Improved contact treatment for metal forming processes with reduced contact area
Amélioration de la modélisation de contact pour les procédés à faible zone de contact
Résumé
Finite element simulation of forming processes is now widely recognized as an efficient tool for designing actual forming processes in industry. However, for metal forming processes where the contact area is quite small with respect to the component size, like wire drawing, extrusion and rolling, there is still an extensive need for increasing the accuracy and robustness of the results while decreasing the computational time. In the finite element code FORGE®, the contact model is inappropriate to properly simulate these processes. The specific goal of this work is to develop new techniques for improving contact model. In the first part, an implicit scheme of contact is developed on the basis of the first formulation. This work is divided on two steps. First, a general implicit scheme based on an updating of unilateral contact condition at each Newton-Raphson iteration is implemented. Secondly, a fully implicit formulation of the problem of contact and the smoothing of tool surfaces by using their analytical description specific for ring rolling process is developed. The second part, a smoothing contact procedure is implemented. The smoothing of contact surfaces, which are defined by linear triangles, is based on a higher order quadratic interpolation of the curved surface. This interpolation is derived from the node positions and their normal vectors, as proposed by Nagata. The normal vectors are calculated at each node from the existing discretized surface by considering a patch of surrounding elements using Normal Vector Voting method. The efficiency and reliability of different resulting contact model are assessed on several examples, such as the indentation of a parallelepiped and the drawing of a wire.
Ce travail vise Ce travail vise à améliorer la performance du code éléments finis FORGE®. En effet, la modélisation du contact dans ce code s'avère insatisfaisante pour simuler les procédés de mise en forme des matériaux à faible zone de contact. On présente dans ce mémoire les développements qui ont été réalisés pour améliorer le modèle de contact existant. Dans la première partie, partant de ce modèle, on s'intéresse à un problème spécifique qui est le procédé de laminage circulaire. Un nouveau modèle de traitement du contact dédié à ce procédé est développé. Il repose sur un schéma de réactualisation temporelle en coordonnées cylindriques, une formulation implicite et une description analytique des obstacles. La condition de contact incrémentale est alors imposée exactement en fin d'incrément. On valide ces développements sur plusieurs cas de procédé de laminage circulaire où l'on montre l'apport du nouvel algorithme en terme de précision de gestion de contact et aussi en terme d'amélioration des résultats de simulation et des temps de calcul. Dans la deuxième partie, on a généralisé cette approche à l'ensemble des procédés à faible zone pour lesquels une représentation analytique des outils n'est pas possible. On a développé alors un modèle implicite général basé sur la réactualisation de la condition de contact au cours des itérations de Newton-Raphson. Cette méthode permet de tenir compte exactement de l'évolution de la position relative de la pièce et de l'outil. Ensuite, on généralise le lissage des outils à des pièces de géométrie plus complexes. On étudie alors l'influence de la discrétisation de l'outil sur la précision de la simulation des procédés de mise en forme et particulièrement pour des procédés à faible zone de contact. Une méthode d'interpolation quadratique proposée par Nagata est alors implémentée pour le lissage de la surface des outils discrétisés par des éléments plans. La nouvelle surface interpolée est déterminée d'une façon locale à partir seulement de la position des nœuds et des normales nodales. Ces normales sont calculées à partir des normales aux facettes entourant le nœud considéré en utilisant la méthode des normales votées. L'efficacité de cette méthode combinée à schéma d'intégration implicite est testée pour plusieurs procédés de mise en forme.
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