Weld pool shape identification by using Bezier surfaces

International audienceThis paper deals with the heat transfer analysis in a welding process: A method is developed to determine the shape of the three-dimensional (3-D) phase change front and to estimate the temperature field within the solid part of the work piece. The problem is formulated and solved as an inverse phase-change problem by using an optimization method. The direct problem is solved in the torch frame and so formulated as an Eulerian approach. The interface between the weld pool and the solid region is parameterized by Bezier surfaces. The most important feature of the presented approach is that the liquid–solid interface as well as the temperature distribution within the solid region can be obtained from additional temperature data available in the solid region, without considering heat transfer and fluid flow in a molten zone. The estimate of these thermal characteristics then allows a thermomechanical calculation of the welded joint (calculation of the deformations and residual stresses). The validity of the numerical solution of the inverse problem is checked by comparing the results with the direct solution of the problem

Homogénéisation et prise en compte des effets de bords : Application à la thermique.

Ce travail concerne la modélisation multi-échelle de la conduction dans les matériaux composites à microstructure périodique. La méthode des développements asymptotiques est utilisée pour déterminer la conductivité homogénéisée et formuler les problèmes de couche limite pour corriger la solution au voisinage des bords, sur la base des travaux d'H. Dumontet en élasticité. Des exemples numériques avec la méthode des éléments finis seront présentés

Transferts de chaleur dans un écoulement stationnaire de polymère fondu dans une filière d'extrusion

Il est reconnu que dans certaines conditions, le dégagement de chaleur résultant de la dissipation visqueuse au sein d'un écoulement de polymère fondu est la source d'une hétérogénéité de température au sein du fluide. Les écoulements dans les filières d'extrusion ou dans les canaux d'injection de polymères thermoplastiques de viscosité élevée rentrent dans ce cadre (forte dissipation au voisinage des parois métalliques. L'objectif de ce travail est de développer des outils d'analyse thermique à la fois sur le plan expérimental et numérique qui permettent de reconstruire les cartes de températures dans l'ensemble de la veine d'écoulement. Nous avons donc conçu une filière d'extrusion plate, instrumentée sur sa longueur de capteurs de température, placés suffisamment proche de l'écoulement pour qu'ils soient sensibles à la dissipation visqueuse. Une fois les températures acquises, elles restent des mesures indirectes et un traitement spécifique doit être envisagé pour en déduire le profil de température d'entrée de l'écoulement (en conséquence les températures dans tout le domaine. Nous avons donc développé une méthode d'estimation de ce profil d'entrée, construite sur des techniques classiques de résolution de problèmes inverses. Elle consiste à comparer les températures mesurées à celles calculées numériquement avec un outil de simulation et à corriger le profil de température d'entrée du modèle numérique jusqu'à la parfaite concordance des températures aux points de mesure. L'originalité de cette étude vient du fait que les transferts de chaleur considérés dans la résolution du problème inverse, portent simultanément sur les transferts conductifs et convectifs au sein de la filière, et que le modèle retenu intègre les équations de Navier-Stokes. Les premiers résultats expérimentaux mettent en évidence l'importance effective de la dissipation visqueuse sur le caractère isotherme de l'écoulement et ouvrent des voies prometteuses, notamment sur l'amélioration des approches thermiques en rhéométrie.It is recognized that under certain conditions, the release of heat resulting from viscous dissipation within a polymer flow is the source of heterogeneity of temperature within the fluid. The flows in the extrusion dies or the channels of thermoplastic polymer injection of high viscosity return within this framework (high dissipation near the metal walls). The objective of this work is to develop tools for thermal analysis at the same time on the level experimental and numerical, which make it possible to rebuild the charts of temperatures in the whole of the vein of flow. We thus designed an extrusion die, instrumented over its length of thermocouples, placed sufficiently near to the flow so that they are sensitive to viscous dissipation. Once the acquired temperatures, they remains indirect measurements and a specific treatment must be planned to deduce the profile from it from inlet temperature of the flow (and by consequence temperatures in all the field). We thus developed a method to estimate this profile of entry, built on traditional techniques of inverse problems. It consists in comparing the temperatures measured with those calculated numerically with a tool for simulation and correcting the inlet temperature profile of the numerical model until the perfect agreement of the temperatures at the measurement points. The originality of this study comes owing to the fact that the heat transfers considered in the resolution of the inverse problem, relate simultaneously to the conductive and convective transfer within the die and the model selected integrates the Navier-Stokes equations. The first experimental results highlight the effective importance of viscous dissipation on the character anisotherme of the flow and open promising ways, in particular on the improvement of the thermal approaches in rheometry.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

Modèle de source de chaleur pour la simulation du soudage avec et sans apport de matière

NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocNANTES-BU Technologie (441092105) / SudocSudocFranceF

Propriétés thermiques de matériaux composites (caractérisation expérimentale et approche microstructurale)

Les simulations thermiques sur des structures aéronautiques nécessitent de nombreux paramètres d entrée parmi lesquels les propriétés thermo-physiques des matériaux composites. La connaissance de leurs propriétés thermiques supposées homogénéisées à l échelle considérée (tenseur de conductivité thermique et chaleur spécifique), ainsi que les incertitudes liées à leurs estimations sont une nécessité de premier ordre. Les objectifs de la thèse reposent donc d une part sur leurs mesures expérimentales grâce à la mise au point d une nouvelle méthode d identification, et d autre part sur leurs prédictions par le développement de modèles d homogénéisation. A l heure actuelle, de nombreuses techniques de mesure des propriétés thermiques des matériaux composites ont déjà été développées. Cependant, pour estimer les conductivités selon les trois directions principales du composite ainsi que la chaleur spécifique, il est nécessaire de combiner ou répéter ces méthodes. L originalité de la technique développée au cours de cette thèse réside dans l estimation simultanée par méthode inverse de l ensemble de ces paramètres pour une gamme de température allant de l ambiante à 200C, et ce, sans que les échantillons soient instrumentés, ou re-surfacés. Pour compléter ce travail expérimental, des modèles prédictifs des conductivités thermiques basés sur la microstructure réelle des composites ont été développés. L analyse des images de la microstructure permet de caractériser la distribution des fibres, de définir le volume élémentaire représentatif, l ensemble servant de base aux calculs par éléments finis des propriétés apparentes du matériau composite, avec quantification de l intervalle de confiance des mesuresNANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-BU Technologie (441092105) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

Estimation de la rhéologie d'un polymère dans une filière d'extrusion

L'objectif de cette thèse est la mise en place d'une méthode d'estimation de rhéologie à partir de mesures de débits et de températures. Le dispositif expérimental est une filière d'extrusion instrumentée. Arguant du fait que les nombreux modèles rhéologiques existants sont différemment adaptés en fonction des polymères considérés, nous avons opté pour un modèle original de rhéologie. Ce modèle, outre le fait de ne pas avoir de forme mathématique imposée, n'a que des paramètres du même ordre de grandeur, ce qui simplifie l'estimation. La méthode inverse est une méthode de minimisation appliquée à un critère d'écart quadratique entre les variables calculées et les grandeurs mesurées, sous la contrainte des équations de l'énergie et de Navier-Stokes. Elle s'appuie sur la formulation du Lagrangien. Les multiplicateurs de Lagrange associés aux contraintes sont calculés par la résolution des équations adjointes. Un problème de sensibilité complémentaire permet la détermination de la profondeur de descente. La décroissance de la viscosité lorsque le taux de cisaillement augmente, a été prise en compte dans la régularisation. Pour finir, la méthode inverse a été insérée dans le code Aquilon, développé au laboratoire TREFLE. En définitive, sur une filière mieux isolée, la méthode développée permet d'obtenir une connaissance du comportement rhéologique précise, sans l'hypothèse d'isothermie habituellement faite pour les mesures rhéologiques expérimentales. Elle génère un modèle rhéologique adpaté au code de simulation numérique du point de vue de l'écoulement et de la thermique. Enfin elle ouvre le chemin pour de nombreuses applications notamment dans le domaine de l'injection.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Développementd'outils d'analyse thermique pour la conception de composants électroniques de puissance

Ce travail concerne le développement d outils d analyse thermique pour la conception de composants électroniques de puissance. Ce genre d outils s avère incontournable pour faire face aux problèmes de dissipation et d évacuation de la chaleur dans les composants actuels. Les assemblages étudiés sont constitués d éléments de dimensions variables pouvant comporter un grand nombre de sources de chaleur. La méthode des Résistances Discrètes de Frontière (RDF) a permis la détermination des champs thermiques au sein de composants hétérogènes. Elle constitue une alternative aux méthodes aux Eléments Finis (EF). Elle a été validée par comparaison à un code aux EF. Elle a été utilisée pour l étude thermique d un composant à transistors hyperfréquences. Une méthode d estimation de distributions de résistance thermique pour la détection de défauts et d hétérogénéités entre deux éléments a été mise au point. Elle repose sur l analyse du champ de température au sommet de l assemblage acquis par thermographie infrarouge. L algorithme du gradient conjugué a été appliqué et a permis d identifier différentes distributions 2D de résistance thermique. Des améliorations ont été apportées à l algorithme pour l estimation d une distribution de paramètres. Ce travail a conduit à l élaboration d un dispositif expérimental visant la caractérisation thermique de défauts et d hétérogénéités d assemblage. Une méthode de fabrication associant les procédés de photolithographie et de gravure chimique a permis la réalisation d éléments chauffants destinés à l excitation thermique de l assemblage. Le dispositif a été utilisé pour la caractérisation de lames d air au sein de liaisons adhésives.This work deals with the development of several tools for the thermal design of power electronic components. This kind of tools are essential to face the heat dissipation problems in the current components. The systems under consideration are heterogeneous stacked structures of elements of various size with a high number of heat sources. An original calculation method has been developed to determine the temperature distribution in heterogeneous components. The Discrete Boundary Resistance (DBR) method constitutes an alternative to Finite-Element methods. It has been validated by comparing the results with those given by a Finite-Element code. It has been used for the thermal analysis of a Radio-Frequency component. An estimation method of thermal resistance distributions has also been developed. This method aims at detecting defects and heterogeneities at the interface of two elements. It consists in analysing the temperature distribution at the top of the structure with infrared thermography. The conjugate gradient algorithm has been used to estimate different types of thermal resistance distributions. The algorithm has been improved for the estimation of a parameter distribution. Moreover, this work lead to the set up of an experimental apparatus for the thermal characterisation of defects and heterogeneities. The photolithography and chemical etching processes have been applied to form heater elements for the thermal stimulation of the structure. Finally the experimental set-up has been used to characterize air gaps in adhesive bonds.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF