Numerical analysis of the Ti6Al4V behavior based on the definition of a new phenomenological model

The finite element modeling is significantly dependent on the accurate prediction of the material behavior. In order to increase the accuracy of numerical simulations, a new phenomenological model is proposed in this study. Its mathematical formulation allows suitable predictions of the Ti6Al4V sensitivity to strain rates and temperatures, while maintaining a low identification cost of its constitutive coefficients.A subroutineVUMATis developed, and its reliability is investigated in the case of themodeling of uniaxial tensile and impact tests. In addition, the 3D numerical analysis of the machining process is investigated based on the definition of the rheological Johnson-Cook model and the proposed one. Experimental orthogonal machining tests are also established for several cutting conditions. The significant sensitivity of the chip serration, the segments geometry, and the cutting forces to the feed rate is pointed out. Comparisons of the numerical results corresponding to different constitutive models are carried out. High-correlation levels with the experimental results are reached with the definition of the proposed phenomenological model, which is not the case of the Johnson-Cook empirical law.Moreover, intuitive insights about the effect of cutting conditions on the material flow towards the workpiece edges are provided with the 3D modeling. A pronounced increase of the width of side burrs with the feed rate rise was underlined. The results presented in this study point out the inability of 2D numerical simulations to accurately predict the phenomena induced during the machining process, even in the case of an orthogonal machinin

Numerical analysis of constitutive coefficients effects on FE simulation of the 2D orthogonal cutting process: application to the Ti6Al4V

In this paper, a deep study of constitutive parameters definition effect is done in order to guarantee sufficient reliability of the finite element machining modeling. The case of a particular biphasic titanium alloy Ti6Al4V known by its low machinability is investigated. The Johnson-Cook (JC) elasto-thermo-visco-plastic-damage model combined with the energy-based ductile fracture criteria is used. Segmentation frequency, chip curvature radius, shear band spacing, chip serration sensitivity and intensity, accumulated plastic strain in the formed chip segments, and cutting forces levels are determined where their dependency to every constitutive coefficient is examined and highlighted. It is demonstrated from the separate variation of every plastic and damage parameters that an interesting finite element modeling (FEM) relevance is reached with the adjustment of JC strain hardening coefficients term, thermal softening parameter, exponent fracture factor, and damage evolution energy. Moderate and high cutting speeds are applied to the cutting tool in the aim to test their impact on shear localization, chip segmentation, and numerical forces levels as well as to approve previous highlighted findings related to constitutive parameters definition. In general, this study focuses on a prominent decrease in identification process cost with the previous knowledge of the most affecting constitutive coefficients while keeping an interesting agreement between numerical and experimental results

A 2D finite element analysis of the effect of numerical parameters on the reliability of Ti6Al4V machining modeling

The numerical analysis, based on the finite element modeling (FEM), presents nowadays an efficient computational tool. It allows a better understanding of several thermo-mechanical phenomena involved during the machining process. However, its reliability heavily depends on the accurate definition of the numerical model. In this regard, a FE analysis focused on the 2D modeling of the Ti6Al4V dry orthogonal machining was carried out in this study. The relevance of different numerical meshing approaches and finite elements topologies was studied. The effect of the friction coefficient on the numerical chip morphology, its geometry, the cutting and the feed forces was investigated. The adequacy of several compared adaptive meshing approaches, in terms of the modeling of severe contact conditions taking place around the cutting-edge radius, was underlined in the current study. However, numerical serrated chips, closer to the experimental ones, were only predicted when the pure Lagrangian formulation was adopted and a proper determination of the failure energy was carried out. The definition of different mesh topologies highlighted the efficiency of the 4-node quadrangular mesh, with a suitable edge length, in increasing the agreement with the experimental data, while reducing the computing times

Contribution to more reliable numerical modeling of the machining of titanium workpieces

L’usinage des pièces en alliages de titane, notamment en Ti6Al4V qui a une faible usinabilité, a été toujours parmi les préoccupations majeures des entreprises du secteur de l’aéronautique. Toutefois, il est difficile, en se basant seulement à des essais expérimentaux, de bien comprendre les mécanismes participants à la formation du copeau. Il est alors nécessaire d’avoir recours à des modélisations numériques fiables permettant d’avoir accès à des grandeurs physiques instantanées et très localisées. Le travail présenté porte sur la fiabilisation de la modélisation de la coupe. Des simulations numériques 2D et 3D ont été mises en place. Le modèle de comportement de Johnson-Cook et le critère énergétique d’évolution d’endommagement ont été utilisés. L’étude préliminaire 2D de l’effet du maillage, notamment la taille, le type et la fonction d’interpolation des éléments finis, a souligné l’importance d’une discrétisation convenable du modèle qui tient compte du coût de calculs. De plus, il a été montré qu’un choix convenable du type de la formulation est crucial. L’effet des coefficients rhéologiques et d’endommagement (initiation et évolution) sur la formation du copeau (morphologie, champ de déformation et de température) a été déterminé. Des essais expérimentaux de la coupe orthogonale du Ti6Al4V à différentes conditions de coupe ont été effectués. La dépendance de la géométrie du copeau et des efforts à la vitesse de coupe et à l’avance a été étudiée. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour la validation des modèles numériques 3D qui permettent une étude fine de la formation du copeau. Cette approche a permis de reproduire fidèlement les phénomènes physiques se produisant au niveau du plan médian de la pièce tout en tenant compte de l’écoulement de la matière sur les bords. Les résultats prédits ont mis en évidence que, même dans le cas d’une coupe orthogonale, la formation du copeau est bien un phénomène 3D. Afin d’augmenter la fiabilité des modèles numériques 3D, une nouvelle loi thermo-viscoplastique a été proposée. Cette loi, identifiée et implémentée dans le logiciel Abaqus® à travers la routine VUMAT©, a été utilisée pour la simulation de l’usinage du Ti6Al4V. Elle a conduit à une amélioration notable des résultats numériques.Machining of titanium alloys workpieces, especially in Ti6Al4V which has a low machinability, has always been among the major preoccupations of the companies in the aeronautics sector. However, it is difficult, basing only on experimental tests, to well understand the mechanisms involved during the chip formation. In fact, the use of reliable numerical models that allow the access to instantaneous and very localized physical quantities is required. The presented work consists on the increase of the cutting modeling reliability. 2D and 3D numerical simulations have been performed. The Johnson-Cook constitutive model and the damage evolution criterion have been used. The preliminary 2D study focused on the mesh effect, especially the size of the finite element, its type and its interpolation function, has highlighted the importance of a convenient discretization of the model that takes into account the machining computing cost. In addition, it has been shown that a suitable choice of the formulation type is crucial. The effect of the rheological and damage (initiation and evolution) coefficients on the chip formation (morphology, strain and temperature field) has been determined. Experimental orthogonal cutting tests of the Ti6Al4V at different cutting conditions have been performed. The dependency of the chip geometry and the efforts to the cutting speed and the feed rate has been studied. Experimental results have been used in the validation of the 3D numerical models, which allow a deep study of the chip formation process. This approach has allowed an accurately reproduction of the physical phenomena that occurs in the median plan of the workpiece as well as in its sides. The predicted results have highlighted that, even in the case of orthogonal cutting process, the chip formation is a 3D phenomenon. In order to increase the reliability of 3D numerical models, a new thermo-visco-plastic law has been proposed. This law, identified and implemented in the software Abqus® through the subroutine VUMAT©, has been used to model machining process of the Ti6Al4V. It has resulted in a notable improvement of numerical results

Contribution to more reliable numerical modeling of the machining of titanium workpieces

L’usinage des pièces en alliages de titane, notamment en Ti6Al4V qui a une faible usinabilité, a été toujours parmi les préoccupations majeures des entreprises du secteur de l’aéronautique. Toutefois, il est difficile, en se basant seulement à des essais expérimentaux, de bien comprendre les mécanismes participants à la formation du copeau. Il est alors nécessaire d’avoir recours à des modélisations numériques fiables permettant d’avoir accès à des grandeurs physiques instantanées et très localisées. Le travail présenté porte sur la fiabilisation de la modélisation de la coupe. Des simulations numériques 2D et 3D ont été mises en place. Le modèle de comportement de Johnson-Cook et le critère énergétique d’évolution d’endommagement ont été utilisés. L’étude préliminaire 2D de l’effet du maillage, notamment la taille, le type et la fonction d’interpolation des éléments finis, a souligné l’importance d’une discrétisation convenable du modèle qui tient compte du coût de calculs. De plus, il a été montré qu’un choix convenable du type de la formulation est crucial. L’effet des coefficients rhéologiques et d’endommagement (initiation et évolution) sur la formation du copeau (morphologie, champ de déformation et de température) a été déterminé. Des essais expérimentaux de la coupe orthogonale du Ti6Al4V à différentes conditions de coupe ont été effectués. La dépendance de la géométrie du copeau et des efforts à la vitesse de coupe et à l’avance a été étudiée. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour la validation des modèles numériques 3D qui permettent une étude fine de la formation du copeau. Cette approche a permis de reproduire fidèlement les phénomènes physiques se produisant au niveau du plan médian de la pièce tout en tenant compte de l’écoulement de la matière sur les bords. Les résultats prédits ont mis en évidence que, même dans le cas d’une coupe orthogonale, la formation du copeau est bien un phénomène 3D. Afin d’augmenter la fiabilité des modèles numériques 3D, une nouvelle loi thermo-viscoplastique a été proposée. Cette loi, identifiée et implémentée dans le logiciel Abaqus® à travers la routine VUMAT©, a été utilisée pour la simulation de l’usinage du Ti6Al4V. Elle a conduit à une amélioration notable des résultats numériques.Machining of titanium alloys workpieces, especially in Ti6Al4V which has a low machinability, has always been among the major preoccupations of the companies in the aeronautics sector. However, it is difficult, basing only on experimental tests, to well understand the mechanisms involved during the chip formation. In fact, the use of reliable numerical models that allow the access to instantaneous and very localized physical quantities is required. The presented work consists on the increase of the cutting modeling reliability. 2D and 3D numerical simulations have been performed. The Johnson-Cook constitutive model and the damage evolution criterion have been used. The preliminary 2D study focused on the mesh effect, especially the size of the finite element, its type and its interpolation function, has highlighted the importance of a convenient discretization of the model that takes into account the machining computing cost. In addition, it has been shown that a suitable choice of the formulation type is crucial. The effect of the rheological and damage (initiation and evolution) coefficients on the chip formation (morphology, strain and temperature field) has been determined. Experimental orthogonal cutting tests of the Ti6Al4V at different cutting conditions have been performed. The dependency of the chip geometry and the efforts to the cutting speed and the feed rate has been studied. Experimental results have been used in the validation of the 3D numerical models, which allow a deep study of the chip formation process. This approach has allowed an accurately reproduction of the physical phenomena that occurs in the median plan of the workpiece as well as in its sides. The predicted results have highlighted that, even in the case of orthogonal cutting process, the chip formation is a 3D phenomenon. In order to increase the reliability of 3D numerical models, a new thermo-visco-plastic law has been proposed. This law, identified and implemented in the software Abqus® through the subroutine VUMAT©, has been used to model machining process of the Ti6Al4V. It has resulted in a notable improvement of numerical results

Contribution à la fiabilisation de la modélisation numérique de l’usinage de pièces en titane

Machining of titanium alloys workpieces, especially in Ti6Al4V which has a low machinability, has always been among the major preoccupations of the companies in the aeronautics sector. However, it is difficult, basing only on experimental tests, to well understand the mechanisms involved during the chip formation. In fact, the use of reliable numerical models that allow the access to instantaneous and very localized physical quantities is required. The presented work consists on the increase of the cutting modeling reliability. 2D and 3D numerical simulations have been performed. The Johnson-Cook constitutive model and the damage evolution criterion have been used. The preliminary 2D study focused on the mesh effect, especially the size of the finite element, its type and its interpolation function, has highlighted the importance of a convenient discretization of the model that takes into account the machining computing cost. In addition, it has been shown that a suitable choice of the formulation type is crucial. The effect of the rheological and damage (initiation and evolution) coefficients on the chip formation (morphology, strain and temperature field) has been determined. Experimental orthogonal cutting tests of the Ti6Al4V at different cutting conditions have been performed. The dependency of the chip geometry and the efforts to the cutting speed and the feed rate has been studied. Experimental results have been used in the validation of the 3D numerical models, which allow a deep study of the chip formation process. This approach has allowed an accurately reproduction of the physical phenomena that occurs in the median plan of the workpiece as well as in its sides. The predicted results have highlighted that, even in the case of orthogonal cutting process, the chip formation is a 3D phenomenon. In order to increase the reliability of 3D numerical models, a new thermo-visco-plastic law has been proposed. This law, identified and implemented in the software Abqus® through the subroutine VUMAT©, has been used to model machining process of the Ti6Al4V. It has resulted in a notable improvement of numerical results.L’usinage des pièces en alliages de titane, notamment en Ti6Al4V qui a une faible usinabilité, a été toujours parmi les préoccupations majeures des entreprises du secteur de l’aéronautique. Toutefois, il est difficile, en se basant seulement à des essais expérimentaux, de bien comprendre les mécanismes participants à la formation du copeau. Il est alors nécessaire d’avoir recours à des modélisations numériques fiables permettant d’avoir accès à des grandeurs physiques instantanées et très localisées. Le travail présenté porte sur la fiabilisation de la modélisation de la coupe. Des simulations numériques 2D et 3D ont été mises en place. Le modèle de comportement de Johnson-Cook et le critère énergétique d’évolution d’endommagement ont été utilisés. L’étude préliminaire 2D de l’effet du maillage, notamment la taille, le type et la fonction d’interpolation des éléments finis, a souligné l’importance d’une discrétisation convenable du modèle qui tient compte du coût de calculs. De plus, il a été montré qu’un choix convenable du type de la formulation est crucial. L’effet des coefficients rhéologiques et d’endommagement (initiation et évolution) sur la formation du copeau (morphologie, champ de déformation et de température) a été déterminé. Des essais expérimentaux de la coupe orthogonale du Ti6Al4V à différentes conditions de coupe ont été effectués. La dépendance de la géométrie du copeau et des efforts à la vitesse de coupe et à l’avance a été étudiée. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour la validation des modèles numériques 3D qui permettent une étude fine de la formation du copeau. Cette approche a permis de reproduire fidèlement les phénomènes physiques se produisant au niveau du plan médian de la pièce tout en tenant compte de l’écoulement de la matière sur les bords. Les résultats prédits ont mis en évidence que, même dans le cas d’une coupe orthogonale, la formation du copeau est bien un phénomène 3D. Afin d’augmenter la fiabilité des modèles numériques 3D, une nouvelle loi thermo-viscoplastique a été proposée. Cette loi, identifiée et implémentée dans le logiciel Abaqus® à travers la routine VUMAT©, a été utilisée pour la simulation de l’usinage du Ti6Al4V. Elle a conduit à une amélioration notable des résultats numériques

New phenomenological material constitutive models for the description of the Ti6Al4V titanium alloy behavior under static and dynamic loadings

International audienceThe analysis and optimization of rapid or severe material forming process, where high gradients of plastic deformations, strain rates and temperatures are reached during the material flow, remains today a major challenge. Several light metallic alloys, as the titanium ones, are widely used in many industrial applications. Despite their wide spread adoption, particular phenomena are encountered during their machining high plastic strains gradients, heavy strain rate localization, chip segmentation, accelerated tool wear, etc. Although the recent advances in the experimental devices, it is still difficult experimentally to investigate the instantaneous mesoscopic phenomena taking place during severe forming processes. Therefore, the use of numerical simulations, in addition to specific experimental measurements, presents an efficient alternative for a better understanding of machining processes. Given thought the significant sensitivity of the modelling to the reliable definition of the thermo-visco-plastic workpiece material behavior and referring to the physically based mesoscopic constitutive model proposed in previous works of Gavrus, this study focuses on formulating and identifying phenomenological rheological laws. Their ability to accurately reproduce the isotropic plastic behavior of the Ti6Al4V titanium alloy for both static and dynamic loadings states, as well as in a wide range of plastic strains, plastic strain rates and temperatures, is checked. A specific iterative non-linear regression method is used for the identification of all corresponding material parameters. Their adequacy is discussed and comparisons with experimental results of the literature are set up. A specific user material subroutine VUHARD© is implemented into the commercial code Abaqus®/Explicit. Numerical simulations of experimental compression tests are performed to valid the rheological models' identification and the material flow prediction. A 2D Finite Element Modelling of the Ti6Al4V orthogonal cutting is performed and the accuracy of proposed constitutive models is examined. © 2020 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (https//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/) Peer-review under responsibility of the scientific committee of the 23rd International Conference on Material Forming

Le BOis pOur les STructures des véhicules (Projet BOOST) : Caractérisation mécanique et physique locale de placages pour la conception optimisée de structures

La thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR BOOST multipartenaires dont l’objectif général est de de faire la démonstration de la possibilité de l’utilisation du bois, sous forme de placages en produit lamellé, pour son utilisation comme matériau structurel pour les véhicules. Ses principaux atouts sont ses bonnes propriétés mécaniques rapportées à sa masse volumique et son impact environnemental avantageux lorsqu’il est produit et transformé localement. BOOST cible plus particulièrement les contreplaqués pour leur faible coût et le domaine des transports : aéronautique, naval, automobile ferroviaire. Jusqu’à présent, le contreplaqué, constitué de plusieurs plis de diverses essences orientées simplement à 0° ou 90° n’a été utilisé comme matériau structurel que dans l’aviation jusqu’à la deuxième guerre mondiale (1) et ponctuellement dans l’automobile (2) et le nautisme de loisir. Aussi, il existe un vaste champ de recherches pour ce matériau seul ou utilisé en sandwich, et BOOST a choisi de prioriser trois thématiques scientifiques