O uso da simulação via método de elementos finitos (MEF) tem sido de suma importância para o desenvolvimento de processos de conformação hidrostática de tubos (CHT). Sua utilização reduz o método de tentativa e erro na definição do processo e grandes ganhos de produtividade são auferidos. Neste trabalho, a simulação via MEF em conjunto com o desenvolvimento analítico existente na literatura foi utilizada para o desenvolvimento de um método projeto de uma ferramenta simples para a CHT em matriz aberta e para uso em prensa comum. Obtida a ferramenta, foi possível a um baixo custo ser determinado experimentalmente os limites de conformação, o caminho de deformação e as dimensões do tubo expandido sendo possível compara-los com os resultados simulados via MEF. Esta comparação de resultados experimentais e simulados validou o procedimento de simulação e o método de projeto da ferramenta. Quanto ao carregamento, com a ferramenta obtida foram expandidos tubos por dois carregamentos distintos: só pressão e pressão e carga axial simultâneos permitindo assim comprovar a eficácia do segundo carregamento para a obtenção de razões de expansão maiores. Quanto às simulações, executadas em um programa comercial, elas foram desenvolvidas também para ambos os carregamentos. Ainda nestas simulações duas maneiras de aplicar-se a pressão foram avaliadas. Para a determinação dos limites de conformação do tubo fez-se uso da técnica denominada Circle Grid Analisys. Foi escolhido para estudo um tubo extrudado de aço inoxidável AISI 316 L submetido a tempera de solubilização. O método de projeto desenvolvido, numa primeira tentativa, utilizou como dado de entrada as propriedades do Aço AISI 316 L obtidos para chapas o que levou a diferenças entre os resultados simulados e experimentais. Assim foi necessário determinar-se as propriedades do aço AISI 316 L para a condição de tubo extrudado. Para a direção circunferencial utilizou-se o método de ensaios denominado Ring Hoop Tension Test, e para o sentido longitudinal o foi utilizado um ensaio de tração usual. Foram determinados inclusive os coeficientes de anisotropia. Com estes dados novas simulações, considerando a anisotropia do material, foram realizadas. Um aprimoramento do método de projeto foi realizado, sendo construída uma segunda versão da ferramenta para a CHT. Assim os novos resultados simulados foram obtidos e foram comparados com os resultados experimentais e os erros diminuíram significativamente. Como resultado final, para esta segunda versão de simulações, de projeto e ferramenta, os erros dos valores obtidos via simulação via MEF, no diâmetro e na espessura ficaram ao redor de 10%, assumindo o resultado experimental como padrão. Quanto ao limite de conformação os resultados simulados diferiram dos experimentais, porém o estado de deformação e os caminhos de deformação situaram-se no mesmo quadrante no plano das deformações (Curva CLC) para os dois carregamentos. Finalmente, quanto ao diâmetro externo do tubo para os dois carregamentos, o tubo em aço Inoxidável AISI 316 L atingiu diâmetros até 12,9% maiores para expansão por pressão e carga axial em relação àqueles expandidos somente por pressão, os quais foram assumidos como padrão. / The simulation using the finite elements method (FEM) has been of utmost importance for the tube hydroforming (THF) processes development. It reduces the try and error method in the process definition and great profits are gained. In this work, the FEM simulation together with the existing analytical THF theory in the literature was used to develop a process and a simple tool design for the THF, in open die arrangement and to be used in a common press. Gotten this tool, it was possible in a low cost, determine experimentally the forming limits, the strain paths and the evolution of geometry for a tube and then make it possible compares these experimental results with the simulated results obtained by FEM. This comparison of experimental and simulated results validated the simulation procedure and the tool design method. Relate the loads applied during the THF, two distinct load cases were possible: only pressure and simultaneous pressure and axial load, thus allowing proving the effectiveness of the second load case in obtain bigger expansion ratios. Relate to the simulations, they were run in commercial software and also the two load cases were simulated. Additionally in these simulations, two ways to apply the pressure had been evaluated. In the experiments, in the forming limits determination, the Circle Grid Analysis technique was used. A seamless stainless cold finished AISI 316 L solution annealed and quenched tube was chosen for evaluation. The tool design method, in a first attempt, uses the AISI 316 L steel properties obtained from sheets. Big differences between the FEM simulated and experimental results was gotten. Thus, it was necessary execute tensile tests in order to obtain the AISI 316 L steel properties for the seamless stainless cold finished, solution annealed condition. In such a way, a tensile tube test method called Ring Hoop Tension Test was used, to determined AISI 316 L steel properties in the transversal direction and a common tensile test was used for the longitudinal direction. Also, for both directions, anisotropy coefficients were also determined. With these new material properties set, new simulations including the anisotropy and a new improved tool design method were carried through, resulting in a new and improved tool version. Thus, new experiments were performed and compared with the new simulated results and the errors had diminished significantly. As final result, the errors in the diameter and in the thickness had been around of 10%, assuming the experimental result as standard. Relate the forming limits the results had differed, however the strain state and the strain path had been placed the same quadrant in a strain plane graphic (FLD diagram) for both load cases. Finally, relate to the tube expansion ratio, the tube external diameter increase 12,9% greater for tube expansion under pressure and axial load assuming the tube expansion under only pressure as standard.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-03092009-154313 |
| Date | 25 May 2009 |
| Creators | Jorge Paiva Abrantes |
| Contributors | Gilmar Ferreira Batalha, Jonas de Carvalho, Itamar Ferreira, Edison Gonçalves, Alexandre da Silva Rocha |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Engenharia Mecânica, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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