Contribution à la modélisation et à la caractérisation du comportement des assemblages brasés : couplage des méthodes DAR et X-FEM

Contribution to the modeling and characterization of the behavior of brazed assemblies : coupling of the two methods DAR and X-FEM

• Auteur / Autrice : Dang Huy Nguyen
• Direction : Gilles Dour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Développements asymptotiques

Éléments finis, Méthode des

Brasage

Mots clés libres

Méthode des éléments finis étendus (X-FEM)

Méthode des développements asymptotiques raccordés (DAR)

Assemblage brasé

Joint brasé

Résumé

Les assemblages stratifiés par procédé de brasage sont de plus en plus utilisés dans le secteur de l'outillage rapide appliqué à la fonderie, la plasturgie. . . Cette méthode d'assemblage permet par exemple des géométries originales et le placement de canaux de refroidissement à des positions optimales qu'il est impossible d'atteindre par perçage. Dans la plupart des cas d'application, les assemblages brasés doivent résister aux sollicitations mécanique et thermique en service. Cette recherche est une contribution à la modélisation et à la caractérisation du comportement des assemblages brasés aussi bien du point de vue mécanique que thermique. Les inconvénients des méthodes classiques de modélisation pour traiter des géométries complexes avec des zones raffinées très localisées (affinement extrême du maillage, temps de calcul excessif) nous ont poussés à rechercher une nouvelle méthode pour traiter les problèmes des assemblages brasés. En gérant la présence du joint dans l'assemblage sous forme d'une perturbation, nous avons proposé le couplage de deux méthodes: la méthode des développements asymptotiques raccordés (DAR) et la méthode des éléments finis étendus (X-FEM). La construction de la partie enrichie de la X-FEM est basée sur les solutions proposées par la méthode des DAR suivant cinq variantes d'enrichissement. Les principes fondamentaux ainsi que les méthodes de mise en œuvre du couplage DAR-X-FEM sont présentés à travers le cas unidimensionnel des assemblages brasés. En appliquant la variante d'enrichissement la plus appropriée, le couplage DAR-X-FEM a été étendu par la suite pour modéliser le cas bidimensionnel des assemblages brasés. L'illustration du couplage DAR-X-FEM 2D a été effectuée pour les deux applications: transferts thermiques et chargement mécanique. Afin de mieux comprendre le comportement des assemblages brasés et de valider les résultats obtenus par le couplage DAR-X-FEM, une étude expérimentale a été présentée. Dans un premier lieu, les essais de brasage à haute température ont été effectués. En deuxième lieu, les éprouvettes d'assemblages brasés obtenues par brasage ont fait l'objet d'essais de caractérisation des propriétés mécaniques et thermiques. Enfin, la comparaison entre les résultats expérimentaux et de la modélisation a permis de vérifier la pertinence du couplage DAR-X-FEM proposé.

Laminar assembly by the means of the brazing process is becoming widely used in the field of rapid tooling used for die casting, plastic injection moulding. . . In most applications, the brazed assembly must withstand the in-service mechanical and thermal solicitations. This research is a contribution to the modelling and the characterisation of the behaviour of brazed assembly in both mechanical and thermal aspects. The deficiencies of the classical modelling methods when modelling of a complex structure with localised variations is concerned led us to search for a new method to treat the problems of brazed assemblies. Considering the presence of the joint in the assembly as a perturbation in a broad structure, we have proposed the coupling of two methods: the matched asymptotic expansions method (DAR) and the extended finite element method (X-FEM). The construction of the enriched part of the X-FEM is derived into five variants of enrichment using the perturbation solutions obtained by the DAR method. The basic principles and methods of implementation of the DAR-X-FEM coupling have been presented through the one-dimensional example of brazed assembly. Applying the most appropriate variant of enrichment, the DAR-X-FEM coupling was subsequently extended to the two-dimensional case of brazed assemblies. The illustration of coupling DAR-X-FEM 2D was performed for two problems: heat transfer and mechanical loading. To better understand the behaviour of brazed assembly and to validate the results obtained by the coupling DAR-X-FEM, an experimental study has been presented. Firstly, high temperature brazing tests have been carried out. Secondly, the brazed specimens were tested to characterize both mechanical and thermal properties. Lastly, the comparison between the experimental and the simulation results confirmed all the interest of the proposed coupling DAR-X-FEM.