III.2.2 Contraintes et déplacements
résiduels
Les contraintes résiduelles induites par les soudures
continues sont dues à un champ de températures
élevé non uniforme. Les contraintes internes d'origine thermique
se régénèrent pendant la soudure et elles sont
extrêmement sensibles aux variations de températures. La
répartition de la température dépend de quantité de
chaleur totale et des modèles de sa distribution dans le joint de
soudure. Les résultats obtenus numériquement de l'analyse
mécanique montrent l'intensité et la distribution des contraintes
résiduelles longitudinales axx, transversales ayy,
circonférentielles azz et de cisaillement axy et le
déplacement résiduel en fonction de la distance d.
III.2.2.1 Contours de contraintes et de
déplacements résiduels
La figure III.3 illustre les contours de contraintes
résiduelles et de déplacements de la structure. Après
refroidissement, le métal présente un état de contraintes
et de distorsions résiduelles. On remarque que des contraintes
longitudinales et circonférentielles atteignent des valeurs
significatives. Les contraintes transversales présentent des valeurs
maximales au niveau de la partie extérieure du cylindre mais
|
Chapitre III
|
Résultats et discussions
|
elles restent relativement faibles, comparativement aux
contraintes résiduelles axx et azz. Néanmoins, elles
augmentent le risque à la ruine de la jonction métallique parce
qu'elles s'ajoutent aux sollicitations extérieures. Celles-ci sont dues
à la pression du gaz dans la canalisation. Une prise en compte de ces
contraintes est donc indispensable.
(a) (b)
61
(c) (d)
(e)
Figure III.3: Contours de contraintes
résiduelles: (a) longitudinales axx, (b) transversales ayy, (c)
circonférentielles azz et (d) de cisaillement axy. (e)
Déformation du modèle géométrique Uy.
Chapitre III Résultats et discussions
62
III.2.2.2 Courbes de contraintes résiduelles
a. Contraintes résiduelles longitudinales et
circonférentielles
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
-20
d [m]
-40
-60
-80
-100
-120
-140
x
(a)
(a)
40
20
0
cixx cizz
Contraintes résiduelles [MPa]
Les courbes de la figure III.4 (a) et (b) montrent la
variation des contraintes résiduelles longitudinales cixx et
circonférentiels cizz en fonction de la distance d respectivement pour
les surfaces intérieure et extérieure du cylindre. D'après
la figure III.4 (a) on note que la surface intérieure se trouve en
compression sous l'effet des contraintes résiduelles
circonférentielles et axiales. L'état de contrainte met le
voisinage de la ZAT en compression. Une partie du métal de base lointain
de la ZAT se trouve en traction sous l'influence des contraintes internes
axiales. On observe sur la figure III.4 (b) que la surface extérieure
trouve en compression totale sous l'influence des contraintes axiales et
circonférentielles. Celles-ci sont supérieures en valeur absolues
à celles de la surface intérieure. En particulier, un pic de
contraintes est constaté dans la zone affectée thermiquement.
63
Chapitre III Résultats et discussions
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
d [m]
x
(b)
0
-50
-100
-150
-200
Contraintes résiduelles [MPa]
-250
?xx ?zz
(b)
Figure III.4 : Variation des contraintes
résiduelles longitudinales et circonférentielles. (a) Pour la
surface intérieure et (b) pour la surface extérieure du
cylindre.
Pour mieux illustrer le pic des contraintes résiduelles
sur la partie extérieure au niveau de la zone affectée
thermiquement, on propose de présenter la répartition des
contraintes internes le long de l'axe x pour une courte distance d (voir figure
III.5). On remarque que les valeurs maximales des contraintes calculées
numériquement se trouvent au niveau de la partie limitrophe du bain
fondu. Bien que nous ne disposions pas de moyens expérimentaux pour
déterminer exactement l'étendue de la ZAT, on admet que le pic de
contrainte se trouve au niveau de cette zone dite critique. Notons
également que l'allure des deux courbes qui définissent la
distribution des contraintes longitudinales et circonférentielles sont
semblables. On observe que les contraintes longitudinales et
circonférentielles sont négligeables sur le bord libre de la
canalisation (d = 0.5m).
Chapitre III Résultats et discussions
Bain fondu
|
|
|
|
|
?xx
?zz
|
|
|
-80
|
|
|
|
|
Contrainte résiduelle [MPa]
|
|
|
|
|
|
-100
|
|
|
|
|
|
-120
|
|
|
|
|
|
-140 -160 -180 -200 -220
|
|
|
|
|
|
-240
|
|
|
|
x
|
64
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020
d [m]
Figure III.5 : Etat de contraintes
résiduelles longitudinal et circonférentiels de la
face
extérieure du cylindre
Les résultats thermiques déterminées
précédemment (figure III.2) montrent que le passage de la source
de chaleur développe un gradient de température important
à travers la section de coupe axiale, la température atteint sa
valeur maximale dans la zone fondue puis elle diminue progressivement loin du
centre de la ligne de soudure jusqu'à la température ambiante au
bord libre de la canalisation. Cette variation de température est due
à un transfert de chaleur par conduction et une perte d'énergie
par convection et rayonnement avec le milieu extérieur.
En effet, pendant la phase de chauffage les zones de
métal de base voisines de la soudure sont portées à haute
températures et leur dilatation est entravée par les zones plus
éloignées et donc plus froides. La masse volumique (poids du
matériau) et une vitesse importante de chauffage présentent
à leur tour un obstacle à cette expansion thermique. In en
résulte un écrasement plastique des zones voisines de la soudure
et un état de gonflement.
Chapitre III Résultats et discussions
65
Au cours du refroidissement, le retrait du cordon et des zones
précédentes est totalement ou partiellement empêché.
Des contraintes résiduelles de compression prennent naissance dans la
zone initialement dilatée et moins importantes au-delà de cette
zone, voire négligeable au niveau du métal lointain. Des
contraintes transversales óyy prennent naissance au cours du
refroidissement.
b. Contraintes résiduelles
transversales
La répartition et l'intensité des contraintes
résiduelles sont déterminées en fonction de la distance d
pour les deux faces externe et interne et au milieu de l'épaisseur du
cylindre, comme le montre la figure III.6. On note qu'au niveau du bain fondu
les contraintes transversales sont positives et ceci est dû au gonflement
de la structure, elles diminuent graduellement de la surface extérieure
vers l'intérieur du cylindre. Au voisinage de cette zone, les
contraintes óyy atteignent des valeurs maximales de l'ordre de
-27.735MPa sur la face supérieure. Leur intensité
décroît de la partie extérieure vers la partie
intérieure et elle est négligeable au niveau de la face
intérieure.
d [m]
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 xx
?[MPa]
yy
0
30
20
10
-10
-20
-30
e=0 e=0.02 e=0.023
Figure III.6 : Variation des contraintes
résiduelles transversales óyy en fonction de la
distance d.
Chapitre III Résultats et discussions
66
| 
