Numerical analysis of the metal spinning process utilizing rotating reference frames

Nguyen, Huy-Hoan (2024). Numerical analysis of the metal spinning process utilizing rotating reference frames. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The metal spinning process, a metalworking technique, fabricates axisymmetric shaped products from circular workpieces by leveraging the plastic deformation properties of certain metals. Despite its widespread use, significant gaps persist in our understanding of this process as revealed by existing literature. Key areas requiring further investigation include: the incomplete characterization of stress and strain evolution beyond the elastic domain; a limited understanding of failure mechanisms such as cracking and wrinkling; and the lack of reliable methods for designing toolpaths to produce final parts without defects. This thesis addresses these gaps by implementing a numerical model configured within a rotating reference frame, resulting in a substantial reduction in computational time by a factor of 50 while improving accuracy. Furthermore, the integration of the Generalized Incremental Stress State dependent damage Model within this rotating reference frame configuration enhances the prediction of circumferential cracking efficiency. A novel approach is proposed for analyzing the process throughout one full rotation of the mandrel, as opposed to solely at the end of the process, which has been validated against existing literature. This analysis exhibits that the flange radius diminishes with each plastic deformation induced by the roller, leading to the development of wrinkles on the flange. Two specific parameters, namely the amplitude and the number of peaks, are employed to characterize the flange wrinkling shape, revealing an inverse relationship between them due to volume consistency. Notably, the appearance of new peaks continuously during the process is observed. Intermediate paths with appropriate stroke angles are identified as effective means to control wrinkle amplitude safely by increasing the number of peaks. Additionally, these intermediate paths mitigate thinning issues in the final product. The process can be more flexible, to produce a wider range of shapes, and to form more challenging materials.

Titre traduit

Analyse numérique du procédé de repoussage utilisant des référentiels rotatifs

Résumé traduit

Le procédé de repoussage, une technique de formage de tôles minces, fabrique des produits de forme axisymétrique à partir de pièces circulaires en exploitant les propriétés de déformation plastique des matériaux métalliques. Malgré son utilisation généralisée, des lacunes significatives persistent dans notre compréhension de ce procédé, comme le révèle la littérature existante. Les domaines clés nécessitant une investigation plus approfondie comprennent : la caractérisation incomplète de l'évolution des contraintes et des déformations au-delà du domaine élastique; une compréhension limitée des mécanismes de défaillance tels que les fissures et les plis ; et le manque de méthodes fiables pour concevoir des trajectoires d'outil afin de produire des pièces finales sans défauts. Cette thèse aborde ces lacunes en mettant en oeuvre un modèle numérique configuré dans un cadre de référence rotatif, ce qui se traduit par une réduction substantielle du temps de calcul d'un facteur de 50 tout en améliorant la précision. De plus, l'intégration du modèle d’endommagement dépendant de l'état de contrainte incrémentiel généralisé dans cette configuration de cadre de référence rotatif améliore la prédiction de la fissuration circonférentielle. Une approche novatrice est proposée pour analyser le procédé tout au long d'une rotation complète du mandrin, plutôt que seulement à la fin du procédé, ce qui a été validé par rapport à la littérature existante. Cette analyse montre que le rayon du rebord diminue à chaque déformation plastique induite par le rouleau, entraînant le développement de plis sur le rebord. Deux paramètres spécifiques, à savoir l'amplitude et le nombre de pics, sont utilisés pour caractériser la forme des plis du rebord, révélant une relation inverse entre eux en raison de la cohérence volumétrique. Notamment, l'apparition de nouveaux pics se produit continuellement pendant le procédé. Les trajectoires intermédiaires avec des angles de course appropriés sont identifiées comme des moyens efficaces de contrôler en toute sécurité l'amplitude des plis en augmentant le nombre de pics. De plus, ces trajectoires intermédiaires atténuent les problèmes d'amincissement dans le produit final.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement of the requirements forthe degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 113-119).
Mots-clés libres:	procédé de repoussage, défaut de repli, modélisation par éléments finis, conception de trajectoire d’outil
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Champliaud, Henri
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Lê, Van Ngan
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 avr. 2026 15:21
Dernière modification:	24 avr. 2026 15:21
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3890

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