Hole expansion test: simulação numérica e previsão da deformada e início do mecanismo de falha em chapas metálicas de alta resistência

Abstract

Esta dissertação tem como principal objetivo a previsão da deformada e do início da falha de uma chapa metálica de alta resistência através da simulação numérica, pelo método dos elementos finitos, de um processo de conformação plástica. O caso de estudo e investigação considerado foi definido no âmbito da conferência NUMISHEET’2018, como Benchmark#01, o “Hole Expansion of a High Strength Steel Sheet”. Este caso de estudo tem por base o teste de expansão de um furo central num esboço circular de aço Dual-Phase, DP980, e do qual são divulgadas as especificações do processo e a caracterização mecânica do material. Este é, assim, o ponto de partida para o estudo numérico que se desenvolve. Inicia-se esta dissertação pelo estudo e apresentação dos fundamentos teóricos da modelação constitutiva dos materiais metálicos, nomeadamente: os diferentes critérios de cedência existentes (isotrópicos e anisotrópicos) e as leis de encruamento. De seguida, com o auxílio do software GiD 11.0.1 (pré-processador) desenvolveu-se os modelos 2D e 3D de elementos finitos do problema. Posteriormente, utilizou-se o software DD3IMP (solver) onde se editou os ficheiros de entrada, tais como a definição das condições fronteira e o contacto do esboço com as ferramentas, entre outros. E por fim, utilizou-se novamente o software GiD 11.0.1 como pós-processador. Tirando partido da axi-simetria do problema a simular, e procurando estudar a influência do tipo de elemento finito e do refinamento da malha, realizaram-se primeiro simulações 2D axissimétricas (computacionalmente mais eficientes e possibilitando maior detalhe dos campos de deformação) e isotrópicas. Com base nestas simulações foi possível obter a curva força-deslocamento do punção durante a fase de expansão do furo, a deformada da chapa e a variação da espessura. Estes resultados foram posteriormente comparados com os das simulações 3D, e depois estas alargadas ao estudo do caso anisotrópico. Quanto à anisotropia, foram comparados dois critérios de cedência anisotrópicos, Hill’48 e CB2001, e os resultados numéricos comparados com os experimentais; por fim, foram avaliados materiais virtuais com diferentes valores de 𝑟 a 0º, 45º e 90º com o objetivo de se perceber a relação entre a anisotropia do material e o início da falha no material. Em síntese, esta dissertação permitiu concluir que: i) sobre a isotropia, que os diferentes materiais isotrópicos têm um forte impacto nos resultados obtidos e, ii) sobre a anisotropia, que o critério de cedência CB2001 é o critério que melhor descreve o comportamento do material.

The main objective of this dissertation is to predict the deformation and start of failure of a high-strength metal sheet through numerical simulation, by the finite element method, of a plastic forming process. The case study and investigation considered was defined inside the scope of the NUMISHEET’2018 conference, as Benchmark#01, the “Hole Expansion of a High Strength Steel Sheet”. This case study is based on the expansion test of a central hole in a circular blank of Dual-Phase steel, DP980, and from which the process specifications and the mechanical characterization of the material are disclosed. This being the starting point for the numerical study that is being developed. This dissertation begins with the study and presentation of the theoretical foundations of the constitutive modelling of metallic materials, namely: the different existing yield criteria (isotropic and anisotropic) that define the elastic limit of a material; and the hardening laws that define how the yield surface evolves with plastic work. Then, with the help of the GiD 11.0.1 software (pre-processor) the 2D and 3D finite element models of the problem were developed. Subsequently, the DD3IMP software (solver) was used to edit the input files, such as defining the boundary conditions and the contact of the blank with the tools, among others. Finally, the GiD 11.0.1 software was used again as a post-processor. Taking advantage of the axi-symmetry of the problem to be simulated, and looking for to study the influence of the finite element type and the mesh refinement, first where made axisymmetric 2D simulations (computationally more efficient and allowing for much greater detail of the deformation fields) and isotropic. Based on these simulations, it was possible to obtain, for each isotropic criterion, the force-displacement curve of the punch during the hole expansion phase, the sheet deformation and thickness variation. These results were then compared with those of the 3D simulations, and then extended to the anisotropic case study. As for anisotropy, two anisotropic yield criteria were compared, Hill’48 and CB2001, and the numerical results were compared with the experimental ones; finally, virtual materials with different values of 𝑟 at 0º, 45º and 90º were evaluated in order to try to understand the relationship between the material's anisotropy and the beginning of failure in the material. In summary, this dissertation allowed us to conclude that: i) on isotropy, that the different isotropic materials have a strong impact on the results obtained and, ii) on anisotropy, that the yield criterion CB2001 is the criterion that best describes the behaviour of material.