Modélisation DEM thermo-mécanique d'un milieu continu. Vers la simulation du procédé FSW

by Iñigo Terreros

Doctoral thesis in Mécanique-matériaux

Under the supervision of Ivan Iordanoff and Jean-Luc Charles.

defended on 15-11-2013

in Paris, ENSAM , under the authority of École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , in a partnership with Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) .

  • Alternative Title

    Thermo-mechanical DEM modelling of a continuous material. Towards the simulation of FSW


  • Abstract

    Currently, almost all material manufacturing processes are simulatedusing methods based on continuum approaches. These methods, thoughwidely studied, face difficulties with contact problems that areusually found in processes such as FSW. One "physical" explanationto this issue is given by the fact that these methods use equationsbased on continuum mechanics to describe discontinuous problems. Insome cases, the Discrete Element Method is used to overcome theseproblems. However, it is known to be a very time-consuming method.Thus, a long term solution consists of coupling both continuum anddiscontinuous approaches. This solution requires an overlapping zonewhere the two methods work together. This overlapping zone isclassically placed on a continuous region. Consequently, the DiscreteElement Method must be improved to be reliable in such a region. Thepresent work describes a DEM approach to simulate elasto-plasticmechanical behaviour and heat conduction through a continuousmaterial. This method can be used both to carry out calculations onthe continuous overlapping zone as well as to be coupled withclassical Discrete Element Method in order to deal with discontinuousproblems.Finally, coupling between thermal and mechanical aspects is studiedand compared to experimental results found in the bibliography.


  • Abstract

    De nos jours, la gestion des flux de matière autour de la zone decontact représente un des principaux verrous scientifiques pourl'amélioration des simulations des procédés d'usinage comme, parexemple, le procédé FSW. Les méthodes basées sur la mécanique desmilieux continus sont couramment utilisées dans ces simulations maiselles rencontrent de nombreuses difficultés dans les zones decontact. Une explication "physique" à ces difficultés estl'utilisation des équations issues de la mécanique des milieuxcontinus pour décrire des phénomènes discontinus. À ce point, laméthode des éléments discrets s'est révélée être une alternative auxapproches continues pour traiter le problème causé par cesdiscontinuités. Cette méthode est en revanche très gourmande en termede temps de calcul.Une solution à long terme passe par un couplage entre méthodescontinues et discrètes qui requiert une zone de recouvrement où lesdeux approches coexistent. Cette zone est classiquement placée dansune région continue et cela oblige à développer la méthode deséléments discrets pour qu'elle puisse opérer dans ce type derégion. Le travail de thèse présente une méthode pour simuler laconduction de la chaleur et le comportement mécanique des milieuxcontinus élasto-plastiques. Cette méthode peut travailler dans la zonecontinue de recouvrement et, en plus, elle peut être facilementcouplée avec les méthodes discontinues classiques.Le couplage entre l'aspect thermique et l'aspect mécanique estégalement étudié et comparé aux résultats expérimentaux issus de labibliographie.


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