L'emboutissage est une technique de mise en forme des tôles métalliques. L'emboutissage est généralement suivi par un phénomène de retour élastique de la tôle emboutie. Le phénomène de retour élastique correspond à une modification de la géométrie de la tôle après enlèvement de la charge d'emboutissage. L'écrouissage du matériau est l'un des facteurs les plus importants qui influence ce phénomène. Dans cette thèse, l'écrouissage de différentes tôles dédiées à l'emboutissage a été étudié en utilisant la technique d'indentation instrumentée. Cette technique permet d'obtenir la loi d'écrouissage d'un matériau à partir de la mesure de l'évolution de l'enfoncement d'une bille dans le matériau testé en fonction de l'effort appliqué sur cette bille. Trois aspects essentiels de l'écrouissage ont été étudiés : La variation de la loi d'écrouissage dans l'épaisseur de la tôle, le niveau d'écrouissage atteint par la tôle après déformation plastique et le type d'écrouissage. Le test d'indentation instrumentée a permis de caractériser chacun de ces aspects influençant le retour élastique. Cet outil peut ainsi être utile dans une démarche d'amélioration de la prédiction du phénomène de retour élastique en emboutissage. / Stamping is a forming technique of the metal sheets. Stamping is generally followed by a springback phenomenon of the stamped sheet metal. The phenomenon of springback corresponds to a modification of the geometry of the sheet after removal of the load. One of the most important factors influencing springback is the work-hardening of the material. In this thesis, the work-hardening of different sheet metals used for stamping process was investigated using the instrumented indentation technique. This technique allows obtaining the work-hardening law of a material from the measurement of the evolution of the penetration depth of a ball in the tested material as a function of the applied force on the ball. Three major aspects of the work-hardening were studied: The variation of the work-hardening law in the thickness of the sheet, the level of work-hardening obtained after plastic deformation and the type of the work-hardening. The instrumented indentation test allows characterizing each of these aspects influencing springback. This tool can thus be useful in a process of improving the prediction of the springback phenomenon in stamping.

Bisherige Bemühungen zur Reduzierung der Rückfederung von Blechbauteilen begrenzten sich hauptsächlich auf die Gestaltung der letzten Formgebungsstufe. In der vorliegenden Arbeit wird ein innovativer Ansatz zur Erhöhung der Maßhaltigkeit durch die Modifikation der Vorziehstufe untersucht. Dabei wird auf Grundlage eines beispielhaften Industriebauteils ein Demonstrator mit einer offenen und einer geschlossenen Kontur entwickelt. Durch die Abbildung der Herstellungsmethode in der Simulation (FEM) lässt sich die Rückfederung beurteilen. Durch die Charakterisierung des Werkstoffverhaltens wird die Qualität der Simulation gesteigert, da die Materialkennwerte (Fließkurve & Grenzformänderungskurve) für die Simulation genauer spezifiziert werden können. Es erfolgt die Variation der Vorziehstufe hinsichtlich geometrischer (Radius & Grad der Vorziehstufe) und prozesstechnischer Parameter (Niederhalterkraft & Schließabstand), sodass nach der Auswertung der Rückfederungsergebnisse Gestaltunghinweise erarbeitet werden. Die Validierung der Simulationsergebnisse wird vorgenommen, indem die Bauteile real hergestellt werden. Dadurch ist es möglich, die Rückfederungen der Simulation und der realen Herstellungsmethode zu vergleichen und die Gestaltungshinweise zu bewerten. / Approaches to reduce springback of sheet metal parts are mainly focused on the last forming stage. This study deals with modifications made on the pre-drawing stage so that an increased dimensional accuracy results. A demonstrator with an open and a closed contour is developed based on an exemplary industrial part. The assessment of springback is conducted by incorporating the manufacturing method into simulation (FEM). To increase the quality of the simulation the characterization of materials is set and hence more information about material properties (flow curve and forming limit curve) is specified. Variations of geometric (radius & proportion of pre-drawing stage) and process parameters (blankholder force & closing distance) are made which purpose the development of design guidelines after evaluation. The simulation results are validated by producing real sheet metal parts. The design guidelines will be feasible/can be assessed if the comparison of the springback results converges between simulation and reality.

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Modelo de predicción de la geometría final de una pieza de chapa, radio y ángulo de doblado final, producida mediante un proceso de doblado al aire. / Prediction model of final geometry of sheet metal part, radius and final bending angle, manufactured by air free -V bending process.

La thèse présente une méthodologie pour construire des éléments finis de type « solide-coque » avec intégration réduite en vue des applications à la simulation de la mise en forme tel que l’emboutissage des tôles où ces éléments finis doivent présenter de bonnes aptitudes à modéliser la flexion mais également les situations de laminage de la tôle. A partir des éléments volumiques à 8 nœuds et 3 degrés de liberté par nœud (les 3 composantes du déplacement), un neuvième nœud est rajouté au centre de l’élément. Ce neuvième nœud n’est pourvu que d’un seul degré de liberté, le déplacement le long de la direction de l’épaisseur. Cette direction privilégiée a un nombre de points d’intégration supérieur ou égal à 3 mais l’intégration est réduite au centre de l’élément diminuant très sensiblement les temps CPU par rapport à une intégration complète. Un soin particulier a été pris pour contrôler tous les modes à énergie nulle dus à l’intégration réduite. Ce nœud supplémentaire permet une distribution linéaire de la déformation normale. Avec les lois de comportement complètement 3D ces nouveaux éléments solide-coque donnent des résultats similaires en flexion à ceux obtenus avec des éléments coques et état plan de contrainte. Le neuvième nœud joue le rôle d’un paramètre supplémentaire pour l’interpolation quadratique du déplacement dans la direction de l’épaisseur. Ce degré de liberté a une signification physique et un effort équivalent à une pression normale peut être prescrit. Dans les situations de pression normale et dans le cas du contact, la contrainte normale obtenue est physique ce qui n’est pas le cas de nombreux éléments solide-coque de la littérature. Le pincement ou le laminage des tôles est correctement modélisé. Pour valider ces éléments, un module d’emboutissage en U avec passage et laminage de la bande de tôle sur des rouleaux a été construit au laboratoire. La comparaison entre les efforts d’emboutissage calculés et mesurés est très bonne ainsi que la géométrie des bandes de tôle obtenue après retour élastique. / This thesis presents a methodology for developing under-integrated “solid-shell” finite elements for sheet forming simulations like deep drawing where these elements must offer a bending capability and sheet thinning conditions as well. Starting from 8-node elements endowing three degrees of freedom per node (three displacement components), a ninth node is added at the centre of the element. This extra node has just one degree of freedom: a displacement along the ‘thickness’ direction. Several integration points are distributed along this privileged direction (5 points, generally) but the in-plane reduced integration at the centre of the element decreases CPU costs compared to a full integration. A special care has been taken to control all zero-energy modes due to the reduced integration. This additional node allows a linear distribution of the normal strain. With fully-3D constitutive laws, these new solid-shell elements give similar bending results as those obtained with shell elements and a plane stress state hypothesis. This ninth node acts as an additional parameter for the quadratic interpolation of the displacement in the ‘thickness’ direction. The corresponding degree of freedom has a physical meaning and a force, equivalent to a normal pressure for instance, may be prescribed. In situations of a normal pressure and in the case of contact, the obtained normal stress is physically defined, which is not the case for many solid-shell elements found in the literature. The pinching (or the thinning) of sheets is properly modelled. To validate these elements, an apparatus for U-drawing tests with ironing or thinning on strip sheets has been built in the laboratory. The comparison between numerical and experimental punch force during sheet forming is pretty good as well as the geometry of blank after springback.

Face aux exigences concurrentielles et économiques actuelles dans le secteur automobile, l'emboutissage a l'avantage, comme étant un procédé de mise en forme par grande déformation, de produire, en grandes cadences, des pièces de meilleure qualité géométrique par rapport aux autres procédés de fabrication mécanique. Cependant, il présente des difficultés de mise en œuvre, cette dernière s'effectue généralement dans les entreprises par la méthode classique d'essai-erreur, une méthode longue et très coûteuse. Dans la recherche, le recours à la simulation du procédé par la méthode des éléments finis est une alternative. Elle est actuellement une des innovations technologiques qui cherche à réduire le coût de production et de réalisation des outillages et facilite l'analyse et la résolution des problèmes liés au procédé. Dans le cadre de cette thèse, l'objectif est de prédire et de prévenir, particulièrement, le retour élastique et la rupture. Ces deux problèmes sont les plus répandus en emboutissage et présentent une difficulté en optimisation puisqu'ils sont antagonistes. Une pièce mise en forme par emboutissage à l'aide d'un poinçon sous forme de croix a fait l'objet de l'étude. Nous avons envisagé, d'abord, d'analyser la sensibilité des deux phénomènes concernés par rapport à deux paramètres caractéristiques du procédé d'emboutissage (l'épaisseur du flan initial et de la vitesse du poinçon), puis par rapport à quatre (l'épaisseur du flan initial, de la vitesse du poinçon, l'effort du serre flan et le coefficient du frottement) et finalement par rapport à la forme du contour du flan. Le recours à des méta-modèles pour optimiser les deux critères était nécessaire. / The processing of sheet metal forming is of vital importance to a large range of industries as production of car bodies, cans, appliances, etc. It generates complex and precise parts. Although, it is an involved technology combining elastic-plastic bending and stretch deformation of the workpiece. These deformations can lead to undesirable problems in the desired shape and performance of the stamped. To perform a successful stamping process and avoid shape deviations such as springback and failure defects, process variables should be optimized.In the present work, the objective is the prediction and the prevention of, especially, springback and failure. These two phenomena are the most common problems in stamping process that present much difficulties in optimization since they are two conflicting objectives. The forming test studied in this thesis concern the stamping of an industrial workpiece stamped with a cross punch. To solve this optimization problem, the approach chosen was based on the hybridization of an heuristic and a direct descent method. This hybridization is designed to take advantage from both disciplines, stochastic and deterministic, in order to improve the robustness and the efficiency of the hybrid algorithm. For the multi-objective problem, we adopt methods based on the identification of Pareto front. To have a compromise between the convergence towards the front and the manner in which the solutions are distributed, we choose two appropriate methods. This methods have the capability to capture the Pareto front and have the advantage of generating a set of Pareto-optimal solutions uniformly spaced. The last property can be of important and practical.

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ヘテロ構造組織を有する鉄・非鉄金属の組織形態に注目して,微視的構造やその挙動が巨視的現象(変形特性,成形性)として発現するメカニズムを解明することを目的とした.鉄系金属ではDual Phase型高張力鋼のスプリングバック現象のひずみ速度依存性,非鉄系金属では半凝固鋳造法と強ひずみ加工を組み合わせた亜共晶アルミニウム合金の衝撃後方押出し成形性に注目した.これらの検討によりいずれの試料においても,結晶粒界よりもスケールの大きいヘテロ構造に由来した変形機構が支配的であることが明らかになった. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

Hårdgörning av trä syftar till att göra materialet hårdare. Detta går att åstadkomma genom komprimering, det komprimerade materialet tenderar dock att återgå mot sin ursprungsform då materialet utsätts för fukt om ingen låsning sker. Låsningen kan ske mekaniskt i en treskiktskonstruktion som motverkar träets fuktrörelser. Dessa skivor har dock visat sig vara instabila och tidigare försök har uppvisat deformationer i form av kupning. Denna undersökning syftar till att utreda förutsättningarna för att använda komprimerad asp samt att ta fram underlag för framtagning av en kommersiell produkt. Praktiska tester har genomförts för att studera hårdhet, återfjädring och densitet hos det komprimerade virket. Vidare har treskiktsskivor tagits fram för att testa om det går att få en stabil konstruktion genom att variera tjockleken på spärrskiktet. Även skillnader i acklimatiseringstid och fuktkvotens inverkan för virkets återfjädring har studerats. Resultaten visar på att aspens hårdhet efter komprimering blir i samma nivå som bok och ask, en låg fuktkkvot vid komprimering av materialet ger en låg återfjädring, komprimerat material har en längre acklimatiseringstid till jämviktsfuktkvot och materialet går att låsa tvärs fiberriktningen i en treskiktskonstruktion. / To make wood harder it can be densified. This can be achieved by compression, the compressed material tends to return to the original shape when it is exposed to moisture fluxations and if no form of fixation occurs. The fixation can be done mechanically in a three-layer panel construction which reduce movements in the timber. These panels have been found to be unstable and previous attempts have shown deformations in form of cupping. This study aims to evaluate the conditions for using compressed aspen wood, and to provide a basis for development of a commercial product. Practical tests have been conducted to study hardness, springback and density of the compressed wood. In addition, three-layer panels have been developed to test whether it is possible to have a stable construction by varying the thickness of the buttom layer. Differences in acclimatisation time and the moisture contents effect on the springback has aslo been studied. The results show that the hardness of aspen wood after compression is in equal levels with beech and ashes, a low moisture contet provides a low springback, compressed timber have a longer time for acclimatisation and it is possible to fixate the material in the direction across the grain in a three-layer panel construction.