Desenvolvimento de uma ferramenta numérica para implementação de modelos elastoplásticos no MEF

Mestrado em Engenharia MecânicaOs processos de conformação plástica de materiais metálicos encontram-se presentes nas mais diversas indústrias do nosso quotidiano e são responsáveis por uma grande variedade de produtos e sub-produtos. A simulação numérica permite uma otimização dos ciclos de desenvolvimento, sendo estes muito mais expeditos e económicos. Hoje em dia, a utilização de programas de simulação baseados no método dos elementos finitos é usual quer na comunidade científica quer na comunidade industrial. Estes permitem a previsão de processos de deformação de materiais cujo comportamento seja representado por modelos e equações clássicas. No entanto, a maioria dos materiais não apresenta um comportamento tão simplista sendo necessário o desenvolvimento de modelos e a sua implementação em códigos de simulação pelo MEF. Neste trabalho foi desenvolvida uma ferramenta que permite ao utilizador, de forma automática e intuitiva, a implementação através do método dos elementos finitos, de modelos constitutivos de material em programas comerciais. Esta, desenvolvida em ambiente MatLab e recorrendo à computação simbólica, permite uma poupança de tempo na implementação de modelos constitutivos através de subrotinas de utilizador. A metodologia desenvolvida permite a integração automática da (i) parte elástica isotrópica, (ii) de um modelo de cedência, (iii) de um modelo de encruamento plástico e (iv) do módulo elastoplástico do modelo constitutivo para um programa de simulação pelo MEF. A ferramenta foi testada com recurso ao uso de dois critérios de cedência, nomeadamente von Mises e Hill'48. Procedeu-se também à verificação da implementação de leis de encruamento isotrópico e cinemático, tendo sido escolhidas para teste as leis de Voce, Swift e Prager. A validação da ferramenta desenvolvida foi efetuada pelos resultados obtidos com as subrotinas geradas. Numa primeira fase, comparou-se as curvas tensão-deformação obtidas diretamente pela ferramenta com as do programa Abaqus, recorrendo a ensaios mecânicos convencionais em condições homogéneas de tensão e deformação. Numa segunda fase, a validação do cálculo automático do módulo elastoplástico consistente foi feita pela comparação de resultados obtidos com os resultados de uma subrotina desenvolvida analiticamente.Metal forming process are present in the various industries in our daily lives and are responsible for a wide variety of products and subproducts. These are developed in a conventional way by trial and error increasing the time and cost of the project. The numerical simulation allows an optimization of development cycles, which are swifter and more economical. Nowadays, the use of simulation programs based on the finite element method is usual both in the scientific and industrial community. These allow the prediction of material deformation processes whose behavior is represented by classical models and equations. However, most materials does not present a behavior so simple, so it is necessary the development of models and their implementation in FEM simulation code. In this work was developed a tool that allows the user to easy and automatically implementation of constitutive material models in commercial finite element method programs. Using symbolic computation, the developed tool, saves time in implementation of constitutive models through user subroutines. The developed methodology allows the (i) isotropic elasticity, (ii) yield criteria, (iii) hardening law and (iv) consistent elastoplastic modulus an automatic integration for a FEM simulation program. The developed tool was evaluated using two yield criteria, namely von Mises and Hill'48. Isotropic and kinematic hardening laws implementation were also accessed with Voce, Swift and Prager laws. The generated subroutines results ensure the developed tool validation. Initially, the stress-strain curves obtained directly from MatLab and Abaqus simulations were compared using tridimentional tests with stress and strain uniform conditions. Finally, the consistent elastoplastic modulus automatically calculated was validated by comparing the results with results from a analytically developed subroutine

Experimental and modelling study of the alkali-silica-reaction in concrete

The alkali-silica reaction (ASR) is a durability issue of concrete. The amorphous silica of aggregates reacts with the alkalies present in the cement paste pore solution to form a hydrophilic gel which swells in the presence of moisture. Many mass concrete structures are affected and understanding of the reaction and its development is crucial, notably for dam owners and managers. Although some parameters affecting the reaction are well understood, such as temperature, others which depend on the concrete mix design, such as aggregate sizes and particle size distribution (PSD) and external parameters such as the applied load have an effect on the development of the reaction which is not as well understood. To advance the understanding of ASR an experimental programme was put into place to explore some of these factors. In parallel, a modelling platform was designed and implemented to allow the simulation of the reaction at the material microstructure level. The expansion of affected mortars and concretes had been linked to the damage state of the aggregates by Ben Haha. We could model this effect and reproduce the effect of changing the aggregate sizes. Simple kinetics were implemented in the model with two factors were required to account for changes in the cure conditions and sample sizes. The expansion due to the reaction has been reported to be anisotropic in the literature with respect to the direction of casting. We could demonstrate this effect in two independent set of experiments. The overall shape of the expansion curve was found to be related to the fracture of the aggregates and the interactions between them rather than changes in the rate of the chemical reaction. The effect of restraining stress was found to more complex than previously reported in the literature, as it notably affects the direction of propagation of microcracks in the aggregates and paste. This leads to an acceleration of the damage and expansion for loads above about 5MPa threshold

Influência da temperatura de embutimento no retorno elástico em aços de alta resistência

Orientador : Paulo Victor Prestes MarcondesCoorientador : Sérgio Fernando LajarinTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 15/02/2017Inclui referências : f. 111-118Resumo: A substituição dos aços convencionais por aços de alta resistência é uma aposta da indústria automotiva para fabricação de peças embutidas. Isto possibilita o uso de chapas mais finas com a manutenção das propriedades mecânicas e pode ser associada à redução do peso de componentes e redução de custos. Porém, o uso dos aços de alta resistência implica no agravamento de alguns problemas de fabricação, dos quais se destaca o aumento do retorno elástico quando comparado aos aços convencionais. O retorno elástico é uma deformação geométrica da peça embutida e que, para processos realizados na temperatura ambiente, pode ser controlado por ajustes na geometria da ferramenta e pelo ajuste da tensão na chapa. O controle da temperatura de embutimento também é apontado como outra alternativa para controle do retorno elástico. Ele pode medido em peças obtidas de experimentos práticos de embutimento, e também pode ser previsto computacionalmente através da análise numérica pelo método de elementos finitos. A compreensão dos relacionamentos entre a temperatura de embutimento, as características dos materiais, os parâmetros práticos e os parâmetros computacionais, pode melhorar a previsão do retorno elástico para peças embutidas em aços de alta resistência. Por isto, o objetivo deste trabalho foi estudar a influência de temperatura de embutimento no retorno elástico em aços de alta resistência. Para isto, foram realizados ensaios de tração para várias temperaturas para os aços HSLA350/440 e DP350/600. Também foram realizados experimentos práticos de embutimento com várias temperaturas, baseados no benchmark problem, proposto originalmente na conferência Numisheet (1993). Foi medido o retorno elástico nas peças embutidas, e foram realizados ensaios de metalografia e microdureza. Foram realizados experimentos computacionais com base no modelo de Hensel-Spittel que considera fatores mecânicos e metalúrgicos para previsão do comportamento dos materiais em função da temperatura. Como principal resultado, foi comprovado que o aumento da temperatura de embutimento resulta na redução do retorno elástico. Foi observado um comportamento peculiar nas peças embutidas na temperatura de 600°C, que sugere trabalhos futuros. Palavras-chave: Aços de alta resistência. Embutimento. Retorno elástico. Temperatura. Simulação numérica.Abstract: The replacement of conventional steels with high strength steels is a commitment of the automotive industry to manufacture of deep drawing parts. As a result, the use of thinner sheets with maintenance of mechanical properties can be associated with reduced component weight and reduced costs. However, the use of high strength steels implies the aggravation of some manufacturing problems, especially the springback increase, when compared to conventional steels. Springback in deep drawing parts processed at room temperature is the geometric deviation that can be set by adjustments in tool geometry and by adjusting the tension in the sheet. The deep drawing temperature control is another alternative for springback control. Springback can be measured in deep drawing experiments parts and can be predicted computationally by numerical analysis using the finite element method. Understanding the relationships between the deep drawing temperature, material characteristics, practical parameters and computational parameters, can improve prediction of elastic return for deep drawing parts in high strength steels. The objective of this work was to study the influence of deep drawing temperature on the springback in high strength steels. It were performed tensile tests at various temperatures for the HSLA350/440 and DP350/600 steels. It were also performed practical deep drawing experiments with various temperatures, based on the benchmark problem originally proposed at the Numisheet (1993) conference. It was measured springback on the deep drawing parts, and it were performed metallography and micro hardness tests. Computational experiments based on the Hensel-Spittel model that considers mechanical and metallurgical factors to predict the behavior of materials as a function of temperature. As the main result, the increase in temperature results in the reduction of the springback in deep drawing parts. One special behavior in the deep drawing parts at the temperature of 600°C suggests future works. Keywords: High Strength Steels. Deep drawing. Springback. Temperature. Numerical simulation

Asynchronous interface between a finite element commercial software Abaqus and an academic research code Herezh++

International audienc

Asynchronous interface between a finite element commercial software ABAQUS and an academic research code HEREZH++

WOSInternational audienceThe aim of this paper is to describe an efficient method to connect two independent softwares so as to jointly use best qualities of each software around a complex problem solved by the finite element method (FEM). This connection makes it possible to extend quickly and easily the applicability of new models developed in academic softwares, by their simultaneous use with commercial softwares. This is particularly interesting when these models are very difficult to implement directly in commercial softwares. Most of the commercial FEM applications allow users to add additional features, physical models or boundary conditions via a programming interface. Within these user routines, access to internal data structures is possible, either through subroutine parameters and global variables, or via internal modules for reading and storing data. We use these capabilities to link the commercial software ABAQUS and an academic object-oriented C++ software HEREZH++, via the user-defined mechanical material behaviour (Umat). In this interface, HEREZH++ computes the mechanical behaviour of material and the code coupling performs a communication procedure between ABAQUS and HEREZH++. This paper describes this architecture which allows to implement easily original behaviour law in the commercial ABAQUS code. The asynchronous code coupling is made with a named piped interprocess communication method and an interface written in c/C++. Several test samples are presented to show the efficiency and accuracy of the proposed implementations concerning the computational time. In particular, an industrial test is carried out with an original behaviour model of elasto–viscohysteresis which would have been very difficult to implement directly in ABAQUS. 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved

Influência da variação do módulo de elasticidade na previsão computacional do retorno elástico em aços de alta resistência

Resumo: Os aços avançados de alta resistência (AHSS) têm sido uma das apostas da indústria automotiva para reduzir o peso dos veículos e conseqüentemente reduzir o consumo de combustível. Porém, a sua ampla aplicação na indústria automotiva ainda está limitada devido a desafios na conformabilidade, união de chapas, vida de ferramenta e retorno elástico. O retorno elástico é apontado na literatura como o principal problema que compromete a produção em massa de componentes estruturais com esses aços e que até o momento, são poucas as alternativas disponíveis para solucionar o problema. Nos últimos anos ferramentas computacionais de simulação numérica tem sido empregadas no ambiente industrial para auxiliar na previsão da ocorrência do retorno elástico e na definição dos parâmetros adequados para eliminar ou reduzir sua magnitude. Entretanto, a precisão dos resultados numéricos ainda não conseguiu chegar a um nível satisfatório. A limitação na previsão do retorno elástico em aços AHSS por meio de métodos de elementos finitos (MEF) é atribuída à dificuldade de descrever computacionalmente o comportamento mecânico desses aços durante a deformação plástica. A variação do módulo de elasticidade durante a deformação plástica é apontado como um dos principais causadores da não linearidade do comportamento desses aços. Este trabalho teve como objetivo estudar o comportamento da variação do módulo de elasticidade para melhorar a previsão computacional do fenômeno de retorno elástico na conformação de chapas de aços de alta resistência. O procedimento experimental é divido em partes. Na primeira, é feita a caracterização do comportamento mecânico dos materiais ensaiados. Na segunda, são analisados parâmetros práticos de processo e de ferramenta de embutimento que tenham influência na magnitude do retorno elástico. Na terceira, é analisada a influência de parâmetros computacionais na previsão do retorno elástico. Por fim é proposto um ensaio de dobramento onde a variação do módulo de elasticidade com a deformação plástica é considerada por meio da sub-rotina USDFLD. Nos experimentos práticos foi observada a influencia significativa de alguns parâmetros de processo e de ferramenta na magnitude do retorno elástico. Nos experimentos computacionais foi observada a influência significativa de alguns parâmetros computacionais e a capacidade de melhorar a previsão do retorno elástico por meio da variação do módulo de elasticidade

Asynchronous interface between a finite element commercial software ABAQUS and an academic research code HEREZH++

WOSInternational audienceThe aim of this paper is to describe an efficient method to connect two independent softwares so as to jointly use best qualities of each software around a complex problem solved by the finite element method (FEM). This connection makes it possible to extend quickly and easily the applicability of new models developed in academic softwares, by their simultaneous use with commercial softwares. This is particularly interesting when these models are very difficult to implement directly in commercial softwares. Most of the commercial FEM applications allow users to add additional features, physical models or boundary conditions via a programming interface. Within these user routines, access to internal data structures is possible, either through subroutine parameters and global variables, or via internal modules for reading and storing data. We use these capabilities to link the commercial software ABAQUS and an academic object-oriented C++ software HEREZH++, via the user-defined mechanical material behaviour (Umat). In this interface, HEREZH++ computes the mechanical behaviour of material and the code coupling performs a communication procedure between ABAQUS and HEREZH++. This paper describes this architecture which allows to implement easily original behaviour law in the commercial ABAQUS code. The asynchronous code coupling is made with a named piped interprocess communication method and an interface written in c/C++. Several test samples are presented to show the efficiency and accuracy of the proposed implementations concerning the computational time. In particular, an industrial test is carried out with an original behaviour model of elasto–viscohysteresis which would have been very difficult to implement directly in ABAQUS. 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved

Seconda Giornata di Studio Ettore Funaioli: 18 luglio 2008

In questo volume sono raccolte le memorie presentate in occasione della "Seconda giornata di studio Ettore Funaioli", che si è tenuta il 18 luglio 2008 presso la Facoltà di Ingegneria dell'Alma Mater Studiorum - Università di Bologna. La giornata è stata organizzata dagli ex allievi del Prof. Funaioli con la collaborazione del DIEM, Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia dell’Alma Mater Studiorum – Università di Bologna e con il patrocinio del GMA – Gruppo di Meccanica Applicata

Seconda Giornata di Studio Ettore Funaioli: 18 luglio 2008

In questo volume sono raccolte le memorie presentate in occasione della "Seconda giornata di studio Ettore Funaioli", che si è tenuta il 18 luglio 2008 presso la Facoltà di Ingegneria dell'Alma Mater Studiorum - Università di Bologna. La giornata è stata organizzata dagli ex allievi del Prof. Funaioli con la collaborazione del DIEM, Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia dell’Alma Mater Studiorum – Università di Bologna e con il patrocinio del GMA – Gruppo di Meccanica Applicata