Évaluation de la capacité d’absorption d’énergie

Chez LKR, une géométrie de test a été développée qui permet de tester des coupons et des composants à partir d'un seul moulage avec une influence géométrique minimale.

Alliages coulés Évaluation de la capacité d’absorption d’énergie

Auteur / Editeur : Angela Harrison, Simon Frank, Matthias Hartmann, Sheikh-Enamul Hoque / Nicole Kareta

Les pièces en fonte d’aluminium ont un énorme potentiel d’intégration fonctionnelle, ce qui est un concept fondamental dans la conception légère. Chez LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen (LKR), une géométrie de test a été développée pour permettre le test de coupons et de composants à partir d’une seule pièce moulée avec une influence géométrique minimale.

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Chez LKR, une géométrie de test a été développée qui permet de tester des coupons et des composants à partir d'un seul moulage avec une influence géométrique minimale.
Chez LKR, une géométrie de test a été développée qui permet de tester des coupons et des composants à partir d’un seul moulage avec une influence géométrique minimale.

(Source : LKR)

introduction

Les pièces en fonte d’aluminium connaissent un intérêt croissant pour une utilisation en tant que composants structurels. La caractérisation standardisée et reproductible de la capacité d’absorption d’énergie des nouveaux alliages coulés ductiles est nécessaire pour pouvoir quantifier et déterminer leur applicabilité opérationnelle. Cependant, l’absorption d’énergie est toujours définie comme une interaction entre le matériau et la géométrie. Très souvent, la géométrie du composant fini n’est pas adaptée à la caractérisation, car des effets peuvent survenir qui sont dus plutôt à la géométrie qu’au matériau. Par conséquent, LKR a développé un tuyau en aluminium coulé en tant que géométrie d’essai macroscopique avec le potentiel de caractériser les alliages d’aluminium coulés expérimentalement ainsi que numériquement au niveau des coupons et des composants.

Sur la base de simulations mécaniques structurelles, la conception géométrique du tube coulé a été déterminée en ce qui concerne l’échantillonnage des propriétés des matériaux et la caractérisation du comportement à l’écrasement (voir Figure 1).

Figure 1. Résultats de simulation pour différentes sections transversales de base.
Figure 1. Résultats de simulation pour différentes sections transversales de base.

(Source : LKR)

En plus de ses propriétés géométriques, la coulabilité a également été étudiée à l’aide de simulations de remplissage et de solidification. La conception finale du tuyau coulé est illustrée à la figure 2.

Figure 2. Conception finale du tuyau coulé : géométrie CAO (à gauche), résultats de simulation de remplissage et de solidification (au centre) et pièce coulée (à droite).
Figure 2. Conception finale du tuyau coulé : géométrie CAO (à gauche), résultats de simulation de remplissage et de solidification (au centre) et pièce coulée (à droite).

(Source : LKR)

Fonderie

Dans une première étape, les activités de recherche visaient la mise en œuvre de la géométrie de test sur la cellule HPDC entièrement automatisée disponible au LKR (voir Figure 3). Les tests de coulée se sont concentrés sur le comportement de remplissage du moule à travers plusieurs boucles d’itération pour déterminer la courbe de coulée correspondante pour une qualité optimale. Pour optimiser davantage le processus, l’unité de vide a été ajoutée, présentant ses avantages en termes de qualité des composants et de mécanisme de défaillance des pièces moulées.

#expert

Cet article est basé sur une histoire de cas sur un problème client qui pourrait être résolu.

Au cours des essais de coulée, divers alliages d’aluminium ont été produits avec succès et soumis à un traitement thermique. Ces essais de coulée ont permis de vérifier l’adéquation du concept global et d’établir une référence pour les propriétés des matériaux des alliages existants.

Figure 3. Machine HPDC à chambre froide entièrement automatisée à LKR (FRECH DAK 1100-112).
Figure 3. Machine HPDC à chambre froide entièrement automatisée à LKR (FRECH DAK 1100-112).

(Source : LKR)

Caractérisation expérimentale

Suite aux essais sur la machine HPDC, les tuyaux coulés ont été caractérisés expérimentalement.

Afin de déterminer la plasticité et le comportement à la rupture, un programme d’essais expérimentaux a été réalisé comprenant différents essais sur éprouvettes correspondant à différentes triaxialités de contrainte, par exemple tension uniaxiale, cisaillement et tension de déformation plane (voir Figure 4).

Figure 4. Tube coulé après extraction des spécimens (gauche) ;  différentes géométries d'éprouvettes correspondant à différents états de contrainte (à droite).
Figure 4. Tube coulé après extraction des spécimens (gauche) ; différentes géométries d’éprouvettes correspondant à différents états de contrainte (à droite).

(Source : LKR)

Les données d’essai de traction uniaxiale de trois alliages coulés (Magsimal-plus, Silafont-36 et Castaduct-42) sont illustrées à la figure 5. Magsimal-plus ne présente presque aucune dispersion lors du durcissement, tandis que Castaduct-42 présente une dispersion légère et Silafont-36 significative. . Cette dispersion est une indication de l’hétérogénéité du matériau résultant de la porosité.

Figure 5. Données d'essai de tension uniaxiale de trois alliages coulés.
Figure 5. Données d’essai de tension uniaxiale de trois alliages coulés.

(Source : LKR)

La caractérisation du comportement à la rupture d’un alliage implique un grand nombre d’essais sur coupons. Étant donné que Magsimal-plus présente la résistance la plus élevée et donc un potentiel élevé d’absorption d’énergie, il a été choisi pour être examiné plus en détail. Sa résistance au crash au niveau des composants a ensuite été étudiée par des tests d’écrasement quasi-statiques des tuyaux coulés (voir Figure 6 en haut), ne montrant aucune dispersion significative (voir Figure 6 en bas et Tableau 1). Les résultats prouvent que la géométrie du tuyau coulé est appropriée pour décrire le comportement d’absorption d’énergie de Magsimal-plus.

Figure 6. Tubes coulés (Magsimal®-plus) après essai d'écrasement axial quasi-statique (en haut) et données d'essai correspondantes (en bas).
Figure 6. Tubes coulés (Magsimal®-plus) après essai d’écrasement axial quasi-statique (en haut) et données d’essai correspondantes (en bas).

(Source : LKR)

Tableau 1. Données d'essai d'écrasement axial quasi-statique pour les tuyaux coulés Magsimal-plus.
Tableau 1. Données d’essai d’écrasement axial quasi-statique pour les tuyaux coulés Magsimal-plus.

(Source : LKR)

Caractérisation numérique

Les résultats des tests de coupons expérimentaux ont servi de base à l’obtention d’un modèle de matériau valide pour la caractérisation numérique en se concentrant sur la prédiction du comportement d’absorption d’énergie des alliages coulés à l’avenir. Pour représenter les particularités du processus de coulée, il est recommandé d’utiliser la même pièce coulée pour le coupon et les tests de composants.

Un modèle de matériau pour une simulation numérique contient la plasticité ainsi que le comportement à la rupture. Le comportement de plasticité a été modélisé avec le modèle isotrope de Hershey. La courbe de durcissement a été obtenue à partir de l’essai de traction uniaxiale en combinaison avec une approche d’identification inverse itérative (voir Figure 7).

Figure 7. Courbe d'écrouissage de Magsimal-plus obtenue par essai de traction uniaxiale et approche itérative d'identification inverse.
Figure 7. Courbe d’écrouissage de Magsimal-plus obtenue par essai de traction uniaxiale et approche itérative d’identification inverse.

(Source : LKR)

La rupture du matériau (fracture) a été modélisée avec GISSMO (Generalized Incremental Stress Statedependent Damage Model) en combinaison avec les critères de rupture de Xue-Wierzbicki, une approche couramment utilisée pour les alliages d’aluminium corroyés. L’étalonnage du modèle de matériau implique des essais de cisaillement et de traction entaillée en plus des essais de traction à plat, qui ont montré une grande dispersion (voir Figure 8). Afin de traiter ce comportement de diffusion, deux courbes de fracture (borne supérieure et borne inférieure) ont été calibrées (voir Figure 9) suivant une approche hybride expérimentale-numérique.

Figure 8. Calibrage des courbes de fracture par approche hybride expérimentale-numérique.
Figure 8. Calibrage des courbes de fracture par approche hybride expérimentale-numérique.

(Source : LKR)

Figure 9. Courbes de fracture calibrées pour Magsimal-plus.
Figure 9. Courbes de fracture calibrées pour Magsimal-plus.

(Source : LKR)

Sur la base du modèle de matériau calibré, les simulations de composants FE des essais d’écrasement ont été réalisées dans LS-DYNA. Le tuyau coulé a été modélisé une fois avec des éléments coques et une fois avec des éléments solides (voir Figure 10). Bien que l’approche des éléments de coque soit plus rapide en raison d’un effort de calcul moindre, l’approche des éléments solides est la plus souhaitable, car elle donne des résultats plus précis et des informations plus détaillées sur la formation des plis. Comme prévu, dans le cas présent, il a montré un comportement de déformation plus réaliste par rapport au modèle de coque.

Figure 10. Simulation EF du test d'écrasement : modèle coque (gauche), modèle solide (droite).
Figure 10. Simulation EF du test d’écrasement : modèle coque (gauche), modèle solide (droite).

(Source : LKR)

Bien que le modèle de coque ait prédit la force maximale avant l’effondrement du tuyau coulé avec plus de précision, la prédiction globale de la courbe du modèle solide était plus proche des expériences (voir la figure 11).

Au début, les deux courbes de simulation suivent la tendance de l’expérience et représentent bien la force maximale. Après ce point, la courbe expérimentale diminue car la fracture s’est déjà produite. En revanche, la courbe du modèle de coque oscille, indiquant la formation de plis, mais pas de fracture. La courbe du modèle solide ne semble montrer ni formation de plis ni fracture. Étant donné que pour les deux modèles, il n’y a pas de défaillance matérielle, le tuyau coulé supporte toujours une charge élevée. Ceci indique que la routine standard de caractérisation de la fracture pour les alliages corroyés n’est pas adaptée aux alliages coulés et que le modèle de fracture appliqué doit être ajusté.

Figure 11. Comparaison entre les données du test d'écrasement expérimental et le résultat de la simulation.
Figure 11. Comparaison entre les données du test d’écrasement expérimental et le résultat de la simulation.

(Source : LKR)

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Conclusion

D’une part, la géométrie du tube coulé permet une caractérisation reproductible de la capacité d’écrasement des alliages coulés au niveau des composants avec une influence géométrique minimale. D’autre part, il permet de caractériser expérimentalement le comportement du matériau au niveau du coupon, ce qui est nécessaire à la calibration d’un modèle de matériau pour la simulation numérique.

Le modèle de plasticité choisi montre de bons résultats globaux en termes de validation de la force maximale et de la première partie de la courbe force-déplacement. Cependant, les modèles déterministes de pointe d’endommagement et de fracture ne sont pas capables de capturer le comportement du matériau dispersé observé dans les essais de coupons. Comme il existe des inhomogénéités du matériau, qui sont une particularité inhérente aux composants coulés (air emprisonné, oxydes, etc.), le modèle standard principalement utilisé pour les alliages forgés doit être ajusté pour s’adapter au processus de coulée. Au LKR, il existe déjà des développements pour améliorer le modèle GISSMO avec une extension statistique à utiliser pour de futures enquêtes.

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