Tato diplomová práce se zabývá výpočtovým modelováním zápustkového kování, které patří do metod objemového tváření zatepla. Cílem je změnit běžnou praxi tvorby výpočtových modelů ve specializovaných softwarech na bázi metody konečných prvků (MKP) a sestavit výpočtový model v MKP softwaru Abaqus. Pro výpočet jsou zde použity deformační varianta MKP a explicitní algoritmus. Řešenou součástí je ozubené kolo automobilové převodovky. V rámci práce je vytvořena rešerše z oblasti objemového tváření včetně specializovaných programů pro simulace procesů tváření. Dále jsou v práci uvedeny všechny konstitutivní vztahy pro popis elasto-plastického modelu materiálu s tvárným porušením. Následuje teorie přenosu tepla, jsou popsány všechny způsoby jeho realizace s jejich matematickými formulacemi včetně metod řešení. Klíčovou je kapitola popisující postup tvorby výpočtového modelu v softwaru Abaqus od tvorby geometrie až po okrajové podmínky. Následuje analýza dosažených výsledků a práce je zakončena výhledem na možné pokračování v tomto tématu.

Ce travail de thèse a pour objectif de comprendre la fragilité des composites à matrice polymère (PVC) contenant des particules de bois. Dans un premier temps, il s’agit d’examiner le rôle de chacun des constituants : matrice et charge, sur les propriétés mécaniques du composite. Cette étude a montré que l’influence des paramètres relatifs à la microstructure de la matrice PVC est minoritaire face à celle des paramètres de la farine de bois. Pour mettre en évidence le rôle des particules de bois, une méthode d’analyse de leur dispersion et leur orientation par une technique 3D non destructive, a été employée : la tomographie aux rayons X. Un traitement spécifique des données a permis de quantifier la taille, l’orientation et la connectivité des particules. Ainsi, on a montré que l’existence d’agglomérats et/ou d’un réseau percolant fragilise fortement le composite ce qui explique la chute de la résistance au choc lorsque le taux de farine de bois augmente. Pour optimiser le compromis fragilité/ductilité, différentes solutions ont été envisagées. Dans un deuxième temps, nos travaux s'intéressent à l'évolution de l'endommagement de matériaux composites possédant différents taux de farine de bois. Cette évolution est mesurée à l'aide de deux techniques : l'émission acoustique et la tomographie aux rayons X in-situ. La décohésion à l’interface entre la matrice PVC et les particules de bois est le mécanisme initiant l’endommagement. La transition ductile/fragile des composites s’explique par la coalescence de ces cavités. L’ajout de modifiant choc ne réduit pas suffisamment ce mécanisme. Les agents de couplage sont donc la voie à explorer afin d’améliorer l’interface matrice/particules et remédier au défaut d’adhésion qui pénalise ces composites. / The aim of the present study is to understand the origin of the brittleness of PVC/wood flour composites (WPC). The influence of the matrix and of the filler is investigated: fiber parameters are key factors that significantly affect the mechanical properties of WPC. Fiber dispersion, orientation and particles connectivity can be accurately assessed by using the non-destructive X-ray tomography technique. The qualitative and quantitative analysis of tomography experimental results allows a 3D visualisation of the composite. The brittleness of the composites is caused by agglomerates and/or the presence of a percolated network: it explains why impact resistance decreases when the wood flour content increase. To optimise the rigidity/ductility compromise, several solutions are considered. The other part of this work consists of combining acoustic emission and X-ray tomography to study the evolution of damaging in composite materials with different wood flour content. An original coupling of these two techniques is implemented. The main failure mechanism involved in such composites is the decohesion between the matrix and the wood particles. The ductile/brittle transition occurs when the cavities coalescence becomes the dominant process over the PVC matrix failure. Adding impact modifiers is not sufficient to improve the ductility of the composite. Coupling agents are the route to be explored so as to improve the interfacial adhesion between the matrix and the particles.

De nos jours, la politique écologique encourage les constructeurs automobiles à réduire le poids global du véhicule. Des tôles d'acier fines d'épaisseur différente optimisant chaque partie de l'assemblage sont utilisées et les sidérurgistes développent des aciers de plus en plus résistants à savoir l'Acier Haute Résistance Avancé (AHSS) avec un bon compromis entre résistance mécanique et ductilité (emboutissage). Lors des essais mécaniques de soudage hétérogène AHSS, des modes de fractures inhabituels sont observés, notamment le long de l'interface entre la zone affectée par la chaleur (ZAT) et la zone de fusion ou zone fondue (ZF). Ces fractures se produisent généralement avec une résistance inférieure à celle attendue pour ces soudures. Les objectifs de l'étude sont de comprendre les mécanismes de rupture au cours des essais mécaniques et de créer un modèle mécanique de FE conçu pour prédire la résistance mécanique des assemblages soudés. Tout d'abord, une étude de soudage hétérogène constituée de deux nuances d'acier bien connues d'ArcelorMittal vise à comprendre le mécanisme de défaillance et les paramètres affectant les modes de défaillance. Différentes configurations sont étudiées avec l'épaisseur. Le modèle FE est construit avec une réponse mécanique identifiée de chaque zone (matériaux de base, zones affectées par la chaleur et zone de fusion), en utilisant des modèles d'ArcelorMittal et des données expérimentales. Des critères de défaillance basés sur des dommages ductiles tenant compte de l'influence de la triaxialité sont utilisés et certains éléments cohésifs sont utilisés pour simuler une défaillance interfaciale. Deux configurations d'essais mécaniques dans le cas du soudage par résistance par points (essais de traction transversale et de traction) sont considérées. Les prédictions du modèle étaient très précises avec les modes de défaillance et les forces expérimentaux. Ensuite, cette méthode de modélisation FE a été appliquée avec succès à un boîtier de soudage par points très hétérogène comprenant un nouveau concept AHSS basse densité de troisième génération à forte teneur en aluminium et en manganèse. Les modes d'échec et les forces obtenues étaient comparables. De plus, la méthode de modélisation FE a été appliquée sur des configurations plus complexes, en particulier sur un assemblage soudé par points triple épaisseur. La robustesse du modèle pour prédire les modes de défaillance partielle et les forces d'une soudure par points triple épaisseur a été démontrée. En outre, la méthodologie de modélisation FE a été étendue à un autre type de soudage: le soudage à l'arc. Dans ce cas, deux feuilles sont soudées en configuration de chevauchement ab avec un fil d'apport. Le modèle FE permet de prédire la zone de rupture et la résistance de l'assemblage soudé. / Nowadays, ecological policy encourages carmakers to reduce the global vehicle weight. Fine steel sheets assemblies with different thickness optimizing each part of the assembly are used and steelmakers develop steels which are more and more resistant namely Advanced High Strength Steel (AHSS) with a good compromise between mechanical strength and ductility (stamping). During the mechanical tests of heterogeneous AHSS welding, unusual fracture modes are observed, in particular along the interface between the Heat Affected Zone (HAZ) and the Fusion Zone or molten zone (FZ). These fractures generally occur with lower strength than expected for these welding. The objectives of the study are to understand fracture mechanisms during mechanical testing and create a mechanical FE model is developed to be able to predict mechanical strength of the welded assemblies. Firstly, a study of heterogeneous welding constituted of two well-known steel grades of ArcelorMittal aims at understanding failure mechanism and parameters affecting the failure modes. Different configurations are studied with thickness. FE model is built with mechanical response identified of each zone (base materials, heat affected zones and fusion zone), using ArcelorMittal models and experimental data. Failure criteria based on ductile damage taking into account the influence of the triaxiality are used and some cohesive elements are used to simulate interfacial failure. Two configurations of mechanical testing in the case of Resistance Spot Welding (cross tension and tensile shear tests) are considered. Model predictions were very accurate with experimental failure modes and strengths. Then, this FE modelling method was successfully applied to a highly heterogeneous spot welding case including a new third generation low density AHSS concept with high aluminum and manganese content. Failure modes and strengths obtained were comparable. Moreover, FE modelling method was applied on more complex configurations, in particular on a triple thick spot welded assembly. The robustness of the model to predict partial failure modes and strengths of a triple thick spot weld has been demonstrated. In addition, FE modelling methodology was extended to another welding type: arc welding. In this case, two sheets are welded in ab overlap configuration with a filler wire. FE model allows predicting the failure zone and strength of welded assembly.

Cette étude a pour objectif principal d’établir une stratégie de modélisation robuste, fiable et performante pour décrire des propagations de fissures d’échelle centimétrique en régime ductile dans des composants industriels. Le modèle d’endommagement de GTN écrit en grandes déformations est utilisé pour modéliser l’endommagement ductile. Ce modèle conduit généralement à une localisation de la déformation, conformément à l’expérience. L’échelle caractéristique de ce phénomène est introduite dans les équations de comportement via l’adoption d’une formulation non locale.Sur le plan numérique, ce modèle non local rend bien compte de la localisation dans une bande d’épaisseur donnée lorsqu’on raffine suffisamment le maillage. Par ailleurs, le problème de verrouillage numérique associé au caractère initialement isochore de la déformation plastique est limité en utilisant une formulation à base d’éléments finis mixtes. Enfin, la distorsion des éléments totalement cassés (i.e. sans rigidité apparente), qui pourrait nuire à la bonne convergence des simulations numériques, est traitée par une régularisation viscoélastique.L’ensemble de ces ingrédients sont appliqués pour simuler la propagation de fissure dans un milieu infini plasticité confinée), de sorte à établir un lien avec les approches globales en J-Δa. L’émoussement, l’amorçage et la (grande) propagation de fissure sont bien prédits. Le modèle est également appliqué à une tuyauterie métallique testée en grandeur réelle dans le cadre du projet européen Atlas+. Après une phase d’identification des paramètres sur éprouvette, les réponses globales et locales d’autres éprouvettes et du tube sont confrontés aux résultats expérimentaux. Ces résultats illustrent le degré de robustesse, de fiabilité et de performance qu’on peut attendre du modèle. / The major goal of this work is to establish a robust, reliable and efficient modeling technique so as to describe ductile tearing over a distance of several centimeters in industrial cases. The GTN damage model expressed in the context of finite strains is chosen to model ductile damage. Generally, the model leads to strain localization in agreement with experimental observations. The characteristic length scale of this phenomenon is introduced into the constitutive equations through the use of a nonlocal formulation.On a numerical ground, the nonlocal model controls the width of the localization band as soon as the mesh is sufficiently refined. Besides, the issue of volumetric-locking associated with plastic incompressibility is handled using a mixed finite element formulation. Finally, the distortion of broken elements (i.e. without any stiffness), which may affect the computational convergence of numerical simulations, is treated using a viscoelastic regularization.The improved GTN model is applied to simulate crack propagation under small-scale yielding conditions, so as to establish a relation with the global (J-Δa) approach. Crack tip blunting, crack initiation and (large) crack propagation are well captured. The model is also applied to a full-scale metallic pipe in the framework of the UE project Atlas+. After a phase of parameter calibration based on the experimental results on some small specimens, the global and local responses of other small specimens and of the full-scale pre-cracked pipe are compared with the experimental results. The results illustrates the robustness, the reliability and the efficiency of the current model.