Modélisation par éléments finis d'essais de caractérisation de la sensibilité des tôles métalliques à l'hydrogène

Abstract

La modélisation des interactions hydrogène-matériau et des risques de fragilisation par l’hydrogène constitue un enjeu important pour la fiabilité des simulations numériques de structures, notamment dans les secteurs du stockage et de transport de l’hydrogène. Dans le domaine de la mise en forme des tôles métalliques, les interactions entre la plasticité et l’hydrogène doivent également être prises en compte, nécessitant la maitrise dans des simulations par éléments finis de couplages diffusion-plasticité-rupture. Dans la présente étude, des procédures numériques spécifiques (UMAT, UMATHT, DISP, UEL) ont été développées dans le code de calcul par éléments finis Abaqus© pour résoudre des problèmes non-linéaires couplés impliquant diffusion, comportement mécanique et rupture en chargement complexe. Des lois phénoménologiques ont été utilisées pour décrire le comportement élastoplastique, la diffusion et le piégeage de l’hydrogène. La rupture assistée par diffusion d’hydrogène a été modélisée par éléments cohésifs dont la loi de comportement dépend de la concentration locale en hydrogène. Ces outils numériques ont été appliqués à la simulation de deux types d’essais mécaniques spécifiques de caractérisation de la sensibilité des tôles métalliques à l’hydrogène : - un « essai de disque » à rupture sous pression d’hydrogène gazeux, prenant en compte l’interaction entre diffusion et rupture via des éléments cohésifs. Les calculs ont permis de reproduire des résultats expérimentaux pour différentes conditions d’essai. - un essai de pliage en U (U-Bend), consistant en un chargement en hydrogène cathodique après déformation plastique par pliage. Le couplage entre diffusion et champs mécaniques, et la rupture assistée par la diffusion sont considérés. Des simulations ont également été effectuées sur des polycristaux afin d’analyser les hétérogénéités de contrainte et de déformation liées à l’anisotropie locale du matériau, et leur influence sur la diffusion et le piégeage d’hydrogène