Thermo-mechanical analysis of welding processes

• Autores: Narges Dialamishabankareh
• Directores de la Tesis: Miguel Cervera (dir. tes.), Michele Chiumenti (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2014
• Idioma: catalán
• Tribunal Calificador de la Tesis: Eugenio Oñate Ibáñez de Navarra (presid.), Guillaume Houzeaux (secret.), Lionel Fourment (voc.)
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de la construcción
      • Ingeniería civil
      • Resistencia de estructuras
    • Tecnología de materiales
      • Resistencia de materiales
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • Esta tesis se centra en el estudio numérico del proceso de soldadura. El análisis realizado tiene en consideración tanto los fenómenos globales, como los efectos locales que ocurren en la zona térmicamente afectada (HAZ) cerca de la unión. En este trabajo nos hemos centrado en dos técnicas específicas: el proceso de deposición por capas a nivel global y el proceso de soldadura por fricción y batido a nivel local. Para el análisis a nivel global (estudio de un componente estructural) se utiliza un marco Lagrangiano, mientras que a nivel local, se utiliza una combinación de varios enfoques. Más concretamente, para modelar el proceso de FSW se crearon diferentes subdominios computacionales estudiándose cada uno de ellos con un enfoque cinemático diferente. Este análisis nos permite estudiar herramientas caracterizadas por geometrías complejas (no solamente cilíndricas). Además es posible analizar las grandes deformaciones del material en la zona de proceso (HAZ) sin la necesidad de remallar y utilizar algoritmos de re-mapeo variables. En este trabajo se propone un análisis termo-mecánico acoplado con un método de paso fraccionado iso-térmico para la simulación numérica de los procesos de soldadura, tanto a nivel local como global. Se propone además una formulación de elementos finitos mixta (desplazamientos/presión) para tener en cuenta el comportamiento isócorico del material en consecuencia del comportamiento visco-plástico del mismo. Se introduce el Método Variacional Multiescala (VMS) para evitar las restricciones la condición de estabilidad LBB, permitiendo el uso de interpolaciones lineales P1/P1 para los campos de desplazamiento (o velocidad) y presión, respectivamente. Se utiliza la misma estrategia de estabilización para hacer frente a las inestabilidades del campo de temperaturas, características de los problemas de convección dominante (análisis térmico en el marco euleriano o ALE). A nivel global, el comportamiento del material se caracteriza por un modelo constitutivo elasto-termo-viscoplástico. Se propone una transición suave en función del rango de temperatura para representar el cambio de estado de material, desde sólido a líquido pasando por la fase semi-sólida durante el cambio de fase. A nivel local, el análisis se caracteriza por un modelo constitutivo rígido-termo-visco-plástico. Se estudian, diferentes modelos (típicamente fluidos no Newtonianos) como Norton-Hoff o Sheppard-Wright, entre otros. La ecuación de balance de energía se resuelve en el formato de entalpía incluyendo el fenómeno de cambio de fase en términos de calor latente y contracción térmica. En este trabajo se detallan diferentes modelos de fuentes energéticas (láser, arco, haz de electrones, etc) para simular a nivel global el aporte de calor en la zona de proceso. Análogamente, se tiene en cuenta la generación del calor inducido por la disipación visco-plástica y por el contacto con fricción (modelo de Coulomb y de Norton) para la simulación numérica del proceso de FSW. Para el proceso SMD se desarrolla una técnica ad-hoc para la deposición del material de aporte. La estrategia de activación de elementos propuesta en este trabajo permite simular de forma precisa la deposición de las diferentes capas de material en el proceso de SMD sin dar lugar a la aparición de campos de tensión/deformación espurios. Finalmente, para analizar el movimiento del material en la zona de proceso de FSW se han implementado unos trazadores materiales. A través de este método es posible sacar información acerca de la calidad de la unión soldada, así como optimizar los parámetros del proceso de FSW, como velocidades de rotación y avance. Esta tesis se compone de una recopilación de 7 artículos publicados en revistas internacionales indexadas, así como de una introducción , que resume el estado de arte actual, las motivaciones y objetivos del estudio realizado, las principales aportaciones y mejoras desarrolladas, así como las líneas de trabajo futuro.