Initiation à la simulation du forgeage

A cause de la complexité du calcul, la simulation de mise en forme prends énormément de temps. Donc en fonction de l'étude, l'utilisateur simplifie souvent le modèle.

• Par exemple, s'il souhaite réaliser une étude avec des outils rigides, il peut se contenter d'importer uniquement les surfaces de ces outils.

• Si, sur une même matrice, plusieurs pièces sont fabriquées, il n'est pas nécessaire de toutes les importer, ce qui permet de réduire les temps de calcul. Dans le cas où le forgeron travaille avec des outils rigides, les courbes et les surfaces de ces outils sont représentées suivant un modèle discret ou analytique.

• Dans le cas contraire, c'est-à-dire si le forgeron choisit de réaliser une simulation en outil déformable, l'utilisateur doit mailler ces outils.

• Le lopin peut être créé, soit en CAO, soit directement sur le logiciel de forge, puis doit être maillé.

Ensuite, il est important de choisir un ou quelques types de matériaux pour la pièce. Mais, la définition des matériaux est une étape plus compliquée. Car il faut avoir les propriétés des matériaux forgés, dans les plages de températures qui correspondent à celles de son utilisation lors de la fabrication. Souvent les logiciels de simulation possèdent une base de données matériaux intégrée, mais celle ci ne contient pas tous les matériaux.

Si besoin, l'utilisateur devra renseigner les différentes informations concernant le matériau manuellement. Toutes les données matériau nécessaires au bon déroulement du calcul ne sont pas aisées à obtenir (domaine élastique, domaine plastique, dépendance du module d'Young à la température, loi d'écoulement, ...) ; leur qualité est pourtant fondamentale pour se rapprocher des conditions réelles de la fabrication.

Étape 1 : Conception du lopin et des outils

Processus de modélisation géométriques des outils et du lopin brute

1. Identification des problèmes physiques liés au procédé et des paramètres importants.

2. Introduction d'hypothèses simplificatrices nécessaires tout en gardant les éléments importants (cela pourrait jouer sur le coût).

3. Création d'un modèle géométrique des outils et de la billette et assemblage qui soit conforme à la cinématique du procédé.

4. Choix et assignation des matériaux : choix d'une loi de comportement du matériau qui intègre les phénomènes physiques et les mécanismes de déformation propres au procédé (loi de comportement thermo-élasto-viscoplastique)

5. Définition des conditions limites, du chargement et des interactions aux interfaces outils-lopin

6. Génération du maillage : type et topologie des éléments (taille, forme, méthode d'intégration)

7. Choix de la méthode de résolution (implicite vs explicite), choix d'un critère de remaillage en fonction des résultats obtenus

8. Calculs de simulation/analyse

9. Validation des résultats

10. Optimisation du procédé

Étape 2 : Création du matériau de la pièce

Étape 3 : Assemblage de la pièce et des outils

Étape 4: Définition du contact et frottement pièce et supports

La définition des contacts entre les différentes pièces impliquées est une opération tout aussi délicate que la définition des matériaux. En fonction du type d'analyse choisi, différents champs de données sont à renseigner par l'utilisateur pour caractériser les contacts entre l'outil supérieur et le lopin par exemple ou entre le lopin et l'outil inférieur (transfert de chaleur avec l'air ambiant, transfert de chaleur à l'interface de contact, coefficient de frottement, loi de frottement, ...). Certains outils de simulation possèdent des bases de données simplifiées qui permettent de définir les paramètres en fonction de certains critères (matériaux, lubrification ou non, ...).

• Contact type surface-surface

• Modèle maître-esclave entre la pièce et les supports

• Frottement de Coulomb entre les surface en contact

• Définition des températures

Cette étape permet de spécifier les températures de départ du procédé de mise en forme forge, celle du lopin ainsi que des outillages.

• Définition des conditions aux limites

Si le type d'analyse choisi est une analyse axisymétrique ou une analyse en 2D, il est important de préciser les différents plans de symétrie, les axes de rotation, ... afin que le solveur puisse ajouter certaines équations au modèle et fournir des résultats cohérents avec la réalité.

• Définition du critère de remaillage

Lors d'une simulation, le lopin, voire les outils, se déforment, donc les mailles associées également. Les éléments du maillage doivent toujours suivre la géométrie des différents objets mis en jeu lors du calcul pendant les phases de contact. Le comportement d'un élément est optimal pour des éléments dont la section est rectangulaire. C'est pourquoi lors d'une simulation du procédé (par élément fini), il est important de pouvoir définir un critère de remaillage qui intervient en fonction de certains critères définis par l'utilisateur (tous les n incréments, ou en fonction de la variation de la déformation de l'élément par exemple, ...).

• Définition des paramètres de simulation

La dernière étape est le réglage des paramètres de calcul. Cette étape est plutôt dédiée à un expert calcul. Il intervient pour régler les différents paramètres du calcul (type d'algorithme de calcul, pas de temps, pas de temps maximum, fréquence des fichiers de post traitement, ...). C'est également ici que sont choisis les différents fichiers de sortie que l'on souhaite visualiser. Il est possible de sélectionner toutes sortes de résultats dans le but de détecter d'éventuels défauts lors du procédé de mise en forme forge (contraintes, déplacements, contacts, ...), mais cela va augmenter les temps de calcul de la simulation du procédé de mise en forme forge.

Étape 5: Calcul - Post-traitement

• Maillage de la pièce en 3D

• Calcul 3D en dynamique explicite

• Post-traitement et visualisation des déformations, des contraintes, géométrie de la pièce