e (ms) 2 calcul des contraintes résiduelles dans la c … · calcul thermique non linéaire...

16 Mars 2006

Simulations numériques du soudage multipassede plaques en inconel zone soudée

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Lionel Depradeux (EC2MS*)

Claire Naudin, Claude Amzallag (EDF DPI SEPTEN**)

Etudes Conseils Calculs

Mécanique des Structures

Ec (ms) 2 Calcul des contraintes résiduelles dans la zone soudée inconel AP – PP de GV

* EC2-MS66, bd Niels BOHR, BP 2132, 69603 VILLEURBANNE CedexTélécopie : (33) 04 37 48 84 05 - Ligne directe: (33) 04 37 48 84 08E-mail [email protected], [email protected] Site : www.ec2-ms.fr

** EDF BRANCHE PRODUCTION INGENIERIESERVICE ETUDES ET PROJETS THERMIQUES ET NUCLEAIRES

16 Mars 2006

Contexte : BAE de GV – Soudure AP/PPEtudes Conseils Calculs


Ec (ms) 2

• BAE de GV – soudure Attente de Plaque / Plaque de Pa rtition

• AP, PP : inconel 600 ; soudure : inconel 182

• Soudure AP-PP non détensionnée →→→→ σσσσ résiduelles

AP

PP

Soudure

BF BC

BF BC

16 Mars 2006

Calcul des contraintes de soudage dans la zone soudée AP-PPEtudes Conseils Calculs


Ec (ms) 2

Étude menée en 2 phases :

1. Simulation numérique bidimensionnelle de l’opération de soudage (modélisation d’une section perpendiculaire à l’ava ncée de la soudure) :

→→→→ Simulation passe par passe du dépôt de chaque cordo n→→→→ Apport de chaleur réaliste→→→→ obtention d’un état de contraintes de référence

2. Simulation numérique tridimensionnelle :

→→→→ Simulations prenant en compte des « macro-dépôts » (groupage de passe)

→→→→ obtention d’un état de contraintes similaire au 2D à l’issue du soudage

→→→→ Pour application ultérieure des chargements corresp ondant à l’épreuve hydraulique primaire et à l’état permane nt

16 Mars 2006

GV 1300MWe – Simulations Bidimensionnelles Maillage complet Etudes Conseils Calculs


Ec (ms) 2

Plaque à Tube PT : 16MND5

Re = 450 MPa à 20°C

Fond : 20MN5M

Re = 450 MPa à 20°C

BF BC

• Maillage 2D axi « tore » avec rayon de courbure ~ 1km (X = R ; Y = θθθθ ; Z = Z)• Maillage quadratique• Environ 8000 nœuds

Z

XY

1700mm

615mm

Plaque de partition ep. 60mm

16 Mars 2006

GV 1300MWe – Maillage zone soudée Etudes Conseils Calculs


Ec (ms) 2

(32 passes de soudage)

Z

XY

Z

X

60mm

AP

PP

macrographie

16 Mars 2006

Déroulement du calcul thermomécanique Etudes Conseils Calculs


Ec (ms) 2

GgradTdivt

TCp =−

∂∂

).(.. λρ ),()()( 44 trdTTTThn

Tairair +−+−=

∂∂− εσλ

1. Calcul thermique non linéaire transitoire (THER_NON_LINE) :

équation de la chaleur :

données thermiques dépendant de T (λλλλ(T), ρρρρ(T), Cp(T))

CL thermiques sur les frontières:

Échanges radiatifs et convectif + flux éventuel

2. Calcul mécanique non linéaire transitoire (décou plé de la thermique) (STAT_NON_LINE) :

équations d’équilibre :

Partition des déformations (en HPP) :

données mécaniques dépendant de T (E(T), σσσσy(T), h(T), αααα(T), νννν=0,3)

CL mécaniques sur les frontières:0)( =+ volumefdiv σ

ptheretotale εεεε ++=

→→→→ T(r,t) lors des 32 passes de soudage

→→→→ U(r,t) - εεεε(r,t) - σσσσ(r,t) lors des 32 passes de soudage

16 Mars 2006



Ec (ms) 2 Simulation du soudage - GV DP 203 1300MWe –Modélisation de l’apport de chaleur

ϕ(t) (W/m3)

Temps

t1 t2

ϕ max

Approche de la source

Eloignement de la source

Refroidissement naturel

Si t2 = 2t1 = 2∆t → ϕϕϕϕmax ×××× ∆∆∆∆t ×××× S = ηηηηE = ηηηηUI/V

t2 = 2t1 = 2∆t

Energie émise E = UI/V (J/m)

Cordon section S (m²×××× 1 m)

I = intensité 80 à 180A ; U = tension 15 à 25V en manuel ;V = vitesse de soudage 1 à 2 mm/s

η = fraction de l’énergie émise effectivement absorbée η = 0,7 à 0,8

Densité volumique de flux de chaleur imposée dans S

S = surface de la section de la passe considérée, perpendiculairement à l’avancée de la soudure

Soudure à l’arc manuel avec électrode enrobée :E = ηηηηUI/V estimé à 10kJ/cm

Equation de la chaleur : Mot clé : SOURCEGgradTdivt

TCp =−

∂∂

).(.. λρ

16 Mars 2006



Ec (ms) 2 Simulation du soudage - GV 1300MWe –résultats 2D : thermique

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 50000 100000 150000 200000 250000 300000

temps (s)

(2) BC (petit chanf.)

(1) BF (grand chanf.)

(T interpasse < 50°C)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 50 100 150 200

temps (s)

Densité volumique de flux de chaleur imposée dans le volume du cordon

10s

Refroidissement libre

32 modèles thermiques emboîtés –Prolongement des champs après chaque passe (boucle Python)

16 Mars 2006



Ec (ms) 2 Simulation du soudage - GV 1300MWe –Calcul Mécanique

• Pour tous les matériaux : Loi de comportement élast o-plastique avec écrouissage cinématique linéaire

• Données matériau dépendantes de T entre 20°C et 150 0°C :E(T), σσσσy(T), h(T), αααα(T), νννν=0,3

• Plaque à tube : caractéristiques homogénéisées pour tenir compte des trous ( υυυυ*, E*)

• Un seul modèle mécanique : cordons non déposés dés activés par affectation d’un module d’Young « quasi-nul »

• Calcul en HPP sur géométrie réactualisée à chaque p as de temps (PETIT_REAC)

• Recherche linéaire avec 8 itérations

16 Mars 2006



Ec (ms) 2 GV 1300MWe – résultats 2D : mécanique Évolution des contraintes en cours de soudage

Évolution de contraintes après les passes n° 1, 7, 20, 26, 32

Contraintes transverses (SIZZ)

Contraintes longi(SIYY)

Z

XY

Fin passe n°1

Fin passe n°7

Fin passe n°20

Fin passe n°26

Fin passe n°32

16 Mars 2006



Ec (ms) 2 GV 1300MWe – résultats 2D : mécanique Évolution des contraintes en cours de soudage

Evolution SI vonMises et def plast cumul après les pa sses 1, 7, 20, 26, 32

Contraintes de vonMises deformations plastiques cumu lées

16 Mars 2006



Ec (ms) 2 GV 1300MWe – résultats 2D : mécanique Contraintes résiduelles en fin de soudage

Contraintes transverses (SIZZ)

Contraintes longi(SIYY)

Z

XY

(BF) (BC) (BC)

Soud.

AP

PP

(BF)

Soud.

AP

PP

16 Mars 2006



Ec (ms) 2 GV DP 203 1300MWe – Simulations 3D -Maillage complet (1)

Z

X

Y

•Maillage quadratique

• Environ 32500 nœuds

Simulation de l’opération de soudage : Transposition sur modèle 3D

16 Mars 2006



Ec (ms) 2 GV DP 203 1300MWe – Simulations 3D -Maillage complet (2)

X

Y

Z

16 Mars 2006



Ec (ms) 2 GV DP 203 1300MWe – Simulations 3D –Mise en donnée

• Données thermophysiques et mécaniques identiques à celles utilisées dans le calcul 2D

• 2 « Passes » de soudage : 1 macro-dépôt coté BF, puis 1 macro-dépôt coté BC

• Apport de chaleur = densité volumique de flux de ch aleur ϕϕϕϕ calée de façon à retrouver l’étendue de la « ZAT » obtenue dans le 2D et àretrouver l’état de contraintes 2D de référence

• CL méca : conditions de symétrie + appui simple du bol

• Écrouissage cinématique linéaire

27 Janvier 2004



Ec (ms) 2 GV DP 203 1300MWe – Simulations 3D –Résultats thermiques

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5000 10000 15000 20000

Temps (s)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 100 200 300 400 500

Temps (s)

Densité volumique de flux de chaleur imposée dans le volume du cordon

10s

Refroidissement libre

16 Mars 2006



Ec (ms) 2 GV DP 203 1300MWe – Simulations 3D –isovaleurs de contraintes résiduelles

SI transversales SI longitudinales

(déformée ×××× 5)

Z

X

Y

16 Mars 2006



Ec (ms) 2 GV DP 203 1300MWe – Comparaison 3D - 2D isovaleurs de contraintes résiduelles

SI transversales SI longitudinales

AP AP AP AP

Soud. Soud.

PP PPPP PP

Calcul 3D2 macro-dépôts

Calcul 2D 32 passes

Calcul 2D 32 passes

Calcul 3D2 macro-dépôts

16 Mars 2006



Ec (ms) 2 Conclusions & Perspectives

Simulation numérique de l’opération de soudage mult ipasse AP-PP dans les BAE de GV :

• Obtention de l’état de contrainte brut de soudage s ur modèle 2D en simulant toutes les passes

• Transposition sur modèle 3D – groupage des passes en 2 macro-dépôts ; recalage de l’apport de chaleur d’après le s résultats 2D

• État de contraintes brut de soudage en 3D = état in itial pour l’application des chargements correspondants à :

→→→→ l’épreuve hydraulique→→→→ l’état permanent

e (ms) 2 calcul des contraintes résiduelles dans la c … · calcul thermique non linéaire...

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