Thermo-mechanical modelling for the opening of electron-beam welded joints

Paper No. PVP2006-ICPVT-11-93108, pp. 73-79; 7 pagesdoi:10.1115/PVP2006-ICPVT-11-93108ASME 2006 Pressure Vessels and Piping/ICPVT-11 ConferenceVolume 4: Fluid Structure Interaction, Parts A and BConference Sponsors: Pressure Vessels and Piping DivisionISBN: 0-7918-4755-1 | eISBN: 0-7918-3782-3International audienceThe aim of this study is to estimate residual stresses and distortions during the assembly of dissimilar metallic materials welded by Electron Beam Welding (EBW) technique. This work is motivated by a new welding procedure for the manufacture of large speed reduction gear. The gear consists of a central hub of S275 J2G3 steel and a toothed wheel of 32CrMoV13 steel, chosen for its high fatigue performances. Preliminary experimental welding tests have shown the opening of the joint plane during the circular welding of the gear leading to lack-of-fusion defects. To improve the joining technique, a thermomechanical model has been developed to predict the opening of the joint plane during welding. A two-dimensional finite element model has been applied on a simplified geometry of smaller size. The opening of the joint plane has been modelled by two different ways, the first one uses activation / deactivation elements and the second one uses specific contact elements. Both techniques have shown similar displacements. The assumptions of plane stress or generalized plane strain are discussed. Numerical results obtained with similar metals with or without metallurgical transformations are presented. Calculations carried out with dissimilar metals are compared with experiments in terms of fusion zone size and displacements

Determination of brazed joint constitutive law by inverse method

An important parameter often neglected for the calculation of residual stresses in brazed ceramic/metal assemblies is the joint constitutive law. In situ camber measurements on a model system (axisymmetric TZM/InCuSil ABA/316L samples) performed using a special vertical dilatometer during the whole brazing thermal cycle are compared with results of FEM calculations based on published filler metal constitutive laws. A strong disagreement is observed. Actual constitutive law of the joint is determined from these measurements using a numerical inverse method. Calculated displacements are fully consistent with experimental ones. True solidification temperature of the joint is determined. The identified constitutive law of the joint exhibits a low flow stress from solidification temperature to 320°C

Étude expérimentale, théorique et numérique de l'élasticité de composites chaux-chanvre

Le béton de chanvre est un matériau de construction qui présente l’avantage d’être performant pour ses propriétés thermiques lors de son utilisation, et sur le plan environnemental dans la globalité de son cycle de vie. Ses propriétés mécaniques, quant à elles, diffèrent à bien des égards des matériaux traditionnels de construction. Cette étude présente l’effet des inclusions végétales sur les modules d'élasticité de composites chaux-chanvre. Des approches théoriques et numériques sont confrontées aux résultats expérimentaux obtenus pour des pâtes de chaux avec des concentrations volumiques de chènevotte allant de 0 à 35%. Les modules d'élasticité sont déterminés par des essais de compression : les allongements axial et circonférentiel sont mesurés par un outil spécialement développé pour ce type de matériau. Sur le plan numérique, les simulations effectuées par éléments finis en 3D s'intéressent au comportement mécanique d’une matrice comportant des inclusions sphériques disposées selon plusieurs configurations (périodiques ou aléatoires). La surestimation des prédictions numériques vis-à-vis des observations expérimentales est attribuée à la non prise en compte de l’ensemble de la porosité du matériau dans les simulations. La dernière partie de l’étude propose des solutions théoriques déduites des méthodes d’homogénéisation classiques (Mori-Tanaka, auto-cohérent et Hashin-Shtrikman). La cohérence des résultats obtenus valide l’application des théories utilisées aux composites chaux–chanvres étudiés

Estimation de contraintes résiduelles par la méthode du contour : application au soudage multipasse

Les procédés de soudage sont l'un des moyens d'assemblage les plus utilisés dans la construction navale. Pour des pièces de fortes épaisseurs, les joints soudés nécessitent plusieurs étapes successives (soudage multipasse) engendrant ainsi des contraintes et des déformations résiduelles. Dans cette étude deux méthodes de mesure de contraintes résiduelles (méthode du contour et méthode du trou profond) ont été appliquées sur un joint d'angle en Té en acier à haute limite d'élasticité

Identification des paramètres d'une loi de comportement élastoplastique par indentation continue sphérique

Nous proposons une étude numérique et expérimentale de l'indentation instrumentée sphérique. L'étude numérique nous a permis de suivre l'évolution d'un certain nombre de grandeurs pouvant être déduites d'une courbe d'indentation. Pour chacune de ces grandeurs, un modèle a été déterminé pour deux lois de comportement, l'étude de ces modèles a conduit à la proposition d'une démarche de caractérisation des matériaux. L'étude expérimentale nous a permis de déterminer l'enfoncement de l'indenteur dans le matériau à partir du déplacement mesuré de l'indenteur sans aucune calibration empirique. Nous présentons de plus les résultats expérimentaux issus de l'identification des paramètres de deux lois de comportement

Analyse statistique par calculs EF de la transition d'échelle dans les polycristaux hexagonaux

Dans la démarche auto-cohérente classique où chaque phase est en interaction directe avec le milieu homogène équivalent, de nombreuses règles de transition d'échelle ont été proposées. L'absence de solutions exactes pour un comportement élastoviscoplastique pose la question de leur validité, surtout si l'anisotropie est marquée. Nous proposons une démarche statistique, fondée sur des calculs EF d'agrégats, permettant de construire une solution numérique « de référence» des champs moyens dans différentes phases. Ces résultats sont confrontés à différentes règles de transition

Modélisation micromécanique du comportement de composites thermoplastiques élastomères à martice polypropylène

L objectif de cette étude est la caractérisation expérimentale et la modélisation du comportement mécanique de composites thermoplastiques élastomères (TPEs). Ils sont constitués d une matrice en polypropylène isotactique (PP) et de particules d élastomère recyclées en propylène diène monomère (EPDM). Le diamètre moyen de cellesci est de 67µm. La loi de comportement des composites est construite à partir du comportement mécanique de chacune des phases et d une démarche d homogénéisation. Le comportement mécanique de la matrice est analysé grâce à des essais de charge / décharge à différentes vitesses de déformation, ainsi qu à l aide d essais intégrant des phases de relaxation et de recouvrance. Le PP est modélisé par une loi élastoviscoplastique. En analysant les propriétés élastiques des TPEs, un modèle micromécanique de type autocohérent généralisé a été retenu

Approches multiechelles pour la previson du comportement anelastique des metaux

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Comportement mécanique de composites mortier-polymère

L'objectif de ce travail était d'apporter une meilleure compréhension de l'influence des latex sur les propriétés mécaniques des mortiers. Par ailleurs, nous avons modélisé leur comportement afin de réaliser des simulations numériques d'un "essai-métier". Pour cela, nous avons tout d'abord élaboré des composites mortier-styrène butadiène avec un rapport massique polymère sur ciment variant de 0 à 15 %, tout en contrôlant l'effet entraîneur d'air du latex et l'hydratation du ciment. Nous souhaitons obtenir des matériaux présentant peu de différences vis-à-vis de ces deux paramètres. Nous avons ensuite réalisé des analyses sur les pâtes à l'état frais (air occlus, temps de prise, conductivité électrique) comme à l'état durci (DRX, spectroscopie infrarouge, porosimétrie au mercure) afin de vérifier si leurs phases minérales étaient effectivement de même nature. Nous avons également étudié la façon dont les phases polymère et minérale étaient agencées. La caractérisation mécanique des matériaux a été réalisée à partir d'essais de compression uniaxiale et de flexion trois points. Nous avons montré en particulier que la percolation de la phase polymère en un réseau continu améliore la résistance mécanique des composites en flexion trois points. Le comportement endommageable des composites est décrit à l'aide d'un modèle développé par Dragon (A.) et Halm (D.). Ce modèle s'est avéré pertinent pour décrire le comportement mécanique de nos matériaux. Finalement, il a été appliqué avec succès à la simulation d'un "essai-métier". Ce travail offre une meilleure compréhension de l'influence des latex sur les propriétés mécaniques des composites mortie-polymère. De plus, les nombreuses analyses microstructurales réalisées apportent des résultats complémentaires sur l'influence de ces additifs sur : l'hydratation du ciment, la porosité, et l'agencement du polymère au sein de la phase minérale.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Fissuration à chaud en soudage d'un acier inoxydable austénitique

L'apparition du phénomène de fissuration à chaud en cours de soudage est liée particulièrement à la composition des nuances utilisées et à l'intensité des déformations locales de retrait. L objet de cette thèse est de mieux appréhender les mécanismes impliqués et d'aboutir à un critère thermomécanique local de fissuration à chaud. L exemple étudié est celui d'un matériau particulièrement fissurant : un acier inoxydable stabilisé au titane (X10CrNiTi18-12, AISI 321). Deux essais de soudabilité sont considérés pour forcer l'apparition de la fissuration du matériau dans deux configurations distinctes : - le premier consiste simplement a réaliser une ligne de fusion débouchante par procédé TIG sur une tôle fine. En cas d'apparition du défaut, la fissure est longitudinale et suit l'arrière du bain de fusion. L influence des conditions opératoires (flux de chaleur, vitesse de soudage, largeur de l'éprouvette) est étudiée. - le second est l'essai Varestraint. Il est largement utilisé pour évaluer la sensibilité d'un matériau à la fissuration à chaud. Il consiste en pratique à solliciter le matériau par pliage au cours d'une ligne de fusion par procédé TIG puis a caractériser la quantité de défauts obtenus (longueur, nombre). Différentes méthodes d'instrumentation thermique et mécanique ont été utilisées au cours de cette thèse. Les possibilités d'instrumentation locale étant limitées en raison du passage par la fusion, les résultats expérimentaux sont complétés par une simulation numérique des conditions thermomécaniques des essais à l'aide du code éléments finis ABAQUS. Dans un premier temps, pour établir la simulation thermique, une méthode inverse est mise en place de manière a optimiser le mode de dépôt d'énergie en soudage dans le calcul. Ensuite, une simulation mécanique réaliste des essais, a la fois a l'échelle de l'éprouvette et a l'échelle plus locale, dans la zone de fissuration, demande d'employer une loi de comportement adaptée dans un large domaine de température allant de l'ambiante jusqu'a la température de fusion. Pour cela, une campagne de caractérisation mécanique est réalisée en sélectionnant des valeurs de déformation et de vitesses de déformation représentatives de ce que subit le matériau durant ces essais. Les résultats obtenus proviennent d'essais mécaniques de traction, compression et traction-compression et permettent d'aboutir a l'écriture d'une loi de comportement de type élasto-viscoplastique sur une plage de température étendue jusqu'au liquidus. Une fois validée, la simulation thermomécanique permet d'interpréter les observations et les résultats d'instrumentation. La comparaison des résultats expérimentaux et numériques permet d'établir un critère thermomécanique de fissuration lors de la solidification : des seuils de déformation et de vitesses de déformation, un domaine de température, une direction de déformation principale.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF