Análise de Sensibilidade dos Parâmetros das Leis Constitutivas dos Materiais na Simulação Numérica do Processo TAFSW

Abstract

O objetivo da presente dissertação consistiu em realizar uma análise de sensibilidade dos parâmetros da lei constitutiva de Norton-Hoff na simulação numérica do processo Tool Assisted Friction Spot Welding (TAFSW), com recurso ao software COMET. Para tal foram traçadas curvas tensão-deformação em tração, numa gama variada de temperaturas e velocidades de deformação, para vários aços (DC01, DC05, DX200, HC420 e DP600), recorrendo ao software de modelação termo-mecânica JMATPro. As curvas obtidas para condições de solicitação quase-estáticas, à temperatura ambiente, foram validadas através da comparação das mesmas com dados experimentais, procedendo-se posteriormente à determinação dos coeficientes da equação de Norton-Hoff com base nas curvas correspondentes a diferentes temperaturas e velocidades de deformação. Para a determinação da sensibilidade à velocidade de deformação foi considerada uma gama variada de valores de deformação. Após terem sido determinados os coeficientes da equação de Norton-Hoff, e analisada a sua evolução com a temperatura e a velocidade de deformação, para os diferentes aços, procedeu-se à simulação numérica do processo TAFSW, assumindo duas condições de contacto, nomeadamente, Full-Sticking (FS) e Mixed Contact Conditions (MCC). As simulações foram efetuadas para os aços DC01 e DP600, utilizando os coeficientes de Norton-Hoff correspondentes aos diversos valores de deformação assumidos na análise da sensibilidade à velocidade de deformação, e ainda, uma condição hipotética representativa da ocorrência de sensibilidade à velocidade de deformação nula a temperaturas elevadas, para ambos os materiais. Nos estudos de simulação numérica foram testadas ainda duas velocidades de rotação da ferramenta (870 e 1500 rpm). As temperaturas máximas obtidas foram comparadas com resultados experimentais.A análise de resultados permitiu concluir que a sensibilidade à velocidade de deformação é um parâmetro que tem uma forte influência na previsão da temperatura máxima para todos os modelos de atrito e velocidades de deformação testados. Foi também registada uma forte influência das características do modelo de atrito na previsão da distribuição do calor na ferramenta e no metal base. Estes resultados foram registados para todos os modelos constitutivos ensaiados. Finalmente, registou-se também que, apesar de a velocidade de rotação ser um fator fortemente determinante na geração de calor, as temperaturas máximas registadas são fortemente determinadas pelo modelo adotado para descrever o comportamento mecânico do metal base.

The goal of this dissertation was to make a sensitivity analysis of the parameters of the constitution law of Norton-Hoff in the numerical simulation of the Tool Assisted Friction Spot Welding (TAFSW) process, using the COMET software. For this, tensile stress-strain curves were drawn, in a varied range of temperatures and strain rates, for various steels (DC01, DC01, DX200, HC420 and DP600), using the JMATPro thermomechanical modeling software. The curves obtained for near-static request conditions at room temperature were validated by comparing them with experimental data, and then the coefficients of the Norton-Hoff equation were determined based on the curves corresponding to different temperatures and strain-rate values. For the determination of strain rate sensitivity, a varied range of deformation values was considered. After the coefficients of the Norton-Hoff equation were determined, and the evolution with the temperature and strain-rate was analyzed for the different steels, the numerical simulation of the TAFSW process was carried out, assuming two contact conditions, namely Full-Sticking (FS) and Mixed Contact Conditions (MCC). The simulations were performed for the DC01 and DP600 steels, using the Norton-Hoff coefficients corresponding to the various deformation values assumed in the analysis of the strain-rate sensitivity, and a hypothetical condition representative of the occurrence of strain-rate sensitivity equal to zero at high temperatures, for both materials. In the numerical simulation studies, two tool rotation velocities (870 and 1500 rpm) were also tested. The maximum temperatures obtained were compared with experimental results. The analysis of the results allowed us to conclude that the strain-rate sensitivity is a parameter that has a strong influence on the prediction of the maximum temperature for all models of friction and strain-rate tested. A strong influence of the characteristics of the friction model was also recorded in predicting the distribution of heat in the tool and base metal. These results were recorded for all the constituent models tested. Finally, it was also observed that, although the rotation speed is a strongly determining factor in heat generation, the maximum temperatures recorded are strongly determined by the model adopted to describe the mechanical behaviour of the base metal.