Simulation numérique du soudage - Acier 316L (validation sur cas tests de complexité croissante)

Ce travail vise à la prédiction par simulation numérique des distorsions et contraintes résiduelles générées par une opération de soudage. Le cas particulier du soudage TIG sur acier 316L est considéré. Afin d'étudier de façon progressive les difficultés de modélisation qui doivent être pris en compte dans le cadre de la simulation numérique du soudage, une étude à la fois expérimentale et numérique est effectuée sur différents types d'essais de complexité croissante, allant d'un cas test uniaxial jusqu'à un cas test entièrement tridimensionnel. En premier lieu, des tests unidimensionnels sont effectués sur des spécimens pour lesquels les champs de température et de contraintes sont macroscopiquement homogènes dans la zone d'étude. Ce type de tests, très utile en vue de valider différentes lois de comportement, permet en outre l'étude du comportement thermomécanique de l'acier lorsque celui-ci est soumis à des cycles thermiques similaires à ceux qui interviennent dans la Zone Affectée Thermiquement lors d'une opération de soudage. Après quoi, des tests qui mettent en jeu des gradients de températures et de contraintes sont effectués sur des structures bi-dimensionnelles axi-symétriques, afin d'étudier les effets de structure et les problèmes liés à la présence d'une zone fondue. Enfin, un test plus représentatif d'une véritable opération de soudage, faisant intervenir une source de chaleur mobile, intègre les effets tridimensionnels. Des simulations numériques, conformes aux essais réalisés, sont réalisés en parallèle avec le logiciel d'éléments finis code_Aster (EDF). L'analyse comparative entre résultats expérimentaux et numériques pour chaque type de test permet de juger de l'aptitude du code de calcul utilisé à prédire distorsions et contraintes résiduelles, et des analyses paramétriques permettent d'étudier la sensibilité des résultats aux données matériau, à la loi de comportement utilisée, ou encore à la modélisation de l'apport de chaleur.The aim of this study is the prediction with numerical simulation of residual stresses and distortions generated by the welding process. The special case of the TIG welding process on 316L steel is considered. In order to investigate phenomena and difficulties that must be taken into account for the numerical simulation of the welding process, a parallel experimental and numerical study is carried out on different kind of tests, of increasing complexity, from one dimensional to three-dimensional. As first step, one-dimensional tests are led on round bar specimen for which temperatures and stresses are macroscopically homogeneous in the studied zone. These tests investigate the thermo-mechanical behavior of the steel, when submitted to thermal cycles similar to those that occur in the Heat Affected Zone during welding. This kind of test is also very useful for the validation of different constitutive equations. As second step, axi-symmetrical tests are led on simplified structures in order to investigate the structure effect and problems due to the presence of a weld pool. Lastly, a test more representative of a real welding operation, which involves a moving heat source, integrates the three-dimensional effect. In parallel, numerical simulations are performed for each test, using the finite element code code_Aster (EDF). Comparative analysis between experimental and numerical results allows the assessment of the ability of the numerical code to predict residual stresses and distortions, and parametric analysis allow us to investigate the sensitivity of numerical results to material characteristic data, constitutive equation, or modeling of the heat input.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocST ETIENNE-ENISE (422182303) / SudocSudocFranceF

Numerical Simulations of Thermomechanical phenomena during TIG welding and experimental validation on analytical tests of increasing complexity

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Experimental and numerical simulation of thermomechanical phenomena during a TIG welding process

In this study, a parallel experimental and numerical simulation of phenomena that take place in the Heat Affected Zone during TIG welding on 316L stainless steel is presented. The aim of this study is to predict by numerical simulation residual stresses and distortions generated by the welding process. For the experiment, a very simple geometry with reduced dimensions is considered: the specimens are disks, made of 316L. The discs are heated in the central zone in order to reproduce thermo-mechanical cycles that take place in the HAZ during a TIG welding process. During and after thermal cycle, a large quantity of measurement is provided, and allows to compare the results of different numerical models used in the simulations. The comparative thermal and mechanical analysis allows to assess the general ability of the numerical models to describe the structural behavior. The importance of the heat input rate and material characteristics is also investigated