advanced (fusion & friction) welding simulation with morfeo by snecma

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Validation des hypothèses de

simulation à l'aide d'essais

Conférence SNS 27/03/2014 – maison de la mécanique François PICHOT

Fabien CORPACE

SNECMA GROUPE SAFRAN

Conception & Fabrication de moteurs aéronautiques

1 /


SIMULATION DU SOUDAGE CHEZ SAFRAN

Code MORFEO ( CENAERO / GEONX)

Procédés simulés :

Soudage Fusion

Faisceau d’Electrons, TIG, Plasma, Laser

Soudage Friction

Inertielle et pilotée

Développement pour répondre à deux problématiques :

Compréhension des phénomènes en présence : Utilisation en support

Développements de gammes optimisées

SNS- 2014 / SNECMA


2 /

Soudage par Fusion

/01/

SNS- 2014 / SNECMA

3 /


SOUDAGE FUSION

CARTER D’ÉCHAPPEMENT

Carter échappement

Assemblage de 3 types composants

30 cordons de soudure

Superalliage base Nickel

Diamètre ~ 1m

Nouvelle conception

Procédé ?

Gamme d’assemblage?

Modes de déformation?

Analyse numérique « locale »

SNS- 2014 / SNECMA

Virole externe Virole interne

bras

4 /


SOUDAGE FUSION

SECTEUR CARTER

Modélisation soudage « secteur »

Impact de la gamme

Sens de rotation : horaire (+) ou antihoraire (-)

SNS- 2014 / SNECMA

+

5 /


Validations expérimentales

Mesure de T par thermocouples

SIMULATION THERMOMÉCANIQUE

BRAS CARTER / VIROLES Source de chaleur double

ellipsoïde

Convection – rayonnement

SNS- 2014 / SNECMA

Epinglage Soudage

6 /


SIMULATION THERMOMÉCANIQUE

BRAS CARTER / VIROLES

SNS- 2014 / SNECMA

Validations expérimentales

Mesures de déplacements

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

0.0E+00 2.0E+02 4.0E+02 6.0E+02 8.0E+02 1.0E+03 1.2E+03

Dé

pla

cem

en

ts (m

m)

Temps (s)

Radial_numerique

Radial_experimental

Axial_numerique

Axial_experimental

Epinglage Soudage

Soudage

Déplacements vs temps

7 /


BRAS CARTER / VIROLES

ANALYSE EXPÉRIMENTALE

Modes de déformations observés

Mise en parapluie de la bride amont, rétrécissement du diamètre virole

Impact du sens de rotation?

Sens antihoraire moins déformant

Analyse expérimentale: Idem

SNS- 2014 / SNECMA

antihoraire

horaire

Bride amont

Bride aval

Z

X

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00

Dé

pla

cem

en

t (m

m)

Temps (s)

Déplacements X

X [mm]

X_antiH

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 100 200 300 400 500 600

Dé

pla

cem

en

t (m

m)

Temps (s)

Déplacements Y

Y [mm]

Y_antiH0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 100 200 300 400 500 600

Dé

pla

cem

en

t (m

m)

Temps (s)

Déplacements Z

Z [mm]

Z_antiH

8 /


MODÉLISATION GLOBALE

Principe

Simulation complète

géométrie éprouvette

Extraction du champ de

déformation plastique

dans les zones d’intérêt

Import du champ de

déformation plastique

dans géométrie globale

( suivant trajectoires)

Résolution

élastique du

problème

SNS- 2014 / SNECMA

9 /


ANALYSE DE L’IMPACT DU PROCÉDÉ

Modélisation locale:

Confrontation de deux procédés: champs de déformation plastique

Zone déformée plastiquement plus restreinte en LASER

Utilisation dans modélisation globale ( 1M éléments)

SNS- 2014 / SNECMA

TIG LASER

10 /


COMPARAISON PROCÉDÉS

Modes de déformations conformes aux prévisions

Distorsions plus importantes en TIG / LASER ( x2)

Estimation des déformées numériques / expérimental : facteur ½

Temps de calcul : 1h sur 64 Cpus pour 30 cordons

SNS- 2014 / SNECMA

11 /


CONCLUSIONS

Utilisation de la simulation numérique pour anticiper des modes de

déformation sur de nouvelles conceptions de pièces

Validation des simulations par l’expérimentation

Modélisations multi-échelles (Local / global)

Choix d’un procédé d’assemblage

SNS- 2014 / SNECMA


12 /

Soudage par friction

/02/

SNS- 2014 / SNECMA

13 /


PROCÉDÉ

Le soudage se déroule en 3 phases

SNS- 2014 / SNECMA

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

1 2 3 4

Mise en rotation

Friction Forgeage

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

1 2 3 4

Mise en rotation

Friction ForgeageDébrayage

broche

Départ cycle Rotation de

soudage

Contact

T0

Pression

Consommation matière

Vitesse de rotation

Tf

Temps

Phase 1 Lancement

Phase 2 Soudage

Phase 3 Forgeage

Débrayage broche


soudage

Contact

T0

Pression


Vitesse de rotation

Tf

Temps

Phase 1 Lancement

Phase 2 Soudage

Phase 3 Forgeage

Phase 1 : Une des pièces est

mise en rotation puis débrayée

(elle continue de tourner par

inertie)

Vitesse

Temps

14 /


PROCÉDÉ


SNS- 2014 / SNECMA

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

1 2 3 4

Mise en rotation

Friction Forgeage

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

1 2 3 4

Mise en rotation


broche


soudage

Contact

T0

Pression


Vitesse de rotation

Tf

Temps

Phase 1 Lancement

Phase 2 Soudage

Phase 3 Forgeage

Débrayage broche


soudage

Contact

T0

Pression


Vitesse de rotation

Tf

Temps

Phase 1 Lancement

Phase 2 Soudage

Phase 3 Forgeage




inertie)

Phase 2 a : Les deux pièces

sont mises en contact sous l’effet

d’un effort de pression constant

-La rotation diminue librement

(freinage)

- Les pièces s’échauffent

localement (frottement)

Pression

Vitesse

Temps

15 /


PROCÉDÉ


SNS- 2014 / SNECMA

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

1 2 3 4

Mise en rotation

Friction Forgeage

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

1 2 3 4

Mise en rotation


broche


soudage

Contact

T0

Pression


Vitesse de rotation

Tf

Temps

Phase 1 Lancement

Phase 2 Soudage

Phase 3 Forgeage

Débrayage broche


soudage

Contact

T0

Pression


Vitesse de rotation

Tf

Temps

Phase 1 Lancement

Phase 2 Soudage

Phase 3 Forgeage




inertie)





(freinage)



Phase 2 b : Sous l’effet de la

chaleur et de l’effort, les pièces

se déforment (l’ensemble se

raccourci). La vitesse de rotation

continue de diminuer. Consommation matière

Vitesse

Pression

Temps

16 /


PROCÉDÉ


SNS- 2014 / SNECMA

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

1 2 3 4

Mise en rotation

Friction Forgeage

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

Effort

1 2 3 4

Mise en rotation


broche


soudage

Contact

T0

Pression


Vitesse de rotation

Tf

Temps

Phase 1 Lancement

Phase 2 Soudage

Phase 3 Forgeage

Débrayage broche


soudage

Contact

T0

Pression


Vitesse de rotation

Tf

Temps

Phase 1 Lancement

Phase 2 Soudage

Phase 3 Forgeage




inertie)





(freinage)



Phase 2 b : Sous l’effet de la

chaleur et de l’effort, les pièces

se déforment (l’ensemble se

raccourci). La vitesse de rotation

continue de diminuer.

Phase 3 : Lorsque la pièce a

entièrement décéléré, les pièces

refroidissent pendant que l’effort

est maintenu constant Temps

17 /


OBJECTIFS ET MÉTHODES

SNS- 2014 / SNECMA

Disposer d’un modèle numérique validé expérimentalement

Objectif

Construire le modèle

Identifier les

phénomènes à simuler

Comparer les mesures

expérimentales et

numériques

Valider les

hypothèses de base

18 /


SOMMAIRE

SNS- 2014 / SNECMA


Objectif


Identifier les



expérimentales et

numériques

Valider les

hypothèses de base

19 /


LA SIMULATION DU PROCÉDÉ

SNS- 2014 / SNECMA

Quels phénomènes simuler ?

Génération de chaleur par friction au contact

Echauffement de la matière

Diminution des propriétés matériaux

Déformation de la matière

Modification de la géométrie (conduction) et de la surface de contact

Génération de chaleur par déformation

Phénomènes en forte

interaction

(la bonne prédiction de l’un

passe par la bonne

prédiction des autres)

MAIS

Plutôt bien connus et

modélisables

20 /








SNS- 2014 / SNECMA

Un modèle complet


OK (terme source interne + source au contact)

Lois matériaux :

Vp? EVP?

OK (mise à jour de la

position du

maillage +

remaillage) OK

Lois tribologiques :

Coulomb? Norton? …

21 /








SNS- 2014 / SNECMA

Un modèle simplifié


OK (terme source interne + source au contact)

Lois matériaux :

Loi viscoplastique de Norton Hoff

OK (mise à jour de la

position du

maillage +

remaillage) OK

Lois tribologiques : Source de chaleur

équivalente +

Forces de friction

22 /


SOMMAIRE

SNS- 2014 / SNECMA


Objectif


Identifier les



expérimentales et

numériques

Valider les

hypothèses de base

23 /


LA SIMULATION DU PROCÉDÉ - RÉSOLUTION

Calcul mécanique en vitesse/pression

Thermique en lagrangien

Calcul étagé

SNS- 2014 / SNECMA

Mécanique

Géométrie déformée;

nouveaux contacts

Remaillage

Thermique

t = t+Δt

24 /


LA SIMULATION DU PROCÉDÉ - GÉOMÉTRIE

SNS- 2014 / SNECMA

Géométrie en cours de déformée

Modèle 2,5 D axisymétrique Modélisation d’une seule pièce

Symétrie via contact sur support indéformable

25 /


LA SIMULATION DU PROCÉDÉ - CL

SNS- 2014 / SNECMA

Convection et rayonnement

Flux Φ = f(t)

Température 20 C



Thermique Convection et rayonnement

Température fixe sur le haut

Flux variable imposé directement au contact (Flux uniforme)

Prise en compte de l’extension de la zone de contact

Prise en compte de la chaleur générée par déformation

26 /


LA SIMULATION DU PROCÉDÉ - CL



Thermique Convection et rayonnement

Température fixe sur le haut

Flux variable imposé directement au contact (Flux uniforme)

Prise en compte de l’extension de la zone de contact

Prise en compte de la chaleur générée par déformation

Mécanique Pression sur le haut du cylindre

Déplacement radiaux bloqué

Force de friction au contact (uniforme)

SNS- 2014 / SNECMA

Pression

Convection et rayonnement

Flux Φ = f(t)

Force de friction

Vitesse bloquée selon x

Température 20 C

Contact glissant Support bloqué

27 /


Calcul

LA SIMULATION DU PROCÉDÉ – CALCUL DU FLUX

Identification de la source de chaleur

équivalente :

On connait la vitesse de rotation ω=f(t)

On connait l’inertie totale de la pièce tournante J

On peut donc calcul l’énergie du système E en

fonction du temps

A partie de cette énergie on calcul la puissance

dissipée en fonction du temps

Cette puissance est introduite sous forme d’un flux

à l’interface

SNS- 2014 / SNECMA

E(t) = ½ J ω²(t)

P(t) = dE/dt = J ω * dω/dt

Φ(t) = - P(t)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5

Vit

ess

e d

e r

ota

tio

n (

tr/m

in)

Temps (s)w

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 1 2 3 4 5

Flu

x d

e c

hal

eu

r (M

W)

-lis

séTemps (s)FluxLe flux est il réellement uniforme?

28 /


SOMMAIRE

SNS- 2014 / SNECMA


Objectif


Identifier les



expérimentales et

numériques

Valider les

hypothèses de base

Flux Φ = f(t)

29 /


ETUDE PRÉLIMINAIRE - NUMÉRIQUE

Simulation avec flux uniforme sur l’interface (purement thermique)

SNS- 2014 / SNECMA

- - - - : Référence avec flux uniforme ------ : Résultats avec flux concentré

2mm

5mm

2 mm

Flux Φ = f(t)

30 /



Simulation avec flux non uniforme sur l’interface (purement thermique)

SNS- 2014 / SNECMA


2mm

5mm

5mm

2 mm

Flux Φ = f(t)

Surface divisée par deux

Pas d’influence de la surface

d’application à 5 mm

31 /


0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4 5 6Te

mp

éra

ture

(°C

)

temps (s)

Températures à 2 et 5 mm s2x2 - 2mm (D ext) s2x2 - 2mm (D moy)

s2x2 - 5mm (D ext) s2x2 - 5mm (D moy)

ref - 2mm (D moy) ref - 5mm (D moy)


Simulation avec flux non uniforme sur l’interface (purement thermique)

SNS- 2014 / SNECMA


2mm

5mm

5mm

2 mm

Flux Φ = f(t)

Surface divisée par deux

Influence visible à 2 mm de

l’interface

32 /


ETUDE PRÉLIMINAIRE EXPÉRIMENTALE

Eprouvette de soudage en base nickel avec 3 perçages à 2 mm de l’interface

SNS- 2014 / SNECMA

1 mm de la surface externe Mi - epaisseur

1 mm de la surface interne

Différence de température faible Validation de l’hyp. de flux uniforme

33 /


SOMMAIRE

SNS- 2014 / SNECMA


Objectif


Identifier les



expérimentales et

numériques

Valider les

hypothèses de base

2,5s

Pression

34 /


COMPARAISON EXPÉRIMENTALE-NUMÉRIQUE

Comparaison portant sur les température durant la phase sans

déformation

SNS- 2014 / SNECMA

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Tem

pé

ratu

re (

°C)

Temps (s)

4332 - Comparaison simu-exp

simu - interface 2mm moy 5mm moy

exp - interface exp - 2 mm exp - 5mm

2mm

Interface

5mm

Simulation de la T interface plutôt bonne ;

Simulation des T des volumes plus élevés et échauffement plus rapide

35 /



Prise en compte du temps de réponse du capteur (thermocouple) par un

modèle d’échauffement par conduction linéaire

SNS- 2014 / SNECMA

Le temps de réponse induit un retard à l’échauffement et des

température mesurée plus basse qu’en réalité

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

Ré

po

nse

Temps (s)

Temps de réponse = 0,6s

Réponse

echelon

τ

36 /



Prise en compte du temps de réponse

SNS- 2014 / SNECMA

2mm

Interface

5mm

La prise en compte du temps de réponse explique entièrement les

différences observées

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Tem

pé

ratu

re (°

C)

Temps (s)

4332 - temps de réponse de 0,7s

exp simu simu + tps rép

Effet du

temps de

réponse

37 /


CONCLUSIONS

La simulation du soudage friction peut être réalisée à l’aide d’un modèle simplifié où la friction est remplacée par une source équivalente de chaleur et des forces de friction

Importance de coupler dès la construction du modèle l’approche numérique et l’approche expérimentale

Importance de bien prendre en compte la physique de la mesure ou de modéliser la mesure

SNS- 2014 / SNECMA

Identification Modélisation Validation des

hypothèse

Pré-étude

numérique

Comparaison

des résultats

Réalisation d’essais

spécifiques

Modélisation de la

mesure Expérimental

Numérique

38 /

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