Simulation du cycle de refroidissement lors de la coulée d'explosifs fusibles

L'utilisation d'outils numériques dans l'industrie de la défense est en pleine essor, notamment pour la mise en oeuvre des explosifs fusibles. Les matériaux énergétiques étant visqueux et possédant une faible conductivité thermique, ils sont caractérisés par un nombre de Prandtl élevé. Par conséquent, le cycle de refroidissement de ces matériaux spéciaux est très long comparé à la coulée de métaux, par exemple. Il est donc impératif d'optimiser ce cycle de refroidissement qui se trouve être l'étape clé dans la mise en forme des matériaux énergétiques. La présente étude met en avant un outil numérique construit avec COMSOL Multiphysics et qui est consacré à la modélisation de la solidification et des contraintes résiduelles engendrées lors du refroidissement d'un matériau énergétique appelé Composition B. La simulation permet de détecter le retrait et comprend une fonction CZM (Cohesive Zone Modeling) pour modéliser l'adhérence aux parois de l'obus. L'étude contient aussi plusieurs étapes de vérification et de validation (V & V), concept important dans le milieu industriel pour assurer performance et fiabilité. Le concept est utilisé ici dans un cadre numérique à différents niveaux. Premièrement, l'approche de solidification a été vérifié grâce à un problème de référence. Ensuite, un modèle complet incluant la convection naturelle dans le fondu, le changement de phase et le calcul de contraintes thermiques a été développé pour un cylindre. Enfin, une étude de convergence impliquant un raffinement de maillage a permis de vérifier l'exactitude de la modélisation. Par la suite, un modèle plus réaliste d'un obus de 105 mm a été construit et les résultats numériques ont été validés par comparaison avec les profils de température obtenus pour un montage expérimental. De plus, ce modèle a permis de prédire la taille et l'emplacement probable de retrait autour de la cloche de l'obus. L'emphase a été également mis sur une technique particulière pour optimiser le refroidissement, à savoir, l'utilisation d'une sonde thermique. Les résultats ont démontré que la fonction première de la sonde était de maintenir le coeur de la pièce chaud et d'ainsi empêcher la formation de porosités ou de vides suite au changement de phase et à la contraction. La simulation numérique confirme aussi une diminution de 23 % du retrait par cette technique. Au terme de ce projet, il est attendu que le partenaire industriel General Dynamics OTS - Canada puisse en utiliser les retombées afin d'optimiser ses lignes de production.