Développement d'un banc d'essai de traction biaxale pour la caracterisation de la formabilité et du comportement élastoplastique de tôles métalliques

Development of a biaxial tensile test for the characterization of the formability and elastoplastic behavior of sheet metals

• Auteur / Autrice : Ibrahim Zidane
• Direction : Eric Ragneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Travail de la tôle

Construction mécanique

Formage sous haute énergie

Travail des métaux

Métaux

Résumé

L’utilisation de procédés de mise en forme de tôles minces (emboutissage, hydroformage, formage incrémental, …) est très répandue dans l’industrie. L’amélioration de la prédiction des outils de simulation numérique passe par une identification précise de la loi de comportement et des limites de formabilité du matériau constituant la tôle. Pour cela, il est souhaitable d’étudier le comportement des tôles minces sous des états de chargements proches de ceux rencontrés dans le procédé de mise en forme. A cet effet, l’essai de traction biaxial dans le plan de la tôle a été retenu parmi d’autres techniques de sollicitations biaxiales. Dans cette étude, un banc d’essais de traction biaxiale est développé avec pour objectif d’identifier, à partir d’un même essai rhéologique, la loi de comportement et les limites de formabilité du matériau étudié sous sollicitations statiques ou dynamiques. Ce dispositif expérimental est composé de quatre vérins hydrauliques disposés horizontalement. La capacité de chaque vérin est de 50kN, la vitesse de déplacement sur chaque axe peut atteindre 2m/s. Le pilotage permet d’imposer des rapports de biaxialité linéaires et non-linéaires. Ces essais biaxiaux sont réalisés sur une éprouvette plane dite « éprouvette cruciforme ». La géométrie optimale de celle-ci est définie à partir d’une étude paramétrique réalisée sur différentes formes d’éprouvettes cruciformes issues de la littérature. La difficulté principale dans la définition de cette géométrie est de s’assurer de l’apparition de la striction localisée au centre de l’éprouvette afin de maîtriser le chemin de déformation imposé par le déplacement des vérins. Au cours de l’essai, la zone centrale de l’éprouvette est filmée et une technique de corrélation d’image est ensuite utilisée en post-traitement pour obtenir le champ de déformation dans l’éprouvette. Par la suite, la procédure expérimentale et la géométrie de l’éprouvette sont validées à partir d’une campagne d’essais réalisée sur un alliage d’aluminium AA2017. Une procédure spécifique de détection de l’apparition de la striction localisée pour cette forme d’éprouvette est définie. Une campagne expérimentale est menée sur une tôle en alliage d’aluminium AA5086. La courbe limite de formage (CLF) expérimentale de cette tôle est établie à partir de la procédure définie précédemment. Enfin, les courbes forces/déplacements expérimentales sont utilisées afin d’identifier une loi de comportement par méthode inverse à partir d’un modèle éléments finis (EF) de l’essai biaxial. L’intérêt d’intégrer une grandeur locale dans la procédure d’identification de la loi rhéologique est présenté. La loi de comportement identifiée est ensuite implémentée dans le modèle EF de l’essai de traction biaxial afin de déterminer la CLF numérique du matériau étudié. Les CLF expérimentale et numérique définies à partir de l’essai de traction biaxial sont comparées à celle obtenue sur le même matériau par un dispositif d’essais de type Marciniak.

Sheet metal forming processes (stamping, hydroforming, incremental forming,. . . ) are currently used in the industry. Improving the prediction of numerical simulation tools requires an accurate identification of behavior law and formability limits of the sheet material. These material properties must be identified under conditions close to those encountered in the considered forming processes. For this purpose, the biaxial tensile test in the plane of the sheet has been selected among other techniques of biaxial solicitation. In this study, a biaxial testing apparatus is developed with the aim of identifying, from one rheological test, the behavior law and the formability limits of the studied material under static or dynamic solicitations. The experimental device is a servo-hydraulic testing machine provided with four hydraulic actuators in a horizontal configuration. The capacity of each actuator is 50kN, the speed on each axis can reach 2m/s. Linear and nonlinear loading paths can be applied. The biaxial tests were performed on a flat specimen called « cruciform specimen ». The optimum geometry of this one is defined from a parametric study on different shapes of cruciform specimens used in previous works. The main difficulty to design an appropriate cruciform specimen shape is to ensure the onset of localized necking in the central zone of the specimen to control the strain path imposed by the displacement of the actuators. During testing, the central area of the specimen is filmed and an image correlation technique is used to obtain the deformation field in the specimen. Thereafter, the experimental procedure and the geometry of the specimen are validated by mean of experimental tests on an aluminum alloy AA2017. A specific procedure for detecting the onset of localized necking on the cruciform specimen is then proposed. An aluminum alloy AA5086 sheet is then studied from experimental investigations. The experimental forming limit curve (FLC) of this sheet is then established from the procedure defined above. The experimental curves force/displacement are used to identify a constitutive law by inverse method using a finite element model (EF) of the biaxial tensile test. The use of a local measure of the deformation in the identification process of the rheological law is then presented. The behavior law is identified and implemented in the FE model of the biaxial tensile test to determine the numerical FLC of the studied material. Finally, the experimental and numerical FLC are compared to the one obtained on the same material by a Marciniak testing device.