Vers une meilleure compréhension de la coupe : aspects rhéologiques et simulation numérique par l'approche X-FEM

• Auteur / Autrice : Yosra Guetari
• Direction : Arnaud Poitou, Nicolas Moës
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Centrale Nantes (1991-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Usinage

Coupe

Résumé

La complexité du procédé d'usinage en a longtemps interdit une compréhension précise. Une approche complète de la coupe exige des moyens d'expérimentation avancés, qui permettent de contrôler le déroulement de la formation du copeau afin de révéler les phénomènes physiques qu'elle implique. En plus des méthodes expérimentales, la compréhension et l'optimisation de la coupe nécessite de recourir à des méthodes de calcul pertinentes, qui permettent de simuler ces phénomènes. Des outils numériques spécifiques, qui allient efficacité et représentativité, doivent ainsi être développés. La première partie de ce travail est à dominante expérimentale. Lors de l'usinage d'un métal, la matière est soumise à des sollicitations extrêmes. Nous nous sommes fixés ici un double objectif : notre intérêt s'est d'abord porté sur l'identification du comportement de la matière sous des conditions approchant celle de la coupe. Des essais de traction, de compression et de cisaillement ont été pratiqués à grande vitesse de déformation sur un dispositif de barres de Hopkinson sur des échantillons chauffés. Le dispositif a ensuite été mis à profit pour réaliser des essais de rabotage à grande vitesse. Ces essais novateurs permettent de suivre en continu une partie importante des phénomènes thermomécaniques liés à la coupe. L'interprétation des données enregistrées permet de commenter le mécanisme de formation du copeau. Cette partie expérimentale prouve l'insuffisance des modèles rhéologiques utilisés jusqu'ici, et met en évidence la nécessité de prendre en compte les effets de la multiaxialité des états de déformation. La seconde partie de la thèse porte sur des aspects purement numériques. La physique complexe qui ressort des conclusions des travaux expérimentaux montre bien la nécessité d'outils numériques performants. Devant les limitations des outils de simulation actuels, généralement basés sur la MEF usuelle, une approche alternative originale, basée sur l'utilisation de la méthode X-Fem + Level-Sets, est proposée. Cette stratégie est pressentie comme particulièrement pertinente pour la description des grandes déformations et des phénomènes de localisation liés à la coupe. Cette partie présente les développements et résultats préliminaires de cette approche. Elle montre notamment son intérêt pour la gestion des problèmes de contact grâce à l'utilisation des Level-Sets. La validation sur des cas simples, dans le cadre d'une technique de pénalisation, a permis de mettre au point une procédure numérique robuste de traitement du contact, parfaitement intégrable à une simulation complète de la coupe.

The complexity of the machining process has always prohibited its precise comprehension. A complete approach requires advanced experimental methods, which allow to control the progress of the chip formation, in order to reveal the generated physical phenomena. Beyond the experimental methods, the comprehension and the optimization of the process requires the use of relevant calculation methods, which can simulate these phenomena. Specific numerical tools have to be developed, which match together efficiency and representativity. The first part of this work has an experimental character. During the chip formation, the material is subjected to extreme sollicitations. Our purpose here was double: we focused first on the identification of the material's behaviour under thermomechanical conditions which approach the cutting-induced ones. Traction, compression, and shearing characterization tests were carried at high strain-rates using a Hopkinson bars system, on heated samples. The SHPB was then used to achieve high speed planing tests. These innovating experimentations allow to continuously follow an important part of the thermomechanical phenomena related to the metal cutting. The interpretation of the registered data allows to describe the chip formation mechanism. This experimental section prooves the limits of the commonly used rheological models, and exhibits the necessity to take into account the multi-axiallity of the deformation states. The second part of this document has pure numerical concerns. The complex physics that stands out from the conclusions of the experimental work needs to be handled using pertinent numerical tools. The limitations of the current simulation methods, generally based on the usual FEM, suggested the use of an original alternative pproach, based on the X-FEM and the Level-Sets methods. This strategy is foreshadowed to be particularly relevant for the description of the finite strains, as well as the localization phenomena related to the cutting process. This section presents the preliminary developments and results of this approach. It shows its advantages for the treatment of the contact problems thanks to the use of the Level-Sets. The validation on simple problems, in the frame of a penalization method, allowed to develop a robust numerical procedure for the contact treatment, which can perfectly be include within a complete simulation of the cutting process.