Analytical and finite element study of residual stresses in the transition zone of hydraulically expanded tube-to-tubesheet joints

Résumé

Le processus d'expansion des tubes a fait l'objet de nombreuses recherches au cours des années. La première étude menée par Oppenheimer (1927) a été consacrée à la technique de dudgeonnage des tubes par roulement mécanique. En fait, les études précédentes se sont surtout concentrées sur le procédé de fabrication de l'expansion du tube et peu d’attention à la défaillance de l’assemblage dudgeonné. En 1966, Toba A. a attiré l'attention des chercheurs sur le fait que les contraintes résiduelles dans la zone de transition du tube sont à l'origine du problème; les tubes présentent des fissures par corrosion sous contrainte. Plus tard en 1976, Krips et Podhorsky ont développé un modèle pour simuler la nouvelle méthode de dudgeonnage par pression hydraulique pour développer le tube qui présente plusieurs avantages par rapport au mandrinage par roulement. Ces améliorations sont la determination précise de la pression d'expansion nécessaire et l'expansion uniforme de la zone d’expansion. Cependant, la nouvelle méthode a réduit le niveau des contraintes résiduelles de traction dans la zone de transition, lesquelles en milieu corrosif sont les facteurs principaux de la propagation des fissures et finalement la dégradation du joint dudgeonné. Par conséquent, l'analyse de cette zone fera l'objet de cette étude. Des modèles analytique et numérique par éléments finis seront développés pour évaluer les contraintes résiduelles en tenant en compte plusieurs facteurs impliqués dans l'expansion d’un tube. Il est important de noter que les facteurs tels que le durcissement par écrouissage et le retour plastique dans la zone de transition ne seront pas traités dans ce rapport. L'étude commence par le développement d'un modèle analytique dans lequel s'applique la condition d’écoulement selon Von Mises pour un cylindre circulaire subissant une rotule plastique, lorsque soumise à un chargement axisymétrique. En fait, la pression d'expansion sera limitée afin d'éviter la déformation plastique de la plaque tubulaire, bien que son effet soit négligeable sur les contraintes de la zone de transition. Le comportement du matériau est censé être élastique parfaitement plastique (EPP). Les résultats ont révélé que trois régions différentes dans la zone de transition du tube devraient être considérées: région en rotule plastique, région partiellement plastique et région élastique. Par conséquent, la théorie des poutres sur fondation élastique et la théorie de la plasticité seront appliquées pour déterminer les contraintes résiduelles dans les différentes régions. Le modèle analytique sera validé en comparant les résultats avec ceux obtenus par éléments finis sur ANSYS Workbench 16.2. Les résultats ont montré un bon accord entre ces deux méthodes, bien que certaines limitations doivent être envisagées afin de prédire des contraintes résiduelles analytiques fiables dans la zone transition.

Date	29 mars 2018
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Hakim A. Bouzid (Directeur(-trice))