Non-Euclidean plate theory for the Simulation, Optimization and Automation of shot peen forming

La mise en forme par grenaillage est utilisée dans l'industrie aérospatiale pour façonner de larges plaques métalliques, telles que des revêtements d'ailes ou des segments de réservoirs de carburant. Le procédé consiste à traiter une plaque avec un jet de billes rigides (grenailles) qui sont projetées à travers une buse mobile. Un tel traitement induit une déformation plastique dans la couche extérieure du matériau, ce qui fait plier la plaque. Le jet de grenailles est appliqué localement selon un motif de grenaillage, et des différents motifs de grenaillage entraînent des différentes formes courbées. Nous avons développé un logiciel de simulation de la mise en forme par grenaillage. Le logiciel prédit l'effet d'application d'un motif donné et calcule un motif optimal qui mène à la forme cible. En d'autres mots, le logiciel résout les problèmes direct et inverse respectivement. Le logiciel est basé sur la théorie des plaques non euclidiennes qui fournit des instruments théoriques pour décrire la déformation des structures minces. De plus, le logiciel utilise le concept d'eigenstrains permettant de modéliser efficacement des charges induites par le grenaillage sans simuler chaque impact. Ensemble, la théorie des plaques non-Euclidiennes et le concept d'eigenstrains fournissent une formulation numérique concise pour le logiciel de simulation. Le solveur du problème inverse implémenté de cette manière montre une vitesse de calcul et une précision élevées, ce qui rend le logiciel applicable industriellement. Un autre avantage de notre solveur du problème inverse est sa capacité d'opérer avec plusieurs régimes de grenaillage. Cette caractéristique améliore la précision de la mise en forme. Lorsque le motif est calculé, notre logiciel le divise en segments traités uniformément, ce qui est requis par les conditions de grenaillage pratiques. La segmentation est effectuée soit avec un algorithme de regroupement (grouping) soit avec un algorithme de partitionnement (clustering). L'algorithme de regroupement est utilisé lorsque les régimes de grenaillage sont fixes et leur ajustement est limité, tandis que l'algorithme de partitionnement calcule automatiquement les régimes de grenaillage optimaux. Les deux algorithmes sont suivis d'un algorithme de filtrage qui corrige les erreurs de segmentation locales. Le solveur du problème inverse ainsi que les algorithmes de regroupement, de partitionnement et de filtrage ont été testés numériquement à l'aide de 200 cas de tests générés aléatoirement. En s'appuyant sur notre logiciel de simulation, nous avons automatisé le procédé de la mise en forme par grenaillage. À savoir, nous avons développé un flux de travaux comprenant toutes les étapes nécessaires pour la mise en forme automatisée d'une plaque métallique à l'aide d'un robot de grenaillage. Dans cette thèse, nous décrivons comment calibrer le logiciel de simulation, comment programmer automatiquement le robot en fonction du motif de grenaillage, comment appliquer efficacement le motif prescrit et comment évaluer la qualité de la mise en forme. Lorsque le logiciel est calibré, l'intervention humaine n'est nécessaire que pour l'installation et la désinstallation du composant traité. Le flux de travaux est ajustable pour toutes les formes cibles et, de plus, il est économiquement optimisé. Nous présentons à la fois les détails théoriques et pratiques, donc cette thèse est un guide complet pour l'automatisation du procédé. Le flux de travaux automatisé a été appliqué pour façonner des plaques d'aluminium de forme libre et pour fabriquer le revêtement d'une aile d'avion modèle. Dans chaque cas, nous caractérisons l'erreur entre la forme simulée et la forme développée, nous révélons les causes de cette erreur et nous suggérons des pistes d'amélioration.