Local approach to fracture on a semi-crystalline thermoplastic : the polyoxymethylene : Application : thermo-mechanical modelling of a screwing-threading process
Approche locale de la rupture dans un thermoplastique semi-cristallin : le PolyOxyMéthylène : Application : modélisation thermomécanique d'un procédé de vissage-taraudage
Résumé
The increasing use of polymers in engineering structures is promoted by the need to reduce both cycle/cost production and the weight of these structures. PSA Peugeot Citroën initiated research works to design the assembling process using metallic screwing/threading on polymers. It consists in directly taping the polymeric piece during the mounting operation by using self-threading metallic screw. The final objective of the work deals with the ability to numerically (finite element) model the screwing/threading operation. This numerical tool offers the possibility to perform a large campaign of study highlighting the sensitivity of the assembly procedure to a significant range of parameters. The first investigations showed that this problem consisted of complex thermo-mechanical loading for which all the deformation components of the polymeric material were involved: elastic, viscous, plastic and volumetric. The study was performed within the framework of the local approach to fracture, that required fine examinations of the micro-mechanisms of deformation and damage within the polymer. The experimental database were composed of measurable variables obtained from mechanical tests together with a comprehensive X-ray tomographic inspections. This latter non destructive technique revealing 3D images of the deformed microstructure allowed for characterization of the morphology and the distribution of voids within the polymer in the vicinity of the crest. To account for void volume fraction, a model from the mechanics of porous media was utilized: the Gurson-Tvergaard-Needleman model, modified for polymeric materials studies. The present model allowed for a construction of a failure assessment diagram that would permit to optimize the screwing rotation speed of the screwing-tapping process. An alternative solution consisting of an assembly composed of polymeric screw and polymeric nut was additionally investigated. Thanks to the local approach of fracture criterion based on the critical porosity, the weakest point of the assembly as well as its mechanical residual strength were estimated.
L'utilisation croissante des polymères dans les structures industrielles est impulsée par le besoin de réduction du cycle/coût de production ainsi que de l'allègement des structures. Dans l'industrie automobile, PSA Peugeot Citroën s'est lancé sur une problématique liée au dimensionnement d'un procédé d'assemblage de pièces plastiques par vissage-taraudage. Le principe du procédé consiste à réaliser le taraudage directement lors du montage de la pièce <> en polymère en utilisant une vis métallique auto-taraudeuse. Il s'agissait alors d'être capable de modéliser numériquement par éléments finis l'opération de vissage-taraudage. Cet outil numérique offre ensuite la possibilité de mener des plans d'expériences plus larges en étudiant l'influence d'un plus grand nombre de paramètres à des fins d'optimisation de procédé d'assemblage impliquant les polymères. Les premières investigations ont montré qu'il s'agissait d'un problème thermo-mécanique complexe où toutes les composantes de déformation des matériaux polymères sont sollicitées : élastique, visqueuse, plastique et volumique. La démarche suivie est donc celle de l'approche locale de la rupture qui nécessite des observations fines des micro-mécanismes de déformation et d'endommagement suivies d'une modélisation par éléments finis s'inspirant de ces micro-mécanismes. Les données expérimentales se basent sur les variables mesurables à partir des essais mécaniques, enrichies par des observations en tomographie X. Cette technique non destructive révélant des images en 3D a permis de caractériser la morphologie et la distribution de la porosité en fond de filet. La prise en compte de cette porosité a été réalisée à l'aide d'un modèle issu de la mécanique des milieux poreux : le modèle de Gurson-Tvergaard-Needleman adapté aux matériaux polymères. Le modèle identifié a permis de construire un diagramme sur lequel peut s'appuyer le choix de la vitesse de rotation optimale du procédé de vissage-taraudage. Une alternative consistant en un assemblage de type vis polymère/écrou polymère a été également étudiée. Grâce à l'approche locale dont le critère de rupture est basé sur la porosité critique, le point faible de l'assemblage ainsi que sa tenue mécanique présumée à partir du niveau d'endommagement atteint en ce point ont pu être estimés.
Origine : Version validée par le jury (STAR)