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RÉSUMÉ
Procédé de plus en plus utilisé, le rivetage autopoinçonneur permet d’assembler des tôles de différentes natures (acier, aluminium, magnésium, plastique) et épaisseurs. La simulation numérique par éléments finis du procédé de rivetage apparaît comme un outil facilitant la compréhension des phénomènes physiques et mécaniques en jeu. Le coût et les délais de développement s’en trouvent ainsi réduits.
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Pierre-Olivier BOUCHARD : Ingénieur en calcul scientifique de l’École supérieure en sciences informatiques - Docteur en mécanique numérique de l’École des mines de Paris - Maître assistant au centre de mise en forme des matériaux de l’École des mines de Paris
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Laurent TOLLIER : Ingénieur de l’École nationale supérieure de mécanique et d’aérotechnique - Docteur en mécanique énergétique de l’université de Poitiers - Ingénieur matériaux et procédés, PSA-Peugeot-Citroën
INTRODUCTION
Le rivetage autopoinçonneur est un procédé de plus en plus utilisé, dans l’industrie automobile notamment, pour assembler des matériaux de différentes natures et épaisseurs. Un rivet, très rigide, est enfoncé dans deux tôles ou plus (acier, aluminium, magnésium, plastique) maintenues par une bouterolle et un serre-flan. Le rivet perce la première tôle, puis vient s’expanser dans la suivante selon la forme de la bouterolle utilisée. Le point d’assemblage ainsi réalisé présente de nombreux avantages, décrits dans la première partie.
Si le rivetage autopoinçonneur est maintenant bien maîtrisé, son amélioration est due principalement à des techniques d’essais-erreurs, ou encore à l’expérience des techniciens. Cependant, cette méthode expérimentale devient difficilement applicable au regard de l’augmentation des configurations d’assemblage (nuances, épaisseurs), de la multiplicité des paramètres du procédé ainsi que de la diminution des délais de développement. L’emploi d’un outil numérique de simulation du procédé de rivetage apparaît donc comme une solution pour réduire les coûts et les délais de développement et permettant une exploration plus complète de la technique. La modélisation numérique par éléments finis est maintenant couramment utilisée pour la mise en forme des matériaux. Elle s’est montrée très utile pour mieux comprendre les phénomènes physiques et mécaniques rencontrés, et ainsi pour modifier et/ou améliorer un procédé existant. Dans le cadre du rivetage autopoinçonneur, la modélisation numérique s’avère particulièrement délicate puisqu’elle fait intervenir de grandes déformations plastiques, de l’endommagement et de la rupture, ou encore du contact multimatériaux. Cette étude est essentiellement consacrée à la simulation du rivetage lui-même. Cependant, les résultats de la simulation (géométrie, contraintes résiduelles…) peuvent être utilisés en vue d’optimiser la tenue mécanique du point d’assemblage.
Dans la deuxième partie, les bases du modèle mécanique utilisé sont exposées puis, en troisième partie, nous en abordons les spécificités numériques. La quatrième partie est dédiée à la modélisation du procédé, et notamment aux précautions à prendre pour assurer une bonne mise en données des simulations ainsi qu’à la validation des résultats numériques. Enfin, la cinquième partie montre comment la simulation numérique peut être utilisée pour améliorer le procédé de rivetage autopoinçonneur, ainsi que la tenue mécanique finale du point d’assemblage ainsi réalisé. En perspective, nous montrons comment la méthodologie mise en place dans le cadre du rivetage autopoinçonneur peut être facilement transposable à d’autres techniques d’assemblage par contact impliquant de grandes déformations plastiques.
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4. Simulation numérique du rivetage autopoinçonneur
4.1 Mise en données de la simulation
Étant donné la configuration du procédé de rivetage autopoinçonneur, les simulations peuvent être réalisées en configuration 2D axisymétrique. Cependant, pour faciliter la visualisation, nous présentons les géométries 3D des différentes pièces. La géométrie est réalisée directement à partir des plans des différents objets : rivet, tôles, bouterolle, serre-flan. Plusieurs géométries de rivets (figure 12) et de bouterolles (figure 13) ainsi que différentes épaisseurs de tôles peuvent ainsi être modélisées.
La configuration finale de l’outillage seul et celle de l’outillage avec le rivet et les tôles sont représentées sur la figure 14.
Une fois les géométries définies, l’étape de maillage est primordiale car elle détermine la précision des résultats du calcul par éléments finis. De plus, lors du procédé, la pénétration du rivet dans les deux tôles implique une gestion du contact particulièrement délicate d’un point de vue numérique. Pour bien prendre en compte ce contact, il est nécessaire de raffiner préférentiellement le maillage dans les zones de contact comme représenté sur la figure 15. Cela est réalisé à l’aide de boîtes de raffinement permettant de définir une carte de taille de maille locale. Lors de grandes déformations, les éléments dégénèrent. Il est alors nécessaire d’opérer un remaillage automatique de façon à conserver des éléments de bonne qualité pour une bonne précision des calculs par éléments finis. Les boîtes de raffinement doivent alors être évolutives, c’est-à-dire qu’elles doivent suivre l’avancée du poinçon de façon à rester centrées sur les zones de contact importantes (rivet-tôles).
Le pilotage du poinçon est effectué à vitesse constante (20 mm/s), la bouterolle est fixe et un effort constant est appliqué au niveau du serre-flan.
Dans les simulations suivantes, la tôle supérieure de 1 mm d’épaisseur est en alliage d’aluminium 5754, la tôle inférieure de 2 mm d’épaisseur...
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BIBLIOGRAPHIE
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