Studio della formabilità di lamiere con approccio numerico e sperimentale
Autore
Michele De Cosmo - Politecnico di Bari - [1998]
Documenti
Abstract
In questo lavoro di tesi lo studio delle caratteristiche di formabilità delle lamiere è stato realizzato svolgendo un’attività sperimentale ed una numerica.
L’attività sperimentale è consistita nella progettazione e nella realizzazione di attrezzature per la realizzazione dei test, nonchè di sistemi computerizzati per una analisi dei risultati sperimentali automatica e flessibile. Sono stati in particolare realizzate le attrezzature per realizzare il test di Nakazima e quelle per la reticolatura delle lamiere con etching elettrochimico, per l’analisi delle deformazioni dei provini.
Tra le procedure software implementate per l’analisi dei dati sono state preparate opportune routine che, integrandosi con un software per l’analisi dell’immagine, hanno permesso la misura semi-automatica dello stato deformativo dei provini.
L’attività numerica ha visto la definizione di differenti modelli numerici finalizzati alla determinazione della FLC. Essi vanno dall’introduzione di un difetto geometrico locale in un modello, con l’obiettivo di indurre una strizione localizzata in un provino, alla simulazione delle prove di formabilità con il metodo agli elementi finiti.
In questo lavoro sono state affrontati entrambi gli approcci; nel primo caso, come esempio del metodo di Marciniack e Kuczynski è stato formulato un modello FEM che introduce un difetto geometrico in un semplice provino rettangolare sottoposto ad una definita storia deformativa.
Nel secondo caso sono stati sviluppati modelli FEM bidimensionali e tridimensionali per la simulazione del test di Nakazima; in particolare, per individuare le condizioni limiti di una simulazione FEM del test, sono state implementate routine di post-processing basate sul metodo di Bragard e successivamente è stato introdotto nel modelli FEM il concetto del danneggiamento del materiale (modello di Tvergaard e Needleman di nucleazione di micro cavità all’interno del materiale controllato dalla deformazione).
Attraverso la definizione di una serie di parametri caratteristici, il modello utilizzato racchiude nella relazione costitutiva del materiale, l’evoluzione del danneggiamento come la nucleazione dei microvuoti, la loro crescita e la loro coalescenza; in questo modo la strizione e la conseguente rottura del materiale diventano proprietà intrinseche del modello e non più un intervento “artificiale” introdotto dall’esterno. In questo lavoro, i parametri caratteristici del modello di danneggiamento sono stati definiti in modo univoco applicando un approccio di “caratterizzazione inversa” del materiale. Per questo si è utilizzato un metodo di ottimizzazione del “fitting” tra curve sperimentali e curve numeriche basato sostanzialmente su tecniche DOE (Design of Experiment) che permettono di minimizzare il numero di test numerici al fine dell’individuazione dei parametri indagati.
La parte finale della tesi è stata dedicata allo studio della formabilità dei Taylored Blanks, sviluppi compositi ottenuti saldando con fasci ad alta densità di energia (Laser, Electron Beam), singole parti costituite da lamiere di metalli differenti o diversamente rivestiti o che differiscono nello spessore. E’ stato in particolare formulato un modello teorico per la caratterizzazione meccanica indiretta della linea di saldatura dei TB; la validità del modello è stata successivamente confutata pianificando un’attività numerico sperimentale, basata su prove di trazione monoassiale e di piegatura. La fase sperimentale è stata effettuata su provini in acciaio da imbutitura, alcuni dei quali presentano una zona termicamente alterata parallela alla dimensione maggiore del provino ed ottenuta trattando la lamiera con Electron Beam; l’attività numerica ha visto la definizione di modelli agli Elementi Finiti (FEM) per la simulazione delle due operazioni. Con l’obbiettivo di introdurre il contributo della linea di saldatura in simulazioni numeriche di processi di formatura plastica dei TB, i risultati della caratterizzazione meccanica sono stati infine utilizzati nella simulazione FEM di un caso applicativo di imbutitura assialsimmetrica realizzata su un TB che presenta una linea di saldatura concentrica all’asse di imbutitura.
L’attività sperimentale è consistita nella progettazione e nella realizzazione di attrezzature per la realizzazione dei test, nonchè di sistemi computerizzati per una analisi dei risultati sperimentali automatica e flessibile. Sono stati in particolare realizzate le attrezzature per realizzare il test di Nakazima e quelle per la reticolatura delle lamiere con etching elettrochimico, per l’analisi delle deformazioni dei provini.
Tra le procedure software implementate per l’analisi dei dati sono state preparate opportune routine che, integrandosi con un software per l’analisi dell’immagine, hanno permesso la misura semi-automatica dello stato deformativo dei provini.
L’attività numerica ha visto la definizione di differenti modelli numerici finalizzati alla determinazione della FLC. Essi vanno dall’introduzione di un difetto geometrico locale in un modello, con l’obiettivo di indurre una strizione localizzata in un provino, alla simulazione delle prove di formabilità con il metodo agli elementi finiti.
In questo lavoro sono state affrontati entrambi gli approcci; nel primo caso, come esempio del metodo di Marciniack e Kuczynski è stato formulato un modello FEM che introduce un difetto geometrico in un semplice provino rettangolare sottoposto ad una definita storia deformativa.
Nel secondo caso sono stati sviluppati modelli FEM bidimensionali e tridimensionali per la simulazione del test di Nakazima; in particolare, per individuare le condizioni limiti di una simulazione FEM del test, sono state implementate routine di post-processing basate sul metodo di Bragard e successivamente è stato introdotto nel modelli FEM il concetto del danneggiamento del materiale (modello di Tvergaard e Needleman di nucleazione di micro cavità all’interno del materiale controllato dalla deformazione).
Attraverso la definizione di una serie di parametri caratteristici, il modello utilizzato racchiude nella relazione costitutiva del materiale, l’evoluzione del danneggiamento come la nucleazione dei microvuoti, la loro crescita e la loro coalescenza; in questo modo la strizione e la conseguente rottura del materiale diventano proprietà intrinseche del modello e non più un intervento “artificiale” introdotto dall’esterno. In questo lavoro, i parametri caratteristici del modello di danneggiamento sono stati definiti in modo univoco applicando un approccio di “caratterizzazione inversa” del materiale. Per questo si è utilizzato un metodo di ottimizzazione del “fitting” tra curve sperimentali e curve numeriche basato sostanzialmente su tecniche DOE (Design of Experiment) che permettono di minimizzare il numero di test numerici al fine dell’individuazione dei parametri indagati.
La parte finale della tesi è stata dedicata allo studio della formabilità dei Taylored Blanks, sviluppi compositi ottenuti saldando con fasci ad alta densità di energia (Laser, Electron Beam), singole parti costituite da lamiere di metalli differenti o diversamente rivestiti o che differiscono nello spessore. E’ stato in particolare formulato un modello teorico per la caratterizzazione meccanica indiretta della linea di saldatura dei TB; la validità del modello è stata successivamente confutata pianificando un’attività numerico sperimentale, basata su prove di trazione monoassiale e di piegatura. La fase sperimentale è stata effettuata su provini in acciaio da imbutitura, alcuni dei quali presentano una zona termicamente alterata parallela alla dimensione maggiore del provino ed ottenuta trattando la lamiera con Electron Beam; l’attività numerica ha visto la definizione di modelli agli Elementi Finiti (FEM) per la simulazione delle due operazioni. Con l’obbiettivo di introdurre il contributo della linea di saldatura in simulazioni numeriche di processi di formatura plastica dei TB, i risultati della caratterizzazione meccanica sono stati infine utilizzati nella simulazione FEM di un caso applicativo di imbutitura assialsimmetrica realizzata su un TB che presenta una linea di saldatura concentrica all’asse di imbutitura.
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