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

Ce projet de thèse propose une méthodologie d'analyse et d'optimisation des paramètres de martelage et vise ainsi l'amélioration de ce procédé de fabrication et réparation. Cette méthodologie a été développée afin d'aider dans le remplacement et la maintenance des installations vieillissantes du parc de production d'Hydro-Québec. Malgré tout, la méthode proposée peut s'avérer utile dans d'autres domaines, telle l'aéronautique, où l'optimisation des paramètres d'un procédé est nécessaire. La méthode d'optimisation proposée est la méthode SAO (Sequential Approximate Optimization), qui consiste à combiner des concepts d'optimisation mathématique avec ceux des éléments finis. Ce mariage des domaines permet une économie importante en temps de calcul, ainsi qu'une réduction potentielle des coûts en réduisant le nombre d'itérations expérimentales nécessaires afin d'obtenir des paramètres de martelage optimaux. Plus important encore, la méthode proposée permet une exploration rigoureuse, mais efficace de l'espace des variables de design (paramètres de martelage). Ceci est un avantage important par rapport aux méthodes préalablement utilisées, car les simulations par éléments finis pour la modélisation du martelage sont coûteuses en temps de calcul et nécessitent des connaissances très avancées de la mise en oeuvre. Un des éléments importants dont traite ce projet est la nature des fonctions objectifs dans le cadre de l'optimisation. Sachant que l'état des contraintes résiduelles est un critère important dans la détermination de la qualité d'un martelage, des analyses préliminaires sont effectuées afin de trouver les candidats représentatifs qu'on dénote moniteurs de martelage. De manière connexe, ce projet traite des propriétés mécaniques macroscopiques du matériau martelé, le E309L. Étant donné le peu d'informations disponibles dans la littérature, une caractérisation en traction mécanique uniaxiale, cyclique et à haute température a été effectuée. Ceci a pour fin de déterminer le modèle constitutif adéquat pour la représentation numérique du comportement dudit matériau. Dans ce document, plusieurs modèles ont été développés dans le but de fournir (i) des outils convoités par Hydro-Québec dans leur modélisation actuelle du martelage, mais (ii) aussi dans leurs efforts d'incorporer des modèles plus complexes et représentatifs. On parle ici de modèles constitutifs élasto-plastiques à grandes déformations, de couplage thermo-mécanique et de plasticité unifiée. De par nos analyses, nous verrons aussi qu'il est possible qu'une nouvelle quantité, l'uniformité de martelage, soit plus appropriée que celle conventionnellement utilisée pour caractériser la qualité 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-Québec 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-Québec 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.