Thèse soutenue

Modélisation et caractérisation de l'endommagement jusqu'à la rupture de l'assemblage structurel soudé par points
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Auteur / Autrice : Léon Beck
Direction : Yu Ming LiHakim Naceur
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : SI - Sciences de l’Ingénieur
Date : Soutenance le 21/12/2023
Etablissement(s) : Reims
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Numérique et de l’Ingénieur (Reims, Marne)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Matériaux et Ingénierie Mécanique (MATIM) (Reims, Marne)
Jury : Président / Présidente : Boussad Abbes
Examinateurs / Examinatrices : Yu Ming Li, Hakim Naceur, Jérôme Fortin, Steven Marguet, Daniel Coutellier, Camille Durand, Christian Götz
Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Fortin, Steven Marguet

Résumé

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Dans l'industrie automobile, la simulation numérique est essentielle pour tester les structures et les composants des véhicules avant leur fabrication, ce qui permet de gagner du temps et des ressources. La précision des modèles numériques est cruciale dès les premières étapes de conception. Compte tenu du nombre de soudures par points dans une carrosserie variant de 3000 à plus de 5000, la modélisation de ces soudures devient un élément primordial pour reproduire un comportement d’ensemble proche de la physique réelle.Compte tenu des améliorations techniques apportées à la simulation et à l'assemblage de tôles d'épaisseurs et de matériaux divers, le modèle actuellement utilisé chez Mercedes Benz pour l'évaluation de la résistance des soudures par points n'est plus adapté. L'objectif de cette recherche est donc de développer un modèle plus performant capable de simuler la résistance élastique et apte à détecter la rupture des assemblages soudés.Une étude a été menée pour explorer les différents modèles de soudure par points utilisés dans l'industrie. De nombreux modèles peuvent être classés en fonction de leurs représentations géométriques, notamment les modèles circulaires, carrés et linéaires.Parmi les modèles très précis, ceux basés sur une représentation circulaire se distinguent, mais leur complexité les rend difficiles à intégrer dans une caisse en blanc. Deux modèles en particulier ont retenu notre attention : l'utilisation d'éléments hexaédriques avec une carte de matériaux spécifique et des éléments de type barre avec une zone de recherche dédiée pour une intégration simple dans l'assemblage. Ces deux modèles présentent des avantages et des inconvénients, notamment en ce qui concerne leur indépendance par rapport au maillage et leur comportement mécanique.L'idée retenue ici est de fusionner les avantages de ces deux approches en utilisant un élément de type cohésif de forme hexaédrique structurée par 4 poutres 3D de formulation de Timoshenko définies dans la hauteur de la zone de soudure. Les développements ont été réalisés sur ABAQUS. Grâce à cette méthode, un modèle numérique de notre structure peut être construit à partir des quatre arêtes et qui intègre une fonction permettant de déterminer la rupture de la soudure par points.Pour calibrer ce nouvel élément, plusieurs cas tests ont été réalisés, notamment des tests KSII, de cisaillement et de pelage. Une campagne expérimentale a été réalisée avec différents matériaux et épaisseurs afin d'adapter l'élément à différentes configurations réelles rencontrées dans les véhicules. Des simulations avec différentes tailles de mailles ont été réalisées et ont démontré un phénomène de dépendance au maillage, comme dans les modèles précédemment utilisés. Pour cette raison, une solution a été développée pour inclure une zone d'éléments de type coque autour du nouvel élément développé, réduisant ainsi l'influence de la taille de maille.Le nouvel élément hybride a été testé sur différentes caisses en blanc afin de le valider sur des structures complexes. Les différentes simulations ont fourni une bonne représentation du comportement réel. Des différences très localisées sont parfois visibles pouvant s'expliquer par le fait que la carte des matériaux développée avec le modèle Hybride n'a pas été calibrée pour toutes les combinaisons testées.En résumé, cette recherche représente une avancée notable dans la modélisation des soudures par points, avec des résultats très prometteurs. La création d'un modèle hybride qui s'adapte à différentes sollicitations et différentes tailles de mailles est une réalisation innovante. Néanmoins, un perfectionnement et une exploration continus sont nécessaires pour améliorer encore la précision et la robustesse de la modélisation pour les applications automobiles.