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Apresentacao Doutoramento (PhD Thesis) António Baptista (AJ Baptista) Jan 2007

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Apresentacao Doutoramento (PhD Thesis) António Baptista (AJ Baptista) Jan 2007

  1. 1. U C• • – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – Modelação mecânica e simulação numérica do processo de estampagem multi-etapas António José Caetano Baptista Centro de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra
  2. 2. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – Modelação mecânica e simulação numérica do processo de estampagem multi-etapas U C• • António José Caetano Baptista Centro de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra 4 Janeiro de 2007 Defesa de Doutoramento em Engenharia Mecânica Orientadores: Professor Doutor Luis Filipe Menezes Professora Doutora Dulce Maria Rodrigues
  3. 3. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Enquadramento
  4. 4. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Dificuldades • Oscilação de custos (energia, matérias primas e mão-de-obra) • Saturação de mercados • Consumidores exigentes • Legislação de segurança • Legislação ambiental Acções • Redução dos custos e do tempo de desenvolvimento • Redução dos custos de produção • Flexibilizar/agilizar a produção • Alargar as gamas de produtos • Inovar em “nichos” de mercado • Redução dos ciclos de vida “Utilização e aperfeiçoamento de ferramentas numéricas de auxílio ao desenho (CAD), projecto (CAE) e produção (CAM) de componentes estampados para veículos”. Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Enquadramento
  5. 5. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Desafios tecnológicos • Redução/contenção do peso • Redução do consumo • Redução das emissões poluentes • Aumento dos níveis de segurança • Melhoria do desempenho Aço de alta resistência Aço de muito alta resistência “Colocar apenas a quantidade de material e o nível de resistência estritamente necessários, de forma integrada, nos locais onde são requeridos” Alumínio Tailor-welded blanks • Diferentes espessuras • Diferentes materiais • Diferentes revestimentos Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Enquadramento
  6. 6. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS CorteEsboço inicial Conformação Componente final Simulação numérica de estampagem multi-etapas DD3IMPDD3MAT DD3TRIMDD3OSS DD3OSS Retorno elástico Retorno elástico Corte geométrico Remapeamento de variáveis Simulação numérica de tailor-welded blanks • Estudo do comportamento mecânico de TWBs • Influência da presença do cordão de soldadura na simulação de estampagem Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Objectivos
  7. 7. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Zona a eliminar Zona a guardar S(u,v) n Corte de malhas de elementos finitos sólidos
  8. 8. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Malha inicial Primeira triagem Segunda triagem Corte de malhas de elementos finitos sólidos S(u,v) n A BMalha final A Malha final B Correcção
  9. 9. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Malha de origem Malha de destino Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Remapeamento de variáveis Função de transferência • Remapeamento de variáveis nodais (forças, deslocamentos, etc.) • Remapeamento de variáveis de estado (tensões, densidade, etc.) Φ Tipos de remapeamento
  10. 10. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Malhas originais Extrapolação Interpolação I Interpolação II Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Remapeamento de variáveis Métodos de remapeamento de variáveis estudados       2N i ig i ig ig I w     x x x   1 1 , , ng i ig i ig ig N           • Inversão das funções de forma do elemento • Aproximação por mínimos quadrados móveis   1 , , n j i j i i N          1 , , n ig j ig j j N       
  11. 11. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Remapeamento de variáveis Métodos de remapeamento de variáveis estudados Transferência directa das variáveis de estado em função de uma ponderação volúmica Método do Remapeamento Incremental Volúmico Φ(v)
  12. 12. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Remapeamento de variáveis Método do remapeamento incremental volúmico Volume de Gauss Ponto de Gauss Variáveis constantes i) Dividir os elementos da malha de origem em Volumes de Gauss
  13. 13. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Remapeamento de variáveis Método do remapeamento incremental volúmico ii) Dividir cada elemento da malha de destino a remapear em Volumes de Gauss
  14. 14. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Remapeamento de variáveis Método do remapeamento incremental volúmico iii) Intersectar cada Volume de Gauss de destino com os Volumes de Gauss de origem Cálculo dos volumes de intersecção
  15. 15. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Remapeamento de variáveis Método do remapeamento incremental volúmico iv) Dividir cada Volume de Gauss de destino em partes elementares e obter os centróides NL Parte elementar
  16. 16. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Remapeamento de variáveis Método do remapeamento incremental volúmico NL Parte elementar 3 1 1 NL i jNG j ii i tot V V       Ponderação volúmica Φ(v) v) Localizar o Volume de Gauss de origem que encerra o centróide de cada parte elementar
  17. 17. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Remapeamento sucessivo de uma malha circular Avaliação dos métodos de remapeamento  T x • Malha simétrica relativamente aos planos perpendiculares à direcção planar • N incrementos angulares de rotação entre [0°, 90°] • N operações sucessivas de remapeamento • Comparação da variável nos estados inicial e N nas mesmas posições dos pontos de Gauss       2 2 22 20 1 cos 2 , x y T r r r a     x Características do teste
  18. 18. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Remapeamento sucessivo de uma malha circular Avaliação dos métodos de remapeamento Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Erro de remapeamento em função do número de incrementos (N) 0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Número de incrementos de rotação ErroRMS[%] Método I Método II Método III 115.7 219.7 0 4 8 12 16 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Número de incrementos de rotação ErromáximoRMS[%] Método I Método II Método III 0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Número de incrementos de rotação ErroRMS[%] Método I Método II Método III Erromáximo [%] Erromáximo[%] Erro RMS normalizado Erro máximo normalizado Método III – Método do remapeamento incremental volúmico Método II – Método de remapeamento através de mínimos quadrados móveis Método I – Método de remapeamento por interpolação/extrapolação simples
  19. 19. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Caso de estudo – NUMISHEET’05 Benchmark#3 Avaliação dos métodos de remapeamento Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Channel Draw/Cylindrical Cup – 2 Stage Test (Material DP600) Etapa I – Perfil rectangular • Condições de deformação plana • Utilização de freios transversais • Correcta previsão do retorno elástico • Mais elementos na direcção longitudinal Etapa II – Ensaio Marciniak • Ferramentas axissimétricas • Discretização mais uniforme • Necessidade de efectuar uma operação de remalhagem z y x Remalhagem Remapeamento
  20. 20. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS 0 1000 2000 3000 4000 10 30 50 70 90 110 130 150 170 Erro absoluto [MPa] Númerodenós 12.4x  Caso de estudo – NUMISHEET’05 Benchmark#3 Avaliação dos métodos de remapeamento Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Channel Draw/Cylindrical Cup: Resultados de remapeamento para σxx 0 1000 2000 3000 4000 10 30 50 70 90 110 130 150 170 Erro absoluto [MPa] Númerodenós 54.7x  0 1000 2000 3000 4000 10 30 50 70 90 110 130 150 170 Erro absoluto [MPa] Númerodenós 29.8x  0 1000 2000 3000 4000 10 30 50 70 90 110 130 150 170 Erro absoluto [MPa] Númerodenós 17.5x  – 45% – 68% – 77% Método I Método III (NL = 5) Método III (NL = 10) Método III (NL = 15)
  21. 21. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Influência da modelação do cordão de soldadura Simulação numérica de tailor-welded blanks Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Caracterização do estudo • Ensaios mecânicos simples representativos de trajectórias típicas de estampagem • Consideram-se propriedades teóricas para os materiais de base (MB) e da soldadura • Três orientações do cordão face à solicitação (transversal, longitudinal, 45°) • Três larguras de cordão (0.5 mm, 1 mm, 2 mm) Caracterização do material da soldadura • σ0 da soldadura face ao MB: {±10%; ±30%; ±50%} • Coeficiente de encruamento face ao MB: {± 50%} Soldadura u ul MB u M    Mul < 1 - Undermatch Mul ≈ 1 - Evenmatch Mul > 1 - Overmatch Deformação Tensão[MPa] 0 200 400 600 800 0.00 0.20 0.40 0.60
  22. 22. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Influência da modelação do cordão de soldadura Simulação numérica de tailor-welded blanks Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Ensaios mecânicos elementares y 30 d = 0.5 mm xz 5 e = 1 mm 45° CorteTracção 5 30 d x y z e = 1 mm 45° x y z 60 30 45° 5 d = 4 mm Ø10 1510 1 d = 4 mm x z y 0.8 Matriz Cerra-Chapas Ø 150 Ø 200 Chapa P R13H Flexão em quatro pontos Jovignot (bulge test)
  23. 23. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Influência da modelação do cordão de soldadura Simulação numérica de tailor-welded blanks Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Resultados globais • O comportamento mecânico da TWB difere pouco do caso monolítico (não soldado) nas situações da soldadura em overmatch. • Em tracção a perda de resistência global da TWB, face ao monolítico, pode ser considerável nos posicionamentos transversal e a 45° do cordão, em undermatch. • Em corte a perda de resistência global da TWB, face ao monolítico, é relevante apenas para o caso do posicionamento longitudinal do cordão, em undermatch. • Em flexão o nível de heterogeneidade das propriedades da soldadura face ao MB tem um efeito diminuto, em termos globais, no comportamento global da TWB.
  24. 24. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Influência da modelação do cordão de soldadura Simulação numérica de tailor-welded blanks Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Resultados: Ensaio Jovignot (Bulge Test) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 Mul Ahet/Ahom Cordão 0.5 mm Cordão 1 mm Cordão 2 mm Evenmatch Undermatch Overmatch /hethomHH ulM x z y 0.8 Matriz Cerra-Chapas Ø 150 Ø 200 Chapa P R13H
  25. 25. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Influência da modelação do cordão de soldadura Simulação numérica de tailor-welded blanks Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Resultados: Ensaio Jovignot (Bulge Test) L = 2 mm, Mul = 1.3, H = 32.54 mm L = 2 mm, Mul = 0.7, H = 10.37 mm p  x z y 0.8 Matriz Cerra-Chapas Ø 150 Ø 200 Chapa P R13H
  26. 26. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Ensaio padronizado de retorno elástico (“Ensaio Demeri”) Estampagem multi-etapas Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Etapa I – Conformação de uma taça Etapa II – Extracção de um anel Etapa III – Corte do anel Etapa IV – Abertura do anel
  27. 27. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Ensaio padronizado de retorno elástico (“Ensaio Demeri”) Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Etapas inicial e final do ensaio Metodologia experimental • Soldadura por laser de díodos • Embutiduras executadas numa máquina de tracção clássica • Corte dos anéis por electroerosão por fio Estampagem multi-etapas
  28. 28. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Ensaio padronizado de retorno elástico (“Ensaio Demeri”) Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Resultados (Aço Macio – DC06): Curva de força do punção Estampagem multi-etapas 0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 40 50 60 Deslocamento do punção [mm] Forçadopunção[kN] Numérico monolítico Experimental monolítico Numérico TWB Experimental TWB 0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 40 50 60 Deslocamento do punção [mm] Forçadopunção[kN] Numérico monolítico Experimental monolítico Numérico TWB Experimental TWB Forçadopunção[kN] Deslocamento do punção [mm]
  29. 29. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões Experimental monolítico Abertura = 33.5 mm Ensaio padronizado de retorno elástico (“Ensaio Demeri”) Resultados (Aço Macio – DC06): Abertura dos anéis [mm] Numérico monolítico Experimental TWB Numérico TWB Abertura = 35.4 mm Estampagem multi-etapas 35.3 36.136.1
  30. 30. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Simulação numérica de estampagem multi-etapas • Os algoritmos de corte mostraram ser eficazes e fiáveis, e a distorção imposta aos elementos tratados é reduzida. • O método de Remapeamento Incremental Volúmico provou ser uma solução eficaz e robusta para minimizar o erro de transferência de variáveis de estado entre malhas. Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões >> Considerações finais DD3IMP DD3MAT DD3OSS DD3TRIM DD3LT A introdução do programa DD3TRIM na família DD3 possibilita: • O projecto numérico de componentes estampados de geometrias complexas que envolvam a alteração da topologia da chapa. • A alteração da discretização do domínio da chapa (refinamento ou remalhagem simples, e correspondente remapeamento). • Uma forma expedita de gerar malhas de geometrias complexas através da definição de uma superfície do tipo NURBS.
  31. 31. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – MODELAÇÃO MECÂNICA E SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO PROCESSO DE ESTAMPAGEM MULTI-ETAPAS Simulação numérica de tailor-welded blanks Introdução > Ferramentas Numéricas > Estudos Numéricos e Experimentais > Conclusões >> Considerações finais • O estudo numérico sistemático e os ensaios experimentais efectuados permitiram clarificar a influência da modelação do cordão de soldadura. • Em overmatch, a presença do domínio material da soldadura na malha tem um impacto reduzido no comportamento mecânico previsto para a TWB, independentemente da orientação do cordão e da solicitação. • Nas situações em que a soldadura se encontra em undermatch, a perda de resistência e capacidade de deformação da TWB podem ser elevadas, consoante a orientação do cordão e a trajectória de solicitação. Nessas situações é fortemente recomendável a modelação precisa do cordão de soldadura (domínio geométrico e material) na simulação.
  32. 32. – Aplicação ao processo de estampagem de chapas soldadas – Modelação mecânica e simulação numérica do processo de estampagem multi-etapas U C• • António José Caetano Baptista Centro de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra 4 Janeiro de 2007 Defesa de Doutoramento em Engenharia Mecânica Orientadores: Professor Doutor Luis Filipe Menezes Professora Doutora Dulce Maria Rodrigues

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