This report is a review of some failure models today used for determine failure in thin sheets of high strength steels. Focus has been given on phenomenlogical models and only some simple simulations have been carried out. The phenomenlogical models that have been summarized here are of four different categories, namely stress based, strain based, combined stress and strain based and damaged models. However, the simulations have only been preformed for some of the models.

Friction Spot Welding (FSpW) é um processo de solda ponto por fricção, que opera na fase sólida do material e permite unir duas ou mais chapas de metal sobrepostas. Além de ser bastante usado para soldar materiais leves, ele também é aplicável a qualquer material que apresente boa plasticidade. Neste trabalho são analisados dois materiais: AA Alclad 2024-T351 e AA 2024-T351, diferindo entre si no uso, ou não, da camada de proteção contra a corrosão (Alclad). As uniões são feitas sob os mesmos parâmetros do processo, previamente estudados para o material com Alclad. Dois parâmetros são utilizados: um dito ótimo, capaz de produzir soldas com bom desempenho mecânico e reprodutibilidade e um segundo, dito insuficiente, por produzir soldas de baixo desempenho mecânico e baixa reprodutibilidade. Pretende-se, com este trabalho, avaliar os efeitos que a camada Alclad pode acarretar nas juntas soldadas, em seu desempenho mecânico, no modo de fratura, na microestrutura e na geometria da junta. Os resultados apresentam uma grande influência do Alclad, tendo em vista que durante o processo o recobrimento migra das superfícies das chapas para o centro da solda. Assim, uma interface deste material, que possui baixa resistência mecânica, é criada, influenciando negativamente o desempenho da junta e alterando o modo de fratura. O principal escopo desta dissertação é realizar uma análise da fratura do ensaio de cisalhamento, com o uso do método de elementos finitos. Portanto, fazse necessário estudar e desenvolver um modelo numérico capaz de representar a nucleação, coalescimento, formação de uma ou mais trincas e a consequente propagação até a fratura do corpo. Para a realização da análise utilizou-se o modelo numérico de fratura Johnson-Cook (JC), o qual expressa a tensão equivalente como uma função da deformação plástica, da taxa de deformação e da temperatura. Realizou-se, ainda, um estudo acerca das teorias do Continuum Damage Mechanics (CDM), bem como se fez necessário obter novos parâmetros para o modelo, que descrevessem o fenômeno e o material. Nesse sentido, serão realizadas duas análises, sendo que a primeira considera o efeito da camada de Alclad e, a segunda, considera uma solda livre de defeitos. Espera-se identificar os locais em que trinca é nucleada e analisar a resposta da junta, passo a passo, durante a propagação da trinca, até a fratura completa do corpo. E, por fim, avaliar a interferência no modelo numérico da presença da camada contra a corrosão Alclad. / Friction Spot Welding (FSpW) is a friction spot weld process, it operates in the solid-state of the material and allows joining two or more sheets in overlap configuration. It is used to join light weight materials, also is suitable to any material that shows good ductility. In this work two different materials are analyzed AA Alclad 2024-T351 e AA 2024-T351, between them the use, or not, of the corrosion protection layer Alclad. The welds are made under the same process parameters previously studied to the material with Alclad. Two parameters are utilized: the first one is the optimum parameter capable to produce welds with good mechanical performance and reproducibility, and another one inadequate because it produces joins with poor mechanical response and reproducibility. It is intended with this work, to evaluate the effects that the Alclad layer can cause in the welds, in its mechanical performance, fracture mode, microstructure and geometry of the join. The results showed a considerable influence of the Alclad, considering that during the process, it migrates from the sheet surface to the center of the weld. Thus, an interface of this material, that has a very low hardness, is created, influencing negatively the performance of the weld and changing the fracture mode. The aim of this dissertation is to perform an analysis of the fracture from the lap shear test, using the finite element method. Therefore, becomes necessary study and develop a numerical model capable to represent the nucleation, coalescence, formation of one or more cracks and, the consequent propagation until the fracture of the body. To perform the analysis it was used the numerical model of fracture called Johnson-Cook (JC), which expresses the equivalent stress as a function of the plastic deformation, the strain rate and the temperature. It was also made a study about the Continuum Damage Mechanics (CDM) theories, and it was necessary to obtain new parameters for the model, that describe the phenomenon and the material. In this sense, it will be performed two analyses, and the first considers the Alclad layer and, the second, considers a weld without defects. It is expected to identify the places where the crack nucleated, and analyze the behavior of the weld, step by step, during the crack propagation, until the complete fracture of the component. And, finally, evaluate the interference in the numerical model of the presence of the protection corrosion layer Alclad.

Friction Spot Welding (FSpW) é um processo de solda ponto por fricção, que opera na fase sólida do material e permite unir duas ou mais chapas de metal sobrepostas. Além de ser bastante usado para soldar materiais leves, ele também é aplicável a qualquer material que apresente boa plasticidade. Neste trabalho são analisados dois materiais: AA Alclad 2024-T351 e AA 2024-T351, diferindo entre si no uso, ou não, da camada de proteção contra a corrosão (Alclad). As uniões são feitas sob os mesmos parâmetros do processo, previamente estudados para o material com Alclad. Dois parâmetros são utilizados: um dito ótimo, capaz de produzir soldas com bom desempenho mecânico e reprodutibilidade e um segundo, dito insuficiente, por produzir soldas de baixo desempenho mecânico e baixa reprodutibilidade. Pretende-se, com este trabalho, avaliar os efeitos que a camada Alclad pode acarretar nas juntas soldadas, em seu desempenho mecânico, no modo de fratura, na microestrutura e na geometria da junta. Os resultados apresentam uma grande influência do Alclad, tendo em vista que durante o processo o recobrimento migra das superfícies das chapas para o centro da solda. Assim, uma interface deste material, que possui baixa resistência mecânica, é criada, influenciando negativamente o desempenho da junta e alterando o modo de fratura. O principal escopo desta dissertação é realizar uma análise da fratura do ensaio de cisalhamento, com o uso do método de elementos finitos. Portanto, fazse necessário estudar e desenvolver um modelo numérico capaz de representar a nucleação, coalescimento, formação de uma ou mais trincas e a consequente propagação até a fratura do corpo. Para a realização da análise utilizou-se o modelo numérico de fratura Johnson-Cook (JC), o qual expressa a tensão equivalente como uma função da deformação plástica, da taxa de deformação e da temperatura. Realizou-se, ainda, um estudo acerca das teorias do Continuum Damage Mechanics (CDM), bem como se fez necessário obter novos parâmetros para o modelo, que descrevessem o fenômeno e o material. Nesse sentido, serão realizadas duas análises, sendo que a primeira considera o efeito da camada de Alclad e, a segunda, considera uma solda livre de defeitos. Espera-se identificar os locais em que trinca é nucleada e analisar a resposta da junta, passo a passo, durante a propagação da trinca, até a fratura completa do corpo. E, por fim, avaliar a interferência no modelo numérico da presença da camada contra a corrosão Alclad. / Friction Spot Welding (FSpW) is a friction spot weld process, it operates in the solid-state of the material and allows joining two or more sheets in overlap configuration. It is used to join light weight materials, also is suitable to any material that shows good ductility. In this work two different materials are analyzed AA Alclad 2024-T351 e AA 2024-T351, between them the use, or not, of the corrosion protection layer Alclad. The welds are made under the same process parameters previously studied to the material with Alclad. Two parameters are utilized: the first one is the optimum parameter capable to produce welds with good mechanical performance and reproducibility, and another one inadequate because it produces joins with poor mechanical response and reproducibility. It is intended with this work, to evaluate the effects that the Alclad layer can cause in the welds, in its mechanical performance, fracture mode, microstructure and geometry of the join. The results showed a considerable influence of the Alclad, considering that during the process, it migrates from the sheet surface to the center of the weld. Thus, an interface of this material, that has a very low hardness, is created, influencing negatively the performance of the weld and changing the fracture mode. The aim of this dissertation is to perform an analysis of the fracture from the lap shear test, using the finite element method. Therefore, becomes necessary study and develop a numerical model capable to represent the nucleation, coalescence, formation of one or more cracks and, the consequent propagation until the fracture of the body. To perform the analysis it was used the numerical model of fracture called Johnson-Cook (JC), which expresses the equivalent stress as a function of the plastic deformation, the strain rate and the temperature. It was also made a study about the Continuum Damage Mechanics (CDM) theories, and it was necessary to obtain new parameters for the model, that describe the phenomenon and the material. In this sense, it will be performed two analyses, and the first considers the Alclad layer and, the second, considers a weld without defects. It is expected to identify the places where the crack nucleated, and analyze the behavior of the weld, step by step, during the crack propagation, until the complete fracture of the component. And, finally, evaluate the interference in the numerical model of the presence of the protection corrosion layer Alclad.

Ce travail porte sur l'étude des mécanismes d'endommagement et de rupture des matériaux métalliques sous sollicitation dynamique. Pour de grandes vitesses de déformation, il apparaît une localisation de la déformation sous forme de fines bandes appelées bandes de cisaillement adiabatique (BCA). Comme la durée de sollicitation est très courte, la dissipation de l'énergie mécanique sous forme de chaleur génère de fortes hétérogénéités de température. Pour étudier les mécanismes d'amorçage et de propagation d'une BCA lors d'un essai de torsion dynamique, nous avons développé un dispositif de mesure par pyrométrie : pour les "basses températures" comprises entre 50°C et 300°C, nous utilisons une barrette de 32 détecteurs infrarouges InSb afin d'étudier les hétérogénéités de température pendant l'amorçage de la BCA. La fréquence d'acquisition est de 1MHz et la résolution spatiale de 43µm. Pour les "hautes températures" comprises entre 800°C et 1600°C, nous utilisons une caméra intensifiée sensible dans le visible. La résolution spatiale est de 2µm et le temps d'ouverture est de 10µs. Ce dispositif a montré que la température pouvait dépasser 1100°C avec hétérogénéité au sein même de la bande. Pour interpréter ces résultats, nous avons développé un modèle thermomécanique bidimensionnel de l'éprouvette de torsion. Un défaut de rugosité a été inséré au centre de l'éprouvette et une loi de comportement élasto-thermoviscoplastique a été choisie. Les paramètres de la loi d'écoulement plastique de type Johnson-Cook ont été identifiés à partir d'essais statiques et dynamiques à différentes températures. La solution obtenue avec le code de calcul éléments finis Abaqus permet de simuler l'amorçage et la propagation de la BCA. La confrontation entre l'expérience et le modèle nous a permis de proposer un mécanisme d'amorçage de multiples BCA suivi d'interactions et d'annihilations des BCA entre elles.

Le procédé de rétreint fait partie de la famille des techniques de mise en forme sans enlèvement de matière. La déformation du lopin est obtenue par chocs successifs d'un ensemble de matrices disposées autour de la pièce. Ce procédé est généralement utilisé pour la réduction de section de tubes ou de barres. Dans un contexte industriel, la maîtrise des paramètres procédé et la compréhension des phénomènes sous-jacents est indispensable pour non seulement limiter le temps de développement de nouveaux produits mais aussi diminuer le nombre de rebus des références qui posent problème. L'objectif de la thèse est de répondre à ces attentes en exploitant les possibilités offertes par la simulation numérique. Dans un premier temps, les alliages étudiés ont été caractérisés mécaniquement. En effet grâce à des essais de traction et d'impact de Taylor et à l'emploi d'une méthode d'identification par analyse inverse, les paramètres de la loi d'écoulement de Johnson-Cook ont été déterminés. Dès lors différents modèles, utilisant le code Abaqus/Explicit, ont été mis en place (du 2D axisymétrique au 3D en passant des modèles en reprenant que le quart de la pièce) et la validation s'est faite grâce à des campagnes d'essais réalisés sur site. Enfin, un progiciel développé en C++ sera livré à l'industrie. Il intègre différentes fonctionnalités comme la prédiction des efforts de forge par calcul analytique. Tous ces outils numériques et analytiques ont permis de mieux comprendre le procédé en termes de chemin d'écoulement de la matière, de distribution des contraintes et déformations et de profil d'évolution d'évolution de l'effort tout au long de la mise en forme. ABSTRACT : The shrinking process is part of the family of formatting techniques without removing material. / The shrinking process is part of the family of formatting techniques without removing material.

Orientador: Marco Lucio Bittencourt / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T12:36:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Martins_DanielLeonardo_M.pdf: 3435063 bytes, checksum: 5e1595f9983245a24712a596e4b1f0a1 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização de forma aplicada a estruturas submetidas a cargas de impacto, de modo a aumentar sua capacidade de absorção de energia de impacto. Para isso, é necessário conhecer as propriedades mecânicas dos materiais empregados em tais estruturas, as quais são obtidas através de uma metodologia de abordagem dupla experimental- otimização. São obtidos os parâmetros ótimos das leis constitutivas de Cowper-Symonds e Johnson-Cook para materiais sensíveis à taxa de deformação que melhor se ajustam aos respectivos dados experimentais. Finalmente, esses parâmetros são utilizados na análise de uma estrutura complexa, a qual tem sua capacidade de absorção de energia de impacto melhorada utilizando a Metodologia de Resposta da Superfície / Abstract: This work presents a shape optimization methodology applied to structures submitted to impact loads in order to improve their crashworthiness. To this end, it is necessary to know the structural material properties, which were obtained using a dual experimental-optimization methodology. Optimum parameters are obtained for the Cowper-Symonds and Johnson-Cook strain rate sensitive constitutive laws which best fit the material experimental data. These parameters were then used in the analysis of a complex structure, which is crashworthy optimized using a Response Surface Methodology / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

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O Jateamento com granalha (shot peening, em inglês) é um processo de fabricação amplamente utilizado em indústrias mecânicas, automotivas, navais, aeronáuticas e outras indústrias metalúrgicas. O objetivo principal é induzir tensões residuais de compressão para melhorar a vida à fadiga das peças e estruturas. A modelagem e simulação do processo são muito difíceis, pois envolvem a consideração de muitos e complexos aspectos. Este trabalho propõe um método de modelagem tridimensional utilizando o método dos elementos finitos para a simulação numérica desse processo assim como a sua influência na propagação de trinca, considerando efeitos pouco estudados, como o amolecimento do material devido ao aumento da temperatura na peça durante os impactos, ao comportamento elasto-plástico das granalhas e a rugosidade da peça tratada nos parâmetros da trinca. A modelagem proposta para simular o processo de jateamento com granalhas inclui: (i) análise dinâmica explícita, (ii) modelagem tridimensional, (iii) cálculo da velocidade real das granalhas, (iv) modelo de contato com coeficientes de atrito estático e dinâmico entre as áreas em contato, (v) o modelo constitutivo de Johnson-Cook para o comportamento do material alvo, (vi) um comportamento elasto-plástico multilinear para as granalhas, (vii) a consideração da cobertura real de uma área dada da superfície jateada, (viii) a consideração do aumento da temperatura no material durante o processo e (ix) o relaxamento de tensões residuais devido a este aumento de temperatura. As simulações numérico-computacionais para investigar a influência do processo em fenômenos, tais como fadiga e propagação de trinca, necessitou uma nova abordagem para a incorporação das tensões residuais num modelo de elementos finitos. Além disso, foram realizados vários ensaios quase-estáticos e dinâmicos para a determinação dos parâmetros do modelo constitutivo de Johnson-Cook para o aço AISI 5160. Para a avaliação das metodologias propostas, as tensões residuais foram introduzidas e avaliadas em uma mola parabólica automotiva, sendo que as tensões residuais foram avaliadas através da técnica de difração de raios-X, a intensidade e a cobertura do processo de jateamento com granalha na mola foram avaliadas com Lupa e rugosímetro. Também, dados experimentais de ensaios de fadiga relatados na literatura, realizados em corpos de prova tipo CT foram utilizados. A modelagem numérica do processo de jateamento com granalha desenvolvida neste trabalho consegue prever com sucesso os perfis das tensões residuais, com valores bem próximos aos obtidos experimentalmente. A investigação numérica do efeito do processo na vida à fadiga e fratura das peças comprovou a sua influência nos parâmetros de propagação de trinca nas regiões afetadas pelo processo, ocasionando um amplo aumento da vida à fadiga, e confirmou o relaxamento das tensões residuais devido aos ciclos de carregamento conforme as observações experimentais na literatura. / Shot peening is a manufacturing process widely used in the mechanical, automotive, marine, aeronautical and other metallurgical industries. The main purpose is to induce residual compression stresses to improve fatigue life. The modeling and simulation of the process are very difficult as they involve the consideration of many and complex aspects. This work proposes a three-dimensional modelling method using the finite element method for the numerical simulation of this process as well as its influence on crack propagation, considering little studied effects such as softening of the material due to the increase in temperature in the part during impacts , the elastic-plastic behavior of the shot and the roughness of the treated part in the crack parameters. The proposed modelling approach to simulate the shot peening process includes: (i) explicit dynamic analysis, (ii) three-dimensional modeling, (iii) calculation of the real velocity of the shot, (iv) contact model with static and dynamic friction coefficients between the contact areas, (v) the Johnson-Cook constitutive model for target material behavior, (vi) a multilinear elasto-plastic behavior for the shot, (vii) consideration of real coverage in a given area of the peened surface, (viii) consideration of temperature increase in the material during the process and (ix) relaxation of residual stresses due to this rise in temperature. Numerical-computational simulations to investigate the influence of the shot peening process on phenomena, such as fatigue and crack propagation, required a new approach for the incorporation of residual stress in a finite element model. In addition, several quasi-static and dynamic tests were carried out to determine the parameters of the constitutive Johnson-Cook model for AISI 5160 steel. To assess the proposed methodologies, the residual stresses were introduced and evaluated in an automotive parabolic spring, with the residual stresses being evaluated by the X-ray diffraction technique, the intensity and coverage of the shot peening process for the spring were evaluated with magnifying glass and roughness gauge. Also, fatigue tests available in the literature, carried out on types of CT specimens, were used. The numerical modeling of the shot peening process developed in this work can successfully predict the residual stress profiles, with values close to those obtained experimentally. The numerical investigation of the effect of the process in the fatigue life and fracture of the pieces proved its influence in the parameters of crack propagation in the regions affected by the process, causing a wide increase of the fatigue life, and confirmed the relaxation of the residual stresses due to the cycles loading according to experimental observations in the literature.

Le comportement de matériaux subissant des chargements dynamiques à hautes énergies (impacts, explosions \dots) est généralement sensible à la vitesse de déformation (viscoplastique) et/ou à l'endommagement. Les procédures classiques de caractérisation des modèles de comportement associés utilisent des essais statiquement déterminés nécessitant le respect d'hypothèses limitatrices. Ainsi, le traitement de champs mécaniques hétérogènes est impossible, ce qui limite l'exploitation des essais à de faibles gammes de déformations et oblige à réaliser plusieurs tests à vitesse de déformation constante pour la caractérisation de la viscoplasticité. Enfin, ces restrictions empêchent de profiter pleinement de la quantité importante d'information accessible par mesures de champs. Une solution est alors de recourir à des essais statiquement indéterminés, permettant d'exploiter des champs hétérogènes. Parmi les outils disponibles, la Méthode des Champs Virtuels (MCV) présente des avantages certains par rapport aux méthodes classiques de recalage par éléments finis. L'accent est mis dans ces travaux sur le développement de la MCV pour la caractérisation du modèle viscoplastique de Johnson-Cook. Un des grands atouts de la MCV est qu'elle permet de caractériser la partie viscoplastique du modèle à partir d'un unique essai en conditions de chargement dynamiques, grâce à son exploitation statiquement indéterminée de champs de déformations et de vitesses de déformations hétérogènes. Une perspective à court terme, dont la faisabilité est vérifiée sur des tests numériques, est l'identification simultanée par la MCV de paramètres de modèles élastoplastiques endommageables (Lemaitre).

The PhD thesis deals with the influence of temperature and strain rate on the mechanical behaviour of the Ti-6Al-4V titanium alloy. After verification tests under static loading conditions, the samples were deformed at high strain rates and elevated temperatures, using device for Hopkinson pressure bar test. The result is dependence of stress and strain rate on strain in the temperature range of 20 to 500°C. The deformed shape of specimen from the Taylor anvil test is compared with the results of the simulation in the Ansys – LS Dyna software. The parameters of Johnson-Cook equation were determined from these experiments. Also, the influence of loading conditions on the microstructure was studied. Both optical and scanning electron microscopes were used for the observations. During the research, some adjustments to the experimental devices were made in order to suppress the high-frequency components and noise in the recorded pulses. A functional tensile test adapter for the Hopkinson test was developed; it is registered under No. 2007/008 at the Technology Transfer Office of BUT.