Simulation numérique du procédé de rivetage auto-poinçonneur et étude expérimentale : application à un assemblage multi-matériaux polymère-acier issu de l’industrie automobile

Numerical simulation of self-piercing riveting process and experimental investigation : Application to a multi-material polymer-steel assembly from the automotive industry

• Auteur / Autrice : Elias Amro
• Direction : Afia Kouadri-Henni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 11/09/2019
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes - Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes / LS2N
• Partenaire(s) de recherche : Comue : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Groupe PSA - FAURECIA
• Jury : Président / Présidente : Thierry Renault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Afia Kouadri-Henni, Jean-Christophe Walrick, Thierry Renault
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Abdelkhalak El Hami, Afia Kouadri-Henni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Éléments finis, Méthode des

Analyse multiéchelle

Élastoplasticité

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Assemblages à rivets

Mots clés libres

Rivetage auto-poinçonneur

Assemblage multi-matériaux

Homogénéisation

Modèle élasto-plastique endommageable

Simulation numérique

Self-piercing riveting

Multi-material joining

Homogenization

Elastic-plastic model with damage

Numerical simulation

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur la question de l'assemblage multi-matériaux polymère-acier. Dans un environnement automobile grande série, le rivetage auto-poinçonneur est le procédé d'assemblage proposé qui permet de répondre à la problématique industrielle. Dans un premier temps, la faisabilité de la technique i été étudiée en recherchant l'influence de la vitesse de rivetage et de l'effort serre-flan sur les caractéristiques géométriques du joint riveté et sur la tenue mécanique. Ainsi, il se révèle que l'augmentation de la vitesse de rivetage a un effet favorable: l'effort à la rupture en traction pure augmente de +10% en accord avec l'augmentation de l'ancrage mécanique. Par contre, l'augmentation de l'effort serre-flan a un effet défavorable : l'effort à la rupture en traction pure et en traction-cisaillement diminue de -6.6%. Par la suite, un modèle numérique 2D axisymétrique a été mis au point dans le but de simuler l'opération de rivetage. Les propriétés mécaniques effectives du matériau composite sont estimées par une méthode d'homogénéisation tandis que le comportement mécanique du matériau acier par un modèle élasto-plastique endommageable. Comparée à la coupe transversale issue d'un essai expérimental, la simulation effectuée sous Abaqus 6.10- 1® démontre être capable de correctement prédire la déformée en particulier pour la valeur d'ancrage mécanique. Enfin, un modèle numérique 30 a été développé et permet de simuler des chargements destructifs et asymétriques. L'effort à rupture et les déformées macroscopiques estimées sont en bon accord avec les résultats expérimentaux, grâce notamment à la prise en compte de l'endommagement local de la couche composite.

This thesis work is dealing with the issue of multi-material polymer-steel joining. Within a large-scale automotive environment, self-piercing riveting is the proposed joining technique to tackle the industrial challenge. Firstly, the feasibility of the technique is studied by investigating the influence of the riveting velocity and the sheet holder load on the geometrical characteristics of the riveted joint and the mechanical strength. Thus, it turns out that the increase in riveting velocity has a favorable effect: the joint strength in pure tension mode increases by +10% in agreement with the increase in mechanical anchoring. However, the increase of the sheet holder load has an unfavorable effect: the joint strength in cross tension and in shear modes decreases by -6.6%. Subsequently, an axisymmetrical 20 numerical model has been created enabling the simulation of the riveting operation. The effective mechanical properties of the composite material are estimated by a homogenization method while the mechanical behavior of the steel material is managed through an elastic-plastic model with damage. Compared with a cross section resulting from an experimental test, the simulation carried out under Abaqus 6.10-1® demonstrates being able to correctly predict the deformations, the anchoring value more particularly. Finally, a 30 numerical model has been developed and allows the simulation of destructive and asymmetrical loadings. The joint strength and the macroscopic deformations estimated are in good agreement with the experimental results, especially when taking into account the local damage of the composite laver.