Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/85995
Title: Previsão da fratura dúctil com recurso a modelos de dano desacoplados
Other Titles: Prediction of ductile fracture using uncoupled damage models
Authors: Andrade, Carlos Manuel Jorge Oliveira Azenha 
Orientador: Oliveira, Marta Cristina Cardoso de
Keywords: Fratura dúctil; Método dos Elementos Finitos; Dano; Modelos desacoplados; Deformação plástica equivalente na fratura; Ductile fracture; Finite Element Method; Damage; Uncoupled models; Fracture strain
Issue Date: 23-Jul-2018
Serial title, monograph or event: Previsão da fratura dúctil com recurso a modelos de dano desacoplados
Place of publication or event: Departamento de Engenharia Mecânica
Abstract: No panorama tecnológico atual os materiais de elevada resistência têm ganho um lugar de destaque, sendo cada vez mais empregues a nível industrial. Contudo, esta vantagem em relação a outros materiais é conseguida à custa da redução de ductilidade. Neste contexto, surgem desafios acrescidos em termos da conceção dos produtos, na medida em que existem limitações no processo de conformação plástica do material. Desta forma torna-se imprescindível que, em processos como a estampagem de chapas metálicas, se consiga prever a fratura dúctil do material, para que seja possível desenvolver processos de fabrico que minimizem a ocorrência deste tipo de defeitos. Consequentemente, é essencial ter noção do dano acumulado pelo material durante o processo de conformação, uma vez que este determina as propriedades mecânicas em fases de conformação subsequentes e mesmo em serviço. Assim, na simulação numérica de processos de conformação de materiais metálicos com o Método dos Elementos Finitos recorre-se a modelos de dano para efetuar a previsão da fratura dúctil. Esta ocorre quando a variável utilizada para quantificar a acumulação do dano atinge um valor crítico. O objetivo desta dissertação é melhorar o conhecimento acerca dos modelos de dano desacoplados, através de uma análise numérica com o Método dos Elementos Finitos, recorrendo ao solver DD3IMP. Para tal, foram estudados dois modelos de dano distintos: o modelo proposto por Bao (2003) e o modelo proposto por Xue (2007). Numa primeira fase, a implementação destes modelos no DD3IMP foi validada com base em resultados conhecidos, ou seja, reproduziram-se resultados apresentados na literatura. Para o modelo proposto por Bao (2003) foi analisada uma liga Al-Si, obtida por fundição. Globalmente, os resultados obtidos com o DD3IMP mostraram uma excelente correlação com os resultados numéricos apresentados na literatura, exceto para o deslocamento à fratura, que foi sempre sobrestimado quando a força é subestimada. Para o modelo proposto por Xue (2007) foi analisada uma liga de alumínio 2024-T351. Também neste caso observou-se uma boa correlação com os valores experimentais disponíveis na literatura. Numa segunda fase, efetuou-se a calibração dos parâmetros dos dois modelos de dano para um aço DP780, com base em resultados numérico-experimentais de Roth e Mohr (2016). O procedimento de calibração proposto recorre necessariamente a uma abordagem numérico-experimental para caracterizar o estado de tensão que conduz à fratura dúctil, em cada ensaio. Constatou-se que a discretização espacial adotada nos modelos numéricos dos ensaios mecânicos selecionados para a calibração pode condicionar este processo, uma vez que influência os valores previstos para as grandezas que caracterizam o estado de tensão (triaxialidade, pressão hidrostática e ângulo de Lode). Por outro lado, estas grandezas não apresentam valores constantes, mesmo para ensaios que foram construídos com esse objetivo. Nestas circunstâncias será necessário recorrer a metodologias de análise inversa para calibração dos parâmetros, caso contrário os valores de deformação plástica equivalente na fratura previstos numericamente apresentam discrepâncias consideráveis em relação às curvas ou superfícies de fratura calibradas para os modelos de dano.
In the current technological panorama, high strength materials have gained a prominent place, being increasingly used at the industrial level. However, their advantages over other materials are achieved at the expense of a reduction in ductility. As a consequence, greater challenges arise in terms of product design, as there are limitations in the material’s forming process. It is thus imperative to be able to predict the material’s ductile fracture in the design of processes such as the deep-drawing of metal sheets, so that an efficient manufacturing process can be developed in order to avoid this type of defects. To achieve this, it is essential to be aware of the damage accumulated by the material during the forming process, since it determines its mechanical properties in subsequent forming phases and even the in-service behavior. In this context, in the numerical simulation of sheet metal forming processes using the Finite Element Method, damage models are used to predict the material’s ductile fracture. This occurs when the variable used to quantify the damage accumulation reaches a critical value. The objective of this work is to improve the knowledge concerning uncoupled damage models, when performing the numerical analysis with the Finite Element Method, using the DD3IMP solver. Two different damage models were studied: one suggested by Bao (2003) and the other by Xue (2007). In a first phase, the implementation of these models in the DD3IMP solver was validated based on results presented in the literature. For the model suggested by Bao (2003), a casted Al-Si alloy was analyzed. Overall, the results obtained using DD3IMP showed an excellent correlation with the numerical results presented in the literature, except for the fracture displacement, which was always overestimated when the force is underestimated. For the model suggested by Xue (2007), the 2024-T351 aluminum alloy was analyzed. The results showed a good correlation with the experimental ones available in the literature. In a second phase, the parameters of the two damage models were calibrated for a DP780 steel, based on the results of a hybrid experimental-numerical approach conducted by Roth and Mohr (2016). This calibration procedure requires a numerical-experimental approach to characterize the stress state that leads to the material’s ductile fracture in each test. It was observed that the spatial discretization adopted in the numerical models of the mechanical tests selected for the calibration can strongly affect this process, since it influences the predicted values of the quantities that characterize the stress state (triaxiality, hydrostatic pressure and Lode angle). Moreover, these quantities sometimes present non-constant evolutions, even for tests that are designed with this objective in mind. Under these circumstances, it is necessary to use methodologies based on inverse analysis to calibrate the parameters, otherwise the numerically predicted values of equivalent plastic strain at fracture can present significant discrepancies when compared with the curves or fracture surfaces calibrated for the damage models.
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/85995
Rights: openAccess
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