تحلیل مکانیزم شکست در فرایند شکل‌دهی تدریجی تک نقطه‌ای ورق آلومینیومی AA5052 با معیار آسیب بائو-ویرزبیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

• علی زاهدی دیزج یکان

استادیار گروه آموزشی مهندسی مواد و ساخت و تولید، دانشگاه محقق اردبیلی

10.22067/jacsm.2023.81834.1180

چکیده

شکل‌دهی تدریجی ورق فلزی یکی از روش‌های مورد توجه شکل‌دهی ورق است که اعمال موضعی نیروهای شکل‌دهی و عدم حضور قالب مادگی در آن، باعث افزایش حد شکل‌پذیری ورق و افزایش انعطاف‌پذیری این فرایند در تولید هندسه‌های پیچیده می‌شود. در پژوهش حاضر، از دیدگاه مکانیک آسیب، یکی از ویژگی‌های بارز این فرایند یعنی حدود شکل‌پذیری بر روی ورق آلومینیومی AA5052 مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور، ابتدا مدل آسیب بائو- ویرزبیکی در قالب زیر برنامه VUMAT به نرم‌افزار آباکوس معرفی شد. ثابت‌های مدل آسیب، مدل سخت‌شوندگی و مدل تسلیم هیل48 با استفاده از آزمایش‌های کشش تک‌محوری در سه راستای نورد، °45 با راستای نورد و عمود بر راستای نورد برای ورق آلومینیومی کالیبره شد. به منظور بررسی شکل‌پذیری ورق، از هندسه‌های مخروط ناقص و هرم ناقص با زاویه دیواره‌های متغیرِ افزایشی استفاده شد و آزمایش‌های تجربی و شبیه‌سازی فرایند در نرم‌افزار آباکوس انجام گردید. با استفاده از توزیع کرنش و تنش، پدیده شکست و نحوه شروع آن تشریح گردید. نتایج نشان می‌دهد که ورق فلزی قبل از اینکه به ارتفاع نهایی طراحی شده برای دو هندسه برسد، دچار شکست می‌شود به‌طوری‌که برای هندسه هرم ناقص و مخروط ناقص ارتفاع شکست به ترتیب برابر mm9/19 و mm9/16 می‌باشد. با توجه استخراج خواص ناهمسانگردی ورق و استفاده از آن در شبیه‌سازی فرایند، ارتفاع شکست نمونه‌ها با دقت میانگین 9% پیش‌بینی گردید و نتایج نشان داد بدون در نظر گرفتن ناهمسانگردی ورق‌ها، دقت پیش‌بینی ارتفاع شکست ورق افت می‌کند. همچنین انطباق قابل قبولی در پیش‌بینی محل شروع شکست به دست آمد.

کلیدواژه‌ها

• شکل‌دهی تدریجی ورق
• معیار آسیب
• المان محدود
• تحلیل تنش

موضوعات

• شکل دهی

---

عنوان مقاله [English]

Investigation of Fracture Mechanism in Single Point Incremental Forming of AA5052 Aluminum Alloy Using the Bao-Wierzbicki Damage Model

نویسنده [English]

• Ali Zahedi Dizajyekan

University of Mohaghegh Ardabili

چکیده [English]

Incremental sheet metal forming is one of the promising sheet forming processes, in which local nature of the applied forming forces and independency of the process on the die, induces higher formability in the sheet and increases flexibility of the process in producing intricated geometries. In current study, from damage mechanics window, one of the prominent features of the process, i.e. forming limits of AA5052 sheets has been investigated. For this purpose, firstly, Bao-Wierzbicki damage model is coded and implemented into Abaqus finite element program via VUMAT subroutine. The constants of the damage model, hardening model and Hill48 yield model have been obtained utilizing the uniaxial tensile experiments in three directions of 0º, 45º and 90º with respect to rolling direction. To examine the formability, truncated cone and pyramid geometries with variable increasing wall angles have been considered and the experimental tests and simulation of the process were conducted. Using the stress and strain distribution, fracture phenomena and onset of fracture were described. The results show that the sheet metal fractures before it reaches the designed final height, so that for the geometries of truncated pyramid and truncated cone, the fracture height is obtained 19.9 mm and 16.9 mm, respectively. Considering the sheet anisotropy properties in the process simulation, the fracture height of specimens was predicted with an average accuracy of 9%, and the results reveal that with excluding the anisotropy properties of the sheets, the prediction accuracy decreases. Also, an acceptable agreement was obtained in predicting the fracture location.

کلیدواژه‌ها [English]

• Incremental sheet forming
• damage model
• finite element
• stress analysis

مراجع

 

[1] W. C. Emmens and H. V. D. Boogaard, “An overview of stabilizing deformation mechanisms in incremental sheet forming,” Journal of Materials Processing Technology, vol. 209, no. 8, pp. 3688-3695, 2009.

[2]    M. B. Silva, P. S. Nielsen, N. Bay, and P. A. F. Martins, “Failure mechanisms in single-point incremental forming of metals,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 56, pp. 893-903, 2011.

[3]    R. Malhotra, L. Xue, T. Belytschko, and J. Cao, “Mechanics of fracture in single point incremental forming,” Journal of Materials Processing Technology, vol. 212, no. 7, pp. 1573-1590, 2012.

[4]    K. a. Al-Ghamdi and G. Hussain, “Threshold tool-radius condition maximizing the formability in SPIF considering a variety of materials: Experimental and FE investigations,” International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 88, pp. 82-94, 2015.

[5]    M. J. Mirnia and M. Shamsari, “Numerical prediction of failure in single point incremental forming using a phenomenological ductile fracture criterion,” Journal of Materials Processing Technology, vol. 244, pp.17-43, 2017.

[6]    A. Zahedi, B. Mollaei-Dariani, and M. R. Morovvati, “Numerical and experimental investigation of single point incremental forming of two layer sheet metals,” Journal of  Modares Mechanical Engineering, (In Persian), vol. 14, no. 14, pp. 1-8, 2015.

[7]    S. Gatea, H. Ou, B. Lu, and G. McCartney, “Modelling of ductile fracture in single point incremental forming using a modified GTN model,” Journal of Engineering Fracture Mechanics, vol. 186, pp. 59-79, 2017.

[8]    C. F. Guzmán, S. Yuan, L. Duchêne, E. I. Saavedra Flores, and A. M. Habraken, “Damage prediction in single point incremental forming using an extended Gurson model,” International Journal of Solids and Structures, vol. 151, pp. 45-56, 2018.

[9]    A. Kumar, A. Kumar Singh, A. Shrivastava, S. Mishra, and K. Narasimhan, “Shear modified Lemaitre damage model for fracture prediction during incremental sheet forming,” International Journal of Solids and Structures, vol. 252, pp. 111822, 2022.

[10] W. Peng and H. Ou, “Deformation mechanisms and fracture in tension under cyclic bending plus compression, single point and double-sided incremental sheet forming processes,” International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 184, p. 103980, 2023.

[11] D. Mohr and S. J. Marcadet, “Micromechanically-motivated phenomenological Hosford–Coulomb model for predicting ductile fracture initiation at low stress triaxialities,” International Journal of Solids and Structures, vol. 67-68, pp. 40-55, 2015.

[12] S. Basak and S. K. Panda, “Failure strains of anisotropic thin sheet metals: Experimental evaluation and theoretical prediction,” International Journal of Mechanical Sciences, vol. 151, pp. 356-374, 2019.

[13] A. Zahedi, B. Mollaei Dariani, and M. J. Mirnia, “Experimental determination and numerical prediction of necking and fracture forming limit curves of laminated Al/Cu sheets using a damage plasticity model,” International Journal of Mechanical Sciences, vol. 153-154, pp. 341-358, 2019.

[14] Z. Cheng et al., “Forming limit analysis of AA5052 sheet under bilinear strain path by designing a novel large-scale gripping fixture,” Journal of Materials Research and Technology, vol. 22, pp. 2425-2439, 2023.