Calibration of thermo-mechanical constitutive models for sheet metals from full-field measurements

par João Miguel Peixoto Martins

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Soutenue le 16-12-2020

à Lorient en cotutelle avec l'Universidade de Aveiro (Portugal) , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Institut de Recherche Dupuy de Lôme (laboratoire) , Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL (laboratoire) et de Centre for Mechanical Technology and Automation (TEMA), Université d'Aveiro (Portugal) (laboratoire) .

Le président du jury était Pascale Balland.

Le jury était composé de José Xavier.

Les rapporteurs étaient Fabrice Pierron, Fabrice Richard.

  • Titre traduit

    Calibration de modèles thermo-mécaniques pour les tôles métalliques à partir de mesures de champs


  • Résumé

    Les outils de simulation, comme la méthode des éléments finis, sont essentiels pour concevoir et optimiser les procédés de mise en forme des tôles métalliques. Le succès de ces outils dépend de la calibration du modèle constitutif. S'appuyer sur des mesures de champ, des essais hétérogènes et des méthodes inverses est devenu un nouveau concept de calibration. Cette thèse vise à améliorer le processus d'étalonnage des modèles constitutifs thermo-mécaniques en se basant sur ce nouveau concept. Un aperçu de quatre méthodes inverses, Finite Element Model Updating (FEMU), Constitutive Equation Gap Method, Equilibrium Gap Method et Virtual Fields Method (VFM) est présenté. Ces méthodes sont comparées dans le cadre de contraintes infinitésimales, pour l'élasticité et la plasticité. Une analyse plus approfondie des méthodes VFM et FEMU, dans le cadre des grandes transformations, est également présentée. Deux tests hétérogènes sont combinés avec VFM pour proposer une méthodologie de calibration de test unique pour des modèles de plasticité anisotropes. Le premier est un test de traction biaxiale d'un échantillon cruciforme. Des résultats satisfaisants sont obtenus pour les deux modèles. Le second est appelé le test « butterfly ». Une très bonne calibration est également obtenue. La dernière partie de ce travail se concentre sur la calibration des modèles de thermo-élastoviscoplasticité. Un test hétérogène thermo-mécanique est analysé. Le test révèle une large gamme de températures, de valeurs de déformation et de taux de déformation. Il est couplé avec la méthode FEMU et une analyse de la calibration du modèle Johnson-Cook (J-C) est effectuée. Dans une seconde méthodologie, le test est couplé avec VFM pour calibrer un modèle J-C modifié. Une description raisonnable de la contrainte d'écoulement d'un acier DP est obtenue.


  • Résumé

    Simulation tools, like the finite element method, are essential to design and optimise sheet metal forming processes. The success of these tools is dependent on the calibration of the constitutive model. Relying on full-field measurements, heterogeneous tests, and inverse methods have become a new concept of calibration. This thesis aims the enhancement of the calibration process of thermomechanical constitutive models based on this new concept. An overview of four inverse methods, the Finite Element Model Updating (FEMU), the Constitutive Equation Gap Method, the Equilibrium Gap Method, and the Virtual Fields Method (VFM) is presented. These methods are compared in the framework of infinitesimal strains, for elasticity and plasticity. Further analysis of the VFM and FEMU, in the finite strains framework, is also presented. Two heterogeneous tests are combined with the VFM to propose a single test calibration methodology for anisotropic plasticity models. The first test is a biaxial tension test of a cruciform specimen. Accurate results are reached for two anisotropic plasticity models. The second is called the butterfly test. Accurate calibration for the loading direction is reached. The last part of this work focuses on the calibration of thermo-elasto-viscoplasticity models. A thermomechanical heterogeneous test is analysed. The test reveals a large range of temperatures, strain values and strain-rates. It is coupled with the FEMU and an analysis of the Johnson-Cook (J-C) model calibration is performed. In a second methodology, the test is coupled with the VFM to calibrate a modified J-C model. A reasonable description of the flow stress of a DP steel is reached.


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