Analyse par éléments finis du sertissage de capsules d'étanchéité

Des capsules métalliques, avec joint intégré, sont couramment utilisées dans l'industrie alimentaire pour assurer l'étanchéité des bouteilles de verre par sertissage. La performance de l'assemblage est mesurée par la pression de fuite. Dans cette thèse, la simulation par éléments finis du sertissage d'une capsule sur une bouteille de verre est réalisée pour obtenir la distribution des forces exercées sur le joint en fonction de la pression interne. La simulation du sertissage est réalisée à l'aide du logiciel de calcul par éléments finis Ansys®. L'analyse tridimensionnelle tient compte du comportement élasto-plastique de la capsule métallique, du comportement hyperélastique du joint polymère, et des phénomènes de contact entre les outillages rigides et la capsule. Des mesures réalisées en laboratoire pour caractériser le comportement du joint en fonction de la pression de fuite ont été combinées aux résultats numériques de la simulation pour prédire la pression de fuite d'un assemblage donné. La comparaison entre la géométrie finale de l'assemblage serti et la simulation est très acceptable. De plus la prédiction de la pression de fuite d'un assemblage est d'un accord raisonnable avec l'expérimentation

Investigation of pressing process forlarge and thick blades of Francis turbines

Hot pressing process is very popular for thin plates in metal forming, such as in automotive construction. However, the process mechanism for very thick plates of high strength steel at hot temperature needs to be investigated. The process is characterized by thermo-mechanical behaviors, three-dimensional unsteady deformation and high nonlinearity. In this paper, the model of the process for manufacturing large and thick blades of Francis turbine is proposed. The process analysis is based on finite element method under ANSYS/LS-DYNA platform to get better understanding of the process. The whole process consists of the pressing forming of a blade from a flat blank, the springback after the forming and the cooling of the blade from hot temperature to room temperature. Investigation of the stress evolution is performed

Through-Thickness Residual Stresses, Microstructure, and Mechanical Properties of Electron Beam-Welded CA6NM Martensitic Stainless Steel after Postweld Heat Treatment

In this study, the integrity of electron beam- (EB-) welded CA6NM—a grade of 13% Cr-4% Ni martensitic stainless steel—was assessed through the entire joint thickness of 90 mm after postweld heat treatment (PWHT). The joints were characterized by examining the microstructure, residual stresses, global mechanical properties (static tensile, Charpy impact, and bend), and local properties (yield strength and strain at fracture) in the metallurgically modified regions of the EB welds. The applied PWHT tempered the "fresh" martensite present in the microstructure after welding, which reduced sufficiently the hardness (<280 HV) and residual stresses (<100 MPa) to meet the requirements for hydroelectric turbine assemblies. Also, the properties of the EB joints after PWHT passed the minimum acceptance criteria specified in ASME sections VIII and IX. Specifically, measurement of the global tensile properties indicated that the tensile strengths of the EB welds in the transverse and longitudinal directions were on the same order as that of the base metal (BM). Evaluation of the local tensile properties using a digital image correlation (DIC) methodology showed higher local yield strengths in the fusion zone (FZ) and heat-affected zone (HAZ) of 727 MPa and 740 MPa, respectively, relative to the BM value of 663 MPa. Also, the average impact energies for the FZ and HAZ were 63 J and 148 J, respectively, and attributed to the different failure mechanisms in the HAZ (dimples) versus the FZ (quasi-cleavage consisting of facets and dimples). This study shows that the application of PWHT plays an important role in improving the weld quality and performance of EB-welded CA6NM and provides the essential data for validating the design and manufacturing process for next-generation hydroelectric turbine products

Méthodologie pour la sélection d'éléments mécaniques complexes

La complexité d'un système mécanique soumis à des chargements séquentiels provoquant des déformations plastiques entraîne de grandes difficultés de conception. Ces difficultés, sous réserve de fournir un évaluation précise des énergies à dissiper pour chacun de ces chargements, peuvent être surmontées en trois temps par: 1) la définition d'une fonction objectif, 2) l'identification des variables et des liaisons du problème, et 3) l'adaptation d'un système informatisé, en l'occurrence le programme DMNC conçu à cet effet, qui utilise les résultats des calculs sur la fonction objectif, séquence après séquence, pour sélectionner les paramètres de conception adéquats. Le programme tient compte de l'évolution de la géométrie et de conditions difficiles ou impossibles à traiter sous forme de liaisons numériques. Dans ce mémoire, on se propose d'appliquer cette méthodologie à la conception d'une structure de protection (ROPS) pour tracteur agricole ou industriel subissant un renversement latéral. Le programme DMNC utilise l'information de base d'une conception initiale de la structure de protection pour bâtir un modèle par éléments finis. Ce modèle est ensuite soumis à une séquence de chargements qui simule l'historique de la série d'impacts encaissés au cours du renversement latéral. Le rôle de cette simulation est de faire absorber à la structure une quantité d'énergie donnée sous forme de déformation permanente. Au cours du processus de chargement, la matrice de rigidité de la structure est constamment remise à jour pour tenir compte des grands déplacements et les paramètres de conception sont modifiés jusqu'à ce que l'objectif "énergie absorbée" soit atteint. Le programme DMNC donne alors, pour une distribution d'énergie à absorber fournie par l'utilisateur, les paramètres de conception de la structure de protection. Il faut maintenant noter trois remarques importantes: 1°) il n'est pas présenté ici de méthode pour évaluer la distribution d'énergie réelle à absorber par impact du fait de la grande difficulté que représente son estimation, 2°) cette estimation dépasse le cadre de ce mémoire, et 3°) la distribution d'énergie utilisée pour présenter le programme DMNC n'est pas représentative d'un cas réel de renversement latéral, ce qui implique que les paramètres de conception déterminés, liés à cette distribution, n'ont pas de signification physique réelle

Facteur de sécurité des structures de poutres colonnes basé sur l'analyse du flambage linéaire par éléments finis

Malgré que le phénomène de flambage soit hautement non linéaire, la théorie du flambage linéaire demeure très appliquée dans les calculs de structures grâce à la rapidité de calcul par formules explicites des structures simples ou par des méthodes robustes de résolution des valeurs propres et vecteurs propres des systèmes d’équations des structures complexes. L’analyse du flambage linéaire par éléments finis donne rapidement le facteur multiplicateur de charge pour rendre la structure flambée. Ce facteur peut être considéré comme le facteur de sécurité si la région flambée est assez élancée pour se comporter élastiquement jusqu’à la charge de flambage. Cependant, cette interprétation peut devenir dangereuse si la région flambée n’est pas assez élancée. Le présent travail propose une procédure visant à sensibiliser les ingénieurs sur l’interprétation des résultats de l’analyse du flambage linéaire par éléments finis pour déterminer le facteur de sécurité juste des structures de poutres-colonnes, que ce soit très élancée ou très peu élancée. La procédure peut être résumée en quatre étapes suivantes : (1) Faire une statique élastique avec une charge réelle et déterminer les contraintes moyennes dans toutes les sections; (2) Faire une analyse de flambage linéaire pour identifier la région flambée et déterminer le facteur « f », multiplicateur de charge selon la théorie du flambage linéaire; (3) Retourner aux résultats de l’étape 1 et déterminer la contrainte critique de flambage élastique, ScrE, en multipliant la contrainte moyenne dans la région flambée par le facteur f; (4) Si la contrainte ScrE est suffisamment basse on peut accepter f comme facteur de sécurité de la structure, sinon il faut faire une correction du facteur de sécurité pour tenir compte de la déformation plastique engendrée par la flexion des poutres-colonnes. Le présent travail propose une formule de correction assez simple pour déterminer le facteur de sécurité des structures de poutres-colonnes. Cette formule est simple d’utilisation, conservatrice et raisonnablement justifiée en comparant avec les résultats des analyses des mêmes structures en considérant la non-linéarité due à la plasticité du matériau

SIMULATION OF A THREE-STAGE PROCESS FOR FORMING A CLOSED CONE FROM A PLATE

ABSTRACT High geometrical quality of bent cones is required in assembling several cone segments into a crown of Francis turbines. Although closed cones were successfully obtained using pyramidal three-roll conical bending machines with cylindrical rolls which is more adaptive and less expensive, the zones close to the leading and trailing edges of the plate never pass under the inner roll and remain planar. For the purpose of obtaining high geometrical quality, a three-stage process is proposed to obtain a jointed cone with no planar zones. The planar zones resulted from the first stage of the conical bending is eliminated after the repassing of the bent cone in the bending machine with the leading and trailing edges jointed together by forces. Numerical simulations with commercial software ANSYS/LS-DYNA in explicit scheme and ANSYS in implicit scheme are performed and bent cones with improved qualities are obtained

Effect of Intermediate Path on Post-Wrinkle Initiation of the Multi-Pass Metal Spinning Process: Analysis in the Rotating Reference Frame

The metal spinning process has been observed in recent major investigations carried out using finite element analysis. One interesting idea has proposed simulating a rotating disc for the simulation of the metal spinning process to reduce computational time. The development of this concept is presented in this paper, including the formal mathematical transformation from the inertial frame to the rotating reference frame, specific FEM configurations with mesh sizes based on a minimized aspect ratio, a mesh convergence study, and the application of a feed rate scale. Furthermore, in the context of the rotating reference frame, the flange geometry after wrinkle initiation is investigated, including the number of peaks and their amplitudes. Using this new approach, it was found that the number of peaks gradually increases from two to eight peaks while their amplitude decreases. In the case of severe wrinkles, the number of peaks stays at four while the amplitude increases dramatically. The intermediate path proves capable of increasing the number of peaks while maintaining a low amplitude. These results will make it possible to design new paths, facilitating the production of defect-free spun parts

Prediction of heat transfer coefficient during quenching of large size forged blocks using modeling and experimental validation

In this study, a new method is developed to predict an accurate convective heat transfer coefficient (HTC) during quenching of large size steel blocks, using a combination of 3D Finite Element (FEM) simulations and a progressive artificial neural network (ANN).The HTC profile of the first inputs used for FEM simulations were acquired from the literature to calculate the cooling temperature profiles at specific locations. The training of the ANN was set up between HTCs and their corresponding FEM-calculated temperature. Experimental validation was carried out by instrumenting a large size forged steel block during the quench process. The experimental cooling curves were used for validation of the FEM simulation, as well as for the prediction of new HTCs by simulating the ANN. Results show that the proposed method provides progressively more accurate predictions than the existing ones reported in the literature.A mean absolute percentage error (MAPE) of 1.47% was found between experimental and calculated cooling curves for the predicted HTC, further demonstrating a better prediction ability of the proposed method. Keywords: Heat transfer coefficient of steel quenching large forged blocks, FEM simulation, Artificial Neural Network, TTT, Phase transformatio

Grain size and temperature evolutions during linear friction welding of Ni-base superalloy Waspaloy: Simulations and experimental validations

This research study was aimed at investigating the influence of linear friction welding parameters on grain size alteration and temperature distribution of Ni-base superalloy Waspaloy. A 3D finite element model was developed to predict average grain size and peak temperature as responses. The linear friction welding parameters consisted of oscillation amplitude, oscillation frequency, and applied pressure. Initially, the evolution of the average grain size as a function of the most influential process parameters was subsequently modeled based on the Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov recrystallization model and were then validated with experimental results. Then, D-optimal design of experiments and analysis of variance were conducted to determine the most influential process parameters that affect the average grain size and peak temperature of the welded joint. Thereafter, response surface method was employed to obtain the regression models of the responses. The analysis of variance demonstrated that the P-value of the regression models was smaller than 5% and R2, Radj2, and RPred2 were between 87% and 97%, which showed that the predictive regression models of PT and AGS can be used with a high level of confidence. The regression models were then validated by selecting two extra LFW tests in the space of the DoE. The optimum values of the welding parameters were determined to minimize the responses. The multi-criteria optimization analysis showed that both average grain size and peak temperature were more dependent on pressure than oscillation amplitude and frequency. The developed finite element and regression models can be utilized as a predictive tool for the design of joining industrial components, which minimize expensive and time-consuming experimental tests and measurements