Оценка многоэтапного технологического процесса холодной листовой штамповки тонкостенного сосуда с точки зрения предельных деформаций
Автор: Казанцев Александр Владимирович, Келлер Илья Эрнстович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.13, 2020 года.
Бесплатный доступ
Выполнена оценка многоэтапного процесса холодной штамповки тонкостенного стального сосуда с учётом технологической наследственности. Качество изделия связывается с остаточным ресурсом пластичности, то есть с удалённостью его деформированного состояния от кривой предельных деформаций. Для расчёта процесса используется модель больших пластических деформаций анизотропной оболочки, учитывающая динамику и контактное взаимодействие с инструментом, численно реализованная в пакете LS-DYNA®. Использованы имеющиеся в библиотеке пакета закон пластического течения анизотропного листа, ассоциированный с функцией текучести Барлата Yld 2000-2d со степенным изотропным деформационным упрочнением, потенциал Пенга-Ландела нелинейно-упругого поведения полиуретанового штампа и закон трения Кулона для описания контактного взаимодействия изделия с инструментом. Материальные константы малоуглеродистой листовой стали DC04EK толщиной 0,7 мм и полиуретана СКУ-ПФЛ определены ранее по данным экспериментов. Кривая предельных деформаций построена по искажению координатной сетки вблизи зон локализации деформации и разрушения сосуда в технологическом процессе, из которого исключён промежуточный отжиг, и по результатам теста на разрушение при одноосном растяжении. Исследуются особенности траекторий деформации в контрольных точках боковой поверхности изделия на каждом этапе технологического процесса, состоящего из последовательности операций вытяжки, раздачи и ссаживания. Расчёты траекторий подтверждены экспериментом на прессовом оборудовании, используемом в качестве испытательного. Установлено, что операция раздачи заготовки после её вытяжки быстро приближает материал к предельному состоянию и требует предварительного восстановления ресурса пластичности путём отжига. Отмечается перспективность технологий штамповки с меньшими степенями раздачи и с большими степенями ссаживания, способных сохранять ресурс пластичности без промежуточного отжига.
Многоэтапный технологический процесс, холодная листовая штамповка, численный расчёт, пластичность, предельные деформации, оценка
Короткий адрес: https://sciup.org/143172484
IDR: 143172484 | УДК: 539.374 | DOI: 10.7242/1999-6691/2020.13.2.10
Ultimate strength evaluation of multi-stage cold forming technique for manufacture of thin-walled vessels
The multi-stage process of cold forging of thin-walled steel vessels was evaluated taking into account technological heredity. The quality of the product is evaluated by the degree of deviation of its stress- strain state from the ultimate states of the forming limit diagram. The process is calculated based on the model of large plastic deformations of the anisotropic shell, which takes into account the dynamics and contact interactions of the shell with the tool. The model was numerically implemented in the LS-DYNA® package. Numerical simulation was performed using the simulation tools of the package library, such as the models of plastic flow of an anisotropic sheet with the power law isotropic strain hardening, associated with the Barlat criterion Yld 2000-2d, the Peng-Landel potential of nonlinear elastic behavior of a polyurethane die, and the Coulomb friction law of contact interaction of the product with the tool. The model constants for low-carbon sheet steel DC04EK 0.7 mm and polyurethane SKU-PFL were determined from the experimental data. The forming limit curve was plotted using as the basic data the distortions of the coordinate grid near the zones of strain localization and failure of the vessel during the technological process without intermediate annealing and the results of failure tests under uniaxial tension. The features of the strain paths are studied at thе control points of the vessel at each stage of the technological process, including the sequence of drawing, bulging and reducing operations. The calculated strain paths were verified by the experiment, in which pressing equipment was used as the test facility. It was found that the operation of work piece bulging after its rapid drawing leads to the limit state and therefore requires a preliminary recovery of the plasticity resource by annealing. The obtained results demonstrate the advantages of forming the relief of the vessel by smaller degrees of bulging and greater degrees of reducing for eliminating the limit states and intermediate annealing.
Список литературы Оценка многоэтапного технологического процесса холодной листовой штамповки тонкостенного сосуда с точки зрения предельных деформаций
- Banabic D. Sheet metal forming processes. Constitutive modelling and numerical simulation. Springer, 2010. 301 p.
- Hu P., Ma N., Liu L., Zhu Y. Theories, methods and numerical technology of sheet metal cold and hot forming. Analysis, simulation and engineering applications. Springer, 2013. 210 p.
- Bruschi S., Altan T., Banabic D., Bariani P.F., Brosius A., Cao J., Ghiotti A., Khraisheh M., Merklein M., Tekkaya A.E. Testing and modelling of material behaviour and formability in sheet metal forming // CIRP Annals. 2014. Vol. 63. P. 727-749.
- Келлер И.Э., Петухов Д.С., Казанцев А.В., Трофимов В.Н. Диаграмма предельных деформаций при горячей листовой штамповке металлов. Обзор моделей материала, критериев вязкого разрушения и стандартных испытаний // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2018. Т. 22, № 3. С. 447-486.
- Bariani P.F., Dal Negro T., Bruschi S. Testing and modelling of material response to deformation in bulk metal forming // CIRP Annals. 2004. Vol. 53. P. 573-595.
- Kim B.J., Van Tyne C.J., Lee M.Y., Moon Y.H. Finite element analysis and experimental confirmation of warm hydroforming process for aluminum alloy // J. Mater. Process. Tech. 2007. Vol. 187-188. P. 296-299.
- Shafaat M.A., Abbasi M., Ketabchi M. Investigation into wall wrinkling in deep drawing process of conical cups // J. Mater. Process. Tech. 2011. Vol. 211. P. 1783-1795.
- Andrade F.X.C., Feucht M., Haufe A., Neukamm F. An incremental stress state dependent damage model for ductile failure prediction // Int. J. Fract. 2016. Vol. 200. P. 127-150.
- Neto D.M., Oliveira M.C., Dick R.E., Barros P.D., Alves J.L., Menezes L.F. Numerical and experimental analysis of wrinkling during the cup drawing of an AA5042 aluminium alloy // Int. J. Mater. Form. 2017. Vol. 10. P. 125-138.
- Khan A.S., Huang S. Continuum theory of plasticity. John Wiley & Sons, 1995. 421 p.
- Barlat F., Brem J.C., Yoon J.W., Chung K., Dick R.E., Lege D.J., Pourboghrat F., Choi S.-H., Chu E. Plane stress yield function for aluminum alloy sheets - part 1: theory // Int. J. Plast. 2003. Vol. 19. P. 1297-1319.
- Адамов А.А., Келлер И.Э., Петухов Д.С. Экспериментальная идентификация законов пластичности и разрушения малоуглеродистой листовой стали для моделирования холодной штамповки // ППП. 2019. Т. 81, № 2. С. 202-211.
- LS-DYNA® Keyword user's manual. Volume II. Material models. Version R11.0. LSTC, 2019. 1613 p. https://www.lstc.com/download/manuals
- Келлер И.Э., Казанцев А.В., Адамов А.А., Петухов Д.С. Моделирование многоэтапной холодной штамповки тонкостенного сосуда // ППП. 2020. Т. 82, № 1. С. 75-88.
- Maker B.N., Zhu X. Input parameters for springback simulation using LS-DYNA // 6th Int. LS-DYNA Conf. Detroit, USA, April, 2000. 12 p. https://www.dynalook.com/conferences/international-conf-2000/session12-1.pdf/view
- Maker B.N., Zhu X. Input parameters for metal forming simulation using LS-DYNA // 3rd European LS-DYNA Conf. Paris, France, June, 2001. 10 p. https://www.dynalook.com/conferences/european-conf-2001/58.pdf/view
- LS-DYNA® Keyword user's manual. Volume I. Version R11.0. LSTC, 2018. 3186 p. https://www.lstc.com/download/manuals
- Hill R. A theory of the yielding and plastic flow of anisotropic metals // Proc. R. Soc. Lond. A. 1948. Vol. 193. P. 281-297.
- Yoon J.W., Dick R.E., Barlat F. A new analytical theory for earing generated from anisotropic plasticity // Int. J. Plast. 2011. Vol. 27. P. 1165-1184.
- Chung K., Kim D., Park T. Analytical derivation of earing in circular cup drawing based on simple tension properties // Eur. J. Mech. Solid. 2011. Vol. 30. P. 275-280.
- Isik K., Silva M.B., Tekkaya A.E., Martins P.A.F. Formability limits by fracture in sheet metal forming // J. Mater. Process. Tech. 2014. Vol. 214. P. 1557-1565.
- ISO 12004-2:2008. Metallic materials - Sheet and strip - Determination of forming-limit curves - Part 2: Determination of forming limit curves in the laboratory. International Organization for Standardization, 2008. 27 p. https://www.iso.org/standard/43621.html
- Graf A., Hosford W.F. Effect of changing strain paths on forming limit diagrams of Al 2008-T4 // MTA. 1993. Vol. 24. P. 2503-2512.
- Graf A., Hosford W.F. The influence of strain-path changes on forming limit diagrams of Al 6111 T4 // Int. J. Mech. Sci. 1994. Vol. 36. P. 897-910.
