constater la concordance entre la simulation et l'expérimentation. Une seconde simulation a été réalisée en ajoutant cette fois la modélisation du cordon de soudure, à l'aide de la méthode «birth and death». L'ajout du cordon de soudure a causé des problèmes au niveau de la taille du modèle à simuler: le nombre d'éléments a dû être diminué afin d'être en mesure de réaliser la simulation à l'intérieur d'un délai raisonnable. Encore une fois, les résultats numériques ont été similaires aux résultats expérimentaux.

La deuxième analyse consistait en la soudure de deux plaques avec préparation en «V» par deux passes de soudure. Tout comme l'analyse précédente, les résultats des températures sont très près de l'expérimentation, avec un écart maximal de 5%. Les profils de contrainte obtenus par la simulation sont similaires à l'expérimentation, mais les valeurs numériques divergent légèrement. Les conditions frontières appliquées semblent être la cause de cette divergence.

La réalisation de ces deux analyses a permis de constater que la simulation du modèle structural est très longue en raison des nombreuses non-linéarités du problème et de l'incrément de temps très court nécessaire à la précision des résultats. Il est donc conseillé de développer un modèle utilisant la méthode du remaillage, dont la particularité est d'avoir un maillage raffiné uniquement dans la région entourant la source de chaleur. C'est donc un maillage dynamique, dont la disposition varie en fonction du déplacement de la source de chaleur.

Titre traduit

Calculating residual stress due to welding by finite element analysis

Résumé traduit

This study strives to develop a computer tool capable of predicting the level of stress generated by "gas metal arc-welding" (GMAW). The finite element analysis was chosen and used with the commercial software Ansys®. The double-ellipsoid method was selected to simulate the heat source, using 8-node brick meshes with variable sizes at different sections of the part. The convergence analyses of the mesh size and time increments allow to determine optimal parameters for the simulation.

The first study case consists of depositing a weld head on the surface of a simply-supported carbon steel plate. A first simulation was done by modeling the plate without the weld head. Once all the simulation parameters were adjusted, this analysis gives the precision of the thermal model, with an average of maximum temperatures, of 6,3% in comparison with the experiment. Also, by comparing the residual-stress profiles, it was possible to ascertain the agreement between the simulation and the experiment. A second simulation was done with the addition this time of the weld-bead modelling, using the "birth-and-death" method. Adding the weld head generated problems in the size of the simulation model; the quantity of elements had to be decreased to accommodate the simulation within a reasonable time span. Once more, numerical results were similar to experimental results.

The second case consists of butt-welding two plates with a V-shape preparation and two weld passes. The simulated and experimental temperature results are close to each other by 5 %. Simulated stress profiles are similar to experimentation. However, numerical values are slightly different, probably due to uncertain boundary conditions applied.

The two analyses confirm that the simulation of the structural model with 3D solid elements is very long due to numerous nonlinearities of the problem and to a very short time increment which is essential to the precision of the results. It is therefore recommended to develop a model using the remeshing method, the particularity of which is a mesh refined only in the area surrounding the heat source, thus creating a dynamic mesh whose layout varies according to the movement of the heat 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". Bibliogr.: f. [146]-150. Chap. 1. Revue de la littérature -- Chap. 2. Modèle numérique -- Chap. 3. Programmation de la simulation -- Chap. 4. Analyse des différents modèles -- Chap. 5. Validation du modèle -- Chap. 6. Modélisation d'une soudure multipasse.
Mots-clés libres:	Calcul, Contrainte, Elementm Fini, Gaz, Gmaw, Informatique, Metal, Methode, Modele, Modelisation, Multipasse, Outil, Prediction, Programmation, Residuel, Soudage, Soudure, Validation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Champliaud, Henri
Codirecteur:	Codirecteur Lê, Van Ngan
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	18 mars 2011 16:25
Dernière modification:	04 nov. 2016 00:10
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/500

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