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Analyse numérique des contraintes résiduelles dans les structures assemblées par soudage "cas des pipelines en acier à haut grade"

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par Soufyane BELHENINI
Université Djilali Liabes de Sidi Bel Abbés ( Algérie) - Magister en génie mécanique, option: mécanique des matériaux avancés 2009
  

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II.2.3.1.b Détermination de la source de chaleur numérique

Du fait du nombre et de la complexité des phénomènes mis en jeu concernant l'apport thermique en soudage, le type de flux imposé doit cumuler différents phénomènes de transfert d'énergie. Sa forme et son intensité sont optimisées de manière à obtenir une forme de bain de fusion réaliste.

Dans le cas d'une simulation bidimensionnelle qui considère une section transversale à l'avancée du soudage, il faut prendre en compte l'énergie totale de soudage par unité de longueur. Il existe alors différentes façons de répartir cette énergie sur le maillage et dans le temps. Nous considérons ici trois approches différentes [16] :

? Tout d'abord, une approche en températures imposées, pour laquelle nous imposons une histoire de température à la partie du maillage correspondant à la zone fondue. Il s'agit d'une montée linéaire de température en fonction du temps jusqu'à la température de fusion (1475 °C), suivie ou non d'un temps de maintien.

Chapitre II Modélisation du procédé de soudage d'un tube

52

Puis pour la phase de refroidissement, des échanges radiatifs et convectifs sont considérés avec l'extérieur, en adoptant un coefficient d'échange de 15 W/m.°C.

? D'autre part une approche en flux volumique pour laquelle nous imposons un flux volumique à la partie du maillage correspondant à la zone fondue (de section transversale). Ce flux est généralement distribué en fonction du temps.

? Enfin une approche en flux surfacique, pour laquelle nous imposons un flux surfacique à la partie du maillage correspondant à la surface de la zone fondue.

C'est la première approche (approche en température) que nous avons décidé d'utiliser, pour déterminer les sollicitations thermiques générées par notre procédé.

II.2.3.1.c Temps de chauffage et de refroidissement

Le temps de chauffage et celui de refroidissement présentent de nouveau un défit pour le calcul thermique menant au calcul structural de la structure considérée. Bien qu'il existe des expressions empiriques pour estimer les propriétés du cycle thermique à imposer (voir annexe), nous avons choisi tout simplement de considérer le temps de refroidissement comme étant le temps nécessaire à la torche de soudage pour qu'elle réalise un tour complet sur la conduite (figure II..7).

Le temps de refroidissement sera donc calculé par l'expression suivante :

t= v/p (25)

Avec t est le temps d'un tour complet de la torche de soudage égale au temps de refroidissement

v est la vitesse de la torche de soudage.

P représente le périmètre parcouru par la torche (Figure II.7).

La vitesse de soudage dépend du volume de métal d'apport à déposer pour chaque passe. Dans le cas de soudage multipasses (13 passes) les vitesses de soudage sont données par le tableau II.1:

Chapitre II Modélisation du procédé de soudage d'un tube

53

passe

vitesse de soudage
[mm/min]

1

61

2

107

3

94

4

212

5

207

6

279

7

282

8

265

9

282

10

273

11

295

12

265

13

270

Tableau II.1 : Vitesses de soudage pour les 13 passes [21]

Figure II.7 : Trajet de la torche de soudure en fonction de l'angle circonférentiel?. II.2.3.2 Calcul mécaniques

La relation de comportement est élasto- plastique, avec écrouissage isotrope non linéaire. On effectue les calculs en petites déformations et grands déplacements.

La modélisation étant axisymétrique, la soudure est déposée sur toute la circonférence en même temps avec libre dilatation et contraction du tube. Dans la réalité, la partie de structure froide exerce un bridage de la zone soudée dont la modélisation axisymétrique ne permet pas de rendre compte. Cet autobridage s'estompe quand la chaleur diffuse et disparaît lors du refroidissement. On remédie à cette lacune de modélisation, en bridant axialement le tube dans la phase de chauffage [15].

Chapitre II Modélisation du procédé de soudage d'un tube

54

Pour l'accrochage des cordons de soudure, le modèle comprend dès la première passe les 13 cordons (soudage à 13 passes) ou les 3 cordons (soudage à 3 passes). Ces cordons de soudure sont accrochés au premier cordon et à la structure de façon à ce qu'ils se déforment avec ces derniers. Quelque soit l'opération de soudage, on active simultanément les éléments finis du même cordon de soudure, on lui restitue son vrai module d'Young et le reste des passes sont désactivés en leur attribuant un module d'Young quasi-nul. En effet, la même procédure de calcul se répète successivement pour l'ensemble des passes. Ainsi, il n'y a aucune liaison entre groupe de noeuds à gérer, ce qui facilite la mise en données. Autre avantage : cette technique permet de réactualiser la géométrie au terme de chaque passe sans remailler les cordons non activés puisqu'ils sont présents dès le départ et se déforment avec le maillage. En pratique, il faut veiller à la faible déformation de ces cordons, sinon il faudrait les remailler ; ce qui n'est pas advenu durant ces calculs. La déformée finale montre néanmoins des déplacements importants [20]. Pour pouvoir ajouter la matière au cours de l'opération de remplissage, particulièrement dans le cas de soudage multipasses, on utilise la technique d'activation/désactivation d'éléments finis (option "birth and death elements").

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