Finite elements simulations of thin copper sheets blanking : study of blanking paramaters on sheared edge quality

The capabilities of finite elements codes allow now accurate simulations of blanking processes when appropriate materials modelling are used. Over the last decade, numerous numerical studies have focused on the influence of process parameters such as punch-die clearance, tools geometry and friction on blanking force and blank profile (sheared edge). The proposed study focuses on the finite elements simulations of a blanking process using a new viscoplastic model for the evolution of the flow stress coupled with a new damage model. The commercial finite elements code ABAQUS/Explicit has been chosen to simulate the blanking process. The finite elements predictions have been compared with experimental results. Then the finite elements simulations have been used to assess the influence of punch-die clearance as well as the influence of tool wear and friction on sheared edge quality

A physically-based and fully coupled model of elasto-plasticity and damage for dynamic failure in ductile metals

It is well established that spall fracture and other rapid failures in ductile materials are often dominated by nucleation and growth ofmicro-voids. In the present work, a mechanistic model for failure by cumulative nucleation and growth of voids is fully coupled with the thermoelastoplasticconstitutive equations of the Mechanical Threshold Stress (MTS) which is used to model the evolution of the flow stress. Thedamage modeling includes both ductile and brittle mechanisms. It accounts for the effects of inertia, rate sensitivity, fracture surface energy, andnucleation frequency. The MTS model used for plasticity includes the superposition of different thermal activation barriers for dislocationmotion. Results obtained in the case of uncoupled and coupled model of plasticity and damage from the simulations of the planar impact withcylindrical target, are presented and compared with the experimental results for OFHC copper. This comparison shows the model capabilities inpredicting the experimentally measured free surface velocity profile as well as the observed spall and other damage patterns in the material underimpact loading. These results are obtained using the finite element code Abaqus/Explicit

Influence of Dissipated Energy on Shear Band Spacing in HY100 Steel

International audienceTo analyze the formation of multiple shear bands in HY-100 steel, we consider an infinitely extended layer of finite thickness subjected to shear loading. The perturbation approach, associated with numerical methods, is used to determine the instability modes. The criteria of Wright-Ockendon and Molinari are used to determine the shear band spacing. The hypothesis consisting in considering the proportion of plastic work dissipated as heat (quantified by the Taylor-Quinney coefficient B) as independent of the loading path is now recognized as highly simplistic. The present work attempts to provide a systematic approach to the inelastic heat fraction evolution for a general loading within the framework of thermoviscoplastic standard modeling including a number of material parameters as strain hardening, strain rate sensitivity, thermal softening. The effect of each material parameter on the shear band spacing is determined by using a power law constitutive relation. The Johnson Cook and power law models are used to illustrate the influence of the constitutive relation on the results for the adiabatic shear band spacing, by studying the response of HY-100 steel. We have compared our results with available experimental results in the literature over a very wide range of strain rate (103 -105 s-1) . In this study, we show that the variation of the Taylor-Quinney parameter, B(y), as a function of shear strain is an important parameter that plays a significant role in the calculation of the shear band spacing

Simulation of the Taylor impact test and analysis of damage evolution using a nucleation and growth based approach

International audienceComputational modeling of the Taylor impact test, using OFHC copper rods are carried out for two impact velocities (260 m/s and 365 m/s). The aim of this work is to demonstrate the efficiency of the recently proposed material model for dynamic plasticity and failure for metals. This model combines the use of a damage approach based on void nucleation and growth, with the Mechanical Threshold Stress (MTS) model for the evolution of the flow stress in isotropic plasticity. The proposed approach is implemented in the finite element code ABAQUS/Explicit via a user material subroutine and the symmetric Taylor impact test, using copper rods, is simulated. The predicted results are compared to the experimental results reported in the open literature and good agreement is found for both shape change and damage distribution

Utilisation des opérateurs de transport en déformation logarithmique 3D en vue de la modélisation du comportement thermomécanique en grandes déformations de polymères amorphes

Les matériaux polymères sont connus pour avoir un comportement thermomécanique complexe, fortement dépendant de la température et de la vitesse de déformation. De nombreuses études expérimentales, théoriques et numériques ont été développées pour comprendre et approcher leur comportement en petites et grandes déformations [1-5]. Ces modèles sont souvent validés en chargement uniaxial pour des raisons de simplicité et montrent dans ce cas, généralement, de bons résultats en grandes déformations sur de larges plages de vitesses et de température. En revanche, en cisaillement, l'introduction de la plasticité nécessite de prendre en compte des transports plus complexes au cours de la transformation dans les modèles 3D, ce qui limite l'utilisation de la déformation logarithmique. Plusieurs auteurs [6-9] ont développé ces approches utilisant le lien entre la dérivée du logarithme du tenseur de déformation pure droit ou gauche et le tenseur des taux de déformation D. Cependant, ces relations n'ont pas été introduites dans les lois de comportement numériques développées généralement pour les matériaux polymères. Nous proposons ici de montrer l'influence importante de ces transports dans le modèle élasto-viscoplastique proposé par Richeton et al. [10] qui permet de modéliser le comportement thermomécanique des polymères amorphes en grandes déformations sur de larges gammes de températures et de vitesses de déformation. Une application est donnée ici pour un polymère de type polycarbonate. Pour cela, nous considérons deux mesures de déformations : la déformation associée au logarithme des tenseurs de déformation pure droit ou gauche U ou V pour la déformation élastique et la déformation-différence (différence des valeurs propres de ces mêmes tenseurs avec leur invariant quadratique), associée à la déformation viscoplastique. Ce dernier choix est particulièrement intéressant pour l'utilisation du modèle « 8 chaînes » de Boyce [2] afin de prendre en compte les allongements des chaînes de macromolécules. Il est enfin nécessaire d'appliquer les transports précédents également aux contraintes associées à ces mesures de déformations. Les effets de ces opérateurs de transports ont été étudiés d'un point de vue théorique par Hill [6] pour la mesure de déformation logarithmique (élastique) et par Rougée [8] pour la mesure de déformation différence (viscoplastique). Nous avons implémenté ces deux théories à travers l'écriture d'une routine VUMAT dans le code Éléments Finis ABAQUS/Explicit, dans le modèle de comportement du polycarbonate étudié par Richeton et al. [10] afin de montrer l'influence de la rotation sur la modélisation en grandes déformations sous sollicitations complexes. Pour le cas de chargement en compression uniaxiale, une augmentation de la contrainte à été observée en comparaison des données expérimentales mesurées, due au modèle viscoplastique. Une réévaluation des paramètres matériau a donc été nécessaire afin de corréler les résultats numériques aux mesures expérimentales. L'utilisation de cette nouvelle famille de paramètres a été appliquée dans différents cas de chargements. La comparaison des résultats numériques montrent ainsi une meilleure corrélation avec les résultats expérimentaux, comme ceux obtenus par exemple par G'Sell et al. [11].   [1] A.S. Argon, Philos. Mag. 28 (1973) 839-865. [2] E.M. Arruda and M.C. Boyce, J. Mech. Phys. Solids 41 (1993) 389-412. [3] J. Richeton et al., Polymer 46 (2005) 6035-6043. [4] J. Richeton et al., Polymer 46 (2005) 8194-8201. [5] S. Patlazhan and Y. Rémond, J. Mat. Sci. 47 (2012) 6749-6767. [6] R. Hill, R. Soc. Lond. Math. Phys. Eng. Sci. 314 (1970) 457-472. [7] A. Hoger, Int. J. Solids Struct. 22 (1986) 1019-1032. [8] P. Rougée, Mécanique des grandes transformations, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1997. [9] H. Xiao et al., Int. J. Plasticity 16 (2000) 143-177. [10] J. Richeton et al., Int. J. Solids Struct. 44 (2007) 7938-7954. [11] C. G'Sell et al., J. of Mat. Sci., 18, (1983) 903-918

Etude du comportement rhéologique et mécanique de composites recyclés et pollués : recyclage iso fonction, rêve ou réalité ? = Study of rheological and mechanical behaviour of recycled and polluted composites : iso function recycling, dream or reality

National audienceNous étudions les effets de la pollution et du recyclage sur deux composites à matrice polypropylène. Ces effets ont été identifiés non seulement par la mesure du poids moléculaire et des propriétés rhéologiques mais aussi sur les caractéristiques mécaniques. Les polluants modèles choisis sont de l'éthylène glycol majoritairement présent dans le liquide de frein et de l'huile moteur. Ils ont été incorporés dans les composites en cours du process d'extrusion. Le recyclage a été simulé en effectuant plusieurs cycles d'extrusions successifs. Les échantillons ont été recyclés de 1 à 12 fois. Toutes ces nuances ont été testées. L'indice de fluidité, la viscosité, les propriétés en traction quasi statique ainsi que en compression dynamique ont été mesurés. Les polluants affectent davantage les propriétés rhéologiques par rapport aux propriétés mécaniques. Le recyclage thermomécanique, quant à lui, est principalement préjudiciable sur le comportement à rupture. Le résultat remarquable concerne l'effet modérateur des polluants sur la dégradation due au recyclage des propriétés des matériaux

Modélisation et simulation du comportement des polymères semi-cristallins

Depuis le début du XXème siècle, les matériaux plastiques connaissent un véritable essor grâce à leurs bonnes propriétés mécaniques et à leur facilité de mise en œuvre. Afin de mieux prévoir les propriétés mécaniques de ces matériaux, nous avons développé différents modèles micromécaniques basés sur leur morphologie. Le polymère semi-cristallin est composé d une phase cristalline et d une phase amorphe avec des propriétés mécaniques et thermomécaniques bien distinctes qui nous permettent, à l aide de méthodes d homogénéisation, d estimer les propriétés effectives du matériau telles que son élasticité, sa contrainte d écoulement, l évolution de sa texture au cours d un essai mécanique. Nos résultats sont comparés à des résultats expérimentaux à différentes températures et différentes vitesses de déformation.Since the beginning of the XXth century, the plastic materials know a true development thanks to their good mechanical properties and their ease of processing. To estimate better the mechanical properties of these materials, we developed different mechanical models based on their morphology. The semi-crystalline polymer is composed of one crystalline and one amorphous phase with distinct mechanic and thermo-mechanic properties which allow us, by using homogenisation methods, to estimate the effective properties of the material such as its elasticity, its yield stress, its texture evolution during a mechanical test. Our results are compared to experimental data at different temperatures and strain rates.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Simulation et modélisation du frittage sélectif par laser par la méthode des éléments finis

Le frittage sélectif par laser (Selective Laser Sintering, SLS) est un des procédés les plus performants pour le prototypage rapide. Cette méthode de fabrication a été développée par le Dr. Carl Deckard à l Université du Texas à la fin des années quatre-vingt. Dans ce procédé, des pièces tridimensionnelles sont réalisées par addition successive de couches de matériau àl état de poudre (polymère, céramique, métal etc.), où chaque couche est chauffée par un faisceau laser jusqu au frittage. Dans ce travail, nous avons développé un simulateur numérique pour le procédé de frittage sélectif par laser àpartir du code commercial de calculs par éléments finis Abaqus. Le modèle comporte trois parties : optique, thermique et rhéologique. La partie optique décrit l interaction entre le faisceau laser et la matière àfritter, la partie thermique décrit la diffusion thermique dans la matière à fritter et le milieu environnant, et la partie rhéologique concerne l écoulement visqueux et la fusion du matériau causée par la tension surfacique. La validation du simulateur est réalisée pour différents matériaux (polymères amorphes, polymères semi-cristallins et métaux). Dans ces simulations, l évolution de la température et de la densitédu matériau àfritter durant le procédéa étéétudiée en fonction des paramètres du procédépuis comparée à des résultats expérimentaux. Le simulateur ainsi validé peut être alors utilisé pour optimiser les paramètres du procédédans le but d améliorer la qualitédes pièces et d éviter la surchauffe des matériaux.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Modélisation viscoplastique pour les déformations et les évolutions des textures dans les polycristaux (Homogénéisation par une loi intermédiaire)

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Simulation numérique de la mise en forme des tôles métalliques appliquées à la connectique (Etude de la découpe)

Le développement de l'ingénierie simultanée dans les métiers de la mise en forme, comme la simulation numérique du procédé de découpe des matériaux métalliques en feuilles, a conduit à la réduction des coûts de fabrication tout en optimisant les propriétés et la fonctionnalité des pièces fabriquées. Pour les procédés, la vitesse de déformation et la température sont des paramètres influençant le comportement du matériau découpé. C'est pourquoi nous proposons de simuler le découpage de métaux en feuilles en utilisant un modèle de viscoplasticité prenant en compte l'évolution de la microstructure couplée à un modèle d'endommagement basé sur une approche thermodynamique des processus irréversibles utilisant une nouvelle forme du potentiel de dissipation ductile d'endommagement. Les modèles proposés sont valides sur une large plage de vitesses de déformation (de 10-4 à 10+4 s-1) et de température (de 76K à la moitié de la température de fusion). Les résultats analytiques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux.Pour optimiser le procédé de découpe des tôles minces d'alliage de cuivre, il est nécessaire d'étudier l'effet de la vitesse de déformation sur le cisaillement. Les tests ont été réalisés sur un montage à barre d'Hopkinson pour les essais dynamiques et sur une machine de traction pour les essais quasi-statiques. Les résultats obtenus montrent que la contrainte d'écoulement, le taux d'écrouissage initial et la déformation à rupture sont sensibles à la vitesse de déformation. Une méthode de déterminations des paramètres des modèles proposés a été proposée.A l'aide de l'implémentation de nos modèles de comportement dans le code commercial d'éléments finis ABAQUS/Explicit, nous présentons une étude de l'influence du jeu de découpe et de l'usure des outils de découpe sur l'aspect du faciès de découpe et de l'évolution de la force de découpe. Cette étude est développée pour des tôles d'alliages de cuivres de faible épaisseur (" 1. mm d'épaisseur). Les résultats obtenus par simulations numériques sont comparés avec des résultats expérimentaux. L'évolution de l'aspect du profil de découpe (zone bombée, zone cisaillée, zone arrachée, bavure et angle de rupture) en fonction du jeu de découpe, de l'usure du poinçon et de la matrice et de l'interface poinçon / tôle / matrice sont présentés. A discussion sur les différentes phases de l'opération de découpe sont présentés. Une méthodologie pour optimiser le procédé de découpage est proposée.The development of concurrent engineering in the area of sheet metal forming, such as the numerical simulation of the blanking process of thin metallic sheets, have led to the fabrication cost reduction while optimizing the functional properties of the workpiece. In these processes, the strain rate and temperature are the parameters that influence the behaviour material. That is why we propose to simulate the blanking of thin metallic sheets using a viscoplastic model that accounts for the evolution of microstructure and coupled with a damage model based on thermodynamics of irreversible processes using a new form of the damage dissipation potential. The proposed models are valid for a wide range of strain rates (10-4 to 10+4 s-1) and temperatures (76K to half melting temperature). The comparison of the predicted results with the experimental ones shows a good agreement.To optimize the blanking process of thin copper sheets, it is necessary to study the effect of strain rate on the shearing process. Tests were performed using a Hopkinson pressure bar for the dynamic tests, and using tensile machine traction for the quasi-static tests. Hat-specimens were utilized. The results obtained shows that the hardening, the initial rate hardening and the failure strain are sensible to the strain rate. A methodology to determine the parameters at the proposed models are presented.By implementing our models in the commercial finite element code ABAQUS/Explicit, we present a study to the influence of the clearance and tool wear on the part edge and on the evolution of the cutting force. This analysis is conducted on thin copper alloys (" 1. mm thickness). The numerical results are compared to the experimental investigations. The evolution of the shape errors (roll-over depth, fracture depth, shearing depth, burr formation and fracture angle) according to the radial clearance, the punch and the die wear, and the contact punch/die/blank-holder are presented. A discussion on the different stages of the blanking process as function of the processing parameters is given. A methodology to optimize the blanking process is proposed.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocVILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF