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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
Mécanique des Structures
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
Mécanique des Structures
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
Mécanique des Structures
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
Mécanique des Structures
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
Mécanique des Structures
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
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Mécanique des Structures
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
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Mécanique des Structures
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
Etudes Conseils Calculs
Mécanique des Structures
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
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Mécanique des Structures
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
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Mécanique des Structures
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
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Mécanique des Structures
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
Etudes Conseils Calculs
Mécanique des Structures
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
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Mécanique des Structures
Ec (ms) 2 GV DP 203 1300MWe – Simulations 3D -Maillage complet (2)
X
Y
Z
16 Mars 2006
Etudes Conseils Calculs
Mécanique des Structures
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
Etudes Conseils Calculs
Mécanique des Structures
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
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Mécanique des Structures
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
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Mécanique des Structures
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
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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