ISO/TS 18166:2016

TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 18166
First edition
Numerical welding simulation —
Execution and documentation
Simulation numérique de soudage — Exécution et documentation
PROOF/ÉPREUVE
Reference number
ISO/TS 18166:2015(E)
©
ISO 2015

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ISO/TS 18166:2015(E)

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ISO/TS 18166:2015(E)

ISO/CEN PARALLEL PROCESSING
This final draft has been developed within the International Organization for Standardization (ISO), and pro-
cessed under the ISO-lead mode of collaboration as defined in the Vienna Agreement. The final draft was
established on the basis of comments received during a parallel enquiry on the draft.
This final draft is hereby submitted to the ISO member bodies and to the CEN member bodies for a parallel
two-month approval vote in ISO and formal vote in CEN.
Positive votes shall not be accompanied by comments.
Negative votes shall be accompanied by the relevant technical reasons.
© ISO 2015 – All rights reserved iii

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ISO/TS 18166:2015(E)

Contents Page
Foreword .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 2
3 Terms and definitions . 2
4 Description of the problem . 3
4.1 General . 3
4.2 Simulation object . 4
4.3 Simulation objectives . 4
4.4 Physical model . . 4
4.5 Mathematical model and solution method . 5
4.6 Implementation . 5
5 Workflow . 5
5.1 General . 5
5.2 Simplifications and assumptions . 6
5.2.1 General. 6
5.2.2 Material properties . 6
5.2.3 Model scale and scope . 6
5.2.4 Analysis coupling . 6
5.3 Process description and parameters . 6
5.4 Structure and weld geometries . 7
5.5 Materials . 7
5.5.1 General. 7
5.5.2 Thermo-physical material properties . 7
5.5.3 Thermo-mechanical material properties . 7
5.6 Loads and boundary conditions. 7
5.6.1 General. 7
5.6.2 Thermal. 7
5.6.3 Mechanical . 8
5.7 Results review . 8
5.8 Reporting . 8
6 Validation and verification . 8
6.1 General . 8
6.2 Verification of the simulation model . 8
6.3 Calibration of the model parameters . 8
6.4 Plausibility check of the simulation results . 8
6.5 Validation of the simulation results . 9
6.5.1 General. 9
6.5.2 Validation experiment guidelines . 9
7 Reporting/display of results . 9
7.1 General . 9
7.2 Simulation object . 9
7.3 Material properties and input data .10
7.4 Process parameter .10
7.5 Meshing .10
7.6 Numerical model parameters .10
7.7 Analysis of results .10
Annex A (informative) Documentation template .11
Annex B (informative) Modelling of heat transfer during welding .12
Annex C (informative) Requirements for validation experiment guidelines .14
Annex D (informative) Modelling of residual stresses .16
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ISO/TS 18166:2015(E)

Annex E (informative) Distortion prediction .17
Bibliography .19
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ISO/TS 18166:2015(E)

Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical Barriers
to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information
The committee responsible for this document is ISO/TC 44, Welding and allied processes, and by Technical
Committee CEN/TC 121, Welding and allied processes in collaboration.
Clause 4 of this Technical Specification provides more detailed information relating to the generally
valid simulation structure and to the corresponding application. Clause 5 refers to corresponding parts
of this DIN SPEC (Pre-standard) in which the structure for the respective application cases is put in
concrete terms and examples are given.
You will find in Annex A the documentation template to promote the consistency of the reported
simulation results.
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TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 18166:2015(E)
Numerical welding simulation — Execution and
documentation
1 Scope
This Technical Specification (TS) provides a workflow for the execution, validation, verification, and
documentation of a numerical welding simulation within the field of computational welding mechanics
(CWM). As such, this Technical Specification primarily addresses thermal and mechanical finite element
analysis (FEA) of the fusion welding (see ISO/TR 25901:2007, 2.165) of metal parts and fabrications.
CWM is a broad and growing area of engineering analysis.
This Technical Specification covers the following aspects and results of CWM, excluding simulation of
the process itself:
— heat flow during the analysis of one or more passes;
— thermal expansion as a result of the heat flow;
— thermal stresses;
— development of inelastic strains;
— effect of temperature on material properties;
— predictions of residual stress distributions;
— predictions of welding distortion.
This Technical Specification will refer to the following physical effects, but these will not be covered in depth:
— physics of the heat source (e.g. laser or welding arc);
— physics of the melt pool (and key hole for power beam welds);
— creation and retention of non-equilibrium solid phases;
— solution and precipitation of second phase particles;
— effect of microstructure on material properties.
This Technical Specification guidance has not been prepared for use in a specific industry. CWM can be
beneficial in design and assessment of a wide range of components. The Technical Specification contains
a system of weightings that will provide the user with an estimated accuracy level. It is anticipated
that these will enable industrial bodies or companies to define required levels of CWM for specific
applications.
This Technical Specification is independent of the software and implementation, and therefore is not
restricted to FEA, or to any particular industry.
It provides a consistent framework for-primary aspects of the commonly adopted methods and goals of
CWM (including validation and verification to allow an objective judgment of simulation results).
Through presentation and description of the minimal required aspects of a complete numerical welding
simulation, an introduction to computational welding mechanics (CWM) is also provided. (Examples
are provided to illustrate the application of this Technical Specification, which can further aid those
interested in developing CWM competency).
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ISO/TS 18166:2015(E)

2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO/TR 25901, Welding and related processes — Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO/TR 25901 and the following apply.
3.1
boundary conditions
conditions imposed at the spatial boundary of a computational model that describe the interaction
between the modelled and unmodelled domains
Note 1 to entry: Complete boundary conditions provide a unique solution to the specific mathematical problem
being solved.
3.2
geometric model
description of all geometries analysed within a simulation including the dimensionality of the
simulation object
3.3
mathematical model
model comprising the underlying essential mathematical equations including the appropriate initial
and boundary conditions
3.4
numerical simulation
simulation performed by adopting approximate mathematical methods generally performed on a computer
3.5
physical model
full array of the physical process to be simulated and boundary and initial conditions relevant to the
simulation object as well as adopted simplifications and assumptions
3.6
plausibility check
check of the obtained calculation results in respect of their conformity with basic physical principles
3.7
simulation model
combination of the physical, geometrical and mathematical models and the solution method
3.8
spatial discretization
distribution and type of the geometric units for subdividing the geometric model
3.9
temporal discretization
step size and number of time units for subdividing the duration being modeled
3.10
validation
process of determining the degree to which a model is an accurate representation of the physical problem
from the perspective of the intended uses of the model
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ISO/TS 18166:2015(E)

3.11
validation experiment
experiment designed specifically for validating the simulation results taking account of all relevant data
and their uncertainty
3.12
verification
demonstration of the correctness of the simulation model
3.13
calibration
process of adjusting modelling parameter values in the simulation model for the purpose of improving
agreement with reliable experimental data
3.14
model
mathematical representation of a physical system or process
3.15
finite element analysis
FEA
numerical method for solving partial differential equations that describes the response of a system to loading
3.16
heat flux
rate at which thermal energy is transferred through a unit area of surface
3.17
power density
amount of thermal power absorbed or generated per unit volume
3.18
prediction
estimation of the response of a physical system using a mathematical model
3.19
computational welding mechanics
CWM
subset of numerical simulation and analysis of welding
4 Description of the problem
4.1 General
Computational welding mechanics is a subset of numerical simulation and analysis of welding that is
primarily accomplished through use of the finite element method. Nonlinear thermal and mechanical
analyses are performed, which can be sequentially or fully coupled, where the welding power is
applied to the computational model in some way, and the resulting transient temperature (and possibly
microstructure) fields are then combined with mechanical material properties/models and boundary
conditions to predict the stress and strain in the model and its distortion. This description is not
intended to be all inclusive or restrictive, but is provided to establish the typical expected use to which
this Technical Specification might apply.
This Technical Specification addresses the general CWM problem, which can be defined as a three-
dimensional solid element model employing a travelling power density heat source with simultaneous
calculation of temperature, microstructure and displacement, utilizing elasto-visco-plastic constitutive
models based on material properties ranging from room temperature to beyond the melting temperature.
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ISO/TS 18166:2015(E)

This does not preclude use of simplified methods, but rather provides a simulation method benchmark
from which simplifications can be judged. The need for simplifications are primarily driven by
computational limitations (size and speed), and apply to many industry problems, such as heavy section
welds in the pressure vessel or shipbuilding industries. As any simplification of the mathematical model
that represents the physical system may increase uncertainty in the simulation results, this shall be
counterbalanced with more effort in verification and validation of the model. Note that all computational
models require verification and validation, and this subject is addressed in greater detail in Clause 6.
The preceding discussion is formalized and expanded upon in the remaining subclauses.
4.2 Simulation object
The first item comprises the exact description of the component or overall structure, respectively, to be
investigated (e.g. geometry, service conditions), of the employed base and filler materials, of the welding
procedure and parameters, of the applied welding sequence as well as of the restraint conditions.
Optionally, a complementary graphical representation or photograph may be attached.
4.3 Simulation objectives
This item concerns the definition of the desired simulation results which ensue from the real task at
hand. This is particularly important since many realistic problems still require simplification in order
to be analysed with reasonable effort.
Examples include the calculation of welding residual stresses and/or distortions, the assessment of the
heat affected zone and its characteristics or the welding procedure net heat input.
In addition, the ultimate aim should be stated to which the desired simulation results are intended to be
further applied, such as:
— assessment of the structural integrity of the object under specified service loading conditions,
possibly including postulated or known material faults;
— optimization of necessary post weld treatment processes for the relief of welding distortions and/or
residual stresses;
— optimization of welding procedures;
— minimization of welding distortion and stresses.
4.4 Physical model
Depending on the objectives defined in 4.3, this item concerns the compilation of the respective
appropriate physical effects boundary conditions and adopted simplifications and assumptions to be
simulated. Depending on the desired model complexity, the following exemplary physical effects and
influencing variables can be relevant:
— heat transport via heat conduction in the solid;
— convection and radiation at the surface;
— stress versus strain;
— materials changes such as microstructure transformations;
— dissolution or precipitation;
— mechanical behaviour such as elasticity;
— instantaneous or time dependant-plasticity;
— strain hardening and recovery effect;
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— thermal expansion;
— transformation induced plasticity.
These factors can be described either by text, graphs, tables, or formulae. The real boundary conditions,
most especially initial temperature in the solid, room temperature, and clamping conditions shall be
described purposefully.
The simplifications that have turned out to be necessary when defining the simulations goals and that
will be adopted in performing the simulation shall be described. The subsequent assumptions shall be
justified by verification and validation procedures detailed in Clause 6.
4.5 Mathematical model and solution method
Based on the factors compiled in 4.4, a correspondingly suited mathematical model shall here be
defined. To do this, the underlying essential differential equations shall be given or referred to. This
definition concern the geometrical model (2D, 3D), supplemented by the mathematical description of
the heat source as well as of the initial and boundary conditions. In case of general purpose commercial
mechanical analysis software, the selected options of the mathematical solution should be summarized.
Although the typical envisaged solution method is finite element method (FEM), the solution method
should always be stated, e.g. analytical method, different or complementary numerical method, or
stochastical approach.
4.6 Implementation
The description of the implementation comprises specific details relating to the simulation object
according to 4.2 and concerning the spatial discretization, e.g.:
— FE-meshing including the specification of the element types;
— temporal discretization;
— material characteristics;
— initial and boundary conditions.
The result of the implementation is the simulation model.
5 Workflow
5.1 General
The numerical modelling [choice of finite elements (FE), discretization, solver, etc.] is a part of
computational solid mechanics specialist’s job and not in the scope of this Technical Specification.
The reader is referred to ASME V&V which provides a detailed framework for verification and validation
(or “validation and verification”) of general computational solid mechanics and also to R6 for a
standardized technique for CWM.
Following description of the workflow, recommended methodology for verification and validation (or
“validation and verification”) is given in the next clause.
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ISO/TS 18166:2015(E)

5.2 Simplifications and assumptions
5.2.1 General
Simplifications and assumptions are a part of any simulation model, to varying degrees. This clause is
intended to address key analysis inputs; those that are either fundamental to the analysis, or that the
analysis will be particularly sensitive to.
5.2.2 Material properties
Accuracy of the prediction by CWM relies in part on the accuracy of thermophysical and thermomechanical
properties used by the models. Material properties uncertainty can be greatly reduced by state of the art
testing; however, even in this case, property determination is not possible over the full temperature range
of the welding problem. Therefore, assumptions are inherent to selection of material properties, and
shall be thoroughly documented. The typical way of addressing this uncertainty is through a sensitivity
analysis to any properties which are estimated or to any properties with significant uncertainty.
NOTE Use of a cutoff temperature is a common approach to significantly reduce the impact of high temperature
property uncertainty.
5.2.3 Model scale and scope
One of the primary choices to be made for a CWM model is the model scale and scope. The exact
description is in the simulation object, as defined in 4.2. If the exact description is not implemented in
the simulation model, then an assumption or simplification has been applied to the problem. The most
common simplification with respect to scale and scope in the context of CWM is replacement of a 3D
model with a 2D idealization. 3D modelling and analysis is the most rigorous approach for CWM; this is
because the welding process is inherently 3D and intensely local for all but the fastest welding speeds or
thinnest sections. However, as long as the simplifications used in a given CWM analyses are understood,
the degree of simplification may be perfectly acceptable for the specific problem being studied. In fact,
2D analysis can allow rapid access to often qualitatively meaningful results. 2D models are also useful for
heavy section multipass welds to qualitatively investigate the impact of weld sequence changes and major
geometric changes. However, the specific quality of the solution and magnitude of the approximation are
strongly a function of part size, thickness, and welding inputs. A brief discussion follows for the common
analysis assumptions. The choice of 2D (axisymmetric, plane strain, plane stress), 3D (brick, solid), or
shell model is determined by the simulation objectives and the characteristics of the analyses.
5.2.4 Analysis coupling
CWM often uses a sequentially-coupled approach, where the mechanical analysis follows the thermal
analysis. The sequentially-c
...

SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 18166
Première édition
2016-03-01
Simulation numérique de soudage —
Exécution et documentation
Numerical welding simulation — Execution and documentation
Numéro de référence
ISO/TS 18166:2016(F)
©
ISO 2016

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ISO/TS 18166:2016(F)

DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
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ii © ISO 2016 – Tous droits réservés

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ISO/TS 18166:2016(F)

Sommaire Page
Avant-propos .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 2
3 Termes et définitions . 2
4 Description du problème . 3
4.1 Généralités . 3
4.2 Objet de la simulation . 4
4.3 Objectifs de la simulation . 4
4.4 Modèle physique. 5
4.5 Modèle mathématique et méthode de résolution. 5
4.6 Mise en œuvre. 5
5 Plan de travail . 6
5.1 Généralités . 6
5.2 Simplifications et hypothèses . 6
5.2.1 Généralités . 6
5.2.2 Propriétés des matériaux . 6
5.2.3 Échelle et domaine d’application du modèle. 6
5.2.4 Couplage d’analyses . 7
5.3 Paramètres et description du procédé . 7
5.4 Structure et géométries de soudure . 7
5.5 Matériaux . 7
5.5.1 Généralités . 7
5.5.2 Propriétés thermophysiques des matériaux . 7
5.5.3 Propriétés thermomécaniques des matériaux . 7
5.6 Conditions de charge et conditions aux limites . 8
5.6.1 Généralités . 8
5.6.2 Analyse thermique . 8
5.6.3 Analyse mécanique . 8
5.7 Revue des résultats . 8
5.8 Rapport . 8
6 Validation et vérification . 8
6.1 Généralités . 8
6.2 Vérification du modèle de simulation . 9
6.3 Ajustement des paramètres du modèle . 9
6.4 Contrôle de la vraisemblance des résultats de simulation . 9
6.5 Validation des résultats de simulation . 9
6.5.1 Généralités . 9
6.5.2 Guide des bonnes pratiques des expériences de validation . 9
7 Rapport/présentation des résultats .10
7.1 Généralités .10
7.2 Objet de la simulation .10
7.3 Propriétés des matériaux et données d’entrée .10
7.4 Paramètres du procédé .10
7.5 Maillage .10
7.6 Paramètres du modèle numérique .11
7.7 Analyse des résultats .11
Annexe A (informative) Modèle de document .12
Annexe B (informative) Modélisation du transfert thermique pendant le soudage.13
Annexe C (informative) Lignes directrices pour des expériences de validation .15
Annexe D (informative) Modélisation des contraintes résiduelles .17
© ISO 2016 – Tous droits réservés iii

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Annexe E (informative) Prédiction des distorsions .19
Bibliographie .21
iv © ISO 2016 – Tous droits réservés

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ISO/TS 18166:2016(F)

Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à
l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes
de l’OMC concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: Avant-propos -
Informations supplémentaires.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 44, Soudage et techniques connexes.
Il convient d’adresser les demandes d’interprétation officielles de l’un quelconque des aspects de
la présente Spécification technique au secrétariat de l’ISO/TC 44 via votre organisme national de
normalisation. La liste exhaustive de ces organismes peut être trouvée à l’adresse www.iso.org.
© ISO 2016 – Tous droits réservés v

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SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 18166:2016(F)
Simulation numérique de soudage — Exécution et
documentation
1 Domaine d’application
La présente Spécification technique fournit une séquence d’exécution, de validation, de vérification et
de documentation d’une simulation numérique de soudage dans le domaine de la mécanique du solide.
À cet effet, elle traite principalement de l’analyse thermique et mécanique, par la méthode des éléments
finis, du soudage par fusion (voir ISO/TR 25901:2007, 2.165) d’assemblages métalliques.
La simulation numérique du soudage est une discipline en plein essor dans le domaine de l’ingénierie.
La présente Spécification technique couvre les aspects et résultats suivants de la simulation numérique
du soudage, à l’exclusion de la simulation du procédé en lui-même:
— le flux thermique pendant l’analyse d’une ou de plusieurs passes;
— la dilatation thermique qui résulte de la conduction thermique;
— les contraintes thermiques;
— le développement de déformations plastiques;
— l’effet de la température sur les propriétés des matériaux;
— la prédiction de la distribution des contraintes résiduelles;
— la prédiction des déformations générées par le soudage.
La présente Spécification technique fait référence aux effets physiques suivants, mais elle ne les traite
pas de manière approfondie:
— physique de la source de chaleur (par exemple, un laser ou un arc de soudage);
— physique du bain de fusion (et du key hole pour les soudures par faisceau d’électrons);
— création et rétention de phases solides en hors équilibre;
— solution et précipitation de particules de seconde phase;
— effet de la microstructure sur les propriétés des matériaux.
Les préconisations de la présente Spécification technique n’ont pas été élaborées pour être utilisées
dans un secteur spécifique. La simulation numérique du soudage peut être bénéfique dans la conception
et dimensionnement de nombreuses pièces. Il est prévu que cela permettra aux sociétés ou aux
organismes industriels de définir les niveaux exigés en simulation numérique du soudage pour leurs
applications spécifiques.
La présente Spécification technique n’est pas dépendante du logiciel et de la mise en œuvre. Elle n’est
dès lors pas exclusivement destinée à l’analyse par éléments finis ni à un secteur en particulier.
La présente Spécification technique offre un cadre cohérent pour les principaux aspects des méthodes
et objectifs couramment adoptés pour la simulation numérique du soudage (y compris la validation et
la vérification en vue de formuler un jugement objectif sur les résultats de simulation).
La présente Spécification technique propose également une introduction à la simulation numérique
du soudage, avec la présentation et la description des critères minimum exigés d’une simulation
numérique de soudage complète. (Des exemples qui peuvent aider les personnes souhaitant développer
© ISO 2016 – Tous droits réservés 1

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ISO/TS 18166:2016(F)

des compétences en simulation numérique du soudage sont donnés pour illustrer l’application de la
présente Spécification technique.)
L’Article 4 de la présente Spécification technique fournit des informations détaillées sur la structure
de simulation généralement valable et sur l’application correspondante. L’Article 5 regroupe les
parties de la présente spécification qui décrivent en termes concrets la structure des cas d’application
correspondants et donnent des exemples. L’Annexe A fournit un modèle de document destiné à favoriser
la cohérence des résultats de simulation communiqués.
2 Références normatives
Les documents suivants, en tout ou partie, sont référencés de façon normative dans le présent document
et sont indispensables à son application. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO/TR 25901, Welding and related processes — Vocabulary
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO/TR 25901 ainsi que
les suivants s’appliquent.
3.1
conditions aux limites
conditions imposées au niveau des limites spatiales d’un modèle de calcul numérique, décrivant
l’interaction entre les domaines modélisés et non modélisés
Note 1 à l’article: Des conditions aux limites complètes offrent une solution unique au problème mathématique à
résoudre.
3.2
modèle géométrique
description de l’ensemble des géométries analysées dans le cadre d’une simulation, dimensions de
l’objet de la simulation comprise
3.3
modèle mathématique
modèle comprenant les équations mathématiques essentielles sous-jacentes, conditions initiales et
conditions aux limites appropriées comprises
3.4
simulation numérique
simulation généralement réalisée sur ordinateur par le biais de méthodes mathématiques d’estimation
3.5
modèle physique
éventail complet du processus physique à simuler, conditions initiales et conditions aux limites
pertinentes pour l’objet de la simulation, et simplifications et hypothèses adoptées
3.6
contrôle de vraisemblance
contrôle des résultats de calcul au regard de leur conformité aux principes physiques de base
3.7
modèle de simulation
combinaison des modèles physiques, géométriques et mathématiques et de la méthode de résolution
2 © ISO 2016 – Tous droits réservés

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ISO/TS 18166:2016(F)

3.8
discrétisation spatiale
distribution et type des unités géométriques subdivisant le modèle géométrique
3.9
discrétisation temporelle
pas et nombre d’unités de temps subdivisant la durée de la modélisation
3.10
validation
processus consistant à déterminer le degré d’exactitude d’un modèle dans sa représentation du
problème physique, par rapport à l’usage prévu de ce modèle
3.11
expérience de validation
expérience spécifiquement conçue afin de valider les résultats de simulation en tenant compte de
l’ensemble des données pertinentes et de leur incertitude
3.12
vérification
démonstration de l’exactitude du modèle de simulation
3.13
ajustement
processus consistant à ajuster (ou calibrer par anglicisme) les paramètres de modélisation dans le
modèle de simulation afin d’améliorer la concordance avec des données expérimentales fiables
3.14
modèle
représentation mathématique d’un système ou d’un processus physique
3.15
méthode des éléments finis
MEF
méthode de résolution numérique d’équations différentielles partielles, décrivant la réaction d’un
système à la charge
3.16
flux thermique
vitesse à laquelle l’énergie thermique est transférée par unité de surface
3.17
densité de puissance
puissance thermique absorbée ou générée par unité de volume
3.18
prédiction
estimation de la réaction d’un système physique à l’aide d’un modèle mathématique
3.19
simulation numérique du soudage
SNS
sous-ensemble de la simulation et de l’analyse numériques du soudage
4 Description du problème
4.1 Généralités
La simulation numérique thermomécanique du soudage est un sous-ensemble de la simulation
et de l’analyse numériques du soudage qui est principalement fondé sur la méthode des éléments
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ISO/TS 18166:2016(F)

finis. Elle utilise des analyses thermiques et mécaniques non linéaires, qui peuvent être couplées de
manière séquentielle ou intégrale, dans lesquelles on applique la puissance de soudage au modèle
de calcul numérique d’une certaine manière et on combine les champs de température transitoire
(et éventuellement de microstructure) qui en résultent avec les modèles/propriétés mécaniques des
matériaux en considérant les conditions aux limites afin de prédire les contraintes et déformations
intervenant dans le modèle. La présente description n’a pas vocation à être exhaustive ou restrictive
mais est fournie afin d’établir l’usage généralement prévu auquel la présente Spécification technique
peut s’appliquer.
La présente Spécification technique traite de la SNS en général, qui peut être définie comme un modèle
tridimensionnel d’élément solide employant une source de chaleur mobile de densité de puissance avec
calcul simultané de la température, de la microstructure et du déplacement, utilisant des modèles
constitutifs élasto-viscoplastiques basés sur les propriétés des matériaux dans des températures
partant de la température ambiante à la température de fusion.
Elle n’empêche pas l’emploi de méthodes simplifiées mais offre une méthode de simulation de référence
pour juger les simplifications. La nécessité de simplifier est essentiellement due aux limites (taille et
durée) des calculs et s’applique à de nombreux problèmes industriels, tels que les soudures de fortes
épaisseurs dans l’industrie des appareils sous pression ou de la construction navale. Le fait que toute
simplification du modèle mathématique qui représente le système physique peut accroître le degré
d’incertitude des résultats de simulation doit être contrebalancé par un effort accru de vérification et
de validation du modèle. À noter que tous les modèles de calcul numérique nécessitent d’être vérifiés et
validés, sujet qui est traité plus en détails à l’Article 6. La discussion précédente est formalisée et plus
amplement développée dans les autres paragraphes.
4.2 Objet de la simulation
Le premier point comprend, respectivement, la description exacte de la pièce ou de l’ensemble de la
structure à étudier (par exemple, géométrie, conditions de service), des matériaux de base et d’apport
employés, du mode opératoire et des paramètres de soudage, de la séquence de soudage appliquée ainsi
que des conditions de bridage. Une représentation graphique ou photographique complémentaire peut
éventuellement être jointe.
4.3 Objectifs de la simulation
Ce point concerne la définition des résultats de simulation souhaités pour la tâche à accomplir. Il revêt
une importance particulière dans la mesure où de nombreux problèmes réalistes nécessitent une
simplification plus poussée pour pouvoir être analysés au prix d’efforts raisonnables.
Il peut s’agir, par exemple, du calcul des contraintes résiduelles et/ou des déformations générées par le
soudage, ou de l’évaluation de la zone affectée thermiquement et de ses caractéristiques ou de l’apport
de chaleur net du mode opératoire de soudage.
Il convient par ailleurs de définir l’objectif final de l’application pour définir les résultats de simulation
souhaités, par exemple:
— évaluation de l’intégrité structurelle de l’objet dans des conditions de charge en service spécifiées,
y compris, éventuellement, tout défaut de matériau supposé ou connu;
— optimisation des traitements après soudage nécessaires à la réduction des déformations générées
par le soudage et/ou des contraintes résiduelles;
— optimisation des modes opératoires de soudage;
— minimisation des déformations et contraintes générées par le soudage.
4 © ISO 2016 – Tous droits réservés

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ISO/TS 18166:2016(F)

4.4 Modèle physique
Suivant les objectifs définis en 4.3, ce point concerne l’association des conditions aux limites, des effets
physiques appropriés respectifs, des simplifications adoptées et des hypothèses à simuler. Suivant
la complexité du modèle souhaité, les exemples de variables influentes et d’effets physiques suivants
peuvent s’avérer pertinents:
— transport de chaleur par conduction thermique à l’intérieur du solide;
— convection et radiation en surface;
— contrainte en fonction de la déformation;
— changements de matériaux tels que les transformations de la microstructure;
— dissolution ou précipitation;
— comportement mécanique tel que l’élasticité;
— plasticité instantanée ou dépendant du temps;
— écrouissage et effet de restauration;
— dilatation thermique;
— plasticité induite par la transformation.
Ces facteurs peuvent être décrits par des textes, des graphiques, des tableaux ou des formules. Les
conditions aux limites réelles et, plus particulièrement, la température initiale à l’intérieur du solide, la
température ambiante et les conditions de serrage doivent être décrites en détails.
Les simplifications qui se sont avérées nécessaires lors de la définition des objectifs de la simulation
et qui sont adoptées pour exécuter la simulation doivent être décrites. Les hypothèses subséquentes
doivent être justifiées par le biais des procédures de vérification et de validation détaillées à l’Article 6.
4.5 Modèle mathématique et méthode de résolution
Sur la base des facteurs décrits en 4.4, il faut définir un modèle mathématique proportionnellement
adapté. Pour ce faire, il faut présenter ou mentionner les équations différentielles essentielles sous-
jacentes. Cette définition concerne le modèle géométrique (2D, 3D), complété par la description
mathématique de la source de chaleur ainsi que des conditions initiales et des conditions aux limites.
En présence d’un logiciel commercial généraliste d’analyse mécanique, il convient de synthétiser les
options sélectionnées pour la résolution mathématique.
Bien que la méthode de résolution généralement envisagée soit la méthode des éléments finis, il convient
de toujours décrire la méthode de résolution, par exemple, méthode analytique, méthode numérique
différente ou complémentaire ou approche stochastique.
4.6 Mise en œuvre
La description de la mise en œuvre comprend des détails spécifiques liés à l’objet de la simulation selon
4.2 et concernant la discrétisation spatiale, par exemple:
— maillage des éléments finis, spécification des types d’éléments comprise;
— discrétisation temporelle;
— caractéristiques des matériaux;
— conditions initiales et conditions aux limites.
Le résultat de la mise en œuvre est le modèle de simulation.
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ISO/TS 18166:2016(F)

5 Plan de travail
5.1 Généralités
La modélisation numérique (choix des éléments finis, discrétisation, résolveur, etc.) fait partie des
compétences du spécialiste en mécanique numérique des solides et n’entre pas dans le domaine
d’application de la présente Spécification technique.
[2]
Il est conseillé au lecteur de se référer à l’ASME V&V, qui donne un cadre détaillé pour la vérification
et la validation (ou « la validation et la vérification ») en mécanique numérique du solide, ainsi qu’à la
[3] [4]
règle R6 et l’AWS A9.5, qui donne une technique de SNS normalisée.
Suite à la description du plan de travail, la méthodologie recommandée pour vérifier et valider (ou
« valider et vérifier ») est donnée au paragraphe suivant.
5.2 Simplifications et hypothèses
5.2.1 Généralités
Les simplifications et les hypothèses font partie de tout modèle de simulation, à différents degrés. Le
présent paragraphe vise à traiter des données d’entrée essentielles à l’analyse, c’est-à-dire celles qui
sont fondamentales pour l’analyse ou celles auxquelles l’analyse est particulièrement sensible.
5.2.2 Propriétés des matériaux
L’exactitude des prédictions de la SNS dépend en partie de celle des propriétés thermo-physiques et
thermomécaniques utilisées par les modèles. L’incertitude des propriétés des matériaux peut être
sérieusement réduite par des essais sophistiqués; même dans ce cas, il n’est toutefois pas possible de
déterminer ces propriétés sur toute la plage de températures du problème de soudage. C’est la raison
pour laquelle les hypothèses sont inhérentes à la sélection des propriétés des matériaux et doivent être
documentées de manière approfondie. Il est de coutume de traiter cette incertitude en soumettant à une
analyse de sensibilité toutes les propriétés estimées ou toutes les propriétés présentant une incertitude
importante.
NOTE L’utilisation d’une température de coupure est une approche courante pour réduire de manière
significative l’impact de l’incertitude liée aux températures élevées.
5.2.3 Échelle et domaine d’application du modèle
Le choix de l’échelle et du domaine d’application du modèle est l’une des principales décisions à prendre
pour un modèle de SNS. La description exacte se trouve dans l’objet de la simulation, tel que défini
en 4.2. Le fait que la description exacte
...

SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 18166
Première édition
2015-08-01
Simulation numérique de soudage —
Exécution et documentation
Numerical welding simulation — Execution and documentation
PROOF/ÉPREUVE
Numéro de référence
ISO/TS 18166:2015(F)
©
ISO 2015

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ISO/TS 18166:2015(F)

TRAITEMENT PARALLÈLE ISO/CEN
Le présent projet �inal a été élaboré dans le cadre de l’Organisation internationale de normalisation (ISO) et
soumis selon le mode de collaboration sous la direction de l’ISO, tel que dé�ini dans l’Accord de Vienne. Le
projet �inal a été établi sur la base des observations reçues lors de l’enquête parallèle sur le projet.
Le projet �inal est par conséquent soumis aux comités membres de l’ISO et aux comités membres du CEN en
parallèle à un vote d’approbation de deux mois au sein de l’ISO et à un vote formel au sein du CEN.
Les votes positifs ne doivent pas être accompagnés d’observations.
Les votes négatifs doivent être accompagnés des arguments techniques pertinents.
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2015
Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée
sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’af�ichage sur
l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
l’adresse ci‐après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright of�ice
Case postale 56 • CH‐1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E‐mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Publié en Suisse
ii � ISO 2015 � Tous droits réservés

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ISO/TS 18166:2015(F)
Sommaire Page
Avant‐propos . 5
1  Domaine d’application . 1
2  Références normatives . 2
3  Termes et définitions . 2
4  Description du problème . 4
4.1  Généralités . 4
4.2  Objet de la simulation . 4
4.3  Objectifs de la simulation . 4
4.4  Modèle physique . 5
4.5  Modèle mathématique et méthode de résolution . 5
4.6  Mise en œuvre . 6
5  Plan de travail . 6
5.1  Généralités . 6
5.2  Simplifications et hypothèses . 6
5.3  Paramètres et description du procédé . 7
5.4  Structure et géométries de soudure . 8
5.5  Matériaux . 8
5.6  Conditions de charge et conditions aux limites . 8
5.7  Revue des résultats . 9
5.8  Rapport . 9
6  Validation et vérification . 9
6.1  Généralités . 9
6.2  Vérification du modèle de simulation . 9
6.3  Ajustement des paramètres du modèle . 9
6.4  Contrôle de la vraisemblance des résultats de simulation . 9
6.5  Validation des résultats de simulation . 10
7  Rapport/présentation des résultats . 10
7.1  Généralités . 10
7.2  Objet de la simulation . 11
7.3  Propriétés des matériaux et données d'entrée . 11
7.4  Paramètres du procédé . 11
7.5  Maillage . 11
7.6  Paramètres du modèle numérique . 11
7.7  Analyse des résultats . 12
Annexe A (informative) Modèle de document . 13
Annexe B (informative) Modélisation du transfert thermique pendant le soudage . 14
Annexe C (informative) Exigences du guide des bonnes pratiques des expériences de
validation . 16
Annexe D (informative) Modélisation des contraintes résiduelles . 18
Annexe E (informative) Prédiction des distorsions . 20
Bibliographie . 22

iv © ISO 2015 – Tous droits réservés

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ISO/TS 18166:2015(F)
Avant‐propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le
droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2
(voir www.iso.org/directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet
de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour
responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails
concernant les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés
lors de l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations
de brevets reçues par l'ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation
de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion de l'ISO aux principes de l'OMC
concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant : Avant‐propos ‐
Informations supplémentaires.
Les comités chargés de l'élaboration du présent document sont l'ISO/TC 44, Soudage et techniques
connexes, et le comité technique CEN/TC 121, Soudage et techniques connexes, en collaboration.
L'Article 4 de la présente Spécification technique fournit des informations détaillées sur la structure de
simulation généralement valable et sur l'application correspondante. L'Article 5 regroupe les parties de
la présente spécification (pré‐norme) qui décrivent en termes concrets la structure des cas
d'application correspondants et donnent des exemples.
L'Annexe A fournit un modèle de document destiné à favoriser la cohérence des résultats de simulation
communiqués.
5

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SPECIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 18166:2015 (F)

Simulation numérique de soudage — Exécution et documentation
1 Domaine d’application
La présente Spécification technique (TS) fournit une séquence d'exécution, de validation, de vérification
et de documentation d'une simulation numérique de soudage dans le domaine de la mécanique du
solide. À cet effet, la présente Spécification technique traite principalement de l'analyse thermique et
mécanique, par la méthode des éléments finis, du soudage par fusion (voir ISO/TR 25901:2007, 2.165)
d’assemblages métalliques.
La simulation numérique du soudage est une discipline en plein essor dans le domaine de l’ingénierie.
La présente Spécification technique couvre les aspects et résultats suivants de la simulation numérique
du soudage, à l'exclusion de la simulation du procédé en lui‐même :
— le flux thermique pendant l'analyse d'une ou de plusieurs passes ;
— la dilatation thermique qui résulte de la conduction thermique ;
— les contraintes d’origine thermiques ;
— le développement de déformations plastiques ;
— l'effet de la température sur les propriétés des matériaux ;
— la prédiction de la distribution des contraintes résiduelles ;
— la prédiction des déformations générées par le soudage.
La présente Spécification technique fait référence aux effets physiques suivants, mais elle ne les traite
pas de manière approfondie :
— physique de la source de chaleur (par exemple, un laser ou un arc de soudage) ;
— physique du bain de fusion (et du key hole pour les soudures par faisceau d'électrons) ;
— création et rétention de phases solides en hors équilibre ;
— solution et précipitation de particules de seconde phase ;
— effet de la microstructure sur les propriétés des matériaux.
Les préconisations de la présente Spécification technique n'ont pas été élaborées pour être utilisées
dans un secteur spécifique. La simulation numérique du soudage peut être bénéfique dans la conception
et dimensionnement de nombreuses pièces. La présente Spécification technique comporte différents
niveaux de mise en œuvre qui offrent à l'utilisateur une estimation du degré précision permettant aux
sociétés ou aux organismes industriels de définir les niveaux exigés en simulation numérique du
soudage pour leurs applications spécifiques.
La présente Spécification technique n'est pas dépendante du logiciel et de la mise en œuvre. Elle n'est
dès lors pas exclusivement destinée à l'analyse par éléments finis ni à un secteur en particulier.
© ISO 2015 – Tous droits réservés
1

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ISO/TS 18166:2015(F)
La présente Spécification technique offre un cadre cohérent pour les principaux aspects des méthodes
et objectifs couramment adoptés pour la simulation numérique du soudage (y compris la validation et
la vérification en vue de formuler un jugement objectif sur les résultats de simulation).
La présente Spécification technique propose également une introduction à la simulation numérique du
soudage, avec la présentation et la description des critères minimum exigés d'une simulation
numérique de soudage complète. (Des exemples qui peuvent aider les personnes souhaitant développer
des compétences en simulation numérique du soudage sont donnés pour illustrer l'application de la
présente Spécification technique.)
2 Références normatives
Les documents suivants, en tout ou partie, sont référencés de façon normative dans le présent
document et sont indispensables à son application. Pour les références datées, seule l’édition citée
s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO/TR 25901, Soudage et techniques connexes — Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO/TR 25901 ainsi que
les suivants s'appliquent.
3.1
conditions aux limites
conditions imposées au niveau des limites spatiales d'un modèle de calcul numérique, décrivant
l'interaction entre les domaines modélisés et non modélisés
Note 1 à l’article : Des conditions aux limites complètes offrent une solution unique au problème mathématique à
résoudre.
3.2
modèle géométrique
description de l'ensemble des géométries analysées dans le cadre d'une simulation, dimensions de
l'objet de la simulation comprise
3.3
modèle mathématique
modèle comprenant les équations mathématiques essentielles sous‐jacentes, conditions initiales et
conditions aux limites appropriées comprises
3.4
simulation numérique
simulation généralement réalisée sur ordinateur par le biais de méthodes mathématiques d'estimation
3.5
modèle physique
éventail complet du processus physique à simuler, conditions initiales et conditions aux limites
pertinentes pour l'objet de la simulation, et simplifications et hypothèses adoptées
3.6
contrôle de vraisemblance
contrôle des résultats de calcul au regard de leur conformité aux principes physiques de base
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2

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ISO/TS 18166:2015(F)
3.7
modèle de simulation
combinaison des modèles physiques, géométriques et mathématiques et de la méthode de résolution
3.8
discrétisation spatiale
distribution et type des unités géométriques subdivisant le modèle géométrique
3.9
discrétisation temporelle
pas et nombre d'unités de temps subdivisant la durée de la modélisation
3.10
validation
processus consistant à déterminer le degré d'exactitude d'un modèle dans sa représentation du
problème physique, par rapport à l'usage prévu de ce modèle
3.11
expérience de validation
expérience spécifiquement conçue afin de valider les résultats de simulation en tenant compte de
l'ensemble des données pertinentes et de leur incertitude
3.12
vérification
démonstration de l'exactitude du modèle de simulation
3.13
ajustement
processus consistant à ajuster (ou calibrer par anglicisme) les paramètres de modélisation dans le
modèle de simulation afin d'améliorer la concordance avec des données expérimentales fiables
3.14
modèle
représentation mathématique d'un système ou d'un processus physique
3.15
Méthode des éléments finis
MEF
méthode de résolution numérique d'équations différentielles partielles, décrivant la réaction d'un
système à la charge
3.16
flux thermique
vitesse à laquelle l'énergie thermique est transférée par unité de surface
3.17
densité de puissance
puissance thermique absorbée ou générée par unité de volume
3.18
prédiction
estimation de la réaction d'un système physique à l'aide d'un modèle mathématique
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3

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ISO/TS 18166:2015(F)
3.19
simulation numérique du soudage
SNS
sous‐ensemble de la simulation et de l'analyse numériques du soudage
4 Description du problème
4.1 Généralités
La simulation numérique thermomécanique du soudage est un sous‐ensemble de la simulation et de
l'analyse numériques du soudage qui est principalement fondé sur la méthode des éléments finis. Elle
utilise des analyses thermiques et mécaniques non linéaires, qui peuvent être couplées de manière
séquentielle ou intégrale, dans lesquelles on applique la puissance de soudage au modèle de calcul
numérique d'une certaine manière et on combine les champs de température transitoire (et
éventuellement de microstructure) qui en résultent avec les modèles/propriétés mécaniques des
matériaux en considérant les conditions aux limites afin de prédire les contraintes et déformations
intervenant dans le modèle. La présente description n'a pas vocation à être exhaustive ou restrictive
mais est fournie afin d'établir l'usage généralement prévu auquel la présente Spécification technique
peut s'appliquer.
La présente Spécification technique traite de la SNS en général, qui peut être définie comme un modèle
tridimensionnel d'élément solide employant une source de chaleur mobile de densité de puissance avec
calcul simultané de la température, de la microstructure et du déplacement, utilisant des modèles
constitutifs élasto‐viscoplastiques basés sur les propriétés des matériaux dans des températures
partant de la température ambiante à la température de fusion.
Elle n'empêche pas l'emploi de méthodes simplifiées mais offre une méthode de simulation de référence
pour juger les simplifications. La nécessité de simplifier est essentiellement due aux limites (taille et
durée) des calculs et s'applique à de nombreux problèmes industriels, tels que les soudures de fortes
épaisseurs dans l'industrie des enceintes sous pression ou de la construction navale. Le fait que toute
simplification du modèle mathématique qui représente le système physique peut accroître le degré
d'incertitude des résultats de simulation doit être contrebalancé par un effort accru de vérification et de
validation du modèle. À noter que tous les modèles de calcul numérique nécessitent d'être vérifiés et
validés, sujet qui est traité plus en détails à l'Article 6. La discussion précédente est formalisée et plus
amplement développée dans les autres paragraphes.
4.2 Objet de la simulation
Le premier point comprend, respectivement, la description exacte de la pièce ou de l'ensemble de la
structure à étudier (par exemple, géométrie, conditions de service), des matériaux de base et d'apport
employés, du mode opératoire et des paramètres de soudage, de la séquence de soudage appliquée ainsi
que des conditions de bridage. Une représentation graphique ou photographique complémentaire peut
éventuellement être jointe.
4.3 Objectifs de la simulation
Ce point concerne la définition des résultats de simulation souhaités pour la tâche à accomplir. Il revêt
une importance particulière dans la mesure où de nombreux problèmes réalistes nécessitent une
simplification plus poussée pour pouvoir être analysés au prix d'efforts raisonnables.
Il peut s'agir, par exemple, du calcul des contraintes résiduelles et/ou des déformations générées par le
soudage, ou de l'évaluation de la zone affectée thermiquement et de ses caractéristiques ou de l’apport
de chaleur net du mode opératoire de soudage.
Il convient par ailleurs de définir l'objectif final de l'application pour définir les résultats de simulation
souhaités, par exemple :
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4

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ISO/TS 18166:2015(F)
— évaluation de l'intégrité structurelle de l'objet dans des conditions de charge en service spécifiées, y
compris, éventuellement, tout défaut de matériau supposé ou connu ;
— optimisation des traitements après soudage nécessaires à la réduction des déformations générées
par le soudage et/ou des contraintes résiduelles ;
— optimisation des modes opératoires de soudage ;
— minimisation des déformations et contraintes générées par le soudage.
4.4 Modèle physique
Suivant les objectifs définis en 4.3, ce point concerne l’association des conditions aux limites, des effets
physiques appropriés respectifs, des simplifications adoptées et des hypothèses à simuler. Suivant la
complexité du modèle souhaité, les exemples de variables influentes et d'effets physiques suivants
peuvent s'avérer pertinents :
— transport de chaleur par conduction thermique à l'intérieur du solide ;
— convection et radiation en surface ;
— contrainte en fonction de la déformation ;
— changements de matériaux tels que les transformations de la microstructure ;
— dissolution ou précipitation ;
— comportement mécanique tel que l'élasticité ;
— plasticité instantanée ou dépendant du temps ;
— écrouissage et effet de restauration ;
— dilatation thermique ;
— plasticité induite par la transformation.
Ces facteurs peuvent être décrits par des textes, des graphiques, des tableaux ou des formules. Les
conditions aux limites réelles et, plus particulièrement, la température initiale à l'intérieur du solide, la
température ambiante et les conditions de serrage doivent être décrites en détails.
Les simplifications qui se sont avérées nécessaires lors de la définition des objectifs de la simulation et
qui sont adoptées pour exécuter la simulation doivent être décrites. Les hypothèses subséquentes
doivent être justifiées par le biais des procédures de vérification et de validation détaillées à l'Article 6.
4.5 Modèle mathématique et méthode de résolution
Sur la base des facteurs décrits en 4.4, il faut définir un modèle mathématique proportionnellement
adapté. Pour ce faire, il faut présenter ou mentionner les équations différentielles essentielles sous‐
jacentes. Cette définition concerne le modèle géométrique (2D, 3D), complété par la description
mathématique de la source de chaleur ainsi que des conditions initiales et des conditions aux limites. En
présence d'un logiciel commercial généraliste d'analyse mécanique, il convient de synthétiser les
options sélectionnées pour la résolution mathématique.
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ISO/TS 18166:2015(F)
Bien que la méthode de résolution généralement envisagée soit la méthode des éléments finis, il
convient de toujours décrire la méthode de résolution, par exemple, méthode analytique, méthode
numérique différente ou complémentaire ou approche stochastique.
4.6 Mise en œuvre
La description de la mise en œuvre comprend des détails spécifiques liés à l'objet de la simulation selon
4.2 et concernant la discrétisation spatiale, par exemple :
— maillage des éléments finis, spécification des types d'éléments comprise ;
— discrétisation temporelle ;
— caractéristiques des matériaux ;
— conditions initiales et conditions aux limites.
Le résultat de la mise en œuvre est le modèle de simulation.
5 Plan de travail
5.1 Généralités
La modélisation numérique (choix des éléments finis, discrétisation, résolveur, etc.) fait partie des
compétences du spécialiste en mécanique numérique des solides et n'entre pas dans le domaine
d'application de la présente Spécification technique.
Il est conseillé au lecteur de se référer à l'ASME V&V, qui donne un cadre détaillé pour la vérification et
la validation (ou « la validation et la vérification ») en mécanique numérique du solide, ainsi qu'à la
règle R6, qui donne une technique de SNS normalisée.
Suite à la description du plan de travail, la méthodologie recommandée pour vérifier et valider (ou
« valider et vérifier ») est donnée au paragraphe suivant.
5.2 Simplifications et hypothèses
5.2.1 Généralités
Les simplifications et les hypothèses font partie de tout modèle de simulation, à différents degrés. Le
présent paragraphe vise à traiter des données d’entrée essentielles à l’analyse, c'est‐à‐dire celles qui
sont fondamentales pour l'analyse ou celles auxquelles l'analyse est particulièrement sensible.
5.2.2 Propriétés des matériaux
L'exactitude des prédictions de la SNS dépend en partie de celle des propriétés thermo‐physiques et
thermomécaniques utilisées par les modèles. L'incertitude des propriétés des matériaux peut être
sérieusement réduite par des essais sophistiqués ; même dans ce cas, il n'est toutefois pas possible de
déterminer ces propriétés sur toute la plage de températures du problème de soudage. C'est la raison
pour laquelle les hypothèses sont inhérentes à la sélection des propriétés des matériaux et doivent être
documentées de manière approfondie. Il est de coutume de traiter cette incertitude en soumettant à
une analyse de sensibilité toutes les propriétés estimées ou toutes les propriétés présentant une
incertitude importante.
NOTE L'utilisation d'une température de coupure est une approche courante pour réduire de manière
significative l'impact de l'incertitude liée aux températures élevées.
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ISO/TS 18166:2015(F)
5.2.3 Échelle et domaine d'application du modèle
Le choix de l'échelle et du domaine d'application du modèle est l'une des principales décisions à
prendre pour un modèle de SNS. La description exacte se trouve dans l'objet de la simulation, tel que
défini en 4.2. Le fait que la description exacte ne soit pas mise en œuvre dans le modèle de simulation
implique qu'une hypothèse ou une simplification a été appliquée au problème. La simplification la plus
courante en ce qui concerne l'échelle et le domaine d'application dans le contexte de la SNS est le
remplacement d'un modèle 3D par un modèle 2D. La modélisation et l'analyse 3D représentent
l'approche la plus rigoureuse pour la SNS dans la mesure où, le soudage est un procédé intrinsèquement
tridimensionnel et des plus localisés d’autant plus que les structures sont minces ou les vitesses de
soudage sont élevées. Néanmoins, tant que les simplifications appliquées dans le cadre d’une analyse
par SNS sont comprises, le degré de simplification peut être parfaitement acceptable pour le problème
étudié. En fait, une analyse 2D peut souvent permettre d'obtenir rapidement des résultats
qualitativement vraisemblables. Les modèles 2D sont également utiles, dans le cadre des soudures
multi‐passes de fortes épaisseurs, pour étudier de manière qualitative l'impact des changements de
séquences de soudage et des modifications géométriques majeures. Toutefois, la qualité spécifique de la
solution et le niveau de l'approximation dépendent fortement de la taille, de l'épaisseur de la pièce, et
des paramètres d’entrée du soudage. S'ensuit une brève réflexion sur les hypothèses d'analyse
courantes. Le choix d’analyses 2D (axisymétrique, déformations planes, contraintes planes), d’analyse
3D (brique, solide) ou d'un modèle coque est déterminé par les objectifs de la simulation et les
caractéristiques des analyses.
5.2.4 Couplage d'analyses
La SNS fait souvent appel à une approche de couplage séquentiel où l'analyse thermique est suivie d'une
analyse mécanique. Cette approche de couplage séquentiel est généralement valable étant donné que le
couplage des effets thermiques, métallurgiques et mécaniques est essentiellement unilatéral dans le cas
du soudage par fusion. Il est par exemple attendu que les déformations et les contraintes mécaniques,
telles que l'augmentation de la température due au travail du plastique, n'aient qu'une incidence limitée
sur la distribution des températures et aucune incidence sur la plupart des transformations de phase.
L'approche de couplage séquentiel nécessite moins de ressources sur le plan des calculs numériques
que l'approche de couplage intégral.
Dans une approche de
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