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Rapport : Projet de Fin d’Etude Simulation numérique de l’usinage avec ABAQUS L

Rapport : Projet de Fin d’Etude Simulation numérique de l’usinage avec ABAQUS LAROCHE Yohann & NARCISSE Julien 5A DMS POLYTECH’TOURS- 2011/2012 Responsables enseignants : CELLIER Adrien & MORANDEAU Antoine LAROCHE Yohann, NARCISSE Julien - Simulation numérique d’un usinage avec ABAQUS 1 Remerciements Nous tenons à remercier Monsieur Adrien CELLIER et Monsieur Antoine MORANDEAU, doctorants au Centre d’Etude et de Recherche des Outils Coupant (CEROC) pour nous avoir assistés durant la totalité de notre Projet de Fin d’Etude (PFE). Nous remercions également Monsieur Florent CHALON et Monsieur Stéphane MEO, pour leurs aides ponctuelles qu’ils ont pu nous accorder. Enfin, nous souhaitons faire part de notre reconnaissance aux personnels du CEROC pour son accueil au sein de leur lieu de travail. Yohann LAROCHE & Julien NARCISSE Contenu I. Définition du modèle ................................................................................................................................................... 5 a) Définition du matériau ........................................................................................................................................... 5 i. Loi de Comportement de Johnson-Cook .............................................................................................. 5 ii. Critère d’endommagement de Johnson-Cook ................................................................................... 6 b) Méthodes de calcul ................................................................................................................................................... 6 i. Formulation Eulérienne .............................................................................................................................. 6 ii. Formulation Lagrangienne ........................................................................................................................ 7 iii. Formulation ALE ............................................................................................................................................. 7 II. Détermination des coefficients des lois de Johnson-Cook ......................................................................... 8 a) Détermination des coefficients de la Loi de Comportement de Johnson-Cook par un essai de traction. ............................................................................................................................................................................. 8 i. Objectif ................................................................................................................................................................. 8 ii. Stratégie .............................................................................................................................................................. 8 iii. Protocole ............................................................................................................................................................. 8 iv. Analyse des résultats .................................................................................................................................... 9 b) Détermination des coefficients du critère d’endommagement de Johnson-Cook .................. 11 III. Application au modèle numérique ................................................................................................................ 14 a) Choix de modélisation ......................................................................................................................................... 14 i. ABAQUS explicit ........................................................................................................................................... 14 ii. Matière .............................................................................................................................................................. 15 iii. Définition des unités .................................................................................................................................. 15 iv. Méthode ALE .................................................................................................................................................. 15 b) Procédure à suivre ................................................................................................................................................ 16 i. Module « Part » ............................................................................................................................................. 16 ii. Module « Property » ................................................................................................................................... 17 iii. Module « assembly » .................................................................................................................................. 18 iv. Module « Step » ............................................................................................................................................. 18 v. Module « Interaction » .............................................................................................................................. 20 vi. Module « Load »............................................................................................................................................ 21 vii. Module « Mesh » ........................................................................................................................................... 22 viii. Module « Job » ............................................................................................................................................... 23 IV. Résultat et bilan ...................................................................................................................................................... 24 LAROCHE Yohann, NARCISSE Julien - Simulation numérique d’un usinage avec ABAQUS 1 Table des illustrations Figure 1. Système {Pièce + outil + copeau} et paramètres de la coupe ......................................................... 4 Figure 2. Système {Pièce + outil + copeau} en coupe orthogonal .................................................................... 4 Figure 3. Difficultés associées aux Formulation Lagrangienne et réparation ALE (ref. PFE_de Schoubrenner Mathieu, INSA Strasbourg, 2009) ..................................................................................................... 7 Figure 4. Machine de traction Instron ........................................................................................................................... 8 Figure 5. Eprouvette de dural (AU4G) – épaisseur =1mm, largeur = 6mm, Longueur =50mm ........ 9 Figure 6. Courbe de traction : σ=f(ε) d’AU4G à v =5, 10 et 15 mm/min. ...................................................... 9 Figure 7. Tracé Logarithmique de la zone plastique : σvrai=f(εvrai) de l’aliage d’aluminium dit « dural » (AU4G) à v =2 mm/min. ................................................................................................................................. 10 Figure 8. Graphe Logarithmique des contraintes à vitesses de déformations différentes. .............. 10 Figure 9. Comparaison avec des Coefficient Existant pour l’AU4G .............................................................. 11 Figure 10. A droite 3 éprouvettes ayant des géométries différentes mais de section égale ............ 12 Figure 11. Exemple de courbe obtenu dans un article de recherche de O. PANTALE ......................... 13 Figure 12. Esquisse de l'outil .......................................................................................................................................... 16 Figure 13. Définition du matériau - loi de comportement de J-C .................................................................. 17 Figure 14. Définition du matériau - loi d’endommagement de J-C ............................................................... 17 Figure 15. Modèle géométrique outil+pièce ............................................................................................................ 18 Figure 16. Définition du step ........................................................................................................................................... 19 Figure 17. Définition du domaine de remaillage ALE ......................................................................................... 19 Figure 18. Définition du contrôle du remaillage ALE .......................................................................................... 20 Figure 19. Contrainte de l’outil en corps rigide ..................................................................................................... 20 Figure 20. Création du contact surface-to-surface outil+piece ...................................................................... 21 Figure 21. Création des conditions de chargements ........................................................................................... 21 Figure 22. Définition des caractéristiques des éléments................................................................................... 22 Figure 23. Définition des variables de sorties de la simulation ..................................................................... 23 Figure 24. Résultat de simulation - formation du copeau ................................................................................. 24 Figure 25. Schéma de formation du copeau............................................................................................................. 24 Figure 26. Résultat de simulation - formation du copeau (sans maillage) ............................................... 25 Figure 27. Résultat de simulation - interaction copeau/matière .................................................................. 25 Figure 28. Résultat de simulation - détachement du copeau .......................................................................... 26 Figure 29. Propriétés générales de l’AU4G............................................................................................................... 27 Figure 30. Paramètres des lois de comportement et d’endommagement de l’AU4G .......................... 27 Figure 31. Résultat de simulation avec maillage grossier ................................................................................. 28 Figure 32. Résultat de simulation (densité fausse) .............................................................................................. 28 LAROCHE Yohann, NARCISSE Julien - Simulation numérique d’un usinage avec ABAQUS 2 Glossaire ABAQUS : ABAQUS est un progiciel de calcul en éléments finis développé par DASSAULT SYSTEMES. Il se compose de trois produits : ABAQUS/Standard, ABAQUS/Explicit et ABAQUS/CAE. ALE : Le maillage adaptatif ALE est un mix des formulations Eulérienne et Lagrangienne. Élément finis : Les méthodes numériques en éléments finis reposent en général sur des formulations vibrationnelles des équations différentielles. Les inconnues sont représentées grâce à des fonctions de base, qui sont des polynômes d'interpolation définis élément par élément. La force des méthodes aux éléments finis est de bien convenir pour les problèmes où la géométrie est compliquée. Endommagement : L'endommagement est l'apparition dans un matériau de dommages causés par l'usure ou une attaque physique. Il conduit à une dégradation de ses capacités physiques pouvant conduire à la rupture. Explicit : La version explicit d’ABAQUS est un produit d’analyse d’élément fini qui emploie un schéma d'intégration explicite pour résoudre des problèmes dynamiques ou quasi-statiques non-linéaires. Maillage : C’est la discrétisation spatiale d’un milieu continu en éléments simple proportionnés et bien définis. L'objet d'un maillage est de procéder à une simplification d'un système par un modèle représentant ce système pour des calculs de simulations numérique. Modèle de Johnson-Cook : Le modèle de Johnson-Cook est une loi empirique utilisée pour décrire le comportement des matériaux soumis à des sollicitations dynamiques Usinage : Procédé de fabrication dans le but d’obtenir les cotations finales d’une pièce. LAROCHE Yohann, NARCISSE Julien - Simulation numérique d’un usinage avec ABAQUS 3 Introduction La plupart des matériaux de l’industrie mécanique doivent subir au minimum une opération d’usinage dans leurs procédés de mise en forme. Dans le but de réduire les coûts concernant les essais d’usinage (le coût matière, le coût d’utilisation des machines) et d’optimiser la conception des plaquettes, l'utilisation de l'outil numérique devient incontournable. La modélisation de l’usinage met en jeu à la fois des phénomènes thermiques, mécanique et tribologique. Différentes études ont proposé des modèles en 2D avec des modélisations couplées thermomécaniques comprenant des géométriques relativement simple et permettant de récupérer comme résultats les efforts de coupe ainsi que la visualisation de la formation du copeau. Les lois de comportement utilisées suivent le modèle de Johnson-Cook. Ces modèles prennent en compte l’écrouissage, la vitesse de déformation ainsi que l’adoucissement thermique. L’objectif final de notre projet est de modéliser en 2D l’usinage d’un bloc de matière utilisant les lois de comportement et d’endommagement de Johnson-Cook. Notre étude consistera donc à décrire toutes les étapes nécessaires à l’obtention d’un modèle réaliste avec le logiciel de calculs numérique ABAQUS. Nous effectuerons dans un premier temps une recherche bibliographique sur la modélisation de la coupe orthogonale en élément fini. Dans un second temps nous vérifierons expérimentalement les coefficients utilisés dans les lois de Johnson-Cook pour le matériau que l’on appliquera à notre modèle numérique. Pour finir nous simulerons un modèle de coupe 2D intégrant ces paramètres. Ces simulations seront effectuées à l'aide du logiciel de simulation par éléments finis ABAQUS/Explicit. LAROCHE Yohann, NARCISSE Julien - Simulation numérique d’un usinage avec ABAQUS 4 Avant-propos Les études (certaine faisant même partie des références bibliographique de ce rapport) ont montrées que la formation du copeau, que ce soit en tournage ou fraisage, peut se limiter à une coupe orthogonale. Cette simplification offre notamment de simplifier énormément les modèles numériques mais aussi la compréhension du modèle mécanique du système {Pièce + outils}. Voir Figure 1 Figure 1. Système {Pièce + outil + copeau} et paramètres de la coupe De plus, si l’on considère que l’épaisseur du copeau (e) est faible face à sa largueur (w), le système peut alors se ramené à un problème plan (déformation plane). Voir Figure 2 Figure 2. Système {Pièce + outil + copeau} en coupe orthogonal C’est donc sur ce problème plan que c’est portée notre étude, avec pour support le code de calcul du Logiciel ABAQUS-Explicit®. Pour cette étude nous avons choisi de travailler avec un alliage d’aluminium, le dural (ou AU4G) du fait de sa forte utilisation dans l’industrie d’aujourd’hui. Vc LAROCHE Yohann, NARCISSE Julien - Simulation numérique d’un usinage avec ABAQUS 5 I. Définition du modèle a) Définition du matériau Après recherches bibliographiques sur le sujet, nous avons remarqué que nombreux sont ceux qui ont tenté de réaliser cette simulation numérique. Beaucoup semblaient centrer leurs travaux sur la définition du matériau, c’est ainsi que nous nous sommes rendu compte que cette dernière été l’un des points clef de l’étude. Dans un premier temps, selon les consignes de nos encadrants, nous avons porté notre étude sur une loi de comportement et une loi d’endommagement très répandu dans l’usinage. Ainsi nous utiliserons la loi de comportement de uploads/Geographie/ 2012pfe-laroche-narcisse-dms.pdf