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Asymmetrical roll bending process study : dynamic finite element modeling and experiments

Tran, Hoang Quan (2014). Asymmetrical roll bending process study : dynamic finite element modeling and experiments. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Roll bending is an efficient metal forming technique, where plates are bent to a desired curvature using forming rolls. This type of sheet forming process is one of the most widely used techniques for manufacturing axisymmetric hollow shapes. Moreover, this process is beginning to be taken into serious consideration by industries for producing large, thick parts such as the conically shaped crown of a Francis turbine runner or of a wind turbine tower.

Because of the numerous processing parameters, reducing the bending force and improving the accuracy of the final shape are significant challenges in the roll bending process. Therefore, the primary aim of this research is to find the strategies for reducing forming forces and improving final part quality by employing numerical and experimental methods. In this thesis, a 3D dynamic Finite Element (FE) model of an asymmetrical roll bending process is developed using the Ansys/LS-Dyna software. The simulation results are then compared with experiments performed with instrumented parts and roll bending machine. The parameters that affect the accuracy of the final shape, the bending forces and the residual strain left in the formed plate have been investigated. Applying this 3D dynamic FE model in an industrial context may predict the forming forces or the accuracy of the final shape’s radius and thus will decrease the setup time before manufacturing.

The forming forces can be reduced by heating the plate. In this research, the relationships between the heating plate temperature and the output parameters of roll bending process such as applied forces and final shape quality have been studied by performing FE simulation and analytical computations. These results yield to a better understanding of the mechanism of the process and provide an opportunity for the design of an efficient heating system to control the heat energy to be input in the plate during the roll bending process.

This research also proposes a new, simple approach for reducing flat areas and forming forces. This approach includes moving the bottom roll slightly along the feeding direction and adjusting the bottom roll location. The FE results indicate that this new approach effectively minimizes the flat area extents and reduces also the forming forces.

Titre traduit

Analyse du procédé asymétrique de roulage : simulation dynamique par éléments finis et expérimentations

Résumé traduit

Le procédé de roulage est une technique efficace pour former des tôles à la courbure désirée en utilisant des rouleaux de formage. Ce type de procédé de formage de métal en feuille est l'une des techniques les plus utilisées pour la fabrication de formes creuses axisymétriques. En outre, ce processus commence à être sérieusement pris en considération par les industries pour produire de grandes pièces épaisses, comme la forme conique d’une couronne d'une roue de turbine Francis ou de celle de la tour d'une éolienne.

A cause des nombreux paramètres du procédé, réduire la force de flexion et améliorer la précision de la forme finale sont des défis importants pour le cintrage. Par conséquent, l'objectif principal de cette recherche est de trouver des stratégies pour réduire les forces de formage et d’améliorer la qualité finale de la pièce en utilisant des méthodes numériques et expérimentales. Dans cette thèse, un modèle 3D dynamique par éléments finis (FE) d'un processus de formage par roulage asymétrique est développé en utilisant le logiciel Ansys/LS-Dyna. Les résultats des simulations sont ensuite comparés aux expériences réalisées avec des tôles instrumentées et une machine de roulage. Les paramètres qui influencent la précision de la forme finale, c’est-à-dire les forces de flexion et les contraintes résiduelles laissées dans la plaque formée, ont été étudiés. L'application de ce modèle EF dynamique en 3D dans un contexte industriel permet de prédire l’intensité des forces de formage ou la précision du rayon de la forme finale et donc diminue le temps de mise au point avant la fabrication.

Les forces de formage peuvent être réduites en chauffant la plaque. Dans cette recherche, les relations entre la température de la plaque chauffée et les paramètres de sortie du procédé de cintrage tels que les forces appliquées et la qualité de la forme finale ont été étudiées en effectuant une simulation par EF et des calculs analytiques. Ces résultats amènent à une meilleure compréhension du mécanisme de formage avec ce procédé et permettent de fournir une opportunité pour la conception d'un système de chauffage efficace pour contrôler l’énergie thermique entrant dans la plaque pendant le processus de cintrage.

Cette recherche propose également une nouvelle approche simple pour réduire l’étendue des zones non-cintrées et l’intensité des forces de formage. Cette approche consiste à déplacer légèrement le rouleau inférieur le long de la direction d'alimentation et à ajuster l'emplacement du rouleau inférieur. Les résultats par EF indiquent que cette nouvelle approche minimise efficacement l’étendue des zones planes et réduit également les forces de formage.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement [i.e. fulfillment] of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 140-145.
Mots-clés libres: Profilage. Profilage Simulation par ordinateur. Méthode des éléments finis. Métaux Travail à chaud. asymétrique, procédé de roulage, analyse dynamique par éléments finis, force de formage, formage à chaud, étendue de plaque non-cintrée, Ansys/LS-Dyna
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Champliaud, Henri
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Dao, Thien-My
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 21 nov. 2014 16:37
Dernière modification: 10 déc. 2016 16:46
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1387

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