Méthode multi-échelle pour la modélisation du flambage des tôles minces sous contraintes résiduelles : Application au laminage à froid

Multi-scale method for modeling thin sheet buckling under residual stress : In the context of cold strip rolling

• Auteur / Autrice : Rebecca Nakhoul
• Direction : Pierre Montmitonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique
• Date : Soutenance le 19/02/2014
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Bergheau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Montmitonnet, Hachmi Ben Dhia, Michel Potier-Ferry
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ali Limam, Jean-Philippe Ponthot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Travail de la tôle

Métaux -- Travail à froid

Laminage

Mots clés libres

Laminage à froid

Tôle mince

Flambage

Post flambage

Contraintes résiduelles

Méthode multi-échelle

Cold rolling

Thin strip

Buckling

Post-buckling

Residual stress

Multi-scale method

Résumé

La modélisation des défauts de planéité apparaissant en ligne en laminage à froid des tôles minces est abordée comme un problème de flambage de tôles minces sous contraintes résiduelles. Celles-ci sont les contraintes engendrées au-delà de l'emprise par le laminage lui-même. Pour cela, un modèle de flambage et post-flambage de tôle (forme, amplitude, contraintes) fondé sur la méthode multi-échelle de Damil et Potier-Ferry, et nommé MSBM pour Multi-Scale Based Method, a été développé. En entrée, on y introduit une carte de contraintes post-emprise venant d'un calcul de laminage. Les hypothèses simplificatrices du modèle de flambement permettent de ramener sa résolution à un ensemble de problèmes éléments finis 1D, mais de ce fait restreignent l'analyse aux défauts de type bord long ou centre long. Dans sa version découplée, ce modèle a été comparé avec succès à des résultats de la littérature. Il permet d'effectuer des études paramétriques d'intérêt pratique, comme l'influence du frottement ou de la force de contre-flexion des cylindres sur l'état de contrainte et la géométrie de la tôle.Dans un second temps, ce modèle est introduit comme modèle de flambage intégré dans le logiciel éléments finis de laminage Lam3/Tec3. Comme dans le modèle précédent implémenté par Abdelkhalek en 2010, MSBM calcule un champ de déformation lié spécifiquement aux déplacements hors-plan caractérisant le flambage, champ de déformation qui est ajouté à la décomposition élastique – plastique et réactualisé à chaque itération du calcul éléments finis. Des comparaisons ont été effectuées avec les deux modèles couplés précédemment implantés par Abdelkhalek. Elles montrent les insuffisances du présent modèle de flambage, unidirectionnel, qui ne permet pas de traiter toutes ensemble les diverses instabilités, d'orientations différentes, qui ont lieu après la sortie d'emprise et se révèlent fortement couplées entre elles. Des pistes d'amélioration sont proposées en conséquence.

Modelling of on line manifest flatness defects in thin strip cold rolling is addressed as a problem of buckling under residual stresses. The latter are stresses built beyond the roll bite by the rolling process itself. To this aim, a buckling / post buckling model has been developed, giving strip shape, amplitude and stresses, based on Damil and Potier-Ferry's method and hereafter named MSBM like Multi-Scale Based Method. Its input is a post-bite stress map computed by a rolling model. Simplifications of the buckling model make it amenable to a series of 1D FEM solutions, but restrict its application to simple flatness defects such as wavy edges or wavy centre. In a decoupled version, it has been successfully compared with literature results. It allows parametric studies of practical interest, such as the influence of friction or work roll bending force on post-buckled strip shape and stress.In a second stage, this model is implemented as the internal buckling model in the FEM software Lam3/Tec3. As the previous one, implemented by Abdelkhalek in 2010, MSBM computes a strain field strictly due to the out-of-plane displacement which characterizes buckling. This strain field is introduced into the elastic – plastic decomposition and updated at each iteration of the finite element computation. Comparisons have been performed with the two models previously coupled to Lam3/Tec3 by Abdelkhalek. They show the limits of the present unidirectional buckling model, which cannot deal with all instabilities together, which have different orientations and take place after roll bite exit, which furthermore prove to be strongly interacting. Ideas for future generalization of the coupled model are proposed accordingly.