Modélisation et simulation d'une plaque en acier 4340 chauffée par induction utilisant un modèle de simulation par éléments finis : prédiction et optimisation numérique /

RÉSUMÉ : Le traitement thermique par induction est une technologie importante dans l'industrie manufacturière. Avec sa vaste gamme d'applications allant du chauffage à la fusion, du brasage au soudage et du scellement des bouchons au collage, c'est souvent la clé pour ajouter de la valeur à un processus particulier dans l'industrie. Ceci est réalisé par le fait que le chauffage par induction fournit un taux de chauffage plus élevé que tout autre procédé de chauffage commercial disponible. En raison du chauffage rapide et de la bonne reproductibilité, il est couramment utilisé pour chauffer des matériaux conducteurs à la température exacte. La capacité de génération de chaleur en profondeur en combinaison avec une intensité de chaleur élevée rapidement et dans des régions bien définies sur la pièce est une caractéristique très attrayante de cette technologie conduisant à un temps de cycle de processus réduit avec une qualité reproductible. Néanmoins, beaucoup reste à faire pour construire le meilleur profil de température possible, c’est pour cela qu’il est nécessaire de caractériser et de contrôler l’effet des paramètres de contrôle du procédé. L’objectif de cette étude consiste alors à l’étude des paramètres géométrique, électromagnétique et mécanique intervenant en chauffage par induction, destinée à une géométrie tridimensionnelle à l’acier 4340 avec inducteur asymétrique. Pour bien mener cette étude, le projet est structuré en trois grandes parties combinant la simulation, la planification d’expérience, l’analyse statistique et l’optimisation pour la création d’un modèle prédictif du profil de température. À partir des équations de Maxwell pour l’électromagnétisme et les équations de transfert de chaleur, les phénomènes physiques ont été modélisés en éclairant les lois du comportement mécanique des matériaux et en établissant la densité de courant externe. Le problème a été entamé par la méthode des éléments finis avec un modèle en 3D et réalisé dans le logiciel COMSOL. Plusieurs simulations, et des mesures de profil de température ont été effectués pour chaque partie du modèle et permettent de confirmer avec succès les hypothèses du modèle et de vérifier la qualité des résultats de la simulation. Les conclusions de ce travail ont pointé l’aspect rentable des techniques utilisées et ont donné accès à l’industrie pour des recettes simples et fiables consacrées à la conception des profils de température uniformes et plus optimisés et qui rendent possible la production des composantes mécaniques de haute performance. -- Mot(s) clé(s) en français : Traitement thermique par induction, Acier 4340, Plaque, Simulation, Profil de température, Taguchi, ANOVA, Prédiction. -- ABSTRACT : Induction heat treatment is an important technology in the manufacturing industry. With its wide range of applications ranging from heating to fusion, brazing to welding, and cap sealing to gluing, this is often the key to adding value to a particular process in industry. This is achieved by the fact that induction heating provides a higher heating rate than any other commercial heating method available. Due to the rapid heating and good reproducibility, it is commonly used to heat conductive materials to the exact temperature. The ability to generate heat at depth in combination with high heat intensity quickly and in well-defined regions on the part is a very attractive feature of this technology leading to reduced process cycle time with reproducible quality. However, much remains to be done to build the best possible temperature profile, which is why it is necessary to characterize and monitor the effect of the process control parameters. The objective of this study is then to study the geometric, electromagnetic and mechanical parameters involved in induction heating, intended for a three-dimensional geometry in 4340 steel with asymmetric inductor. To properly conduct this study, the project is structured in three main parts combining simulation, experiment planning, statistical analysis and optimization to create a predictive model of the temperature profile. From Maxwell's equations for electromagnetism and heat transfer equations, physical phenomena have been modeled by illuminating the laws of mechanical behavior of materials and by establishing the external current density. The problem was started by the finite element method with a model in 3D and carried out in the software COMSOL. Several simulations, and temperature profile measurements were performed for each part of the model and allow to successfully confirm the model assumptions and to check the quality of the simulation results. The conclusions of this work pointed out the cost-effective aspect of the techniques used and gave access to the industry for simple and reliable recipes devoted to the design of uniform and more optimized temperature profiles and which make possible the production of mechanical components of high performance. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Induction heat treatment, 4340 steel, Plate, Simulation, Temperature profile, Taguchi, ANOVA, Prediction