Material modeling for multistage tube hydroforming process simulation

Saboori, Mehdi (2015). Material modeling for multistage tube hydroforming process simulation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The Aerospace industries of the 21st century demand the use of cutting edge materials and manufacturing technology. New manufacturing methods such as hydroforming are relatively new and are being used to produce commercial vehicles. This process allows for part consolidation and reducing the number of parts in an assembly compared to conventional methods such as stamping, press forming and welding of multiple components. Hydroforming in particular, provides an endless opportunity to achieve multiple crosssectional shapes in a single tube. A single tube can be pre-bent and subsequently hydroformed to create an entire component assembly instead of welding many smaller sheet metal sections together. The knowledge of tube hydroforming for aerospace materials is not well developed yet, thus new methods are required to predict and study the formability, and the critical forming limits for aerospace materials.

In order to have a better understanding of the formability and the mechanical properties of aerospace materials, a novel online measurement approach based on free expansion test is developed using a 3D automated deformation measurement system (Aramis®) to extract the coordinates of the bulge profile during the test. These coordinates are used to calculate the circumferential and longitudinal curvatures, which are utilized to determine the effective stresses and effective strains at different stages of the tube hydroforming process.

In the second step, two different methods, a weighted average method and a new hardening function are utilized to define accurately the true stress-strain curve for post-necking regime of different aerospace alloys, such as inconel 718 (IN 718), stainless steel 321 (SS 321) and titanium (Ti6Al4V). The flow curves are employed in the simulation of the dome height test, which is utilized for generating the forming limit diagrams (FLDs).

Then, the effect of stress triaxiality, the stress concentration factor and the effective plastic strain on the nucleation, growth and coalescence of voids are investigated through a new user material for burst prediction during tube hydroforming. A numerical procedure for both plasticity and fracture is developed and implemented into 3D explicit commercial finite element software (LS-DYNA) through a new user material subroutine. The FLDs and predicted bursting pressure results are compared to the experimental data to validate the models.

Finally, the new user material model is used to predict the bursting point of some real tube hydroforming parts such as round to square and round to V parts. Then, the predicted bursting pressure results are compared to the experimental data to validate the models in real and multistep tube hydroforming processes.

Résumé traduit

L’industrie aéronautique du 21e siècle est en forte demande de technologie de fabrication et de matériaux de pointe. Des méthodes avancées de fabrication telles que l’hydroformage sont relativement nouvelle et actuellement utilisée pour produire des véhicules commerciaux. Ce procédé permet à travers la consolidation de pièces de réduire le nombre de pièces dans un assemblage comparativement aux méthodes conventionnelles de mise en forme du métal en feuille comme l’emboutissage, la mise en forme par presse et soudage de multiple composantes. Un simple tube peut être pré-déformé par pliage ou écrasé puis hydroformé pour créer un assemblage de composants en lieu et place d’une pièce constituée de plusieurs petites sections de métal soudées ensemble. Les connaissances sur l’hydroformage de tubes en alliages aéronautiques ne sont pas encore très développées. Ainsi, Il est nécessaire de mettre en place de nouvelles méthodes pour prédire et étudier la formabilité et les limites critiques de mise en forme des matériaux aéronautiques.

Afin de mieux comprendre la formabilité et les propriétés mécaniques des matériaux aéronautiques, une approche novatrice de mesure en ligne basée sur des essais d’expansion libre a été développée. Elle utilise un système automatique 3D de mesure de déformation (Aramis®) pour extraire les coordonnées du profil de gonflement du tube pendant l’essai. Ces coordonnées sont utilisées pour calculer les courbures circonférentiel et longitudinale, qui elles servent à déterminer les contraintes et déformations effectives à différentes étapes du procédé d’hydroformage de tube.

Dans un deuxième temps, deux différentes méthodes : une méthode de moyenne pondérée et une nouvelle fonction de durcissement ont été utilisés pour définir avec précision la courbe contrainte vraie-déformation vraie pour la section après striction de différents alliages aéronautiques, tels que l’inconel 718 (IN 718), l’acier inoxydable 321 (SS 321) et le titane (Ti6Al14V). Les courbes d’écoulement ont été employées dans la simulation du test de hauteur de dôme qui sert à générer les diagrammes de limites de mise en forme (FLDs).

Ensuite, les effets de la triaxialité de contraintes, du facteur de concentration de contraintes et de la déformation plastique effective sur la nucléation, la croissance et la coalescence des cavités sont étudiés à travers un nouveau matériel pour la prédiction de la rupture pendant un essai d’hydroformage de tube. Une procédure numérique pour, à la fois, la plasticité et la rupture a été développée et implémentée dans le logiciel d’éléments finis commercial 3D explicite (LS-DYNA) à travers une nouvelle matérielle sous-routine. Les FLDs ainsi que les prédictions de pression à la rupture sont comparés aux données expérimentales pour valider les modèles.

Enfin, le nouveau modèle matériau a été utilisé pour prédire le point de rupture de quelques pièces réelles hydroformées de type « ronde à carré » et « rond à V ». Puis, les résultats de prédiction de la pression de rupture ont été comparés avec les résultats expérimentaux pour valider les modèles en procédés de mise en forme par hydroformage réel et multi-étapes.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 147-162.
Mots-clés libres:	Formage sous haute énergie. Aéronautique Matériaux Formabilité. Aéronautique Matériaux Propriétés mécaniques. Courbes contrainte-déformation. Alliages. hydroformage,tube, diagramme de mise en forme limite, triaxialité des contraintes, inconel, acier inoxyable
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Champliaud, Henri
Codirecteur:	Codirecteur Baradari, Javad Gholipour Gakwaya, Augustin
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	01 avr. 2015 17:44
Dernière modification:	10 déc. 2016 17:03
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1440

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