Numerical modelling of steel arc welding
Modélisation numérique du soudage à l'arc des aciers
Résumé
Welding is a highly used assembly technique. Welding simulation software would give access to residual stresses and information about the weld's microstructure, in order to evaluate the mechanical resistance of a weld. It would also permit to evaluate the process feasibility when complex geometrical components are to be made, and to optimize the welding sequences in order to minimize defects. This work deals with the numerical modelling of arc welding process of steels. After describing the industrial context and the state of art, the models implemented in TransWeld ( software developed at CEMEF) are presented. The set of macroscopic equations is followed by a discussion on their numerical implementation. Then, the theory of remeshing and our adaptive anisotropic remeshing strategy are explained. Two welding metal addition techniques are investigated and are compared in terms of the joint size and transient temperature and stresses. The accuracy of the finite element model is evaluated based on experimental results and the results of the analytical solution. Comparative analysis between experimental and numerical results allows the assessment of the ability of the numerical code to predict the thermomechanical and metallurgical response of the welded structure. The models limitations and the phenomena identified during this study are finally discussed and permit to define interesting orientations for future developments.
Le soudage est un moyen d'assemblage très utilisé dans l'industrie. Disposer d'un logiciel de simulation permettrait d'évaluer les contraintes résiduelles et d'obtenir des informations sur la microstructure du joint de soudure, nécessaires à l'analyse de sa tenue mécanique; mais aussi d'évaluer la faisabilité du procédé pour la réalisation de pièces complexes et d'optimiser les séquences de soudage pour minimiser les défauts. Cette thèse porte sur le développement d'un outil de simulation numérique du soudage à l'arc des aciers. Après avoir décrit le contexte tant industriel que bibliographique de ce travail, nous précisons les différents modèles implémentés dans le code de calcul TransWeld (le logiciel développé au CEMEF dans le cadre de ce travail). La description des équations macroscopiques employées est suivie de leur mise en œuvre numérique. Nous abordons ensuite la théorie du remaillage adaptatif et nous décrivons les éléments essentiels de la stratégie de remaillage développée dans le cadre de cette thèse. Ensuite, nous présentons les méthodes développées pour la modélisation de l'apport de métal et de la formation du cordon de soudage. Des simulations numériques conformes aux essais sont réalisées. L'analyse comparative entre résultats expérimentaux et numériques permet de juger de l'aptitude du code de calcul à prédire l'état thermomécanique et métallurgique de la structure soudée. Les limitations de notre modélisation et les phénomènes qu'elle a permis de mettre en évidence sont enfin discutés et permettent de définir quelques orientations intéressantes pour les développement futur de cette modélisation.
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