Analyse thermomécanique de la durée de vie d'une structure porteuse sous l'influence de la température

Les structures porteuses destinées à recevoir les produits semi-finis dans les fours sont également exposées aux températures élevées. Des processus de fluage peuvent en résulter. Ces déformations plastiques (irréversibles) ont une grande influence sur la durée de vie des structures porteuses, en particulier dans le cas de processus de traitement thermique étendus avec des différences de température élevées, qui comprennent des processus de chauffage et de refroidissement cycliques de plusieurs heures.

Ansys Mechanical a été utilisé afin d’évaluer la durée de vie en raison de la charge thermo-mécanique complexe, avant la fabrication d'un prototype réel. L'objectif des calculs était de déterminer l'influence thermo-mécanique cyclique sur la durée de vie de la structure porteuse à partir des processus de fluage qui se produisent.

Les possibilités implémentées pour la prise en compte des processus de fluage ainsi que la définition des propriétés des matériaux en fonction de la température et les possibilités de couplage simples dans Ansys Workbench constituent la base pour la résolution de ce problème. Il en résulte des économies de temps et d'argent considérables lors du développement des fours de traitement thermique. Cela comprend non seulement la réduction du nombre de prototypes nécessaires, mais aussi la minimisation des cycles d'essai nécessaires. Si les modèles de simulation sont validés et affinés par des essais, la confiance dans les résultats ne peut qu’augmenter. En outre, un modèle de simulation met en évidence les zones de problèmes potentiels dus à l'interaction entre les gradients de température élevés, les effets de fluage et les contacts par frottement. Les connaissances ainsi acquises sur le comportement des structures porteuses dans le four constituent une base importante pour le développement de futures installations et donc un avantage concurrentiel décisif.

Le calcul dans Ansys Mechanical a été effectué par un couplage unidirectionnel d'une analyse du champ de température et d'une analyse structurelle, en tenant compte de trois cycles thermiques complets (processus de chauffage et de refroidissement).

En raison de la masse thermique élevée du système et des sauts de température qui se produisent, l'analyse du champ de température a été effectuée de manière transitoire (voir figure 2). Les variations temporelles des variables d'état sont également prises en compte. Une courbe de température générée à partir de valeurs empiriques a servi d'apport d'énergie à la structure porteuse et aux produits semi-finis. Les propriétés thermiques des matériaux ont été données en fonction de la température - les sauts de température fournissent des propriétés fortement fluctuantes.

Dans un deuxième temps, les champs de température non homogènes qui en résultent ont été transférés dans l'analyse structurelle statique via des procédés de cartographie. Le transfert s'effectue en plusieurs étapes de charge, de manière ciblée, aux moments de gradients thermiques critiques. Outre les propriétés de rigidité dépendant de la température, une loi de fluage a également été définie pour représenter les effets de fluage secondaires sur la base d'essais de fluage et de rupture connus.

La déformation de fluage cumulée sur les trois cycles de charge indiqués à la figure 3 a été comparée à la déformation de fluage critique. À partir de là, un nombre maximal de cycles a pu être calculé.