Modélisation tridimensionnelle des flexibles hydroformés et tressés en statique et en fatigue

par Djihad Rial

Thèse de doctorat en Mécanique Avancée : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval

Sous la direction de Jean-Marc Roelandt et de Hocine Kébir.

Soutenue le 21-04-2015

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) .

mots clés

• Flexibles métalliques
• Fatigue multiaxiale
• Matériaux -- Fatigue
• Contraintes (mécanique)
• Contraintes résiduelles
• Déformations (mécanique)
• Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)
• Hydroformage
• Modélisation tridimensionnelle
• Statique
• Émission acoustique
• Durée de vie (ingénierie)
• Éléments finis, Méthode des
• Méthodes d'homogénéisation numérique
• Vibrations

Résumé

Dans cette étude, le comportement mécanique des flexibles ondulés est étudié expérimentalement et numériquement. Afin de surmonter l’important coût de calcul, des solutions analytiques de la théorie des coques toriques ont été utilisées pour homogénéiser le comportement global en utilisant des poutres simples à propriétés équivalentes. Ensuite, le modèle analytique proposé a été vérifié en le comparant avec des modèles éléments finis en trois dimensions. Des essais expérimentaux ont été conçus pour étudier l’expansion sous pression et le comportement en flexion de ces structures. Il est démontré que lorsque le modèle est implémenté dans un code d’éléments finis, il donne des résultats acceptables avec une réduction considérable temps de calcul. D’autre part, l’importance de la prise en compte des contraintes résiduelles résultant de l’opération d’hydroformage a été montrée. Cette étude consiste aussi à simuler le comportement des tresses métalliques numériquement en utilisant différentes approches – une approche "micro-échelle" directe avec des éléments solides 3D ou des éléments de poutres pour chaque fil métallique, ainsi que des approches homogénéisées où des éléments finis continus sont utilisés pour représenter soit l’ensemble de la structure qui est le modèle "macro-échelle", soit chaque groupe de fils qui est le modèle "méso-échelle". Ces modèles sont comparés par la suite à des résultats expérimentaux, qui sont: un essai de traction simple et un essai d’expansion sous pression. Une investigation numérique et expérimentale de la tenue en fatigue des flexibles métalliques a été présenté. Des échantillons de flexibles ont été soumis à une série de tests de fatigue lors desquels l’amplitude de chargement mécanique était constante, avec une pression interne continuelle similaire aux conditions de travail. Sachant que ces configurations de chargements génèrent des contraintes (déformations) tridimensionnelles, la durée de vie de la structure a été extraite en termes de nombre de cycles à l’initiation de fissures (perte de pression interne). De plus, un modèle d’éléments finis a été créé en tenant en compte les contraintes résiduelles résultant du procédé d’hydroformage afin d’estimer et de comparer avec l’expérience la durée de vie en fatigue. Cette prédiction a été réalisée à l’aide de différentes approches : une approche contrainte-déformation qui est largement utilisée dans les codes commerciaux, une approche de plan critique, une approche énergétique et une approche basée sur le cumul d’endommagement.

mots clés

• Metal flexibles
• Multiaxial fatigue
• Homogenization
• Finite element method
• Hydroforming
• Statics
• Acoustic emission
• Strains and stresses
• Thermomechanical
• Residual stresses
• Deformations
• Vibration
• Damage

Titre traduit

Three-dimensional modeling of braided hydroformed flexibles for static and fatigue loadings

Résumé

Hydroformed flexible tubes are essential structures used in several industrial sectors such as the automotive sector, the aviation industry or energy production, such as the production of renewable energy in solar thermal energy farms where the panels must both be supplying fluid along and follow the direction of the sun. These structures serve as connecting parts between the rigid parts different mechanisms, primarily used for damping vibrations and acoustic emissions, and, as their name suggests, they also allow flexibility and pressure expansion, which considerably improves the fatigue strength. The mastery and prediction of the mechanical behavior of these structures are very important from a safety point of view and an economic point of view. Indeed, their accidental breakage can cause very serious consequences due to their use in sensitive areas such as the nuclear industry. In this context, this thesis was launched between Compiegne University of Technology and industrial BOA-group to create digital approaches to behavioral predictions and estimating the life braided hoses that take into account extreme conditions (temperature and pressure) and the forming parameters and properties of the materials used. In terms of use, these products are subject to thermomechanical charge-discharge cycles and vibrations can induce complex deformed piping of wear due to friction and damage by fatigue, The purpose of the study is to develop a numerical approach validated by the experience to certify products and improve the design. This approach will allow to estimate the lifetime of braided wavy taking into account: - the initial state of the product after forming and assembly, - thermomechanical stresses, is defined by the specification, or encountered in specific use cases, - vibrations encountered during use in real cases. The expected results are the life of the products from a calculation model of their behavior using the characteristics of the materials and interaction braid / tube.