Modélisation et calcul du procédé de pliage à trois rouleaux de tôles d'acier

Abstrait

  Les procédés de pliage de tôle font partie des opérations de fabrication industrielle les plus couramment utilisées. Le développement et l'optimisation de ces processus prennent du temps et sont coûteux. Par conséquent, les simulations par éléments finis peuvent aider leconception et assurance de la qualité des produits en tôle. Dans la présente étude, un ensemble commercial d'éléments finis a été utilisé pour analyser le pliage à trois rouleaux d'une tôle d'acier. Un modèle à deux dimensions à éléments finis de ce processus a étéconstruit sous l'environnement ABAQUS / Explicit basé sur la solution de plusieurs techniques clés, telles que le traitement de la condition de contact, la définition de la propriété du matériau, la technique de maillage, etc. Des cartes avec les rayons de courbure souhaités ont étéétablie en faisant varier la distance entre les deux rouleaux inférieurs et la position de celui-ci. Les cartes développées ont facilité le processus de roulement et pris moins de temps. Une expérience industrielle utilisant des résultats numériques optimisésa été réalisée pour valider le modèle numérique. Les contraintes résiduelles et les distributions de déformation plastique équivalentes ont également été étudiées. Le phénomène de retour numérique a été comparé aux résultats analytiques.

  1. Introduction

  Les sections ou embouts cylindriques sont utilisés dans de nombreuses applications techniques telles que les réservoirs sous pression, les enveloppes d'échangeur de chaleur et les chambres de chaudière. Ils constituent également le squelette principal des plates-formes pétrolières et gazières. Machines à rouler avec trois etquatre rouleaux sont indispensables à la fabrication de viroles à courbures diverses [1-3]. À ce jour, des recherches sur le processus de pliage cylindrique à froid ont été effectuées en utilisant uniquement des modèles analytiques et empiriques. Yang et Shima [4] ontdiscuté de la distribution de la courbure et du moment de flexion calculé en fonction du déplacement et de la rotation des cylindres en simulant la déformation d'une pièce à travailler avec une section transversale en forme de U dans une flexion à trois rouleauxprocessus. Huaetal. [3] ont proposé une formulation permettant de déterminer la force de flexion sur les rouleaux, le couple d'entraînement et la puissance dans le pliage continu à quatre rouleaux d'une plaque mince. Gandhi et Raval [5] ont développé des méthodes analytiques etmodèles empiriques pour estimer explicitement la position du rouleau supérieur en fonction du rayon de courbure final pour la flexion cylindrique des plaques à trois rouleaux.

  Dans le présent article, les paramètres du processus de pliage à trois rouleaux ont été étudiés à l'aide d'une analyse dynamique bidimensionnelle à éléments finis explicites. Comme le montre schématiquement la figure 1,

Fig. 1. Configuration d'une plieuse pyramidale à trois rouleaux.

Fig. 2. Dimensions initiales de la pièce à modéliser (en mm).

la tôle était alimentée par deux rouleaux latéraux à partir du point A, courbée à une courbure arbitraire en ajustant la position du rouleau supérieur, puis quittait celle-ci au point B. Ensuite, la pièce à souder a été soudée pour produire une virole. leLe processus de laminage commençait toujours par l’opération cruciale de pré-plier les deux extrémités de la pièce (Fig. 2). Cette opération élimine les points plats lors du roulage d'une forme cylindrique complète et assure une meilleure fermeture du joint.

  Le succès du processus de pliage à trois rouleaux dépend fortement de l'expérience et des compétences de l'opérateur. L'oeuvreLe pliage à la pièce est généralement produit via la méthode multi-passes, également appelée «essai et erreur» pour optimiser la capacité de pliage des plieuses à rouleaux. Néanmoins, la méthode multi-passes suggère des coûts élevés dus au gaspillage et à la perte de matièredu temps de production. La répétabilité, la précision et la productivité du processus nécessitent l'utilisation d'une méthode de production en un seul passage [5].

  Cependant, cette dernière méthode a toujours été un défi car un opérateur doit connaître les différents paramètres de la machine pour obtenir des embouts ayant le diamètre souhaité. Les paramètres incluent la position du rouleau supérieur (U),distance entre les rouleaux inférieurs (a) et épaisseur de la tôle métallique (e).

  2. modélisation FE

  Le processus de roulement est compliqué du point de vue de la modélisation FE. Ses caractéristiques communes avec d'autres processus de formage incluent une grande plasticité de déformation, des déplacements importants et des phénomènes de contact. Cependant, ce processus semble être pluscompliqué que d'autres processus de formage. Par exemple, la pièce à travailler est tirée dans la fente entre les rouleaux par friction due aux mouvements des rouleaux supérieur et inférieur.

  Pour modéliser le processus de laminage à l'aide du code Abaqus FE et assurer la précision et l'efficacité du calcul, de nombreuses techniques clés ont été prises en compte, telles que la modélisation géométrique, l'assemblage, le traitement des conditions aux limites de contactdéfinition des propriétés du matériau, du maillage, etc. [6]. Ces techniques sont détaillées dans la section suivante.

  2.1 Problème de modélisation

  Des méthodes de solution implicites et explicites ont été essayées pour exécuter des simulations réussies. La méthode implicite est favorable dans les modèles où de grands incréments de temps peuvent être utilisés. Plusieurs tentatives utilisant la méthode implicite ont été faites, maisles simulations ont été interrompues après quelques rotations. Compte tenu de la non-linéarité du problème et des conditions de contact sévères, l'utilisation de grands incréments de temps n'était pas possible. Par conséquent, la méthode de la solution explicite semblait plusconvient parce que très peu de temps ont été nécessaires dans le problème. Ce choix de la procédure explicite dynamique a été confirmé par Han et Hua [7] à l'aide d'un modèle du processus de forgeage par rotation à froid d'une pièce annulaire. leLa procédure d’analyse dynamique explicite reposait sur la mise en œuvre d’une règle d’intégration explicite utilisant des matrices de masse d’éléments diagonaux. Les équations de mouvement du corps ont été intégrées à l'aide de la différence centrale expliciterègle d’intégration [8], comme indiqué ci-dessous:

Fig. 3. Essais de traction uniaxiale de S275JR.

où uN est un degré de liberté et l'indice i fait référence au numéro d'incrément dans une étape dynamique explicite.

  Les différentes étapes sont détaillées dans les sections suivantes.

2.2 Problème de modélisation

  L'ensemble du processus de pliage à trois rouleaux était composé d'une pièce et de rouleaux. La tôle d'acier était définie comme un corps déformable et les rouleaux, qui n'étaient pas déformables, étaient définis comme des corps rigides distincts. Chacun de cesLes corps rigides ont été affectés à un point de référence (RP) pour représenter leur mouvement rigide dans tous les degrés de liberté.

  2.3 Propriétés du matériau

  Les rouleaux étaient en acier au carbone forgé C46 et étaient supposés être des corps rigides. Une tôle d'acier a été désignée comme corps déformable. Les propriétés des matériaux de l’acier S275JR ont été définies en utilisant le module de Young E, la densité ρ etCoefficient de Poisson ν. Pour déterminer le comportement plastique de l'acier, une courbe contrainte-déformation conventionnelle a été obtenue à partir d'un essai de traction uniaxial (NF A 03-151), présenté à la Fig.Module de Young de 210 GPa et coefficient de Poisson de 0,3. L'écrouissage a été décrit en utilisant plusieurs points de contrainte de traction par rapport à la déformation plastique sur la limite d'élasticité (290 MPa) et inférieure à la résistance à la traction (489 MPa). La dynamiqueLa méthode explicite a été utilisée dans le calcul et le poids de la feuille a été pris en compte. La densité d'acier utilisée était de 7800 kg · m-3. La mise à l'échelle de masse affecte grandement les résultats de calcul; une plus grande est la masse mise à l'échelle le plus court estle temps de calcul. Cependant, une très grande échelle de masse peut conduire à une solution instable. Dans le présent travail, le paramètre d’échelle de masse optimisé s’avère être 3000 fois.