L'industrie de la mise en forme utilise de plus en plus les codes de simulation numérique afin de minimiser les temps de conception et les coûts de mise au point des outillages. Le frottement, qui influence fortement le résultat de la mise en forme, est généralement modélisé par un coefficient de frottement de Coulomb constant. La validité de cette description sommaire du comportement tribologique du triplet tôle-lubrifiant-outils est discutée dans ce mémoire. Dans une première partie relative au procédé d'emboutissage, l'utilisation du tribomètre plan-plan est étendue à la caractérisation de la transition statique-dynamique. Cette nouvelle procédure d'essai met en évidence un niveau de frottement statique plus élevé que le frottement dynamique dans toute la gamme de pressions de contact explorée et pour des tôles d'aciers nus et revêtus. L'influence du frottement statique et plus généralement d'un frottement local et évolutif sur le résultat de la mise en forme est discutée à travers différentes modélisations calées sur les résultats de tribométrie et implémentées dans des codes de calculs par éléments finis (FORGE2® et ABAQUS®) : Une modélisation de la transition statique-dynamique comme fonction de la longueur de glissement, met en évidence l'influence du coefficient de frottement statique sur le retard à l'avalement du flan sous le serre-flan et sur la répartition des épaisseurs dans les zones de faibles glissements relatifs sous le poinçon. Une modélisation du frottement comme fonction de la vitesse de glissement et de la pression de contact permet de prendre en compte de manière réaliste l'influence de l'hétérogénéité de ces paramètres du contact. Pour des vitesses d'emboutissage croissantes, l'écart entre les résultats à frottement constant et variable décroît. La discrétisation du frottement par zone, le frottement sous le poinçon étant plus élevé que sous le serre-flan, permet une réduction sensible de l'erreur commise avec l'utilisation d'un coefficient de frottement constant pour tous les outillages. Le modèle de Devine qui décrit l'histoire microscopique du contact (interactions microplastiques, aspects hydrodynamiques) a été généralisé. C'est un modèle alternatif intéressant qui en outre permet d'estimer l'évolution du frottement local avec l'arasement des plateaux et une approche de l'avarie de contact. La seconde partie est dédiée à l'étude du frottement en hydroformage de tubes. Nous développons un essai de caractérisation du frottement et l'appliquons à des tubes en alliage d'aluminium 6060. Le coefficient de frottement de Coulomb varie entre de très faibles valeurs (0,03) pour des graisses à des valeurs beaucoup plus élevées (0,3) pour des huiles ou des lubrifiant solides. Des simulations par éléments finis mettent en évidence l'influence majeure de cette gamme de coefficient de frottement sur la distribution d'épaisseur en déformation plane.

Dans les recherches réalisées pour ce projet de thèse, il est démontré qu’une traverse existante de train d’atterrissage d’hélicoptère à patins fabriquée par pliage et érosion chimique, pourrait être remplacée par une autre traverse, dont la forme innovante est fabricable par le procédé d’hydroformage de tubes. Ce procédé présente par exemple l’avantage d’être plus respectueux de l’environnement que le procédé de fabrication actuel, car il ne nécessite pas l’utilisation de produits chimiques polluant. De plus, la méthodologie développée dans le cadre des recherches réalisées permet de prendre en compte l’histoire du matériau de la traverse dans toutes les étapes de son processus de fabrication. Les performances d’un train d’atterrissage équipé de la nouvelle traverse ont été évaluées numériquement. Des travaux, développés avec le logiciel de calculs par éléments finis ABAQUS, ont permis de mettre en évidence l’intérêt d’utiliser des éléments finis de coque solides fiables et précis. Ces éléments sont en effet capables de prendre en compte le comportement dans l’épaisseur de structures minces avec une seule couche d’éléments. Une nouvelle technique de lissage appelé «Smoothed finite element method» ou «SFEM» a retenu l’attention pour sa simplicité de mise en œuvre et son insensibilité à la distorsion de maillage parfois rencontrée dans les simulations de formage de formes complexes. Un élément de coque solide résultant linéaire développé en utilisant cette méthode SFEM pour traiter de la cinématique en membrane et en flexion a été testé avec succès au travers d’exemples classiques identifiés dans la littérature. Ce nouvel élément a montré un niveau de précision souvent supérieur à celui d’autres éléments déjà existants. En outre, un élément de coque solide à intégration réduite, capable de fonctionner avec la plupart des lois de comportement en trois dimensions et cela même en présence de structures minces a été développé. Cet élément, libre de tout blocage a montré un bon niveau de précision par rapport aux éléments existants dans le cas de problèmes implicites géométriquement linéaires et non-linéaires. L’élément a été étendu en formulation explicite puis couplé avec une loi de comportement hyper élastoplastique en trois dimensions. Il a enfin été testé dans une simulation d’hydroformage de tubes en présence de pressions élevées, de frottement et de grandes déformations. / In the current work, it is shown that an existing helicopter skid landing gear cross tube, made by tube bending and chemical milling, could be replaced by another cross tube, whose innovative shape is producible by tube hydroforming. This method has for example the advantage of being more environmentally friendly than the current manufacturing process, because it does not require the use of hazardous chemicals. In addition, the methodology developed in this project takes into account the cross tube material’s history throughout the manufacturing process. Moreover, the performance of a skid landing gear equipped with this new cross tube has been evaluated numerically. This thesis simulation work has been developed with the finite element analysis software ABAQUS. It highlights the potential gains of using a reliable and accurate solid-shell finite element which is capable to take into account the through-thickness behavior of thin structures with a single layer of elements. A new smoothing technique called «Smoothed finite element method» or «SFEM» has been considered for its simplicity and insensitivity to mesh distortion, sometimes encountered while simulating complex shapes forming. A new resultant linear solid-shell element using this SFEM to deal with membrane and bending kinematics has been developed and successfully tested through classical benchmark problems found in the literature. This new element has often shown much greater level of accuracy than other existing elements. In addition, a novel reduced integration solid-shell element, able to work with most three dimensions constitutive laws even in the presence of thin structures is also discussed. This element, free of locking, shows a good accuracy level with respect to existing elements in implicit geometrically linear and non-linear benchmark problems. Its extension to explicit formulation is coupled with a three dimensions hyper elastoplastic constitutive law and tested in a tube hydroforming simulation involving high pressures, friction and large deformations.

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).

Les travaux de recherche concernent le développement et la mise en oeuvre de nouveaux critères de détection des défauts de striction localisée/éclatement et de plissement/flambage lors de procédés d'emboutissage et d'hydroformage de structures minces. La striction est considérée comme une instabilité du flux de matière. Elle est modélisée via une Analyse Linéaire de Stabilité (ALS) par méthode de perturbation étendue à un état tridimensionnel. Ainsi, de nouveaux modes de striction sont repérés. De plus, le critère initial est amélioré par la détermination rigoureuse du seuil d'instabilité différenciant l'instabilité effective de l'instabilité absolue. Des Courbes Limites de Formage sont construites pour étudier l'influence de paramètres de comportement matériel sur l'apparition de la striction/éclatement. Enfin l'ALS appliquée à une plaque e flexion pure montre que les défauts observés ne sont pas dus à un phénomène de striction. Concernant le plissement, ce défaut semble plus correspondre à un problème de bifurcation qu'à un problème d'instabilité. Dans cet ouvrage, une nouvelle analyse basée sur l'équilibre d'une plaque est développée. De plus, l'analyse qualitative de Nordlund et Häggblad est reprise. Enfin, un nouveau critère basé sur une méthode de perturbation est développé en annexe. Les modélisations présentées pour la détection de striction/éclatement et de plissement/flambage ont été intégrées dans le code POLYFORM? de simulation par éléments finis des procédés d'emboutissage et d'hydroformage. L'influence des paramètres de procédés et de comportement matériel sur la prédiction des défauts lors de simulations est présentée. La validation expérimentale des prédictions est réalisée pour un procédé d'hydroformage oscillant. L'influence des paramètres de ce procédé sur l'apparition de défauts est également observée

L’hydroformage de tube nécessite l’emploi d’outillage coûteux et la phase de mise au point utilise intensivement la simulation par éléments finis. Pour ces simulations, il est nécessaire de disposer de données matériaux adaptées dans le domaine plastique. Le comportement des matériaux utilisés en mise en forme dépend du mode de sollicitation. Ainsi, plusieurs essais de caractérisation tels que l’essai de traction et les essais de gonflement de flan et de tube sont traités dans ce travail.On s’intègre dans une démarche pragmatique afin d’offrir des méthodes simples pour une mise en œuvre dans un contexte industriel en limitant le nombre d’essai, une méthode expérimentale de caractérisation simple et une méthode d’analyse des résultats expérimentaux efficace. De plus, on se limite à des modèles matériaux disponibles dans tout type de code de calcul comme la loi d’écrouissage de Swift et le critère de plasticité de Hill 1948.Après une introduction des différents types d’hydroformage et des notions de bases du comportement plastique des matériaux, la mise en œuvre des essais est présentée. On retiendra qu’il existe plusieurs façons de post-traiter les résultats expérimentaux. La méthode classique a été choisie pour l’essai de traction, celle préconisée par Koç et al. est utilisée pour le gonflement de flan et enfin la méthode de Boudeau et Malécot a été adoptée pour le gonflement de tube.À partir des essais effectués sur un acier austénitique inoxydable de type AISI 304, plusieurs courbes d’écrouissages distinctes ont été obtenues. Des simulations numériques ont été menées afin de confronter ces lois de comportement sur la prédiction des profils des flans et des tubes déformés ainsi que sur les distributions d’épaisseur de ceux-ci. Enfin, le matériau ayant été considéré isotrope jusqu’à présent, on s’attache à l’influence de l’anisotropie du matériau dans le cadre de la mise en forme par hydroformage. Pour cela un plan complet est mené.Mots-clés : hydroformage, caractérisation de matériaux, tube, simulation E.F., expérimentation / Tube hydroforming requires the employment of expensive tooling and its industrial development makes an intensive use of finite element simulations. For these simulations, we need plastic material data. The material behavior, in forming, depends on the loading mode. Thus, several characterization tests such as uniaxial tensile test, the bulging test on sheet and tube, are investigated in this work.The works are conducted in the context of a pragmatic approach. The goal is to offer simple methods for implementation in an industrial setting based on a limited number of tests, a simple experimental method and an efficient method for post-processing experimental results. In addition, we limit ourselves to classical material models, available in any FE code, such as the Swift’s hardening law and the Hill 1948 plastic criterion.After the introduction of the different kind of hydroforming and the fundamentals on the plastic behavior of materials, the experimental tests are presented. There are many ways for post-processing the experimental results of these advanced testing methods. The conventional method is chosen for post-processing the experimental results obtained with the tensile test ; for the sheet bulging test, the method recommended by Koç et al. is used and the model proposed by Boudeau and Malécot’s is adopted for tube bulging test.The different tests are carried out on an austenitic stainless steel AISI 304 and, distinct hardening curves are obtained. Numerical simulations of the tests and a tube hydroforming operation are performed with the different hardening law. The FE results are compared; the comparisons are led on the resulting bulged sheet or tube and on the thickness distribution. Finally, the influence of the initial anisotropy in tube hydroforming is studied through a full Design Of Experiences.Keywords: hydroforming, material characterization, tube, F.E. simulation, experiment

Voici une étude exploratoire sur la possibilité d'emboutir une cuve d'évier par procédé d'hydroformage. Premièrement, un état de l'art de l'hydroformage a été effectué suivi d'un choix parmi les différentes méthodes à utiliser. Avant de réaliser les analyses sur les éviers, un modèle mathématique de simulation par élément finis a été validé à l'aide d'expérimentations. Suite à cette validation, les cuves d'éviers fabriquées par Julien ont été analysées à l'aide de règles simples sur l'emboutissage. Puisque les géométries des cuves ne respectaient pas ces règles, une géométrie d'évier commercial a été utilisée pour les simulations. Les résultats des simulations ont permis de démontrer qu'il est techniquement difficile d'hydroformer une cuve d'évier commerciale. Par conséquent, la géométrie de la cuve a été modifiée pour obtenir une forme emboutissable par hydroformage. Diverses conclusions ont été tirées menant à des suggestions quant au design de pièces pouvant être fabriquées par hydroformage.

La présente thèse intitulée «Développement d'outils intégrés pour la fabrication virtuelle de produits en aluminium et en acier par hydroformage de tubes pour l'industrie aéronautique » porte essentiellement sur l'étude de comportement du matériau métallique en grandes déformations. En utilisant la réponse de comportement, nous avons construit des outils de fabrication virtuelle qui détectent et corrigent « en ligne» les défauts qui peuvent survenir en cours de simulation de différents procédés de mise en forme, notamment, le procédé d'hydroformage de tubes. Pour être en mesure de modéliser efficacement le mouvement nonlinéaire de la matière et contrôler sa cinématique et sa dynamique, nous avons développé une loi hyperélastoplastique (écrite dans un repère corotationnel) en utilisant la théorie de grandes déformations (Simo) et nous l'avons couplé avec différents modèles d'écrouissage nonlinéaire (Voce et Simo) et d'endommagement ductile (Lemaitre et Chaboche). Nous avons calibré la loi de comportement en utilisant la courbe contrainte-déformation vraie (obtenue à partir des essais expérimentaux (uniaxiaux ou biaxiaux)) par l'utilisation de la méthode statistique de moindres carrés. À l'aide d'un utilitaire matériau (VUMAT) disponible dans l'environnement du logiciel Abaqus/Explicit, nous l'avons implémenté dans le but de vérifier l'évolution des différentes variables spécifiques au comportement réel du matériau (le champ de déformation et des contraintes, l'écrouissage, l'endommagement, etc.). En ce qui concerne la construction des outils adaptatifs pour les différents procédés de mise en forme et le contrôle du comportement du matériau, nous avons couplé les utilitaires de l'usager VUMAT (comportement du matériau), VDLOAD ( chargement) et avec un algorithme adaptatif qui utilise les résultats de VUMAT pour évaluer le chargement requis pour éviter des défauts et le transférer à l'utilitaire VDLOAD qui applique le chargement. Le premier sous programme adaptatif a été développé pour le procédé de gonflement de tubes avec les extrémités fixées. Il a été conçu pour évaluer la pression interne nécessaire pour gonfler le tube jusqu'à ce qu'il atteigne la circonférence maximale. Nous avons proposé une relation de calcul de l'incrément de pression fictive dans chaque point matériel. Cette relation contient des informations liées à l'écoulement (la limite d'écoulement) et à l'évolution de la plasticité équivalente. Après avoir trouvé la valeur maximale de la pression fictive dans chaque point matériel (pour un incrément de temps donné), nous avons évalué finalement la valeur maximale à partir de tous les points d'intégrations. Nous utilisons ultérieurement cette valeur maximale pour réaliser la mise à jour de la pression à l'intérieur du tube, afin de mieux contrôler le déroulement de l'opération dans le prochain pas de temps. Dans le but de couvrir une large gamme de produits fabriqués par hydroformage de tubes, nous avons proposé deux sous-programmes de contrôle pour évaluer la pression fictive dans chaque point matériel du tube. Le premier sous programme utilise le contrôle circonférentiel du champ de contraintes tandis que le second est basé sur le contrôle en compression axiale. Afin de vérifier la validité et la précision de nos travaux de recherche, nous avons évalué la qualité de nos résultats numériques en les comparant à des résultats expérimentaux disponibles dans la littérature scientifique. Dans ce contexte, nous avons utilisé les cas d'hydroformage dans une matrice conique et dans une matrice en « Y ». Parallèlement, nous avons tenté d'explorer la possibilité de déterminer la formabilité de tubes en alliages en aluminium en utilisant les outils de fabrication virtuelle que nous avons développés pour le gonflement de tubes avec extrémités mobiles. Dans ce cadre, nous avons proposé une méthode originale de traçage du diagramme limite de formage en utilisant les données du test de gonflement de tubes (avec extrémités fixées) combinés avec un calcul analytique qui évalue la plastification matérielle causée par le déplacement axial du tube. En dernier lieu, nous avons exploré l'hydroformage en double cavité et l'hydroformage des pièces qui sont d'abord cintrées et ensuite hydroformées. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude sur l'évolution de l'épaisseur par rapport aux changements de la géométrie (les rayons de raccordement à la profondeur des cavités) et par rapport au changement dans les conditions du contact entre le tube et la matrice.

L’objectif de cette thèse est d’étudier la possibilité de caractériser le coefficient de frottement par un modèle analytique. Tout d’abord, le modèle analytique (Orban-Hu,2007) a été programmé à l’aide du logiciel « Matlab » puis validé par simulation numérique à l’aide du logiciel « Ls-Dyna ». Ensuite, on a réalisé des essais expérimentaux afin de caractériser les propriétés mécaniques du cuivre d’une part et étudier la mise en forme de tubes par hydroformage de tubes. Par suite, le coefficient de frottement a été caractérisé aussi bien par le modèle analytique que par le test classique ‘pion sur disque’. Les simulations numériques avec les coefficients de frottement obtenus ont permis de valider les résultats issus des essais expérimentaux pour une matrice carrée. Les mêmes résultats ont été également obtenus pour d’autres configurations géométriques (section rectangulaire, trapézoïdale et trapèze.) / The objective of this thesis is to study the possibility of characterizing the friction coefficient by an analytical model. First, the analytical model (Orban-Hu, 2007) has been programmed using "Matlab» software and has been validated by numerical simulation using "LS-Dyna" software. Then, experimental tests were carried out in order i) to characterize the mechanical properties of copper and ii) to study the tube hydroforming in a square section. As a result, the friction coefficient was characterized by the analytical model and the pin-on-disk test. Then, the numerical simulation with the friction coefficients obtained allowed to validate the experimental results for a square section. The same findings were obtained using other die geometries (rectangular, trapezoidal and trapezoid-sectional die).

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).