Analyse et implantation d'un outil d'optimisation numérique des paramètres de martelage

RESUME Ce projet de these propose une methodologie d’analyse et d’optimisation des parametres de martelage et vise ainsi l’amelioration de ce procede de fabrication et reparation. Cette methodologie a ete developpee afin d’aider dans le remplacement et la maintenance des installations vieillissantes du parc de production d’Hydro-Quebec. Malgre tout, la methode proposee peut s’averer utile dans d’autres domaines, telle l’aeronautique, ou l’optimisation des parametres d’un procede est necessaire. La methode d’optimisation proposee est la methode SAO (Sequential Approximate Optimization), qui consiste a combiner des concepts d’optimisation mathematique avec ceux des elements finis. Ce mariage des domaines permet une economie importante en temps de calcul, ainsi qu’une reduction potentielle des couts en reduisant le nombre d’iterations experimentales necessaires afin d’obtenir des parametres de martelage optimaux. Plus important encore, la methode proposee permet une exploration rigoureuse, mais efficace de l’espace des variables de design (parametres de martelage). Ceci est un avantage important par rapport aux methodes prealablement utilisees, car les simulations par elements finis pour la modelisation du martelage sont couteuses en temps de calcul et necessitent des connaissances tres avancees de la mise en oeuvre. Un des elements importants dont traite ce projet est la nature des fonctions objectifs dans le cadre de l’optimisation. Sachant que l’etat des contraintes residuelles est un critere important dans la determination de la qualite d’un martelage, des analyses preliminaires sont effectuees afin de trouver les candidats representatifs qu’on denote moniteurs de martelage. De maniere connexe, ce projet traite des proprietes mecaniques macroscopiques du materiau martele, le E309L. Etant donne le peu d’informations disponibles dans la litterature, une caracterisation en traction mecanique uniaxiale, cyclique et a haute temperature a ete effectuee. Ceci a pour fin de determiner le modele constitutif adequat pour la representation numerique du comportement dudit materiau. Dans ce document, plusieurs modeles ont ete developpes dans le but de fournir (i) des outils convoites par Hydro-Quebec dans leur modelisation actuelle du martelage, mais (ii) aussi dans leurs efforts d’incorporer des modeles plus complexes et representatifs. On parle ici de modeles constitutifs elasto-plastiques a grandes deformations, de couplage thermo-mecanique et de plasticite unifiee. De par nos analyses, nous verrons aussi qu’il est possible qu’une nouvelle quantite, l’uniformite de martelage, soit plus appropriee que celle conventionnellement utilisee pour caracteriser la qualite du grenaillage, soit la couverture.----------ABSTRACT In this thesis, a methodology for analyzing and optimizing hammer peening parameters is presented. Said methodology has been developed in response to the need of Hydro-Quebec to repair and maintain its current power-generating infrastructures. However, the proposed methodology is general in the sense that it can be applied to other industries such as the aerospace, automotive or manufacturing industries where process optimization is required. The Sequential Approximate Optimization (SAO) method is used in this thesis, which combines aspects of both mathematical optimization and finite elements. This allows for significant computational savings by reducing the need for costly, and time-consuming experimental measurements. Furthermore, the algorithm allows for a thorough exploration of the design space (for hammer peening parameters). This significant improvement compared to previously used methods is essential since finite element simulations of hammer peening are more often than not time-consuming. An important contribution of this thesis is the determination of the objective variables underlying the hammer peening process. As residual stress is known to play an important role in stress-inducing process such as shot- and hammer-peening, our analysis have found ideal objective variables, which we denote hammer peening monitors. This thesis also addresses the mechanical properties of the hammer peened material, the austenitic stainless steel E309L. Given the lack of information available in the literature, experimental measurements were carried in order to obtain room temperature tension, elevated temperature tension and cyclic responses. Thereafter, multiple constitutive models were developed in order to: (i) provide Hydro-Quebec with tools helping them in simulating hammer peening and welding; and (ii) integrate increasingly complex, but more representative models in their multi-physics simulation. More precisely, we refer to large deformation elastic-plastic, coupled thermo-mechanical and unified theories. We also point out that our findings of an alternative quantity, peening uniformity, which describes the state of an hammer peened material, might be more appropriate than that used for characterizing shot peening. Peening uniformity indeed seem to evolve altogether with the hammer peening monitors and therefore the overall quality of the process.

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