Predicción de fractura en alambres trefilados en una pasada

Un problema recurrente en el proceso de trefilado de alambres es la aparición de una microcavidad interna conocida como “estallido central” la que puede crecer hasta cortar el alambre, obligando a detener el proceso. En este trabajo se presenta un estudio numérico del proceso de trefilado de alambres de una aleación de aluminio Al-2011, con la intención de evaluar la evolución de las variables internas (deformación plástica efectiva y triaxialidad) y su incidencia en el desarrollo de la fractura de los alambres trefilados en una pasada. La caracterización del material y del criterio de fractura usado en el presente trabajo se realiza mediante un ensayo de tracción uniaxial y los parámetros obtenidos se utilizan en simulaciones numéricas de 6 configuraciones geométricas distintas: el ángulo de la hilera se mantiene constante y el diámetro inicial del alambre aumenta gradualmente para tener 6 niveles de reducción distintos. La validación se realiza mediante el análisis de la fuerza de tiro de estas mismas mediciones experimentales reportadas en la literatura. Al final de este trabajo se presenta un mapa de zonas seguras e inseguras, según los resultados obtenidos del criterio de fractura para las configuraciones geométricas estudiadas.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV no.35Facultad de Ingenierí

Implementación de un modelo de crecimiento y remodelación para el análisis numérico de arterias bajo condiciones de hipoxia

Las perturbaciones fisiológicas ante un estado de equilibrio homeostático pueden influir directamente en el desarrollo, crecimiento y remodelación de los tejido blandos. Los vasos sanguíneos han demostrado ser sensibles ante estímulos mecánicos y químicos, observándose una restructuración de los constituyentes de la pared arterial con objeto de conservar el equilibrio biológico, por ejemplo, aumento del espesor y aparición de tensiones residuales en la pared. La persistencia de una condición de hipoxia, asociada a la disminución de la presión parcial de oxígeno en la sangre, conduce a la adaptación de la pared vascular para asegurar la funcionalidad arterial. La hipoxia contribuye al crecimiento y remodelación, modificando las funciones celulares del endoletio y la actividad de la matriz extracelular y músculo liso, provocando un cambio significativo en la respuesta biomecánica de las arterias. Para tal fin, se desarrolla la implementación computacional de modelos constitutivos de crecimiento y remodelación basados en la teoría del crecimiento cinemático dentro de un código de elementos finitos. La modelación matemática considera la descomposición del gradiente de deformaciones y la introducción de variables internas para el tratamiento del crecimiento y remodelación. Como resultados se espera poder predecir la respuesta experimental y desarrollar una metodología capaz de efectuar la caracterización del material.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 9.Facultad de Ingenierí

Implementación de un modelo de crecimiento y remodelación para el análisis numérico de arterias bajo condiciones de hipoxia

Las perturbaciones fisiológicas ante un estado de equilibrio homeostático pueden influir directamente en el desarrollo, crecimiento y remodelación de los tejido blandos. Los vasos sanguíneos han demostrado ser sensibles ante estímulos mecánicos y químicos, observándose una restructuración de los constituyentes de la pared arterial con objeto de conservar el equilibrio biológico, por ejemplo, aumento del espesor y aparición de tensiones residuales en la pared. La persistencia de una condición de hipoxia, asociada a la disminución de la presión parcial de oxígeno en la sangre, conduce a la adaptación de la pared vascular para asegurar la funcionalidad arterial. La hipoxia contribuye al crecimiento y remodelación, modificando las funciones celulares del endoletio y la actividad de la matriz extracelular y músculo liso, provocando un cambio significativo en la respuesta biomecánica de las arterias. Para tal fin, se desarrolla la implementación computacional de modelos constitutivos de crecimiento y remodelación basados en la teoría del crecimiento cinemático dentro de un código de elementos finitos. La modelación matemática considera la descomposición del gradiente de deformaciones y la introducción de variables internas para el tratamiento del crecimiento y remodelación. Como resultados se espera poder predecir la respuesta experimental y desarrollar una metodología capaz de efectuar la caracterización del material.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 9.Facultad de Ingenierí

Analysis of the Part Distortions for Inconel 718 SLM: A Case Study on the NIST Test Artifact

The present paper evaluates the misalignment and geometry distortion of the standard National Institute of Standards and Technology (NIST) test artifact in Inconel 718 alloy, when several layers with and without supports are employed to manufacture it by the Selective Laser Melting (SLM) process. To this end, a coordinate-measuring machine (CMM) is used to measure the geometrical distortion in each manufacturing configuration, following the same measurement protocol. The results show that the laser path strategy favors a thermal gradient which, consequently, induces geometrical distortions in the part. To prove this hypothesis, a numerical simulation is performed to determine the thermal gradient and the pattern of the residual stresses. It was found that the geometrical distortion certainly depends on the position of the feature position and laser strategy, where thermal cycles and residual thermal stresses had an impact in the end-part geometry, especially if a high strength-to-weight ratio commonly used in aeronautics is present.This work is supported by the Serra Húnter program (Generalitat de Catalunya) reference number [UPC-LE-304 (2018)] and by the Aeronautics Advanced Manufacturing Center (CFAA) in the JANO—Joint action toward digital transformation project framework. Diego Celentano acknowledges Pontificia Universidad Católica de Chile (PUC), Wallonie-Bruxelles International (WBI) and National Council for Scientific and Technological Research CONICYT (FONDECYT Projects No. 3180006 and 1180591) for the financial supports provided for this work

Identificación de un elemento de volumen representativo para la simulación del comportamiento mecánico de fundiciones de grafito esferoidal

La Fundición de Grafito Esferoidal (FGE) es una aleación metálica de Fe-C-Si que presenta una microestructura conformada por nódulos de grafito embebidos en una matriz metálica de ferrita y perlita. Estas características microestructurales hacen de la FGE un material compuesto “natural”. La micromecánica computacional es una de las alternativas que permiten la determinación del comportamiento macroscópico de materiales con microestructura heterogénea. Un aspecto crucial de la micromecánica es la identificación del dominio microestructural que permita representar adecuadamente al material, denominado Elemento de Volumen Representativo (EVR) (T. Kanit et al., Int. J. Solids Struct., 40: 3647–3679 (2003)). La determinación del EVR involucra tanto la representación de la geometría y del comportamiento constitutivo de las fases, como la especificación del tamaño del dominio microestructural para que sea representativo. En el presente trabajo, se identificó un EVR de forma cúbica con Condiciones de Borde Periódicas (CBP) para la simulación del comportamiento mecánico de una FGE. La microestructura de la FGE se representó mediante partículas esféricas posicionadas aleatoriamente dentro del dominio cúbico, rodeadas por la matriz. Se consideraron el comportamiento elásto-plástico de la matriz metálica y la baja cohesión de la intercara matriz-nódulos, tal como se reporta en la literatura. Mediante el método de elementos finitos se analizaron dominios microestructurales con cantidades crecientes de nódulos en su interior. En base a este análisis y considerando tanto la precisión de los resultados como el costo computacional, se determinó un domino microestructural que es un EVR adecuado para la FGE. El EVR establecido se probó comparando resultados numéricos del modelo con resultados de ensayos experimentales. Se observó un buen acuerdo entre ambos resultados indicando una adecuada definición del EVR.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 24Facultad de Ingenierí

Modelo termo-mecánico-metalúrgico de las transformaciones de fase en estado sólido de fundiciones nodulares: Estudio de sensibilidad

La fundición de hierro nodular es una aleación metálica cada vez más empleada en las industrias automotriz y agrícola, debido a sus buenas propiedades mecánicas y al bajo costo de producción. Debido a la estrecha relación que guardan las propiedades mecánicas con la microestructura del material, es de gran interés conocer la microestructura resultante luego de los procesos de solidificación-enfriamiento y/o tratamientos térmicos. En este trabajo se presenta un modelo acoplado termo-mecánico-metalúrgico para la simulación del proceso de enfriamiento de una fundición nodular desde la temperatura de austenizado (850-950ºC) hasta la temperatura ambiente, rango en el que se pueden desarrollar distintas transformaciones de fase en estado sólido. Los modelos térmico y mecánico son resueltos en la escala macroscópica (escala de la pieza) por el método de elementos finitos. El modelo metalúrgico es capaz de simular las transformaciones de fase eutectoide (estable y metaestable), ausferrítica y martensítica, teniendo en cuenta los aspectos más relevantes de la microestructura de la fundición nodular. El modelo fue sometido a un estudio de sensibilidad en el cual se consideraron los casos de transformaciones de fase a (a) velocidad de enfriamiento constante y (b) temperatura constante. Para cada caso, se analizó el comportamiento global del modelo y se determinaron las variables de mayor influencia en la microestructura final mediante el cálculo de índices de sensibilidad y diagramas de dispersión. La respuesta del modelo frente a los cambios de los valores de las variables analizadas resultó similar a lo reportado en trabajos experimentales.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 27.Facultad de Ingenierí

Aplicación del criterio CPB06 en la modelación del comportamiento elastoplástico de láminas de zinc en el ensayo de tracción

En el presente trabajo se describe la implementación numérica y la aplicación del criterio CPB06 para estimar el comportamiento elastoplástico de láminas de zinc. Este criterio se caracteriza por representar la asimetría en solicitación a tracción-compresión (denominado efecto SD o “Strength Differential”) típica de metales con estructura HCP. El criterio CPB06 hace uso de un tensor de anisotropía de segundo orden conformado por 9 parámetros, una constante de asimetría “k” y el grado de homogeneidad “a”. Para un valor fijo de “a”, la relación “k” es estimada a partir del esfuerzo de fluencia a tracción y compresión de la muestra. La implementación de este modelo, en un código de elementos finitos propio, contempla la evolución de los parámetros de anisotropía basados en diferentes rangos de deformación plástica para 3 direcciones de probetas (0°, 45° y 90°) en el ensayo de tracción. Los valores intermedios de dichos parámetros serán establecidos por una interpolación lineal de los valores determinados a partir de mediciones experimentales. Como verificación de la implementación y el proceso de estimación de los coeficientes de anisotropía y asimetría del modelo, se realiza una comparación entre las curvas experimentales “esfuerzo real”-“deformación real” y las curvas obtenidas de la simulación FEM. El modelo constitutivo se presenta en la forma asociada utilizando funciones de endurecimiento del tipo combinada (Hocket-Sherby o Swift-Voce) definidas en la dirección de laminado. Se espera que el uso del criterio CPB06 complementado con parámetros que evolucionan en conjunto con la deformación plástica efectiva, permita replicar el comportamiento del Zinc a través de un único set de parámetros de anisotropía, asimetría y endurecimiento para las tres direcciones.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 23Facultad de Ingenierí

Mechanical characterization of the human thoracic descending aorta Experiments and modelling

This work presents experiments and modelling aimed at characterising the passive mechanical behaviour of the human thoracic descending aorta. To this end, uniaxial tension and pressurisation tests on healthy samples corresponding to newborn, young and adult arteries are performed. Then, the tensile measurements are used to calibrate the material parameters of the Holzapfel constitutive model. This model is found to adequately adjust the material behaviour in a wide deformation range; in particular, it captures the progressive stiffness increase and the anisotropy due to the stretching of the collagen fibres. Finally, the assessment of these material parameters in the modelling of the pressurisation test is addressed. The implication of this study is the possibility to predict the mechanical response of the human thoracic descending aorta under generalised loading states like those that can occur in physiological conditions and/or in medical device application