Cette présentation porte un regard critique quant aux capacités des simulations actuelles (utilisant les logiciels de calcul par éléments finis disponibles) à prédire de manière fiable les phénomènes observés lors de la mise en forme des matériaux métalliques et dans les procédés de fabrication associés

ABED-MERAIM, Farid

BRUNET, Michel

COMBESCURE, Alain

MAUREL, Bertrand

NEFUSSI, Germaine

Name not available

Science Arts & Métiers (SAM)is an open access repository that collects the work of Arts et Métiers ParisTechresearchers and makes it freely available over the web where possible.This is an author-deposited version published in: http://sam.ensam.euHandle ID: .http://hdl.handle.net/10985/10475To cite this version :Alain COMBESCURE, Michel BRUNET, Bertrand MAUREL, Germaine NEFUSSI, Farid ABED-MERAIM - Les simulations numériques de la mise en forme sont-elles fiables ? - 2008Any correspondence concerning this service should be sent to the repositoryAdministrator : archiveouverte@ensam.euA Combescure Aussois janvier 2008 1Les simulations numériques de la mise en forme sont elles fiables ? A Combescure, M Brunet, B MaurelINSA Lyon (France)G Nefussi LMT CachanF Abed Meraim LPMM MetzA Combescure Aussois janvier 2008 2Pourquoi cet l’exposé ?• On fait beaucoup de simulation numérique en mise en forme… • C’est un passage important si l’on veut biencomprendre les procédés• Pour que les modèles introduits soientcrédibles il faut des calculs fiables• à quelles conditions ?• Quelques pistes actuelles…A Combescure Aussois janvier 2008 3Plan • Contexte• La prévision du retour élastique un vraichallenge en mise en forme• Les instabilités striction et flambage• Quelques avancées en EF• Conclusions perspectivesA Combescure Aussois janvier 2008 4Contexte• Plus grande créativité: on essaye en virtuel et on neteste que les solutions vraiment intéressantes• Diminution des coûts• Essai réussi du premier coup• Avoir fait de nombreux essais numériquesPREDICTIFS pour optimiser le procédé• => Maîtrise de la conception virtuelle• => plus grande liberté dans l’innovation. A Combescure Aussois janvier 2008 5Mise en forme par emboutissage• Emboutissage: problème très étudié sur les métaux. Beaucoup de progrès mais pas encore très robuste• Sur les composites pas si avancé• Le retour élastique difficile à bienprévoir…(c’est assez général sur tous les procédés.. Soudage par exemple)A Combescure Aussois janvier 2008 6Un exemple emboutissage d’une forme en UA Combescure Aussois janvier 2008 7Emboutissage prévoir la forme finale (pas expliquer la manip…): • Points cruciaux: bien identifier les lois de comportement trajet de charge complexe(cinématique….)• Bien maîtriser les conditions limitescoefficient de frottement….• Les outils de calcul: en généralemboutissage dynamique explicite, retourélastique implicite (méthodes inverses ?)• Sont-ils fiables ?A Combescure Aussois janvier 2008 8Emboutissage = prévoir les épaisseursla forme finale, les défautsTRIP 800 (e = 1 mm)Mild-steel ES (e = 1 mm) Aluminium 5182 O (e = 2.5 mm)Springback caracterisation by theside-wall Radius RGeometry :Sheet-metal strip of 300x100 mm²Die radius = 4 mmPunch stroke = 102 mmGap punch/die = 2 x thickness;  Blankholder is without force398.4 – 435.3678.8 –727.587.50 – 98.1Mini and maxi experimental wallradius R measured(mm)AA l 5182 OMild steelESTRIP 800’’U’’ Shape Drawing and SpringbackA Combescure Aussois janvier 2008 9Modèles de comportement• Identification de la loi de comportement sur le pliagedépliage d’une tôle mince. • modèle de HILL • les tôles sont orthotropes• isotrope cinématique combiné( )pmixtebmixte eQ εσσ .0 1. −++=Une machine et une procédure d’identification brevetées A Combescure Aussois janvier 2008 10Influence du choix des éléments finisd dda – Retour élastique Expérimental b – maillages triangles et quadranglesA Combescure Aussois janvier 2008 11Influence du choix des éléments finis: résultatsS3S4Quadrangles Q4G24 = MITC4DKT12DKT18TrianglesA Combescure Aussois janvier 2008 12Que sont les éléments S3 3 Translations3 Rotations6 d.o.f / nodeXZY123Ux1Uy1Uz1 Ux2Uy2Uz2Ux3Uy3Uz3θθθθθθθθθx1y1z1x2y2z2x3y3z3‘DKT18’ |θθθ123456456XYZUz1Ux1Uy1Ux2Uy2Uz2Ux3Uy3Uz3Morley (or ‘DKT12’)3 Translations / apex1 Rotation / mid-sideUx1123456XYZUy1Uz1 Ux2Uy2 Uz2Ux3Uy3Uz3Ux4Uy4 Uz4Ux5Uy5 Uz5Ux6Uy6Uz63 Translations / node‘S3’S3 on calcule la courbure et sa variation avec la positionet le déplacement normal des nœuds voisins! S4= même chose que S3 mais quadrangleA Combescure Aussois janvier 2008 13Prévision des instabilités• De la bonne pratique des utilisateurs de code• Je choisis bien ma loi matériau, modélise les conditions limites, choisis l’élément fini adéquat• Je lance ABAQUS => une réponse• Je fais une analyse de sensibilité au maillage => Convergence • C’est OKA Combescure Aussois janvier 2008 14Prévision des instabilités• Oui car on a bien calculé un état d’équilibre• Mais réponse douteuse si état instable: c a d ilexiste un autre état d’équilibre pour la mêmecharge!• Comment puis je savoir?• Vérifier la stabilité des états calculés!• Ici j’aborderai 2 manières de prévoir• Une analyse vue côté matériau (locale…), uneautre côté structure (globale…)A Combescure Aussois janvier 2008 15Prévision des instabilités• Exemple vrillage de plaque de cuissonrectangulaires à l’emboutissage (flambagecompressions)• Vrillage de couvercles de boites boisson• Est ce prévisible?• Procédé: part d’une tôle plane• découpe d’une plaque• emboutissage sur une préforme• retour élastique après emboutissageA Combescure Aussois janvier 2008 16Prévision des instabilités• Exemple couvercle boite boissonAprès emboutissage            retour élastique mode d’instabilitéflambementInstabilité sans chargement appliqué dû aux auto contraintes de membraneVrillage de la roue de vélo!!!A Combescure Aussois janvier 2008 17Prévision des instabilités• Modélisation: comportement, conditions limites, élémentsfinis…maillage entier ½ ou ¼ conditions de symétrie?• On ne trouve jamais le vrillage…Même avec ABAQUS!!!• Pourquoi?• Il y a une instabilité au retour élastique de type flambage: instabililité• Abaqus ne la trouve pas automatiquement.. Il faut le chercher en fouillant dans le .mes … • Si maillage ½ le modèle empêche le vrillageA Combescure Aussois janvier 2008 18Prévision des instabilités de festonnage• La même chose que le flambage de type vrillagegénéralisé mais concerneune petite région (mode local)• Il existe des indicateursempiriques conservatifsbasés sur le post traitementlocal des états de contrainte.321321elemIIIIIII&&&&&&&++++=Change de signe sur lignes de vrillageTest YoshidaA Combescure Aussois janvier 2008 19Prévision des instabilités de striction• Typique d’une instabilité de  traction• En 1D = quand la contrainte est égale au module tangeant Et du matériau (ce qui finit tjrs par être le cas en élastoplastique car il y a une contrainte max=> Et=0…..)• Là encore deux approches: locale matériau ou global structureA Combescure Aussois janvier 2008 20Prévision des instabilités de striction• Local (indicateur de stabilité calculé avec l’état local du matériau….valeur propre du tenseur acoustiquepasse par zéro) prévision pessimiste: le mode d’instabilité n’est pas cinématiquement admissible (beaucoup utilisé en emboutisage: défauts d’aspect..) • Global structure: stabilité généralisée en grandesdéformations élasto plastique. Très intéressant en hydroformageA Combescure Aussois janvier 2008 21Prévision des instabilités de strictionen hydroformage• Attention les pressions travaillent lors de la déformation les critères qui le négligent ne prévoientpas l’arrivée de l’instabilité d’explosion de membrane (ballon de baudruche..) K(P) dans les équations de stabilité!!!• Attention au couplage compression axiale et striction(c a d traction circonférentielle) deux modes d’instabilités COUPLESA Combescure Aussois janvier 2008 22Prévision des instabilités de striction en hydroformage• Essais LMT Cachan et petit modèle théoriqueG Nefussi et calculs de stabilité EF  Flambage StrictionCalculAnalyse stabilitéIndicateur plissementA Combescure Aussois janvier 2008 23Prévision des instabilités de striction en hydroformage• Essais calculs hydroformage et cintrageθθθ γσεσ=ddFailure striction prediction with:A Combescure Aussois janvier 2008 24Quelques développements récents• Éléments massifs coque: une nouvelle génération d’éléments (plus besoin de coques!!)• SHB8PS, SHB6PSA Combescure Aussois janvier 2008 25L’élément SHB8PSGeometrie• usual brick 8 nodes                                             3 DOF Ux Uy Uzper node• 5 gauss points• hourglass controll• assumed strain elastoplasticityThickness directionA Combescure Aussois janvier 2008 26ELEMENT SHB6PS • The geometry• usual prism 6 nodes                                             3 DOF Ux Uy Uzper node• 5 gauss points• hourglass control• assumed strain elastoplasticityζ ηξ4 351260A Combescure Aussois janvier 2008 27The SHB8PS element • Detailed formulation: not given here• reference EJNM 2007        A Meraim, A Combescure• very efficient in most cases• linear analyis• example twisted beamElements Mesh W/Wtheo1 1X1X1 1.763 3X1X1 0.97524 12X2X1 0.98796 24X4X1 0.995A Combescure Aussois janvier 2008 28SHB8PS                                      Non linear• Non linear elastic response• example• here huge importance of the modelisation of support conditionA Combescure Aussois janvier 2008 29Éléménts coque massif• Avantages: facile à coupler à des massifs• Gestion des contacts sur les vraies surface• Mais en mise en forme: les mêmes inconvénients que les coques usuelles en particulier sur l’exemple deep drawingA Combescure Aussois janvier 2008 30Quelques commentaires sur méthodes SPH• Une méthode particulaire• Mais qui discrétise les équations de la méca ou de la thermique (à la différence du granulaire ou il faut « inventer » un potentiel d’interaction) • Très intéressant pour fluides topologie variable• Pour solide attentionA Combescure Aussois janvier 2008 31Méthodes SPH Solide• Si Lagragien mis à jour FRACTURATION artificielle ( déformation > 0,1) • Exemple impact barre de TaylorA Combescure Aussois janvier 2008 32SPH Solide : une solution• Ok si formulé en lagrangien TOTAL et de plus viscosité pour stabiliser • Exemple poutre en flexionA Combescure Aussois janvier 2008 33SPH COQUECas test du Pinched Cylinder :Cylindre en traction (R = 4.953 m, e=0.0094m,Hauteur 10.35m)Etude quasistatiqueE = 1.05e6 Pa, ν = 0.3125A Combescure Aussois janvier 2008 34SPH Fluide structure• Un grand intérêt pour les procédés type découpe jet d’eau laser ect• Applications mise en formeA Combescure Aussois janvier 2008 35SPH• Un outil intéressant mais à utiliser avec discernement• Qu’y a-t-il vraiment dans les codes industriels?• Avant de se lancer faire des tests de qualification des logiciels….

Les simulations numériques de la mise en forme sont-elles fiables ?

SAM;  the Arts et Métiers ParisTech open access repository

Science Arts & Métiers (SAM)
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researchers and makes it freely available over the web where possible.
This is an author-deposited version published in: https://sam.ensam.eu
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To cite this version :
Alain COMBESCURE, Michel BRUNET, Bertrand MAUREL, Germaine NEFUSSI, Farid ABED-
MERAIM - Les simulations numériques de la mise en forme sont-elles fiables ? - 2008
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A Combescure Aussois janvier 2008 1
Les simulations numériques de la 
mise en forme sont elles fiables ? 
A Combescure, M Brunet, B Maurel
INSA Lyon (France)
G Nefussi LMT Cachan
F Abed Meraim LPMM Metz
A Combescure Aussois janvier 2008 2
Pourquoi cet l’exposé ?
• On fait beaucoup de simulation numérique en 
mise en forme… 
• C’est un passage important si l’on veut bien
comprendre les procédés
• Pour que les modèles introduits soient
crédibles il faut des calculs fiables
• à quelles conditions ?
• Quelques pistes actuelles…
A Combescure Aussois janvier 2008 3
Plan 
• Contexte
• La prévision du retour élastique un vrai
challenge en mise en forme
• Les instabilités striction et flambage
• Quelques avancées en EF
• Conclusions perspectives
A Combescure Aussois janvier 2008 4
Contexte
• Plus grande créativité: on essaye en virtuel et on ne
teste que les solutions vraiment intéressantes
• Diminution des coûts
• Essai réussi du premier coup
• Avoir fait de nombreux essais numériques
PREDICTIFS pour optimiser le procédé
• => Maîtrise de la conception virtuelle
• => plus grande liberté dans l’innovation. 
A Combescure Aussois janvier 2008 5
Mise en forme par emboutissage
• Emboutissage: problème très étudié sur les 
métaux. Beaucoup de progrès mais pas 
encore très robuste
• Sur les composites pas si avancé
• Le retour élastique difficile à bien
prévoir…(c’est assez général sur tous les 
procédés.. Soudage par exemple)
A Combescure Aussois janvier 2008 6
Un exemple emboutissage d’une 
forme en U
A Combescure Aussois janvier 2008 7
Emboutissage prévoir la forme finale 
(pas expliquer la manip…): 
• Points cruciaux: bien identifier les lois de 
comportement trajet de charge complexe
(cinématique….)
• Bien maîtriser les conditions limites
coefficient de frottement….
• Les outils de calcul: en général
emboutissage dynamique explicite, retour
élastique implicite (méthodes inverses ?)
• Sont-ils fiables ?
A Combescure Aussois janvier 2008 8
Emboutissage = prévoir les épaisseurs
la forme finale, les défauts
TRIP 800 (e = 1 mm)
Mild-steel ES (e = 1 mm) Aluminium 5182 O (e = 2.5 mm)Springback caracterisation by the
side-wall Radius R
Geometry :
Sheet-metal strip of 300x100 mm²
Die radius = 4 mm
Punch stroke = 102 mm
Gap punch/die = 2 x thickness;  Blankholder is without force
398.4 – 435.3678.8 –
727.5
87.50 – 98.1
Mini and maxi 
experimental wall
radius R measured
(mm)
AA l 5182 OMild steel
ES
TRIP 800
’’U’’ Shape Drawing and Springback
A Combescure Aussois janvier 2008 9
Modèles de comportement
• Identification de la loi de comportement sur le pliage
dépliage d’une tôle mince. 
• modèle de HILL 
• les tôles sont orthotropes
• isotrope cinématique combiné
( )pmixtebmixte eQ εσσ .0 1. −++=
Une machine et une procédure d’identification brevetées 
A Combescure Aussois janvier 2008 10
Influence du choix des éléments finis
d d
d
a – Retour élastique Expérimental b – maillages triangles et quadrangles
A Combescure Aussois janvier 2008 11
Influence du choix des éléments finis: 
résultats
S3
S4
Quadrangles 
Q4G24 = MITC4
DKT12DKT18
Triangles
A Combescure Aussois janvier 2008 12
Que sont les éléments S3 
3 Translations
3 Rotations
6 d.o.f / node
X
Z
Y
1
2
3
Ux1Uy1
Uz1 Ux2
Uy2
Uz2Ux3Uy3
Uz3
θ
θ
θθ
θθ
θ
θ
θ
x1
y1
z1
x2
y2
z2
x3
y3
z3
‘DKT18’ |
θ
θ
θ
1
2
3
4
56
4
5
6
X
Y
Z
Uz1
Ux1Uy1
Ux2
Uy2
Uz2Ux3Uy3
Uz3
Morley (or ‘DKT12’)
3 Translations / apex
1 Rotation / mid-side
Ux1
1
2
3
4
5
6
XY
Z
Uy1
Uz1 Ux2
Uy2 Uz2
Ux3Uy3
Uz3
Ux4
Uy4 Uz4
Ux5
Uy5 Uz5
Ux6
Uy6
Uz6
3 Translations / node
‘S3’
S3 on calcule la courbure et sa variation avec la position
et le déplacement normal des nœuds voisins! 
S4= même chose que S3 mais quadrangle
A Combescure Aussois janvier 2008 13
Prévision des instabilités
• De la bonne pratique des utilisateurs de code
• Je choisis bien ma loi matériau, modélise les 
conditions limites, choisis l’élément fini adéquat
• Je lance ABAQUS => une réponse
• Je fais une analyse de sensibilité au maillage => 
Convergence 
• C’est OK
A Combescure Aussois janvier 2008 14
Prévision des instabilités
• Oui car on a bien calculé un état d’équilibre
• Mais réponse douteuse si état instable: c a d il
existe un autre état d’équilibre pour la même
charge!
• Comment puis je savoir?
• Vérifier la stabilité des états calculés!
• Ici j’aborderai 2 manières de prévoir
• Une analyse vue côté matériau (locale…), une
autre côté structure (globale…)
A Combescure Aussois janvier 2008 15
Prévision des instabilités
• Exemple vrillage de plaque de cuisson
rectangulaires à l’emboutissage (flambage
compressions)
• Vrillage de couvercles de boites boisson
• Est ce prévisible?
• Procédé: part d’une tôle plane
• découpe d’une plaque
• emboutissage sur une préforme
• retour élastique après emboutissage
A Combescure Aussois janvier 2008 16
Prévision des instabilités
• Exemple couvercle boite boisson
Après emboutissage            retour élastique mode d’instabilité
flambement
Instabilité sans chargement appliqué 
dû aux auto contraintes de membrane
Vrillage de la roue de vélo!!!
A Combescure Aussois janvier 2008 17
Prévision des instabilités
• Modélisation: comportement, conditions limites, éléments
finis…maillage entier ½ ou ¼ conditions de symétrie?
• On ne trouve jamais le vrillage…Même avec ABAQUS!!!
• Pourquoi?
• Il y a une instabilité au retour élastique de type flambage: 
instabililité
• Abaqus ne la trouve pas automatiquement.. Il faut le 
chercher en fouillant dans le .mes … 
• Si maillage ½ le modèle empêche le vrillage
A Combescure Aussois janvier 2008 18
Prévision des instabilités de 
festonnage
• La même chose que le 
flambage de type vrillage
généralisé mais concerne
une petite région (mode 
local)
• Il existe des indicateurs
empiriques conservatifs
basés sur le post traitement
local des états de contrainte.
321
321
elem
III
III
I
&&&
&&&
&
++
++
=
Change de signe 
sur lignes de vrillage
Test Yoshida
A Combescure Aussois janvier 2008 19
Prévision des instabilités de striction
• Typique d’une instabilité de  traction
• En 1D = quand la contrainte est égale au module 
tangeant Et du matériau (ce qui finit tjrs par être le 
cas en élastoplastique car il y a une contrainte max=> 
Et=0…..)
• Là encore deux approches: locale matériau ou global 
structure
A Combescure Aussois janvier 2008 20
Prévision des instabilités de striction
• Local (indicateur de stabilité calculé avec l’état local 
du matériau….valeur propre du tenseur acoustique
passe par zéro) prévision pessimiste: le mode 
d’instabilité n’est pas cinématiquement admissible 
(beaucoup utilisé en emboutisage: défauts d’aspect..) 
• Global structure: stabilité généralisée en grandes
déformations élasto plastique. Très intéressant en 
hydroformage
A Combescure Aussois janvier 2008 21
Prévision des instabilités de striction
en hydroformage
• Attention les pressions travaillent lors de la 
déformation les critères qui le négligent ne prévoient
pas l’arrivée de l’instabilité d’explosion de membrane 
(ballon de baudruche..) K(P) dans les équations de 
stabilité!!!
• Attention au couplage compression axiale et striction
(c a d traction circonférentielle) deux modes 
d’instabilités COUPLES
A Combescure Aussois janvier 2008 22
Prévision des instabilités de 
striction en hydroformage
• Essais LMT Cachan et petit modèle théorique
G Nefussi et calculs de stabilité EF 
 
Flambage Striction
Calcul
Analyse 
stabilité
Indicateur plissement
A Combescure Aussois janvier 2008 23
Prévision des instabilités de 
striction en hydroformage
• Essais calculs hydroformage et cintrage
θ
θ
θ γσ
ε
σ
=
d
d
Failure striction prediction with:
A Combescure Aussois janvier 2008 24
Quelques développements récents
• Éléments massifs coque: une nouvelle 
génération d’éléments (plus besoin de 
coques!!)
• SHB8PS, SHB6PS
A Combescure Aussois janvier 2008 25
L’élément SHB8PS
Geometrie
• usual brick 8 nodes                                             
3 DOF Ux Uy Uz
per node
• 5 gauss points
• hourglass controll
• assumed strain 
elastoplasticity
Thickness 
direction
A Combescure Aussois janvier 2008 26
ELEMENT SHB6PS 
• The geometry
• usual prism 6 nodes                                             
3 DOF Ux Uy Uz
per node
• 5 gauss points
• hourglass control
• assumed strain 
elastoplasticity
ζ η
ξ
4 3
5
1
2
6
0
A Combescure Aussois janvier 2008 27
The SHB8PS element 
• Detailed formulation: not 
given here
• reference EJNM 2007        
A Meraim, A Combescure
• very efficient in most cases
• linear analyis
• example twisted beam
Elements Mesh W/Wtheo
1 1X1X1 1.76
3 3X1X1 0.975
24 12X2X1 0.987
96 24X4X1 0.995
A Combescure Aussois janvier 2008 28
SHB8PS                                      
Non linear
• Non linear elastic 
response
• example
• here huge 
importance of the 
modelisation of 
support condition
A Combescure Aussois janvier 2008 29
Éléménts coque massif
• Avantages: facile à coupler à des massifs
• Gestion des contacts sur les vraies surface
• Mais en mise en forme: les mêmes 
inconvénients que les coques usuelles en 
particulier sur l’exemple deep drawing
A Combescure Aussois janvier 2008 30
Quelques commentaires sur 
méthodes SPH
• Une méthode particulaire
• Mais qui discrétise les 
équations de la méca ou 
de la thermique (à la 
différence du granulaire 
ou il faut « inventer » un 
potentiel d’interaction) 
• Très intéressant pour 
fluides topologie variable
• Pour solide attention
A Combescure Aussois janvier 2008 31
Méthodes SPH Solide
• Si Lagragien mis à 
jour 
FRACTURATION 
artificielle ( 
déformation > 0,1) 
• Exemple impact barre 
de Taylor
A Combescure Aussois janvier 2008 32
SPH Solide : une solution
• Ok si formulé en 
lagrangien TOTAL et 
de plus viscosité pour 
stabiliser 
• Exemple poutre en 
flexion
A Combescure Aussois janvier 2008 33
SPH COQUE
Cas test du Pinched Cylinder :
Cylindre en traction (R = 4.953 m, e=0.0094m,
Hauteur 10.35m)
Etude quasistatique
E = 1.05e6 Pa, ν = 0.3125
A Combescure Aussois janvier 2008 34
SPH Fluide structure
• Un grand intérêt pour 
les procédés type 
découpe jet d’eau laser 
ect
• Applications mise en 
forme
A Combescure Aussois janvier 2008 35
SPH
• Un outil intéressant mais à utiliser avec 
discernement
• Qu’y a-t-il vraiment dans les codes 
industriels?
• Avant de se lancer faire des tests de 
qualification des logiciels….


French

ABED-MERAIM, Farid 

SAM : Science Arts et Métiers

Science Arts & Métiers (SAM)is an open access repository that collects the work of Arts et Métiers Institute ofTechnology researchers and makes it freely available over the web where possible.This is an author-deposited version published in: https://sam.ensam.euHandle ID: .http://hdl.handle.net/10985/10475To cite this version :Alain COMBESCURE, Michel BRUNET, Bertrand MAUREL, Germaine NEFUSSI, Farid ABED-MERAIM - Les simulations numériques de la mise en forme sont-elles fiables ? - 2008Any correspondence concerning this service should be sent to the repositoryAdministrator : archiveouverte@ensam.euA Combescure Aussois janvier 2008 1Les simulations numériques de la mise en forme sont elles fiables ? A Combescure, M Brunet, B MaurelINSA Lyon (France)G Nefussi LMT CachanF Abed Meraim LPMM MetzA Combescure Aussois janvier 2008 2Pourquoi cet l’exposé ?• On fait beaucoup de simulation numérique en mise en forme… • C’est un passage important si l’on veut biencomprendre les procédés• Pour que les modèles introduits soientcrédibles il faut des calculs fiables• à quelles conditions ?• Quelques pistes actuelles…A Combescure Aussois janvier 2008 3Plan • Contexte• La prévision du retour élastique un vraichallenge en mise en forme• Les instabilités striction et flambage• Quelques avancées en EF• Conclusions perspectivesA Combescure Aussois janvier 2008 4Contexte• Plus grande créativité: on essaye en virtuel et on neteste que les solutions vraiment intéressantes• Diminution des coûts• Essai réussi du premier coup• Avoir fait de nombreux essais numériquesPREDICTIFS pour optimiser le procédé• => Maîtrise de la conception virtuelle• => plus grande liberté dans l’innovation. A Combescure Aussois janvier 2008 5Mise en forme par emboutissage• Emboutissage: problème très étudié sur les métaux. Beaucoup de progrès mais pas encore très robuste• Sur les composites pas si avancé• Le retour élastique difficile à bienprévoir…(c’est assez général sur tous les procédés.. Soudage par exemple)A Combescure Aussois janvier 2008 6Un exemple emboutissage d’une forme en UA Combescure Aussois janvier 2008 7Emboutissage prévoir la forme finale (pas expliquer la manip…): • Points cruciaux: bien identifier les lois de comportement trajet de charge complexe(cinématique….)• Bien maîtriser les conditions limitescoefficient de frottement….• Les outils de calcul: en généralemboutissage dynamique explicite, retourélastique implicite (méthodes inverses ?)• Sont-ils fiables ?A Combescure Aussois janvier 2008 8Emboutissage = prévoir les épaisseursla forme finale, les défautsTRIP 800 (e = 1 mm)Mild-steel ES (e = 1 mm) Aluminium 5182 O (e = 2.5 mm)Springback caracterisation by theside-wall Radius RGeometry :Sheet-metal strip of 300x100 mm²Die radius = 4 mmPunch stroke = 102 mmGap punch/die = 2 x thickness;  Blankholder is without force398.4 – 435.3678.8 –727.587.50 – 98.1Mini and maxi experimental wallradius R measured(mm)AA l 5182 OMild steelESTRIP 800’’U’’ Shape Drawing and SpringbackA Combescure Aussois janvier 2008 9Modèles de comportement• Identification de la loi de comportement sur le pliagedépliage d’une tôle mince. • modèle de HILL • les tôles sont orthotropes• isotrope cinématique combiné( )pmixtebmixte eQ εσσ .0 1. −++=Une machine et une procédure d’identification brevetées A Combescure Aussois janvier 2008 10Influence du choix des éléments finisd dda – Retour élastique Expérimental b – maillages triangles et quadranglesA Combescure Aussois janvier 2008 11Influence du choix des éléments finis: résultatsS3S4Quadrangles Q4G24 = MITC4DKT12DKT18TrianglesA Combescure Aussois janvier 2008 12Que sont les éléments S3 3 Translations3 Rotations6 d.o.f / nodeXZY123Ux1Uy1Uz1Ux2Uy2Uz2Ux3Uy3Uz3θθθθθθθθθx1y1z1x2y2z2x3y3z3‘DKT18’ |θθθ123456456XYZUz1Ux1Uy1Ux2Uy2Uz2Ux3Uy3Uz3Morley (or ‘DKT12’)3 Translations / apex1 Rotation / mid-sideUx1123456XYZUy1Uz1 Ux2Uy2 Uz2Ux3Uy3Uz3Ux4Uy4 Uz4Ux5Uy5 Uz5Ux6Uy6Uz63 Translations / node‘S3’S3 on calcule la courbure et sa variation avec la positionet le déplacement normal des nœuds voisins! S4= même chose que S3 mais quadrangleA Combescure Aussois janvier 2008 13Prévision des instabilités• De la bonne pratique des utilisateurs de code• Je choisis bien ma loi matériau, modélise les conditions limites, choisis l’élément fini adéquat• Je lance ABAQUS => une réponse• Je fais une analyse de sensibilité au maillage => Convergence • C’est OKA Combescure Aussois janvier 2008 14Prévision des instabilités• Oui car on a bien calculé un état d’équilibre• Mais réponse douteuse si état instable: c a d ilexiste un autre état d’équilibre pour la mêmecharge!• Comment puis je savoir?• Vérifier la stabilité des états calculés!• Ici j’aborderai 2 manières de prévoir• Une analyse vue côté matériau (locale…), uneautre côté structure (globale…)A Combescure Aussois janvier 2008 15Prévision des instabilités• Exemple vrillage de plaque de cuissonrectangulaires à l’emboutissage (flambagecompressions)• Vrillage de couvercles de boites boisson• Est ce prévisible?• Procédé: part d’une tôle plane• découpe d’une plaque• emboutissage sur une préforme• retour élastique après emboutissageA Combescure Aussois janvier 2008 16Prévision des instabilités• Exemple couvercle boite boissonAprès emboutissage            retour élastique mode d’instabilitéflambementInstabilité sans chargement appliqué dû aux auto contraintes de membraneVrillage de la roue de vélo!!!A Combescure Aussois janvier 2008 17Prévision des instabilités• Modélisation: comportement, conditions limites, élémentsfinis…maillage entier ½ ou ¼ conditions de symétrie?• On ne trouve jamais le vrillage…Même avec ABAQUS!!!• Pourquoi?• Il y a une instabilité au retour élastique de type flambage: instabililité• Abaqus ne la trouve pas automatiquement.. Il faut le chercher en fouillant dans le .mes … • Si maillage ½ le modèle empêche le vrillageA Combescure Aussois janvier 2008 18Prévision des instabilités de festonnage• La même chose que le flambage de type vrillagegénéralisé mais concerneune petite région (mode local)• Il existe des indicateursempiriques conservatifsbasés sur le post traitementlocal des états de contrainte.321321elemIIIIIII&&&&&&&++++=Change de signe sur lignes de vrillageTest YoshidaA Combescure Aussois janvier 2008 19Prévision des instabilités de striction• Typique d’une instabilité de  traction• En 1D = quand la contrainte est égale au module tangeant Et du matériau (ce qui finit tjrs par être le cas en élastoplastique car il y a une contrainte max=> Et=0…..)• Là encore deux approches: locale matériau ou global structureA Combescure Aussois janvier 2008 20Prévision des instabilités de striction• Local (indicateur de stabilité calculé avec l’état local du matériau….valeur propre du tenseur acoustiquepasse par zéro) prévision pessimiste: le mode d’instabilité n’est pas cinématiquement admissible (beaucoup utilisé en emboutisage: défauts d’aspect..) • Global structure: stabilité généralisée en grandesdéformations élasto plastique. Très intéressant en hydroformageA Combescure Aussois janvier 2008 21Prévision des instabilités de strictionen hydroformage• Attention les pressions travaillent lors de la déformation les critères qui le négligent ne prévoientpas l’arrivée de l’instabilité d’explosion de membrane (ballon de baudruche..) K(P) dans les équations de stabilité!!!• Attention au couplage compression axiale et striction(c a d traction circonférentielle) deux modes d’instabilités COUPLESA Combescure Aussois janvier 2008 22Prévision des instabilités de striction en hydroformage• Essais LMT Cachan et petit modèle théoriqueG Nefussi et calculs de stabilité EF  Flambage StrictionCalculAnalyse stabilitéIndicateur plissementA Combescure Aussois janvier 2008 23Prévision des instabilités de striction en hydroformage• Essais calculs hydroformage et cintrageθθθ γσεσ =ddFailure striction prediction with:A Combescure Aussois janvier 2008 24Quelques développements récents• Éléments massifs coque: une nouvelle génération d’éléments (plus besoin de coques!!)• SHB8PS, SHB6PSA Combescure Aussois janvier 2008 25L’élément SHB8PSGeometrie• usual brick 8 nodes                                             3 DOF Ux Uy Uzper node• 5 gauss points• hourglass controll• assumed strain elastoplasticityThickness directionA Combescure Aussois janvier 2008 26ELEMENT SHB6PS • The geometry• usual prism 6 nodes                                             3 DOF Ux Uy Uzper node• 5 gauss points• hourglass control• assumed strain elastoplasticityζ ηξ4 351260A Combescure Aussois janvier 2008 27The SHB8PS element • Detailed formulation: not given here• reference EJNM 2007        A Meraim, A Combescure• very efficient in most cases• linear analyis• example twisted beamElements Mesh W/Wtheo1 1X1X1 1.763 3X1X1 0.97524 12X2X1 0.98796 24X4X1 0.995A Combescure Aussois janvier 2008 28SHB8PS                                      Non linear• Non linear elastic response• example• here huge importance of the modelisation of support conditionA Combescure Aussois janvier 2008 29Éléménts coque massif• Avantages: facile à coupler à des massifs• Gestion des contacts sur les vraies surface• Mais en mise en forme: les mêmes inconvénients que les coques usuelles en particulier sur l’exemple deep drawingA Combescure Aussois janvier 2008 30Quelques commentaires sur méthodes SPH• Une méthode particulaire• Mais qui discrétise les équations de la méca ou de la thermique (à la différence du granulaire ou il faut « inventer » un potentiel d’interaction) • Très intéressant pour fluides topologie variable• Pour solide attentionA Combescure Aussois janvier 2008 31Méthodes SPH Solide• Si Lagragien mis à jour FRACTURATION artificielle ( déformation > 0,1) • Exemple impact barre de TaylorA Combescure Aussois janvier 2008 32SPH Solide : une solution• Ok si formulé en lagrangien TOTAL et de plus viscosité pour stabiliser • Exemple poutre en flexionA Combescure Aussois janvier 2008 33SPH COQUECas test du Pinched Cylinder :Cylindre en traction (R = 4.953 m, e=0.0094m,Hauteur 10.35m)Etude quasistatiqueE = 1.05e6 Pa, ν = 0.3125A Combescure Aussois janvier 2008 34SPH Fluide structure• Un grand intérêt pour les procédés type découpe jet d’eau laser ect• Applications mise en formeA Combescure Aussois janvier 2008 35SPH• Un outil intéressant mais à utiliser avec discernement• Qu’y a-t-il vraiment dans les codes industriels?• Avant de se lancer faire des tests de qualification des logiciels….

http://sam.ensam.eu/bitstream/10985/10475/1/LEM3_MECAMAT_2008_COMBESCURE

Les simulations numériques de la mise en forme sont-elles fiables ?

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