Development of numerical methodologies for parameter identification and shape optimization in metal forming simulations

Por parte da indústria de estampagem tem-se verificado um interesse crescente em simulações numéricas de processos de conformação de chapa, incluindo também métodos de engenharia inversa. Este facto ocorre principalmente porque as técnicas de tentativa-erro, muito usadas no passado, não são mais competitivas a nível económico. O uso de códigos de simulação é, atualmente, uma prática corrente em ambiente industrial, pois os resultados tipicamente obtidos através de códigos com base no Método dos Elementos Finitos (MEF) são bem aceites pelas comunidades industriais e científicas Na tentativa de obter campos de tensão e de deformação precisos, uma análise eficiente com o MEF necessita de dados de entrada corretos, como geometrias, malhas, leis de comportamento não-lineares, carregamentos, leis de atrito, etc.. Com o objetivo de ultrapassar estas dificuldades podem ser considerados os problemas inversos. No trabalho apresentado, os seguintes problemas inversos, em Mecânica computacional, são apresentados e analisados: (i) problemas de identificação de parâmetros, que se referem à determinação de parâmetros de entrada que serão posteriormente usados em modelos constitutivos nas simulações numéricas e (ii) problemas de definição geométrica inicial de chapas e ferramentas, nos quais o objetivo é determinar a forma inicial de uma chapa ou de uma ferramenta tendo em vista a obtenção de uma determinada geometria após um processo de conformação. São introduzidas e implementadas novas estratégias de otimização, as quais conduzem a parâmetros de modelos constitutivos mais precisos. O objetivo destas estratégias é tirar vantagem das potencialidades de cada algoritmo e melhorar a eficiência geral dos métodos clássicos de otimização, os quais são baseados em processos de apenas um estágio. Algoritmos determinísticos, algoritmos inspirados em processos evolucionários ou mesmo a combinação destes dois são usados nas estratégias propostas. Estratégias de cascata, paralelas e híbridas são apresentadas em detalhe, sendo que as estratégias híbridas consistem na combinação de estratégias em cascata e paralelas. São apresentados e analisados dois métodos distintos para a avaliação da função objetivo em processos de identificação de parâmetros. Os métodos considerados são uma análise com um ponto único ou uma análise com elementos finitos. A avaliação com base num único ponto caracteriza uma quantidade infinitesimal de material sujeito a uma determinada história de deformação. Por outro lado, na análise através de elementos finitos, o modelo constitutivo é implementado e considerado para cada ponto de integração. Problemas inversos são apresentados e descritos, como por exemplo, a definição geométrica de chapas e ferramentas. Considerando o caso da otimização da forma inicial de uma chapa metálica a definição da forma inicial de uma chapa para a conformação de um elemento de cárter é considerado como problema em estudo. Ainda neste âmbito, um estudo sobre a influência da definição geométrica inicial da chapa no processo de otimização é efetuado. Este estudo é realizado considerando a formulação de NURBS na definição da face superior da chapa metálica, face cuja geometria será alterada durante o processo de conformação plástica. No caso dos processos de otimização de ferramentas, um processo de forjamento a dois estágios é apresentado. Com o objetivo de obter um cilindro perfeito após o forjamento, dois métodos distintos são considerados. No primeiro, a forma inicial do cilindro é otimizada e no outro a forma da ferramenta do primeiro estágio de conformação é otimizada. Para parametrizar a superfície livre do cilindro são utilizados diferentes métodos. Para a definição da ferramenta são também utilizados diferentes parametrizações. As estratégias de otimização propostas neste trabalho resolvem eficientemente problemas de otimização para a indústria de conformação metálica.

Estudo de Ferramentas FEA Comerciais na Simulação Numérica de Processos de Conformação de Chapas Metálicas. Aplicação à Indústria Automóvel.

Os componentes obtidos através da conformação plástica de chapas têm uma grande importância, tanto na etapa de concepção do produto como na etapa de produção na indústria automóvel. Isto comprova-se pelo facto de, em média, cada automóvel integrar cerca de 500 componentes estampados para construir o chassis e a carroçaria [Alves 2003]. Deste total de componentes, 50 são de grandes dimensões (portas, tejadilho, painéis inferior e laterais, entre outros) e necessitam, em média, de cinco ferramentas para o seu fabrico, sendo o custo estimado para cada ferramenta de 230 000 € [Col 2000, Alves 2003]. Para além da indústria automóvel, a conformação plástica de chapas metálicas é um processo tecnológico presente nas indústrias relativas à aeroespacial, petrolífera, decoração, alimentar, entre outras. Do ponto de vista do enquadramento económico, cerca de 20% do custo total de um automóvel novo é devido à incorporação de componentes metálicos estampados. [Alves 2003]. A pressão do “Mercado Global” faz com que os custos relativos à matéria-prima, energia e mão-de-obra sejam uma constante em termos de redução do seu impacte no orçamento das empresas fornecedoras destes produtos. É neste contexto que surge a necessidade da realização deste estudo de Benchmark de Softwares, tornando-se bastante importante, quer ao nível da competitividade industrial, quer ao nível da inovação para novos produtos. A análise por elementos finitos desempenha um papel primordial no tryout virtual e otimização das ferramentas e processos de conformação plástica. Os objetivos principais deste estudo de simulação numérica são a identificação e comparação dos resultados obtidos pelo AUTOFORM e pelo PAMSTAMP, para cada uma das variáveis identificadas como as mais influentes na robustez dos processos de estampagem de chapa metálica. Estas variáveis identificadas são: consumo de material (Draw-in) após conformação; forças de conformação; valores de variação de espessura e dos valores de extensão e resultados de Springback. Os resultados obtidos são comparados com os resultados experimentais e, desta forma, avalia-se a capacidade inovadora e a eficácia de cada um dos softwares, obtendo-se assim, uma orientação mais real para o software mais indicado aos objetivos impostos pela indústria automóvel. Para este efeito, a indústria automóvel, como maior impulsionador e motor da investigação na área da simulação numérica aplicada aos processos de estampagem, tem aderido em peso ao Benchmarking. Um exemplo disto, é o que acontece nas conferências Numisheet. O Benchmark #2 da conferência Numisheet 2008 é analisado pormenorizadamente e os resultados numéricos e experimentais são comparados e apresentados. Dois materiais distintos (aço HC260LAD e liga de alumínio AC170), assim como três modelos com geometrias diferentes (com e sem freios) são apresentados neste relatório. Com vista à redução dos ciclos tentativa-erro, tem-se adotado ciclos virtuais ou numéricos e tem-se incrementado a interatividade entre as fases de concepção e projeto, num conceito muito próprio, mas cada vez mais abrangente, denominado “produção virtual”. É nesta filosofia que se insere a simulação numérica dos processos de conformação de chapa.

Disseny dels elements constitutius per adaptar un centre de mecanitzat de control numèric a la tecnologia Incremental Sheet Forming (ISF)

Un dels processos tradicionals de conformació de xapa més utilitzats a nivell industrial, degut a la seva rapidesa d’operació i la seva maduresa del procés, és l’embotició. Per a dur a terme aquest procés és necessària la construcció d’uns utillatges (matriu i punxó) per a cada tipus de producte. Aquests utillatges estan fabricats amb materials altament resistents ja que han de poder suportar càrregues molt importants durant la deformació. A més, s’han de garantir unes precisions dimensionals molt bones per tal d’evitar el xoc entre les dues parts de l’utillatge i per a assegurar que la peça obtinguda tingui les dimensions desitjades. Aquest fet implica que el procés d’obtenció de les matrius i punxons tingui un cost molt elevat i per a amortitzar-lo és necessari que la producció sigui en massa.L’objecte d’aquest projecte és adaptar el centre de mecanitzat Kondia HS1000 per tal de poder dur a terme recerca bàsica de la tecnologia de conformat incremental de xapa (ISF) en el Grup de Recerca en Enginyeria del Producte, Procés i Producció (GREP)

Theoretical approach including friction for determining strain limits in punch stretching of anisotropic sheet metals

A new analytical theory including friction was developed to assess strain limits in punch stretching of anisotropic sheet metals. This new approach takes into consideration the anisotropic behaviour of sheet materials and could explain the mechanical behaviour of a variety of anisotropic sheet materials. The theory explains the sheet metal failure so for the drawing as the stretching region of the forming limit curve, particularly for materials that present the strain-ratio dependence of limit strain ε 1, where dε 1/dρ is not always greater than zero. dε 1/ dρ or dε 1/dε 2 could be equal to or smaller than zero for a range of materials. Therefore, this new theory can explains such experimental observations, besides to assuming that membrane element relations near the pole, for the case of punch stretching are dependent of sheet metal properties as the process history and also suggests that the onset of local necking is controlled by shear. Thus, theoretical results obtained through this new approach are compared with experimental results available in the literature. It is demonstrated the effect of friction on a FLC curve for both regions, drawing and stretching. © 2010 American Institute of Physics.

Estudo do alívio das tensões residuais, em peça estampada, pela técnica de vibrações mecânicas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

The Metal worker : a weekly journal of the stove, roofing, cornice, tin, plumbing and heating trades.

Description based on: volume 39, no. 1 (Jan. 7, 1893); title from caption.

Experimental study of forces and energies during shearing of steel sheet with angled tools

Shearing is a fast and inexpensive method to cut sheet metal that has been used since the beginning of the industrialism. Consequently, published experimental studies of shearing can be found from over a century back in time. Recent studies, however, are due to the availability of low cost digital computation power, mostly based on finite element simulations that guarantees quick results. Still, for validation of models and simulations, accurate experimental data is a requisite. When applicable, 2D models are in general desirable over 3D models because of advantages like low computation time and easy model formulation. Shearing of sheet metal with parallel tools is successfully modelled in 2D with a plane strain approximation, but with angled tools the approximation is less obvious. Therefore, plane strain approximations for shearing with angled tools were evaluated by shear experiments of high accuracy. Tool angle, tool clearance, and clamping of the sheet were varied in the experiments. The results showed that the measured forces in shearing with angled tools can be approximately calculated using force measurements from shearing with parallel tools. Shearing energy was introduced as a quantifiable measure of suitable tool clearance range. The effects of the shearing parameters on forces were in agreement with previous studies. Based on the agreement between calculations and experiments, analysis based on a plane strain assumption is considered applicable for angled tools with a small (up to 2 degrees) rake angle.

Design and application of experimental methods for steel sheet shearing

Shearing is the process where sheet metal is mechanically cut between two tools. Various shearing technologies are commonly used in the sheet metal industry, for example, in cut to length lines, slitting lines, end cropping etc. Shearing has speed and cost advantages over competing cutting methods like laser and plasma cutting, but involves large forces on the equipment and large strains in the sheet material. The constant development of sheet metals toward higher strength and formability leads to increased forces on the shearing equipment and tools. Shearing of new sheet materials imply new suitable shearing parameters. Investigations of the shearing parameters through live tests in the production are expensive and separate experiments are time consuming and requires specialized equipment. Studies involving a large number of parameters and coupled effects are therefore preferably performed by finite element based simulations. Accurate experimental data is still a prerequisite to validate such simulations. There is, however, a shortage of accurate experimental data to validate such simulations. In industrial shearing processes, measured forces are always larger than the actual forces acting on the sheet, due to friction losses. Shearing also generates a force that attempts to separate the two tools with changed shearing conditions through increased clearance between the tools as result. Tool clearance is also the most common shearing parameter to adjust, depending on material grade and sheet thickness, to moderate the required force and to control the final sheared edge geometry. In this work, an experimental procedure that provides a stable tool clearance together with accurate measurements of tool forces and tool displacements, was designed, built and evaluated. Important shearing parameters and demands on the experimental set-up were identified in a sensitivity analysis performed with finite element simulations under the assumption of plane strain. With respect to large tool clearance stability and accurate force measurements, a symmetric experiment with two simultaneous shears and internal balancing of forces attempting to separate the tools was constructed. Steel sheets of different strength levels were sheared using the above mentioned experimental set-up, with various tool clearances, sheet clamping and rake angles. Results showed that tool penetration before fracture decreased with increased material strength. When one side of the sheet was left unclamped and free to move, the required shearing force decreased but instead the force attempting to separate the two tools increased. Further, the maximum shearing force decreased and the rollover increased with increased tool clearance. Digital image correlation was applied to measure strains on the sheet surface. The obtained strain fields, together with a material model, were used to compute the stress state in the sheet. A comparison, up to crack initiation, of these experimental results with corresponding results from finite element simulations in three dimensions and at a plane strain approximation showed that effective strains on the surface are representative also for the bulk material. A simple model was successfully applied to calculate the tool forces in shearing with angled tools from forces measured with parallel tools. These results suggest that, with respect to tool forces, a plane strain approximation is valid also at angled tools, at least for small rake angles. In general terms, this study provide a stable symmetric experimental set-up with internal balancing of lateral forces, for accurate measurements of tool forces, tool displacements, and sheet deformations, to study the effects of important shearing parameters. The results give further insight to the strain and stress conditions at crack initiation during shearing, and can also be used to validate models of the shearing process.

Experimental study of strain fields during shearing of medium and high-strength steel sheet

There is a shortage of experimentally determined strains during sheet metal shearing. These kinds of data are a requisite to validate shearing models and to simulate the shearing process. In this work, strain fields were continuously measured during shearing of a medium and a high strength steel sheet, using digital image correlation. Preliminary studies based on finite element simulations, suggested that the effective surface strains are a good approximation of the bulk strains below the surface. The experiments were performed in a symmetric set-up with large stiffness and stable tool clearances, using various combinations of tool clearance and clamping configuration. Due to large deformations, strains were measured from images captured in a series of steps from shearing start to final fracture. Both the Cauchy and Hencky strain measures were considered, but the difference between these were found negligible with the number of increments used (about 20 to 50). Force-displacement curves were also determined for the various experimental conditions. The measured strain fields displayed a thin band of large strain between the tool edges. Shearing with two clamps resulted in a symmetric strain band whereas there was an extended area with large strains around the tool at the unclamped side when shearing with one clamp. Furthermore, one or two cracks were visible on most of the samples close to the tool edges well before final fracture. The fracture strain was larger for the medium strength material compared with the high-strength material and increased with increasing clearance.

Correlating The Features Of Topography To Friction By Sliding Experiments

Friction can influence the quality of the finished product to a large extent in certain manufacturing processes. Sheet metal forming is a particular case, where the friction between the hard-die and the relatively soft work-piece can be extremely important. Under such conditions, topography of the harder surface can influence the resistance to traction at the interface. This paper discusses about the correlation between certain features of the surface; topography and coefficient of friction based on experiments involving sliding of a few soft metal pins against a harder material. A brief description of the experimental procedure and the analysis are presented. A hybrid parameter which encapsulates both the amplitude features as well as the relative packing of peaks is shown to correlate well with the coefficient of friction.

人工神经网络技术在板料激光弯曲中的应用

基于人工神经网络基本理论,建立在板料激光弯曲中预测材料表面最高温度、弯曲角度的BP网络模型.借助于MATLAB仿真软件中的神经网络工具箱作为开发平台,将试验样本数据和经过试验验证的数值计算结果作为补充的样本数据用于BP网络的训练,利用训练好的BP网络对非线性的样本数据规律进行拟合,实现激光加工工艺参数的优化,为实际生产和加工提供有效的依据.

薄板激光弯曲温度场的数值模拟与校验

采用MSC.Marc非线性有限元软件，对薄板激光变曲过程中的温度场进行了数值模拟，得到了引起薄板激光弯曲形的温度场的变化规律。通过温度传感器测量与激光扫描线相对应的薄板下表面温度变化的规律来验证数值模拟的结果。模拟值与实测值基本吻合，表明数值模拟结果可作为激光加工工艺参数选择的依据。

板料激光弯曲试验

针对大飞机壁板用的铝合金板料AA6056进行激光弯曲过程的试验研究.试验选用厚度为1.0 mm和2.5 mm的薄板,采用多组不同的工艺参数进行对比分析.采用直径0.1 mm的镍铬.镍硅热电偶作为温度传感器,YOKOGAWA MV200型便携式记录仪测量板料表面的温度;使用MV.1300UM CCD拍摄板料激光弯曲变形的过程,通过自行开发的实时采集软件记录并进行图像处理,最终得到了板料激光弯曲变形过程的实测曲线.试验结果为该过程的数值模拟提供了更为精确的验证依据,为深入研究板料激光弯曲过程奠定了试验基础.

Análisis del proceso de Friction Drilling: Análisis de la calidad de la junta atornillada

[ES]En el presente trabajo, se pretende optimizar la unión atornillada de chapas de dos materiales disimilares (acero y aluminio) mediante un proceso no convencional, el taladrado por fricción. Dicho proceso está orientado a la calderería fina, sector en el cual tiene gran número de aplicaciones. Se comenzará con una serie de ensayos iníciales y se procederá a realizar pruebas sistemáticas. Se realizarán mediciones de temperaturas, momentos torsores y fuerzas, y se analizaran las tolerancias dimensionales generadas por el proceso para la elección de los parámetros óptimos. El documento se centrará en analizar de forma teórica el comportamiento mecánico de la unión y de los ensayos de tracción correspondientes. Esto servirá para realizar los futuros ensayos de calidad y posteriormente comparar los resultados con los de las uniones convencionales.