Simulação numérica do processo de fabrico de latas de liga de alumínio AA3104-H19: previsão da conformabilidade e determinação do risco de rotura

Abstract

O benchmark intitulado “Failure Prediction after Cup Drawing, Reverse Redrawing and Expansion”, proposto na conferência Numisheet’2022, é o ponto de partida para o estudo desenvolvido na presente dissertação. A série de conferências Numisheet tem-se constituído como a atividade científica internacionalmente mais relevante na área de simulação numérica dos processos de conformação de chapas, visando fundamentalmente ligar academia e indústria. No presente trabalho, este caso de estudo é explorado do ponto de vista da simulação numérica dos processos de conformação plástica através da utilização do método dos elementos finitos: estuda-se, utilizando ferramentas de CAE, o processo de embutidura e reembutidura inversa do processo de produção de uma lata de refrigerante. O material utilizado é a liga de alumínio AA3104-H19. Primeiramente aborda-se o fundamento das simulações numéricas, mais concretamente as que descrevem problemas elastoplásticos e a sua modelação constitutiva. Analisam-se os vários critérios de cedência existentes, assim como as leis de encruamento. Para a formulação do problema, numericamente, recorreu-se ao software GiD (para pré e pós-processamento), e o DD3IMP, o solver. De seguida apresentam-se as simulações 2D axissimétricas, no caso do estudo dos materiais isotrópicos. Faz-se um estudo da influência do tipo de elemento e do refinamento da malha nos resultados. Em função do comportamento isotrópico adotado analisam-se os respetivos resultados, nomeadamente as forças envolvidas no processo e também o perfil e espessura ao longo do conformado. Dessa forma é possível determinar a conformabilidade do embutido, bem como o impacto do comportamento isotrópico do material no processo de conformação. Realizaram-se também simulações 3D, comparando os seus resultados com as simulações 2D axissimétricas. Fez-se também um estudo ao comportamento dos dois critérios anisotrópicos, Hill’48 e CB2001, comparando-os para o caso concreto e material em estudo. Na parte final deste trabalho, surge um capítulo dedicado à previsão da falha do componente, o que permitiu perceber quando se dá a rotura do embutido, e os possíveis mecanismos que levam a essa falha. Conclui-se que a formulação dos critérios de cedência isotrópicos tem um impacto significativo nos resultados obtidos, sendo necessário aplicar o critério correto tendo em conta o material que se estuda. No caso dos critérios anisotrópicos, tornou-se evidente que o critério mais recente, CB2001, produz resultados mais exatos, dada a sua aproximação aos valores experimentais 𝑟𝛼 e 𝑠𝛼

The benchmark entitled “Failure Prediction after Cup Drawing, Reverse Redrawing and Expansion”, proposed at the Numisheet’2022 conference, is the starting point for the study developed in this dissertation. The Numisheet conferences have been established as the most relevant scientific series internationally in numerical simulation of sheet forming processes, fundamentally linking academics and industry. In the present work, this case study is explored from the point of view of numerical simulation of plastic forming processes using the finite element method: it is studied, using CAE tools, the deep drawing and inverse redrawing process of the production process of a can of soda. The material used is an AA3104-H19 aluminum alloy. In the first instances of the work, the foundation of numerical simulations was studied, more specifically those that describe elastoplastic problems through constitutive modeling. The various existing yield criteria, both isotropic and anisotropic, were analyzed, as well as the hardening laws that rule the plasticity of a given material. To formulate the problem, numerically, it was used GiD software, a pre and post processor, and DD3IMP, the solver. Then, the 2D axisymmetric simulations are presented, in the case of the study of isotropic materials. A study is made of the influence of element type and mesh refinement on the results. Depending on the isotropic behavior adopted, the respective results are analyzed, namely the forces involved in the process and the profile and thickness along the drawn component. This way, it is possible to determine the formability of the component, as well as the impact of the isotropic behavior of the material in the forming process. 3D simulations were also carried out, comparing their results with the axisymmetric 2D simulations. A study was also carried out on the behavior of the two anisotropic criteria, Hill’48 and CB2001, comparing them to the specific case and material under study. In the final part of this work, there is a chapter dedicated to component failure prediction, which allowed us to understand when the product failure occurs and possible mechanisms that lead to this failure. It was concluded that the formulation of isotropic yield criteria has a significant effect in the results obtained, being necessary to apply the correct criterion considering the material in use. In the case of the anisotropic criteria, it became clear that the most recent criterion, CB2001, produces more accurate results, given its better approximation to the experimental values 𝑟𝛼 and 𝑠𝛼.