FR2915806A1 - Polycrystalline model determining method for e.g. determining deformation on metal can, involves modifying number of representation grains or parameter of texture to adjust model based on comparison between theoretical and real behaviors - Google Patents
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Abstract
Description
-1- Procédé pour déterminer un modèle polycristallin destiné à-1- Method for determining a polycrystalline model for
représenter le comportement d'un matériau solide soumis à une sollicitation mécanique represent the behavior of a solid material subject to mechanical stress
La présente invention concerne un procédé pour déterminer un modèle polycristallin prévu pour représenter le comportement d'un matériau solide soumis à une sollicitation mécanique. Elle concerne également un modèle polycristallin déterminé grâce au procédé selon l'invention et une utilisation de ce modèle polycristallin pour déterminer les effets d'une sollicitation mécanique sur une pièce constituée d'un matériau solide. The present invention relates to a method for determining a polycrystalline model intended to represent the behavior of a solid material subjected to mechanical stress. It also relates to a polycrystalline model determined by the method according to the invention and a use of this polycrystalline model to determine the effects of a mechanical stress on a piece made of a solid material.
Dans de nombreux domaines techniques, on a besoin de déterminer l'incidence de sollicitations mécaniques sur des pièces, notamment des pièces métalliques, soit afin d'optimiser des procédés de fabrication comportant des opérations de mise en forme, soit afin de prévoir le comportement au service de pièces dans des conditions complexes. In many technical fields, it is necessary to determine the impact of mechanical stresses on parts, in particular metal parts, either in order to optimize manufacturing processes involving shaping operations, or in order to predict the behavior. parts service in complex conditions.
Les procédés de mise en forme concernés sont les procédés de mise en forme par déformation plastique tels que l'emboutissage de tôles, l'étirage de tubes, le forgeage de pièces de mécanique. Ces procédés peuvent avoir une incidence importante sur les propriétés du matériau constitutif des pièces concernées, et il est important de pouvoir prévoir cette incidence de façon à permettre d'évaluer à priori le comportement en service des pièces obtenues. Les sollicitations en service des pièces sont diverses et correspondent à toutes les sollicitations que l'on peut rencontrer, et par exemple à l'effet d'efforts permanents, l'effet d'efforts appliqués progressivement à des vitesses plus ou moins élevées, d'efforts appliqués de façon périodique, d'efforts appliqués dans des conditions de température ambiante ou bien d'efforts appliqués dans des conditions de température élevée ou très basse. Afin d'évaluer les effets de ces sollicitations mécaniques sur des pièces, on utilise de façon connue des modèles de calcul numérique, en mode élastique ou anélastique. Ces méthodes de calcul sont, notamment, les méthodes par différences finies et les méthodes de type Galerkin reposant sur une décomposition sur des fonctions de base dont un type particulier est la méthode par éléments finis. Par mode anélastique , on entend tout mode de comportement qui n'est pas élastique réversible, c'est -2- à dire par exemple plastique, plastique dépendant du temps, ou viscoplastique, plastique dépendant de la température, plastique résultant de transformations de phases. Ces calculs utilisent une modélisation du comportement du matériau sous l'effet des contraintes, représentée par une loi reliant les contraintes aux déformations. De façon classique, on utilise des lois de comportement macroscopiques qui correspondent à des représentations phénoménologiques des phénomènes de déformation, c'est-à-dire des représentations qui ne tiennent pas compte des phénomènes physiques fondamentaux sous-jacents. De tels modèles ont l'avantage d'utiliser un nombre de variables relativement limité ce qui conduit à des calculs suffisamment peu volumineux pour pouvoir être utilisés dans les processus de conception industriels. En revanche, ce type de modèle présente l'inconvénient de ne pas permettre de modéliser convenablement l'effet de la microstructure des matériaux sur leurs propriétés, par exemple sur les propriétés anisotropes, et plus encore sur l'évolution de ces propriétés anisotropes sous l'effet des sollicitations et des déformations. Afin de remédier à cet inconvénient, on utilise de façon connue des modèles de comportement de matériaux, dits modèles polycristallins , dans lesquels le matériau est représenté par une pluralité de grains ayant la structure cristallographique et les propriétés d'un grain du matériau. De tels modèles ont l'inconvénient de nécessiter l'utilisation d'un nombre très important de variables. Ce grand nombre de variables conduit à des temps de calculs très longs qui ne permettent pas l'utilisation de tels modèles dans un contexte industriel. Pour remédier à cet inconvénient, plusieurs chercheurs ont proposé de réduire fortement le nombre d'orientations cristallines dans les modèles polycristallins tel qu'enseigné dans le document FR 03 09252. Ces modèles seront désignés dans la suite par modèle polycristallin réduit . The shaping processes concerned are the plastic deformation forming processes such as stamping sheets, drawing tubes, forging mechanical parts. These methods can have a significant impact on the properties of the constituent material of the parts concerned, and it is important to be able to predict this incidence so as to allow a priori assessment of the service behavior of the parts obtained. The service requirements of the parts are various and correspond to all the stresses that may be encountered, and for example to the effect of permanent efforts, the effect of forces applied gradually to higher or lower speeds, d applied forces applied periodically, applied forces under ambient temperature conditions or efforts applied under conditions of high or very low temperature. In order to evaluate the effects of these mechanical stresses on parts, numerical calculation models are used in known manner, in elastic or anelastic mode. These methods of calculation are, in particular, finite difference methods and Galerkin methods based on a decomposition on basic functions of which a particular type is the finite element method. By anelastic mode is meant any mode of behavior which is not reversible elastic, that is to say for example plastic, plastic depending on time, or viscoplastic, plastic depending on the temperature, plastic resulting from phase transformations . These calculations use a modeling of the behavior of the material under the effect of the stresses, represented by a law connecting the stresses to the deformations. Conventionally, macroscopic behavior laws are used that correspond to phenomenological representations of the phenomena of deformation, that is, representations that do not take into account the underlying fundamental physical phenomena. Such models have the advantage of using a relatively limited number of variables, which leads to calculations that are sufficiently small for them to be used in industrial design processes. On the other hand, this type of model has the disadvantage of not making it possible to adequately model the effect of the microstructure of the materials on their properties, for example on the anisotropic properties, and even more so on the evolution of these anisotropic properties under the effect of stresses and deformations. In order to overcome this drawback, material behavior models, called polycrystalline models, are used in known manner, in which the material is represented by a plurality of grains having the crystallographic structure and the properties of a grain of the material. Such models have the disadvantage of requiring the use of a very large number of variables. This large number of variables leads to very long computation times that do not allow the use of such models in an industrial context. To overcome this drawback, several researchers have proposed to greatly reduce the number of crystalline orientations in the polycrystalline models as taught in the document FR 03 09252. These models will be designated in the following reduced polycrystalline model.
Cependant on a constaté qu'on ne pouvait pas obtenir avec la même détermination du modèle une modélisation satisfaisante à la fois des contraintes et des vitesses de déformation, aussi bien avec les modèles polycristallins à texture complète que de façon connue avec les modèles polycristallins réduits. Notamment le rapport de Lankford, qui est le rapport -3- de deux vitesses de déformation anélastique dans deux directions perpendiculaires, est très différent de celui qui est mesuré au cours d'essais de traction simple dans la troisième direction perpendiculaire aux deux autres. However, it has been found that it is not possible to obtain with the same determination of the model a satisfactory modeling of both the stresses and the strain rates, as well with full-text polycrystalline models as in known manner with reduced polycrystalline models. In particular, the Lankford ratio, which is the ratio of two rates of anelastic deformation in two perpendicular directions, is very different from that measured during simple tensile tests in the third direction perpendicular to the other two.
Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé pour déterminer un modèle polycristallin prévu pour représenter le comportement d'un matériau solide de manière plus précise. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé pour déterminer un modèle polycristallin, prévu pour représenter le comportement d'un matériau solide, nécessitant: moins de temps de calcul et utilisable dans l'industrie. L'invention propose ainsi un procédé pour déterminer un modèle polycristallin destiné à représenter le comportement d'un matériau solide soumis à des sollicitations, le matériau solide étant représenté par une pluralité de grains, dits de représentation, de nombre limité, et chacun regroupant des grains d'orientations cristallines proches dudit matériau solide, le modèle polycristallin utilisant : un modèle cristallin représentant le comportement d'un grain de représentation, une texture représentative de la texture du matériau, cette texture comprenant au moins une orientation et une fraction volumique pour chacun des grains de représentation ; Le procédé selon l'invention comprend, une étape d'optimisation comprenant au moins une itération des opérations suivantes : détermination, par simulation grâce audit modèle polycristallin d'une sollicitation sur le matériau, du comportement dit théorique, du matériau ; comparaison du comportement théorique à un comportement, dit réel, représentatif du matériau, obtenu à partir d'une base d'essais mécaniques ; réajustement du modèle polycristallin en fonction de cette comparaison. -4- Par comportement on désigne les déformations mécaniques du matériau, de sa texture, ou toute autre modification se produisant au niveau du matériau solide. Le procédé selon l'invention comprend en outre une étape d'initialisation comprenant - une initialisation du nombre de grains de représentation utilisés par le modèle polycristallin pour représenter le matériau solide, une initialisation de la texture représentative du matériau solide. Cette initialisation comprend un choix d'au moins une texture ou d'au moins une combinaison de textures. Les textures ou combinaison de textures peuvent être choisies en fonction de la connaissance du matériau et de données relatives au matériau solide ; et une initialisation d'au moins un paramètre du modèle cristallin. Ainsi, le modèle polycristallin déterminé grâce au procédé selon l'invention permet de représenter le comportement du matériau solide en utilisant un nombre limité de grains de représentation. Avantageusement, le nombre de grain de représentation est inférieur ou égal à vingt. Dans la suite de la description le modèle polycristallin ainsi que la texture peuvent être désignés par modèle polycristallin réduit ou texture réduite . The object of the present invention is to overcome these drawbacks by proposing a method for determining a polycrystalline model intended to represent the behavior of a solid material more precisely. Another object of the invention is to propose a method for determining a polycrystalline model, intended to represent the behavior of a solid material, requiring: less computing time and usable in the industry. The invention thus proposes a method for determining a polycrystalline model intended to represent the behavior of a solid material subjected to stresses, the solid material being represented by a plurality of grains, said to be of limited number, and each grouping together grains of crystalline orientations close to said solid material, the polycrystalline model using: a crystalline model representing the behavior of a grain of representation, a texture representative of the texture of the material, this texture comprising at least one orientation and a volume fraction for each grains of representation; The method according to the invention comprises, an optimization step comprising at least one iteration of the following operations: determination, by simulation through said polycrystalline model of a stress on the material, of the so-called theoretical behavior of the material; comparison of the theoretical behavior with a behavior, said real, representative of the material, obtained from a mechanical test base; readjustment of the polycrystalline model according to this comparison. By behavior is meant the mechanical deformations of the material, its texture, or any other modification occurring in the solid material. The method according to the invention further comprises an initialization step comprising - an initialization of the number of representation grains used by the polycrystalline model to represent the solid material, an initialization of the texture representative of the solid material. This initialization includes a choice of at least one texture or at least one combination of textures. The textures or combination of textures can be chosen according to the knowledge of the material and data relating to the solid material; and an initialization of at least one parameter of the crystalline model. Thus, the polycrystalline model determined by the method according to the invention makes it possible to represent the behavior of the solid material by using a limited number of grains of representation. Advantageously, the number of grain of representation is less than or equal to twenty. In the remainder of the description, the polycrystalline model and the texture may be designated by reduced polycrystalline model or reduced texture.
Le résultat de la comparaison du comportement théorique à un comportement réel obtenu à partir d'essais mécaniques peut nécessiter une modification, lors de l'étape de réajustement, d'au moins un des paramètres choisis dans la liste suivantes : le nombre de grains de représentation, - un paramètre de la texture ou combinaison de textures utilisée lors de la simulation ou un choix d'au moins une autre texture ou combinaison de textures, et un paramètre du modèle cristallin. Pour déterminer le modèle polycristallin prévu pour représenter le comportement du matériau solide, le procédé selon l'invention comprend une détermination du nombre de grains de représentation utilisé par la modèle polycristallin. Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une détermination de la texture la plus représentative de la texture dudit -5- matériau. Cette détermination peut être soit un choix parmi une pluralité de textures, de la texture la plus représentative du matériau solide, soit une combinaison de plusieurs textures. La détermination de la texture la plus représentative du matériau solide peut comprendre une détermination d'une orientation et/ou d'une fraction volumique d'au moins un grain de représentation. Le procédé selon l'invention peut comprendre, d'une manière avantageuse, une détermination d'un modèle d'évolution de la texture, ledit modèle comprenant un calcul d'une rotation du réseau cristallin de chaque grain de représentation par rapport à un repère prédéterminé, par exemple un repère corotationnel. Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une détermination d'un avancement d'une transformation de phase. Pour cela, à chaque grain de représentation est attribué des caractéristiques fonction de l'avancement de la transformation de phase. Par ailleurs, le modèle polycristallin utilisant un modèle cristallin, le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une détermination du modèle cristallin représentant, le mieux, le comportement d'un grain de représentation. Le comportement d'un grain de représentation peut être déterminé à partir d'une pluralité de systèmes de glissement associés au matériau solide. De plus, le procédé selon l'invention comprend avantageusement, une détermination d'un modèle de changement d'échelle comprenant un modèle d'homogénéisation pour le passage de l'échelle du grain de représentation, dit échelle microscopique, à l'échelle de l'ensemble des grains de représentation, dit échelle macroscopique, et un modèle de localisation pour le passage de l'échelle macroscopique à l'échelle microscopique. Dans des versions particulières, le modèle de localisation peut être un modèle anisotrope faisant intervenir des tenseurs d'ordre 4, et le modèle cristallin peut être un modèle de comportement microscopique tel que le maclage. Par ailleurs, la base d'essais mécanique peut être une base d'essais, dite étendue, obtenue par enrichissement d'une base d'essais mécaniques -6- réels avec au moins un essai mécanique, dit théorique, obtenu à partir des essais mécaniques réels. Les essais mécaniques théoriques peuvent être obtenus par interpolation des essais mécaniques réels. The result of the comparison of the theoretical behavior with a real behavior obtained from mechanical tests may require a modification, during the readjustment step, of at least one of the parameters chosen from the following list: the number of grains of representation, - a parameter of the texture or combination of textures used during the simulation or a choice of at least one other texture or combination of textures, and a parameter of the crystalline model. To determine the polycrystalline model intended to represent the behavior of the solid material, the method according to the invention comprises a determination of the number of grains of representation used by the polycrystalline model. The method according to the invention may further comprise a determination of the texture most representative of the texture of said material. This determination can be either a choice among a plurality of textures, the most representative texture of the solid material, or a combination of several textures. The determination of the most representative texture of the solid material may comprise a determination of an orientation and / or a volume fraction of at least one representation grain. The method according to the invention may advantageously comprise a determination of a texture evolution model, said model comprising a calculation of a rotation of the crystal lattice of each grain of representation with respect to a reference mark. predetermined, for example a corotational marker. The method according to the invention may further comprise determining a progress of a phase transformation. For this, each grain of representation is assigned characteristics depending on the progress of the phase transformation. Moreover, since the polycrystalline model uses a crystalline model, the method according to the invention may further comprise a determination of the crystalline model representing, best, the behavior of a grain of representation. The behavior of a representation grain can be determined from a plurality of slip systems associated with the solid material. Moreover, the method according to the invention advantageously comprises a determination of a scale-change model comprising a homogenization model for the passage from the scale of the representation grain, called the microscopic scale, to the scale of the set of representation grains, called the macroscopic scale, and a location model for the passage from the macroscopic scale to the microscopic scale. In particular versions, the localization model may be an anisotropic model involving fourth-order tensors, and the crystalline model may be a model of microscopic behavior such as twinning. Furthermore, the mechanical test base can be a so-called extended test base obtained by enriching a real mechanical test base with at least one mechanical test, said theoretical, obtained from the tests. real mechanical Theoretical mechanical tests can be obtained by interpolation of real mechanical tests.
Les essais mécaniques théoriques peuvent aussi être obtenus, par simulation d'une sollicitation mécanique sur un agrégat polycristallin de grains, modélisé en éléments finis, et dont la texture est représentative du matériau solide, le comportement de chacun des grains étant représenté par un modèle cristallin préalablement déterminé. Theoretical mechanical tests can also be obtained, by simulation of a mechanical stress on a polycrystalline aggregate of grains, modeled in finite elements, and whose texture is representative of the solid material, the behavior of each of the grains being represented by a crystalline model previously determined.
Le modèle cristallin peut être déterminé par une étape d'optimisation comprenant au moins une itération des opérations suivantes : détermination, par simulation sur l'agrégat polycristallin, du comportement, dit simulé, du matériau ; comparaison du comportement simulé aux essais mécaniques réels ; réajustement, en fonction de ladite comparaison, dudit modèle cristallin représentant le comportement de chacun desdits grains de l'agrégat polycristallin.Les paramètres du modèle polycristallin réduit sont déterminés par identification, par exemple au moyen d'un dispositif utilisant un logiciel d'optimisation. Les paramètres à identifier sont ceux du modèle cristallin, appelé aussi modèle de comportement microscopique cristallin, à l'échelle du grain de représentation, ceux du modèle de changement d'échelle, et les orientations et les fractions volumiques des grains de représentation de la texture réduite et le cas échéant les paramètres du modèle d'évolution de la texture. The crystalline model can be determined by an optimization step comprising at least one iteration of the following operations: determination, by simulation on the polycrystalline aggregate, of the so-called simulated behavior of the material; comparison of simulated behavior with actual mechanical tests; readjustment, according to said comparison, of said crystalline model representing the behavior of each of said grains of the polycrystalline aggregate. The parameters of the reduced polycrystalline model are determined by identification, for example by means of a device using an optimization software. The parameters to be identified are those of the crystalline model, also called the crystalline microscopic behavior model, on the representation grain scale, those of the scale-change model, and the orientations and the volume fractions of the texture representation grains. reduced and if necessary the parameters of the pattern of evolution of the texture.
Le logiciel d'optimisation compare les résultats du modèle à ceux d'essais mécaniques effectués sur le matériau. Pour cela, le logiciel calcule la réponse du modèle pour les mêmes chargements que ceux appliqués au matériau lors des essais expérimentaux. Ces calculs peuvent être du type "point matériel", c'est-à-dire avec un seul point de calcul, lorsqu'on peut considérer que la structure d'essai reste homogène, par exemple un essai sur une éprouvette de traction simple. Ces calculs peuvent aussi être du type calcul de structure, avec une pluralité de points de calcul, lorsque la structure d'essai ne donne pas des contraintes et des déformations -7- homogènes à l'échelle macroscopique, par exemple un essai sur une éprouvette comportant une entaille. Les données expérimentales pour le matériau étudié sont généralement en nombre limité, par exemple des essais de traction simple dans les directions L (laminage RD), T (transverse TD) et "LT" (à 45 dans le plan LT) d'une tôle laminée, ou bien des essais de traction simple dans les directions L et T et un essai de cisaillement dans la direction L ou T. Cela ne suffit pas pour identifier correctement un modèle anisotrope. Dans l'exemple d'une tôle laminée, des essais tous les 15 clans le plan LT sont parfois disponibles (par exemple : Barlat, F., Aretz, Yoon, J.W., Karabin, M.E., Brem, J.C., Dick, R.E., 2005. Linear transformation-based anisotropic yield functions. International Journal of Plasticity 21, 1009-1039). Cela peut être encore insuffisant pour identifier finement les "modèles polycristallins réduits", pour lesquels des données tous les 5 sont préférables, en raison de la texture réduite de ces modèles. Quant aux données d'essais hors plan LT, elles sont généralement inexistantes. Dans le procédé selon l'invention, on utilise le modèle en éléments finis d'un agrégat polycristallin pour générer les données expérimentales nécessaires à l'identification du "modèle polycristallin réduit" utilisé. Un agrégat polycristallin est un ensemble de grains. La construction du modèle d'agrégat est connue en elle-même. On peut par exemple utiliser un simple agrégat cubique constitué de grains cubiques, par exemple au nombre de 5x5x5 = 125 grains dont les orientations cristallines sont en accord avec la texture du matériau. On peut aussi construire un modèle d'agrégat qui représente mieux la morphologie des grains du matériau. Si la texture n'est pas disponible pour le matériau étudié, on peut utiliser celle d'un matériau voisin, par exemple s'il s'agit d'un alliage d'aluminium laminé, la texture d'un autre alliage d'aluminium de composition chimique voisine, laminé et traité thermiquement dans les mêmes conditions. Les données expérimentales générées seront d'autant meilleures que le modèle d'agrégat sera raffiné et proche du matériau réel, au prix de temps de calcul plus longs. Les modèles d'agrégats utilisent moins d'hypothèses simplificatrices que les modèles polycristallins, et, contrairement à ces derniers, ils ne -8- requièrent pas de modèles de changement d'échelle plus ou moins phénoménologiques. Dans un modèle d'agrégat polycristallin, les seuls paramètres à identifier sont ceux du modèle de comportement cristallin. De façon connue, les paramètres sont identifiés au moyen d'un logiciel d'optimisation appliqué aux calculs d'agrégats par éléments finis des essais mécaniques disponibles. Les calculs d'agrégats par éléments finis sont ensuite utilisés pour générer les données expérimentales nécessaires à l'identification du "modèle polycristallin réduit" utilisé. Par exemple, le modèle d'agrégat sera identifié sur des essais de traction simple dans les directions L (laminage RD), T (transverse TD) et "LT" (à 45 dans le plan LT) d'une tôle laminée, et sera ensuite utilisé pour générer les essais de traction simple tous les 15 ou mieux tous les 5 pour l'identification du "modèle polycristallin réduit". Dans cet exemple, les données générées seront à la fois les courbes reliant la contrainte et la déformation dans la direction de la traction, et les courbes reliant les deux déforrnations transverses donnant l'évolution des rapports de Lankford. Dans les cas exceptionnels où de nombreux essais sont disponibles, une simple interpolation des courbes pourra remplacer les calculs d'agrégats. Dans l'exemple d'une tôle laminée, si par exemple des essais tous les 15 dans le plan LT sont disponibles, on peut par interpolation générer des données tous les 5 . Dans le cas général, le recours aux calculs d'agrégats polycristallins est indispensable, particulièrement si la base d'essais étendue est générée par extrapolation des essais expérimentaux réels et pas seulement par interpolation entre ces essais réels. Si par exemple la pièce à calculer est soumise à des contraintes proches du cisaillement pur, et si les seuls essais expérimentaux disponibles sont des essais de traction simple, les données en cisaillement correspondent à une extrapolation des données expérimentales en traction simple. Les calculs d'agrégats ont une certaine capacité d'extrapolation car en raison de la pluralité des orientations des "grains" tous les systèmes de glissement et tous les paramètres du modèle cristallin utilisé peuvent être sollicités par des chargements dans un domaine restreint de types et d'amplitudes, par exemple par des essais de traction simple. Il est cependant préférable si possible de limiter les extrapolations et de disposer d'essais expérimentaux -9- représentatifs des sollicitations mécaniques subies par les pièces qui seront calculées, en termes de contraintes, déformations, vitesses de déformations et températures. L'ensemble des paramètres du "modèle polycristallin réduit" sont identifiés sur l'ensemble des essais mécaniques, comprenant les essais réels et les essais générés par simple interpolation et par les calculs d'agrégats polycristallins. Compte tenu du grand nombre d'essais mécaniques et du grand nombre de paramètres à identifier, les temps de calcul d'identification ne sont raisonnables que pour les "modèles polycristallins réduits". C'est la démarche d'identification qui explique que les "modèles polycristallins réduits" donnent une modélisation satisfaisante à la fois des contraintes et des vitesses de déformation, contrairement aux modèles polycristallins classiques à textures complètes, auxquels cette démarche ne peut être appliquée ni en principe, car leurs textures sont imposées, ni en pratique, car les temps de calculs d'identification sont beaucoup trop longs. Les paramètres identifiés du modèle cristallin utilisé dans le "modèle polycristallin réduit" sont différents des paramètres identifiés du modèle cristallin utilisé dans le modèle d'agrégat polycristallin. Ces deux modèles cristallins peuvent d'ailleurs être différents, de même que les logiciels d'optimisation et les logiciels de calcul par éléments finis mis en oeuvre pour le "modèle polycristallin réduit" d'une part, le modèle d'agrégat polycristallin d'autre part, peuvent être différents. Le modèle d'agrégat ne sert que d'intermédiaire dans la démarche d'identification. La démarche d'identification et le procédé s'appliquent quels que soient les modèles et les logiciels mis en oeuvre, même si la qualité des résultats dépend de la qualité des modèles et des logiciels. Le modèle polycristallin déterminé grâce au procédé selon l'invention peut être utilisé pour la détermination des effets d'une sollicitation thermomécanique sur une pièce constituée d'un matériau solide, et en particulier une pièce métallique. Cette utilisation peut comprendre une détermination de déformations et/ou de contraintes engendrées par la sollicitation thermomécanique en une pluralité de points de la pièce au moyen d'une modélisation en éléments finis de la pièce. D'une façon - 10 - générale, la méthode de calcul par éléments finis utilisée est une méthode de calcul mécanique ou thermomécanique faisant intervenir le temps. La sollicitation thermomécanique peut comprendre une sollicitation associée à une opération de mise en forme par déformation plastique telle que l'emboutissage, l'étirage, l'extrusion, le découpage, le perçage, le laminage ou le forgeage. Le procédé selon l'invention peut être utilisé pour évaluer l'effet de ces opérations sur les propriétés des matériaux. Les résultats obtenus peuvent être utilisés par exemple dans des modèles de simulation de tests de résistance aux chocs de véhicules automobiles. The optimization software compares model results with those of mechanical tests performed on the material. For this, the software calculates the response of the model for the same loadings as those applied to the material during the experimental tests. These calculations can be of the "material point" type, that is to say with a single calculation point, when it can be considered that the test structure remains homogeneous, for example a test on a single tensile test specimen. These calculations can also be of the structural calculation type, with a plurality of computation points, when the test structure does not give homogeneous stresses and deformations at the macroscopic scale, for example a test on a specimen having a cut. The experimental data for the studied material are generally limited in number, for example simple tensile tests in the directions L (rolling RD), T (transverse TD) and "LT" (at 45 in the plane LT) of a sheet laminated, or simple tensile tests in the L and T directions and a shear test in the L or T direction. This is not enough to properly identify an anisotropic model. In the example of a rolled sheet, tests every 15 in the LT plane are sometimes available (for example: Barlat, F., Aretz, Yoon, JW, Karabin, ME, Brem, JC, Dick, RE, 2005 Linear transformation-based anisotropic yield functions, International Journal of Plasticity 21, 1009-1039). This may still be insufficient to finely identify "reduced polycrystalline models", for which data every 5 is preferable, because of the reduced texture of these models. As for the non-LT test data, they are generally non-existent. In the method according to the invention, the finite element model of a polycrystalline aggregate is used to generate the experimental data necessary for the identification of the "reduced polycrystalline model" used. A polycrystalline aggregate is a set of grains. The construction of the aggregate model is known in itself. For example, it is possible to use a simple cubic aggregate consisting of cubic grains, for example at the number of 5 × 5 × 5 = 125 grains whose crystalline orientations are in agreement with the texture of the material. We can also build an aggregate model that better represents the grain morphology of the material. If the texture is not available for the studied material, one can use that of a nearby material, for example if it is a laminated aluminum alloy, the texture of another aluminum alloy of similar chemical composition, laminated and thermally treated under the same conditions. The experimental data generated will be all the better as the aggregate model will be refined and close to the actual material, at the cost of longer computing times. Aggregate models use fewer simplifying assumptions than polycrystalline models, and unlike them, they do not require more or less phenomenal scale-up models. In a polycrystalline aggregate model, the only parameters to be identified are those of the crystal behavior model. In a known manner, the parameters are identified by means of an optimization software applied to the finite element aggregate calculations of the available mechanical tests. Finite element aggregate calculations are then used to generate the experimental data needed to identify the "reduced polycrystalline model" used. For example, the aggregate model will be identified on simple tensile tests in directions L (rolling RD), T (transverse TD) and "LT" (at 45 in plane LT) of a rolled sheet, and will be then used to generate the simple tensile tests every 15 or better every 5 for the identification of the "reduced polycrystalline model". In this example, the generated data will be both the curves connecting the stress and strain in the direction of traction, and the curves connecting the two transverse deformations giving the evolution of the Lankford ratios. In exceptional cases where many tests are available, a simple interpolation of the curves can replace the aggregate calculations. In the example of a rolled sheet, if, for example, tests every 15 in the LT plane are available, it is possible, by interpolation, to generate data every 5. In the general case, the use of polycrystalline aggregate calculations is essential, especially if the extended test basis is generated by extrapolating actual experimental tests and not only by interpolation between these actual tests. If, for example, the part to be calculated is subjected to stresses close to pure shear, and the only available experimental tests are simple tensile tests, the shear data correspond to an extrapolation of the experimental data in simple tension. Aggregate calculations have some extrapolation capability because due to the plurality of "grain" orientations all slip systems and all parameters of the crystalline model used can be solicited by loadings in a restricted domain of types and amplitudes, for example by simple tensile tests. However, it is preferable if possible to limit the extrapolations and to have experimental tests representative of the mechanical stresses to which the parts will be computed, in terms of stresses, deformations, deformation rates and temperatures. All the parameters of the "reduced polycrystalline model" are identified on all the mechanical tests, including real tests and tests generated by simple interpolation and polycrystalline aggregate calculations. Given the large number of mechanical tests and the large number of parameters to be identified, the identification calculation times are reasonable only for "reduced polycrystalline models". It is the identification procedure that explains that the "reduced polycrystalline models" give a satisfactory modeling of both the stresses and the rates of deformation, unlike conventional polycrystalline models with complete textures, to which this approach can not be applied either in principle, because their textures are imposed, nor in practice, because the identification calculation times are much too long. The identified parameters of the crystalline model used in the "reduced polycrystalline model" are different from the identified parameters of the crystalline model used in the polycrystalline aggregate model. These two crystalline models may also be different, as well as the optimization software and finite element calculation software implemented for the "reduced polycrystalline model" on the one hand, the polycrystalline aggregate model of on the other hand, may be different. The aggregate model only serves as an intermediary in the identification process. The identification process and the process apply regardless of the models and software implemented, even if the quality of the results depends on the quality of the models and software. The polycrystalline model determined by the method according to the invention can be used for determining the effects of a thermomechanical stress on a part made of a solid material, and in particular a metal part. This use may comprise a determination of deformations and / or stresses generated by the thermomechanical stress at a plurality of points of the part by means of finite element modeling of the part. In general, the finite element method used is a mechanical or thermomechanical method of calculation involving time. The thermomechanical bias may include a bias associated with a plastic deformation forming operation such as stamping, drawing, extruding, cutting, drilling, rolling or forging. The method according to the invention can be used to evaluate the effect of these operations on the properties of the materials. The results obtained can be used, for example, in simulation models of motor vehicle crash tests.
Le procédé selon l'invention peut également être utilisé pour simuler la fabrication de boîtes métalliques telles que des canettes, obtenues par emboutissage, de façon à en déterminer les propriétés d'emploi en tenant compte des phénomènes tels que les cornes d'emboutissage résultant de l'anisotropie du matériau. The method according to the invention can also be used to simulate the manufacture of metal cans such as cans, obtained by stamping, so as to determine their use properties taking into account phenomena such as stamping horns resulting from the anisotropy of the material.
La sollicitation mécanique peut aussi comprendre une sollicitation engendrée par l'utilisation en service de la pièce métallique entraînant un phénomène de fluage et/ou de fatigue de la pièce. Ces utilisations ne sont données qu'à titre d'exemple et l'homme du métier saura adapter le procédé à toute situation particulière faisant 20 intervenir des phénomènes de plasticité ou de fluage. Le procédé selon l'invention se distingue des procédés de calcul numérique connus par la façon d'identifier un "modèle polycristallin réduit" de comportement des matériaux utilisé ensuite dans les calculs numériques d'objets industriels. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillé d'exemples de réalisation nullement limitatifs et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une représentation du schéma de principe de génération d'une base d'essais étendue ; 30 - la figure 2 est une représentation d'un modèle simple d'agrégat polycristallin utilisé pour générer des données expérimentales ; - les figures 3a et 3b sont des représentations d'un modèle raffiné d'agrégat utilisé pour générer des données expérimentales ; - 11 - - la figure 4 est une représentation du schéma de principe de détermination de la texture réduite d'un modèle polycristallin réduit et d'utilisation du modèle pour les calculs d'objets industriels ; - la figure 5 est une représentation de la texture complète de l'aluminium 2090-T3, représentée sous forme d'une figure de pôles discrétisée ; - la figure 6 est une représentation des rapports de Lankford tous les 15 du modèle polycristallin réduit identifié tous les 15 ; - la figure 7 est une représentation des rapports de Lankford tous les 10 5 du modèle polycristallin réduit identifié tous les 15 ; - la figure 8 est une représentation des rapports de Lankford du modèle polycristallin réduit identifié tous les 5 ; - la figure 9 est une représentation des contraintes du modèle polycristallin réduit identifié tous les 5 ; 15 la figure 10 est une représentation des rapports de Lankford du modèle polycristallin réduit ré-identifié tous les 15 ; - la figure 11 est une représentation des rapports de Lankford du modèle polycristallin réduit ré-identifié tous les 45 ; - la figure 12 est une représentation des contraintes du modèle 20 polycristallin réduit ré-identifié tous les 45 ; - la figurel3 est une représentation des courbes a11-E11 du modèle polycristallin réduit identifié tous les 5 ; - la figurel4 est une représentation des courbes E22-c33 du modèle polycristallin réduit identifié tous les 5 , 25 - la figure 15 est une représentation de la texture réduite de l'aluminium 2090-T3 identifiée sur la base d'essais étendue ; - la figure 16 est une représentation des pôles de l'aluminium 2090-T3 comparés aux pôles de la composante de texture S ; - la figure 17 est une représentation des rapports de Lankford du 30 modèle polycristallin réduit identifié tous les 5 avec la composante de texture S imposée ; - la figure 18 est une représentation du maillage en éléments finis de l'opération de poinçonnement d'une tôle mince en aluminium 2090-T3 ; - 12 - The mechanical stress may also include a load generated by the use in service of the metal part causing a phenomenon of creep and / or fatigue of the workpiece. These uses are only given by way of example and the person skilled in the art will be able to adapt the process to any particular situation involving phenomena of plasticity or creep. The method according to the invention differs from known numerical calculation methods by the way of identifying a "reduced polycrystalline model" of behavior of the materials then used in numerical calculations of industrial objects. Other features and advantages of the invention will become apparent upon consideration of the detailed description of non-limiting exemplary embodiments and the accompanying drawings in which: FIG. 1 is a representation of the schematic diagram of generating a base extensive testing; Figure 2 is a representation of a simple polycrystalline aggregate model used to generate experimental data; FIGS. 3a and 3b are representations of a refined model of aggregate used to generate experimental data; FIG. 4 is a representation of the schematic diagram for determining the reduced texture of a reduced polycrystalline model and the use of the model for industrial object calculations; FIG. 5 is a representation of the complete texture of aluminum 2090-T3, represented as a discretized pole figure; Figure 6 is a representation of the Lankford ratios all 15 of the reduced polycrystalline model identified every 15; Figure 7 is a representation of the Lankford ratios every 10 of the reduced polycrystalline model identified every 15; FIG. 8 is a representation of the Lankford ratios of the reduced polycrystalline model identified every 5; FIG. 9 is a representation of the constraints of the reduced polycrystalline model identified every 5; Figure 10 is a representation of the Lankford ratios of the reduced polycrystalline model re-identified every 15; FIG. 11 is a representation of the Lankford ratios of the reduced polycrystalline model re-identified every 45; FIG. 12 is a representation of the constraints of the reduced polycrystalline model re-identified every 45; FIG. 3 is a representation of the curves a11-E11 of the reduced polycrystalline model identified every 5; Fig. 4 is a representation of curves E22-c33 of the reduced polycrystalline pattern identified every 5; Fig. 15 is a representation of the reduced texture of aluminum 2090-T3 identified on the basis of extended testing; FIG. 16 is a representation of the poles of the aluminum 2090-T3 compared to the poles of the texture component S; Fig. 17 is a representation of the Lankford ratios of the reduced polycrystalline pattern identified every 5 with the imposed texture component S; FIG. 18 is a representation of the finite element mesh of the punching operation of a 2090-T3 aluminum thin sheet; - 12 -
- la figure 19 est une représentation des contraintes 611 en surface inférieure de la tôle - la figure 20 est une représentation des contraintes 622 en surface inférieure de la tôle - la figure 21 est une représentation des contraintes 612 en surface inférieure de la tôle - la figure 22 est une représentation des courbes force-déplacement du poinçon ; et - la figure 23 est une représentation des essais mécaniques dans 10 l'espace {611, 622, 612} représentés sur la surface d'écoulement plastique de Tresca. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va considérer, le cas particulier de la méthode de calcul par éléments finis. On va tout d'abord rappeler quelques notions connues sur les calculs par cette méthode et sur FIG. 19 is a representation of the stresses 611 on the lower surface of the sheet - FIG. 20 is a representation of the stresses 622 on the lower surface of the sheet - FIG. 21 is a representation of the stresses 612 on the lower surface of the sheet - FIG. Figure 22 is a representation of the force-displacement curves of the punch; and Fig. 23 is a representation of the space mechanical tests {611, 622, 612} shown on the plastic flow surface of Tresca. In order to make the invention better understood, we will consider the particular case of the finite element calculation method. We will first of all recall some notions known about the calculations by this method and on
15 les modèles de comportement de matériaux de type polycristallin, puis on va expliquer comment, selon l'invention, on identifie les paramètres d'un modèle polycristallin réduit performant. De façon classique, pour simuler par un calcul par éléments finis le comportement d'un objet soumis à des sollicitations mécaniques, on The models of behavior of polycrystalline materials, then we will explain how, according to the invention, we identify the parameters of a reduced performance polycrystalline model. In a conventional way, to simulate by a finite element calculation the behavior of an object subjected to mechanical stresses, one
20 construit une représentation de l'objet matériel considéré à l'aide d'un maillage, et on identifie les sollicitations mécaniques extérieures auxquelles il va être soumis. Puis de façon connue en elle-même, on calcule par itération, les contraintes et les déformations à des instants successifs séparés par un pas de temps At. Ces calculs font intervenir un modèle de 20 builds a representation of the material object considered using a mesh, and identifies the external mechanical stresses to which it will be subjected. Then, in a manner known per se, iteratively calculates the stresses and deformations at successive instants separated by a time step Δt. These calculations involve a model of
25 comportement du matériau. Dans un calcul par éléments finis, à un instant déterminé t, on connaît, pour chacun des points de calcul du maillage, le tenseur des contraintes macroscopiques E et le tenseur des déformations macroscopiques E qu'on peut décomposer en un tenseur des déformations 30 élastiques Ee et un tenseur des déformations anélastiques EP. A titre d'exemple, on considère dans ce qui suit les modèles polycristallins les plus simples dits "à champs moyens", dans lesquels le tenseur des déformations plastiques microscopiques eP et le tenseur des =8 - 13 - contraintes microscopiques a sont constants dans chaque grain de =8 Behavior of the material. In a finite element calculation, at a given instant t, the macroscopic stress tensor E and the macroscopic strain tensor E which can be decomposed into a tensor of the elastic deformations are known for each of the mesh computation points. Ee and a tensor of anelastic deformations EP. By way of example, the following are considered the simplest polycrystalline models known as "medium fields", in which the tensor of the microscopic plastic deformations eP and the tensor of the microscopic stresses a are constant in each grain of = 8
représentation. A l'aide d'un modèle de localisation permettant le passage de l'échelle macroscopique à l'échelle microscopique, on détermine le tenseur des contraintes o- dans chacun des grains de représentation du modèle polycristallin. representation. Using a localization model allowing the passage from the macroscopic scale to the microscopic scale, one determines the tensor of the stresses o- in each of the grains of representation of the polycrystalline model.
A l'aide d'un modèle de comportement anélastique tel qu'un modèle plastique ou viscoplastique (de tels modèles sont connus en eux-mêmes), et des systèmes de glissement du grain de représentation, on détermine le tenseur des vitesses de déformation microscopiques s" de chaque grain de =8 représentation. Using an anelastic behavior model such as a plastic or viscoplastic model (such models are known per se), and representation grain gliding systems, the tensor of the microscopic strain rates is determined. s "of each grain of = 8 representation.
En intégrant les vitesses de déformation sur un intervalle de temps At, on calcule les déformations plastiques microscopiques sg à l'instant t+At. By integrating the deformation velocities over a time interval At, the microscopic plastic deformations sg are calculated at time t + At.
En utilisant un modèle d'homogénéisation permettant le passage de l'échelle microscopique à l'échelle macroscopique, on détermine alors les tenseurs des déformations E et des contraintes E macroscopiques à l'instant t + At. On peut alors recommencer le calcul et ainsi déterminer l'évolution au cours du temps des contraintes et des déformations dans l'objet étudié. By using a homogenization model allowing the passage from the microscopic scale to the macroscopic scale, we then determine the tensors of the E deformations and the macroscopic E stresses at the instant t + At. We can then start again the calculation and thus to determine the evolution over time of the stresses and deformations in the studied object.
Pour mettre en oeuvre une méthode de calcul numérique du type de celle qui vient d'être décrite, on utilise trois repères : To implement a numerical calculation method of the type just described, three reference points are used:
- un repère global orthonormé (L1, L2, L3), ou repère du laboratoire, quiest fixe et qui sert de référence pour la description de l'objet à étudier. Selon la nature de l'objet étudié, ce repère permet de repérer chaque point an orthonormal global reference (L1, L2, L3), or laboratory reference, which is fixed and which serves as a reference for the description of the object to be studied. Depending on the nature of the object studied, this marker allows you to locate each point
de l'objet par ses coordonnées cartésiennes ou par ses coordonnées cylindriques, ou par ses coordonnées sphériques. of the object by its Cartesian coordinates or by its cylindrical coordinates, or by its spherical coordinates.
- des repères locaux macroscopiques orthonormés, associés à chacun des points de l'objet étudié. Ainsi, à chaque point, et en particulier à chaque point pour lequel on effectue un calcul, on associe un repère local - Local macroscopic orthonormal landmarks, associated with each of the points of the studied object. Thus, at each point, and in particular at each point for which a calculation is made, a local coordinate system is associated.
macroscopique (X1, X2, X3). Ce repère est un repère orthonormé dont la position et l'orientation par rapport au repère global peuvent évoluer au fur et à mesure que l'objet étudié se déforme. - 14 - - des repères locaux microscopiques orthonormés associés à chacun des grains de représentation du modèle polycristallin et qui servent à décrire les déformations microscopiques de chaque grain de représentation. L'orientation du repère local microscopique (x1, x2r x3) d'un grain de représentation associé à un point de l'objet étudié représente l'orientation de ce grain de représentation par rapport au repère local macroscopique du point considéré. A chaque grain de représentation, on associe des systèmes de glissements, des modèles de comportement cristallin du matériau pour chacun des systèmes de glissement, une orientation du grain de représentation par rapport à un repère lié à l'objet que l'on veut étudier, et enfin une fraction volumique f . Quelle que soit la nature cristallographique du matériau solide considéré, on attribue au grain de représentation des systèmes de glissement. De façon connue, chaque système est défini par la normale à un plan de glissement et par une direction de glissement, ce qui permet d'associer à chaque système de glissement une matrice d'orientation. De façon générale et connue, d'autres mécanismes de déformation, comme par exemple le maclage, peuvent être modélisés à l'échelle du grain de représentation, mais ils ne sont pas décrits ici. Si n, est le vecteur normal au plan du système de glissement d'indice s, et ls le vecteur de la direction de glissement de ce système de glissement, la matrice d'orientation est par définition : ms =(n l, +l, n)/2 (Eq. 1) Si par exemple la nature cristallographique du matériau solide considéré est cubique à faces centrées, on considère de façon connue M = 12 systèmes de glissement définis de la façon suivante dans le repère local microscopique (x1, x2, x3) d'un grain de représentation : _ (1,1,1) 1, -(-1,0,1) n, = (1,1,1) 12 = (0,-1,1) n, = (1,1,1) l3 = (-1,1,0) n, = (1,-1,1) l4 = (-1,0,1) n5 = (1,-1,1) l5 = (0,1,1) n6 = (1,-1,1) 1, = (1,1,0) n, _ (-1,1,1) 17 -(0,-1,1) n8 =(-1,1,1) 18 =0,1,0) n9 = (-1,1,1) 19 = (1,0,1) n,9 = (1,1,-1) 1,0 -(- 1,1,0) nä _ (1,1,-1) lä _ (1,0,1) n,2 = (1,1,-1) 112 -(0,1,1) (Eq. 2) - 15 - Pour d'autres structures cristallines, par exemple cubique centrée ou hexagonale, on définit de façon analogue et connue les systèmes de glissement. Si s représente la vitesse de glissement dans la direction 1, du système de glissement s , le tenseur des vitesses de déformation plastiques du grain de représentation s'écrit : 12 s; =Em js ùs s=1 (Eq. 3) Pour déterminer les vitesses de glissement Ys sur chacun des systèmes de glissement s, on utilise un modèle de comportement cristallin 10 qui fait intervenir de façon connue la scission résolue rs sur le système s . La scission résolue r, s'écrivant : rs =a :m (Eq 4) Par exemple, le modèle de comportement cristallin est décrit de façon connue par les équations (5) à (8) ci-dessous, mais tout autre modèle 15 cristallin peut être utilisé. y' =1)* Sign(rs) (Eq. 5) n ù 0, -1; /r (Eq. 6) vs = Max K 12 r, = Ro +QEH,,[1ûexp(ûbv,)] (Eq. 7) L'équation (6) ci-dessus fait intervenir 2 paramètres de viscosité n et 20 K. L'équation (7) fait intervenir 3 "paramètres d'écrouissage" Ro, Q et b. macroscopic (X1, X2, X3). This landmark is an orthonormal landmark whose position and orientation with respect to the global landmark can change as the studied object deforms. - 14 - - local microscopic orthonormal references associated with each of the representation grains of the polycrystalline model and which serve to describe the microscopic deformations of each grain of representation. The orientation of the microscopic local coordinate system (x1, x2r x3) of a representation grain associated with a point of the studied object represents the orientation of this representation grain with respect to the macroscopic local coordinate system of the considered point. Each representation grain is associated with slip systems, models of crystalline behavior of the material for each of the sliding systems, an orientation of the grain of representation with respect to a reference linked to the object to be studied, and finally a volume fraction f. Whatever the crystallographic nature of the solid material under consideration, the grain of representation is attributed to sliding systems. In a known manner, each system is defined by the normal to a sliding plane and by a sliding direction, which makes it possible to associate with each sliding system an orientation matrix. In a general and known manner, other deformation mechanisms, such as twinning, can be modeled on the scale of the representation grain, but they are not described here. If n, is the vector normal to the plane of the slip system of index s, and ls the vector of the sliding direction of this sliding system, the orientation matrix is by definition: ms = (nl, + 1, n) / 2 (Eq.1) If, for example, the crystallographic nature of the solid material in question is cubic with centered faces, we consider in a known manner M = 12 slip systems defined as follows in the microscopic local coordinate system (x1, x2) , x3) of a grain of representation: _ (1,1,1) 1, - (- 1,0,1) n, = (1,1,1) 12 = (0, -1,1) n , = (1,1,1) 13 = (-1,1,0) n, = (1,1,1,1) 14 = (-1,0,1) n5 = (1,1,1,1) 15 = (0,1,1) n6 = (1,1,1,1) 1, = (1,1,0) n, _ (-1,1,1) 17 - (0, -1,1) n8 = (- 1,1,1) 18 = 0,1,0) n9 = (-1,1,1) 19 = (1,0,1) n, 9 = (1,1, -1) 1 0 - (- 1,1,0) n = (1,1,1) -1 (1,0,1) n, 2 = (1,1, -1) 112 - (0,1,1 (Eq.2) For other crystalline structures, for example cubic centered or hexagonal, is defined in a similar and known manner sliding systems. If s represents the sliding speed in the direction 1 of the sliding system s, the tensor of the plastic strain rates of the grain of representation is written: 12 s; To determine the sliding speeds Ys on each of the sliding systems, a crystal behavior model 10 is used which, in known manner, involves the resolved splitting on the system. For example, the model of crystalline behavior is described in a known manner by the equations (5) to (8) below, but any other model 15 crystalline can be used. y '= 1) * Sign (rs) (Eq.5) n ù 0, -1; / r (Eq.6) vs = Max K 12 r, = Ro + QEH ,, [lxexp (bbv,)] (Eq.7) Equation (6) above involves 2 parameters of viscosity n and 20 K. Equation (7) uses 3 "work hardening parameters" Ro, Q and b.
Dans l'équation (7), la "matrice d'écrouissage" H,, fait intervenir de façon connue 6 autres paramètres d'écrouissage h, à h6. In equation (7), the "work hardening die" H ,, employs in known manner 6 other work hardening parameters h, at h6.
Le comportement cristallin des grains de représentation qui vient d'être décrit permet de modéliser le comportement microscopique du 25 matériau. Mais, comme on l'a vu précédemment, pour modéliser le comportement d'un objet, il est nécessaire de pouvoir passer du niveau microscopique au niveau macroscopique et réciproquement. Pour cela, on utilise des modèles appelés "modèles de changement d'échelle" dont le - 16 - principe général est connu de l'homme du métier, mais dont un exemple va être décrit maintenant. Les relations permettant le passage de l'échelle macroscopique à l'échelle microscopique et inversement sont respectivement : a) le modèle de localisation pour le passage de l'échelle macroscopique à l'échelle microscopique : N B=lfgfl (Egs8et9) x=l =g (Eq. 10) le passage de l'échelle N (Eq 11) (Eq 12) (Eq 13) Dans ces équations : 15 E est le tenseur des contraintes macroscopiques. E" est le tenseur des déformations plastiques macroscopiques. Ee est le tenseur des déformations élastiques macroscopiques. 6 est le tenseur des contraintes microscopiques dans le grain de =g représentation d'indice g. 20 eP est le tenseur des déformations plastiques microscopiques dans le =g grain de représentation d'indice g. Z.P) est le second invariant du tenseur vitesse des déformations g plastiques microscopiques e " dans le grain de représentation d'indice g. =g est une variable dans le grain de représentation d'indice g. =g 25 fg est la fraction volumique du grain de représentation d'indice g. 6 =E+C(Bû/3 ) où g =g ; ûD/3 J2~~) 2 =g -g =g g \ fi b) les relations d'homogénéisation pour 10 microscopique à l'échelle macroscopique : N E=Ifg6 avec -g g=l g=1 1fg =1 N E`'f; g =g g=l Ee = 1 1û v 2p - 1+v= - 17 - N est le nombre de grains de représentation. 1u est le module de cisaillement du matériau. v est le coefficient de Poisson du matériau. C et D sont 2 paramètres propres au matériau, identifiables à partir d'essais. De façon connue, il est possible et recommandé dans le cas d'un chargement cyclique d'ajouter aux équations (6) et (7) des variables d'écrouissage cinématique. De façon connue, il est possible et recommandé dans le cas d'un chargement de longue durée de type relaxation ou fluage d'ajouter aux équations (6) et (7) ainsi qu'à l'équation de localisation (10) des termes de restauration par le temps. Les équations correspondantes ne sont pas détaillées ici. Lorsque les déformations dépassent 20% environ, il est recommandé, voire indispensable pour un calcul précis, de modéliser l'évolution de la texture du matériau, aussi bien dans la méthodologie de détermination des paramètres du "modèle polycristallin réduit" que dans l'utilisation de ce modèle pour les calculs de structures industrielles. Pour modéliser l'évolution de la texture d'un matériau polycristallin, c'est-à-dire l'évolution des orientations des "grains", on considère de façon connue le tenseur de rotation Q du réseau cristallin d'un grain de représentation, c'est-àdire la rotation de son repère local microscopique (x1, x2, x3), par rapport à un repère dit "corotationnel". Plusieurs modèles d'évolution de texture sont décrits dans la littérature scientifique. Dans le modèle le plus utilisé, la vitesse de rotation du réseau cristallin est donnée par : M Q.Q' =w = û~q Y.r (Eq. 14) où M est le nombre de systèmes de glissement et où pour chaque système : q = (l, n,ûn, 4l,)/2 (Eq. 15) On calcule les évolutions des vecteurs ns et l . , c'est-à-dire l'évolution 30 de la texture : (Eq. 16) - 18 - Le repère corotationnel suit la rotation "moyenne" de la matière R . De façon connue, sa vitesse de rotation par rapport au repère du laboratoire (L1, L2, L3) est calculée à partir des gradients des vitesses û des points matériels du corps solide déformable : S2 = R.R T = (grade - grad ` u)12 (Eq. 17) Quant au mécanisme de déformation par maclage, il implique des modèles particuliers pour l'évolution de la texture, connus par ailleurs et qui ne sont pas décrits ici. Pour modéliser le comportement d'un matériau déterminé, il faut alors choisir les grains de représentation du modèle polycristallin de telle sorte que ces grains de représentation représentent le comportement d'un agrégat de grains du matériau, compte tenu de la répartition réelle des orientations des grains dans le matériau, c'est-à-dire de la texture du matériau. Pour faire ce choix, on choisit le nombre de grains de représentation, leurs orientations et leurs fractions volumiques de telle sorte que le modèle obtenu ait un comportement bien représentatif du matériau réel. Pour représenter l'orientation des grains de représentation, on considère un repère local macroscopique (X1, X2, X3) et un repère local microscopique (x1, x2, x3) lié à chaque grain de représentation. L'orientation d'une grain de représentation est définie comme étant l'orientation de son repère local microscopique (x1r x2, x3) par rapport au repère local macroscopique (X1, X2, X3). De façon connue en elle-même, on considère que le repère local 25 microscopique (x1, x2, x3) se déduit du repère local macroscopique (X1r X2, X3) par trois rotations : - une rotation d'angle cp1 du repère (X1, X2, X3) autour de l'axe X3 qui conduit à un repère (X'1, X'2, X3), - une rotation d'angle autour de l'axe X'1 qui conduit à un repère 30 (X'1, X"2, X'3) - une rotation d'angle (P2 du repère (X'1, X"2, X'3) autour de l'axe X'3 qui conduit à un repère (X"1, X"12, X'3) ; ce dernier repère est le repère local microscopique (xi, x2, x3). - 19 - Le repère local microscopique (xi, x2, x3) est donc défini par les trois angles de rotation ((pi, (h, (p2) qui ont permis de l'obtenir. Ces angles sont habituellement appelés "angles d'Euler". Cette méthodologie de choix des grains de représentation va être illustrée par un exemple que l'homme du métier saura transposer à tout cas particulier. Dans les situations connues, la texture d'un matériau anisotrope peut être représentée approximativement par une combinaison de "composantes de texture", c'est-à-dire d'orientations particulières connues en elles-mêmes. Dans l'exemple, qui concerne les tôles d'aluminium brutes de laminage à froid, les composantes de texture, définies par 3 angles d'Euler dans le repère local macroscopique (X1r X2, X3) = (L, T, S) = (RD, TD, ND), sont principalement les composantes "Etain" (35 , 45 , 0 ), "S" (60 , 32 , 65 ) et "Cube" (0 , 0 , 0 ). Comme les tôles présentent une symétrie orthotrope dans le repère macroscopique, chacune de ces orientations ((pi, 4), 92) est associée à 3 autres orientations symétriques (-(pi, (1), -92), (-91, -4), -92) et ((pi, -4), (p2). Les composantes de texture Etain et S comptent donc 4 grains de représentation chacune, la composante de texture Cube compte un seul grain de représentation. Dans des tôles d'aluminium recuites et recristallisées, d'autres composantes de texture apparaissent : "Goss" (0 , 45 , 0 ) et "Cuivre" (90 , 35 , 45 ). La structure cristallographique de l'aluminium est cubique à faces centrées. Dans les tôles en acier de structure cristallographique cubique centrée apparaissent les composantes de texture (0 , 0 ,45 ), (0 , 35 , 45 ), (0 , 54.7 , 45 ), (30 , 54.7 , 45 ) et (0 , 45 , 0 ). The crystalline behavior of the grains of representation which has just been described makes it possible to model the microscopic behavior of the material. But, as we saw earlier, to model the behavior of an object, it is necessary to be able to go from the microscopic level to the macroscopic level and vice versa. For this, we use models called "scaling models" whose general principle is known to those skilled in the art, but an example will be described now. The relations allowing the passage from the macroscopic scale to the microscopic scale and vice versa are respectively: a) the model of localization for the passage of the macroscopic scale on the microscopic scale: NB = lfgfl (Egs8et9) x = l = g (Eq.10) the passage of the scale N (Eq 11) (Eq 12) (Eq 13) In these equations: E is the tensor of the macroscopic constraints. E "is the tensor of the macroscopic plastic deformations Ee is the tensor of the macroscopic elastic deformations 6 is the tensor of the microscopic stresses in the grain of = g representation of index G. 20 eP is the tensor of the microscopic plastic deformations in the = g of representation of index g, ZP) is the second invariant of the tensor speed of the microscopic plastic deformations e "in the representation grain of index g. = g is a variable in the representation grain of index g. = g 25 fg is the volume fraction of the representation grain of index g. 6 = E + C (Bu / 3) where g = g; (b) the homogenization relations for microscopic at the macroscopic scale: N E = Ifg6 with -g g = 1 g = 1 1fg = 1 N E`'f; g = g g = 1 Ee = 1 1 v v 2p - 1 + v = - 17 - N is the number of representation grains. 1u is the shear modulus of the material. v is the Poisson's ratio of the material. C and D are 2 parameters specific to the material, identifiable from tests. In known manner, it is possible and recommended in the case of a cyclic loading to add to the equations (6) and (7) kinematic hardening variables. In known manner, it is possible and recommended in the case of a long-term loading of relaxation or creep type to add equations (6) and (7) as well as the equation of location (10) of the terms restoration by time. The corresponding equations are not detailed here. When the deformations exceed 20% approximately, it is recommended, even essential for a precise calculation, to model the evolution of the texture of the material, as well in the methodology of determination of the parameters of the "reduced polycrystalline model" as in the use of this model for the calculations of industrial structures. To model the evolution of the texture of a polycrystalline material, that is to say the evolution of the orientations of the "grains", we consider in known manner the rotation tensor Q of the crystal lattice of a grain of representation , that is to say the rotation of its microscopic local coordinate system (x1, x2, x3), with respect to a "corotational" reference mark. Several models of texture evolution are described in the scientific literature. In the most widely used model, the rotational speed of the crystal lattice is given by: M QQ '= w = û ~ q Yr (Eq.14) where M is the number of sliding systems and where for each system: q = (l, n, ûn, 4l,) / 2 (Eq.15) The evolutions of the vectors ns and l are calculated. that is, the evolution of the texture: (Eq.16) - The corotational marker follows the "average" rotation of the material R. In known manner, its rotational speed with respect to the laboratory mark (L1, L2, L3) is calculated from the velocity gradients of the material points of the deformable solid body: S2 = RR T = (grade - grad `u) 12 (Eq.17) As for the mechanism of deformation by twinning, it implies particular models for the evolution of the texture, known elsewhere and which are not described here. To model the behavior of a specific material, it is then necessary to choose the representation grains of the polycrystalline model such that these representation grains represent the behavior of a grain aggregate of the material, taking into account the actual distribution of the orientations of the materials. grains in the material, that is, the texture of the material. To make this choice, one chooses the number of grains of representation, their orientations and their voluminal fractions so that the model obtained has a behavior well representative of the real material. To represent the orientation of the grains of representation, we consider a macroscopic local coordinate system (X1, X2, X3) and a microscopic local coordinate system (x1, x2, x3) bound to each grain of representation. The orientation of a representation grain is defined as the orientation of its microscopic local coordinate system (x1r x2, x3) relative to the macroscopic local coordinate system (X1, X2, X3). In a manner known per se, it is considered that the microscopic local coordinate system (x1, x2, x3) is deduced from the macroscopic local coordinate system (X1r X2, X3) by three rotations: a rotation of angle cp1 of the reference (X1 , X2, X3) around the axis X3 which leads to a reference (X'1, X'2, X3), - a rotation of angle around the axis X'1 which leads to a reference mark 30 (X '1, X "2, X'3) - an angle rotation (P2 of the reference (X'1, X" 2, X'3) around the axis X'3 which leads to a reference (X " 1, X "12, X'3), this last reference is the microscopic local coordinate system (xi, x2, x3) .- 19 - The microscopic local coordinate system (xi, x2, x3) is thus defined by the three angles of rotation ((pi, (h, (p2) which made it possible to obtain these angles are usually called "angles of Euler." This methodology of choice of the grains of representation will be illustrated by an example that the person skilled in the art will be able to transpose to any particular case.In known situations, the texture of an anisotropic material may be approximately represented by a combination of "texture components", i.e., particular orientations known per se. In the example, which concerns cold-rolling aluminum sheets, the texture components, defined by 3 Euler angles in the local macroscopic coordinate system (X1r X2, X3) = (L, T, S) = (RD, TD, ND), are mainly the components "Tin" (35, 45, 0), "S" (60, 32, 65) and "Cube" (0, 0, 0). Since the plates have an orthotropic symmetry in the macroscopic coordinate system, each of these orientations ((pi, 4), 92) is associated with 3 other symmetrical orientations (- (pi, (1), -92), (-91, - 4), -92) and ((pi, -4), (p2) .The texture components Etain and S thus have 4 grains of representation each, the texture component Cube has only one grain of representation. Annealed and recrystallized aluminum, other textural components appear: "Goss" (0, 45, 0) and "Copper" (90, 35, 45) The crystallographic structure of aluminum is cubic with centered faces. the steel sheets with a cubic centric crystallographic structure appear the texture components (0, 0, 45), (0, 35, 45), (0, 54.7, 45), (30, 54.7, 45) and (0, 45 , 0).
Ces composantes de texture sont connues de l'homme du métier, qui pourra dans des situations particulières déterminer d'autres composantes à partir de la texture expérimentale du matériau. L'ensemble de ces composantes de texture, connues ou déterminées dans des cas spécifiques, constitue la texture initiale du matériau dans la démarche d'identification des paramètres du modèle polycristallin réduit. Dans l'exemple de l'aluminium laminé, on aura 3 paramètres angulaires ((pi, 4), 92) à identifier pour la composante S et 3 paramètres angulaires 4'1, 4)', (p'2) à identifier pour la composante Etain. On peut ajouter à la composante Cube une composante de texture "Cube45" (0 , 45 , 0") suggérée par la texture -expérimentale, et on peut considérer que ces deux composantes avec un seul grain de représentation n'ont pas d'angle d'Euler à identifier. On peut aussi laisser ces composantes Cube et Cube45 se dissocier en 2 ou 4 grains de représentation chacune, auquel cas il faudra identifier les angles d'Euler correspondants. Si par exemple une identification est effectuée avec la "texture 1" constituée des 6 = 4 + 1 + 1 grains de représentation des 3 composantes S, Cube et Cube45, on aura 5 paramètres de texture à identifier : les fractions volumiques f2 et f3 des composantes Cube et Cube 45, et les 3 angles d'Euler (91, (h, (p2) de la composante S dont la fraction volumique est f1 = 1- f2 - f3. Une seconde identification sera effectuée avec la "texture 2" constituée des 6 grains de représentation des 3 composantes Etain, Cube et Cube45, avec 5 paramètres de texture à identifier : les fractions volumiques f2 et f3 des composantes Cube et Cube 45, et les 3 angles d'Euler (9'1, (h', (p'2) de la composante Etain dont la fraction volumique est f1 = 1- f2 - f3. Une troisième identification sera effectuée avec la "texture 3" constituée des 8 = 4 + 4 grains de représentation des 2 composantes S et Etain, avec 7 paramètres de texture à identifier : la fraction volumique f1 et les 3 angles d'Euler ((pl, (h, (p2) de la composante S, et les 3 angles d'Euler 4'1, (h', (p'2) de la composante Etain dont la fraction volumique est f2 = 1- f1. En fonction des résultats des identifications, d'autres combinaisons texture 4 , texture 5 , ..., pourront être utilisées. Le principe d'obtention d'une base d'essais étendue à partir d'une base d'essais réduite est schématisé sur la figure 1. Sur cette figure, base réduite d'essais mécaniques représente les essais réels sur le matériau. Lorsque ces essais sont suffisamment nombreux, par exemple des essais de traction simple tous les 15 dans le plan d'une tôle, une simple interpolation entre ces essais, sur la droite du schéma, permet de générer des essais intermédiaires, par exemple tous les 5 , qui sont ajoutés à la base réduite pour former une première version d'une base étendue d'essais mécaniques . Dans le cas contraire, et notamment lorsqu'il faut extrapoler en dehors du domaine couvert par la base réduite, par exemple pour générer des essais de traction biaxiale ou des essais de cisaillement, on utilise un modèle éléments finis (EF) d'un agrégat polycristallin représenté - 21 - en figure 1. Une première étape consiste à générer la géométrie de l'agrégat, par exemple en construisant un agrégat constitué d'éléments finis cubiques comme sur la figure 2. Dans une seconde étape, une orientation cristalline est affectée à chaque point de calcul des éléments finis, en répartissant les orientations de la texture expérimentale complète du matériau. Le comportement du matériau en tous ces points de calcul est celui d'un modèle cristallin, dont les paramètres sont initialisés dans une troisième étape. Le logiciel de calcul par éléments finis est alors à même de calculer la réponse de l'agrégat polycristallin à toutes les sollicitations mécaniques correspondant aux essais réels de la base réduite. Dans une quatrième étape, les résultats de ces calculs sont comparés aux résultats des essais par un logiciel d'optimisation, dans un processus itératif qui conduit dans une cinquième étape à la détermination des paramètres du modèle cristallin. Dans une sixième étape, le modèle d'agrégat ainsi déterminé est utilisé dans le logiciel éléments finis avec de nouvelles sollicitations mécaniques, correspondant par exemple à la traction biaxiale ou au cisaillement si ce sont les conditions visées. Dans une septième étape, les résultats de ces calculs sont ajoutés à la base d'essais pour former la base étendue d'essais mécaniques. These texture components are known to those skilled in the art, which may in particular situations determine other components from the experimental texture of the material. All of these texture components, known or determined in specific cases, constitute the initial texture of the material in the step of identifying the parameters of the reduced polycrystalline model. In the laminated aluminum example, there will be 3 angular parameters ((pi, 4), 92) to be identified for the component S and 3 angular parameters 4'1, 4) ', (p'2) to be identified for the tin component. A "Cube45" texture component (0, 45, 0 ") suggested by the experimental texture can be added to the Cube component, and it can be considered that these two components with a single grain of representation have no angle Euler can also be separated into 2 or 4 grains of representation each, in which case it will be necessary to identify the corresponding Euler angles If, for example, an identification is carried out with the "texture 1 "consisting of 6 = 4 + 1 + 1 grains of representation of the 3 components S, Cube and Cube45, we will have 5 texture parameters to identify: the volume fractions f2 and f3 of the Cube and Cube components 45, and the 3 angles of Euler (91, (h, (p2) of the component S whose volume fraction is f1 = 1- f2 - f3 A second identification will be carried out with the "texture 2" consisting of 6 grains of representation of the 3 components Etain, Cube and Cube45, with 5 texture settings at i to identify: the volume fractions f2 and f3 of the Cube and Cube 45 components, and the 3 Euler angles (9'1, (h ', (p'2) of the tin component whose volume fraction is f1 = 1- f2 - f3. A third identification will be carried out with the "texture 3" consisting of 8 = 4 + 4 grains of representation of the 2 components S and Etain, with 7 texture parameters to be identified: the volume fraction f1 and the 3 angles of Euler ((pl). , (h, (p2) of the S component, and the 3 Euler angles 4'1, (h ', (p'2) of the tin component whose volume fraction is f2 = 1- f1. the results of the identifications, other combinations of texture 4, texture 5, ..., may be used The principle of obtaining an extended test base from a reduced test base is shown schematically in the figure 1. In this figure, reduced mechanical test basis represents the actual tests on the material, where such tests are sufficiently numerous, for example simple tensile tests every 15 in the plane of a sheet, a simple interpolation between these tests. tests, on the right of the diagram, makes it possible to generate intermediate tests, for example all 5, which are added to the reduced base to form a first version of an extensive mechanical test base. In the opposite case, and especially when it is necessary to extrapolate outside the field covered by the reduced base, for example to generate biaxial tensile tests or shear tests, a finite element model (EF) of an aggregate is used. The first step consists of generating the geometry of the aggregate, for example by constructing an aggregate consisting of cubic finite elements as in FIG. 2. In a second step, a crystalline orientation is affected. at each point of calculation of the finite elements, by distributing the orientations of the complete experimental texture of the material. The behavior of the material in all these calculation points is that of a crystalline model, whose parameters are initialized in a third step. The finite element calculation software is then able to calculate the response of the polycrystalline aggregate to all the mechanical stresses corresponding to the real tests of the reduced base. In a fourth step, the results of these calculations are compared to the results of the tests by an optimization software, in an iterative process which leads in a fifth step to the determination of the parameters of the crystalline model. In a sixth step, the aggregate model thus determined is used in the finite element software with new mechanical stresses, corresponding, for example, to biaxial traction or shearing if these are the target conditions. In a seventh step, the results of these calculations are added to the test database to form the extended base of mechanical tests.
La figure 2 montre un exemple de modèle en éléments finis d'un agrégat polycristallin mentionné à la figure 1. Il s'agit ici d'un modèle simple constitué de 6x6x6 = 216 éléments finis cubiques, orientés suivant les directions (X1, X2, X3) = (L, T, S) = (RD, TD, ND) d'une tôle laminée. Dans chaque élément fini, le comportement cristallin du matériau est identique. FIG. 2 shows an example of a finite element model of a polycrystalline aggregate mentioned in FIG. 1. This is a simple model consisting of 6 × 6 × 6 = 216 cubic finite elements oriented along the directions (X 1, X 2, X3) = (L, T, S) = (RD, TD, ND) of a rolled sheet. In each finite element, the crystalline behavior of the material is identical.
Par contre une orientation cristalline différente est affectée à chaque élément fini. Par exemple, à partir de la texture expérimentale discrétisée en N = 216 orientations ((pl, (1), 92) de fractions volumiques identiques f = 1/216, des orientations sont tirées de façon aléatoire et affectées dans un ordre prédéfini aux éléments de la figure 2. Si N est différent de 216 et si les fractions volumiques f ne sont pas uniformément égales à 1/216, des méthodes connues permettent de représenter au mieux la texture expérimentale. Si par exemple le but est de générer des essais de traction simple dans une direction située dans le plan LT et faisant un angle 0 avec la - 22 - direction L = RD, comme représenté sur la figure 2, on impose de façon connue sur les 6 faces du cube des "conditions aux limites" correspondant à ces essais. Par exemple, on peut imposer des conditions aux limites homogènes correspondant aux tenseurs macroscopiques des vitesses de déformation É et de rotation S2. D'autres types de conditions aux limites, comme par exemple les conditions périodiques, peuvent être imposées. L'homme du métier choisira ces conditions en fonction des possibilités des logiciels de calcul par éléments finis dont il dispose. Comme l'objectif de ces calculs n'est pas de déterminer les valeurs locales microscopiques des variables mais de calculer les courbes macroscopiques, et uniquement en relatif d'un essai à un autre essai, les résultats dépendent peu du type de conditions aux limites imposées. Par exemple, les seuls paramètres du modèle d'agrégat, à savoir les paramètres du modèle cristallin, sont identifiés sur des essais de traction simple dans les directions 0= 0 , 45 et 90 au moyen d'un logiciel d'optimisation. Les données expérimentales sont les courbes contrainte-déformation 06H et les courbes E33-e22 reliant les déformations transversales. Le logiciel d'optimisation utilise des méthodes d'identification des paramètres connues en elles-mêmes. Le logiciel commande le calcul par éléments finis du modèle d'agrégat sur les mêmes essais, et compare les courbes simulées aux courbes expérimentales. En fonction de l'écart entre les résultats expérimentaux et les résultats calculés, le logiciel calcule de nouvelles valeurs pour les paramètres, et enfin reproduit ce processus jusqu'à ce que les écarts entre les résultats expérimentaux et les résultats simulés soient inférieurs à une valeur définie à l'avance. Le modèle d'agrégat polycristallin est ensuite utilisé pour générer les courbes 6ä -En et 33 -E22 correspondant par exemple à des essais de traction simple dans les directions 0= 15 , 30 , 60 et 75 . Les figures 3a et 3b montrent un modèle d'agrégat 18x18x18 plus raffiné que le modèle simple 6x6x6 de la figure 2. De façon connue par ailleurs, un modèle géométrique de la morphologie des grains du matériau est d'abord établi, comme celui de la figure 3a qui comporte 447 grains. Un maillage régulier est ensuite appliqué sur le modèle géométrique comme le montre la figure 3b qui comporte 18x18x18 = 5832 éléments finis. Les points de calcul de chaque élément fini, au nombre de 2x2x2 = 8 ou - 23 - 3x3x3 = 27 par exemple, sont ainsi affectés individuellement à une orientation cristalline, celle du grain auquel ils appartiennent. Les conditions aux limites sont imposées aux 6 faces du cube de la même façon que pour l'agrégat simple de la figure 2. Le calcul du modèle raffiné d'agrégat est beaucoup plus long que celui du modèle simple, et son usage sera réservé aux situations dans lesquelles la morphologie des grains est essentielle et les déformations petites. Dans les situations habituelles, les résultats macroscopiques diffèrent peu entre les agrégats simples et raffinés. La démarche d'identification du modèle polycristallin réduit est schématisée sur la figure 4. Dans une première étape, dite d'initialisation, des valeurs sont données aux paramètres du modèle cristallin et du modèle de changement d'échelle, et le cas échéant à d'autres modèles, qui font partie du modèle polycristallin. Dans cette étape d'initialisation, plusieurs textures réduites sont choisies, en combinant des composantes de texture connues ou déterminées à partir de la texture expérimentale complète du matériau. Le logiciel de calcul par éléments finis est alors à même de calculer la réponse du modèle polycristallin réduit à toutes les sollicitations mécaniques correspondant aux essais de la base étendue d'essais mécaniques. Dans une seconde étape, les résultats de ces calculs sont comparés aux résultats des essais par un logiciel d'optimisation, dans un processus itératif qui conduit dans une troisième étape à la détermination de la meilleure texture réduite et des paramètres du modèle polycristallin réduit. Dans une quatrième étape, le modèle ainsi déterminé est utilisé dans le module matériaux d'un logiciel éléments finis, pour le calcul d'objets industriels. On va maintenant illustrer cette démarche sur l'exemple concret d'une tôle en alliage d'aluminium 2090-T3 laminée à froid d'épaisseur égale à 1,6 mm. La texture cristallographique de cette tôle est représentée sur la figure 5 sous la forme d'une figure de pôles discrétisée. De façon connue, le pôle associé à une direction dans l'espace définie par un vecteur unité n= (n,,n2,n3) est la projection de l'extrémité de ce vecteur sur le plan X3 =1 depuis le centre de projection (X,,X2,X3)= (0,0,û1). Si n3 < 0 , c'est le point équivalent (ûn,,ûn2,ûn3) qui est projeté, de sorte que tous les pôles sont situés dans un cercle de rayon 2 dans le plan de projection. Par - 24 - convention, une homothétie de centre (0,0) et de rapport 1/2 dans le plan de projection réduit le rayon de ce cercle à 1, et une rotation de -90 est appliquée de sorte que la direction X1 de ce plan est orientée vers le bas et la direction X2 vers la droite, comme sur la figure 5 où (X1, X2) = (RD, TD). On the other hand, a different crystalline orientation is assigned to each finite element. For example, from the experimental texture discretized in N = 216 orientations ((pl, (1), 92) of identical volume fractions f = 1/216, orientations are drawn randomly and assigned in a predefined order to the elements If N is different from 216 and if the volume fractions f are not uniformly equal to 1/216, we can use known methods to better represent the experimental texture, for example if the aim is to generate simple traction in a direction in the plane LT and making an angle 0 with the direction L = RD, as shown in Figure 2, is imposed in known manner on the 6 faces of the cube "boundary conditions" corresponding For example, one can impose homogeneous boundary conditions corresponding to the macroscopic tensors of strain rates E and rotation S 2. Other types of boundary conditions, such as Periodic requirements may be imposed. Those skilled in the art will choose these conditions according to the possibilities of the finite element calculation software available to them. Since the purpose of these calculations is not to determine the local microscopic values of the variables but to calculate the macroscopic curves, and only in relative terms from one test to another, the results depend little on the type of boundary conditions imposed. . For example, the only parameters of the aggregate model, namely the parameters of the crystal model, are identified on simple tensile tests in the 0 = 0, 45 and 90 directions using optimization software. The experimental data are the stress-strain curves 06H and the curves E33-e22 connecting the transverse deformations. The optimization software uses methods for identifying known parameters in themselves. The software controls the finite element calculation of the aggregate model on the same tests, and compares the simulated curves with the experimental curves. Based on the difference between the experimental results and the calculated results, the software calculates new values for the parameters, and then replicates this process until the differences between the experimental results and the simulated results are less than a value. defined in advance. The polycrystalline aggregate model is then used to generate curves 6a -En and 33 -E22 corresponding for example to simple tensile tests in directions 0 = 15, 30, 60 and 75. FIGS. 3a and 3b show a more refined 18x18x18 aggregate model than the simple 6x6x6 model of FIG. 2. In a manner known moreover, a geometric model of the grain morphology of the material is first established, such as that of the Figure 3a which comprises 447 grains. A regular mesh is then applied to the geometric model as shown in Figure 3b which has 18x18x18 = 5832 finite elements. The calculation points of each finite element, in the number of 2x2x2 = 8 or - 23 - 3x3x3 = 27 for example, are thus individually assigned to a crystalline orientation, that of the grain to which they belong. The boundary conditions are imposed on the 6 faces of the cube in the same way as for the simple aggregate of Figure 2. The calculation of the refined model of aggregate is much longer than that of the simple model, and its use will be reserved for situations in which grain morphology is essential and small deformations. In usual situations, macroscopic results differ little between simple and refined aggregates. The identification procedure of the reduced polycrystalline model is shown diagrammatically in FIG. 4. In a first step, called initialization, values are given to the parameters of the crystalline model and of the scale-change model, and if necessary to other models, which are part of the polycrystalline model. In this initialization step, several reduced textures are chosen, by combining known or determined texture components from the complete experimental texture of the material. The finite element calculation software is then able to calculate the response of the reduced polycrystalline model to all the mechanical stresses corresponding to the tests of the extended mechanical test base. In a second step, the results of these calculations are compared to the results of the tests by optimization software, in an iterative process which leads in a third step to the determination of the best reduced texture and reduced polycrystalline model parameters. In a fourth step, the model thus determined is used in the materials module of a finite element software, for the calculation of industrial objects. We will now illustrate this approach on the concrete example of a sheet of 2090-T3 cold-rolled aluminum alloy with a thickness of 1.6 mm. The crystallographic texture of this sheet is shown in FIG. 5 in the form of a discretized pole figure. In known manner, the pole associated with a direction in space defined by a unit vector n = (n ,, n2, n3) is the projection of the end of this vector on the plane X3 = 1 from the projection center (X1, X2, X3) = (0.0, u1). If n3 <0, it is the equivalent point (ûn ,, ûn2, ûn3) that is projected, so that all the poles are located in a circle of radius 2 in the projection plane. By convention, a homothety of center (0,0) and ratio 1/2 in the plane of projection reduces the radius of this circle to 1, and a rotation of -90 is applied so that the direction X1 of this plane is oriented downwards and the direction X2 to the right, as in FIG. 5 where (X1, X2) = (RD, TD).
Les coordonnées du pôle sont alors X; = n2 /(1 + n3) et Xz = -n1 /0+ n3). Pour une orientation cristalline définie par son repère local microscopique (xi, x2, x3), les 3 pôles {100}, {010} et {001} sont les pôles des directions x,, x2 et x3. Ce sont les pôles dits "{100}". Dans le cas d'une structure cristallographique cubique à faces centrées, les normales 10 aux plans de glissement (1,1,1), (1,-1,1), (-1,1,1) et (1,1,-1) donnent les 4 pôles dits "{111}". Une orientation cristalline peut être définie de façon équivalente par ses pôles {100} ou par ses pôles {111}. Sur la figure 5, la texture discrétisée de la tôle en aluminium 2090-T3 est définie par les pôles {111}, chaque orientation cristalline correspondant à un groupe de 4 points. 15 Les courbes expérimentales 611- e11 et e33 -E22 sont disponibles sur la tôle en aluminium 2090-T3 tous les 15 , c'est-à-dire pour 0= 0 , 15 , 30 , 45 , 60 , 75 et 90 . Ce sont ces courbes qui ont été utilisées tout d'abord dans le logiciel d'optimisation. Comme on ne disposait que de valeurs initiales du rapport de Lankford r, qui est le rapport des vitesses de 20 déformation r = è22 /è33, les courbes e3, -E22 ont été "reconstruites" en supposant le rapport r constant au cours du chargement. En réalité le rapport r évolue au cours du chargement, et c'est l'un des avantages des modèles polycristallins de pouvoir représenter cette évolution. Pour déterminer les paramètres du "modèle polycristallin réduit", il 25 faut fournir au logiciel d'optimisation des valeurs initiales de ces paramètres. Pour ce qui est des paramètres de texture, différents jeux de paramètres initiaux dits "texture 1", "texture 2", "texture 3", ... sont essayés, comme expliqué auparavant. Ces jeux combinent les composantes de texture Etain, S, Cube, Cube45 et des composantes supplémentaires déduites de la figure 30 de pôles 5, par exemple (31.66 , 54.04 , 82.29 ) et (90 , 33.40 , 45 ). Après un certain nombre de calculs d'identification des paramètres, une texture à 8 grains de représentation donne les meilleurs résultats. Les paramètres optimisés de cette texture sont donnés dans le tableau 1. - 25 - Compte tenu de la symétrie orthotrope, chaque triplet d'angles d'Euler correspond à 4 grains de représentation. The coordinates of the pole are then X; = n2 / (1 + n3) and Xz = -n1 / 0 + n3). For a crystalline orientation defined by its microscopic local coordinate system (xi, x2, x3), the 3 poles {100}, {010} and {001} are the poles of the directions x ,, x2 and x3. These are the so-called "{100}" poles. In the case of a cubic face-centered crystallographic structure, the normals 10 at the sliding planes (1,1,1), (1,1,1,1), (-1,1,1) and (1,1,1) , -1) give the 4 poles called "{111}". A crystalline orientation can be defined equivalently by its poles {100} or by its poles {111}. In Figure 5, the discretized texture of the aluminum sheet 2090-T3 is defined by the poles {111}, each crystalline orientation corresponding to a group of 4 points. Experimental curves 611-e11 and e33 -E22 are available on aluminum sheet 2090-T3 every 15, i.e. for 0 = 0, 15, 30, 45, 60, 75 and 90. These curves were used first in the optimization software. Since only initial values of the Lankford ratio r, which is the ratio of the strain rates r = ε22 / ε33, were available, the curves e3, -E22 were "reconstructed" assuming the ratio r constant during the loading. . In reality, the ratio r evolves during loading, and it is one of the advantages of polycrystalline models to be able to represent this evolution. In order to determine the parameters of the "reduced polycrystalline model", it is necessary to provide the optimization software with initial values of these parameters. As for the texture parameters, different sets of initial parameters called "texture 1", "texture 2", "texture 3", ... are tried, as explained above. These sets combine the Etain, S, Cube, Cube45 texture components and additional components deduced from Figure 30 of Poles 5, for example (31.66, 54.04, 82.29) and (90, 33.40, 45). After a number of parameter identification calculations, an 8-grain texture of representation gives the best results. The optimized parameters of this texture are given in Table 1. Given the orthotropic symmetry, each triplet of angles of Euler corresponds to 4 grains of representation.
Tableau 1. Paramètres de texture correspondant à la figure 6. f 39.460 67.252 87.065 0.15334 79.146 40.124 23.825 0.09666 Les résultats obtenus avec le modèle identifié, courbe 61, sont comparés aux essais, courbe 62, sur la figure 6 qui donne une représentation de l'évolution, tous les 15 , du rapport de Lankford r en fonction de l'angle de traction simple dans le plan LT. Pour obtenir une Table 1. Texture parameters corresponding to FIG. 6. f 39.460 67.252 87.065 0.15334 79.146 40.124 23.825 0.09666 The results obtained with the identified model, curve 61, are compared with the tests, curve 62, in FIG. 6 which gives a representation of the evolution, every 15, of the Lankford ratio r as a function of the simple traction angle in the LT plane. To obtain a
figure synthétique, on a calculé le rapport de Lankford "sécant" entre les déformations 611 = 0.015 et 611 = 0.065, c'est-à-dire : r = 627611 = 0.065)- 622 (El l = 0.015) E 18) 33 16u = 0.065)- c33 \sl l = 0.015) ( q. Ce rapport est la pente de la courbe reliant 622 et 633 si cette courbe est linéaire entre 611 = 0.015 et 611 = 0.065. Le modèle polycristallin réduit synthetic figure, we calculated the Lankford "secant" ratio between deformations 611 = 0.015 and 611 = 0.065, ie: r = 627611 = 0.065) - 622 (El 1 = 0.015) E 18) 33 16u = 0.065) - c33 \ sl l = 0.015) (q) This ratio is the slope of the curve connecting 622 and 633 if this curve is linear between 611 = 0.015 and 611 = 0.065 The reduced polycrystalline model
identifié est en assez bon accord avec les essais. Les écarts observés à 0 = 15 , 30 et 45 sont acceptables, l'essentiel est de reproduire les deux minimums à 0 et 75 et les deux maximums à 45 et 90 , car ce sont eux qui vont déterminer par exemple la position angulaire et l'amplitude des cornes d'emboutissage obtenues lors d'une opération d'emboutissage d'une identified is in fairly good agreement with the tests. The differences observed at 0 = 15, 30 and 45 are acceptable, the essential thing is to reproduce the two minimums at 0 and 75 and the two maximums at 45 and 90, because they are the ones who will determine for example the angular position and the amplitude of the stamping horns obtained during a stamping operation of a
tôle circulaire pour obtenir un godet, et ce sont ces cornes d'emboutissage qui entraînent des pertes de matière et des coûts d'usinage ainsi que des irrégularités dans l'épaisseur du produit fini. Le modèle polycristallin réduit identifié semble prêt pour le calcul de pièces industrielles, comme schématisé sur la figure 4. circular sheet to obtain a bucket, and it is these stamping horns that cause material losses and machining costs as well as irregularities in the thickness of the finished product. The reduced polycrystalline model identified seems ready for the calculation of industrial parts, as shown schematically in Figure 4.
Cependant, si on simule avec le modèle ainsi identifié des essais de traction simple pour des angles 0 intermédiaires, on obtient l'évolution, tous les 5 , des rapports de Lankford sécants montrés sur la figure 7, où la courbe 71 représente les résultas obtenus avec le modèle polycristallin identifié, et la courbe 72 représente les résultats obtenus avec les essais. However, if one simulates with the model thus identified simple tensile tests for intermediate angles 0, one obtains the evolution, every 5, of the secant Lankford ratios shown in FIG. 7, where the curve 71 represents the results obtained. with the polycrystalline model identified, and curve 72 represents the results obtained with the tests.
Les fortes variations de ce rapport, entre 15 et 30 par exemple, ne sont - 26 - pas acceptables pour un calcul de structures par éléments finis. Ces variations s'expliquent par le fait que le rapport de Lankford est obtenu par dérivation, car c'est un rapport de vitesses de déformation, il est donc beaucoup plus sensible que les contraintes aux changements de direction de la sollicitation mécanique, en particulier pour les modèles polycristallins réduits. Une des originalités du procédé est de reconnaître cette difficulté et d'étendre la base expérimentale pour y remédier. Dans l'exemple de la tôle en aluminium 2090-T3, une simple interpolation entre les valeurs tous les 15 a donné des valeurs tous les 5 montrées sur la figure 8, la courbe 82 montrant les résultats des essais réels et théoriques. Mais lorsque la base de données initiale n'est pas aussi riche, le recours aux calculs d'agrégats polycristallins, tel que montré en figure 1, est indispensable pour étendre cette base, car par exemple le minimum à 750 de la courbe expérimentale de la figure 6 ne peut pas être obtenu par interpolation à partir des valeurs à 0 , 45 et 90 seulement. La détermination de la texture réduite et des autres paramètres du modèle a donc été reprise sur la base expérimentale étendue. Des optimisations avec 8 ou 10 grains de représentation montrent qu'une des composantes à 4 grains de représentation tend à être éliminée, c'est-à-dire que sa fraction volumique tend vers 0, ou bien que les pôles se regroupent autour de la composante Cube, ce qui revient au même puisquela composante Cube est déjà présente. La texture réduite optimisée se réduit à une composante à 4 grains de représentation proche de la composante de texture S et aux composantes à 1 grain de représentation Cube et Cube45, soit 6 grains de représentation en tout. La suppression du grain de représentation Cube45 ne dégrade pas les résultats, on aboutit donc à une texture optimisée à seulement 5 grains de représentation définie par les paramètres du tableau 2. Les autres paramètres du modèle sont ceux des équations (5) à (13). Leurs valeurs optimisées sont données dans les tableaux 3 et 4. Les paramètres d'élasticité E et v et de viscosité n et K ne sont pas optimisés, car les données expérimentales ne le permettent pas. -27- Tableau 2. Paramètres de texture correspondant aux figures 8 et 9. ~2 f 68.3112 27.5545 55.7647 0.2013 0. 0. 0. 0.1947 Tableau 3. Paramètres correspondant aux figures 8 et 9. E (MPa) v n K (MPa) 70000. 0.3 25. 20. Ro (MPa) Q (MPa) b C (MPa) D 84.9002 59.7546 5.1171 25269. 174.7983 Tableau 4. Paramètres de la matrice d'écrouissage correspondant aux figures 8 et 9. h1 h2 h3 h4 h5 h6 1.0000 0.3686 1.0568 0.6841 0.4495 0.4013 Les résultats du modèle identifié sont comparés aux essais sur les figures 8 et 9. Sur ces figures les courbes 81 et 91 représentent les résultats obtenus avec le modèle polycristallin identifié et les courbes 82 et 92 représentent les résultats obtenus avec les essais. Pour obtenir une figure synthétique, une déformation sil = 0.04 a été choisie pour représenter les niveaux de contrainte de la figure 9. Les courbes expérimentales 82 et 92 et les courbes du modèle 81 et 91 sont très proches, l'écart en contrainte ne dépasse pas 4%. Il est important de noter que ce n'est pas seulement la texture qui confère au matériau son comportement anisotrope, mais également les paramètres de la matrice d'écrouissage h1 à h6. Il est indispensable d'optimiser les paramètres de cette matrice, alors que dans la littérature scientifique ils sont souvent fixés a priori. Par contre le modèle de localisation des équations (8) à (10) est isotrope, ce qui n'est pas cohérent avec le reste du modèle polycristallin par 25 nature anisotrope. Pour améliorer les résultats du modèle polycristallin - 28 - réduit, il faut remplacer le modèle de localisation isotrope par un modèle de localisation anisotrope, en remplaçant les 2 paramètres scalaires C et D du modèle isotrope par 2 tenseurs d'ordre 4, C et D. Dans le cas d'un matériau initialement orthotrope, comme une tôle laminée, chacun de ces 2 tenseurs s'exprime en fonction de 10 paramètres scalaires. Dans le cas général, chacun de ces 2 tenseurs s'exprime en fonction de 34 paramètres scalaires. Si on utilise la notation de Voigt pour les tenseurs d'ordre 2 symétriques : 611 /612 /323 /312 /322 331 /323 /331 //633 _ - Q = [fi /622 /333 /312 / 23 /331 f (Eq. 19) les expressions scalaires C(Bûf ) et D/3 des équations (8) et (10) ù =x =x deviennent des expressions tensorielles notées : C:(B-fi)-*C.(B-/3) et D:--> D.a (Eq.20) où les tenseurs C et D d'ordre 2 ont la forme suivante dans le cas 15 orthotrope : The large variations in this ratio, for example between 15 and 30, are not acceptable for finite element structure calculation. These variations are explained by the fact that the Lankford ratio is obtained by derivation, because it is a ratio of deformation velocities, it is therefore much more sensitive than the constraints to the changes of direction of the mechanical stress, in particular for reduced polycrystalline models. One of the originalities of the process is to recognize this difficulty and to extend the experimental base to remedy it. In the example of the 2090-T3 aluminum sheet, a simple interpolation between the values every 15 gave values every 5 shown in Fig. 8, curve 82 showing the results of the real and theoretical tests. But when the initial database is not as rich, the use of polycrystalline aggregate calculations, as shown in Figure 1, is essential to extend this base, because for example the minimum of 750 of the experimental curve of the Figure 6 can not be obtained by interpolation from values at 0, 45 and 90 only. The determination of the reduced texture and other parameters of the model was therefore taken up on the extended experimental basis. Optimizations with 8 or 10 grains of representation show that one of the components with 4 grains of representation tends to be eliminated, that is to say that its volume fraction tends towards 0, or that the poles regroup around the Cube component, which is the same since the Cube component is already present. The optimized reduced texture is reduced to a component with 4 grains of representation close to the texture component S and to the components with 1 grain of representation Cube and Cube45, that is 6 grains of representation in all. The suppression of the Cube45 representation grain does not degrade the results, so we arrive at an optimized texture with only 5 grains of representation defined by the parameters of Table 2. The other parameters of the model are those of equations (5) to (13) . Their optimized values are given in Tables 3 and 4. The elasticity parameters E and V and viscosity n and K are not optimized because the experimental data do not allow it. -27- Table 2. Texture parameters corresponding to Figures 8 and 9. ~ 2 f 68.3112 27.5545 55.7647 0.2013 0. 0. 0. 0.1947 Table 3. Parameters corresponding to Figures 8 and 9. E (MPa) vn K (MPa) 70000. 0.3 25. 20. Ro (MPa) Q (MPa) b C (MPa) D 84.9002 59.7546 5.1171 25269. 174.7983 Table 4. Parameters of the work hardening matrix corresponding to FIGS. 8 and 9. h1 h2 h3 h4 h5 h6 1.0000 0.3686 1.0568 0.6841 0.4495 0.4013 The results of the identified model are compared with the tests in Figures 8 and 9. In these figures the curves 81 and 91 represent the results obtained with the identified polycrystalline model and the curves 82 and 92 represent the results obtained with attempts. To obtain a synthetic figure, a deformation sil = 0.04 was chosen to represent the stress levels of figure 9. The experimental curves 82 and 92 and the curves of the model 81 and 91 are very close, the stress deviation does not exceed not 4%. It is important to note that it is not only the texture that gives the material its anisotropic behavior, but also the parameters of the work hardening matrix h1 to h6. It is essential to optimize the parameters of this matrix, whereas in the scientific literature they are often set a priori. On the other hand, the localization model of equations (8) to (10) is isotropic, which is not coherent with the rest of the polycrystalline model, which is anisotropic in nature. To improve the results of the reduced polycrystalline model, the isotropic localization model must be replaced by an anisotropic localization model, replacing the 2 scalar parameters C and D of the isotropic model with 2 order 4, C and D tensors. In the case of an initially orthotropic material, such as a rolled sheet, each of these 2 tensors is expressed as a function of 10 scalar parameters. In the general case, each of these 2 tensors is expressed as a function of 34 scalar parameters. If the Voigt notation is used for symmetric 2-order tensors: 611/612/323/312/322 331/323/331 // 633 _ - Q = [fi / 622/333/312/23/331 e (Eq 19) the scalar expressions C (Buf) and D / 3 of equations (8) and (10) ù = x = x become tensor expressions noted: C: (B-fi) - * C (B- / 3) and D: -> Da (Eq.20) where the second order C and D tensors have the following form in the orthotropic case:
rcll c12 c13 O O O C21 C22 C23 O O O C31 C32 C33 0 0 0 G = 0 0 0 C44 0 0 0 0 0 0 c55 0 0 0 0 0 0 C66 / C13 C21 C23 C31 C32 C33 0 0 0 G = 0 0 0 C44 0 0 0 0 0 0 c55 0 0 0 0 0 0 C66
L'incompressibilité de la déformation plastique fait que les tenseurs C et D relient des vecteurs tels que +,622 +f'33 = 0. Il s'ensuit que les 12 paramètres de l'équation (21) vérifient les 2 relations : The incompressibility of the plastic strain makes that the tensors C and D connect vectors such that +, 622 + f'33 = 0. It follows that the 12 parameters of equation (21) satisfy the 2 relations:
20 C11 + C21 + C31 = Cl2 +C22 + C32 = CI3 + C23 +C33 (Eq. 22) C11 + C21 + C31 = Cl2 + C22 + C32 = Cl3 + C23 + C33 (Eq.22)
Il reste donc 10 paramètres à déterminer pour chacun des tenseurs C et D. Pour des raisons théoriques, les paramètres du tenseur C doivent être de l'ordre de grandeur du module de cisaillement du matériau ,u=El(]+v)/2. (Eq. 21) - 29 - L'optimisation du modèle polycristallin réduit au moyen des 10+10-2=18 paramètres d'anisotropie supplémentaires devrait permettre de rapprocher les courbes 81 et 91, obtenues avec le modèle polycristallin réduit déterminé grâce au procédé selon l'invention, des courbes expérimentales 82 et 92. Mais le procédé est tributaire des modèles et des logiciels utilisés, et pour l'exemple présenté seul un modèle de localisation isotrope était disponible. Les prédictions du modèle polycristallin réduit avec les paramètres optimisés des tableaux 2 à 4 ont également été calculées pour des essais de traction simple tous les 5 dans les plans LS et TS de la tôle. Les courbes obtenues, non représentées ici, ne présentent pas de variations brutales, ce qui est satisfaisant. Les essais de traction dans les plans LS et TS d'une tôle mince (1,6 mm pour la tôle en aluminium 2090-T3) sont impossibles à réaliser. Il faut des calculs d'agrégats pour générer ces données expérimentales. Dans les opérations d'emboutissage d'une tôle mince, les contraintes sont principalement dans le plan LT de la tôle et seules les propriétés d'anisotropie dans ce plan sont importantes. L'exemple de la tôle en aluminium 2090-T3 se limite donc aux propriétés dans le plan LT, mais le procédé n'est aucunement limité à ce plan. There remain 10 parameters to be determined for each of the tensors C and D. For theoretical reasons, the parameters of the tensor C must be of the order of magnitude of the shear modulus of the material, u = El (] + v) / 2 . (Eq.21) - The optimization of the polycrystalline model reduced by means of the 10 + 10-2 = 18 additional anisotropy parameters should allow the curves 81 and 91, obtained with the reduced polycrystalline model determined by the method, to be brought closer together according to the invention, experimental curves 82 and 92. But the method is dependent on the models and software used, and for the example presented only an isotropic localization model was available. Predictions of the reduced polycrystalline model with the optimized parameters of Tables 2 to 4 were also calculated for simple tensile tests every 5 in the LS and TS planes of the plate. The curves obtained, not shown here, do not show sudden variations, which is satisfactory. The tensile tests in the LS and TS planes of a thin sheet (1.6 mm for the 2090-T3 aluminum sheet) are impossible to achieve. Aggregate calculations are needed to generate these experimental data. In the operations of stamping a thin sheet, the stresses are mainly in the plane LT of the sheet and only the properties of anisotropy in this plane are important. The example of the aluminum sheet 2090-T3 is therefore limited to the properties in the LT plane, but the method is in no way limited to this plane.
L'optimisation du "modèle polycristallin réduit" sur des données expérimentales tous les 5 a montré l'intérêt d'une texture réduite à 5 grains de représentation comme celle du tableau 2. Cette information étant maintenant connue, il est possible de déterminer de nouveau les paramètres du modèle sur des données expérimentales tous les 15 seulement. La texture initiale pour l'optimisation est constituée des composantes de texture S et Cube. La figure 10 montre le rapport de Lankford r en fonction de l'angle de traction simple dans le plan LT. La courbe 101 montre les résultats obtenus expérimentalement et la courbe 102 montre les résultats obtenus avec le modèle polycristallin réduit déterminé grâce au procédé selon l'invention. Les courbes 101 et 102 montrent que le modèle polycristallin obtenu donne des résultats globalement aussi bons que ceux de la figure 8, quoiqu'un peu différents. Les paramètres des tableaux 5 à 7 sont différents des paramètres des tableaux 2 à 4, ce qui montre que 2 jeux différents des paramètres peuvent donner des résultats sensiblement -30 - équivalents. Le but du procédé et en particulier de sa démarche d'optimisation des paramètres n'est pas de donner des valeurs soi-disant physiques et intrinsèques aux paramètres, mais d'obtenir un modèle qui reproduit au mieux les données expérimentales. Tableau 5. Paramètres de texture correspondant à la figure 10. ça, 0 ~z f 69.2030 27.6300 54.7523 0.2067 0. 0. 0. 0.1731 Tableau 6. Paramètres correspondant à la figure 10. E (MPa) v n K (MPa) 70000. 0.3 25. 20. Ro (MPa) Q (MPa) b C (MPa) D 83.1778 120.8708 2.9603 29403. 197.1514 10 Tableau 7. Paramètres de la matrice d'écrouissage correspondant à la figure 10. hl h2 h3 h4 h5 h6 1.0000 0.2861 0.8268 2.4772 0.1835 0.1138 Avec 5 grains de représentation, initialement ceux des composantes de texture S et Cube, les paramètres ont de nouveau été déterminés avec 15 les données expérimentales à 0 , 15 et 90 seulement. Les meilleurs résultats d'optimisation des paramètres du modèle polycristallin sont montrés sur les figures 11 et 12, présentant les résultats obtenus expérimentalement 111 et 121 et les résultats obtenus avec le modèle polycristallin réduit 112 et 122. Les écarts avec les données expérimentales 20 sont nettement plus importants que sur les figures précédentes. Les formes des courbes, dues au choix des grains de représentation initiaux, ne changent pas, mais rien ne garantit que ces formes correspondent au matériau étudié car les points à 0 , 45 et 90 sont trop espacés pour permettre une interpolation fiable.5 - 31 - Les figures précédentes donnent sous une forme synthétique les résultats du procédé. En réalité, la comparaison des données expérimentales et des prévisions du modèle, par exemple dans des logiciels d'optimisation, est effectuée sur les courbes reliant les composantes des tenseurs de contrainte et de déformation. Les figures 13 et 14 montrent ces courbes pour les angles de traction simple à 0 , courbes 131 et 141, et à 45 , courbes 132 et 142, et le modèle identifié tous les 5 des figures 8 et 9, tableaux 2 à 4. L'angle 0 est représentatif d'un écart faible avec les points expérimentaux représentés sur les figures 13 et 14, l'angle 45 est représentatif d'un écart plus important. La figure de pôles {111} du modèle identifié tous les 5 , tableau 2, est montrée sur la figure 15. La simplicité de cette figure, comparée à la figure de pôles expérimentale de la figure 5, illustre la réduction en temps de calcul du modèle polycristallin réduit comparé aux modèles polycristallins à texture complète. Le but du procédé n'est pas de reproduire avec précision la texture expérimentale, cependant les pôles de la texture réduite identifiée se situent bien dans les zones de concentration de pôles de la texture expérimentale. Les pôles {111} du modèle polycristallin réduit identifié tous les 5 , tableau 2, et de la composante de texture S, sont comparés sur la figure 16. Les orientations sont proches, mais l'écart est suffisant pour faire la différence dans les prévisions du modèle. En effet, si on optimise sur la base étendue d'essais (tous les 5 ), les paramètres du modèle polycristallin avec les angles d'Euler de la texture S imposés et non optimisés (60 , 32 , 65 ), les fractions volumiques étant elles optimisées comme les autres paramètres, on obtient les courbes de la figure 17, la courbe 171 correspondant à aux résultats obtenus expérimentalement et la courbe 172 correspondant aux résultats obtenus avec le modèle polycristallin selon l'invention. La modification de la composante de texture S est indispensable pour obtenir de bonnes prédictions avec le modèle polycristallin réduit. Dans la littérature scientifique, un fond de texture isotrope est ajouté aux composantes de texture pour améliorer les prévisions des modèles polycristallins à petit nombre de composantes de texture à angles d'Euler - 32 - imposés. Grâce à la démarche de détermination des paramètres du procédé, ce fond isotrope est manifestement superflu. Dans l'exemple de l'alliage 2090-T3, les essais mécaniques utilisés pour la détermination des paramètres ne dépassent pas 10% de déformation (E11=0.1). La modélisation de l'évolution de la texture n'est pas indispensable pour déterminer les paramètres du modèle polycristallin réduit. Par contre, dans beaucoup d'applications industrielles, les déformations dépassent 20%. Il est alors nécessaire de modéliser l'évolution de la texture, ainsi que d'utiliser des logiciels de calcul en grandes déformations connus par ailleurs, aussi bien dans la méthodologie de détermination des paramètres du procédé que dans les calculs industriels. Dans les calculs d'optimisation des paramètres, si le chargement appliqué préserve la symétrie orthotrope de la texture réduite, par exemple une traction simple ou un laminage supplémentaire dans la direction L, certains grains de représentation à forte symétrie comme les grains de représentation Cube {0 , 0 , 0 ) ou Cube45 {0 , 45 , 0 } peuvent être dans une position stable et ne pas évoluer. Cette stabilité diminue l'évolution globale de la texture, car ces grains de représentation ont une fraction volumique importante. C'est une particularité du modèle polycristallin réduit. The optimization of the "reduced polycrystalline model" on experimental data every 5 has shown the interest of a texture reduced to 5 grains of representation like that of Table 2. This information being now known, it is possible to determine again model parameters on experimental data every 15 only. The initial texture for optimization consists of the S and Cube texture components. Figure 10 shows the Lankford ratio r as a function of the simple pull angle in the LT plane. Curve 101 shows the results obtained experimentally and curve 102 shows the results obtained with the reduced polycrystalline model determined by the method according to the invention. The curves 101 and 102 show that the polycrystalline model obtained gives results overall as good as those of FIG. 8, although slightly different. The parameters of Tables 5 to 7 are different from the parameters of Tables 2 to 4, which shows that 2 different sets of parameters can give substantially equivalent results. The purpose of the method and in particular of its parameter optimization approach is not to give so-called physical values intrinsic to the parameters, but to obtain a model that best reproduces the experimental data. Table 5. Texture parameters corresponding to Figure 10. This, 0 ~ zf 69.2030 27.6300 54.7523 0.2067 0. 0. 0. 0.1731 Table 6. Parameters corresponding to Figure 10. E (MPa) vn K (MPa) 70000. 0.3 25. 20. Ro (MPa) Q (MPa) b C (MPa) D 83.1778 120.8708 2.9603 29403. 197.1514 10 Table 7. Parameters of the work hardening matrix corresponding to Figure 10. hl h2 h3 h4 h5 h6 1.0000 0.2861 0.8268 2.4772 0.1835 0.1138 With 5 grains of representation, initially those of the S and Cube texture components, the parameters were again determined with experimental data at 0, 15 and 90 only. The best optimization results of the parameters of the polycrystalline model are shown in FIGS. 11 and 12, presenting the results obtained experimentally 111 and 121 and the results obtained with the reduced polycrystalline model 112 and 122. The differences with the experimental data are clearly more important than in the previous figures. The shapes of the curves, due to the choice of the initial representation grains, do not change, but there is no guarantee that these shapes correspond to the studied material because the points at 0, 45 and 90 are too far apart to allow a reliable interpolation.5 - 31 The preceding figures give in a synthetic form the results of the process. In reality, the comparison of experimental data and model forecasts, for example in optimization software, is performed on the curves connecting the components of strain and strain tensors. FIGS. 13 and 14 show these curves for the 0 simple draw angles, curves 131 and 141, and 45, curves 132 and 142, and the model identified every 5 of FIGS. 8 and 9, Tables 2 to 4. 0 is representative of a small deviation with the experimental points shown in Figures 13 and 14, the angle 45 is representative of a larger gap. The pole pattern {111} of the model identified every 5, Table 2, is shown in Figure 15. The simplicity of this figure, compared to the experimental pole figure of Figure 5, illustrates the reduction in computing time of the reduced polycrystalline model compared to full textured polycrystalline models. The purpose of the method is not to accurately reproduce the experimental texture, however the poles of the identified reduced texture are well within the concentration zones of the experimental texture poles. The poles {111} of the reduced polycrystalline model identified every 5, Table 2, and the texture component S, are compared in Figure 16. The orientations are close, but the difference is sufficient to make the difference in the forecasts of the model. Indeed, if one optimizes on the basis of extensive tests (all 5), the parameters of the polycrystalline model with the Euler angles of the texture S imposed and not optimized (60, 32, 65), the voluminal fractions being they are optimized like the other parameters, the curves of FIG. 17 are obtained, the curve 171 corresponding to the results obtained experimentally and the curve 172 corresponding to the results obtained with the polycrystalline model according to the invention. The modification of the texture component S is essential to obtain good predictions with the reduced polycrystalline model. In the scientific literature, an isotropic texture background is added to the texture components to improve the predictions of polycrystalline models with small number of texture components at imposed Euler angles. Thanks to the method of determination of the process parameters, this isotropic bottom is obviously superfluous. In the example of alloy 2090-T3, the mechanical tests used for the determination of the parameters do not exceed 10% of strain (E11 = 0.1). The modeling of the evolution of the texture is not essential to determine the parameters of the reduced polycrystalline model. On the other hand, in many industrial applications, deformations exceed 20%. It is then necessary to model the evolution of the texture, as well as to use computation software in large deformations known elsewhere, as well in the methodology of determination of the parameters of the process as in the industrial calculations. In parameter optimization calculations, if the applied loading preserves the orthotropic symmetry of the reduced texture, for example a simple pull or an additional lamination in the L direction, some highly symmetrical representation grains such as the Cube representation grains { 0, 0, 0) or Cube45 {0, 45, 0} can be in a stable position and not evolve. This stability reduces the overall evolution of the texture, because these grains of representation have a large volume fraction. This is a peculiarity of the reduced polycrystalline model.
Pour y remédier, il suffit dans les calculs d'optimisation de dissocier ces grains de représentation, par exemple en remplaçant le grain de représentation Cube par 4 grains de représentation {0 , 0.1 , 0 }, {0 , -0.1 , 0 }, {0.1 , 0 , 0 ) et {-0.1 , 0 , 0 }, ayant chacun une fraction volumique égale au 1/4 de la fraction volumique du grain de représentation Cube initial. Ces 4 grains de représentation ne sont pas stables et évolueront de façon divergente en préservant la symétrie orthotrope de la texture tant que le chargement respecte lui-même cette symétrie. Dans les calculs par éléments finis d'essais mécaniques ou de structures industrielles, cette précaution n'est pas nécessaire car aucun point de calcul n'a un chargement parfaitement symétrique, à l'exception par exemple d'éprouvettes en traction simple, qui ne sont généralement pas calculées par éléments finis mais considérées comme un unique point matériel. Grâce au procédé schématisé sur les figures 1 et 4, nous avons obtenu un modèle polycristallin réduit apte à bien représenter le - 33 -comportement d'un matériau. Ce modèle permet de calculer l'effet de sollicitations mécaniques sur un objet, mais pour cela il doit être intégré à un modèle de calcul par éléments finis. Avec ce modèle, il est alors possible de calculer l'évolution, entre un instant 0 et un instant t, des propriétés du matériau dont est constitué l'objet pour lequel on fait l'étude des contraintes et des déformations à l'état macroscopique. Le procédé qui vient d'être décrit fait appel à des modèles visco-plastiques, mais l'homme du métier pourra utiliser tout modèle de comportement anélastique compatible avec un modèle polycristallin conforme à l'invention et notamment, les comportements en fluage et en fatigue fluage. A titre d'exemple, le "modèle polycristallin réduit" de l'alliage d'aluminium 2090-T3 établi selon l'invention va maintenant être utilisé dans un modèle de calcul par éléments finis d'une opération de poinçonnement d'une tôle mince. Suivant le schéma de la figure 4, le module matériaux d'un logiciel commercial de calcul par éléments finis est utilisé, sans y apporter aucune modification. Ce module comporte un modèle polycristallin classique pour les matériaux de structure cristalline cubique à faces centrées. L'algorithme d'intégration du modèle de comportement à chaque point de calcul est du type Runge-Kutta, connu par ailleurs. Des algorithmes plus stables comme les algorithmes implicites peuvent être utilisés pour le modèle polycristallin réduit, compte tenu du petit nombre de variables de ce modèle, mais dans le logiciel utilisé ces algorithmes n'existent pas pour le modèle polycristallin. Le maillage en éléments finis de l'opération de poinçonnement d'une tôle est représenté sur la figure 18. Pour des raisons de clarté, seul le quart du dispositif est représenté. La tôle 181 de 0.6 rnm d'épaisseur est fixée sur une pièce 182 comportant un orifice circulaire de 24 mm de diamètre et le poinçon 183 de 20 mm de diamètre est enfoncé progressivement pour déformer la tôle. Le coefficient de frottement entre les pièces est pris égal à 0.2. Dans le calcul par éléments finis, l'ensemble des 3 pièces est modélisé par 2460 éléments et 3567 noeuds. La tôle 181 comporte 4 éléments finis dans son épaisseur. Compte tenu de la symétrie orthotrope du matériau, il est possible d'effectuer le calcul sur le 1/4 des pièces seulement, comme représenté sur la figure 18. Néanmoins, comme il s'agit d'un calcul de 34 - démonstration, cette possibilité n'a pas été utilisée. Les éléments finis sont des hexaèdres "c3d8" (6 faces et 8 noeuds) dans lesquels les déplacements sont des fonctions linéaires des coordonnées. Les éléments comportent chacun 8 points de calcul, c'est-à-dire 8 points d'intégration du modèle de comportement du matériau. Toutes ces caractéristiques sont classiques dans un logiciel de calcul par éléments finis et connues de l'homme du métier. L'opération de poinçonnement a été calculée avec les paramètres du modèle polycristallin réduit des tableaux 2, 3 et 4, entre les temps t = 0 et t = 5000 secondes correspondant à un déplacement du poinçon égal à 5 mm comme sur la figure 18. Les calculs ont été effectués avec les options grands déplacements et grandes déformations connues par ailleurs. Par contre, comme les déformations ne dépassent pas 20% dans la tôle 181, les calculs ont été effectués sans évolution de la texture. Les figures 19, 20 et 21 montrent les contraintes 611, 622 et 612. sur la face inférieure de la tôle à t = 5000 secondes. Les contraintes sont maximales dans la partie centrale de la tôle, soumise à un état de contrainte proche de la traction biaxiale 611 = 622. A titre de comparaison, l'opération de poinçonnement a également été calculée avec un modèle anisotrope macroscopique (Bron, F., Besson, J., 2004. A yield function for anisotropic materials, - Application to aluminum alloys. Int. J. Plasticity 20, 937-963). Les paramètres du modèle Bron-Besson ont été identifiés sur les mêmes points expérimentaux 611-E11 et c33-c22 utilisés pour déterminer les paramètres du "modèle polycristallin réduit", pour les angles de traction simple 0 = 0 , 15 , 30 , 45 , 60 , 75 et 90 (tous les 15 ), voir par exemple les figures 13 et 14. Avec un modèle macroscopique il n'est pas nécessaire d'étendre la base des données expérimentales tous les 5 , car la nature des équations assure une interpolation suffisamment précise. Le modèle ainsi identifié décrit très bien les variations de la contrainte et du rapport de Lankford avec l'angle O. Ce modèle est programmé avec un algorithme d'intégration locale implicite. Pour la comparaison avec le modèle polycristallin réduit, il a aussi été utilisé avec l'algorithme de Runge-Kutta. Les tableaux 8 et 9 résument les calculs effectués avec le même processeur. La stabilité de l'algorithme de Runge-Kutta a été vérifiée en - 35 - comparant deux calculs avec 20 et 200 pas de temps At = 100 et 10 secondes, qui donnent des résultats très proches. Les algorithmes implicite et de Runge-Kutta donnent des résultats très proches pour le modèle Bron-Besson. Avec les deux algorithmes, il n'a pas été possible de poursuivre les calculs pour le modèle Bron-Besson au-delà de t = 3490 secondes, en raison des fortes non-linéarités du modèle. Pour les calculs comparables, on constate que les temps de calcul des deux modèles sont du même ordre de grandeur. Le modèle polycristallin réduit est un peu plus lent et consomme plus de temps en intégration locale. To remedy this, it suffices in the optimization calculations to dissociate these representation grains, for example by replacing the representation grain Cube by 4 grains of representation {0, 0.1, 0}, {0, -0.1, 0}, {0.1, 0, 0) and {-0.1, 0, 0}, each having a volume fraction equal to 1/4 of the volume fraction of the initial Cube representation grain. These 4 grains of representation are not stable and will evolve in a divergent way preserving the orthotropic symmetry of the texture as the loading itself respects this symmetry. In finite element calculations of mechanical tests or industrial structures, this precaution is not necessary because no calculation point has a perfectly symmetrical loading, with the exception, for example, of simple tensile test specimens, which are generally not calculated by finite elements but considered as a single material point. By means of the process schematized in FIGS. 1 and 4, we have obtained a reduced polycrystalline model able to represent the behavior of a material. This model makes it possible to calculate the effect of mechanical stresses on an object, but for that it must be integrated in a model of computation by finite elements. With this model, it is then possible to calculate the evolution, between an instant 0 and an instant t, of the properties of the material of which the object is constituted for which the stresses and the deformations in the macroscopic state are studied. . The method which has just been described uses visco-plastic models, but the skilled person can use any model of anelastic behavior compatible with a polycrystalline model according to the invention and in particular, creep and fatigue behavior. creep. By way of example, the "reduced polycrystalline model" of the aluminum alloy 2090-T3 established according to the invention will now be used in a finite element calculation model of a punching operation of a thin sheet metal. . According to the diagram of FIG. 4, the materials module of a commercial finite element calculation software is used without making any modifications. This module comprises a conventional polycrystalline model for face-centered cubic crystal structure materials. The algorithm for integrating the behavior model at each calculation point is of the Runge-Kutta type, known elsewhere. More stable algorithms such as implicit algorithms can be used for the reduced polycrystalline model, given the small number of variables of this model, but in the software used these algorithms do not exist for the polycrystalline model. The finite element mesh of the punching operation of a sheet is shown in FIG. 18. For the sake of clarity, only a quarter of the device is shown. The sheet 181 0.6 m thick is fixed on a piece 182 having a circular hole of 24 mm in diameter and the punch 183 of 20 mm in diameter is pressed progressively to deform the sheet. The coefficient of friction between the pieces is taken equal to 0.2. In the finite element calculation, all 3 parts are modeled by 2460 elements and 3567 nodes. Sheet 181 has 4 elements finished in its thickness. Given the orthotropic symmetry of the material, it is possible to perform the calculation on the 1/4 of the pieces only, as shown in Figure 18. Nevertheless, as it is a calculation of 34 - demonstration, this possibility was not used. The finite elements are "c3d8" hexahedrons (6 faces and 8 nodes) in which the displacements are linear functions of the coordinates. The elements each comprise 8 calculation points, that is to say 8 points of integration of the model of behavior of the material. All these characteristics are conventional in finite element calculation software and known to those skilled in the art. The punching operation was calculated with the parameters of the reduced polycrystalline model of Tables 2, 3 and 4, between times t = 0 and t = 5000 seconds corresponding to a displacement of the punch equal to 5 mm as in FIG. The calculations were made with the large displacement and large deformation options known elsewhere. By cons, as the deformations do not exceed 20% in the sheet 181, the calculations were made without changing the texture. Figures 19, 20 and 21 show the stresses 611, 622 and 612. on the underside of the sheet at t = 5000 seconds. The stresses are maximum in the central part of the sheet, subjected to a state of stress close to biaxial tension 611 = 622. For comparison, the punching operation was also calculated with a macroscopic anisotropic model (Bron, F Besson, J., 2004. A yield function for anisotropic materials, Application to Aluminum Alloys, Int J. Plasticity 20, 937-963). The parameters of the Bron-Besson model were identified on the same experimental points 611-E11 and c33-c22 used to determine the parameters of the "reduced polycrystalline model", for the simple traction angles 0 = 0, 15, 30, 45, 60, 75 and 90 (all 15), see for example Figures 13 and 14. With a macroscopic model it is not necessary to extend the database of the experimental data every 5, because the nature of the equations ensures an interpolation sufficiently precise. The model thus identified describes very well the variations of the stress and the Lankford ratio with the angle O. This model is programmed with an implicit local integration algorithm. For comparison with the reduced polycrystalline model, it has also been used with the Runge-Kutta algorithm. Tables 8 and 9 summarize the calculations made with the same processor. The stability of the Runge-Kutta algorithm was verified by comparing two calculations with 20 and 200 time steps At = 100 and 10 seconds, which give very similar results. The implicit and Runge-Kutta algorithms give very similar results for the Bron-Besson model. With both algorithms, it was not possible to continue the calculations for the Bron-Besson model beyond t = 3490 seconds, because of the strong nonlinearities of the model. For the comparable calculations, it can be seen that the calculation times of the two models are of the same order of magnitude. The reduced polycrystalline model is a bit slower and consumes more time in local integration.
L'homme de métier saura interpréter ces chiffres. Le résultat essentiel est que le modèle polycristallin réduit selon le procédé conduit à des temps de calcul suffisamment courts pour des calculs 3D d'opérations industrielles complexes sur un seul processeur, comme par exemple des calculs de formage de pièces. The skilled person will interpret these figures. The essential result is that the reduced polycrystalline model according to the method leads to computation times sufficiently short for 3D calculations of complex industrial operations on a single processor, such as coin forming calculations.
Tableau 8. Calculs de poinçonnement effectués avec le modèle polycristallin réduit. Modèle algorithme t (s) Force (N) t calcul (s) dont local PR RK 20 pas 2000 1161.58 15749 9503 PR RK 200 pas 2000 1151.50 14993 4091 PR RK 330 pas 3300 2130.18 30359 10241 PR RK 500 pas 5000 3741.52 529491 23315 Tableau 9. Calculs de poinçonnement effectués avec le modèle Bron-Besson Modèle algorithme t (s) Force (N) t calcul (s) dont local BB imp 115 pas 2000 1550.18 11892 5330 BB RK 200 pas 2000 1551.81 10571 550 BB RK 330 pas 3300 3073.09 18378 947 BB imp 716 pas 3405 3218. 54 60234 17655 Les courbes force - déplacement du poinçon pour les deux modèles sont comparées sur la figure 22, la courbe 221 correspondant aux résultats obtenus avec le modèle Bron-Besson et la courbe 222 aux résultats obtenus avec le modèle polycristallin selon l'invention. A rnême force appliquée sur le20 - 36 - poinçon, le déplacement du poinçon donc les déformations de la tôle sont plus faibles avec le modèle Bron-Besson. Pourtant les paramètres des deux modèles ont été identifiés sur les mêmes données expérimentales. Mais ces données sont exclusivement des données en traction simple. Or les figures 19 à 21 montrent que la partie centrale de la tôle est dans un état proche de la traction biaxiale 611 = 622. Les modèles n'ont pas été identifiés pour ce type de chargement. Le calcul d'un essai de traction biaxiale avec les deux modèles montre effectivement que les déformations sont plus faibles avec le modèle Bron-Besson. Table 8. Punching calculations performed with the reduced polycrystalline model. Model algorithm t (s) Force (N) t calculation (s) including local PR RK 20 no 2000 1161.58 15749 9503 PR RK 200 no 2000 1151.50 14993 4091 PR RK 330 step 3300 2130.18 30359 10241 PR RK 500 step 5000 3741.52 529491 23315 Table 9. Punching calculations made with the model Bron-Besson Model algorithm t (s) Force (N) t calculation (s) of which local BB imp 115 not 2000 1550.18 11892 5330 BB RK 200 not 2000 1551.81 10571 550 BB RK 330 step 3300 3073.09 18378 947 BB imp 716 step 3405 3218. 54 60234 17655 The force-displacement curves of the punch for the two models are compared in FIG. 22, the curve 221 corresponding to the results obtained with the Bron-Besson model and the curve 222 with the results. obtained with the polycrystalline model according to the invention. At the same force applied to the punch, the displacement of the punch and therefore the deformations of the sheet are smaller with the Bron-Besson model. Yet the parameters of both models were identified on the same experimental data. But these data are exclusively data in simple traction. But Figures 19 to 21 show that the central part of the sheet is in a state close to the biaxial traction 611 = 622. The models have not been identified for this type of loading. The calculation of a biaxial tensile test with the two models shows that the deformations are weaker with the Bron-Besson model.
Les différents états de chargement d'une tôle dans son plan sont représentés dans l'espace {611, 622, 612} sur la figure 23. La surface d'écoulement plastique de Tresca a été utilisée pour visualiser ces états, bien qu'elle ne corresponde pas au comportement réel du matériau. Il apparaît clairement sur la figure 23 que la traction biaxiale TB {60, co, 0} n'est pas une interpolation mais une extrapolation forte des données expérimentales en traction simple correspondant à l'ellipse passant pas les points TSO {6o, 0, 0} et TS45 {6o/2, 60/2, (Yo/2} (et TS90 {0, 60, 0} caché par la surface de Tresca). Il n'est donc pas étonnant que les résultats des deux modèles soient différents entre eux, et différents de la courbe de poinçonnement réelle qui n'est pas représentée ici, car ces deux modèles ne sont pas aptes à l'extrapolation en dehors du domaine d'identification de leurs paramètres, qui est réduit à l'ellipse TSO -TS45 . Ces résultats confirment la nécessité de générer une base d'essais étendue suivant le schéma de la figure 1. Cette base étendue doit absolument couvrir les chargements qui seront subis par le matériau dans les applications industrielles visées, pour ce qui concerne à la fois les contraintes, les déformations, les vitesses de déformation et le cas échéant la température. Par exemple, les calculs d'agrégats polycristallins d'après le procédé suivant l'invention permettent de générer un essai de traction biaxiale TB et tous les états intermédiaires entre les points TB et TSO , TB et TS45 et TB et TS90 de la figure 23. Il est toutefois préférable de disposer d'un essai biaxial expérimental, et de n'utiliser les calculs d'agrégats que pour générer les états intermédiaires (interpolation). Cet essai biaxial peut être un essai de traction biaxiale ou un essai produisant un état biaxial des - 37 -contraintes dans une partie de l'éprouvette d'essai, comme par exemple un essai de traction sur éprouvette entaillée, un essai de poinçonnement ou de gonflement d'une tôle, ou un essai de compression d'un disque cylindrique. Si la pièce industrielle subit également des états de contrainte proches du cisaillement simple, point CS {0, 0, ao/2} sur la figure 23, il faudra également étendre la base expérimentale dans cette direction au moyen des calculs d'agrégats polycristallins et de préférence effectuer des essais de cisaillement pour interpoler plutôt qu'extrapoler à partir de la base expérimentale réelle. The various states of loading of a sheet in its plane are represented in the space {611, 622, 612} in FIG. 23. The plastic flow surface of Tresca was used to visualize these states, although does not correspond to the actual behavior of the material. It appears clearly in FIG. 23 that the biaxial traction TB {60, co, 0} is not an interpolation but a strong extrapolation of the experimental data in simple traction corresponding to the ellipse passing the points TSO {6o, 0, 0} and TS45 {6o / 2, 60/2, (Yo / 2} (and TS90 {0, 60, 0} hidden by the surface of Tresca.) It is therefore not surprising that the results of both models are different from each other, and different from the actual punching curve which is not represented here, because these two models are not capable of extrapolation outside the domain of identification of their parameters, which is reduced to the ellipse TSO -TS45 These results confirm the need to generate an extended test basis according to the scheme of Figure 1. This extended base must absolutely cover the loadings that will be suffered by the material in the industrial applications concerned, with regard to the constraints, the deformations, the deformation rates and, if appropriate, the temperature. For example, the computations of polycrystalline aggregates according to the method according to the invention make it possible to generate a biaxial tensile test TB and all the intermediate states between the points TB and TSO, TB and TS45 and TB and TS90 of FIG. 23. However, it is preferable to have an experimental biaxial test, and to use the aggregate calculations only to generate the intermediate states (interpolation). This biaxial test may be a biaxial tensile test or a test producing a biaxial state of the stresses in a portion of the test specimen, such as a notch tensile test, punching test or swelling of a sheet, or a compression test of a cylindrical disk. If the industrial part also undergoes stress states close to simple shear, point CS {0, 0, ao / 2} in FIG. 23, it will also be necessary to extend the experimental base in this direction by means of polycrystalline aggregate calculations and preferably perform shear tests to interpolate rather than extrapolate from the actual experimental base.
Le procédé selon l'invention peut être utilisé pour déterminer l'incidence du procédé de fabrication d'un objet comportant une opération de mise en forme par déformation plastique à froid, tels que l'emboutissage, et en particulier pour déterminer les propriétés mécaniques de l'objet en chacun de ses points. En effet, l'incidence d'une opération de mise en forme par déformation plastique sur les propriétés mécaniques dépend de la déformation effectivement réalisée et cette déformation dépend en général du point considéré. Les propriétés mécaniques après mise en forme ne sont donc pas, en général, identiques en tous points de l'objet. On peut alors utiliser l'évaluation de la répartition des propriétés mécaniques de l'objet obtenue par le procédé selon l'invention, pour déterminer le comportement en service de cet objet. L'avantage du procédé selon l'invention est que cette évaluation de la répartition des propriétés mécaniques d'un objet peut être faite dans des conditions très diverses à partir d'un nombre restreint d'essais mécaniques. En effet, pour évaluer les propriétés mécaniques d'objets constitués du même matériau, mais réalisés par mise en forme selon des modalités diverses, il suffit de réaliser les essais mécaniques nécessaires à la construction du modèle polycristallin selon l'invention, puis appliquer le procédé selon l'invention à chacun des cas particuliers envisagés. The method according to the invention can be used to determine the impact of the method of manufacturing an object comprising a cold-forming deformation forming operation, such as stamping, and in particular to determine the mechanical properties of the object in each of its points. Indeed, the impact of a shaping operation by plastic deformation on the mechanical properties depends on the deformation actually performed and this deformation generally depends on the point considered. The mechanical properties after shaping are therefore not, in general, identical in all points of the object. It is then possible to use the evaluation of the distribution of the mechanical properties of the object obtained by the method according to the invention, to determine the service behavior of this object. The advantage of the process according to the invention is that this evaluation of the distribution of the mechanical properties of an object can be made under very diverse conditions from a limited number of mechanical tests. Indeed, to evaluate the mechanical properties of objects made of the same material, but made by shaping in various ways, it suffices to carry out the mechanical tests necessary for the construction of the polycrystalline model according to the invention, then to apply the method according to the invention to each of the particular cases envisaged.
A titre d'exemple, on peut utiliser le procédé selon l'invention pour évaluer le comportement au choc d'une pièce de véhicules automobiles obtenue par emboutissage ou par pliage ou par tout autre procédé de mise en forme induisant des déformations plastiques. Pour cela, à l'aide d'une méthode de calcul telle qu'une méthode de calcul par éléments finis, - 38 - incorporant le modèle polycristallin réduit représentatif du matériau, on simule l'opération de mise en forme et on détermine les propriétés mécaniques de la pièce en chacun de ses points. A partir de ce résultat, et en utilisant une méthode de calcul adaptée connue de l'homme du métier, on détermine, par exemple, les effets sur les pièces d'un choc résultant d'une collision. Le procédé selon l'invention peut également être utilisé pour déterminer le comportement d'une pièce constitué d'un matériau pouvant présenter une transformation de phrase, c'est-à-dire un changement de structure cristallographique sous l'effet des sollicitations thermomécaniques qu'il subit dans les conditions de service ou de mise en forme considérées. Le modèle polycristallin réduit dont les paramètres sont déterminés par le procédé selon l'invention est essentiellement un modèle numérique qui peut être mis en oeuvre par tout moyen approprié, en particulier, par ordinateur en l'intégrant dans un code de calcul par éléments finis connu en lui-même. Ce modèle peut être utilisé de la même façon dans toute méthode de calcul de déformation de structure et, notamment, dans les méthodes de calculs aux différences finies ou dans des méthodes qui ne font intervenir qu'un point de l'objet étudié comme c'est le cas dans la modélisation du laminage de produits plats. L'homme du métier sait faire les adaptations nécessaires qui ne portent que sur l'intégration du modèle dans la méthode de calcul. Le procédé est indépendant du modèle polycristallin et des logiciels de calcul par éléments finis et d'optimisation utilisés. Le procédé selon l'invention a été décrit en détails pour les applications à l'anisotropie, avec l'exemple de l'aluminium laminé. Mais il est absolument général et peut s'appliquer aussi bien à toutes les situations mal modélisées par les modèles macroscopiques, par exemple aux sollicitations cycliques, aux sollicitations sur de longues durées, type fluage ou relaxation, etc. On a décrit les exemples d'application à des matériaux ayant une structure cristallographique cubique à faces centrées. Mais l'invention ne se limite pas à ces exemples et l'homme du métier saura l'appliquer à d'autres - 39 - structures cristallines et à des textures diverses. Elle s'applique également à des structures mixtes constituées de cristaux de natures différentes. Pour cela, il suffit de prendre en compte des grains de représentation dont une partie correspond à un premier type de cristal et une autre partie correspond à un second type de cristal. En résumé, le procédé selon l'invention, permet de : étendre une base de données expérimentales relative à un matériau par interpolation et si nécessaire extrapolation à partir d'un nombre restreint d'essais mécaniques convenablement choisis, à l'aide si nécessaire de calculs d'agrégats polycristallins, - déterminer un modèle de comportement polycristallin pour représenter le comportement du matériau solide, ajuster les paramètres du modèle de comportement sur la base étendue de données expérimentales, identifier l'effet des sollicitations mécaniques et éventuellement thermiques auxquelles l'objet est soumis pendant la période de temps considérée, et calculer l'effet des sollicitations en chaque point de l'objet en utilisant une méthode de calcul incorporant le modèle de comportement du matériau. Le procédé peut être appliqué à tout type de matériau dont le comportement peut être représenté par un modèle du type polycristallin, et en particulier à tout matériau métallique. By way of example, the method according to the invention can be used to evaluate the impact behavior of a piece of motor vehicle obtained by stamping or bending or by any other forming process inducing plastic deformations. For this, using a calculation method such as a finite element calculation method, incorporating the reduced polycrystalline model representative of the material, the shaping operation is simulated and the properties determined. mechanics of the piece in each of its points. From this result, and using a suitable calculation method known to those skilled in the art, it determines, for example, the effects on the parts of a shock resulting from a collision. The method according to the invention can also be used to determine the behavior of a part consisting of a material that can exhibit a transformation of a sentence, that is to say a change in crystallographic structure under the effect of the thermomechanical stresses that it undergoes under the conditions of service or shaping considered. The reduced polycrystalline model whose parameters are determined by the method according to the invention is essentially a numerical model which can be implemented by any appropriate means, in particular by computer by integrating it into a known finite element calculation code. in himself. This model can be used in the same way in any method of calculating structural deformation and, in particular, in finite difference computation methods or in methods that involve only one point of the studied object such as is the case in the modeling of flat products rolling. The person skilled in the art knows how to make the necessary adaptations which relate only to the integration of the model into the calculation method. The process is independent of the polycrystalline model and the finite element and optimization software used. The process according to the invention has been described in detail for applications with anisotropy, with the example of rolled aluminum. But it is absolutely general and can be applied equally well to all the situations badly modeled by the macroscopic models, for example to the cyclic stresses, to the solicitations over long durations, type creep or relaxation, etc. The application examples have been described for materials having a face-centered cubic crystallographic structure. But the invention is not limited to these examples and one skilled in the art will be able to apply it to other crystalline structures and to various textures. It also applies to mixed structures made of crystals of different natures. For that, it suffices to take into account grains of representation of which a part corresponds to a first type of crystal and another part corresponds to a second type of crystal. In summary, the method according to the invention makes it possible: to extend an experimental database relating to a material by interpolation and if necessary extrapolation from a limited number of suitably chosen mechanical tests, using if necessary to polycrystalline aggregate calculations, - determine a polycrystalline behavior model to represent the behavior of the solid material, adjust the parameters of the behavior model on the extended basis of experimental data, identify the effect of the mechanical and possibly thermal stresses to which the object is subjected during the period of time considered, and calculate the effect of the stresses at each point of the object by using a calculation method incorporating the model of behavior of the material. The method can be applied to any type of material whose behavior can be represented by a model of the polycrystalline type, and in particular to any metallic material.
25 Les sollicitations auxquelles est soumis l'objet, qui peuvent être des efforts ou des déplacements répartis dans l'espace et dans le temps et qui peuventêtre complétées par des sollicitations thermiques, peuvent être déterminées par tout moyen et en particulier par des enregistrements de mesures.The stresses to which the object is subjected, which may be forces or displacements distributed over space and time and which may be supplemented by thermal stresses, may be determined by any means and in particular by measurement recordings. .
30 Les méthodes de calcul utilisées par le procédé sont des méthodes de calcul numérique mises en oeuvre par ordinateur à l'aide de logiciels adaptés. 20 - 40 - Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples que l'on vient de décrire.The calculation methods used by the method are numerical computation methods implemented by computer with the aid of adapted software. Of course, the invention is not limited to the examples just described.
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