Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

O presente trabalho trata de uma modelagem eletromagneticamente acoplada e fracamente acoplada ao problema mecânico do processo de conformação eletromagnética (EMF). Este usa bobina espiral plana, aplicada na deformação de chapas finas e planas para obter geometrias finais rasas. Um método de solução numérica é usado para o problema eletromagnético, o qual foi desenvolvido no software Matlab e utiliza o software Abaqus/Explicit para verificação da geometria deformada após a aplicação da força transiente de origem eletromagnética. O método foca especificamente no cálculo da densidade de fluxo magnético em pontos específicos usando a lei de Biot-Savart e análise do circuito que modela o processo de conformação eletromagnética, sendo que as indutâncias deste circuito são calculadas e fazem o acoplamento entre os fenômenos elétricos e magnéticos. Os cálculos das correntes de descarga e induzidas e perfil da força de origem eletromagnética são realizados para o instante inicial, sem considerar o movimento da chapa. O perfil da força de origem eletromagnética ao longo da chapa é calculado para diversos instantes, sendo este um dos dados de entrada no software Abaqus/Explicit através de uma sub-rotina acessível ao usuário (VDLOAD) obtendo-se a geometria da chapa deformada. A rotina de cálculo discretiza o problema eletromagnético como um sistema de equações diferenciais ordinárias (ODE) para calcular a corrente de descarga da bobina atuadora e as induzidas na chapa metálica. Experimentos, sem chapa acoplada, e com chapa fixa ou deformando foram realizados com a aquisição da corrente de descarga, medição da densidade de fluxo magnético, velocidade de deformação e geometria da chapa deformada, demonstrando uma boa correlação com o método de cálculo proposto. O presente trabalho fornece importantes informações para o projeto de sistemas de conformação eletromagnética sem a necessidade de uma função da corrente de descarga como dado de entrada para solução do problema eletromagnético. / This thesis deals with modeling and numerical simulation electromagnetically coupled and loosely-coupled to the mechanical problem for process of the electromagnetic forming. This uses flat spiral coil, applied to the deformation of thin and flat sheet metal to obtain shallow end geometries. This method uses a numerical solution to the electromagnetic problem, which was developed in the software Matlab and uses the software Abaqus/Explicit for verification of the deformed geometry after applying of the transient force of origin electromagnetic. The method focuses specifically on the calculation of the magnetic flux density at specific points using the Biot-Savart law and circuit analysis that modeling of electromagnetic forming process and the inductances of this circuit are calculated and couple the electric and magnetic phenomena. Calculations of discharge and induced currents, profile force of origin electromagnetic are performed for the initial time, without considering the motion of the sheet metal. The profiles force of origin electromagnetic along the sheet metal is calculated for several instants, which are input data in software Abaqus/Explicit using a user-routine (VDLOAD) obtaining the deformed geometry of the sheet metal. The calculation routine discretizes the electromagnetic problem as a system of ordinary differential equations (ODE) to calculate the discharge current of the actuator coil and induced currents in the metal sheet. Experiments without coupled sheet metal, and fixed or deforming sheet metal were performed with the acquisition of the discharge current, measurement of magnetic flux density, velocity of movement and deformation geometry of the sheet metal, demonstrating a good correlation with the proposed method of calculation. This study provides important information for the design of the electromagnetic forming systems without the need for a function of discharge current as input for solution of the electromagnetic problem.

Este trabalho busca alternativas para fabricação de coletores solares planos aplicando técnicas inovadoras em conformação de chapas metálicas. O objetivo é desenvolver um processo de fabricação flexível para placa absorvedora, empregando a técnica da Estampagem Incremental. Esta técnica utiliza uma matriz de suporte de PU, um prensa-chapas e um pequeno punção em conjunto com um centro de usinagem CNC. A Ferramenta utilizada consiste um punção de ponta esférica de fácil fabricação que "desenha" o canal de passagem da água diretamente na chapa, promovendo uma deformação pontual e progressiva. Para compor o canal utilizou-se a técnica de solda por atrito (Friction Stir Welding) com uma ferramenta simples que aproveita o mesmo ferramental da estampagem incremental em um “set-up” rápido da CNC. Foram utilizadas chapas de alumínio de 1mm de espessura. O novo coletor apresenta uma eficiência aprimorada em comparação aos fabricados pelo método tradicional, com uma geometria que favoreça a área de contato com a água. Este processo permite uma formidável flexibilização, viabilizando a produção de pequenos lotes e tornando possível produzir uma enorme variedade de produtos e componentes de geometrias complexas a partir de um ferramental simples e tempos de “set-up” reduzidos. / This work searches alternatives for solar energy collectors manufacture, applying new technologies of sheet metal forming. The objective is to develop a flexible fabrication process for the absorber sheet, using Incremental Sheet Forming. It consists in a PU support die, a blank holder and a small tool, applied in a CNC machine Center. The tool consists in a spherical edge punch of easy fabrication that “draws” the water channel directly into the sheet, promoting a punctual and progressive deformation. To compose the channel, it was used a second sheet jointed by Friction Stir Welding technique, with a simple tool that uses the same tooling of the Incremental Forming in a quick setup of the CNC. Aluminum sheets of 1mm tick were used. It is expected that this new collector panel should improve the thermal efficiency when compared to the traditionally fabricated, and with a geometry that benefits the contact area with the water. This process allows a formidable flexibilization, making the low volume production feasible, allowing the production of a great variety of products and components with complex geometries from simple tooling and reduced setup times.

O presente trabalho trata de uma modelagem eletromagneticamente acoplada e fracamente acoplada ao problema mecânico do processo de conformação eletromagnética (EMF). Este usa bobina espiral plana, aplicada na deformação de chapas finas e planas para obter geometrias finais rasas. Um método de solução numérica é usado para o problema eletromagnético, o qual foi desenvolvido no software Matlab e utiliza o software Abaqus/Explicit para verificação da geometria deformada após a aplicação da força transiente de origem eletromagnética. O método foca especificamente no cálculo da densidade de fluxo magnético em pontos específicos usando a lei de Biot-Savart e análise do circuito que modela o processo de conformação eletromagnética, sendo que as indutâncias deste circuito são calculadas e fazem o acoplamento entre os fenômenos elétricos e magnéticos. Os cálculos das correntes de descarga e induzidas e perfil da força de origem eletromagnética são realizados para o instante inicial, sem considerar o movimento da chapa. O perfil da força de origem eletromagnética ao longo da chapa é calculado para diversos instantes, sendo este um dos dados de entrada no software Abaqus/Explicit através de uma sub-rotina acessível ao usuário (VDLOAD) obtendo-se a geometria da chapa deformada. A rotina de cálculo discretiza o problema eletromagnético como um sistema de equações diferenciais ordinárias (ODE) para calcular a corrente de descarga da bobina atuadora e as induzidas na chapa metálica. Experimentos, sem chapa acoplada, e com chapa fixa ou deformando foram realizados com a aquisição da corrente de descarga, medição da densidade de fluxo magnético, velocidade de deformação e geometria da chapa deformada, demonstrando uma boa correlação com o método de cálculo proposto. O presente trabalho fornece importantes informações para o projeto de sistemas de conformação eletromagnética sem a necessidade de uma função da corrente de descarga como dado de entrada para solução do problema eletromagnético. / This thesis deals with modeling and numerical simulation electromagnetically coupled and loosely-coupled to the mechanical problem for process of the electromagnetic forming. This uses flat spiral coil, applied to the deformation of thin and flat sheet metal to obtain shallow end geometries. This method uses a numerical solution to the electromagnetic problem, which was developed in the software Matlab and uses the software Abaqus/Explicit for verification of the deformed geometry after applying of the transient force of origin electromagnetic. The method focuses specifically on the calculation of the magnetic flux density at specific points using the Biot-Savart law and circuit analysis that modeling of electromagnetic forming process and the inductances of this circuit are calculated and couple the electric and magnetic phenomena. Calculations of discharge and induced currents, profile force of origin electromagnetic are performed for the initial time, without considering the motion of the sheet metal. The profiles force of origin electromagnetic along the sheet metal is calculated for several instants, which are input data in software Abaqus/Explicit using a user-routine (VDLOAD) obtaining the deformed geometry of the sheet metal. The calculation routine discretizes the electromagnetic problem as a system of ordinary differential equations (ODE) to calculate the discharge current of the actuator coil and induced currents in the metal sheet. Experiments without coupled sheet metal, and fixed or deforming sheet metal were performed with the acquisition of the discharge current, measurement of magnetic flux density, velocity of movement and deformation geometry of the sheet metal, demonstrating a good correlation with the proposed method of calculation. This study provides important information for the design of the electromagnetic forming systems without the need for a function of discharge current as input for solution of the electromagnetic problem.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Eraclito Meireles da Silva Junior.pdf: 64918 bytes, checksum: 63ae74a92e92e3ecf4dc96967993b8f5 (MD5) Previous issue date: 2000-03-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A presente dissertação de mestrado trata da análise das tensões residuais em laminas de aço elétrico que são montadas para formar o rotor e o estator de um motor elétrico. As tensões residuais são decompostas em tensão de membrana e tensão de flexão afim de serem determinadas experimentalmente. Os processos que geram as tensões residuais interna no material da chapa de aço elétrico são brevemente discutidos. Ë feita uma revisão dos principais métodos experimentais de medição de tensões residuais em chapas de materiais policristalinos sob deformações elásticas e plásticas. Durante os processos de laminação e puncionamento de chapas de aço é produzido gradiente de tensões ao longo da sua espessura. Em geral, as tensões residuais em sólidos podem ser classificadas em três tipos, dependendo da escala em que o material é investigado, e serão brevemente revistos. Estas tensões residuais afetam a qualidade geométrica das peças fabricadas, sua circularidade e planicidade, a rejeição devido a estes defeitos geométricos, como também modificam sua capacidade de magnetização e conseqüentemente alteram o desempenho do motor elétrico. Portanto, o enfoque da presente análise é sobre o método experimental para se calcular as tensões residuais nas chapas do rotor e estator de motor elétrico que são fabricados com chapas de aços de 0,5 mm de espessura. O método de Shadow Moiré e o método do Furo Passante são os principais métodos investigados para se medir experimentalmente as tensões residuais de flexão e de membrana. Alguns testes comparativos são feitos com os métodos do raio-X e tração simples. Apresentam-se os resultados experimentais das tensões residuais máxima e mínima e os valores correspondentes de empenamento e ovalização para as peças que foram retiradas de três regiões distintas ao longo da tira de aço (sliter) de três fornecedores diferentes, num total de 180 amostras. Conclue-se que a ovalização é diretamente proporcional a diferença das tensões principais e o empenamento esta correlacionado com a soma das tensões principais.

Este trabalho busca alternativas para fabricação de coletores solares planos aplicando técnicas inovadoras em conformação de chapas metálicas. O objetivo é desenvolver um processo de fabricação flexível para placa absorvedora, empregando a técnica da Estampagem Incremental. Esta técnica utiliza uma matriz de suporte de PU, um prensa-chapas e um pequeno punção em conjunto com um centro de usinagem CNC. A Ferramenta utilizada consiste um punção de ponta esférica de fácil fabricação que "desenha" o canal de passagem da água diretamente na chapa, promovendo uma deformação pontual e progressiva. Para compor o canal utilizou-se a técnica de solda por atrito (Friction Stir Welding) com uma ferramenta simples que aproveita o mesmo ferramental da estampagem incremental em um “set-up” rápido da CNC. Foram utilizadas chapas de alumínio de 1mm de espessura. O novo coletor apresenta uma eficiência aprimorada em comparação aos fabricados pelo método tradicional, com uma geometria que favoreça a área de contato com a água. Este processo permite uma formidável flexibilização, viabilizando a produção de pequenos lotes e tornando possível produzir uma enorme variedade de produtos e componentes de geometrias complexas a partir de um ferramental simples e tempos de “set-up” reduzidos. / This work searches alternatives for solar energy collectors manufacture, applying new technologies of sheet metal forming. The objective is to develop a flexible fabrication process for the absorber sheet, using Incremental Sheet Forming. It consists in a PU support die, a blank holder and a small tool, applied in a CNC machine Center. The tool consists in a spherical edge punch of easy fabrication that “draws” the water channel directly into the sheet, promoting a punctual and progressive deformation. To compose the channel, it was used a second sheet jointed by Friction Stir Welding technique, with a simple tool that uses the same tooling of the Incremental Forming in a quick setup of the CNC. Aluminum sheets of 1mm tick were used. It is expected that this new collector panel should improve the thermal efficiency when compared to the traditionally fabricated, and with a geometry that benefits the contact area with the water. This process allows a formidable flexibilization, making the low volume production feasible, allowing the production of a great variety of products and components with complex geometries from simple tooling and reduced setup times.

Este trabalho busca alternativas para fabricação de coletores solares planos aplicando técnicas inovadoras em conformação de chapas metálicas. O objetivo é desenvolver um processo de fabricação flexível para placa absorvedora, empregando a técnica da Estampagem Incremental. Esta técnica utiliza uma matriz de suporte de PU, um prensa-chapas e um pequeno punção em conjunto com um centro de usinagem CNC. A Ferramenta utilizada consiste um punção de ponta esférica de fácil fabricação que "desenha" o canal de passagem da água diretamente na chapa, promovendo uma deformação pontual e progressiva. Para compor o canal utilizou-se a técnica de solda por atrito (Friction Stir Welding) com uma ferramenta simples que aproveita o mesmo ferramental da estampagem incremental em um “set-up” rápido da CNC. Foram utilizadas chapas de alumínio de 1mm de espessura. O novo coletor apresenta uma eficiência aprimorada em comparação aos fabricados pelo método tradicional, com uma geometria que favoreça a área de contato com a água. Este processo permite uma formidável flexibilização, viabilizando a produção de pequenos lotes e tornando possível produzir uma enorme variedade de produtos e componentes de geometrias complexas a partir de um ferramental simples e tempos de “set-up” reduzidos. / This work searches alternatives for solar energy collectors manufacture, applying new technologies of sheet metal forming. The objective is to develop a flexible fabrication process for the absorber sheet, using Incremental Sheet Forming. It consists in a PU support die, a blank holder and a small tool, applied in a CNC machine Center. The tool consists in a spherical edge punch of easy fabrication that “draws” the water channel directly into the sheet, promoting a punctual and progressive deformation. To compose the channel, it was used a second sheet jointed by Friction Stir Welding technique, with a simple tool that uses the same tooling of the Incremental Forming in a quick setup of the CNC. Aluminum sheets of 1mm tick were used. It is expected that this new collector panel should improve the thermal efficiency when compared to the traditionally fabricated, and with a geometry that benefits the contact area with the water. This process allows a formidable flexibilization, making the low volume production feasible, allowing the production of a great variety of products and components with complex geometries from simple tooling and reduced setup times.

O presente trabalho trata de uma modelagem eletromagneticamente acoplada e fracamente acoplada ao problema mecânico do processo de conformação eletromagnética (EMF). Este usa bobina espiral plana, aplicada na deformação de chapas finas e planas para obter geometrias finais rasas. Um método de solução numérica é usado para o problema eletromagnético, o qual foi desenvolvido no software Matlab e utiliza o software Abaqus/Explicit para verificação da geometria deformada após a aplicação da força transiente de origem eletromagnética. O método foca especificamente no cálculo da densidade de fluxo magnético em pontos específicos usando a lei de Biot-Savart e análise do circuito que modela o processo de conformação eletromagnética, sendo que as indutâncias deste circuito são calculadas e fazem o acoplamento entre os fenômenos elétricos e magnéticos. Os cálculos das correntes de descarga e induzidas e perfil da força de origem eletromagnética são realizados para o instante inicial, sem considerar o movimento da chapa. O perfil da força de origem eletromagnética ao longo da chapa é calculado para diversos instantes, sendo este um dos dados de entrada no software Abaqus/Explicit através de uma sub-rotina acessível ao usuário (VDLOAD) obtendo-se a geometria da chapa deformada. A rotina de cálculo discretiza o problema eletromagnético como um sistema de equações diferenciais ordinárias (ODE) para calcular a corrente de descarga da bobina atuadora e as induzidas na chapa metálica. Experimentos, sem chapa acoplada, e com chapa fixa ou deformando foram realizados com a aquisição da corrente de descarga, medição da densidade de fluxo magnético, velocidade de deformação e geometria da chapa deformada, demonstrando uma boa correlação com o método de cálculo proposto. O presente trabalho fornece importantes informações para o projeto de sistemas de conformação eletromagnética sem a necessidade de uma função da corrente de descarga como dado de entrada para solução do problema eletromagnético. / This thesis deals with modeling and numerical simulation electromagnetically coupled and loosely-coupled to the mechanical problem for process of the electromagnetic forming. This uses flat spiral coil, applied to the deformation of thin and flat sheet metal to obtain shallow end geometries. This method uses a numerical solution to the electromagnetic problem, which was developed in the software Matlab and uses the software Abaqus/Explicit for verification of the deformed geometry after applying of the transient force of origin electromagnetic. The method focuses specifically on the calculation of the magnetic flux density at specific points using the Biot-Savart law and circuit analysis that modeling of electromagnetic forming process and the inductances of this circuit are calculated and couple the electric and magnetic phenomena. Calculations of discharge and induced currents, profile force of origin electromagnetic are performed for the initial time, without considering the motion of the sheet metal. The profiles force of origin electromagnetic along the sheet metal is calculated for several instants, which are input data in software Abaqus/Explicit using a user-routine (VDLOAD) obtaining the deformed geometry of the sheet metal. The calculation routine discretizes the electromagnetic problem as a system of ordinary differential equations (ODE) to calculate the discharge current of the actuator coil and induced currents in the metal sheet. Experiments without coupled sheet metal, and fixed or deforming sheet metal were performed with the acquisition of the discharge current, measurement of magnetic flux density, velocity of movement and deformation geometry of the sheet metal, demonstrating a good correlation with the proposed method of calculation. This study provides important information for the design of the electromagnetic forming systems without the need for a function of discharge current as input for solution of the electromagnetic problem.

Las chapas de zinc se caracterizan por tener muy buena maleabilidad y flexibilidad en combinación con una gran terminación superficial, lo que las hace ser ampliamente utilizadas en la industria arquitectónica en partes como techos, revestimientos, canaletas, entre otras, y además son aptas para sitios con climas adversos. Estas propiedades se logran debido a que el zinc es naturalmente resistente a la corrosión, muy duradero y requiere bajo mantenimiento. Es la adición de cobre y titanio como aleantes lo que conduce a un material con óptimas características mecánicas y físicas, principalmente en cuanto a resistencia mecánica y creep, cualidades muy apreciadas para aplicaciones en la construcción. Las chapas son producidas por colada continua seguida por laminado desde unas dimensiones iniciales de 1 m de ancho y 10 a 20 mm de espesor hasta las dimensiones finales deseadas. La presente tesis doctoral aborda el estudio numérico y experimental de la formabilidad de chapas de zinc texturado. El diagrama límite de conformado del material se determina experimentalmente mediante ensayos de laboratorio y sus resultados son predichos mediante un modelado en dos escalas. El comportamiento anisótropo del material, producto de la textura cristalográfica y la microestructura se obtiene a través de un modelo viscoplástico autoconsistente de plasticidad policristalino de base micromecánica. En conjunción con un criterio de inestabilidad plástica de Marciniak-Kuczynski, fundado en la presencia de una imperfección inicial en el material, se modeliza el comportamiento límite de zinc bajo solicitaciones de tipo tracción-compresión, deformación plana y expansión biaxial en el plano de la chapa. El carácter altamente anisótropo de la formabilidad del material es cualitativamente predicho por la modelización. Se extiende el análisis mediante el diagrama límite de conformado, el cual abarca caminos de deformación lineales, basado en expansión biaxial equilibrada seguido de una tracción uniaxial, encontrando un incremento significante de la deformación límite del material, y una menor sensibilidad a la desorientación inicial de los ejes de anisotropía y los ejes principales de la solicitación. Un énfasis especial adquiere la anisotropía exhibida por el material, producto de la textura cristalográfica y la microestructura. Se investiga la textura inducida mediante diversos procesos típicos de conformado mediante técnicas experimentales, contrastando los resultados con la predicción del modelo policristalino. El buen acuerdo cualitativo entre los experimentos y las predicciones del modelo indica que la base física del modelo es acorde para este material. Se estudia el desarrollo de la localización en ensayos de tracción uniaxial mediante el seguimiento in-situ del campo de deformaciones sobre el plano de la chapa, y a través de cartografías mediante difracción de electrones retrodifundidos de muestras deformadas. El desarrollo de un campo heterogéneo de deformaciones se hace evidente desde etapas tempranas de los ensayos, y generalmente antes del máximo en las curvas de carga. La localización de la deformación se caracteriza por el desarrollo de múltiples bandas, y una estricción final única. / Zinc sheets are characterized by their good malleability and flexibility combined with an excellent surface aspect. They are greatly used in the building industry as part of facades, roofing, rainwater systems and accessories, independently of the weather conditions. They are widely chosen for this type of uses because it is a naturally corrosion resistant, durable and low cost maintenance material. When alloyed with copper and titanium, mechanical and physical properties as mechanical strength and creep resistance are optimal for their use in the building industry. Sheets are produced by continuous casting followed by rolling from slabs 1 m wide and 10 to 20 mm thick to the required dimensions of the sheet. This thesis addresses the numerical and experimental study of the formability of textured zinc sheets. The forming limit diagram of the material is experimentally determined by means of laboratory tests and their results are predicted by a two scale model. On one side, the anisotropic behavior of the material, as a consequence of crystallographic texture and microstructure, is reproduced with a micromechanically based polycrystalline model, called viscoplastic self-consistent. On the other side, the limit strains of the zinc sheets are predicted for tension-compression, plane strain and biaxial expansion deformation conditions, with the help of the Marciniak-Kuczynski plastic instability criterion, which assumes the pre-existence of an initial materials’ imperfection that leads to localized necking. The high anisotropy exhibited by the material is qualitatively predicted by the model. The forming limit diagram analysis, which involves linear strain paths, is extended for a strain path involving equibiaxial expansion followed by uniaxial tension, finding a significant increase in the limit strains of the material and less sensibility to the initial angle between anisotropy and principal strains axes. A notorious emphasis is set on the anisotropy shown by the material, especially in terms of crystallographic texture and microstructure evolution. The texture induced by different typical forming operations is investigated through experimental techniques, and their results are compared to those predicted by the polycrystal model. The good qualitative agreement between experimental and theoretical results is an indicator that the physical basis of the polycrystal model is well suited for this material. The development of strain localization on uniaxial tension tests is studied by means of an in-situ following of the strain fields in the plane of the sheet, aided by electron backscatter diffraction measurements of deformed samples. The development of a heterogeneous field of strain distribution is evident from early stages of the tests, and is generally observed before the maximum of the true stress-true strain curve is reached. Strain localization is characterized by the development of multiple bands of localized strain, with one of them finally necking.

Os processos de conformação de metais, apesar de sua extensa aplicação na indústria, tem seus projetos baseados principalmente em técnicas experimentais. Com o desenvolvimento e facilidade de acesso a computadores mais potentes, tornou-se viável a utilização de soluções numéricas como ferramentas de otimização das características do produto, do processo, bem como de seu custo. Um método numérico amplamente utilizado para simulação do processo de conformação é o Método dos Elementos Finitos, que permite a previsão do comportamento do fluxo de material durante a operação de conformação de chapas. Considera-se um blank com perfil ideal aquele onde a peça produzida a partir de sua conformação possua uma flange constante, minimizando ou eliminando a operação de retirada da rebarba. Com o objetivo de se obter o blank com perfil ideal para operação de conformação de chapas, desenvolveu-se uma metodologia de otimização geométrica da forma do blank, que trabalha integrada a um software comercial de análise pelo Método dos Elementos Finitos, o ANSYS/LS-Dyna3D. Apresentam-se os resultados aplicados à simulação da estampagem de uma peça prismática de base quadrada, como meio de validação da metodologia de otimização proposta. / The metal forming processes have extensive industrial application although their projects are based mainly in experimental techniques. With the development of more powerful computers, the use of numerical methods to design, simulate and optimize costs of such processes has become possible. Among the numerical methods, the Finite Element Method have large application in forming simulation, since it allows the prediction of the material flow during the sheet metal forming process. Ideal blank shape is that one which produces a part with constant flange, minimizing or eliminating trimming operations. In order to determine the ideal blank shape, this work developed a methodology to blank shape optimization. This optimization methodology has been integrated to a commercial Finite Element analysis software, the ANSYS/LS-Dyna3D. The results applied to a simulation of a square cup part are showed and discussed in order to validate the proposed optimization methodology.