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Optimisation des proc´ ed´ es d’emboutissage par caract´ erisation g´ eom´ etri

Optimisation des proc´ ed´ es d’emboutissage par caract´ erisation g´ eom´ etrique et essais num´ eriques Yann Ledoux To cite this version: Yann Ledoux. Optimisation des proc´ ed´ es d’emboutissage par caract´ erisation g´ eom´ etrique et essais num´ eriques. Sciences de l’ing´ enieur [physics]. Universit´ e de Savoie, 2005. Fran¸ cais. HAL Id: tel-00419320 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00419320 Submitted on 23 Sep 2009 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. Université de SAVOIE lméca Thèse de doctorat Discipline : Sciences pour l’ingénieur Spécialité : Génie Mécanique Présentée et soutenue publiquement par Yann LEDOUX Date de soutenance : 12 décembre 2005 Optimisation des procédés d’emboutissage par caractérisation géométrique et essais numériques Jury G. BRABIE Examinateur M. BRUNET Rapporteur Z. CHERFI BOULANGER Rapporteur M. GIORDANO Codirecteur habilité E. PAIREL Directeur de thèse ii A ma pitchoune iv Remerciements J’exprime tout d’abord ma sincère reconnaissance à mon directeur de thèse, Monsieur Eric PAIREL, pour m’avoir guidé tout au long de ce travail. Que Monsieur Max GIORDANO, Directeur du laboratoire et codirecteur habilité de cette thèse, trouve ma reconnaissance pour l’accueil qu’il m’a réservé au sein de son laboratoire et pour les critiques constructives qu’il a apporté à ces travaux. Que Madame Zora CHERFI BOULANGER et Monsieur Michel BRUNET, respectivement Maîtres de conférences habilitée à l’UTC Compiègne et professeur à l’INSA de Lyon, acceptent mes remerciements pour la lecture scientifique approfondie de mon travail. Je remercie aussi, Monsieur George BRABY, pour avoir accepté de participer à ce jury. Je tiens tout particulièrement à remercier Monsieur Robert ARRIEUX, directeur administratif du projet européen au lméca, pour son savoir faire tant au niveau humain qu’au niveau scientifique, Monsieur Serge SAMPER, pour les sorties sportives et les longues discussions que nous avons eu ainsi que Monsieur Hervé LOUCHE, pour son savoir faire et ses conseils sur les aspects numériques. Je remercie aussi Pascale BALLAND et Alain SERGENT pour l’aide, la bonne humeur et les parties de squash que nous avons partagées. Je remercie ma belle famille, pour leur aide à la rédaction de ce mémoire. Bien entendu, mille mercis à mes collègues de bureau et de thèse pour les moments, l’aide et les idées que nous avons partagés. Et enfin, un grand merci, à tous ceux qui m’ont aidé et soutenu durant ces trois années de recherche, enseignants, étudiants et secrétaires. vi Sommaire : Introduction.......................................................................................................................... 1 I-1 Contexte................................................................................................................... 3 I-2 Enjeux du projet....................................................................................................... 3 I-3 Contexte économique .............................................................................................. 3 I-4 Présentation de l’emboutissage ............................................................................... 4 I-5 Objectifs de la thèse................................................................................................. 6 Chapitre 1 ............................................................................................................................. 9 1 Etude bibliographique .......................................................................................... 11 1.1 Objectif........................................................................................................ 11 1.2 Démarches industrielles .............................................................................. 11 1.2.1 Mise au point basée sur des règles métiers et des essais réels ................ 11 1.2.2 Mise au point basée sur des essais numériques....................................... 14 1.3 Propositions scientifiques............................................................................ 14 1.3.1 Démarche de déformation de l’outillage par essais numériques............. 14 1.3.2 Démarche rationnelle d’optimisation basée sur des essais...................... 15 1.4 Conclusion................................................................................................... 18 Chapitre 2 ........................................................................................................................... 19 2 Caractéristiques mécaniques pour l’emboutissage ............................................ 21 2.1 Objectifs ...................................................................................................... 21 2.2 Principaux modes de déformation............................................................... 21 2.3 Caractéristiques des matériaux.................................................................... 22 2.3.1 Les critères conventionnels..................................................................... 23 2.3.2 Les critères rationnels.............................................................................. 26 2.4 Le retour élastique....................................................................................... 30 2.4.1 Présentation du retour élastique .............................................................. 30 2.4.2 Origine du retour élastique...................................................................... 31 2.5 Les contraintes résiduelles .......................................................................... 32 2.5.1 Dispositif de mise en évidence des contraintes résiduelles..................... 33 2.6 Les principaux défauts des pièces embouties.............................................. 35 2.7 Détermination des paramètres influents du procédé ................................... 36 2.7.1 Pièce en forme de rail.............................................................................. 36 2.7.2 Pièce axisymétrique d’emboutissage profond......................................... 37 2.7.3 Bilan sur les paramètres influents ........................................................... 37 2.8 Conclusion................................................................................................... 38 Chapitre 3 ........................................................................................................................... 39 3 Simulations numériques en emboutissage........................................................... 41 3.1 Objectif........................................................................................................ 41 3.2 Les simulations numériques par éléments finis : méthodes directes et méthodes inverses ....................................................................................................... 41 3.3 Méthodes directes de simulation................................................................. 41 3.3.1 Schéma implicite..................................................................................... 41 3.3.2 Schéma explicite ..................................................................................... 42 3.4 Choix du schéma d’intégration pour la simulation d’emboutissage ........... 43 3.4.1 Simulation de mise en forme et paramètres clés associés....................... 43 vii 3.4.2 Simulation de retour élastique et paramètres clés associés ..................... 45 3.4.3 Bilan ........................................................................................................ 46 3.5 Exemple d’application : présentation de la pièce en V ............................... 47 3.5.1 Conception de l’outillage initial .............................................................. 47 3.5.2 Simulation de la pièce en V aux cotes nominales ................................... 48 3.6 Conclusion................................................................................................... 49 Chapitre 4............................................................................................................................ 51 4 Paramétrage et mesurage des défauts géométriques.......................................... 53 4.1 Objectif........................................................................................................ 53 4.2 Mesurage des pièces simulées..................................................................... 53 4.2.1 Comparaison globale............................................................................... 53 4.2.2 Mesurage par association d’entités tridimensionnelles ........................... 54 4.2.3 Association d’éléments déformables....................................................... 56 4.3 Paramétrage des pièces simulées................................................................. 58 4.4 Détermination du nombre de paramètres..................................................... 58 4.4.1 Détermination du nombre de paramètres par une approche théorique.... 59 4.4.2 Détermination du nombre de paramètres par l’étude de la géométrie déformée 62 4.5 Paramètres pilotant et pilotés....................................................................... 64 4.5.1 Choix et qualification du paramétrage..................................................... 65 4.5.2 Exemple 1................................................................................................ 65 4.5.3 Exemple 2 du pilotage de la géométrie ................................................... 67 4.5.4 Bilan de l’analyse de ce second exemple ................................................ 68 4.6 Mise en place d’outils de métrologie pour la mesure des paramètres......... 68 4.6.1 Création de plan de coupe dans un nuage de points................................ 68 4.6.2 Mesurage au sein du profil ...................................................................... 70 4.6.3 Calcul des valeurs des paramètres........................................................... 71 4.6.4 Bilan des outils développés pour la métrologie....................................... 72 4.7 Application du mesurage des paramètres sur la simulation nominale de la pièce en V.................................................................................................................... 72 4.7.1 Paramétrage des défauts géométrique ..................................................... 72 4.7.2 Mesurage des paramètres choisis ............................................................ 74 4.8 Conclusion................................................................................................... 76 Chapitre 5............................................................................................................................ 77 5 Plans d’expériences ............................................................................................... 79 5.1 Objectifs ...................................................................................................... 79 5.2 Présentation du problème ............................................................................ 79 5.3 Différentes approches possibles de réalisation d’expériences..................... 80 5.4 Généralités et formalisation liées aux plans d’expériences......................... 81 5.4.1 Terminologie ........................................................................................... 81 5.5 Les plans factoriels complets....................................................................... 84 5.5.1 L’orthogonalité........................................................................................ 85 5.5.2 Estimation de la valeur des coefficients du modèle ................................ 85 5.5.3 Notion d’interaction................................................................................. 89 5.6 Les plans fractionnaires............................................................................... 90 5.6.1 Création du plan fractionnaire à partir d’un plan complet....................... 90 5.6.2 Méthode de construction de Taguchi ...................................................... 92 5.6.3 Bilan des plans fractionnaires.................................................................. 92 viii 5.7 Les plans composites................................................................................... 92 5.7.1 Construction des plans composites ......................................................... 93 5.7.2 Détermination des paramètres du plan.................................................... 94 5.7.3 Calcul des coefficients du modèle associé au plan composite................ 95 5.8 Validation des modèles théorique ............................................................... 95 5.8.1 L’écart au centre du domaine.................................................................. 96 5.8.2 Détermination de la qualité d’ajustement des modèles par des méthodes statistiques............................................................................................................... 96 5.9 Tracé des graphiques d’influence................................................................ 98 5.9.1 Effet des facteurs..................................................................................... 98 5.9.2 Effet des interactions............................................................................... 99 5.10 Bilan sur l’utilisation des modèles .............................................................. 99 5.11 Application à l’exemple de la pièce en V ................................................. 101 5.11.1 Rappel des paramètres géométriques à identifier.................................. 101 5.11.2 Choix des paramètres de l’outillage à optimiser................................... 102 5.11.3 Etude par un plan fractionnaire............................................................. 103 5.11.4 Etude par un plan composite................................................................. 109 5.12 Conclusion................................................................................................. 113 Chapitre 6 ......................................................................................................................... 115 6 Optimisation ........................................................................................................ 117 6.1 Objectifs .................................................................................................... 117 6.2 Généralités sur l’optimisation ................................................................... 117 6.2.1 Ecriture formelle d’un problème d’optimisation................................... 117 6.2.2 Définition du vocabulaire...................................................................... 117 6.2.3 Optimisation multi objectifs.................................................................. 118 6.2.4 Distance à un objectif et agrégation de fonctions coût.......................... 119 6.3 Optimisation de fonctions explicites......................................................... 120 6.3.1 Description de l’algorithme de la méthode de Newton......................... 120 6.4 Optimisation de fonctions non explicites.................................................. 121 6.4.1 Optimisation basée sur la méthode du simplexe ................................... 121 6.5 Optimisation basée sur des plans d’expériences successifs [GIL 97]....... 125 6.5.1 Conditionnement du problème.............................................................. 125 6.5.2 Optimisation.......................................................................................... 126 6.5.3 Condition d’arrêt ................................................................................... 126 6.5.4 Etude de la sensibilité des facteurs autour de l’optimum trouvé........... 126 6.5.5 Détail de l’algorithme de la méthode .................................................... 127 6.6 Bilan des diverses méthodes proposées .................................................... 127 6.7 Application des méthodes d’optimisation à la pièce en V ........................ 128 6.7.1 Optimisation et réalisation de l’expérience optimale du plan fractionnaire 128 6.7.2 Optimisation et réalisation de l’expérience optimale du plan composite 130 6.7.3 Réalisation de la configuration optimale sur un outillage réel.............. 132 6.7.4 Optimisation par la méthode du simplexe............................................. 134 6.7.5 Optimisation par plans d’expériences successifs .................................. 135 6.7.6 Bilan des techniques utilisées................................................................ 138 6.8 Conclusion................................................................................................. 139 Chapitre 7 ......................................................................................................................... 141 ix 7 Application de la méthode à une pièce emboutie en une passe ....................... 143 7.1 Etude de la « lamelle de calotte sphérique » ............................................. 143 7.1.1 Etape 1 : Simulation de l’emboutissage avec l’outillage initial ............ 143 7.1.2 Etape 2 : Paramétrage des défauts géométriques de la pièce ................ 146 7.1.3 Etape 3 : Choix des paramètres de l’outillage à optimiser .................... 146 7.1.4 Etape 4 : Construction du plan et réalisation des expériences............... 146 7.1.5 Etape 5 : Mesurage des défauts ............................................................. 146 7.1.6 Etape 6 : Calcul des uploads/Science et Technologie/ these-yledoux-2005.pdf