Experimental study and 3D finite element modeling of stamped steel shell heat treatment after induction heating processes: application on an automotive centre pillar
Étude et modélisation numérique 3D par éléments finis d'un procédé de traitement thermique de tôles embouties après chauffage par induction : Application à un renfort de pied central automobile
Résumé
Heat treatment of steel after localised induction heating is now a widespread process - especially in the automotive industry. This process has proved its reliability in the context of massive parts, but the distortions generated are still often insufficiently controlled when dealing with thin sheets. PSA-Peugeot-Citroen is interested in the analysis and understanding of the phenomena involved, as well as the numerical simulation of such processes. It is therefore within this framework and in within a partnership between PSA and CEMEF that this work has taken place, using as an application the heat treatment of centre pillars. Such a complex process requires the understanding of heat transfer, solid mechanics, metallurgy, electromagnetism, and their mutual interactions for heating as well as cooling. This work lies at the crossroads of several disciplines such as thermomechanics and electromagnetism, as well as numerical methods and experimental study. It follows various projects carried out in the laboratory dealing with heat transfer or mechanics, as well as a previous thesis focused on a coupled numerical model for quenching. It is also a first 3D approach for induction heating processes and related multiphysics couplings. The presentation of this work is divided into three main parts. We first describe the industrial context, the problematic and the previous studies carried out on this process, getting then to experimental studies conducted within this work: one is aimed at the industrial process and the other on a simplified model we have developed in order to understand better the physical phenomena which create distortions. These experimental studies, which have provided us with many results, underscore the need for a numerical model in order to gat a better in-depth understanding of the physics involved in the process. We then have three chapters devoted to the finite element models developed and used in our computer tool in order to simulate the coupled problems: heat transfer/electromagnetism, solid mechanics/metallurgy as well as the whole coupled structure. The third and last part of this report deals on one hand with the setting up of a semi-industrial cases as well as material parameters identification, and on the other hand with numerical results obtained and their comparison with experimental results. This model enables us to estimate in a first approach the distortions undergone by a thin structure during localized induction heat treatment. The present computer tool provides us with a solid basis for future developments enabling us to tackle with complex industrial problems.
Le traitement thermique des aciers après chauffage par induction localisé est un procédé aujourd'hui répandu, notamment dans l'industrie automobile. Ce type de procédés a fait ses preuves dans le cadre de pièces massives, mais les distorsions générées sont encore parfois insuffisamment maîtrisées lorsqu'il s'agit de tôles minces. PSA-Peugeot-Citroën s'intéresse alors à l'étude et la compréhension des phénomènes en jeu ainsi qu'à la simulation numérique de tels procédés. C'est alors dans cette démarche et dans le cadre d'un partenariat entre le Cemef et PSA, que s'inscrit ce travail appliqué au traitement thermique d'un renfort de pied central. Un procédé aussi complexe nécessite la compréhension de la thermique, de la mécanique, de la métallurgie, de l'électromagnétisme, ainsi que de leurs interactions mutuelles au chauffage comme au refroidissement. Ce travail se trouve alors au carrefour de plusieurs disciplines comme la thermomécanique et l'électromagnétisme, ainsi que les méthodes numériques et l'étude expérimentale. Il fait suite à divers travaux réalisés au laboratoire concernant la thermique ou la mécanique, ainsi qu'une thèse précédente portant sur la modélisation numérique couplée de la trempe. Il constitue également la première approche 3D des procédés de chauffage par induction et des couplages multi physiques qui en découlent. La présentation de ce travail se décompose en 3 grandes parties. Premièrement, on décrit le contexte industriel, la problématique et l'historique de l'étude du procédé, pour en arriver aux études expérimentales réalisées dans ce travail : une porte sur le procédé industriel et l'autre sur un modèle simplifié que nous avons conçu pour une meilleure compréhension des phénomènes physiques qui génèrent les distorsions. Ces études expérimentales, riches en résultats, soulignent la nécessité d'un outil numérique pour aller encore plus loin dans la compréhension physique du procédé. Nous poursuivons alors sur trois chapitres présentant les modèles numériques par éléments finis, développés et utilisés dans le code de calcul pour simuler les problèmes couplés : thermique / électromagnétisme, mécanique / métallurgie et l'ensemble de la structure couplée. La troisième et dernière partie du rapport traite, d'une part, de la mise en donnée d'un cas semi-industriel ainsi que de la caractérisation des paramètres, et d'autre part, des résultats numériques obtenus et de leur comparaison avec les résultats expérimentaux. Le modèle développé permet d'estimer dans une première approche les distorsions subies par une structure mince lors de son traitement thermique localisé par induction. Le code de calcul actuel forme une base solide pour de futures évolutions permettant de simuler des problèmes industriels complexes.
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