Made available in DSpace on 2016-12-12T20:25:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Caroline Zanini Bressan.pdf: 4091231 bytes, checksum: 0de27c28e4c845db49e9a2081c0c7b93 (MD5) Previous issue date: 2015-06-18 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Numerical methods have received a substantial attention from Engineering Professionals especially due their capacity to provide solutions for a wide range of problems in many areas. In the last years, numerical simulation has become increasingly common and has turned into a key factor for solving numerous engineering problems in the industry as well in academia. This, however, requires the development of suitable methodological strategies to determinate constitutive law able to best describe the material behavior in the simulation. The present work is inserted within the context of metal forming, aiming to simulate 2D and 3D geometrical models of the simple tensile test and three-point bending test of a notched plate, both using the material properties of an Interstitial Free Steel, IF. For both cases, it was used a modified Gurson model available in the ABAQUS ® software, which is based on the finite elements method. Numerical modelling of the elasto-plastic process used to simulate the three-point bending and simple tensile test was discretised using structured meshes with an appropriate refinement. The experimental results for tensile tests used smooth cylindrical specimens with dimensions defined according to ASTM E 8M-01. The three point bending test was qualitatively compared with the results reported by Mashayeshi, et al (MASHAYEKHI, ZIAEI-RAD, et al., 2005). The strain hardening law used in this work was the Holomon or modified Swift law coupled with the damage evolution of the Gurson s model. The geometrical models for the tensile specimens account for axisymmetry, so that only one-quarter part of the 2D and 3D specimens was modelled. An appropriate mesh refinement in the necking region was also adopted. The numerical simulation was able to predict with success the stress-strain curve behaviour of the IF steel comparing with the experimental results. Both 2D and 3D simulation results of the simple tensile test were very similar. The prediction of porosity evolution with the applied displacement was analysed and the results indicated that the necking region in the central zone of the specimen presented the largest micro-void concentration, as expected. For the three-point bending test of a notched plate, the simulation provided a good qualitative agreement with the Mashayekhi´s numerical results, which have shown that the largest concentration of micro-voids was in the central region of the notch where the crack initiation occurs. / Métodos numéricos tem recebido uma grande atenção dos profissionais da área da engenharia em especial principalmente pelo seu caráter facilitador na solução de problemas em diversas áreas. Nos últimos tempos, a simulação numérica está se tornando cada vez mais comum e se transformando em uma peça chave para a resolução de inúmeros problemas de engenharia encontrados tanto nas indústrias quanto nas linhas de pesquisa científica das universidades. Isso, porém, exige desenvolvimento de estratégias de metodologias científicas adequadas o suficiente para determinar as leis que descrevam melhor o comportamento dos materiais a serem simulados. O presente trabalho está inserido no contexto da conformação de metais, tendo por objetivo simular, com malhas tipo 2D e 3D, os ensaios de tração simples e de flexão de três pontos de uma placa com entalhe de um aço livre de interstícios, aço IF (interstitial free steel), utilizando o modelo de Gurson modificado no programa ABAQUS ®, que utiliza o Método dos Elementos Finitos. Para o modelamento numérico do processo de deformação elasto-plástica dos ensaios de tração simples e flexão foi utilizada a lei de Gurson modificado de materiais porosos e uma malha com refinamento adequado. Os corpos de prova ensaiados experimentalmente em tração simples foram de aço IF cilíndricos preparados de acordo com a norma ASTM E 8M-01. Já o ensaio de flexão de três pontos foi simulado com o intuito de fazer uma comparação qualitativa com o resultado apresentado por Mashayekhi, Ziaei-Rad, et al. (MASHAYEKHI, ZIAEI-RAD, et al., 2005). A lei de encruamento plástico utilizada neste trabalho foi a Lei de Holomon ou Swift modificado acoplado com o modelo de evolução do dano de Gurson modificado. Após a escolha da geometria de somente quarta parte do corpo de prova, devido à simetria axissimétrica e do refinamento adequado da malha na região da estricção local, a simulação numérica foi capaz de prever com sucesso o comportamento da curva de tensãodeformação do aço IF comparando-se com os resultados experimentais. Os resultados da simulação 2D e 3D do ensaio de tração simples foram iguais. Portanto, a simulação 2D do ensaio de tração simples é mais conveniente pois é mais rápida e igualmente precisa que a simulação 3D para o presente caso de material dúctil e isotrópico. A previsão da evolução da porosidade com a deformação e a região de maior concentração de vazios foi analisada: ocorreu na região da estricção local e na zona central do corpo de prova como esperado. No caso do ensaio de flexão da placa com entalhe central, os resultados da simulação numérica mostraram uma boa concordância com os resultados de Mashayekhi, Ziaei-Rad et al. (2005), que apresentaram a maior concentração de vazios na região central do entalhe onde ocorrerá o aparecimento de trincas.

Neste trabalho foram determinadas as propriedades monotônicas e de fadiga de baixo-ciclo em chapa fina de um aço livre de intersticiais (aço IF) com adição de titânio, utilizado na indústria automobilística. Os ensaios de fadiga foram realizados sob controle de deformação com R&#949 = -1 e com o auxílio de um sistema de alinhamento de garras. O material apresenta diferentes comportamentos de fadiga nas direções transversal e longitudinal (em relação à direção de laminação). Comparação entre a curva tensão-deformação monotônica e a curva tensão-deformação cíclica mostra que os corpos de prova transversais têm endurecimento cíclico para as amplitudes de deformação estudadas. A relação deformação-vida obtida para a direção transversal é dada por &#916&#949t/2 = 0,0186(2Nf)-0,262 + 0,235(2Nf)-0,476 com ponto de transição em 2Nt = 1,4x105 reversos, não sendo possível obtê-la para a direção longitudinal devido a problemas de flambagem. Vários métodos estimativos de propriedades de fadiga a partir de propriedades monotônicas foram comparados aos resultados experimentais. Os métodos da correlação quatro pontos e inclinação universal modificada apresentando boa correlação para a região de baixo-ciclo. Análise fratográfica por microscopia eletrônica de varredura mostrou a presença de estrias de propagação do estágio II, evidenciando a alta dutilidade do material. / In the present work, the monotonic and low cycle fatigue properties of thin sheet of interstitial free steel containing titanium additions, used in the automotive industry, were investigated. Fatigue tests were conducted under deformation control (R&#949 = -1) using a grip alignment fixture. The material exhibits different fatigue behavior for the transverse and longitudinal directions (in relation to the rolling direction). A comparison between the monotonic stress-strain curve and the cyclic stress-strain curve in the transverse direction showed that the material exhibits cyclic hardening in all strain amplitudes tested. The strain-life relationship obtained for transverse direction is given by &#916&#949t/2 = 0,0186(2Nf)-0,262 + 0,235(2Nf)-0,476 with transition point in 2Nt = 1,4x105 reverses; buckling of longitudinal specimens made impossible to obtain such relationship. Several prediction methods of fatigue properties from monotonic properties were compared to the experimental results. The Four Point Correlation and the Modified Universal Slopes Methods showed a good correlation for the low cycle region. Fractographic analysis through Scanning Eletronic Microscopy showed the presence of Stage II striations, giving support to the high ductility of the material.

Neste trabalho foram determinadas as propriedades monotônicas e de fadiga de baixo-ciclo em chapa fina de um aço livre de intersticiais (aço IF) com adição de titânio, utilizado na indústria automobilística. Os ensaios de fadiga foram realizados sob controle de deformação com R&#949 = -1 e com o auxílio de um sistema de alinhamento de garras. O material apresenta diferentes comportamentos de fadiga nas direções transversal e longitudinal (em relação à direção de laminação). Comparação entre a curva tensão-deformação monotônica e a curva tensão-deformação cíclica mostra que os corpos de prova transversais têm endurecimento cíclico para as amplitudes de deformação estudadas. A relação deformação-vida obtida para a direção transversal é dada por &#916&#949t/2 = 0,0186(2Nf)-0,262 + 0,235(2Nf)-0,476 com ponto de transição em 2Nt = 1,4x105 reversos, não sendo possível obtê-la para a direção longitudinal devido a problemas de flambagem. Vários métodos estimativos de propriedades de fadiga a partir de propriedades monotônicas foram comparados aos resultados experimentais. Os métodos da correlação quatro pontos e inclinação universal modificada apresentando boa correlação para a região de baixo-ciclo. Análise fratográfica por microscopia eletrônica de varredura mostrou a presença de estrias de propagação do estágio II, evidenciando a alta dutilidade do material. / In the present work, the monotonic and low cycle fatigue properties of thin sheet of interstitial free steel containing titanium additions, used in the automotive industry, were investigated. Fatigue tests were conducted under deformation control (R&#949 = -1) using a grip alignment fixture. The material exhibits different fatigue behavior for the transverse and longitudinal directions (in relation to the rolling direction). A comparison between the monotonic stress-strain curve and the cyclic stress-strain curve in the transverse direction showed that the material exhibits cyclic hardening in all strain amplitudes tested. The strain-life relationship obtained for transverse direction is given by &#916&#949t/2 = 0,0186(2Nf)-0,262 + 0,235(2Nf)-0,476 with transition point in 2Nt = 1,4x105 reverses; buckling of longitudinal specimens made impossible to obtain such relationship. Several prediction methods of fatigue properties from monotonic properties were compared to the experimental results. The Four Point Correlation and the Modified Universal Slopes Methods showed a good correlation for the low cycle region. Fractographic analysis through Scanning Eletronic Microscopy showed the presence of Stage II striations, giving support to the high ductility of the material.

Made available in DSpace on 2016-12-08T15:56:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ricardo Kirchhof Unfer.pdf: 99775 bytes, checksum: 27709fdea77151b3e21cfdaf92146d6e (MD5) Previous issue date: 2015-08-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The new contributions of present thesis are an alternative experimental waviness method and a new theoretical model for evaluation of limit strains of sheet metal forming in the automotive industry, employing the analysis of roughness and waviness parameters evolution with the equivalent plastic strain and a new ductile rupture criterion as function of stress triaxiality. For validation of proposed experimental waviness method and rupture criterion, specimens of IF steel sheet of thickness 0.72mm, 0.82mm and 0.85mm were tested under tensile test and Nakazima sheet forming test with Marciniak flat punch. The specimens were deformed in incremental steps in different strain path such as: balanced biaxial stretching, plane strain, uniaxial tension and pure shear. Present proposed method consider that roughness and waviness parameters are important surface quality index and useful as indicator of onset of visible local necking and should be monitored in sheet metal forming. Thus, a Waviness Limit Curve, WLC, is proposed to be plotted in Map of Principal Limit Strains (MDLC) of sheet metal as an alternative to the forming limit strain curve, FLC. Various parameters of roughness and waviness such as arithmetic average roughness (Ra), maximum peak-valley roughness (Rt), arithmetic average waviness (Wa), total heigth peak-valley waviness (Wt), maximum peak height waviness (Pp) and maximum valley depth waviness (Pv) were measured during the uniaxial and biaxial testing. Tensile test of IF steel specimens at 0º, 45º and 90º to the rolling direction, RD, and Nakazima type of IF steel specimens at 0º RD only, in which a mesh of 2.5mm circles were printed, were employed. During the uniaxial and biaxial testing, the following plastic deformations were calculated in each straining step from the printed circles in the sheet surface: major true strain (1) and minor true strain (2). Parameters of roughness and waviness versus equivalent plastic strain curves were plotted to obtain a phenomenological equation of 4th and 3rd degree polynomials, using the Hill 1979 yield stress criterion. Furthermore, the growth rate of parameters Wa and Wt with equivalent plastic strain were calculated. From the growth rate, it was possible to conclude that the sheet 12 thickness imperfections, measured by Wa and Wt, evolve during material deformation, being possible to predict with accuracy the influence of equivalent plastic strain in the onset of local necking. From the experimental analysis, it was concluded that the maximum peak-valley waviness parameter (Wt) was the best option to chacaracterized the beginning of local necking in IF steel sheet forming. Thus, from the analysis of waviness growth rate parameters, Wa and Wt, during plastic strains, it was possible to propose a criterion of local necking inception. This allowed to obtain and plot an experimental Waviness Limit Curve (WLC) in the map MDLC: the beginning of local necking was established when the normalized parameter Wt* (=Wt/Wto) attained a critical value Wt*= 2.5, but with distinct values of equivalent strains. A second mathematical model was proposed for local necking criterion to obtain the FLC of IF steel sheets, employing stress triaxiality analysis and the Hill 1979 yield stress criterion. 2nd degree polynomials were obtained from plotted and adjusted phenomenological curves in graphs of equivalent strain at rupture versus stress triaxiality, considering the different plastic strain path in the formability testing. The IF steel specimens showed ductile rupture, according to scanning electronic microscope examinations, which showed that rupture occurred due to formation, growth and coalescence of large quantity of pores in many specimens of balanced biaxial (BB) and plane strain (DP). Also, mixed rupture of ductile type due to shear mechanisms in certain regions of tensile test (TS) and Nakazima uniaxial tension (UTN) specimens were shown. / As propostas de ineditismo da presente tese foram mostrar um método experimental alternativo de rugosidades e um modelo teórico de ruptura novo para se avaliar as deformações limites de conformação de chapas metálicas da indústria automobilística, empregando-se uma análise da evolução dos parâmetros de ondulação da rugosidade com a deformação plástica equivalente e um critério de ruptura dúctil em função da triaxialidade das tensões. Para validação do método experimental de rugosidades e do critério de ruptura propostos, utilizou-se corpos de prova de chapas de aço IF de 0,72mm, 0,82mm e 0,85mm de espessura, que foram submetidas aos ensaios de tração simples e ensaio de estampagem tipo Nakazima com punção plano de Marciniak. As amostras foram sujeitas a deformação incremental em diferentes trajetórias de deformação, tais como: estiramento biaxial balanceado, deformação plana, estiramento uniaxial e cisalhamento puro. O presente método proposto considera que parâmetros de rugosidade e ondulação são índices importantes de qualidade da superfície e servem como indicador preciso do início da estricção local visível e devem ser monitorados na conformação de chapas metálicas. Portanto, propõe-se traçar uma Curva Limite de Ondulação da Rugosidade, CLOR, no Mapa das Deformações Principais Limite de Conformação (MDLC) das chapas metálicas como alternativa da curva limite de conformação, CLC. Vários parâmetros do perfil de rugosidade e da ondulação da rugosidade tais como a rugosidade média aritmética (Ra), altura máxima pico-vale (Rt), ondulação média aritmética (Wa), a altura máxima da ondulação pico-vale (Wt), altura máxima de pico da ondulação (Pp) e profundidade máxima de vale (Pv) foram medidos durante os ensaios uniaxiais e biaxiais. Foram utilizados corpos de prova de aço IF em tração simples a 0º, 45º e 90º da direção de laminação, DL, e corpos de prova tipo ensaio Nakazima de aço IF somente a 0º DL nos quais foram impressos uma malha de círculos de 2,5 mm de diâmetro. Durante os ensaios uniaxiais e 10 biaxiais, as seguintes deformações plásticas foram calculadas em cada etapa a partir da malha de circulos impressos na superficie da chapa: a deformação verdadeira longitudinal maior (1) e a deformação verdadeira transversal menor (2). Curvas dos parâmetros de rugosidade e ondulações versus deformação plástica equivalente, empregando-se o critério de escoamento plástico de Hill (1979), foram traçados para se obter equações fenomenológicas do tipo polinomial de 4° e 3° graus. Além disso, foram calculadas as taxas de crescimento dos parâmetros Wa e Wt com a deformação plástica equivalente. A partir das curvas de taxas crescimento, foi possível concluir que as imperfeições na espessura da chapa, medidas por meio de Wa e Wt, evoluem durante a deformação do material, sendo possível prever com precisão a influência da deformação plástica equivalente no início do surgimento da estricção local. Concluiu-se então que o parâmetro da altura máxima total pico-vale das ondulações (Wt) é a melhor opção para caracterizar o início da estricção local em chapas de aço IF. Portanto, a partir da análise das taxas de crescimento dos parâmetros de ondulação, Wa e Wt, durante as deformações plásticas, foi possível propor um critério para o surgimento da estricção local. Isto permitiu obter e traçar a curva experimental de Limite de Ondulação da Rugosidade, (CLOR), no Mapa MDLC: o início da estricção local foi quando o parâmetro normalizado Wt* (=Wt/Wto) atingiu o valor crítico Wt*=2,5, mas com valores distintos da deformação equivalente. Um segundo modelo matemático foi proposto como critério de estricção local para obtenção da CLC de chapas de aço IF, empregando-se análise da triaxialidade de tensões e o critério de escoamento plástico de Hill (1979). Foram obtidos polinômios de 2º grau por meio de curvas fenomenológicas ajustadas e traçadas nos gráficos de triaxialidade de tensões versus deformação equivalente de ruptura, considerando-se as diferentes trajetórias da deformação plástica dos ensaios de conformabilidade. As amostras de chapa de aço IF mostraram ruptura dúctil conforme exame no microscópio eletrônico de varredura, o qual mostra que a fratura ocorreu devido a formação, crescimento e coalescência de uma grande quantidade de espaços vazios ou poros na maioria dos corpos de prova tipo Biaxial Balanceado (BB) e Deformação Plana (DP). Também, as amostras apresentaram fraturas mistas do tipo dúcteis e com mecanismos de cisalhamento em determinadas regiões das amostras fraturadas em Tração Simples (TS) e Tração Uniaxial de Nakazima (UTN).