Th. doct.-ing.--Méc. non linéaire et chronométrie--Besançon, 1980. N°: 110.

Le but de cette étude est de prédire la rupture de tôles en alliage de Zinc via des simulations par éléments finis. Pour ce faire, la caractérisation du comportement mécanique a été fait grâce à des essais de traction sur différentes nuances et orientation. Ces essais ont fait ressortir une grande anisotropie ainsi qu'un grande sensibilité à la vitesse de déformation et à la température. L'ensemble de ces données expérimentales est modélisé avec une loi de comportement de Norton Hoff et le critère de plasticité de Hill48. De plus la formabilité ainsi que son anisotropie ont été caractérisées avec des essais de traction, de traction plane et de gonflage hydraulique. Une grande anisotropie de formabilité, inédite dans la littérature, est observée. Celle-ci est modélisée via différents modèles de rupture issus de la littérature où que nous avons développés spécifiquement pour les alliages de Zinc. Enfin un modèle de rupture en contrainte, paraissant le plus adéquat pour la prédiction de la formabilité, a été choisi. Il a été ensuite implémenté dans le logiciel Forge2009®. Des essais académiques mais aussi industriels de mise en forme ont été simulé par le logiciel Forge2009® et ont donné de bonnes modélisations du comportement mécanique des tôles en alliage de Zinc ainsi que de bonnes prédictions de sa rupture. / The aim of this study is to predict the rupture of Zinc alloy sheets by the mean of Finite Element Method simulations. The mechanical behaviour of the material has been tested by tensile tests for several directions and for several Zinc grades. The materials show a high anisotropic mechanical response and high strain rate and temperature sensitivity. This set of experimental data has been modelled by the mean of the Norton Hoff law and the Hill 48 plastic criterion. Moreover, the formability has been tested by tensile and plane strain tests, and also hydraulic bulge tests. A high anisotropic formability, unseen in the literature, has been observed. This formability is modelled with different rupture criteria coming from the literature or specifically developed for the Zinc alloy study. A stress criterion model has been chosen to predict the formability. This criterion has been implemented into Forge2009® software. Academic and industrial forming processes have been simulated with Forge2009® and lead to an accurate description of the mechanical behaviour and the rupture localisation.

Le formage incrémental consiste à utiliser un poinçon de forme simple dont le mouvement va progressivement mettre en forme une tôle. Il ouvre de nouvelles perspectives quant au potentiel des procédés de mise en forme des tôles métalliques. La mise en oeuvre du formage incrémental par des systèmes mécaniques ayant des capacités dynamiques accrues et des volumes accessibles importants tels que les robots manipulateurs sériels ou parallèles est un moyen efficace d’améliorer, d’une part la productivité mais aussi la complexité des pièces formées. L’objectif scientifique de ce travail est de contribuer au développement d’une approche globale du problème, en se plaçant à la fois à l’échelle « mésoscopique » du procédé et à l’échelle « macroscopique » du système de fabrication. C’est dans ce contexte qu’est proposée une approche couplée matériau/structure combinant d’une part l’analyse éléments finis du procédé et d’autre part un modèle élastique de la structure du robot.Tout d’abord, les efforts requis au niveau de l’outil pour former la pièce sont calculés sous l’hypothèse d’une structure de machine parfaitement rigide. Afin de minimiser l’erreur entre la prédiction et la mesure des efforts de formage, trois facteurs identifiés comme influents sur le niveau d’effort sont étudiés. Il est alors démontré, qu’à partir d’un choix de paramètres adapté, il est possible de s’affranchir de la mesure des efforts de formage, ce qui n’est actuellement pas le cas dans la littérature.Les efforts prédits sont ensuite définis comme une donnée d’entrée du modèle élastique de la structure robot afin de calculer les erreurs de poses du centre outil. Pour prendre en compte le comportement élastique de la structure, la modélisation des structures robotisées par des éléments de type poutre est retenue puis appliquée à un robot industriel Fanuc S420if. Elle permet de prédire ce comportement avec une précision maximale de ± 0,35 mm, quelque soit le chargement en bout d’outil supportable par le robot.Afin de valider l’approche, deux pièces sont formées par le robot : un cône tronqué et une pyramide vrillée. La géométrie de ces deux pièces permet de valider à la fois les hypothèses de la simulation ainsi que l’approche globale. Ces deux expérimentations entraînent une amélioration de 80 % de l’exactitude de pose du robot, rapprochant ainsi celui-ci des performances d’une machine à commande numérique à structure cartésienne.Finalement, dans la dernière partie, une boucle d’optimisation permet de prendre en compte, dès le calcul de la trajectoire, l’effet du retour élastique de la tôle avant le débridage de la pièce afin de minimiser l’écart entre le profil nominal et le profil formé. L’application de l’approche couplée à cette trajectoire se traduit par une précision géométrique de ± 0,15 mm du profil formé avant desserrage de la tôle, ouvrant ainsi des perspectives intéressantes quant à l’application de la méthodologie. / The incremental forming is an innovative process which consists in forming a sheet by the progressive movements of a punch. A solution to improve the productivity of the process and the complexity of the parts shapes is to use robots (serial or parallel). The scientific aim of this work is to define a global approach of the problem by studying the mesoscopic scale of the process and the macroscopic scale of the machine. In this context, a process/machine coupling approach which combines a Finite Element Analysis (FEA) of the process and an elastic modeling of the robot structure is presented.First, the punch forces necessary to form the part are computed assuming a machine structure perfectly stiff. To minimize the error between the predicted forming forces and the measured ones, the weight of three numerical and material parameters of the FEA is investigated. This study shows that an appropriate choice of parameters avoids the force measurement step, unlike the available approaches in the literature.Then, the predicted forces are defined as input data of the elastic model of the robot structure to compute the Tool Center Point (TCP) pose errors. To consider the behavior of the elastic structure, the modeling of robotized structures by beam elements is chosen and applied to an industrial robot Fanuc S420if. The identified elastic model permits to predict the TCP displacements induced by the elastic behavior of the robot structure over the workspace whatever the load applied on the tool. The prediction maximum error of ±0.35 mm remains compatible with the process requirements.To validate the approach, two parts are formed by the robot: a truncated cone and a twisted pyramid. The geometry of these two parts confirms the hypothesis of the simulation and the global approach. These two tests give very interesting results since an improvement of 80 % of the TCP poseaccuracy is identified.Finally, an optimization loop based on a parametric trajectory and on a FEA anticipates the springback effects before the unclamping of the sheet, and then minimizes the error between the nominal shape and the formed one. The application of the process/machine coupling approach for this trajectory leads to a geometric accuracy of the part before unclamping of ± 0.15 mm. These results open interesting perspectives for the methodology application.

Le formage électromagnétique est une technologie qui a gagné en intérêt dans les dernières décennies - grâce notamment à la formabilité accrue qu'il offre pour les matériaux à haute résistance et faible masse spécifique tels que les alliages d'aluminium et de magnésium. Un des défis majeurs au niveau du procédé réside dans la conception et l'étude au niveau de la pièce à fabriquer et sur l'interaction entre les différents aspects physiques: les ondes électromagnétiques comme source d'énergie, la thermo-mécanique contrôlant les évolutions de déformations et de contraintes, ainsi que l'étude de l’endommagement sous des sollicitations à grande vitesse. Ce travail est consacré à la mise au point d’un modèle et d’un outil numérique prédictifs capable de traiter l’interaction entre électromagnétisme et thermo-mécanique dans un cadre éléments finis en 3D. Nous introduisons les modèles de calcul pour l'électromagnétisme : l'approche permettant d’inclure la géométrie des pièces, le couplage électrique avec le générateur, entre autres. Nous poursuivons avec les techniques de calcul nécessaires pour coupler le calcul électromagnétique avec les calculs thermo-mécaniques – en mettant l’accent sur le problème du suivi des déplacements de la pièce déformable dans le module électromagnétique. Nous introduisons aussi certains aspects plus physiques du procédé tels que les phénomènes d'élimination du retour élastique ou encore l’adhésion des surfaces (soudage). Dans le dernier chapitre, nous présentons les installations expérimentales disponibles au laboratoire. Une méthodologie pour l'identification des paramètres électriques définissant les machines et nécessaires pour effectuer la simulation est introduite. / Magnetic pulse forming is a technology that has gained interest in the last decades – thanks to the increased formability it offers for high-resistance-low weight ratio materials such as aluminum and magnesium alloys. One major complexity of the process lies in the design and study at the work piece level and the interaction between the several physical aspects involved: the electromagnetic waves as source of energy, the thermo-mechanics controlling the strain and stress evolution, as well as the study of fracture and damage under high-speed loading conditions. This work is dedicated to the development of a predictive model and computational tool able to deal with the interaction between the electromagnetism and the thermo-mechanics in a 3D finite elements frame work. We introduce the computational aspects of the electromagnetism, from the selected approach to include the geometry of the parts down to the coupling with the electric machinery behind the process. This is followed by the computational techniques needed to couple the electromagnetic computation to the thermo-mechanical one with a special focus on the problem of tracking the displacement of the deformable part within the electromagnetic module. We also introduce some aspects more related to the physics of the process such as the phenomena of elastic spring-back elimination and surface bonding (welding). In the last chapter we present the experimental facilities available at the laboratory. A methodology for identification of the electric parameters defining the machinery and needed to perform the simulation is introduced.

Les réglementations gouvernementales concernant l'économie de carburant et la réduction des gaz à effet de serre forcent les industries de transport et les fabricants à modifier la façon dont les pièces sont conçues et fabriquées. Le problème de la réduction du poids est mis à l'avant-plan et on croit fortement que l'utilisation étendue des alliages d'aluminium et le développement de designs innovants font partie de la solution pour remplir les mandats. En même temps, la faible formabilité de l'aluminium pose un vrai défi aux fournisseurs de pièces de véhicules chaque fois qu'ils sont confrontés à fabriquer des composants à géométrie complexe avec des procédés de mise en forme conventionnels. En conséquence, d'autres procédés plus avancés sont explorés, comme l'hydroformage qui offre de tels avantages comparés aux procédés d'usage courant. Cette technologie semble être le catalyseur qui permettra aux métaux difficilement formables d'être utilisés sur une échelle beaucoup plus large Dans la présente thèse, une étude approfondie a été effectuée sur l'hydroformage des tubes d'aluminium ainsi que les procédés connexes. Dans les études numériques, une stratégie d'optimisation issue de l'application du logiciel Ls-Opt et des codes sources développés dans MATLAB a été présentée. Elle rend possible l'optimisation de l'étirage à paroi variable, du pliage et de l'hydroformage des tubes soit d'une façon regroupée ou seule. Dans la partie expérimentale du projet, dans le prototype de banc d'étirage, la distribution d'épaisseur désirée sur le tube initial a été mise en application. Une nouvelle méthode de conception de moule d'hydroformage à géométrie complexe est aussi présentée et appliquée expérimentalement avec succès. Enfin, les résultats de l'optimisation globale ont été appliqués et validés expérimentalement et une correspondance acceptable a été observée. Les résultats de ce projet se révèlent fortement utiles pour les industries de transport terrestre et de l'aérospatiale pour produire des produits tubulaires plus facilement et avec moins d'essais et erreurs.

L'utilisation de modèles numériques de procédés de mise en forme des matériaux est devenue une nécessité dans la conception et la fabrication de composants évolués. De plus, les geometries de ces composants sont de plus en plus complexes et demandent l'utilisation de procédés avancés comme l'hydroformage. Le présent mémoire fait état des différentes étapes effectuées pour produire une pièce majeure de la structure d'un banc d'autobus. Pour ce faire, des outils numériques et expérimentaux ont été créés pour les étapes de cintrage et d'hydroformage. Une méthodologie est aussi proposée pour l'optimisation du procédé d'hydroformage en utilisant le module LS-Opt. De nombreuses simulations ont été effectuées pour l'alliage d'aluminium 6061 à l'état recuit (O) et à l'état brut de livraison (F).

Cette thèse s’est déroulée dans le cadre d’une cotutelle internationale entre l’IMT - École des Mines d’Albi-Carmaux et l’Ecole Polytechnique de l’Université de Sao Paulo (EPUSP). Elle a pour but de contribuer à l’étude du comportement mécanique des alliages de titane Ti6Al4V, et plus spécialement dans le domaine du formage superplastique et du formage à chaud. L’objectif général de ce doctorat est de contribuer au développement de procédés de formages non conventionnels des alliages de titane pour applications aéronautiques. C’est pourquoi, en fonction des équipements disponibles sur les deux sites, les travaux de recherche se sont déroulés soit à l’Ecole des Mines soit à l’EPUSP. Cette thèse adresse la problématique scientifique des interactions entre le comportement mécanique dans le domaine du formage superplastique et de formage à chaud d’une part et la microstructure initiale et son évolution dans le domaine de sollicitation d’autre part. Pour cela une stratégie d’essais et de caractérisation a été développée et suivie. Les essais incluent des essais mécaniques uniaxiaux à haute température sur différents alliages Ti6Al4V présentant des microstructures initiales différentes (taille de grain 0,5; 3,0 et 4,9 μm). Une attention particulière a été portée à l’évolution microstructurale avant essai - c’est- à-dire durant sa montée en température et la stabilisation thermique de l’échantillon – et durant l’essai. Les conditions d’essai ont été choisies de façon à couvrir le domaine du formage à chaud et du formage superplastique, température de 700°C à 950°C et vitesse de déformation entre 10-1 s-1 et 10-4 s-1. La croissance de grain dépend de la microstructure initiale mais aussi de la durée de l’essai en température (croissance statique) et de la vitesse de déformation (croissance dynamique). Afin d’améliorer la validité du modèle des observations microstructurales de taille de grain sont effectués après les essais mécaniques par micrographie optique et Microscope Electronique à Balayage. Un modèle de comportement unifié a été introduit de façon à être capable de couvrir toute la plage de température et de vitesse de déformation : écrouissage cinématique non linéaire, sensibilité à la vitesse de déformation et loi de croissance de la taille des grains sont inclus dans le modèle. Afin de pouvoir valider le modèle, il a été introduit dans le code de simulation ABAQUS®. Les résultats des simulations (en particulier déformation macroscopique et taille de grain locale) ont été comparés, pour l’un des matériaux de l’étude, aux résultats d’un essai de gonflage axisymétrique de tôle. Pour obtenir un cycle de contrôle simple, les essais effectués au laboratoire de l’IPT/LEL à Sao José dos Campos au Brésil ont été opérés à vitesse de déformation constante. Les résultats montrent une très bonne corrélation avec les prédictions et permettent de conclure à une validation du modèle de comportement développé dans la thèse dans des conditions industrielles de formage de l’alliage de titane. / This thesis was developed in the frame of a Brazil-France cooperation agreement between the École des Mines d'Albi-Carmaux and the Polytechnic School of Engineering of the University of Sao Paulo (EPUSP). It aims to contribute to the study of the mechanical behaviour of Ti6Al4V alloys especially in terms of superplastic forming. The general objective of this research is to develop non-conventional forming processes for new titanium alloys applied to aerospace components. Therefore, in accordance of the equipment’s available in the two groups, the work will be conducted either at the Ecole des Mines d'Albi-Carmaux and either at EPUSP. This thesis aims to answer questions such as what are the implications in relation to the microstructural and mechanical behaviour of these alloys during superplastic and hot forming in order to establish a behaviour law for these alloys based on titanium. This requires a good knowledge of the properties of materials used in the superplastic and hot forming domain to control the parameters governing the phenomenon of superplasticity or high temperature plasticity. For this, a testing strategy and characterization methodology of those new titanium alloys was developed. The tests include high temperature uniaxial tensile tests on several Ti6Al4V alloys showing different initial grain sizes. Special focus was made on the microstructural evolution prior to testing (i.e. during specimen temperature increase and stabilization) and during testing. Testing range was chosen to cover the hot forming and superplastic deformation domain. Grain growth is depending on alloy initial microstructures but also on the duration of the test at testing temperature (static growth) and testing strain rate (dynamic growth). After testing microstructural evolutions of the alloys will be observed by optical micrograph or SEM and results are used to increase behaviour model accuracy. Advanced unified behaviour models where introduced in order to cover the whole strain rate and temperature range: kinematic hardening, strain rate sensitive and grain growth features are included in the model. In order to get validation of the behaviour model, it was introduced in ABAQUS numerical simulation code and model predictions (especially macroscopic deformation and local grain growth) were compared, for one of the material investigated, to axisymmetric inflation forming tests of sheet metal parts, also known as bulge test. To obtain a simple control cycle, tests performed at IPT/LEL laboratory in San José Dos Campos in Brazil were operated with a constant strain rate. Results show a very good correlation with predictions and allows to conclude on an accuracy of the behaviour models of the titanium alloys in industrial forming conditions.

Les besoins de réduction du poids se sont concrètement traduits par l'introduction de nouvelles nuances plus légères dans les structures automobiles. Ainsi, des alliages d'aluminium ont commencé à être intégrés dans les pièces de structure de plusieurs véhicules. La faible masse volumique des alliages d'aluminium (2,7g/cm 3 ) permet d'alléger le poids du véhicule qui entraîne une diminution de la consommation de carburant et, donc, des émissions de gaz à effet de serre. La striction et la rupture sont les principaux modes de défaillance qui entrainent le rebut systématique des pièces. C'est pourquoi, améliorer la prédiction d'apparition de ces défauts lors de la simulation va dans le sens d'une meilleure maitrise du procédé. Dans le cadre de ce travail doctoral, deux modèles sont développés pour simuler le comportement à grandes déformations d'alliages d'aluminium : un modèle polycristallin de type Taylor et un modèle à un ou plusieurs éléments finis par grain.Les diagrammes limites de formage (DLF) pour les deux alliages d'aluminium AA5754 et AA6063 ont été simulés numériquement en utilisant une formulation par éléments finis pour les polycristaux basée sur l'hypothèse de Taylor.Les DLF conventionnels et de l'hydroformage ont été traces. L'effet des chemins de déformation sur la formabilité des alliages d'aluminium a aussi été étudié. Finalement, des simulations numériques avec les données de diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) pour l'alliage d'aluminium AA5754 ont été effectuées en utilisant le modèle à un ou plusieurs éléments par grain. Ces simulations sont exécutées avec différents modèles du durcissement (Asaro, Bassani et puissance).

L'objectif de cette étude est de fournir un outil d'aide à la conception de gammes d'emboutissage à chaud. Ce procédé appliqué à des aciers trempants (dans notre cas à l'Usibor 1500) permet l'obtention de pièces avec une résistance mécanique très élevée. La simulation numérique représente un outil de prédiction très puissant permettant de minimiser les coûts de conception. Grâce à la simulation numérique et aux analyses nécessaires à la modélisation, nous sommes arrivés à élucider les points clés qui font qu'une pièce emboutie par ce procédé soit réussie. Deux logiciels, Forge 3 et Abaqus/Explicit, ont été choisis. Ces logiciels permettent d'effectuer un calcul thermomécanique indispensable à la simulation de notre procédé.<br/> Pour réaliser ces calculs, la connaissance du comportement du matériau ainsi que celles des échanges thermiques gérant l'évolution de température dans la tôle sont cruciales. Le comportement mécanique comme l'évolution de la température sont décrits par des lois mathématiques dépendant d'un certain nombre de paramètres propres à chaque matériau. Ces paramètres ont été identifiés pour notre matériau dans les conditions du procédé d'emboutissage à chaud.

Les procédés de formage à grande vitesse comme le magnétoformage et le formage électrohydraulique se développent actuellement à l'échelle industrielle. La conception de ces procédés nécessite le recours à la simulation numérique, du fait de leur caractère fortement dynamique et multiphysique. Pour garantir la précision de ces simulations, il est essentiel de disposer de données pertinentes capables de décrire le comportement dynamique des matériaux déformés.Ce travail de thèse se propose de développer des essais mécaniques basés sur le procédé de magnétoformage afin de caractériser le comportement en écrouissage dynamique de matériaux sous forme de tubes ou de tôles. Les conditions d'essai sont ainsi au plus proche des conditions de déformation visées.Le premier essai mis en place chez iCube Research est un essai d'expansion électromagnétique de tube, instrumenté à l'aide de mesures de courant et de vitesse par photonic Doppler velocimeter (PDV). Le choix de l'inducteur, l'optimisation du modèle numérique (LS-Dyna®) et la sensibilité de l'essai aux incertitudes de mesure sont discutés. La procédure d'identification par analyse inverse est mise en place, et sa capacité à identifier les paramètres du modèle de comportement est étudiée. La sensibilité de l'essai aux paramètres du modèle, et leurs corrélations, sont également analysées.Cette procédure a ensuite été adaptée à un essai dédié à des éprouvettes issues de tôles. Le mode de chargement et de déformation produit par cet essai a permis de réduire de façon significative la sensibilité de la caractérisation aux incertitudes expérimentales par rapport à l'essai d'expansion de tube. Une démarche de réduction de modèle a rendu possible l'utilisation de cet essai dans le cadre d'une procédure itérative d'identification de paramètres.Les deux essais ont été appliqués à l'aluminium 1050 à l'état recuit, et ont permis de mettre en évidence une sensibilité marquée à la vitesse de déformation, avec une augmentation de l'écrouissage par rapport au comportement mesuré par des essais de traction uniaxiale quasi-statique. D'autres nuances d'aluminium ou alliages de cuivre ont également été caractérisés par l'un ou l'autre des essais. La procédure mise en place n'est pas restrictive quant au choix du modèle de comportement dynamique. Dans le cadre de cette étude, qui vise essentiellement à caractériser l'écrouissage dans une gamme relativement restreinte de vitesses de déformation (entre 100 et 5000 s-1), le choix s'est porté sur le modèle de Johnson-Cook.Les conditions dynamiques du formage (hautes vitesses de déformation, impacts, mode de déformation en flexion contre une matrice…) peuvent apporter des gains importants en termes d'allongement. La problématique de la caractérisation de limites de formage dynamiques, qui doit faire l'objet de développements ultérieurs, est introduite en dernière partie. / High speed forming processes such as magnetic pulse forming and electrohydraulic forming are currently developing at the industrial scale. Design of these processes requires numerical simulation to take into account the highly dynamic and multiphysics conditions. To ensure the representativeness of the simulations, there is an important need for relevant data describing the material dynamic behavior.In this study, mechanical tests based on magnetic pulse forming have been developed in order to characterize the dynamic strain hardening of materials in the form of tubes or sheets. The testing conditions are then very similar to the real industrial forming conditions.The first test developped at iCube Research is an electromagnetic tube expansion test, instrumented with pulse current measurement devices and photonic Doppler velocimetry (PDV). Design of the inductor, optimization of the numerical model, and test sensitivity to the experimental uncertainties are discussed. The inverse analysis identification procedure is established, and its ability to identify the constitutive model parameters is examined. The sensitivity of the test to the model parameters, and their correlations, are analyzed as well.This procudure is then adapted to a test dedicated to plane samples, cut from sheets. The loading mode and the deformation mode induced by this test enables a significant reduction of the characterization sensitivity relative to experimental uncertainties, as compared to tube expansion testing. A model reduction approach makes it possible to use this test in an iterative parameter identification procedure.Both tests are applied to annealed aluminium 1050, and they reveal a significant strain-rate sensitivity, with a stronger strain-hardening than that measured by quasi-static tensile tests. Ohter aluminium alloys and copper alloys have been dynamically characterized by one of the tests. The developped procedure is not restrictive for the selection of the constitutive model. In this study, which concerns a relatively narrow strain-rate domain (from 100 to 5000 s-1), the Johnson-Cook model has been chosen.The dynamic forming conditions (high strain-rates, impact, deformation mode by flexion against a die…) are likely to offer great improvements in formability. The problem of dynamic forming limits characterization, which will be the subject of further developpements, is introduced as a last chapter.