Code_Aster ®
Version
6.3
Titre :
Notice d'utilisation pour des calculs de soudage
Date :
01/10/03
Auteur(s) :
X. DESROCHES Clé
:
U2.03.05-A Page
: 1/12
Organisme(s) : EDF-R&D/AMA
Manuel d'Utilisation
Fascicule U2.03 : Thermo-mécanique
Document : U2.03.05
Notice d'utilisation pour des calculs de soudage
Résumé
L'objectif de cette note est de donner les informations nécessaires pour qu'un utilisateur puisse réaliser des
calculs de soudage multipasses avec le Code_Aster. Elle s'appuie sur un exemple de soudage de tuyauterie
en 13 passes. Les 2 premières passes de cet exemple constituent un cas-test Aster [V7.42.100].
Manuel d'Utilisation
Fascicule U2.03 : Thermo-mécanique
HT-66/03/002/A
Code_Aster ®
Version
6.3
Titre :
Notice d'utilisation pour des calculs de soudage
Date :
01/10/03
Auteur(s) :
X. DESROCHES Clé
:
U2.03.05-A Page
: 2/12
Table
des
matières
1 Modélisation thermique du soudage ..................................................................................................... 3
1.1 Généralités...................................................................................................................................... 3
1.2 Modélisation de l'apport de chaleur................................................................................................ 3
1.3 Cas d'une tuyauterie soudée par le procédé TIG pulsé (fiche 3488)............................................. 4
1.3.1 Méthodologie : choix d'une approche 2D ou 3D ................................................................... 4
1.3.2 Approche thermique 3D en repère mobile sur la plaque 3D développée du tube ................ 4
1.3.3 Approche thermique 2D sur le tube....................................................................................... 5
1.3.3.1 Températures imposées............................................................................................ 5
1.3.3.2 Flux de chaleur.......................................................................................................... 5
1.3.4 Conclusion ............................................................................................................................. 6
2 Modélisation du soudage dans Aster .................................................................................................... 7
2.1 Maillage des cordons de soudure................................................................................................... 7
2.2 Calcul thermique............................................................................................................................. 7
2.2.1 Modélisations associées aux passes .................................................................................... 7
2.2.2 Conditions aux limites (convection et rayonnement)............................................................. 8
2.2.3 Prolongement des champs.................................................................................................... 8
2.3 Calcul mécanique ........................................................................................................................... 9
2.3.1 Modélisations associées aux passes .................................................................................... 9
2.3.2 Bridage de la zone soudée.................................................................................................... 9
2.3.3 Calcul mécanique d'une passe ........................................................................................... 10
3 Conclusion........................................................................................................................................... 11
4 Bibliographie........................................................................................................................................ 12
Manuel d'Utilisation
Fascicule U2.03 : Thermo-mécanique
HT-66/03/002/A
Code_Aster ®
Version
6.3
Titre :
Notice d'utilisation pour des calculs de soudage
Date :
01/10/03
Auteur(s) :
X. DESROCHES Clé
:
U2.03.05-A Page
: 3/12
1
Modélisation thermique du soudage
1.1 Généralités
La modélisation d'une opération de soudage nécessite la bonne connaissance du processus à
simuler, en particulier celle des paramètres de soudage. De plus, les phénomènes à prendre en
compte sont nombreux et complexes : apport du métal fondu, flux engendré par l'ensemble arc +
électrode, effet du gaz protégeant le bain fondu, etc ...
La principale difficulté de la modélisation thermique du soudage est la façon dont on prend en compte
l'apport de chaleur. Devant le grand nombre de données opératoires accessibles (énergie de
soudage, vitesse de la source, vitesse de défilement du fil d'apport, rendement du procédé...), il faut
en général adopter une méthode simplifiée. Ces méthodes seront décrites dans le § suivant. Les
simulations réalisées dans le cadre d'un travail collaboratif EDF-CEA-Framatome [bib1] ont montré
que les autres phénomènes en jeu (échanges thermiques, changement d'état, convection du bain
fondu...) sont convenablement pris en compte par les codes de calculs par éléments finis.
Dans le cas que nous présentons dans la suite, on dispose à la fois d'une bonne connaissance des
paramètres de soudage et d'éléments de recalage comme les macrographies et les cycles
thermiques. Une simulation thermique correcte est donc possible. Le problème est alors de choisir
une méthode qui permettra de représenter fidèlement l'apport de chaleur dû à l'ensemble Arc -
Electrode - Métal d'apport.
Dans le cas où on ne dispose pas d'éléments de recalage, la simulation numérique d'une opération de
soudage peut être réalisée de façon prédictive à l'aide de calculs simplifiés de type Rosenthal. Pour
plus de détails, on consultera [bib1]
1.2
Modélisation de l'apport de chaleur
Deux méthodes sont possibles :
·
la première consiste à imposer des cycles de température à la matière que l'on dépose. Ces
températures imposées peuvent être appliquées soit sur le seul cordon déposé, soit sur
l'ensemble cordon déposé plus zone fondue. Cette méthode ne s'applique facilement qu'aux
problèmes bidimensionnels. Dans le cas où on impose une température dans le métal d'apport, le
calcul se déroule en 3 phases :
1) Température imposée dans le cordon déposé jusqu'à une température de bain fondu
supérieure à la température de fusion.
2) Maintien de la température constante pendant un temps caractéristique et augmentation de
la conductivité thermique pour des températures supérieures à la température de fusion afin
de retrouver la zone fondue.
3) Refroidissement avec échange par convection et rayonnement
Le cycle thermique appliqué au métal d'apport peut être issu soit d'un calcul 3D soit en
utilisant des calculs de type Rosenthal pour déterminer les temps de montée et de maintien.
·
la seconde méthode, qui est celle préconisée à présent, consiste à imposer un flux de chaleur au
cordon de soudure modélisé. Elle peut cette fois s'appliquer en 2D et en 3D et présente
l'avantage de ne modéliser que le métal d'apport (il n'est pas nécessaire de connaître la zone
fondue). Par contre, elle est difficile à caler car des choix sont à effectuer sur la répartition spatiale
du flux (surfacique, volumique) et la répartition temporelle du flux.
Le calage du flux peut être maîtrisé sur la base de calculs 2D de type Rosenthal ou en utilisant les
cycles thermiques expérimentaux. Afin de retrouver la zone fondue et pour tenir compte de
l'homogénéisation de la température due aux mouvements du bain fondu, on augmente au-delà
de la température de fusion d'un facteur 100 la conductivité thermique dans le métal déposé.
Manuel d'Utilisation
Fascicule U2.03 : Thermo-mécanique
HT-66/03/002/A
Code_Aster ®
Version
6.3
Titre :
Notice d'utilisation pour des calculs de soudage
Date :
01/10/03
Auteur(s) :
X. DESROCHES Clé
:
U2.03.05-A Page
: 4/12
1.3
Cas d'une tuyauterie soudée par le procédé TIG pulsé (fiche 3488)
Ici on connaît a priori la forme des cordons et des zones fondues grâce aux macrographies. Il est
néanmoins difficile d'utiliser la méthode no 1 (approche en température imposée) dans la mesure où
le chanfrein contient 13 passes de soudures. Modéliser les zones fondues associées aux 13 cordons
aurait demandé trop de travail en terme de maillage. Cette méthode n'est applicable que si le nombre
de cordons reste limité ou si on considère des macro dépôts.
Les autres méthodes ont été testées mais nécessitent toutes des calages avec les résultats
expérimentaux et donnent des résultats inégaux. Ainsi, l'approche en température imposée ne
considérant l'apport de chaleur que dans le métal d'apport surestime les zones fondues et les cycles
thermiques. Cette méthode est trop calorifique.
C'est donc l'approche en flux thermique imposé qui est retenue. L'application de la quantité de chaleur
Qr présente deux variantes : l'application d'un Qr surfacique ou volumique. Si l'on considère un
modèle axisymétrique de la tuyauterie, la quantité de chaleur Qr est appliquée dans toutes les mailles
du cordon modélisé et on représente ainsi un flux 3D. Dans le cas d'un modèle 3D, il est difficile de
considérer un Qr volumique car on ne connaît pas précisément la forme de la source de chaleur.
C'est donc un Qr surfacique sur le bord libre du cordon qu'il vaut mieux retenir. Cependant, un Qr
surfacique n'est représentatif que si les cordons déposés ne sont pas trop épais, ce qui est le cas ici.
1.3.1 Méthodologie : choix d'une approche 2D ou 3D
En toute rigueur, le procédé de soudage est strictement 3D, l'apport de chaleur et éventuellement de
matière étant mobile et de vitesse constante. Les calculs numériques devraient donc en tenir compte.
Toutefois, les calculs 3D étant complexes et coûteux, ils sont rarement mis en oeuvre et on se limite
au 2D. La modélisation 2D implique une simplification importante : on néglige l'effet de vitesse du
soudage et on suppose que le cordon est déposé simultanément sur toute la longueur du chanfrein.
Cependant, afin de réaliser le calage du coefficient de rendement du procédé, des calculs 3D en
repère mobile ont également été conduits pour 2 passes du chanfrein : la passe de racine et une
passe courante (la passe 13).
Le calage de la passe 13 a ensuite été appliqué à toutes les autres passes courantes.
La méthodologie retenue pour la simulation thermique du procédé TIG pulsé est donc la suivante :
·
calage du coefficient de rendement du procédé pour les passes 1 à 13 grâce à des calculs
3D en repère mobile sur les passes 1 et 13,
·
transposition au modèle 2D en conservant le coefficient de rendement et en appliquant une
quantité de chaleur aux mailles du cordon modélisé. La répartition temporelle de ce flux est
calée sur les résultats des calculs 3D,
·
validation de cette approche à la simulation thermique des passes 2 à 13.
1.3.2 Approche thermique 3D en repère mobile sur la plaque 3D développée du tube
Le calage de la méthode se fait sur la forme transversale de la zone fondue en ajustant le coefficient
de rendement du processus. Plusieurs calculs itératifs permettent d'avoir une zone fondue acceptable.
Pour la passe de racine, le coefficient de rendement vaut alors 0.65.
UI
La quantité de chaleur appliquée vaut Qr =
avec :
S
·
U, la tension de soudage prise égale à 11V,
·
I, l'intensité de soudage prise égale à 200A,
·
S, la surface de la source qui vaut R2 avec R=5mm.
Manuel d'Utilisation
Fascicule U2.03 : Thermo-mécanique
HT-66/03/002/A
Code_Aster ®
Version
6.3
Titre :
Notice d'utilisation pour des calculs de soudage
Date :
01/10/03
Auteur(s) :
X. DESROCHES Clé
:
U2.03.05-A Page
: 5/12
= 0 6
. 5
donc Q
W mm
r = 18 21
2
.
/
Pour la passe 13, on considère une source de chaleur circulaire de rayon R=3.5mm, donc inférieur à
celui de la passe de racine. A la suite du calage, le coefficient de rendement vaut 0.55 et.
Q
W mm
r = 32 87
2
.
/
1.3.3 Approche thermique 2D sur le tube
L'approche 2D axisymétrique est facile à mettre en oeuvre mais présente l'inconvénient de ne pas
prendre en compte l'effet de vitesse et de considérer que chaque cordon est déposé « d'un seul
coup ». Des comparaisons entre approches 2D et 3D [bib3] ont néanmoins montré la bonne
représentativité de l'approche 2D.
1.3.3.1 Températures
imposées
Cette méthode est la première méthode décrite en [§2.2]. L'apport de chaleur est modélisé par un
cycle thermique issu du calcul en repère mobile. Ce cycle est appliqué aux noeuds du métal déposé.
On constate que les calculs 2D surestiment la zone fondue et les maxima des cycles thermiques.
L'approche en températures imposées est donc trop énergétique.
1.3.3.2 Flux de chaleur
Cette méthode est la deuxième méthode décrite en [§2.2] et est celle préconisée à présent.
L'application du flux de chaleur Qr est réalisée sur les mailles du cordon déposé. Ce flux de chaleur
est volumique, c.a.d. par unité de longueur circonférentielle (J/mm3). Le flux est donné par :
UI
Qr =
avec v : vitesse de la source.
Sv
Le calcul 2D faisant abstraction de la vitesse de la source, il faut distribuer ce flux de chaleur en
fonction du temps : un temps de montée, de maintien et de descente.
Q* (W / mm3
R
)
0
t
temps (s)
1
t2
t3
Q = Q*
1
× (t + t - t
r
r
)
2 3
2
1
Manuel d'Utilisation
Fascicule U2.03 : Thermo-mécanique
HT-66/03/002/A
Code_Aster ®
Version
6.3
Titre :
Notice d'utilisation pour des calculs de soudage
Date :
01/10/03
Auteur(s) :
X. DESROCHES Clé
:
U2.03.05-A Page
: 6/12
Il faut déterminer les instants t1 , t2 et t3 pour retrouver les zones fondues et les cycles thermiques.
Plusieurs distributions correspondant à des temps de montée et de descente plus ou moins longs ont
été comparées. Ce sont finalement les distributions suivantes qui ont été retenues [bib3] :
Q* (W / mm3
R
)
passe de racine
temps (s)
7.
12.8
13.8
Q* (W / mm3
R
)
passe 13
temps (s)
7.
10.4
11.4
1.3.4 Conclusion
Dans le cadre de la simulation thermique du soudage par le procédé TIG pulsé d'une tuyauterie en
acier inoxydable 316L, l'histoire thermique du procédé peut être représentée par un modèle 2D
axisymétrique, même si le recalage est meilleur en considérant une approche 3D en repère mobile qui
tient compte de l'effet de vitesse de la source de chaleur. La méthodologie retenue en 2D est une
approche en flux de chaleur qui nécessite de caler le coefficient de rendement du procédé ainsi que la
distribution temporelle de ce flux. Il faut également connaître soit les formes des zones fondues, soit
les cycles thermiques du procédé étudié afin de permettre ce calage. Elle permet de ne pas modéliser
les zones fondues, ce qui est un avantage important dans le cas d'un grand nombre de passes.
Les principales caractéristiques de la simulation sont les suivantes :
·
flux de chaleur appliqué dans le métal déposé en fonction du temps (montée en 7s, temps de
maintien de 5.8s pour la passe de racine et de 3.4s pour une passe courante et descente en
1s),
·
le coefficient de rendement du procédé est fixé à = 0 6
. 5 pour la passe de racine et à
= 05
. 5 pour les passes courantes,
·
la conductivité du métal déposé est augmentée entre 1500°C et 1700°C d'un facteur 100 afin
de prendre en compte une homogénéisation des températures dans le bain fondu,
·
on prend en compte la chaleur de fusion-solidification,
·
les caractéristiques thermiques varient avec la température.
Manuel d'Utilisation
Fascicule U2.03 : Thermo-mécanique
HT-66/03/002/A
Code_Aster ®
Version
6.3
Titre :
Notice d'utilisation pour des calculs de soudage
Date :
01/10/03
Auteur(s) :
X. DESROCHES Clé
:
U2.03.05-A Page
: 7/12
2
Modélisation du soudage dans Aster
2.1
Maillage des cordons de soudure
Les cordons de soudure peuvent être maillés de façon plus ou moins complexe.
Il y a 3 choix possibles, en allant du plus compliqué vers le plus simple :
·
on peut choisir de respecter à la fois le volume et la forme de la passe. La forme des cordons
étant courbe, on devra mailler des surfaces à bords courbes, donc utiliser des éléments finis
au moins de degré 2,
·
on respecte seulement le volume de la passe, les cordons étant de forme triangulaire ou
quadrangulaire. Dans ce cas, on peut utiliser des éléments linéaires,
·
les cordons de soudure sont quadrangulaires, en essayant de respecter au mieux le volume
de chaque passe.
Des comparaisons ont été faites dans le cas de la maquette tubulaire. Il s'avère que les résultats des
calculs mécaniques diffèrent très peu d'un maillage à l'autre. Néanmoins, la comparaison avec le
maillage plus grossier est délicate, la thermique étant différente.
On peut cependant noter que, à thermique équivalente, le maillage courbe n'apporte rien de significatif
au niveau des résultats par rapport au maillage polygonal.
2.2 Calcul
thermique
2.2.1 Modélisations associées aux passes
Pour simuler le soudage multipasses, on effectue un calcul thermique non linéaire transitoire, passe
par passe, en ajoutant à chaque passe dans le modèle thermique correspondant les éléments finis
modélisant le cordon de soudure déposé au cours de la passe. Ainsi, chaque passe i dispose d'un
modèle thermique comprenant les cordons de soudure de numéros 1 à i. On a donc des modèles
thermiques emboîtés au sens suivant :
si mothi désigne le modèle thermique de la passe i
et mothj désigne le modèle thermique de la passe j
alors mothi mothj si i < j.
Ceci pose un problème lors de l'enchaînement des calculs thermiques, les champs de température du
modèle mothi n'étant pas définis en tous les noeuds du modèle correspondant à la passe suivante i+1.
Il faut donc effectuer un prolongement des champs calculés d'un modèle à l'autre. (voir [§3.2.3]).
Remarque :
Une autre solution consiste à ne considérer qu'un seul modèle contenant toutes les passes et
à « désactiver » artificiellement les cordons non encore déposés en leur imposant une
conductivité thermique nulle. Cet artifice peut provoquer des légères oscillations numériques
de la température dues à la discontinuité de la conductivité aux interfaces entre les cordons.
C'est néanmoins cette méthode qui est utilisée dans le cast-test [V7.42.100]. Elle permet
d'économiser l'étape de prolongement des champs [§2.2.3].
Manuel d'Utilisation
Fascicule U2.03 : Thermo-mécanique
HT-66/03/002/A
Code_Aster ®
Version
6.3
Titre :
Notice d'utilisation pour des calculs de soudage
Date :
01/10/03
Auteur(s) :
X. DESROCHES Clé
:
U2.03.05-A Page
: 8/12
2.2.2 Conditions aux limites (convection et rayonnement)
Pour la modélisation de l'échange convectif et radiatif, on a choisi de faire figurer :
·
pendant la montée et le maintien du Qr : échange convectif et radiatif sur toutes les frontières
sauf celle du cordon de la passe courante,
·
pendant le refroidissement : mêmes conditions aux limites avec en plus la frontière du cordon
de la passe courante (pour prendre en compte le cordon de soudure venant d'être déposé).
Les figures de conditions aux limites (mailles de bord support des conditions aux limites) sont à
réactualiser à chaque passe au niveau du chanfrein, les cordons s'empilant les uns sur les autres. Il
est nécessaire d'avoir prévu cette opération dès le départ, au moment du maillage, c'est-à-dire avoir
créé autant de figures qu'il y a de passes.
2.2.3 Prolongement des champs
Le prolongement des champs de température (et éventuellement de métallurgie) est nécessaire à la
fin de chaque passe afin que ceux-ci soient définis sur le modèle de la passe suivante. On procède en
4 étapes :
·
on commence par créer un champ de température à l'ambiante (T20) sur tout le maillage par
la commande CREA_CHAMP (opération `AFFE'),
·
on étend le premier champ de température calculé à la passe i (numéro d'ordre 1) en
complétant par T20 sur les nouvelles mailles (CREA_CHAMP opérations `EXTR' puis `ASSE'),
·
on stocke ce champ dans une nouvelle structure de données de type evol_ther par la
commande CREA_RESU,
·
on fait une boucle sur les numéros d'ordre restants et on répète les opérations 2 et 3 pour
chaque numéro d'ordre en enrichissant la structure de données créée en 3 (mot-clé reuse de
CREA_RESU).
Exemple :
#EVOTH1 : EVOL_THER SUR MODELE MOTH1 EST CONNU
#ON VEUT CALCULER EVOTH2 SUR UN MODELE MOTH2 "PLUS GROS" QUE MOTH1.
#LES 2 MODELES S'APPUIENT SUR LE MEME MAILLAGE MAIL
# EXTENSION DES CHAMPS DE TEMPERATURE PAR 20 DEGRES C :
T20=CREA_CHAMP( OPERATION='AFFE', TYPE_CHAM='NOEU_TEMP_R',
MAILLAGE=MAIL, AFFE=_F( TOUT='OUI', NOM_CMP = ('TEMP',),
VALE = (20.,)) )
# EXTENSION DU CHAMP TCH1 EN TCH2 SUR LE PREMIER NUMERO D'ORDRE :
TCH1=CREA_CHAMP(OPERATION='EXTR',TYPE_CHAM='NOEU_TEMP_R',
RESULTAT=EVOTH1, NOM_CHAM='TEMP', NUME_ORDRE=0,)
TCH2=CREA_CHAMP(OPERATION='ASSE',TYPE_CHAM='NOEU_TEMP_R',
MAILLAGE=MAIL, ASSE=( _F( TOUT = 'OUI', CHAM_GD = T20),
_F( TOUT = 'OUI', CHAM_GD = TCH1),))
EVOTH12 = CREA_RESU(TYPE_RESU='EVOL_THER', NOM_CHAM='TEMP',
AFFE=( _F(CHAM_GD=TCH2, LIST_INST= LPAS,
NUME_INIT=0, NUME_FIN=0,),))
DETRUIRE(CONCEPT=_F(NOM=('TCH1', 'TCH2'),),);
# EXTENSION DES CHAMPS TCH1 EN TCH2 SUR LES AUTRES NUMEROS D'ORDRE :
for i in range(325) :
iordr=i+1 ;
TCH1=CREA_CHAMP(OPERATION='EXTR',TYPE_CHAM='NOEU_TEMP_R',
RESULTAT=EVOTH1,
NOM_CHAM='TEMP',
NUME_ORDRE=iordr,)
TCH2=CREA_CHAMP(OPERATION='ASSE',TYPE_CHAM='NOEU_TEMP_R',
MAILLAGE=MAIL, ASSE=( _F( TOUT = 'OUI', CHAM_GD = T20),
_F( TOUT = 'OUI', CHAM_GD = TCH1), ))
EVOTH12=CREA_RESU(reuse=EVOTH12,TYPE_RESU='EVOL_THER
,NOM_CHAM='TEMP',
AFFE=(_F(CHAM_GD=TCH2,LIST_INST=LPAS,NUME_INIT=iordr,
NUME_FIN=iordr,),))
DETRUIRE(CONCEPT=_F(NOM=('TCH1', 'TCH2', ),),);
Manuel d'Utilisation
Fascicule U2.03 : Thermo-mécanique
HT-66/03/002/A
Code_Aster ®
Version
6.3
Titre :
Notice d'utilisation pour des calculs de soudage
Date :
01/10/03
Auteur(s) :
X. DESROCHES Clé
:
U2.03.05-A Page
: 9/12
Pour les champs de métallurgie, l'enchaînement des commandes est le même mais les types de
champ sont différents.
# MEME TRAITEMENT POUR LES CHAMPS DE METALLURGIE
MOTH13 = AFFE_MODELE ( MAILLAGE = MAIL,AFFE= _F( GROUP_MA = ('PASSE13',),
PHENOMENE = 'THERMIQUE', MODELISATION = 'AXIS',))
MINIT=CREA_CHAMP(OPERATION='AFFE',TYPE_CHAM='CART_NEUT_R',
MODELE=MOTH13, AFFE=_F( TOUT='OUI',
NOM_CMP = ('X1','X2','X3','X4','X5',), VALE = (1.,0.,0.,0.,10.,)) )
# EXTENSION DES CHAMPS MCH1 EN MCH2 SUR LES AUTRES NUMEROS D'ORDRE :
for iordr in range(325) :
MCH1=CREA_CHAMP(OPERATION='EXTR',TYPE_CHAM='ELGA_VARI_R',
RESULTAT=EVOTH1,NOM_CHAM='META_ELGA_TEMP',NUME_ORDRE=iordr,)
MCH2=CREA_CHAMP(OPERATION='ASSE',TYPE_CHAM='ELGA_VARI_R',
MODELE=MOTH13, PROL_ZERO='OUI',
ASSE=( _F(TOUT='OUI', NOM_CMP=('X1','X2','X3','X4','X5',),
NOM_CMP_RESU=('V1','V2','V3','V4','V5',)CHAM_GD=MINIT,),
_F(TOUT='OUI',
CHAM_GD=MCH1,),))
EVOTH12=CREA_RESU(reuse=EVOTH12,TYPE_RESU='EVOL_THER',
NOM_CHAM='META_ELGA_TEMP',
AFFE=( _F(CHAM_GD=MCH2, LIST_INST= LPAS,
NUME_INIT=iordr,
NUME_FIN=iordr,),))
DETRUIRE(CONCEPT=_F(NOM=('MCH1', 'MCH2', ),),);
2.3
Calcul mécanique
2.3.1 Modélisations associées aux passes
Contrairement aux calculs thermiques, il est conseillé d'utiliser le même modèle mécanique pour
toutes les passes. Ce modèle comprendra tous les cordons, les cordons non déposés étant
désactivés artificiellement en leur affectant un module d'Young très faible (E =
-
10 11 E réel en
pratique). L'intérêt d'une telle technique est que les cordons mous se déforment avec le chanfrein,
permettant de reprendre la passe suivante sur la géométrie déformée sans avoir de remaillage à faire.
Il faut néanmoins veiller à ce que les cordons non activés conservent une forme réaliste au cours des
calculs. Si ce n'est pas le cas, il faut les remailler.
Pour le cordon déposé, les caractéristiques mécaniques réelles lui sont imposées lorsque celui-ci a
atteint la température de fusion. Ainsi, dans la phase de chauffage, le cordon est encore fictif.
Cette technique est préférable à celle consistant à dédoubler tous les noeuds des interfaces des
cordons et imposer des liaisons en incrément de déplacement entre ddl. En effet, cette dernière
technique, même si elle reproduit assez fidèlement la réalité, a pour inconvénient d'entraîner des
déformées fantaisistes, les cordons n'étant pas attachés à la structure au début de chaque passe. De
plus, la mise en données des liaisons est lourde et leur prise en compte coûteuse en temps CPU.
2.3.2 Bridage de la zone soudée
La modélisation axisymétrique du soudage sur un tube suppose implicitement à tort que le soudage a
lieu simultanément sur toute la circonférence du tube, donc que la température s'élève partout dans le
chanfrein. Dans la réalité, la source de chaleur progresse vers une partie de structure restée froide,
qui bride obligatoirement la zone soudée. La pièce, au niveau de la source de chaleur, ne peut donc
se dilater librement. Cet effet d'autobridage doit s'estomper quand la chaleur diffuse et disparaître au
cours de la phase de refroidissement.
Pour remédier à ce problème, on peut imposer un bridage axial au tube, uniquement dans la phase de
chauffage. On empêche ainsi le tube de se dilater librement au chauffage, par contre il est libre de se
déformer au refroidissement.
Manuel d'Utilisation
Fascicule U2.03 : Thermo-mécanique
HT-66/03/002/A
Code_Aster ®
Version
6.3
Titre :
Notice d'utilisation pour des calculs de soudage
Date :
01/10/03
Auteur(s) :
X. DESROCHES Clé
:
U2.03.05-A Page
: 10/12
La mise en oeuvre dans Aster se fait de la façon suivante :
·
on modélise les appuis par des éléments de bord (segments) dont on bloque les
déplacements. Ces éléments ont des noeuds confondus géométriquement avec les noeuds
en vis-à-vis de la frontière du tube,
·
on met en contact les appuis et les éléments de bord de la frontière (mot-clé CONTACT de
AFFE_CHAR_MECA),
·
à la fin de chaque passe, lorsqu'on réactualise la géométrie, c'est-à-dire qu'on remplace la
géométrie initiale par la géométrie déformée, il faut également réactualiser ces appuis fictifs
en les repositionnant sur la frontière déformée, comme le montrent les 3 schémas
ci-dessous :
appuis initiaux
chanfrein
déformée après passe 1
appuis réactualisés
2.3.3 Calcul mécanique d'une passe
Le modèle mécanique utilisé est celui qui peut prendre en compte les effets des transformations
métallurgiques. La loi de comportement utilisée est élasto-visco-plastique. Le modèle est isotrope
avec une fonction seuil de type VON MISES et un écrouissage isotrope non linéaire avec restauration
visqueuse de l'écrouissage. On ne tient pas compte des phénomènes de plasticité de transformation
et de restauration d'écrouissage métallurgique (loi de comportement META_VNL dans Aster). L'effet
de l'écrouissage cinématique n'a pas été regardé mais il peut être pris en compte.
Les incréments de déformations utilisés pour la relation de comportement incrémentale sont les
déformations linéarisées de l'incrément de déplacement dans la géométrie réactualisée (grands
déplacements, petites déformations). C'est l'option PETIT_REAC de STAT_NON_LINE (les grandes
déformations sont possibles mais ne sont généralement pas nécessaires)
La convergence de la méthode de Newton est difficile au début du refroidissement et il est nécessaire
d'utiliser l'algorithme de recherche linéaire pour améliorer la convergence. (mot-clé RECH_LINEAIRE
de STAT_NON_LINE en utilisant les valeurs par défaut).
A la fin de chaque passe, on réactualise le maillage, c'est-à-dire qu'on remplace le maillage initial par
la géométrie déformée. (opérateur MODI_MAILLAGE mot-clé facteur DEFORME) et on réactualise les
appuis.
Le traitement de l'incompressibilité plastique pose problème en générant des oscillations de
contraintes importantes, en particulier de la trace. L'utilisation d'éléments sous-intégrés QUAD8 n'a
pas permis de résoudre le problème car les maillages comportent beaucoup d'éléments TRIA6 dans
les zones plastifiées pour lesquels on n'avait pas de version sous intégré. On préconise d'utiliser les
nouveaux éléments incompressibles (modélisations PLAN_INCO, AXIS_INCO et 3D_INCO),qui ont
donné des résultats prometteurs sur ce plan. Ces éléments seront disponibles dans la version 6.3
d'Aster.
Manuel d'Utilisation
Fascicule U2.03 : Thermo-mécanique
HT-66/03/002/A
Code_Aster ®
Version
6.3
Titre :
Notice d'utilisation pour des calculs de soudage
Date :
01/10/03
Auteur(s) :
X. DESROCHES Clé
:
U2.03.05-A Page
: 11/12
3 Conclusion
La simulation numérique d'un essai de soudage sur tube en 13 passes a permis de dégager une
méthodologie de calcul dont les points principaux peuvent être résumés ainsi :
·
maillage : chaque cordon doit être maillé par un groupe de mailles. Il n'est pas nécessaire
d'avoir une représentation très précise de la forme des cordons. Par contre, le respect du
volume et de la position du cordon dans le chanfrein est important.
·
thermique : la modélisation de l'apport de chaleur est le point essentiel. La méthode
préconisée consiste à imposer un flux de chaleur aux mailles des cordons déposés. Ce flux
est constant en espace et fonction du temps. Pour déterminer la dépendance temporelle, il
faut procéder à un recalage thermique à partir de données expérimentales (évolutions de
température, zones fondues) ou à défaut de données sur le procédé de soudage et de
calculs simplifiés.
le recalage thermique a un effet important sur les résultats mécaniques finaux, les
déformations et les contraintes résiduelles étant sensibles autant à la valeur qu'à la
répartition de la source de chaleur.
·
mécanique : dans le cas d'un nombre élevé de passes, les déplacements cumulés dans le
chanfrein sont importants et il est préférable de faire un calcul en grands déplacements avec
réactualisation du maillage à la fin de chaque passe. L'hypothèse des grandes déformations
n'est par contre pas nécessaire.
dans le cas d'un tube, la modélisation axisymétrique du soudage nécessite la prise
en compte de conditions aux limites particulières, plus précisément le bridage axial
de la zone soudée pour prendre en compte le fait que la torche progresse vers une
partie de structure restée froide. Ce bridage est indispensable pour obtenir des
valeurs correctes du rétrécissement du chanfrein.
·
modélisation Aster : on préconise de construire des modèles thermiques emboîtés ne
contenant que les cordons effectivement déposés et de prolonger les champs calculés d'un
modèle à l'autre. Par contre, il est préférable d'avoir un seul modèle mécanique comportant
la totalité des cordons dès le départ, les cordons étant désactivés artificiellement en leur
affectant un module d'Young quasi-nul. De cette façon, on évite d'avoir à remailler les
cordons de soudure au fur et à mesure que le chanfrein se déforme.
Manuel d'Utilisation
Fascicule U2.03 : Thermo-mécanique
HT-66/03/002/A
Code_Aster ®
Version
6.3
Titre :
Notice d'utilisation pour des calculs de soudage
Date :
01/10/03
Auteur(s) :
X. DESROCHES Clé
:
U2.03.05-A Page
: 12/12
4 Bibliographie
[1]
F. WAECKEL : Synthèse des modélisations thermiques d'une opération de soudage
réalisées dans la fiche coopérative 3449. Note EDF DER HI-74/95/028/0
[2]
F. WAECKEL, L. BIRONNEAU : Simulations mécaniques d'une opération de soudage
multipasses sur plaque autobridée. Note EDF DER HI-74/96/006/0
[3]
C. BOIS : Simulation thermique du soudage multipasses par procédé TIG pulsé d'une
tuyauterie en acier inoxydable. Note FRAMATOME EER DC 1509
[4]
J. DEVAUX
: Fiche tripartite 3488. Simulation numérique du soudage. Calculs
thermo-mécaniques des passes 1 à 5. Note FRAMATOME LL/99.4564
[5]
X. DESROCHES : Simulation numérique d'un essai de soudage sur tube en 13 passes. Note
EDF DER HI-75/00/016/A
[6]
X. DESROCHES, A. RAZAKANAIVO, C. BOIS, Ph. GILLES, J. KICHENIN, Y. LEJAIL :
Synthèse de la FC3488 : « Simulation du soudage multipasses : validation expérimentale ».
Note Technique CEA DER/SERI/LCS/01/4027
Manuel d'Utilisation
Fascicule U2.03 : Thermo-mécanique
HT-66/03/002/A
Document Outline