Modélisation et optimisation du comportement mécanique des outils d'emboutissage stratifiés précontraints par vissage

Modelling and optimization of the mechanical behaviour of stamping layered tools joined by screws

• Auteur / Autrice : Mourad Oudjene
• Direction : Jean-Louis Batoz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Optimisation mathématique

Assemblages à boulons

Modèles mathématiques

Travail de la tôle

Résumé

Dans le contexte de l'emboutissage des tôles, les outils jouent un rôle crucial et le coût global d'une pièce emboutie est fortement influencé par le coût des outils, dépendant du volume de production. Pour la petite et moyenne série ou pour le prototypage rapide, les outils d'emboutissage peuvent être fabriqués par un empilement de strates métalliques, assemblés par diverses techniques (collage, vissage, boulonnage. . . ). Chaque strate est obtenue par découpe laser et micro-fraisage (comme dans la Stratoconception®). Ce travail, original en ce qui concerne les outils d'emboutissage, consiste à proposer une méthodologie numérique permettant l'analyse du comportement tridimensionnel des outils d'emboutissage, en particulier les outils prototypes fabriqués par empilement successif de couches métalliques (strates) et assemblés par vissage, l'objectif final étant de pouvoir dimensionner, voire optimiser leurs conception, notamment le système d'assemblages des strates par des vis précontraintes. Afin de surmonter les difficultés qu'implique la simulation de l'emboutissage en considérant les outils déformables (maillages, temps CPU. . . ) ainsi que celles liées à l'aspect stratifié des outils, nous proposons et nous développons une approche simplifiée en deux étapes qui a l'avantage de découpler les non-linéarités de l'emboutissage et l'analyse linéaire élastique des outils déformables. La démarche a été appliquée avec succès dans le cadre des outils stratifiés assemblés par vissage (obtenus par Stratoconception®). Dans ce contexte, nous avons également proposé une procédure d'optimisation des positions des vis précontraintes afin d'améliorer la conception et la tenue mécanique des outils stratifiés, notamment en augmentant la durée de vie des vis précontraintes

In sheet metal stamping, the forming tools play a crucial role and the global cost of stamped parts is highly influenced by the cost of the tools, depending on the production volume. For low volume or for rapid prototyping, stamping tools can be made by an assemblage of steel sheets or layers, assembled by different techniques (glue, screws, bolts. . . ). Each layer is obtained by laser cutting and micro-milling (as in the Stratoconception® approach). The present work deals with the design of stamping tools obtained by the assemblage of plates in layers and fixed by screws. We propose and validate a numerical approach for the 3D stress analysis of the multilayered tools. The final original objective is to optimize the layered stamping tools assembled by screws. In order to avoid the great difficulties involved for the numerical simulation of the stamping process taking into account deformable and layered tools assembled by screws, we develop a simplified approach based on two steps, based on the decoupling of the non-linearities of the stamping process and the linear elastic analysis of the deformable tools. Several examples are considered with multilayered steel tools assembled by screws and produced by the Stratoconception® approach. We finally proposed an optimization procedure of the screw positions as an attempt to improve the design and the strength of the layered tools by increasing the life duration of the screws.