Modélisation du couplage fluide solide avec l'analyse et l’optimisation des contraintes résiduelles et thermo-elasto-plastiques - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Modeling fluid solid coupling with residual and thermo-elasto-plastic stresses analysis and optimization

Modélisation du couplage fluide solide avec l'analyse et l’optimisation des contraintes résiduelles et thermo-elasto-plastiques

Joe Khalil
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1240596
  • IdRef : 268502811

Résumé

Quenching is a very important cooling process adopted nowadays by most of the industries, in particular automotive, aerospace and nuclear industries. The importance of this process comes from its ability to control the microstructure, to have better thermal properties as hardness and yield strength, and to release residual stresses. Nevertheless, it is a very complex process since it includes several physical phenomena on both the fluid (quenchant) and the solid. On the fluid level, because of the direct contact with a hot surface, the fluid will evaporate and reach the boiling point. On the solid level it exists stresses, deformations that changes the piece shape, and phase transformation which will generate latent heat. A boiling and evaporation was used to simulate what is happening in the surrounding of the solid. The importance of this model comes with its ability to give a real description of the heat transfer happening between the solid and the fluid. The temperature change in the solid will affect both the phase transformation and the mechanical response of the piece. In this project, a hybrid model is developed to solve the boiling and evaporation, at the same time phase transformation parameters and the mechanical response. In a Fluid-Solid domain, Navier-Stokes coupled with the heat equation is solved to give a temperature distribution in the solid. In a Solid domain only, the phase transformation parameters along with the stresses and deformations, using a thermo-elasto-plastic solver, are calculated based on the temperature distribution transported from the Fluid-Solid domain. The novelty of this model is its ability to work on two different domains simultaneously, and to give a better resolution on each domain, in addition to its completeness to simulate all the physics happening in the quenching process.
La trempe est un processus de refroidissement très important adopté de nos jours par la plupart des industries, en particulier les industries automobile, aérospatiale et nucléaire. L'importance de ce procédé vient de sa capacité à contrôler la microstructure, à avoir de meilleures propriétés thermiques comme la dureté et la limite d'élasticité, et à relâcher les contraintes résiduelles. Néanmoins, il s'agit d'un processus très complexe puisqu'il comprend plusieurs phénomènes physiques à la fois sur le fluide et sur le solide. Au niveau du liquide, du fait du contact direct avec une surface chaude, le liquide va s'évaporer et atteindre le point d'ébullition. Au niveau du solide, il existe des contraintes, des déformations qui modifient la forme de la pièce et des transformations de phase qui génèrent de la chaleur latente. Un modèle d'ébullition d'évaporation est été utilisé pour simuler ce qui se passe dans l'environnement du solide. L'importance de ce modèle vient de sa capacité à donner une description réelle du transfert de chaleur qui se produit entre le solide et le fluide. Le changement de température dans le solide affectera à la fois la transformation de phase et la réponse mécanique de la pièce. Dans ce projet, un modèle hybride est développé pour résoudre à la fois l'ébullition et l'évaporation, les paramètres de transformation de phase et la réponse mécanique. Dans un domaine Fluide-Solide, Navier-Stokes couplé avec l'équation de la chaleur est résolu pour donner une distribution de température dans le solide. Dans un domaine Solide uniquement, les paramètres de transformation de phase ainsi que les contraintes et les déformations, à l'aide d'un solveur thermo-élasto-plastique, sont calculés en fonction de la distribution de température transportée depuis le domaine Fluide-Solide. La nouveauté de ce modèle est sa capacité à travailler sur deux domaines différents simultanément, et à donner une meilleure résolution sur chaque domaine, en plus de sa complétude pour simuler toute la physique se produisant dans le processus de trempe.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04043062 , version 1 (23-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04043062 , version 1

Citer

Joe Khalil. Modélisation du couplage fluide solide avec l'analyse et l’optimisation des contraintes résiduelles et thermo-elasto-plastiques. Matériaux. Université Paris sciences et lettres, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UPSLM040⟩. ⟨tel-04043062⟩
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