Article de référence | Réf : BM7820 v1

Étude numérique
Clinchage des tôles minces - Modélisation du comportement

Auteur(s) : Carlo PIETRAPERTOSA, Anne Marie HABRAKEN, Jean-Pierre JASPART

Date de publication : 10 avr. 2005

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RÉSUMÉ

Technique d’assemblage mécanique de tôles métalliques par emboutissage, le clinchage s’avère fort intéressant, notamment en construction. Les réticences autour ce procédé proviennent de la difficulté d’évaluer aisément sa résistance. Cet article étudie le comportement de cet assemblage en cisaillement. Il commence par présenter séparément l’approche expérimentale et l’approche numérique. Les résultats sont ensuite comparés dans le but de valider les modèles et de développer une formulation analytique de la résistance des assemblages clinchés.

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Auteur(s)

INTRODUCTION

Le clinchage est une technique d’assemblage mécanique de tôles métalliques. Le principe de base est de connecter deux tôles métalliques par emboutissage entre un poinçon et une matrice. La tôle subit localement une déformation plastique à froid, formant un point de connexion. Le formage à froid est utilisé comme technique d’assemblage.

Dans le cadre d’un large projet européen sur les systèmes d’assemblage pour la production automatisée d’éléments en acier standards pour la construction, le clinchage a été étudié à l’université de Liège : des modèles numériques simulant le processus de clinchage ont été développés et une étude approfondie sur le comportement d’un point clinché soumis à un effort de cisaillement a été réalisée. À cet égard, des essais de cisaillement sur assemblages simples, avec seulement un ou deux points clinchés, ont été effectués et reproduits numériquement grâce au logiciel de calcul par éléments finis Lagamine . Sur base des conclusions de ces études, un modèle analytique de résistance d’un point clinché soumis à cisaillement a été développé.

Des essais, modèles numériques et développements analytiques ont également été réalisés pour des assemblages clinchés complets soumis au cisaillement et/ou à la flexion. Un des objectifs de la recherche est en effet de développer des formules permettant d’estimer rapidement la résistance et la rigidité d’assemblages clinchés.

Tout assemblage de construction est constitué d’une ou de plusieurs composantes (boulons en traction, semelle de poutre comprimée, etc.). Pour évaluer le comportement de l’assemblage, la méthode des composantes  recommande d’isoler chaque composante et d’étudier son comportement séparément. Pour des assemblages simples, la résistance de l’assemblage correspond à celle de la composante la plus faible. Cette méthode dite « des composantes » a été adoptée dans les eurocodes en constructions métallique et mixte. Elle peut être appliquée aux assemblages clinchés. Dans ces assemblages, une seule composante est identifiée : le point clinché soumis à cisaillement (on le nommera « clinch » par la suite). L’analyse du comportement d’un clinch est donc primordiale pour déterminer le comportement d’un assemblage complet à clinches multiples.

Le présent article est consacré à l’étude du comportement de la composante « clinch en cisaillement ». Les aspects expérimentaux, numériques et analytiques de la recherche y sont présentés. D’abord, une comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques est réalisée dans le but de valider les modèles. Grâce aux essais et simulations numériques, une série de paramètres sont identifiés et les modes de ruine sont analysés. Tous ces éléments sont enfin utilisés pour développer une formulation analytique de la résistance de la composante « clinch en cisaillement ».

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm7820


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3. Étude numérique

L’objectif final de l’étude numérique est de simuler l’essai de cisaillement d’un point clinché ; l’outil numérique, après validation, peut être alors utilisé pour analyser le comportement mécanique de la composante « clinch en cisaillement ». Toutes les informations obtenues grâce aux simulations numériques sont ensuite utilisées pour le développement des modèles analytiques.

3.1 Procédure de modélisation

Pour simuler numériquement l’essai en cisaillement, une série de données sont nécessaires, telle la géométrie réelle du clinch, les contraintes résiduelles et les déformations dues au clinchage lui-même. Pour avoir une bonne estimation de ces paramètres, qui sont difficilement mesurables sur une éprouvette, une solution est de simuler numériquement le procédé de clinchage. La stratégie qui a été suivie pour l’étude numérique est la suivante :

a. La première étape consiste à simuler le procédé de clinchage. Un modèle axisymétrique est considéré (figure 7a ). Le but est d’obtenir la forme géométrique réelle du clinch et de pouvoir prendre en compte les contraintes et déformations engendrées par l’emboutissage de l’acier.

b. L’étape suivante consiste à récupérer les résultats de la simulation précédente (géométrie, état de contrainte et déformations) et les introduire dans un modèle 3D pour la simulation de l’essai de cisaillement. Cela implique d’étendre les résultats obtenus pour un modèle 2D axisymétrique à un maillage 3D (figure 7b ).

c. Une fois que le maillage 3D de l’éprouvette est réalisé, l’étape finale consiste à simuler le cisaillement du clinch. Cette ultime étape fournit le comportement de la composante via la courbe P – Δ et une série d’autres informations concernant les déformations, les déplacements et la distribution de contraintes dans le clinch (figure 7c ).

Toutes les étapes de l’étude numérique sont réalisées avec le logiciel d’éléments...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - HABRAKEN (A.M.), CESCOTTO (S.) -   An automatic remeshing technique for finite element simulation of forming processes.  -  International Journal for Numerical Methods in Engineering. Vol. 30, no 8, 1503-1525, déc. 1990.

  • (2) - JASPART (J.P.) -   Study of the semi-rigidity of beam-to-column joints and its influence on the resistance and stability of steel building.  -  PhD thesis, Liège University, M&S Department.

  • (3) - LI (K.P.), CESCOTTO (S.), JETTEUR (P.) -   An Element with Hourglass Control for the Large Deformation Analysis in Three-Dimension.  -  Proc. of 3rd Int. Conf. on Computational Plasticity, Fundamentals and Applications, 6-10, avr. 1992.

  • (4) - HABRAKEN (A.M.), CESCOTTO (S.) -   Contact between deformable solids, the fully coupled approach.  -  Mathematical and Computer Modelling, 28, no 4-8 (1998).

  • (5) -   Novel jointing systems for the automated production of light gauge steel elements.  -  ECSC RDT Steel Research Programme, PR252 (2004).

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