rapport d'activitÃ© 2009 - MINES ParisTech

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68 MÉCANIQUE ET MATÉRIAUX : RAPPORT D’ACTIVITÉ <strong>2009</strong> Recherche Les activités de recherche au Cemef sont menées au sein de 9 équipes de recherche : ■■ Rhéologie – Polymères – Procédés : Bruno Vergnes, Jean-François Agassant, Rudy Valette, Michel Vincent ■■ Physico-chimie des polymères : Patrick Navard, Tatiana Budtova, Edith Peuvrel-Disdier ■■ Métallurgie – Structure – Rhéologie : Roland Logé, Yvan Chastel, Nathalie Bozzolo, Marc Bernacki ■■ Structures et propriétés dans les procédés de solidification : Charles-André Gandin, Jean-Marc Haudin (conseiller scientifique) ■■ Surfaces et Tribologie : Pierre Montmitonnet, Alain Burr, Evelyne Darque-Ceretti, François Delamare (conseiller scientifique), Eric Felder, Bernard Monasse, Monique Repoux ■■ Thermo-mécanique et plasticité : Michel Bellet, Elisabeth Massoni ■■ Mécanique physique des polymères industriels : Noëlle Billon, Jérôme Bikard ■■ Modélisation mécanique et multiphysique : François Bay, Pierre-Olivier Bouchard, Katia Mocellin, Yannick Tillier ■■ Calcul intensif en mise en forme des matériaux : Thierry Coupez, Lionel Fourment, Patrice Laure, Hugues Digonnet, Luisa Silva, Rudy Valette, Marc Bernacki, Elie Hachem Les activités menées au sein de ces équipes se structurent autour de différents thèmes se situant à l’interface entre matériau, procédé et modélisation numérique - ce qui structure nos principaux axes de recherche présentés ici. Le matériau dans ses différentes phases La description de l’évolution du matériau lors des transformations (solidification des alliages métalliques, cristallisation des polymères, traitements thermiques) fait très souvent l’objet d’approches couplant analyse expérimentale et approche numérique, en particulier avec les approches de type « matériau digital » (DigiMicro ® ). Des pièces mécaniques allégées aux performances améliorées Une approche basée sur l’interaction produit-process Contact : pierre-olivier.bouchard@mines-paristech.fr Les nouvelles normes automobiles européennes imposent une réduction du poids des véhicules, tout en assurant des performances mécaniques de plus en plus élevées. Dans ce contexte, il s’avère nécessaire d’améliorer la résistance des pièces de structure des véhicules et d’optimiser leur phase de conception. Une chaîne de simulations numériques, intégrant modélisation des procédés de mise en forme et dimensionnement en service, a été mise en place. Les résultats thermomécaniques et microstructuraux de la phase de mise en forme sont utilisés comme données d’entrée pour améliorer la prédiction du comportement de ces pièces en service. Ce dimensionnement au plus juste des propriétés en service permet alors d’optimiser les phases de conception pour obtenir des pièces à la fois plus légères et plus robustes. La conjonction de 2 projets importants coordonnés par le CEMEF, l’un européen (VIF-CA avec 29 partenaires académiques de 17 pays européens et de 20 partenaires industriels sur le ‘Virtual Intelligent Forging’) et l’autre de l’ANR (Optiforge avec 3 laboratoires et 6 partenaires industriels) a impulsé une nouvelle dynamique à la thématique de la prise en compte du procédé de mise en forme dans l’étude de la tenue en service d’une pièce. Histoire thermomécanique des matériaux Procédés de mise en forme Propriétés microstructurales induites Dimensionnement des structures Préforme Écrasement Écrasement Ébavurage Finition Ébauche Cambrage
<strong>MINES</strong> PARISTECH – CEMEF 69 Études physico-chimiques De nombreuse études en cours portent sur la physique, physico-chimie et rhéologie de polysaccharides (cellulose, amidon, aérogels de cellulose, mélanges de polymères naturels) et de certains polymères (mélanges, composites) lors de leur mise en forme. Surfaces, revêtements, tribologie La caractérisation des surfaces des matériaux en termes de propriétés mécaniques et chimiques, du micromètre au nanomètre permet d’analyser les phénomènes de surface et d’interface - entre autres ceux qui sont liés au contact produit/outils dans les procédés de mise en forme et d’assemblage des matériaux : frottement, lubrification, usure, évolution de composition superficielle ou de rugosité, adhérence. La plate-forme expérimentale a été renouvelée pour associer AFM, XPS, ToF-SIMS, MEB et MET. Comportement mécanique des matériaux La détermination du comportement mécanique des matériaux est menée dans des conditions représentatives des procédés, à l’aide de moyens d’essai adaptés pour les métaux (torsion, traction) comme pour les polymères à l’état solide ou fondu (rhéomètres capillaires et élongationnels...). Elle s’appuie sur des méthodes d’analyse inverse et la mise au point de nouveaux modèles physiques. Ces études concernent les métaux (à chaud ou à froid), les polymères, ainsi que des matériaux à matrice polymère de complexité croissante (matériaux chargés fibres, mousses…). Les procédés de mise en forme des métaux et des polymères Les recherches menées couplent des approches numériques et expérimentales pour permettre d’analyser et d’optimiser les procédés industriels ; elles donnent lieu au développement de logiciels de simulation. Côté métaux, les procédés traités couvrent les procédés de mise en forme à l’état solide - forgeage, laminage, martelage, emboutissage, hydroformage, fluotournage…ainsi que les procédés de fonderie ou encore la coulée continue. Côté polymères, l’analyse porte sur les procédés tels que l’extrusion ou l’injection de matériaux complexes. Par ailleurs, une activité importante se développe autour des procédés d’assemblage mécanique et de soudage. La chaîne procédé – tenue en service Les outils de modélisation des procédés, couplés à un suivi et une modélisation des évolutions microstructurales au cours des procédés, permettent d’envisager la mise en place de chaînes virtuelles allant de l’élaboration et de la mise en forme des matériaux jusqu’à la tenue en service des pièces, et l’optimisation à terme de la tenue en service. L’ensemble de cette chaîne a été mis en œuvre dans plusieurs cas : forgeage, assemblage par déformation plastique… La modélisation des phénomènes d’endommagement (multi-échelles, modèles non locaux...) et des techniques de propagation de fissures est également menée dans ce cadre. La modélisation des couplages multiphysiques La modélisation des couplages thermiques, chimiques, métallurgiques se poursuit dans le cadre des procédés de mise en forme et des procédés connexes : les procédés de chauffage et de traitements thermiques (couplages électromagnétiques en chauffage par induction avec la mise en place de solveurs des équations de Maxwell basées sur des éléments finis d’arête), interaction fluide/structure pour les procédés de chauffage en four et de trempe (avec la résolution des équations de Navier-Stokes par des méthodes variationnelles multi-échelles). Les défis numériques La recherche de performances accrues en termes de précision et temps calcul nécessite de nouveaux algorithmes de contact, formulations ALE, solveurs performants (schémas multigrilles…), méthodes explicites pour la simulation de procédés à grande vitesse, méthode « level set » et immersion de domaines en conjonction avec les recherches sur la génération et l’adaptation de maillages anisotropes… Les développements sur le calcul massivement parallèle se poursuivent en s’appuyant sur le développement de la librairie CimLib. La modélisation de comportements spécifiques en biomécanique engendre également de nouvelles problématiques. Enfin, les méthodes d’analyse inverse pour l’identification de paramètres et d’optimisation pour les procédés constituent également un champ important de recherches. Principaux outils de modélisation : Forge3 ® , Thercast ® (fonderie), Rem3D ® (injection), Ludovic, Ximex (extrusion).
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