Explicit formulation using linear tetrahedral elements for 2D and 3D high speed machining simulations
Formulation explicite en tétraèdres linéaires pour la modélisation 2D et 3D de l'usinage à grande vitesse
Résumé
The aim of this work is to present a FE formulation particularly adapted to the simulation of high speed machining at the cutting edge level. The modelling should be able to detect the very local phenomena that could occur, with reasonable computation times. This code is implemented using the FE library CimLib, which offers robust adaptive non-structured remeshers and allows massive parallel computing. This work can be split in two parts. The first one consist in developing, implementing and validating an explicit type formulation, which is not sensitive to volumetric locking and allows using robust adaptive non-structured remeshers. Two formulations have been compared in the field of rapid dynamics: a semi-explicit one with mixed tetrahedral elements and RFB stabilization and an explicit one with modified linear tetrahedral elements. The second part of the work consists in applying the explicit formulation presented above to high speed machining. A thermal solver is implemented and coupled to the mechanical one. 2D micro machining simulations of Ti6Al4V orthogonal cutting are performed. Results are in very good agreement with literature, and important calculation time sparing is observed. The initiation and propagation of the adiabatic shear band in the chip can be analyzed in details. A R-adaptation procedure has been added to the normal remeshing procedure in order to be able to extend those results in 3D. We can then get closer of the real industrial processes, without loosing precision.
Cette thèse a pour but de proposer une formulation EF adaptée à la modélisation de l'usinage à grande vitesse en pointe d'outil. La simulation doit pouvoir détecter les phénomènes extrêmement localisés qui peuvent apparaître, avec des temps de calcul raisonnables. L'implémentation est réalisée à l'aide de la librairie EF CimLib, offrant un remailleur adaptatif robuste non structuré et permettant le calcul massivement parallèle. Le travail se décompose en deux parties. La première consiste à développer, implémenter et valider une formulation de type explicite non sensibles au locking volumique, permettant l'utilisation d'algorithmes de remaillage non structurés robustes. Deux formulations sont comparées en dynamique rapide: une semi-explicite, basée sur des éléments tétraédriques mixtes avec stabilisation bulle et une explicite, basée sur des éléments tétraédriques linéaires modifiés. La seconde partie consiste à appliquer la formulation explicite, retenue pour son efficacité, au cas particulier de l'usinage à grande vitesse. Une résolution thermique est implémentée et couplée à la mécanique. Des simulations thermomécaniques de coupe orthogonales 2D de Ti6Al4V sont réalisées. Les résultats obtenus sont en très bonne adéquation avec la littérature, et permettent d'importants gains de temps de calcul. L'initiation et la propagation de la bande de cisaillement dans le copeau peuvent être analysés précisément. Un algorithme de R-Adaptation surfacique a été ajouté afin d'étendre ces résultats en 3D. On peut alors se rapprocher de la réalité industrielle du procédé sans perdre en précision.