Lecture given by F. Pichot and F. Corpace about the Advanced Welding Simulation with Morfeo from GeonX during the SNS2014 workshop in Paris, 27 March 2014.

1. Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
Validation des hypothèses de
simulation à l'aide d'essais
Conférence SNS
27/03/2014 – maison de la mécanique
François PICHOT
Fabien CORPACE
SNECMA GROUPE SAFRAN
Conception & Fabrication de moteurs aéronautiques

2. 1 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
SIMULATION DU SOUDAGE CHEZ SAFRAN
 Code MORFEO ( CENAERO / GEONX)
 Procédés simulés :
 Soudage Fusion
 Faisceau d’Electrons, TIG, Plasma, Laser
 Soudage Friction
 Inertielle et pilotée
 Développement pour répondre à deux problématiques :
 Compréhension des phénomènes en présence : Utilisation en support
 Développements de gammes optimisées
SNS- 2014 / SNECMA

3. Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
2 /
Soudage par Fusion
/01/
SNS- 2014 / SNECMA

4. 3 /
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SOUDAGE FUSION
CARTER D’ÉCHAPPEMENT
 Carter échappement
 Assemblage de 3 types composants
 30 cordons de soudure
 Superalliage base Nickel
 Diamètre ~ 1m
 Nouvelle conception
 Procédé ?
 Gamme d’assemblage?
 Modes de déformation?
 Analyse numérique « locale »
SNS- 2014 / SNECMA
Virole externe Virole interne
bras

5. 4 /
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SOUDAGE FUSION
SECTEUR CARTER
 Modélisation soudage « secteur »
 Impact de la gamme
 Sens de rotation : horaire (+) ou antihoraire (-)
SNS- 2014 / SNECMA
+

6. 5 /
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 Validations expérimentales
 Mesure de T par thermocouples
SIMULATION THERMOMÉCANIQUE
BRAS CARTER / VIROLES
 Source de chaleur double
ellipsoïde
 Convection – rayonnement
SNS- 2014 / SNECMA
Epinglage Soudage

7. 6 /
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SIMULATION THERMOMÉCANIQUE
BRAS CARTER / VIROLES
SNS- 2014 / SNECMA
 Validations expérimentales
 Mesures de déplacements
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
0.0E+00 2.0E+02 4.0E+02 6.0E+02 8.0E+02 1.0E+03 1.2E+03
Déplacements(mm)
Temps (s)
Radial_numerique
Radial_experimental
Axial_numerique
Axial_experimental
Epinglage Soudage
Soudage
Déplacements vs temps

8. 7 /
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BRAS CARTER / VIROLES
ANALYSE EXPÉRIMENTALE
 Modes de déformations observés
 Mise en parapluie de la bride amont, rétrécissement du diamètre virole
 Impact du sens de rotation?
 Sens antihoraire moins déformant
 Analyse expérimentale: Idem
SNS- 2014 / SNECMA
antihoraire
horaire
Bride amont
Bride aval
Z
X
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00
Déplacement(mm)
Temps(s)
Déplacements X
X [mm]
X_antiH
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0 100 200 300 400 500 600
Déplacement(mm)
Temps (s)
Déplacements Y
Y [mm]
Y_antiH
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 100 200 300 400 500 600
Déplacement(mm)
Temps (s)
Déplacements Z
Z [mm]
Z_antiH

9. 8 /
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MODÉLISATION GLOBALE
 Principe
Simulation complète
géométrie éprouvette
Extraction du champ de
déformation plastique
dans les zones d’intérêt
Import du champ de
déformation plastique
dans géométrie globale
( suivant trajectoires)
Résolution
élastique du
problème
SNS- 2014 / SNECMA

10. 9 /
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ANALYSE DE L’IMPACT DU PROCÉDÉ
 Modélisation locale:
 Confrontation de deux procédés: champs de déformation plastique
 Zone déformée plastiquement plus restreinte en LASER
 Utilisation dans modélisation globale ( 1M éléments)
SNS- 2014 / SNECMA
TIG LASER

11. 10 /
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COMPARAISON PROCÉDÉS
 Modes de déformations conformes aux prévisions
 Distorsions plus importantes en TIG / LASER ( x2)
 Estimation des déformées numériques / expérimental : facteur ½
 Temps de calcul : 1h sur 64 Cpus pour 30 cordons
SNS- 2014 / SNECMA

12. 11 /
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CONCLUSIONS
 Utilisation de la simulation numérique pour anticiper des modes de
déformation sur de nouvelles conceptions de pièces
 Validation des simulations par l’expérimentation
 Modélisations multi-échelles (Local / global)
 Choix d’un procédé d’assemblage
SNS- 2014 / SNECMA

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12 /
Soudage par friction
/02/
SNS- 2014 / SNECMA

14. 13 /
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PROCÉDÉ
 Le soudage se déroule en 3 phases
SNS- 2014 / SNECMA
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
1 2 3 4
Mise en
rotation
Friction Forgeage
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
1 2 3 4
Mise en
rotation
Friction Forgeage
Débrayage
broche
Départ cycle
Rotation de
soudage
Contact
T0
Pression
Consommation matière
Vitesse de rotation
Tf
Temps
Phase 1
Lancement
Phase 2
Soudage
Phase 3
Forgeage
Débrayage
broche
Départ cycle
Rotation de
soudage
Contact
T0
Pression
Consommation matière
Vitesse de rotation
Tf
Temps
Phase 1
Lancement
Phase 2
Soudage
Phase 3
Forgeage
Phase 1 : Une des pièces est
mise en rotation puis débrayée
(elle continue de tourner par
inertie)
Vitesse
Temps

15. 14 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
PROCÉDÉ
 Le soudage se déroule en 3 phases
SNS- 2014 / SNECMA
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
1 2 3 4
Mise en
rotation
Friction Forgeage
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
1 2 3 4
Mise en
rotation
Friction Forgeage
Débrayage
broche
Départ cycle
Rotation de
soudage
Contact
T0
Pression
Consommation matière
Vitesse de rotation
Tf
Temps
Phase 1
Lancement
Phase 2
Soudage
Phase 3
Forgeage
Débrayage
broche
Départ cycle
Rotation de
soudage
Contact
T0
Pression
Consommation matière
Vitesse de rotation
Tf
Temps
Phase 1
Lancement
Phase 2
Soudage
Phase 3
Forgeage
Phase 1 : Une des pièces est
mise en rotation puis débrayée
(elle continue de tourner par
inertie)
Phase 2 a : Les deux pièces
sont mises en contact sous l’effet
d’un effort de pression constant
-La rotation diminue librement
(freinage)
- Les pièces s’échauffent
localement (frottement)
Pression
Vitesse
Temps

16. 15 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
PROCÉDÉ
 Le soudage se déroule en 3 phases
SNS- 2014 / SNECMA
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
1 2 3 4
Mise en
rotation
Friction Forgeage
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
1 2 3 4
Mise en
rotation
Friction Forgeage
Débrayage
broche
Départ cycle
Rotation de
soudage
Contact
T0
Pression
Consommation matière
Vitesse de rotation
Tf
Temps
Phase 1
Lancement
Phase 2
Soudage
Phase 3
Forgeage
Débrayage
broche
Départ cycle
Rotation de
soudage
Contact
T0
Pression
Consommation matière
Vitesse de rotation
Tf
Temps
Phase 1
Lancement
Phase 2
Soudage
Phase 3
Forgeage
Phase 1 : Une des pièces est
mise en rotation puis débrayée
(elle continue de tourner par
inertie)
Phase 2 a : Les deux pièces
sont mises en contact sous l’effet
d’un effort de pression constant
-La rotation diminue librement
(freinage)
- Les pièces s’échauffent
localement (frottement)
Phase 2 b : Sous l’effet de la
chaleur et de l’effort, les pièces
se déforment (l’ensemble se
raccourci). La vitesse de rotation
continue de diminuer.Consommation matière
Vitesse
Pression
Temps

17. 16 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
PROCÉDÉ
 Le soudage se déroule en 3 phases
SNS- 2014 / SNECMA
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
1 2 3 4
Mise en
rotation
Friction Forgeage
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
Effort
1 2 3 4
Mise en
rotation
Friction Forgeage
Débrayage
broche
Départ cycle
Rotation de
soudage
Contact
T0
Pression
Consommation matière
Vitesse de rotation
Tf
Temps
Phase 1
Lancement
Phase 2
Soudage
Phase 3
Forgeage
Débrayage
broche
Départ cycle
Rotation de
soudage
Contact
T0
Pression
Consommation matière
Vitesse de rotation
Tf
Temps
Phase 1
Lancement
Phase 2
Soudage
Phase 3
Forgeage
Phase 1 : Une des pièces est
mise en rotation puis débrayée
(elle continue de tourner par
inertie)
Phase 2 a : Les deux pièces
sont mises en contact sous l’effet
d’un effort de pression constant
-La rotation diminue librement
(freinage)
- Les pièces s’échauffent
localement (frottement)
Phase 2 b : Sous l’effet de la
chaleur et de l’effort, les pièces
se déforment (l’ensemble se
raccourci). La vitesse de rotation
continue de diminuer.
Phase 3 : Lorsque la pièce a
entièrement décéléré, les pièces
refroidissent pendant que l’effort
est maintenu constantTemps

18. 17 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
OBJECTIFS ET MÉTHODES
SNS- 2014 / SNECMA
Disposer d’un modèle numérique validé expérimentalement
Objectif
Construire le modèle
Identifier les
phénomènes à simuler
Comparer les mesures
expérimentales et
numériques
Valider les
hypothèses de base

19. 18 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
SOMMAIRE
SNS- 2014 / SNECMA
Disposer d’un modèle numérique validé expérimentalement
Objectif
Construire le modèle
Identifier les
phénomènes à simuler
Comparer les mesures
expérimentales et
numériques
Valider les
hypothèses de base

20. 19 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
LA SIMULATION DU PROCÉDÉ
SNS- 2014 / SNECMA
 Quels phénomènes simuler ?
Génération de
chaleur par
friction au
contact
Echauffement
de la matière
Diminution des
propriétés
matériaux
Déformation de
la matière
Modification de la
géométrie (conduction) et
de la surface de contact
Génération de
chaleur par
déformation
Phénomènes en forte
interaction
(la bonne prédiction de l’un
passe par la bonne
prédiction des autres)
MAIS
Plutôt bien connus et
modélisables

21. 20 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
Génération de
chaleur par
friction au
contact
Echauffement
de la matière
Diminution des
propriétés
matériaux
Déformation de
la matière
Modification de la
géométrie (conduction) et
de la surface de contact
LA SIMULATION DU PROCÉDÉ
SNS- 2014 / SNECMA
 Un modèle complet
Génération de
chaleur par
déformation
OK (terme source interne + source au contact)
Lois matériaux :
Vp? EVP?
OK
(mise à jour de la
position du
maillage +
remaillage)
OK
Lois tribologiques :
Coulomb? Norton? …

22. 21 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
Génération de
chaleur par
friction au
contact
Echauffement
de la matière
Diminution des
propriétés
matériaux
Déformation de
la matière
Modification de la
géométrie (conduction) et
de la surface de contact
LA SIMULATION DU PROCÉDÉ
SNS- 2014 / SNECMA
 Un modèle simplifié
Génération de
chaleur par
déformation
OK (terme source interne + source au contact)
Lois matériaux :
Loi viscoplastique de Norton Hoff
OK
(mise à jour de la
position du
maillage +
remaillage)
OK
Lois tribologiques : Source de chaleur
équivalente +
Forces de friction

23. 22 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
SOMMAIRE
SNS- 2014 / SNECMA
Disposer d’un modèle numérique validé expérimentalement
Objectif
Construire le modèle
Identifier les
phénomènes à simuler
Comparer les mesures
expérimentales et
numériques
Valider les
hypothèses de base

24. 23 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
LA SIMULATION DU PROCÉDÉ - RÉSOLUTION
 Calcul mécanique en vitesse/pression
 Thermique en lagrangien
 Calcul étagé
SNS- 2014 / SNECMA
Mécanique
Géométrie déformée;
nouveaux contacts
Remaillage
Thermique
t = t+Δt

25. 24 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
LA SIMULATION DU PROCÉDÉ - GÉOMÉTRIE
SNS- 2014 / SNECMA
Géométrie en cours de déformée
 Modèle 2,5 D axisymétrique
 Modélisation d’une seule pièce
 Symétrie via contact sur support
indéformable

26. 25 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
LA SIMULATION DU PROCÉDÉ - CL
SNS- 2014 / SNECMA
Convection et
rayonnement
Flux Φ = f(t)
Température 20 C
 Modèle 2,5 D axisymétrique
 Modélisation d’une seule pièce
 Symétrie via contact sur support
indéformable
 Thermique
 Convection et rayonnement
 Température fixe sur le haut
 Flux variable imposé directement au
contact (Flux uniforme)
 Prise en compte de l’extension de la
zone de contact
 Prise en compte de la chaleur générée
par déformation

27. 26 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
LA SIMULATION DU PROCÉDÉ - CL
 Modèle 2,5 D axisymétrique
 Modélisation d’une seule pièce
 Symétrie via contact sur support
indéformable
 Thermique
 Convection et rayonnement
 Température fixe sur le haut
 Flux variable imposé directement au
contact (Flux uniforme)
 Prise en compte de l’extension de la
zone de contact
 Prise en compte de la chaleur générée
par déformation
 Mécanique
 Pression sur le haut du cylindre
 Déplacement radiaux bloqué
 Force de friction au contact (uniforme)
SNS- 2014 / SNECMA
Pression
Convection et
rayonnement
Flux Φ = f(t)
Force de friction
Vitesse bloquée
selon x
Température 20 C
Contact glissant
Support bloqué

28. 27 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
Calcul
LA SIMULATION DU PROCÉDÉ – CALCUL DU FLUX
 Identification de la source de chaleur
équivalente :
 On connait la vitesse de rotation ω=f(t)
 On connait l’inertie totale de la pièce tournante J
 On peut donc calcul l’énergie du système E en
fonction du temps
 A partie de cette énergie on calcul la puissance
dissipée en fonction du temps
 Cette puissance est introduite sous forme d’un flux
à l’interface
SNS- 2014 / SNECMA
E(t) = ½ J ω²(t)
P(t) = dE/dt = J ω * dω/dt
Φ(t) = - P(t)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 1 2 3 4 5
Vitessederotation(tr/min)
Temps (s)w
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0 1 2 3 4 5
Fluxdechaleur(MW)-lissé
Temps (s)Flux
Le flux est il réellement uniforme?

29. 28 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
SOMMAIRE
SNS- 2014 / SNECMA
Disposer d’un modèle numérique validé expérimentalement
Objectif
Construire le modèle
Identifier les
phénomènes à simuler
Comparer les mesures
expérimentales et
numériques
Valider les
hypothèses de base
Flux Φ = f(t)

30. 29 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
ETUDE PRÉLIMINAIRE - NUMÉRIQUE
 Simulation avec flux uniforme sur l’interface (purement thermique)
SNS- 2014 / SNECMA
- - - - : Référence avec flux uniforme
------ : Résultats avec flux concentré
2mm
5mm
2 mm
Flux Φ = f(t)

31. 30 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
ETUDE PRÉLIMINAIRE - NUMÉRIQUE
 Simulation avec flux non uniforme sur l’interface (purement thermique)
SNS- 2014 / SNECMA
- - - - : Référence avec flux uniforme
------ : Résultats avec flux concentré
2mm
5mm
5mm
2 mm
Flux Φ = f(t)
Surface divisée par deux
Pas d’influence de la surface
d’application à 5 mm

32. 31 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 1 2 3 4 5 6Température(°C)
temps(s)
Températures à 2 et 5 mm s2x2 -2mm (D ext) s2x2 -2mm (D moy)
s2x2 -5mm (D ext) s2x2 -5mm (D moy)
ref -2mm (D moy) ref - 5mm (D moy)
ETUDE PRÉLIMINAIRE - NUMÉRIQUE
 Simulation avec flux non uniforme sur l’interface (purement thermique)
SNS- 2014 / SNECMA
- - - - : Référence avec flux uniforme
------ : Résultats avec flux concentré
2mm
5mm
5mm
2 mm
Flux Φ = f(t)
Surface divisée par deux
Influence visible à 2 mm de
l’interface

33. 32 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
ETUDE PRÉLIMINAIRE EXPÉRIMENTALE
 Eprouvette de soudage en base nickel avec 3 perçages à 2 mm de l’interface
SNS- 2014 / SNECMA
1 mm de la surface externe
Mi - epaisseur
1 mm de la surface interne
Différence de température faible  Validation de l’hyp. de flux uniforme

34. 33 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
SOMMAIRE
SNS- 2014 / SNECMA
Disposer d’un modèle numérique validé expérimentalement
Objectif
Construire le modèle
Identifier les
phénomènes à simuler
Comparer les mesures
expérimentales et
numériques
Valider les
hypothèses de base
2,5s
Pression

35. 34 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
COMPARAISON EXPÉRIMENTALE-NUMÉRIQUE
 Comparaison portant sur les température durant la phase sans
déformation
SNS- 2014 / SNECMA
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Température(°C)
Temps (s)
4332 - Comparaison simu-exp
simu - interface 2mm moy 5mm moy
exp - interface exp - 2 mm exp - 5mm
2mm
Interface
5mm
Simulation de la T interface plutôt bonne ;
Simulation des T des volumes plus élevés et échauffement plus rapide

36. 35 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
COMPARAISON EXPÉRIMENTALE-NUMÉRIQUE
 Prise en compte du temps de réponse du capteur (thermocouple) par un
modèle d’échauffement par conduction linéaire
SNS- 2014 / SNECMA
Le temps de réponse induit un retard à l’échauffement et des
température mesurée plus basse qu’en réalité
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5
Réponse
Temps (s)
Tempsde réponse = 0,6s
Réponse
echelon
τ

37. 36 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
COMPARAISON EXPÉRIMENTALE-NUMÉRIQUE
 Prise en compte du temps de réponse
SNS- 2014 / SNECMA
2mm
Interface
5mm
La prise en compte du temps de réponse explique entièrement les
différences observées
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Température(°C)
Temps (s)
4332 - temps de réponse de 0,7s
exp simu simu + tps rép
Effet du
temps de
réponse

38. 37 /
Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Snecma. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Snecma.
CONCLUSIONS
 La simulation du soudage friction peut être
réalisée à l’aide d’un modèle simplifié où la friction
est remplacée par une source équivalente de
chaleur et des forces de friction
 Importance de coupler dès la construction du
modèle l’approche numérique et l’approche
expérimentale
 Importance de bien prendre en compte la
physique de la mesure ou de modéliser la mesure
SNS- 2014 / SNECMA
Identification Modélisation
Validation des
hypothèse
Pré-étude
numérique
Comparaison
des résultats
Réalisation d’essais
spécifiques
Modélisation de la
mesure
Expérimental
Numérique

39. 38 /
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