Thermo-mecano-metallurgical modelling of welding: application to welded joints in nuclear power plants

Abstract

The Thermo-Mecano-Metallurgical modelling of welding is considered in this thesis, where the high non-linearity and the multiphysics character of the problem makes necessary to study different areas of Computational Mechanics. Each of the main problems, specifically the thermal, the mechanical and the metallurgical problems, are separately investigated. In the case of the thermal problem, the primary complication is stated by the solid/liquid phase change. Classical formulations dealing with the solution of this problem suffer from instabilities associated to the discontinuity of the temperature gradient at the phase change boundary. This issue is studied in this work by considering an enriched finite element formulation. The mechanical behaviour of bodies during solidification is revisited and implemented as part of the Finite Element (FE) framework OOFELIE. In order to deal with the simulation of microstructure evolution, the conception of a computational tool flexible enough to describe a wide range of materials is undertaken. The high computational cost of welding problems is addressed by means of the formulation of Hyper-Reduced Order Models, and the parallelisation of the FE framework OOFELIE. It is shown that the speed-ups obtained with the proposed HROMs are good enough. The developed computational framework is applied to the solution of a real life application problem, more specifically, to the simulation of a large welded structure of a nuclear power plant for the prediction of WRS.

En esta tesis se considera el modelado Térmico-Mecánico-Microestructural de procesos de soldadura. En el caso del problema térmico, la principal complicación surge del cambio de fase sólido/líquido. Las formulaciones clásicas que tratan este problema sufren de inestabilidades asociadas a la discontinuidad del gradiente de temperatura en la interfaz de cambio de fase. En este trabajo, esta cuestión se estudia por medio de una formulación de elementos finitos enriquecida. El comportamiento mecánico de cuerpos que experimentan cambios de fase sólido/líquido se estudia e implementa en el software de multifísica OOFELIE. También se extiende la funcionalidad de este código al estudio de problemas microestructurales. Para esto se diseña una herramienta computacional que posea flexibilidad suficiente como para poder describir la cinética de las transformaciones microestructurales de un amplio rango de materiales. La alta complejidad computacional asociada a problemas de soldadura hace necesario considerar soluciones que ataquen este problema. Así, por un lado se formulan Modelos de Orden Hiper-Reducido (HROMs), y por el otro, se paraleliza el código FEM OOFELIE. Se demuestra que por medio de los HROMs propuestos se obtienen buenos factores de aceleración o speedups. El marco computacional desarrollado se aplica a la solución de un problema de soldadura de la vida real. Específicamente, se resuelve la soldadura de una unión soldada de una central nuclear tipo, con el objeto de predecir las tensiones residuales resultantes.