raport in extenso id 1759

7/29/2019 Raport in Extenso ID 1759

1/54

Proiectul ID-1759/2008 Raport in extenso pentru etapa unica 2009

Universitatea Dunarea de Jos din Galati

Facultatea de Mecanica

Catedra Constructii de Masini, Robotica si Sudare

DEZVOLTAREA UNUI NOU CONCEPT DECONDUCERE A PROCESELOR DE

DEFORMARE PLASTICA BAZAT PE NOI

TEHNICI DE REDUCERE A

DIMENSIONALITATII

Raport anual grant ID_1759

Contract 676/2009

Colectiv: prof. dr. ing. Catalina MAIER

prof. dr. ing. Alexandru EPUREANU

prof. dr. ing. Vasile MARINESCU

prof. dr. ing. Viorel PAUNOIU

asist. dr. ing. Florin Bogdan MARIN

cercet. drd. ing. Mitica AFTENI

2009

1


2/54


Universitatea Dunarea de Jos din Galati

Facultatea de Mecanica

Catedra Constructii de Masini, Robotica si Sudare

Proiect ID-1759/2008

Raport in extenso pentru etapa unica 2009

Cuprins

A Obiective, activitati si rezultate planificate 3

B Prezentarea in extenso a activitatilor realizate 31.1. Analiza proceselor de deformare plastica la rece 3

1.2. Identificarea elementelor componente ale proceselor de

deformare plastica

6

1.3. Definirea modelului conceptual al proceselor de deformare

plastica la rece

7

Notiuni noi utilizate 7

Componentele noului model conceptual al proceselor de

defprmare plastica

8

Studiu de caz: ambutisarea unei piese de forma complexa 9Modelul fizic redus al procesului de ambutisare

complexa cu nervuri de retinere

10

Modelarea cu elemente finite a modelului fizic redus

al procesului de ambutisare complexa cu nervuri de

retinere

11

Rezultatele simularii numerice 14

Noua metodologie de identificare a legii de comportare a

materialului

22

Context stiintific 22Prezentarea noii metodologii de identificare a legii de

comportare a materialului

28

Bibliografie 30

C Valorificarea rezultatelor obtinute 32

C1. Brevete de inventie propuse 33

C2. Articole stiintifice publicate 35

C3. Rezumatul etapei 49

2


3/54


A. Obiective, activitati si rezultate planificate

Obiectiv planificat:

Ob. 1 Dezvoltarea modelului conceptual al procesului de deformare plastica la rece

Activitati realizate:

1.1.Analiza proceselor de deformare plastica la rece.1.2.Identificarea elementelor componente ale proceselor de deformare plastica.1.3.Definirea modelului conceptual al proceselor de deformare plastica la rece

Rezultate livrate pe etapa: Documentatia de descriere/utilizare a noii metodologii de identificare

a legii de comportare a materialului

B.Prezentarea in extenso a activitatilor realizate

Activitatea 1.1. Analiza proceselor de deformare plastica la rece

Procesele de deformare plastica sunt din ce in ce mai mult raspandite in industriaaeronautica, constructoare de automobile, electronica, automatica, alimentara, s.a. Ponderea

pieselor obtinute prin deformare plastica fata de cele obtinute prin alte procedee este de pete

60%, ceea ce determina urmatoarele cerinte privind procesele de deformare plastica:

- cresterea competitivitatii produselor prin asigurarea calitatii acestora;- cresterea competitivitatii intreprinderilor producatoare prin asigurarea raportului optim

calitate-pret.

Avand in vedere cerintele de mai sus se impune analiza proceselor de deformare plastica in

vederea: i).evidentierii problemelor de rezolvat pentru a asigura calitatea ceruta a produselor

obtinute; ii). gruparii proceselor de deformare plastica la rece coreland diferite criterii astfel incat

abordarea acestora prin intermediul modelelor lor reduse sa poata fi realizata.; aceasta abordare,

conform ultimelor studii, pare a fi deosebit de importanta pentru asigurarea raportului optimcalitate-pret.

Procesele de deformare plastica se desfasoara cu viteza ridicata iar numarul parametrilor care

intervin este deosebit de mare. Acestea fac dificila asigurarea obiectivelor principale: a). calitatea

pieselor obtinute (acuratete dimensionala, absenta defectelor) si b). absenta variatiilor

dimensionale intre piese. S-au dezvoltat si continua sa se dezvolte cercetari pentru identificarea

celor mai bune metode de aplicat pentru indeplinirea obiectivelor de mai sus. Metodele

dezvoltate pana in prezent sunt:

- conducerea procesului de deformare plastica prin care vom intelege actiunea in urma careiamarimile de stare ale procesului capata o evolutie, in timp si spatiu, impusa;

- controlul procesului de deformare plastica prin care vom intelege actiunea in urma careiamarimile de stare ale procesului sunt mentinute la valori impuse; in cazul proceselor dedeformare plastica, in special a tablelor, au fost adoptate diferite solutii: i). MPF multi-point

forming este deformarea cu matrite reconfigurabile multipunct pentru realizarea pieselor

3


4/54


complexe 3D; MPF se bazeaza pe constructia discreta a suprafetei de lucru a elementelor active

[1-6], care este compusa dintr-un numar de pini a caror pozitie pe verticala depinde de forma

piesei de realizat fara posibilitatea modificarii acestei pozitii in timpul procesului sau intre 2

piese successive deformate; ii). DDF digitized-die forming este o metoda de deformare

sectiune cu sectiune pentru realizarea unor piese de dimensiuni mari cu seturi de elemente active

de dimensiuni mici; principiul de realizare a pieselor prin aceasta metoda ii da un caracter si mai

mare de flexibilitate decat tehnica MPF [7-12]; iii). VP-DDF Varying path DDF secarcaterizeaza pin variatia continua a formei zonei de lucru a elementelor active, variatie

comandata numeric in timpul procesului pe un criteriu strict geometric; modul de variatie a

acestei forme este descris printr-o serie de forme intermediare corespunzatoare momentelor t0, t1

[13-??] iv). Multi-step DDF reprezinta o aproximare a tehnicii VP-DDF caracterizata prin

realizarea piesei prin deformarea succesiva in mai multi pasi; aplicarea unor deformatii de

amploare mica prin aceasta metoda permite evitarea aparitiei defectelor de deformare; v).

Closed-loop forming process consta in integrarea unui sistem de feedback privind forma piesei,

echivalent cu un sistem de masurare 3D, in sistemul DDF [15]. Toate aceste tehnici asigura

controlul procesului de deformare dupa criterii strict geometrice si se aplica la forme particulare

de piese.

- utilizarea instrumentelor numerice pentru proiectarea proceselor si echipamentelor careconsta in realizarea unui mare numar de experimente numerice pentru optimizarea parametrilor

tehnologici si constructivi ai proceselor si echipamentelor; dupa definirea acestor parametri nu

mai este posibila interventia asupra lor, in cazul observarii unor abateri fata de obiectivele

stabilite (a si b, de mai sus).

Concluzia 1:

Comportarea materialului in procesele de deformare plastica este neliniara ceea ce impune

adaptarea permanenta a parametrilor de control ai procesului in functie de reactia de raspuns a

materialului.

Concluzia 2:Deoarece procesele de deformare plastica se desfasoara cu viteza foarte mare, sistemul de

control al acestora trebuie sa asigure o viteza de raspuns tot atat de mare. In consecinta, controlul

si adaptarea parametrilor proceselor de deformare plastica pe baza analizei cu elemente finite

sunt imposibil de realizat datorita duratei mari a unui astfel de calcul.

A rezultat astfel necesitatea identificarii unui nou model conceptual al proceselor de

deformare plastica bazat pe reducerea dimensionalitatii pentru asigurarea controlului acestora.

O caracteristica importanta a controlului, in acest caz, este utilizarea drept criteriu a reactiei de

raspuns a materialului pe parcursul desfasurarii procesului.

Constructia si identificarea modelelor reduse ale proceselor de deformare plastica se bazeaza pedescompunerea acestora in elemente componente caracteristice, echivalente cu macroelemente

care asociaza o geometrie cu starea de tensiuni indusa de aceasta. Din acest motiv, procesele de

deformare plastica la rece se vor grupa in 2 categorii: procese de deformare a semifabricatelor

sub forma de tabla si procese de deformare a semifabricatelor volumice. In prima categorie intra

procedeele de prelucrare prin taiere, indoire, ambutisare, tragere pe calapod, fasonare prin

planare, reliefare, umflare, gatuire. In cea de adoua categorie se incadreaza procedeele de

deformare volumica prin extrudare, presare in matrita, aplatizare, refulare. Gruparea in acest

mod este determinata de starile de tensiuni si deformatii foarte diferite care iau nastere in

materialul deformat, in cazul celor doua categorii de procese. De exemplu, in cazul prelucrarii

pieselor din materiale metalice sub forma de tabla:

4


5/54


Tabelul 1

Schema mecanica a deformatiilor Legea constantei

volumuluiNr.crt. Zona

Starea de tensiuni Starea de deformatii

g

g

+1 Flansa + =0g

g

g

Racordarea cu

flansa +2 + =0g

z

z

g+ =03 Peretele lateral g z

g

g

+4 Racordarea cu baza + =0g

g

+5 Baza + =0g

5


6/54


Acivitatea 1.2. Identificarea elementelor componente ale proceselor de

deformare plastica

Ideea de baza in descompunerea pieselor de realizat in elemente componente

caracteristice este ca acestea din urma sa reprezinte elemente geometrice de baza carora li se

asociaza o stare de tensiuni caracteristica. Aceasta idee decurge din studii anterioare ale

echipei de cercetare implicate si in cadrul carora se evidentiau starile de tensiuni caracteristiceale unor procese de deformare plastica in vederea stabilirii criteriilor limita pentru pierderea

stabilitatii materialului [16-20]. Analizand cele doua categorii de procese de deformare plastica

la rece, cele care pornesc de la semifabricate din tabla si cele care pornesc de la semifabricate

volumice, se pot evidentia o serie de elemente componente caracteristice care pot fi utilizate

pentru a construi orice forma complexa de piesa data. Prin analogie cu metoda elementelor finite

acestea pot fi numite macroelemente si identificarea lor este echivalenta cu identificarea

modelului numeric redus corespunzator.

Avand in vedere unul din cele mai complexe procese de deformare plastica a tablelor,

ambutisarea pieselor de forma complexa (fig.1), se pot evidentia urmatoarele exemple de

macroelemente componente:

Fig. 1.

Macroelemente componente ale proceselor de deformare plastica a tablelor metalice

In aceasta figura se evidentiaza asocierea elementelor geometrice A-E cu urmatoarele starii de

tensiuni caracteristice:

A si C intindere + compresiune cu dominanta in intindere;

B intindere + compresiune cu raport intre acestea controlat prin nervura de retinere;

D intindere biaxiala;

E intindere + compresiune cu dominanta in compresiune,

ceea ce le transforma inmacroelemente caracteristice.

Exemple de macroelemente componente ale proceselor de deformare a semifabricatelor

volumice:

Fig. 2

6


7/54


Fiecare dintre aceste macroelemente care, din punct de vedere geometric pot fi componente

ale unei piese date, se caracterizeaza printr-o anumita stare de tensiuni care trebuie astfel

controlata incat san nu conduca la pierderea stabilitatii materialului si, implicit la aparitia

defectelor sau abaterilor dimensionale la piesa data. Pentru fiecare macroelement se genereaza

modelul numeric redus prin parcurgerea urmatorilor pasi:

- definirea parametrilor de intrare si de iesire care caracterizeaza macroelementul;- analiza cu elemente finite a evolutiei acestor parametri in timpul procesului dedeformare;- realizarea unei baze de date cu valorile parametrilor macroelementului;- stabilirea corelatiilor dintre acestia si identificarea parametrilor care au cea mai mare

pondere ca si a corelatiilor celor mai puternice dintre parametri parametrii principali;

- identificarea modelului numeric redus al macroelementului;- proiectarea echipamentului tehnologic necesar simularii fizice a deformarii

macroelementului -modelul fizic al macroelementului;

- realizarea experimentala a deformarii macroelementului pentru validarea/corectareamodelului numeric redus al macroelementului.

In urma parcurgerii acestor pasi se completeaza o biblioteca de modele numerice ale

macroelementelor componente ale proceselor de deformare plastica, biblioteca la care se faceapel pentru generarea modelului numeric redus al oricarui proces de deformare plastica.

Activitatea 1.3. Definirea modelului conceptual al proceselor de deformare

plastica la rece

Notiuni noi utilizateModel fizic redus specific unui proces de deformare plastica = modelul experimental care

ilustreaza cat mai corect/complet cea mai complexa istorie a deformatiilor din timpul procesului

de deformare sau o stare de tensiuni complexa care poate degenera si determina pierderea

stabilitatii materialului in timpul desfasurarii procesului de deformare. Stabilirea acestui model

se bazeaza pe analiza prin simulare numerica a procesului si pe identificarea zonelor critice ale

piesei.

Zona critica a piesei = zona in care starea de tensiuni este foarte favorabila pierderii stabilitatii

materialului si, implicit, aparitiei defectelor.Parametri principali ai procesului = parametrii identificati ca avand influenta si corelatiile cele

mai puternice in timpul unui process de deformare plastica.

Model numeric redus al unui macroelement/al procesului = ansamblul relatiilor matematice

care guverneaza evolutia parametrilor principali in timpul desfasurarii procesului de deformare.

In cazul modelului numeric redus al procesului de deformare plastica, acesta se obtine folosind

modelele numerice reduse ale macroelementelor componente si conditiile la limita dintre

acestea.

Elaborarea programului-piesa consta in proiectarea procesului tehnologic si a echipamentului

tehnologic necesar realizarii acestuia (tehnologia de prelucrare a piesei, parametrii procesului

tehnologic, parametrii geometrici si tehnologici ai elementelor active si cinematica acestora,

s.a.).

7


8/54


Componentele noului model conceptual al proceselor de deformare plasticaComponentele noului model conceptual al proceselor de deformare plastica sunt

prezentate in figura 3.

Fig. 3.Modelul conceptual al proceselor de deformare plastica

In cazul unei piese date se porneste de la desenul de executia al acesteia si se parcurg pasii

reprezentati de componentele modelului conceptual al procesului, astfel:1. proiectarea procesului de prelucrare consta in proiectarea tehnologiei de prelucrare si a

echipamentului tehnologic necesar realizarii acesteia;

2.simularea numerica a procesului de deformare folosind o lege de comportare din literatura

de specialitate/legea de comportare identificata este o componente importanta in elaborarea

programului-piesa; in prima etapa, cand se utilizeaza o lege de comportare din literature de

specialitate se repereaza macroelementul care descrie cea mai complexa istorie a deformatiilor

din timpul procesului, informatie necesara in etapa de proiectare a modelului fizic redus; dupa

identificarea legii de comportare a materialului piesei simularea numerica se realizeaza atat

pentru procesul real de prelucrare cat si pentru modelul fizic redus al acestuia in vederea

completarii bazei de date si a corectarii programului-piesa proiectat.

3.determinarea zonelor critice ale piesei se realizeaza prin simularea numerica a procesului deprelucrare; in urma acestei actiuni se identifica zonele: i). cu cea mai complexa istorie a

deformatiilor, ii). in care starea de tensiuni este favorabila pierderii stabilitatii materialului si

aparitiei defectelor, iii). in care se impune montarea unor senzori pentru urmarirea reactiei de

raspuns a materialului in vederea adaptarii parametrilor algoritmului de control al procesului;

4. proiectarea modelului fizic redus corespunzator procesului de prelucrare se realizeaza in

urma analizei rezultatelor din etapele anterioare; realizarea experimentelor pe acest model are

urmatoarele obiective: i). furnizarea de informatii care completeaza baza de date; ii). validarea

algoritmului si programului de control al procesului de prelucrare; iii). identificarea legii de

comportare a materialului;

5. identificarea legii de comportare a materialului folosind modelul fizic redus al procesului

de deformare constituie o metodologie noua care asigura o mai mare corelatie intre rezultatelesimularii numerice si cele experimentale;

8


9/54


6. identificarea macroelementelor ce compun piesa data folosind biblioteca de macroelemente

si criteriile de descompunere a piesei ce tin seama de elemente geometrice de baza si stari de

tensiuni elementare caracteristice procesului de prelucrare a acesteia;

7. structurarea modelului numeric redus al procesului de deformare prin asamblarea

macroelementelor identificate si stabilirea conditiilor la limita de impus intre acestea pentru

mentinerea coeziunii materialului piesei.

8. identificarea parametrilor modelului redus al procesului de deformare plastica si a legilorcare ii guverneaza folosind tehnici de reducere a dimensionalitatii (Proper Orthogonal

Decomposition - POD) si tehnici de extragere a cunostintelor (rough theory, algoritmi genetici,

retele neuronale); parametrii sunt actualizati atat in timpul desfasurarii procesului, pe baza

reactiei de raspuns a materialului, cat si dupa fiecare exemplar prelucrat al piesei;

9.completarea bazei de date folosind datele numerice si experimentale rezultate din simularea

numerica si fizica a procesului de prelucrare si a modelului fizic redus al acestuia.

10. generarea/actualizarea algoritmului si programului de control consta in doua actiuni

distincte: a). generarea care se realizeaza, in prima etapa folosind setul de date numerice si

experimentale obtinute inainte de realizarea efectiva a procesului de prelucrare; b). actualizarea,

care se realizeaza atat on-line pe baza informatiilor obtinute in timpul desfasurarii procesului de

prelucrare cat si off-line, dupa fiecare exemplar prelucrat al piesei, pe baza informatiilor privindabaterile dimensionale si de forma ale piesei, informatii furnizate prin actiuni de masurare si

control;

11. validarea algoritmului si programului de control se realizeaza folosind modelul fizic

redus al procesului;

12.realizarea procesului de deformare si achizitia datelor atat in timpul acestuia cat si dupa

obtinerea fiecarui exemplar de piesa; datele obtinute in timpul procesului sunt utilizate pentru

actualizarea algoritmului si programului de control a acestuia iar cele obtinute dupa fiecare

exemplar de oiesa prelucrata se utilizeaza pentru completarea bazei de date si actualizarea

parametrilor modelului numeric redus al procesului si a legilor care ii guverneaza pe acestia.

Pentru mai buna intelegerea a acestui nou model conceptual al proceselor de deformare plastica

la rece vom prezenta in continuare un studiu de caz aplicat unuia dintre cele mai complexeprocese de deformare plastica la rece ambutisarea pieselor de forma complexa.

Studiu de caz: ambutisarea unei piese de forma complexaSimularea numerica a unei astfel de piese scoate in evidenta existenta unor stari de tensiuni

caracteristice:

stare de tensiuni de tip intindere+compresiune cu dominanta in intindere stare de tensiuni de tip intindere+compresiune cu dominanta in compresiune stare de tensiuni de tip intindere biaxiala (expansiune).

care pot generapierderea stabilitatii materialului manifestata prin:

revenirea elastica formarea cutelor fisuri,

in conditiile neindeplinirii unor criterii limita.

Controlul evolutiei starilor de tensiuni caracteristice ale procesului de anbutisare complexa se

realizeaza, in principal, prinplaca de retinerecu sau fara nervuri de retinere, lucru demonstrat

prin urmatoarele:

Trecerea materialului printre nervurile de retinere este echivalenta cu trecerea materialului

printr-o succesiune de cicluri de indoire cu intindere indreptare cu intindere. Efectul trecerii

unui element de material printr-un astfel de ciclu consta dintr-un ansamblu format din Mr

moment de incovoiere si Tr tensiune de intindere. Succesiunea unor astfel de cicluri, ca urmare

a trecerii materialului printre nervurile de retinere, are ca efect un moment total de incovoiere

M si o tensiune totala de intindere T .rtot rtot

9


10/54


Mrtot este orientat in sens invers fata de cel care determina revenirea elastica a materialului,

anulandu-l sau diminuandu-l pe acesta.

Trtot, adaugata la tensiunea de intindere existenta in material, modifica raportul dintre

tensiunea de intindere si cea de compresiune eliminand pericolul formarii cutelor in cazul starii

de tensiuni de tip intindere+compresiune cu dominanta in compresiune.

In cazul placii de retinere fara nervuri, aceasta are ca efect doar adaugarea unei tensiuni de

intindere suplimentare, echivalenta cu existenta tensiunii Trtot. Efectul de compensare a reveniriielastice in acest caz este mult diminuat.

si T Mrtot rtot conduc la uniformizarea distributiei tensiunilor in material in timpul procesului,

ceea ce impiedica aparitia unor stari de tensiuni de tip intindere biaxiala (expansiune),

generatoare de fisuri.

Modelul fizic redus al procesului de ambutisare complexa cu nervuri de retinere

Avand in vedere observatiile de mai sus, modelul fizic redus propus pentru un proces de

ambutisare complexa, este cel prezentat in figura de mai jos:

1

2

7

3

4

5

6

Fig. 4. Modelul fizic redus al procesului de ambutisare complexa cu nervuri de retinere

1 - poanson; 2 contrapoanson; 3 - placa activa; 4 inel de retinere1; 5 - nervura de retinere; 6 inel de

retinere2;

7 epruveta.

Odata stabilit acest model, am realizat punerea la punct a modelului numeric cu elemente finite

pentru simularea numerica. Programul de element finit utilizat este MARC Mentat. Geometria

epruvetei este cea prezentata in figura 5. Prin schimbarea parametrilor geometrici ai acesteia se

pot obtine diferite dimensiuni ale macroelementului de tipul A din figura 1, dimensiuni

corespunzatoare piesei ambutisate analizate.

10


11/54


Figura 5. Epruveta folosita in modelul fizic redus

Modelarea cu elemente finite a modelului fizic redus al procesului de ambutisare complexacu

nervuri de retinere

Conditiile la limita:Singura conditie la limita impusa consta in blocarea deplasarilor in directiile x si y la

nivelul nodurilor ce apartin capatului dreapta al epruvetei prins intre poanson si contra-poanson.

Aceasta conditie la limita a fost definita la nivelul meniului BOUNDARY CONDITIONS.

Figura 6. Conditiile la limita

Cinematica elementelor active deformatoare:Cinematica elementelor rigide care actioneaza asupra materialului contribuind la

deformarea acestuia este descrisa in modulul CONTACT, submeniul CONTACT BODIES. La

definirea cinematicii elementelor rigide care formeaza acest sistem, se ia in considerare ca

deformarea materialului se realizeaza in doua etape: 1 patrunderea nervurii de retinere pe o

adancime h; 2 deplasarea poansonului si contrapoansonului in sens negativ al axei z cu

mentinerea nervurii de retinere in pozitia atinsa la sfarsitul etapei 1, aceasta deplasare

realizandu-se pe distanta H.

Poansonul 1 si contrapoansonul 2 vor avea aceeasi deplasare pe directia azei z in sens

negativ al acesteia. Deplasarea poansonului si contrapoansonului este descrisa prin curba

deplasare-timp din figura 7, care arata ca aceasta este formata dintr-un palier 1-2 de deplasare

11


12/54


nula corespunzator etapei de patrundere a nervurii de retinere si un tronson 2-3 in care deplasarea

variaza liniar crescator in functie de timp.

Cele doua tronsoane ale curbei de deplasare corespund intervalelor de timp de 10 si 90 unitati de

timp (secunde) corespunzatoare celor etape in care se realizeaza deformarea materialului.

Analiza cu elemente finite a fost realizata pentru diferite valori ale deplasarii nervurii de retinere

in primele 10 unitati de timp, respectiv 0 mm, 1 mm, 2.5 mm, 3 mm.

In urmatorul interval de 90 unitati de timp, s-a considerat o deplasare a poansonului sicontrapoansonului de maxim 75 mm.

Odata pus la punct modelul cu elemente finite, aceste valori ale deplasarilor si, implicit, tabelele

care descriu acestea, pot fi modificate in functie de studiul care se doreste a se realiza.

Figura 7. Deplasarea poansonului si contrapoansonului in functie de timp

Placa activa 3 are o deplasare nula pe tot intervalul de timp considerat.Nervura de retinere 5 are o deplasare descrisa prin curba din figura 8. Cele doua

tronsoane 1-2 si 2-3 corespund celor doua etape ale procesului de deformare considerat.

Figura 8. Deplasarea nervurii de retinere in functie de timp pe parcursul procesului de deformare

Tronsonul 1-2 descrie variatia liniara a deplasarii nervurii de retinere in sensul negativ al axei z,

deplasare corespunzatoare patrunderii in materialul de deformat. Tronsonul 2-3 corespunde

etapei in care poansonul si contrapoansonul se deplaseaza in sens negativ al axei z, nervura de

retinere mentinandu-se in pozitia finala a etapei anterioare.

12


13/54


Inelele de retinere 4 si 6 pot fi considerate distincte sau formand un corp comun. Ele au o

deplasare nula pe tot intervalul de timp corespunzator celor doua etape ale procesului de

deformare a epruvetei.

Definirea proprietatilor materialului s-a realizat in cadrul modulului MATERIAL

PROPERTIES. Epruveta a fost considerata corp deformabil in timp ce toate celelalte elemente

componente ale sistemului au fost considerate corpuri rigide. In faza de punere la punct amodelului cu elemente finite ale modelului fizic redus, am analizat doua tipuri de materiale

otel dual fazic DP600 si aliaj de aluminiu AA5182 - pentru care parametrii legii de comportare

sunt cunoscuti din literatura [Raport 3DS]. De asemnea, in aceasta etapa, am considerat ca lege

de comportare doar legea lui Swift fara ecruisaj cinematic ai carei parametri au fost definiti la

nivelul modulului MATERIAL PROPERTIES (figura 9). De asemenea s-a considerat materialul

ca fiind izotrop cu respectarea criteriului Hill.

Figura 9. Definirea proprietatilor materialului de deformat

Rezultatele simularii numerice

Atat in faza de lansare a calculului cu elemente finite cat si in faza de post-procesare a

rezultatelor s-au avut in vedere obiectivele urmatoare:

obiectiv 1: evidentierea istoriei complexe a deformatiei materialului-Pentru aceasta s-au trasat:

13


14/54


* curba tensiune deformatie a materialului (figura 10) si s-au evidentiat ciclurile succesive de

deformare la care este supus materialul in timpul procesului de deformare folosind acest model

fizic; in figura aceasta s-a luat in considerare nodul 270 care initial se afla in pozitia indicata in

figura 11.

db1-rp5-dist6-pt270

-1.50E+03

-1.00E+03

-5.00E+02

0.00E+00

5.00E+02

1.00E+03

-9.00E-02 -8.00E-02 -7.00E-02 -6.00E-02 -5.00E-02 -4.00E-02 -3.00E-02 -2.00E-02 -1.00E-02 0.00E+00 1.00E-02

Strain 11

Stess11

l ibre f in penetration avant entre ds cavite 1ere moitie DB 2ieme moitie DB rayon matrice

Figura10.. Curba tensiune-deformatie pentru nodul 270 al epruvetei (otel dual fazic DP600)

Figura 11. Pozitionarea nodurilor analizate pe epruveta, inaintea deformarii

* curbele reprezentand evolutia unor marimi importante pentru aprecierea evolutiei starii de

tensiuni si deformatii in diferite zone ale epruvetei in timpul procesului de deformare (figura 11:

a evolutia tensiunii echivalente Von Mises, b distributia tensiunii echivalente Von Mises in

material la trecerea prin zona racordarii placii de ambutisare, c si d evolutia componentei 11 ,

respectiv 22 a tensorului tensiunilor Cauchy in nodul central din zona liber deformabila a

epruvetei; figura 12 distributia deformatiei plastice echivalente; figura 13 evolutia

componentelor 11 22, respectiv ale tensorului deformatiilor plastice in nodul 11051 care trece

prin zona nervurii de retinere si, la sfarsitul deformarii programate ajunge in zona racordata a

placii de ambutisare).

14


15/54


a).

b).

c). d).Figura 11. Distributia si evolutia tensiunilor in materialul deformat

a). evolutia tensiunii echivalente Von Mises in material la sfarsitul deformarii; b). distributia tensiunii echivalente

Von Mises in materialin timpul deformarii; c). evolutia componentei 11 a tensorului tensiunilor Cauchy in timpul

deformarii ; d). evolutia componentei 22 a tensorului tensiunilor Cauchy in timpul deformarii

15


16/54


nodul 30334

11

Figura 12. Distributia componentei normale a deformatiei plastice, in materialul epruvetei la sfarsituldeformarii (2,5 mm patrundere a nervurii de retinere)

11 22Figura 13. Evolutia componentelor , respectiv ale tensorului deformatiilor plastice in nodul 30334

16


17/54


nodul 30334

11Figura 14. Distributia componentei normale a deformatiei plastice, in materialul epruvetei la sfarsitul

deformarii (2,5 mm patrundere a nervurii de retinere)

11 22, respectiv ale tensorului deformatiilor plastice in nodul 30334Figura 15. Evolutia componentelor

11Din analiza comparativa a figurilor 13 si 15 se observa variatia ciclica a componentelor si

22 ale deformatiei plastice in cazul prezentei nervurilor de retinere (fig. 13) fata de cazul in care

patrunderea nervurilor de retinere este nula (fig. 15).

17


18/54


a).

b).

Figura 16. Distributia deformatiei plastice echivalente in materialul epruvetei la sfarsitul deformarii

a). fara patrunderea nervurii de retinere; b). 2,5 mm patrundere a nervurii de retinere

18


19/54


a).

b).

Figura 17. Distributia componentei 22 a tensorului tensiunilor Cauchy in materialul epruvetei la sfarsitul

deformarii

a). fara patrunderea nervurii de retinere; b). 2,5 mm patrundere a nervurii de retinere

Din analiza figurilor 16 si 17 se observa uniformizarea distributiei, de-a lungul conturului piesei,

a deformatiilor si tensiunilor (de exemplu, componenta 22

a tensorului tensiunilor Cauchy) incazul prezentei nervurii de retinere (fig. 17.b). In cazul absentei acesteia se produce o localizare a

valorilor maxime ale tensinulor si deformatii si, implicit, pot aparea defecte in piesa deformata.

19


20/54


obiectiv 2: identificarea modelului numeric redus al procesului de ambutisare complexa-Unul din obiectivele simularii modelului fizic redus este si de a determina corelatiile intre

diferitii parametri ai acestuia. Pentru aceasta se analizeaza curbele de variatie pentru:

componente 11, 22 si 33 ale tensiunilor si deformatiilor in diferite zone ale epruvetei, evolutia

fortelor (figurile 14,15). Evolutia acestor marimi a fost analizata pentru diferite valori ale

adancimii de patrundere a nervurii de retinere si ale parametrilor geometrici ai epruvetei.

Figura 14. Evolutia fortelor exercitate de elementele rigide deformatoare

20


21/54


33 pe parcursul deformarii, in diferite zone (noduri) ale epruveteiFigura 15. Evolutia deformatiei

Nod 21874Nod 21922

Figura 16. Pozitionarea nodurilor in care s-a analizat evolutia deformatiei 33

Nod 21823

Nod 21772

21


22/54


Noua metodologie de identificare a legii de comportare a materialuluiContext stiintific

In conditiile elaborarii unui material nou, caracterizarea comportamentului sau mecanic si

identificarea legii de comportare sunt deosebit de importante pentru a cunoaste domeniul sau de

utilizare si limitele acestuia in procesele de prelucrare pe care le sufera pentru a se transforma in

piesa finita.

In cazul semifabricatelor sub forma de tabla, multe dintre acestea au destinatii care

presupunrezistenta ridicata la :

- coroziune;- variatii mari ale temperaturii;- presiuni mari si variatii mari ale acesteia;- soc, ceea ce este echivalent cu o limita de elasticitate ridicata si, implicit, o rezistenta

la rupere ridicata.

Aceste cerinte conduc la realizarea unormateriale noial carorcomportament mecanic

nu este suficient cunoscut astfel incat procesele de deformare la care sunt supuse aceste

materiale sa fie bine controlate pentru a asigura obtinerea pieselor de buna calitate si cudurabilitate mare.

Pe de alta parte, informatizarea proceselor tehnologice presupune utilizarea simularii

numerice ca instrument deproiectare a :

- formei piesei (avand in vedere solicitarile ei ulterioare);- tehnologiei de prelucrare;- echipamentului tehnologic necesar prelucrarii.

In procesul simularii numerice cu elemente finite cunoasterea modelului legii de comportare

care aproximeaza cel mai bine comportamentul mecanic al materialului, este deosebit de

importanta.

Deformarea plastica a materialelor metalice sub forma de tabla presupune deformatii mari

si schimbari severe ale directiei de deformare. Deformatiile plastice mari conduc, in cazul multor

materiale, la dezvoltarea unor structuri de dislocatii persistente care determina o puternica

anizotropie la curgere. Aceasta anizotropie indusa in material determina, la randul ei, o reactie de

raspuns sub forma relatiei tensiune-deformatie diferita in functie de tipul schimbarii de

traiectorie a deformatiei.

Obtinerea prin deformare plastica a pieselor presupune costuri foarte mari si consum

mare de timp pentru faza de proiectare a procesului tehnologic si a echipamentului tehnologic

necesar. Simularea numerica reprezinta un instrument important pentru reducerea acestor costuridar eficienta acestui instrument este puternic influentata de modelul legii de comportare a

materialului folosit ca si de reprezentarea corecta a interactiunilor dintre material si elementele

active. De aceea se impune i). o intelegere cat mai completa a mecanismelor de deformare a

materialului in interactiunea lui cu elementele active deformatoare si ii).folosirea unei legi de

comportare care sa includa reactiile de raspuns (relatii tensiune-deformatie) ale materialului in

functie de istoria deformatiei (efectul Bauschinger, efectul cross-hardening). In cazul in care

aceste doua conditii nu sunt satisfacute acuratetea rezultatelor simularii numerice este scazuta si,

implicit, eficienta acesteia.

Noua metodologie de identificare a legii de comportare a materialului, are ca idee cheie

utilizarea unei metode experimentale de solicitare a materialului care sa simuleze cea mai

complexa istorie a deformatiilor ce survine in material in timpul procesului considerat.

22


23/54


Avand in vedere aceasta particularitate a metodologiei propuse, vom face o trecere in revista a

metodelor experimentale folosite pana in prezent, cu particularizare la materialele sub forma de

tabla.

Legea de comportare mecanica a unui material este definita prin :

criteriul de plasticitate legea de curgere; legile de evolutie a variabilelor interne de stare.

Metodele de identificare a legii de comportare a materialelor sub forma de tabla, conform

literaturii de specialitate, se bazeaza pe realizarea incercarilor mecanice care pot fi:

Incercari mecanice simple cum sunt:

Incercarea la tractiune

Obiectivele acestei incercari sunt :

determinarea curbelor de ecruisare a materialului pentru diferite directii desolicitare fata de directia de laminare;

studiul anisotropiei din punct de vedere al :* tensiunii variatia limitei de elasticitate in functie de variatia orientarii

directiei de solicitare fata de directia de laminare;

* deformatiei determinarea coeficientului de anisotropie variabil in

functie de orientarea directiei de solicitare fata de directia de laminare.

( )r

Incercarea la forfecare

De ce este necesara incercarea la forfecare ?

Incercarea simpla (monotona) la forfecare, adaptata pentru table, permite atingerea unorvalori ale deformatiei plastice net superioare celor obtinute prin incercarea la tractiune

simpla si comparabile cu cele atinse in procesele reale de deformare plastica.

Incercarea ciclica la forfecare se poate realiza pentru amplitudini mari ale deformatiei(10%, 20%, 30%) si permite completarea informatiilor privind ecruisarea materialului :

- efect Bauschinger;

- evidentierea componentei cinematice a ecruisarii.

Figura 17 [21]

Obiectivele incercarii la forfecare (monotona si ciclica) sunt :

* determinarea curbelor de ecruisare a materialului pentru diferite orientari ale epruvetei

fata de directia de laminare (00, 450, 900, 1350) atat pentru forfecarea monotona cat si pentru cea

ciclica;

* determinarea sensibilitatii materialului la viteza de deformare prin realizarea incercarii

la forfecare monotona cu salt de viteza;

23


24/54


* determinarea influentei starii initiale de ecruisare a materialului prin realizarea

incercarii ciclice la forfecare cu mai multe cicluri.

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2

Contraintedecisaillement(M

Pa)

Dformation de cisaillement

Essai 1Essai 2

Figura 18[21]

Incercarea la compresiuneSe stie ca limita la curgere a materialelor este diferita in conditii de solicitare la tractiune,

respectiv compresiune. In cazul materialelor metalice sub forma de tabla, pentru a evita

flambajul epruvetei in timpul solicitarii la compresiune, se poate realiza aceasta incercare pe

epruvete de forma circulara, cu diametrul de 10 mm. In cazul acestei incercari, cand este vorba

despre semifabricate sub forma de tabla, obiectivul este de a obtine curba de ecruisare a

materialului.

Incercari mecanice combinateComportarea materialului la un moment dat in timpul procesului de prelucrare depinde esential

de istoricul deformatiei. De aceea este important sa se analizeze influenta traiectoriei complexe

a deformatiei asupra comportamentului mecanic al materialului (fig. 3). Acest lucru este

realizabil prin analiza rezultatelor incercarilor mecanice compuse sub forma :

- tractiune + forfecare (fig. 4)- forfecare + tractiune (fig. 5)- forfecare + forfecare (fig. 5)

Figura 19

24


25/54


Figura 20

Figura 21

Incercari tehnologice speciale sau simulativeAceste incercari au fost utilizate, pana in prezent, in special pentru validarea unor modele

constitutive noi [18 - 20] si, foarte rar, pentru identificarea unor parametri ai unui astfel de

model [17, 21]. Rolul acestor incercari este de a realiza reproducerea sau simularea unor stari de

tensiuni si deformatii specifice proceselor de deformare a tablelor in vederea stabilirii criteriilor

limita privind aparitia unor defecte la piesele obtinute. De-a lungul timpului cercetarile au fost

focalizate pe studiul unor defecte ale pieselor cum sunt: revenirea elastica, formarea cutelor,

ruperea. Aceste defecte sunt determinate de pierderea stabilitatii materialului sau, mai exact, deatingerea unor criterii limita privind starea de tensiuni si deformatii in materialul supus

deformarii.

25


26/54


In aceasta categorie pot fi incluse atat incercarile de tipul: Erichsen, Swift, Nakazima, Marciniak

cat si incercarile de tipul: Nine test (figura 22) si variante ale acestuia, 2D draw bending test

(figura 24), cyclic pure bending test, draw bend test (figura 25), 3 point cyclic bending test

(figura 26), biaxial tensile test [24] , bulge test (figura 27), s.a.

Figura 22. Nine Test [19]

a)

b).

Figura 23. a).Experimental test apparatus for angle binder draw bead simulations; b) Draw bead detail[21]

Figura 24. 2D draw bending test [25]

26


27/54


Figura 25. Draw bend test[..]

Figura 26. 3 point cyclic bending test [..]

Figura 27. Bulge test [22]

27


28/54


Tendinta constructiei acestora este de a obtine o cat mai mare apropiere de conditiile

reale de deformare a materialului in timpul proceselor de deformare plastica si, mai mult, de a

obtine conditii dintre cele mai complexe ale istoriei deformarii materialului. Motivul acestei

evolutii este de a determina legea de comportare care, folosita in programele de simulare

numerica, sa conduca la cresterea acuratetei rezultatelor obtinute sau, altfel spus, sa conduca la

rezultate cat mai apropiate de cele experimentale. Determinarea legii de comportare care

raspunde cel mai bine acestei cerinte se realizeaza prin introducerea in programele de analiza cuelemente finite a modelelor constitutive propuse si compararea rezultatelor simularii numerice cu

rezultatele experimentale obtinute prin deformarea materialului conform uneia dintre schemele

incercarilor tehnologice (simulative) prezentate mai sus.

Prezentarea noii metodologii de identificare a legii ce comportareNoua metodologie de identificare a legii de comportare a materialului, are ca idee cheie

utilizarea unei metode experimentale de solicitare a materialului care sa simuleze cea mai

complexa istorie a deformatiilor ce survine in material in timpul procesului considerat.Aceasta metoda experimentala va fi folosita pentru identificarea parametrilor legii de

comportare, specifici istoriei complexe a deformatiilor.

Astfel, noua metodologie de identificare a legii de comportare a materialului propusa consta inparcurgerea urmatoarelor etape:

1. proiectarea planului experimental, care include descrierea: metodei experimentalefolosite, definirea parametrilor acestei metode, planificarea experimentelor;

2. achizitia/prelucrarea datelor experimentale pentru obtinerea curbei va consta indescrierea metodei de achizitie a datelor experimentale si a metodei de prelucrare a

acestora;

3. stabilirea familiei de modele ale legii de comportare a materialului care vor fi luate inconsiderare in etapa urmatoare; familia de modele se stabileste astfel incat sa corespunda

celei mai complexe istorii a deformatiei corespunzatoare procesului considerat;

4. identificarea parametrilor legii de comportare pentru fiecare model considerat, folosindmetoda analizei inverse

5. analiza comparativa a modelelor identificate si a rezultatelor experimentale pentruselectarea modelului care prezinta cea mai buna corelatie cu rezultatele experimentale

6. validarea modelului selectionat prin folosirea lui la simularea numerica a modelului fizicredus al procesului si compararea cu rezultatele experimentale

In cazul aplicarii noii metodologii de identificare a legii ce comportare, la ambutisarea

pieselor complexe, metoda experimentala de solicitare a materialului este elaborata avand in

vedere cea mai complexa istorie a deformatiilor Aceasta poate fi ilustrata de trecerea materialului

printre nervurile de retinere, care materializeaza una din cele mai complexe solicitari ciclice a

materialului la ambutisarea complexa. Metoda experimentala de analiza a comportariimaterialului in timpul deformarii include si realizarea incercarii la tractiune pentru identificarea

parametrilor care nu tin seama de ecruisajul cinematic al materialului.

Incercand sa tinem cont de necesitatea unei cat mai mari apropieri fata de procesul real de

deformare a materialului in timpul ambutisarii pieselor complexe, propunem ca schema de

deformare pentru identificarea legii de comportare a materialului, conform noii metodologii sa

fie urmatoarea:

Fig. 25. Schema de deformare aplicata in metoda experimentala propusa pentru identificarea legii de comportare

1 rola superioara; 2 si 3 role inferioare; 4 bac de retinere; 5 bac de tragere.

1

4 5

2 3

28


29/54


Aceasta schema corespunde principiului de deformare a materialului in cadrul testului Nine [19],

cu unele modificari, si este adoptata pornind de la modelul fizic redus determinat mai inainte

(fig. 4). Fata de testul Nine, aceasta metoda include 2 geometrii diferite ale rolelor care

simuleaza nervura de retinere: a). cu axa de rotatie liniara, b). cu axa de rotatie in arc de cerc.

Cele doua geometrii simuleaza solicitarea materialului la nivelul macroelementelor caracteristice

A, C si E din figura 1. Fata de modelul fizic redus, s-a eliminat zona in care se simuleaza

trecerea peste zona racordata a placii active pentru reducerea zonelor de contact cu frecare intrematerial si elementele rigide deformatoare. Obiectivul principal al acestei metode de solicitare a

materialului este de a identifica parametrii legii de comportare care tin seama de ecruisarea

cinematica a acestuia. Pentru a exclude efectul fortelor de frecare, elementele cilindrice care

materializeaza nervura de retinere au o miscare de rotatie libera in jurul axei lor. Pe epruveta se

traseaza reperele prezentate in figura 6 pentru a putea masura evolutia deformatiei elementului

pe parcursul trecerii lui printre elementele ce materializeaza nervura de retinere.0A

Fig. 26

Sunt cunoscute metodele experimentale clasice folosite pentru identificarea legiii de

comportare a materialelor, cum sunt: incercarile mecanice simple (tractiune, compresiune,

forfecare), incercarile mecanice combinate (tractiune-compresiune, tractiune-forfecare,

forfecare-tractiune), incercarile tehnologice (Erichsen, Fukui, ...), incercarile tehnologice

speciale. Metoda propusa face parte din categoria incercarilor tehnologice speciale si deformarea

materialului in zona de lucru (fig. 5) se desfasoara in doua etape: patrunderea rolei superioare 1

care, prin intermediul fortei F1 deformeaza materialul similar deformarii acestuia de catre

nervurile de retinere; tragerea materialului cu viteza vG

printre rolele 1, 2 si 3 care materializeaza

nervuria de retinere. Aceste doua etape se desfasoara cu aplicarea simultana a fortei de intindere

F in sens invers directiei de deplasare a materialului printre role.

Achizitia datelor se va realiza folosind o camera video cu viteza inalta de inregistrare.

Imaginile captate vor reprezenta pozitiile pe care le vor avea reperele trasate la distanta initiala

, in diferite momente ale deplasarii materialului in directia de tragere. Ele vor fi prelucrate

cu ajutorul unui program specializat pentru prelucrarea imaginilor, program realizat in

laboratorul PDPR al Universitatii din Galati. Pe baza rezultatelor acestei prelucrari si a achizitiei

celorlalti parametri ai incercarii, se va trasa curba de ecruisare a materialului.

0A

Stabilirea familiei de modele ale legii de comportare a materialului stabilindu-se astfel

incat sa corespunda celei mai complexe istorii a deformatiei corespunzatoare procesului

considerat, in cazul ambutisarii pieselor de forma complexa se vor retine cele care tin cont deecruisarea cinematica a materialului.

29


30/54


Bibliografie[1] Walczyk, D.F. and Hardt, D.E., Design and Analysis of Reconfigurable Discrete Dies for

Sheet Metal Forming, Journal of Manufacturing Systems, 1998, 17(6), 436-454.

[2] Nardiello, J., Christ, R., and Papazian, J.M., Block Set Form Die Assembly, USA Patent

6,053,026, April 2000.

[3] Papazian, J.M., Anagnostou, E.L., Christ, R.J., Hoitsma, D., Orivile P, Schwarz, R.C.,

Spitzer, K., and Barkley, C., Tooling for Rapid Sheet metal parts production, 6th JointFAA/DoD/NASA conference on Aging Aircraft, September 2002

[4] Walczyk, D.F. and Longtin, R.S., Fixturing of compliant parts using a matrix of

reconfigurable parts, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2000, 122(4),

766-772.

[5] Cai, Z., Li, M., Optimum path forming technique for sheet metal and its realization in multi-

point forming, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 110, pag 136-141, 2001.

[6] Cai, Z.Y., Li , M.Z.,Multi-point forming of three-dimensional sheet metal and the control of

the forming process. Int. J. Pressure Vessels Piping 79 4 (2002), pag. 289296

[7] Cai, Z.Y., Li, M.Z., Yan, Q.G., Flexible forming for sheet metal, Journal of Applied Science

20 (2002) 202206 (in Chinese).

[8] Chen, J.J., Li, M.-Z., Multi-point section forming technology, J. Harbin Instit. Technol. 32(2000) (4), pag. 6571.

[9] Zhongyi, C., Mingzhe, L., Zhaohua, F., Theory and method of optimum path forming for

sheet metal, Chin. J. Aeronautics 14 2 (2001), pp. 118122

[10] Boers, S.H.A., Schreurs, P.J.G., Geers, M.G.D., Path-Dependent Plasticity and 3D

Discrete Forming, VIII International Conference on Computational Plasticity, COMPLAS VIII,

CIMNE, Barcelona, 2005.

[11] Zhong-Yi Cai, Ming-Zhe Li, Xi-Di Chen,Digitized die forming system for sheet metal and

springback minimizing technique, Int. Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 28,

nr. 11-12/2006, pp. 1089-1096.

[12] Zhong-Yi Cai, Ming-Zhe Li, A finite element method to generate digitized-die shape from

the measured data of desired part, Int. Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 30,

nr. 1-2/2006, pp. 61-69.

[13] Hoppe H, DeRose T, Duchamp T et al, Surface reconstruction from unorganized points,

Comput Graph 26(2)/2002, pp. 7178.

[14] M-Z Li, Z-Y Cai, Z Sui, X-J Li , Principle and applications of multi-point matched-die

forming for sheet metal, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineering, Part B:

Journal of Engineering Manufacture, vol. 222, nr. 5/2008, pp. 581-589.

[15] Julian M. Allwood, Omer Music, Ankor Raithathna and Stephen R. Duncan, Closed-loop

feedback control of product properties in flexible metal forming processes with mobile tools,

Cirp Annals Manufacturing Technology, vol. 58, issue 1/2009, pp. 287-290.

[16] L.M. Smith, Y.J. Zhou, D.J. Zhou, C. Dub, C.Wanintrudal, A new experimental testapparatus for angle binder draw bead simulations, Journal of Materials Processing Technology,

vol. 209/2009, pp. 49424948

[17] Per-Andersen Eggertsen, Kjell Mattiasson, An inverse approach for material parameter

identification in a cyclic bending test using LS-DYNA and LS-OPT, 7th European LS-DYNA

Conference, 2009.

[18] R. Padmanabhan, Jihyun Sung, H. Lim, M.C. Oliveira, L.F. Menezes, R.H. Wagoner,

Influence of draw restraining force on the springback in advanced high strength steels, Int. J.

Mater. Form., 2008, suppl. 1, pp. 177-180, DOI 10.1007/s12289-008-0020-5.

[19] Clemens Barthel, Till Clausmeyer, Bob Svendsen, Numerical investigatiomn of draw

bending and deep drawing taking into account cross hardening, 7th European LS-DYNA

Conference, 2009.[20] L.R. Sanchez, Characterisation of a measurement system for reproductible friction on sheet

metal under plane strain, Tribology International, N0. 32, 1999, pp. 575-586.

30


31/54


[21] L.R. Sanchez, A new cyclic anisotropic model for plane strain sheet metal forming, Int. J.

Mech. Sciences, N0. 42, 2000, pp. 705-728.

[22] L.M. Smith, Y.J. Zhou, D.J. Zhou, C. Du, C. Wanintrudal, A new experimental test

apparatus for angle binder draw bead simulation, No. 209, 2009, pp. 4942-4948.

[23] bulge test

[24] Banabic, D., Bunge, H. J., Phlandt, K. and Tekkaya, A. E.Formability of Metallic

Materials, 2000 (Springer-Verlag, Berlin, Germany).[25] A. Makinouchi, On the Expected Role of Benchmark Test in Evaluating the Sheet Metal

Forming Simulation Software, Proceedings of Int. Conf. Metal Forming Process Simulation in

Industry, 1994, pp. 408-426.

[26] . 3 point bending test

[27] C. Maier, M. Teodorescu, M. Banu 1995, Analysis of stress and strain state during the

deep-drawing of automotive body panels, using the finite element method, SISOM95, Academia

Romana, Bucuresti, 321-324, ISSN 1223-7140.

[28] C. Maier, M. Teodorescu, A. Dimofte, 1997, Mathematical model of the stress state type

tension with compression when the compression is dominant met in deep-drawing with

drawbeads, SISOM97, Academia Romana, Bucuresti, 355-362, ISSN 1223-7140.

[29] C. Maier, M. Teodorescu, C. Rusu, 1997, Finite element modeling of drawbead test,SISOM97, Academia Romana, Bucuresti, 363-366, ISSN 1223-7140.

[30] C. Maier, M. Banu, S. Bouvier, V. Tabacaru, V. Marinescu - Designing of an inverse re-

drawing dies, having reconfigurable characteristics, aided by FEM simulation, Analele

Universitatii Dunarea de Jos din Galati, Fasc. V., Tehnologii n construcia demaini, anul

XXIV(XXIX) 2007, ISSN-1221-4566, p.17

[31] C. Maier, N. Kosmalski, M. Banu, Al. Epureanu, V. Paunoiu Design of the virtual model

of redrawing process, Analele Universitatii Dunarea de Jos din Galati, Fasc. V., Tehnologii n

construcia demaini, anul XXIV(XXIX) 2007, ISSN-1221-4566, p.11

[32] C. Maier, C. Teodosiu, S. Bouvier, 2001, Preliminary results of identification of

elastoplastic models for some materials used in the Benchmarks, Workshop on Digital Die

Design Systems (3DS), RIKEN Institut, Japan, 25-35, IMS 1999 000051.

31


32/54


C. Valorificarea rezultatelor obtinute

32


33/54


C1. Brevete de inventie propuse

33


34/54


Metoda si echipament pentru modelarea comportarii tablelor subtiriin procesul de ambutisare cu nervuri de retinere

Autori: Maier C., Epureanu Al., Banu M., Paunoiu V., Marinescu V., Marin F.B.

- Rezumat -

Inventia se refera la o metoda de a construi un model redus, care sa descrie comportarea

tablelor subtiri pe parcursul procesului de ambutisare cu nervuri de retinere, precum si la un

echipament ce poate fi folosit pentru implementarea metodei in procesul de fabricatie.

Metoda si echipamentul pentru modelarea comportarii tablelor subtiri in procesul de ambutisare

cu nervuri de retinere se pot aplica, atat la proiectarea proceselor si echipamentelor tehnologicenecesare pentru ambutisarea din table subtiri a componentelor mecanice, in scopul gasirii unor

valori optimale pentru parametrii geometrici ai matritei si ai placii de retinere si pentru forta de

retinere, astfel incat indicatorii de calitate ai produsului si indicatorii de economicitate ai

procesului sa aiba valori cat mai favorabile, cat si la controlul online al proceselor de ambutisare.

Algoritmul de aplicare a metodei consta in descompunerea procesului concret de ambutisare in

procese elementare, modelarea fiecarui proces elementar astfel rezultat si constructia modelului

redus al procesului global de ambutisare, prin compunerea modelelor proceselor elementare

aferente si asocierea acestora cu conditiile la limita, specifice zonelor care separa procesele

elementare. In cazul ambutisarii pieselor complexe tipurile de procese elementare care pot fi

identificate sunt:

- tipul 1 - corespunzator starii de solicitare de intindere+compresiune cu dominanta inintindere;

- tipul 2 corespunzator starii de solicitare de intindere+compresiune cu dominanta incompresiune;

- tipul 3 corespunzator starii de solicitare la intindere biaxiala.Pe de alta parte, modelul general al proceselor elementare se obtine prin procesarea datelor

rezultate in urma unui program experimental, care consta in derularea repetata, cu valori

schimbate ale parametrilor, a unui proces standard de ambutisare cu nervuri de retinere, folosind

echipamentul pentru implementarea metodei in procesul de fabricatie, conform inventiei.

Inventia prezinta urmatoarele avantaje:

-

modelul obtinut este mai aproape de realitatea fizica a procesului de ambutisare, deoarecese construieste pe baza unor date experimentale specifice produsului, procesului si

echipamentului pentru care a fost construit;

- modelul este simplu si de aceea poate fi utilizat pentru conducerea online a procesului deambutisare;

- baza de date ce a fost folosita la constructia modelului poate fi folosita si la constructiaaltor modele, care sa descrie alte procese de ambutisare.

34


35/54


C2. Articole stiintifice publicate

35


36/54


36


37/54


37


38/54


38


39/54


39


40/54


40


41/54


41


42/54


42


43/54


43


44/54

Proiect ID-1759/2008 Raport in extenso pentru etapa unica 2009

44


45/54


45


46/54


46


47/54


47


48/54


48


49/54


C3. Rezumatul etapei

Obiectiv planificat:

Ob. 1 Dezvoltarea modelului conceptual al procesului de deformare plastica la rece

Activitati realizate:1.4.Analiza proceselor de deformare plastica la rece.1.5.Identificarea elementelor componente ale proceselor de deformare plastica.1.6.Definirea modelului conceptual al proceselor de deformare plastica la rece

Rezultate livrate pe etapa: Documentatia de descriere/utilizare a noii metodologii de identificare

a legii de comportare a materialului

Activitatea 1.1. Analiza proceselor de deformare plastica la rece

Analiza proceselor de deformare plastica la rece se realizeaza cu scopul: i).evidentierii

problemelor de rezolvat pentru a asigura calitatea ceruta a produselor obtinute; ii). gruparii

proceselor de deformare plastica la rece coreland diferite criterii astfel incat abordarea acestora

prin intermediul modelelor lor reduse sa poata fi realizata.

Procesele de deformare plastica se desfasoara cu viteza ridicata iar numarul parametrilor care

intervin este deosebit de mare. Acestea fac dificila asigurarea obiectivelor principale: a). calitatea

pieselor obtinute (acuratete dimensionala, absenta defectelor) si b). absenta variatiilor

dimensionale intre piese. Metodele utilizate pentru indeplinirea acestor obiective sunt:

- conducerea procesului de deformare plastica prin care vom intelege actiunea in urma careiamarimile de stare ale procesului capata o evolutie, in timp si spatiu, impusa;

- controlul procesului de deformare plastica prin care vom intelege actiunea in urma careiamarimile de stare ale procesului sunt mentinute la valori impuse; in cazul proceselor de

deformare plastica, in special a tablelor, au fost adoptate diferite solutii: i). MPF multi-point

forming este deformarea cu matrite reconfigurabile multipunct pentru realizarea pieselor

complexe 3D; MPF se bazeaza pe constructia discreta a suprafetei de lucru a elementelor active,care este compusa dintr-un numar de pini a caror pozitie pe verticala depinde de forma piesei de

realizat fara posibilitatea modificarii acestei pozitii in timpul procesului sau intre 2 piese

successive deformate; ii). DDF digitized-die forming este o metoda de deformare sectiune cu

sectiune pentru realizarea unor piese de dimensiuni mari cu seturi de elemente active de

dimensiuni mici; iii). VP-DDF Varying path DDF se carcaterizeaza pin variatia continua a

formei zonei de lucru a elementelor active, variatie comandata numeric in timpul procesului pe

criteriu strict geometric; iv). Multi-step DDF reprezinta o aproximare a tehnicii VP-DDF

caracterizata prin realizarea piesei prin deformarea succesiva in mai multi pasi; aplicarea unor

deformatii de amploare mica prin aceasta metoda permite evitarea aparitiei defectelor de

deformare; v). Closed-loop forming process consta in integrarea unui sistem de feedback privind

forma piesei, echivalent cu un sistem de masurare 3D, in sistemul DDF. Toate aceste tehniciasigura controlul procesului de deformare dupa criterii strict geometrice si se aplica la forme

particulare de piese.

- utilizarea instrumentelor numerice pentru proiectarea proceselor si echipamentelor careconsta in realizarea unui mare numar de experimente numerice pentru optimizarea parametrilor

tehnologici si constructivi ai proceselor si echipamentelor; dupa definirea acestor parametri nu

mai este posibila interventia asupra lor, in cazul observarii unor abateri fata de obiectivele

stabilite (a si b, de mai sus).

Concluzii:a). Comportarea materialului in procesele de deformare plastica este neliniara ceea ce impune

adaptarea permanenta a parametrilor de control ai procesului in functie de reactia de raspuns a

materialului.b). Deoareceprocesele de deformare plastica se desfasoara cu viteza foarte mare, sistemul de

control al acestora trebuie sa asigure o viteza de raspuns tot atat de mare. In consecinta, controlul

49


50/54


si adaptarea parametrilor proceselor de deformare plastic pe baza analizei cu elemente finite sunt

imposibil de realizat datorita duratei mari a unui astfel de calcul.

A rezultat astfelnecesitatea dezvoltarii unui nou model conceptual al proceselor de deformare

plastica bazat pe reducerea dimensionalitatii pentru asigurarea controlului acestora. O

caracteristica importanta a controlului, in acest caz, este utilizarea drept criteriu a reactiei de

raspuns a materialului pe parcursul desfasurarii procesului.

Constructia si identificarea modelelor reduse ale proceselor de deformare plastica se bazeaza pedescompunerea acestora in elemente componente caracteristice, echivalente cu macroelemente

care asociaza o geometrie cu starea de tensiuni indusa de aceasta. Din acest motiv, procesele de

deformare plastica la rece se vor grupa in 2 categorii: procese de deformare a semifabricatelor

sub forma de tabla si procese de deformare a semifabricatelor volumice.

Acivitatea 1.2. Identificarea elementelor componente ale proceselor de deformare plastica

Ideea de baza in descompunerea pieselor de realizat in elemente componente caracteristice este

ca acestea din urma sa reprezinte elemente geometrice de baza carora li se asociaza o stare de

tensiuni caracteristica. Analizand cele doua categorii de procese de deformare plastica la rece,

cele care pornesc de la semifabricate din tabla si cele care pornesc de la semifabricate volumice,

se pot evidentia o serie de elemente componente caracteristice care pot fi utilizate pentru a

construe orice forma complexa de piesa data. Prin analogie cu metoda elementelor finite acesteapot fi numite macroelemente si identificarea lor este echivalenta cu identificarea modelului

numeric redus corespunzator.

Exemple de macroelemente componente ale proceselor de deformare plastica a

semifabricatelor sub forma de tabla:

Fig. 1. Exemple de elemente caracteristice ale proceselor de deformare plastica a tablelor

Exemple de macroelemente componente ale proceselor de deformare a semifabricatelor

volumice:

Fig. 2. Exemple de elemente caracteristice ale proceselor de deformare plastica a semifabricatelor volumice

Fiecare dintre aceste macroelemente care, din punct de vedere geometric pot fi componente ale

unei piese date, se caracterizeaza printr-o anumita stare de tensiuni care trebuie astfel controlataincat sa nu conduca la pierderea stabilitatii materialului si, implicit la aparitia defectelor sau

abaterilor dimensionale la piesa data. Pentru fiecare macroelement se genereaza modelul

numeric redus prin parcurgerea urmatorilor pasi:

- stabilirea parametrilor de intrare si de iesire care caracterizeaza macroelementul;- analiza cu elemente finite a evolutiei acestor parametri in timpul procesului de

deformare;

- realizarea unei baze de date cu valorile parametrilor macroelementului;- stabilirea corelatiilor dintre acestia si evidentierea parametrilor care au cea mai mare

pondere ca si a corelatiilor celor mai puternice dintre parametri parametrii principali;

- identificarea modelului numeric redus al macroelementului;- proiectarea echipamentului tehnologic necesar simularii fizice a deformarii

macroelementului modelul fizic al macroelementului;

50


51/54


- realizarea experimentala a deformarii macroelementului pentru validarea/corecta-reamodelului numeric redus al macroelementului.

In urma parcurgerii acestor pasi se completeaza o biblioteca de modele numerice ale

macroelementelor componente ale proceselor de deformare plastica, biblioteca la care se face

apel pentru generarea modelului numeric redus al oricarui process de deformare plastica.

Activitatea 1.3. Definirea modelului conceptual al proceselor de deformare plastica la rece

Notiuni noi utilizate:Model fizic redus specific unui proces de deformare plastica = modelul experimental care

ilustreaza cat mai corect/complet cea mai complexa istorie a deformatiilor din timpul procesului

de deformare sau o stare de tensiuni complexa care poate degenera si determina pierderea

stabilitatii materialului in timpul desfasurarii procesului de deformare. Stabilirea acestui model

se bazeaza pe analiza prin simulare numerica a procesului si pe evidentierea zonelor critice ale

piesei.

Zona critica a piesei = zona in care starea de tensiuni este foarte favorabila pierderii stabilitatii

materialului si, implicit, aparitia defectelor.

Parametri principali ai procesului = parametrii evidentiati ca avand influenta si corelatiile cele

mai puternice in timpul unui proces de deformare plastica.

Model numeric redus al unui macroelement/al procesului = ansamblul relatiilor matematicecare guverneaza evolutia parametrilor principali in timpul desfasurarii procesului de deformare.

In cazul modelului numeric redus al procesului de deformare plastica, acesta se obtine folosind

modelele numerice reduse ale macroelementelor componente si conditiile la limita dintre

acestea.

Elaborarea programului-piesa consta in proiectarea procesului tehnologic si a echipamentului

tehnologic necesar realizarii acestuia (tehnologia de prelucrare a piesei, parametrii procesului

tehnologic, parametrii geometrici si tehnologici ai elementelor active si cinematica acestora,

s.a.).

Componentele noului model conceptual al procesului de deformare plastica sunt prezentate in

figura 3.

Fig. 3.Modelul conceptual al unui proces de deformare plastica

In cazul unei piese date se porneste de la desenul de executia al acesteia si se parcurg pasii

reprezentati de componentele modelului conceptual al procesului, astfel:

1. proiectarea procesului de prelucrare consta in proiectarea tehnologiei de prelucrare si a

echipamentului tehnologic necesar realizarii acesteia;

51


52/54


2.simularea numerica a procesului de deformare folosind o lege de comportare din literature

de specialitate/legea de comportare identificata este o componenta importanta in elaborarea

programului-piesa; in prima etapa, cand se utilizeaza o lege de comportare din literatura de

specialitate se stabileste elementul care descrie cea mai complexa istorie a deformatiilor din

timpul procesului, informatie necesara in etapa de proiectare a modelului fizic redus; dupa

identificarea legii de comportare a materialului piesei simularea numerica se realizeaza atat

pentru procesul de prelucrare cat si pentru modelul numeric redus al acestuia in vedereacompletarii bazei de date si a corectarii programului-piesa proiectat.

3. stabilirea zonelor critice ale piesei se realizeaza prin simularea numerica a procesului de

prelucrare; in urma acestei actiuni se evidentiaza zonele: i). cu cea mai complexa istorie a

deformatiilor, ii). in care starea de tensiuni este favorabila pierderii stabilitatii materialului si

aparitiei defectelor, iii). in care se impune montarea unor senzori pentru urmarirea reactiei de

raspuns a materialului in vederea adaptarii parametrilor algoritmului de control al procesului;

4. proiectarea modelului fizic redus corespunzator procesului de prelucrare se realizeaza in

urma analizei rezultatelor din etapele anterioare; realizarea experimentelor pe acest model are

urmatoarele obiective: i). furnizarea de informatii care completeaza baza de date; ii). validarea

algoritmului si programului de control al procesului de prelucrare; iii). identificarea legii de

comportare a materialului;5. identificarea legii de comportare a materialului folosind modelul fizic redus al procesului

de deformare constituie o metodologie noua care asigura o mai mare corelatie intre rezultatele

simularii numerice si cele experimentale;

6.stabilirea macroelementelor ce compun piesa data folosind biblioteca de macroelemente si

criteriile de descompunere a piesei ce tin seama de elemente geometrice de baza si stari de

tensiuni elementare caracteristice procesului de prelucrare a acesteia;

7. structurarea modelului numeric redus al procesului de deformare prin asamblarea

macroelementelor evidentiate la pasul anterior si stabilirea conditiilor la limita de impus intre

acestea pentru mentinerea coeziunii materialului piesei.

8. identificarea parametrilor modelului redus al procesului de deformare plastica si a legilor

care ii guverneaza folosind tehnici de reducere a dimensionalitatii (Proper OrthogonalDecomposition - POD) si tehnici de extragere a cunostintelor (rough theory, algoritmi genetici,

retele neuronale); parametrii sunt actualizati atat in timpul desfasurarii procesului, pe baza

reactiei de raspuns a materialului, cat si dupa fiecare exemplar prelucrat al piesei;

9.completarea bazei de date folosind datele numerice si experimentale rezultate din simularea

numerica si fizica a procesului de prelucrare si a modelului fizic redus al acestuia.

10. generarea/actualizarea algoritmului si programului de control consta in doua actiuni

distincte: a). generarea care se realizeaza, in prima etapa folosind setul de date numerice si

experimentale obtinute inainte de realizarea efectiva a procesului de prelucrare; b). actualizarea,

care se realizeaza atat on-line pe baza informatiilor obtinute in timpul desfasurarii procesului de

prelucrare cat si off-line, dupa fiecare exemplar prelucrat al piesei, pe baza informatiilor privindabaterile dimensionale si de forma ale piesei, informatii furnizate prin actiuni de masurare si

control;

11. validarea algoritmului si programului de control se realizeaza folosind modelul fizic

redus al procesului;

12.realizarea procesului de deformare si achizitia datelor atat in timpul acestuia cat si dupa

obtinerea fiecarui exemplar de piesa; datele obtinute in timpul procesului sunt utilizate pentru

actualizarea algoritmului si programului de control a acestuia iar cele obtinute dupa fiecare

exemplar de piesa prelucrata se utilizeaza pentru completarea bazei de date si actualizarea

parametrilor modelului numeric redus al procesului si a legilor care ii guverneaza pe acestia.

Pentru mai buna intelegerea a acestui nou model conceptual al proceselor de deformare plastica

la rece vom prezenta in continuare un studiu de caz aplicat unuia dintre cele mai complexeprocese de deformare plastica la rece ambutisarea pieselor de forma complexa.

Studiu de caz: ambutisarea unei piese de forma complexa

52


53/54


Simularea numerica a unei astfel de piese scoate in evidenta existenta unor stari de tensiuni

caracteristice:

stare de tensiuni de tip intindere+compresiune cu dominanta in intindere stare de tensiuni de tip intindere+compresiune cu dominanta in compresiune stare de tensiuni de tip intindere biaxiala (expansiune).

care pot generapierderea stabilitatii materialului manifestata prin:

revenirea elastica formarea cutelor fisuri,

in conditiile nemaiindeplinirii unor criterii limita.

Controlul evolutiei starilor de tensiuni caracteristice ale procesului de anbutisare complexa se

realizeaza, in principal, prinplaca de retinerecu sau fara nervuri de retinere, lucru demonstrat

prin urmatoarele:

Trecerea materialului printre nervurile de retinere este echivalenta cu trecerea materialului

printr-o succesiune de cicluri de indoire cu intindere indreptare cu intindere. Efectul trecerii

unui element de material printr-un astfel de ciclu consta dintr-un ansamblu format din Mr

moment remanent de incovoiere si Tr tensiune remanenta de intindere. Succesiunea unor astfel

de cicluri, ca urmare a trecerii materialului printre nervurile de retinere, are ca efect un moment

remanent total de incovoiere M si o tensiune remanente totala de intindere T .rtot rtot Mrtot este orientat in sens invers fata de cel care determina revenirea elastica a materialului,

anulandu-l sau diminuandu-l pe acesta.

Trtot, adaugata la tensiunea de intindere exiostenta in material, modifica raportul dintre

tensiunea de intindere si cea de compresiune eliminand pericolul formarii cutelor in cazul starii

de tensiuni de tip intindere+compresiune cu dominanta in compresiune.

In cazul placii de retinere fara nervuri, aceasta are ca efect doar adaugarea unei tensiuni de

intindere suplimentare, echivalenta cu existenta tensiunii Trtot. Efectul de compensare a revenirii

elastice in acest caz este mult diminuat.

M si Trtot rtot conduc la uniformizarea distributiei tensiunilor in material in timpul procesului,ceea ce impiedica aparitia unor stari de tensiuni de tip intindere biaxiala (expansiune),

generatoare de fisuri.

Avand in vedere observatiile de mai sus, modelul fizic redus propus pentru un proces de

ambutisare complexa, este cel prezentat in figura de mai jos:

Fig. 4 Model fizic redus cu nervuri de retinere

Noua metodologie de identificare a legii de comportare a materialului, in cazul ambutisarii

pieselor complexe, este elaborata avand in vedere cea mai complexa istorie a deformatiilor care

survine in material in timpul unui astfel de process. Aceasta poate fi ilustrata de trecereamaterialului printre nervurile de retinere, care materializeaza una din cele mai complexe

solicitari ciclice a materialului la ambutisarea complexa.

53


54/54


Pentru identificarea legii de comportare a materialului, conform noii metodologii, se propune

urmatoarea schema:

Fig. 5. Model fizic pentru identificare lege de comportare

Pentru a exclude efectul fortelor de frecare, elementele cilindrice care materializeaza nervura de

retinere au o miscare de rotatie libera in jurul axei lor. Pe epruveta se traseaza reperele prezentate

in figura 6 pentru a putea masura evolutia deformatiei elementului 0A pe parcursul trecerii lui

printre elementele ce materializeaza nervura de retinere.

Fig. 6. Epruveta dupa patrunderea nervurii de retinere

Noua metodologie de identificare a legii de comportare a materialului consta in parcurgerea

urmatoarelor etape:

7. proiectarea planului experimental8. achizitia/prelucrarea datelor experimentale pentru obtinerea curbei 9. stabilirea familiei de modele ale legii de comportare a materialului ce tin cont de

ecruisarea cinematica

10.identificarea parametrilor legii de comportare pentru fiecare model considerat, folosindanaliza inversa

11.analiza comparativa a modelelor identificate si a rezultatelor experimentale pentruselectarea modelului care prezinta cea mai buna corelatie cu rezultatele experimentale

12.validarea modelului selectionat prin folosirea lui la simularea numerica a modelului fizicredus al procesului si compararea cu rezultatele experimentale.

raport in extenso id 1759

Documents