Évaluation du FKM à l'aide de la simulation de durabilité dans 3DEXPERIENCE

Les assemblages soudés jouent un rôle crucial dans l'ingénierie des structures, car ils supportent des charges considérables et sont soumis à des conditions difficiles. Évaluer leur durabilité n'est pas une mince affaire. Les méthodes traditionnelles d'évaluation de la durabilité des soudures peuvent s'avérer très chronophages. C'est là qu'interviennent les rôles de simulation de durabilité de la plateforme 3DEXPERIENCE, qui offrent une solution de pointe combinant des capacités de simulation avancées et des flux de travail conviviaux. Les concepteurs et les ingénieurs peuvent ainsi évaluer la résistance des soudures soumises à de multiples scénarios de charge.

La directive FKM sert à calculer la résistance des composants mécaniques en acier, en fonte et en aluminium, et s'applique aux composants usinés ou soudés. Elle permet d'évaluer à la fois la résistance statique et la résistance à la fatigue. Elle est également utilisée pour évaluer la résistance des cordons de soudure et des matériaux de base.

Le rôle « Durabilité et performance structurelle » ou « Ingénieur en durabilité et mécanique » permet de réaliser des simulations de durabilité et des évaluations FKM. Les applications associées à ces rôles fondent leurs évaluations FKM des composants soudés sur le guide FKM « Analytical Strength Assessment of Components » (Évaluation analytique de la résistance des composants), 6e et 7e éditions, chapitres 3 et 4 [1]. Pour les composants non soudés, l'évaluation se fonde uniquement sur la 7e édition de l'« Analytical Strength Assessment of Components ». De plus, les critères utilisés dans l'application s'appliquent aux évaluations de fatigue lorsque le nombre de cycles est supérieur à 10 000.

Les cas d'analyse de durabilité destinés à l'évaluation FKM s'appuient sur un cas d'analyse de simulation structurelle existant. La simulation structurelle peut inclure une non-linéarité géométrique et de contact. Un comportement non linéaire des matériaux peut être attribué aux composants du modèle qui ne sont pas pris en compte dans l'évaluation FKM. Toutefois, toute non-linéarité dans le comportement structurel indique que les contraintes ne doivent pas être mises à l'échelle lors de la configuration des évaluations FKM. Lors de la création du modèle par éléments finis destiné aux évaluations FKM, le cordon de soudure et l'interface entre le cordon de soudure et les plaques doivent présenter un maillage compatible. Les types d'éléments peuvent être soit tous des solides, soit tous des coques ; toutefois, un maillage mixte associant des éléments solides et des coques ne peut pas être utilisé. Le seul mode de rupture de soudure pris en charge est la rupture au pied de soudure.

Le logiciel fournit des bases de données de matériaux adaptées à l'évaluation FKM des composants conformément aux 6e et 7e éditions. Les utilisateurs peuvent également définir eux-mêmes des matériaux en indiquant les valeurs de la limite d'élasticité, de la résistance à la rupture, du matériau FKM et de l'allongement. Les propriétés des matériaux doivent également inclure l'élasticité isotropique linéaire pour les cas d'analyse structurelle qui précèdent l'évaluation FKM.

Dans l'exemple présenté dans cet article, on évalue la résistance des soudures du godet d'une pelleteuse. Il s'agit d'un processus en deux étapes comprenant deux types d'analyse. Tout d'abord, une analyse structurelle est réalisée en définissant trois cas de charge représentant la charge maximale appliquée à trois emplacements différents du godet : le côté gauche, le côté droit et le centre du godet. Cette simulation permet de calculer les contraintes exercées sur les soudures du godet.

Répartition des contraintes pour le scénario de charge du côté droit.

La deuxième étape de l'évaluation de la durabilité consiste à créer un cas d'analyse FKM qui définit la phase d'évaluation de la fatigue FKM. Cette étape s'appuie sur les résultats de contrainte issus de l'analyse structurelle précédente. L'analyse de durabilité comprend une évaluation de la fatigue et un historique des charges de fatigue. Le solveur utilise les résultats de contrainte et l'historique des charges pour calculer la durée de vie prévue des soudures dans les conditions réelles d'exploitation.

Le jeu de cordons de soudure permet de sélectionner les cordons qui représentent les soudures.

Les paramètres peuvent être définis à volonté pour caractériser le cordon de soudure. Les méthodes de calcul des contraintes structurelles utilisées pour déterminer les contraintes en vue de l'évaluation FKM des composants soudés sont l'extrapolation des contraintes de surface (SSE) pour les modèles solides ou en coque, et la linéarisation des contraintes sur toute l'épaisseur (TTSL) pour les modèles solides uniquement.

Dans cet exemple, l'événement de charge de fatigue de type « Superposition » est utilisé pour superposer les trois scénarios de charge, à savoir les cas de charge de gauche, du milieu et de droite. Le signal utilisé est de type impulsionnel ou marche-arrêt, dans lequel la contrainte alterne entre la valeur maximale (marche) et l'arrêt.  L'analyse de durabilité est effectuée pour simuler l'effet de cycles de charge répétés sur l'intégrité des soudures. Dans ce cas, 12 000 cycles pour chaque scénario de charge,

Le diagramme d'utilisation combinée montre dans quelle mesure les soudures résistent à l'historique des charges. Il permet d'identifier l'emplacement de la soudure où une défaillance est la plus susceptible de se produire.

Le graphique présente les courbes de taux d'utilisation aux extrémités du cordon de soudure. La valeur minimale du taux d'utilisation peut s'avérer utile pour prédire l'apparition d'une défaillance de la soudure.

En tirant parti des rôles d'ingénieur en durabilité et performance ou d'ingénieur en durabilité et mécanique sur 3DEXPERIENCE, les ingénieurs et les concepteurs peuvent simuler les conditions réelles de charge et d'environnement d'exploitation auxquelles les soudures seront soumises. Ces simulations permettent d'obtenir des informations utiles pour affiner ou optimiser les assemblages soudés, garantissant ainsi la conformité de la conception aux directives FKM.