Simulations d'AHSS pour les conceptions automobiles

1. Que faut-il vérifier sur des bords de tôle découpés étirés d'AHSS ?

Commencer par le problème numéro 1 lors des simulations de formage pour l’acier AHSS : l’étirage des bords de découpe. Il faut prévoir toutes les situations où il y a tension uni axiale sur un bord de découpe.

Le diagramme de limite de formage ne peut pas être utilisé comme guide pour l’étirage des bords, simplement parce que lorsque nous testons le matériau en laboratoire et créons la courbe de limite de formage, nous ne testons pas l’acier AHSS au niveau du bord de la découpe, mais au centre, dans le corps de la tôle.

Il n'y a pas non plus de correspondance entre les valeurs de ductilité des bords et d’allongement – de sorte que le graphique en « courbe en banane » de l'acier AHSS ne sert à rien pour évaluer la ductilité des rives.

La conception de l'outil de découpe a une forte influence sur la limite de ductilité des bords sur un AHSS. Dans le Centre de partage des connaissances SSAB, nous testons nos aciers AHSS automobiles Docol® pour trouver le dégagement de découpe optimal pour chaque nuance.

Mais, les simulations AHSS sont rendues encore plus complexes par les changements de ductilité des bords pendant la production en série, du fait de l’usure de l’outil de découpe. Certains logiciels de simulation commencent à proposer la prise en compte d’allongement des bords. Les valeurs par défaut sont les plus larges et correspondent aux découpes au laser, les suivantes sont celles des bords après le passage de l'outil, puis les bords après usure de l'outil.

Pour les simulations sur AHSS, il faut être certain d'intégrer :

• les zones sur lesquelles les bords sont étirés,
• le degré d’allongement des bords,
• le type d’étirement des bords.

2. Test pratique pour valider la contrainte sur les bords de découpe d'un acier AHSS

Il existe de nombreuses façons de générer différentes réactions et gradients de déformation des aciers AHSS : au plan de la tôle, dans le sens de l’épaisseur, ainsi que dans la résistance et la concentration le long du bord de découpe lui-même.

SSAB a créé un test pratique – le test de double pliage – qui vérifie l’angle de pliage maximal de l’acier AHSS avant la fissuration.

Nous prenons les résultats du test de double pliage et les comparons au test d'expansion de trous. Entre ces tests, il peut y avoir d’énormes différences quant aux niveaux de contrainte acceptables. Par exemple, un acier 980 DP de 1 mm peut avoir une contrainte maximale de 46 % lors du test d’expansion de trou, mais seulement 11 % lors du test de double pliage.

 

3. Cherchez les principales contraintes qui traversent les zones AHSS précontraintes

L’essai de dilatation des trous ISO 16630 pour la ductilité des bords est réalisé avec zéro pré-déformation dans un échantillon d’acier AHSS. Mais dans les faits, il est courant que la tôle AHSS soit précontrainte avant la découpe et la déformation finale des bords de découpe. Il est compliqué de concevoir un test général pour cette situation, car il est difficile de pré-contraindre le gros échantillon (100 x 100 mm) pour le test de rapport d’expansion de trou (HER). Mais alors, comment prévoir les réactions d'un AHSS dans cette situation ?

Au lieu de vous contenter uniquement du test de rapport d'expansion des trous, vous pouvez faire une simulation sur la pièce, en surveillant les contraintes majeures qui traversent les zones précontraintes. S'il y en a, plusieurs options sont possibles. Vous pouvez remplacer la matière par une nuance AHSS qui présente une meilleure ductilité des bords de découpe, ce qui vous donnera une marge de sécurité supplémentaire. Vous pouvez aussi revoir vos plans pour maintenir la précontrainte à un niveau inférieur, ou alors tâcher de déplacer la précontrainte vers une autre zone moins affectée par la contrainte finale de la pièce.

4. Demandez à SSAB de déterminer les niveaux de contrainte au cours du pliage

Le diagramme de limite de formage (FLD) est valable pour les éléments qui subissent la même contrainte sur toute leur épaisseur. Mais, si vous pliez de l’acier AHSS, vous étirez la partie externe, vous comprimez la partie interne et vous conservez une couche neutre sans déformation entre les deux. La vue standard des simulations présente la couche neutre.

Il faut donc de pencher sur le niveau de contraintes au niveau de la couche extérieure de la tôle. Pour le faire, il ne faut pas s'appuyer sur le diagramme FLD pour déterminer les faiblesses de la surface extérieure : votre résultat pourrait être trop restrictif.

Partant de là, quels sont les niveaux sans risque pour plier un AHSS ? Vous pouvez nous demander de vous fournir ces valeurs. Par donner un exemple, nous avons effectué un essai dans notre laboratoire de formage pour une épaisseur de 2 mm de Docol® 1400M, pour un client en Allemagne. Sur cette courbe, nous avons mesuré 18 % de déformation, ce qui est nettement supérieur à la déformation de 10 % qu'on déduit de la courbe limite de formage pour cette matière, si la contrainte est la même pour toute l'épaisseur (essai FLD).

5. Simulations incrémentielles de formage pour prévoir les réactions de pliage et dépliage

Si vous pliez un métal, puis le pliez dans le sens opposé et que vous recommencez d’avant en arrière, le métal finira par casser – la matière est endommagée. Cette réaction ne peut pas être prise en compte par la courbe limite de formage, elle est difficile à modéliser.

Pour donner un autre exemple, les simulations d'un autre client n’ont montré aucun problème lors du formage de l’acier AHSS – aucune contrainte qui dépassait la limite. Pourtant, des fissures se produisaient à la production ! Nous avons donc effectué une simulation de formage incrémentiel qui nous a donné une valeur de résultat spéciale appelée « déformation cumulée » (voir l’image).

 

6. Ne vous fiez pas uniquement aux tolérances mécaniques élevées des aciers AHSS

Il nous est arrivé d'entendre que les variations de qualité de la production étaient liées aux variations de matière. S'il est clair que l'homogénéité des matières AHSS est essentielle, cela ne fait pas tout.

En fait, nous effectuons des analyses de reproductibilité qui comparent les réactions nos nuances Docol^® aux nuances VDA classiques. Dans un cas, nous avons étudié une bride simple en acier AHSS à phase complexe (CP) 980 avec une tolérance de ±1° conformément à VDA 239. Vous pouvez voir le processus d’analyse complet dans notre webinaire à la demande intitulé : Simulations AHSS pour la conception automobile : 10 considérations majeures.

L’analyse a montré que cette pièce particulière, lorsqu’elle est fabriquée à partir d'acier Docol^® 980 CP, était 628 fois moins susceptible d’être hors tolérance qu’une pièce fabriquée à partir de la nuance VDA 980 CP générale – en raison des tolérances mécaniques supérieures de la matière Docol^®.

Il est toujours souhaitable que les matières soient homogènes, en particulier pour les applications en acier AHSS/UHSS/Gigapascal qui dépendent vraiment de tolérances mécaniques étroites. Mais, il est risqué de concevoir des pièces en acier AHSS uniquement en fonction de la tolérance mécanique. De nombreux autres facteurs peuvent entrer en jeu pendant la production : variations de processus, usure des outils, lubrification, etc.

Ce que nous aimons dire, c’est que le paramètre le plus important pour un traitement AHSS hautement reproductible est de prévoir une conception de pièce solide, tirant pleinement parti des géométries à haute rigidité, avec de petits rayons, en utilisant d'autres caractéristiques à bon escient.

 

7. Optimisez les plans de formage de vos aciers AHSS

Pour optimiser les plans de formage, vous devez prendre en compte de nombreux paramètres, notamment la faisabilité, la reproductibilité, la presse utilisée et l’usure des outils.

Dans notre webinaire Simulations, vous pourrez voir comment nous stimulons une même pièce automobile en acier AHSS à partir de trois approches de formage différentes : Enroulement + Bride ; Bride + Meulage de came ; et Bride avec cames.

Pour cette conception particulière de longeron, la simulation Enroulement + Bride produit un déplacement de retour élastique maximal de 10 mm, pour un aspect qui autrement semble bon. La simulation Bride + Came a un déplacement de retour élastique maximal de 13 mm, mais présente des problèmes de tolérance dans le rayon de surface convexe. La simulation Bride avec cames souffre de contraintes élevées sur les bords de découpe et d’importants écarts de précision de forme du fait des rayons de pliage.

8. Vos simulations de plissement sont peut-être trop classiques

Sur les pièces en acier AHSS aux bords fortement comprimés, sans possibilité d’utiliser un serre-flan, il faut faire une simulation sur la pièce pour tâcher de détecter tout plissement. Voici une pièce en acier AHSS de 4 mm d’épaisseur. Nous avons simulé cette pièce en utilisant trois approches différentes pour comparer les prototypes réels :

1. Une simulation effectuée sur la coque et sans contact direct a produit un résultat montrant qu'un pli est difficile à récupérer une fois produit. Pourtant, en conditions réelles, il n'y a pas de pli après le formage.
2. Une simulation reposant sur des éléments pleins entièrement intégrés et sans contact direct. Ce résultat était plus proche des conditions réelles, mais il restait des plis après le formage.
3. Une simulation à partir d’un élément solide et contact direct. Le résultat était conforme avec la réalité.

Pour les simulations d’emboutissage d'AHSS, l’approche la plus courante consiste à utiliser une coque sans contact direct. Pour déterminer la tendance au plissement, c'est un type d’élément réducteur. Ce que vous pourrez au moins affirmer, c’est que s'il n'y a pas de plissement avec des éléments de coque sans contact direct, au bout du compte, il n'y aura pas de plissement. Toutefois, comme nous l’avons montré dans cet exemple, cette approche peut apporter des limites à une pièce en acier AHSS qui ne s'appliquent pas en conditions réelles..

9. Votre simulation d’acier AHSS détecte-t-elle des forces de réaction des tôles qui pourraient conduire à une ouverture de l’outil ?

Lorsque vous utilisez des aciers AHSS/UHSS/Gigapascal, la force de réaction de la tôle augmente avec les serre-flans. Et si la force de réaction de l’acier AHSS est supérieure à la force du serre-flan, l’outil s’ouvrira. Cela conduit à un processus impossible à contrôler : vous pourrez vous retrouver avec des plis et des fissures et peu de ressemblances entre votre simulation d’acier AHSS et la réalité.

Il faut donc vérifier scrupuleusement les forces sur les supports de découpe et les patins. Certains logiciels de simulation permettent de détecter la force de réaction d'une tôle AHSS pendant l’ouverture de l’outil. Certains logiciels ajoutent discrètement plus de force au serre-flan pour maintenir les outils fermés – il est crucial de vérifier si c'est le cas pour votre logiciel de simulation.

10. Prise en compte des déformations non linéaires

Il est important de prendre en compte les défauts non linéaires. Comme la courbe limite de formage est développée pour des chemins de déformation linéaires, le formage se fait dans un seul sens jusqu’à ce qu’une rupture se produise.

En d'autres termes, former, puis reformer une même zone d’une pièce en acier AHSS, comme dans une ligne à plusieurs étapes, ne peut pas être prévu par une courbe de limites de formage (FLC). Concrètement, le résultat peut être meilleur ou pire, en fonction du chemin de la déformation.

Certains logiciels de simulation peuvent prendre en compte les déformations non linéaires. AutoForm par exemple propose un diagramme de formage non linéaire, qui calcule et transforme les déformations non linéaires et les mappe sur le FLD. Cette fonction peut s’avérer très utile pour le formage en plusieurs étapes et parfois même quand pour un formage en une seule étape, comme dans l’exemple suivant.

L’image de gauche montre un diagramme de limite de formage classique pour la pièce en acier AHSS (dans le cas présent, en Docol^® 1000DP). Du rouge apparaît dans une zone, ce qui signifie que les déformations sont supérieures à la limite de formage. L’image de droite, cependant, est le résultat non linéaire (transformé), qui montre que la pièce est effectivement correcte.