تحلیل عددی و تجربی آسیب ورق دولایه آلومینیوم-مس در فرایند شکل‌دهی تدریجی تک نقطه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی مواد و ساخت و تولید، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

3 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

شکل‌دهی تدریجی ورق‌های فلزی یکی از روش‌های نوین شکل‌دهی است که اعمال تدریجی نیروهای شکل‌دهی و عدم حضور قالب مادگی در این روش، باعث افزایش حد شکل‌پذیری ورق و افزایش دامنه انعطاف‌پذیری فرایند در تولید هندسه‌های پیچیده می‌شود. در این پژوهش شکل‌دهی ورق‌های دولایه آلومینیوم-مس در فرایند شکل‌دهی تدریجی تک نقطه‌ای تا رسیدن به حد شکل‌دهی ورق در چند هندسه مختلف مطالعه خواهد ‌شد. با توجه به مکانیزم ناپایداری ورق در این فرایند، در پیش‌بینی عددی رشد و شروع آسیب ورق‌های دولایه، از معیار آسیب ژو-ویرزبیکی (Xue-Wierzbicki) در قالب زیربرنامه VUMAT نرم‌افزار آباکوس استفاده شد. آزمایش‌های تجربی نشان‌داد که نوع هندسه، به دلیل اعمال شرایط متفاوت تنش و کرنش در ورق، بر روی حد ارتفاع شکل‌دهی مؤثر است. پیش‌بینی مدل عددی از حد ارتفاع شکل‌دهی به طور میانگین برای هندسه‌های مختلف با اختلاف %8 نسبت به آزمایش‌های تجربی انجام شده، همراه است که نشان‌دهنده‌ی اعتبار مدل عددی می‌باشد. به ‌این ‌ترتیب، با استفاده از مدل عددی اثر تغییرات کرنش پلاستیک معادل و تنش سه‌ محوری به‌عنوان متغیرهای کلیدی بر توزیع کرنش‌های صفحه‌ای و آسیب در این فرایند تحلیل شد. همچنین نحوه بارگذاری سیکلی و غیرخطی در این فرایند با ترسیم مسیر کرنش برای هندسه‌های مختلف نشان داده شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical and experimental analysis of damage in the single point incremental forming of Aluminum/Copper bilayer sheet

نویسندگان [English]

  • Ali Zahedi Dizajyekan 1
  • Mohammad Javad Mirnia 2
  • Bijan Mollaei Dariani 3
1 Assistant Professor, Department of Material and Manufacturing Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
2 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
3 Professor, Department of Mechanical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Incremental forming of metal sheets is one of the new methods of forming, in which the local exertion of forming forces and the absence of a matrix enhances the forming limit of the sheet and extends the flexibility of process in producing of complex geometries. In this research, the forming limit of aluminum/copper bilayer sheets in the single-point incremental forming of different geometries was studied. Considering the instability mechanism of the sheet, the Xue-Wierzbicki damage criterion was used in the form of the VUMAT subroutine of Abaqus in the numerical prediction of the growth and damage initiation of bilayer sheets. Experimental tests showed that the type of geometry has influences on the forming height limit due to the different induced stress and strain states on the sheet. The prediction of the numerical model of the forming height limit on average for different geometries with difference of 8% compared to the experimental tests, which indicates the validity of the numerical model. Accordingly, using the numerical model, the effect of changes in equivalent plastic strain and triaxial stress as crucial variables on the distribution of surface strains and damage was analyzed. Also, cyclic and nonlinear loading in this process was shown by plotting the strain path for different geometries.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bilayer Sheet
  • Incremental Forming
  • Damage Criterion
  • Numerical Model
  • Strain Path
[1]  Silva M, Nielsen P, Bay N, Martins P. Failure mechanisms in single-point incremental forming of metals. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology: 2011; 56: 893-903. doi: 10.1007/s00170-011-3254-1
[2]  Isik K, Silva M, Tekkaya A, Martins P. Formability limits by fracture in sheet metal forming. Journal of Materials Processing Technology: 2014; 214(8): 1557-1565. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2014.02.026
[3]  Al-Ghamdi K, Hussain G. 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: 2015; 88: 82-94. doi: 10.1016/j.ijmachtools.2014.09.005
[4]  Mirnia M, Shamsari M. Numerical prediction of failure in single point incremental forming using a phenomenological ductile fracture criterion. Journal of Materials Processing Technology: 2017; 244: 17-43. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2017.01.029
[5]  Sakhtemanian M, Honarpisheh R, Amini S. Numerical and experimental study on the layer arrangement in the incremental forming process of explosive-welded low-carbon steel/CP-titanium bimetal sheet. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology: 2018; 95(9): 3781-3796. doi: 10.1007/s00170-017-1462-z
[6]  Honarpisheh M, Keimasi M, Alinaghian I. Numerical and experimental study on incremental forming process of Al/Cu bimetals: influence of process parameters on the forming force, dimensional accuracy and thickness variations. Journal of mechanics of materials and structures: 2018; 13(1): 35-51. doi: 10.2140/jomms.2018.13.35
[7] Qin Q, He L, Li C. Control and optimization of bulge defect in incremental forming of cu-Al bimetal. International Journal of Material Forming: 2021;14: 1243–1258. doi: 10.1007/s12289-020-01605-5
[8] Jalali A, Hashemi R, Rajabi M, Tayebi P. Finite element simulations and experimental verifications for forming limit curve determination of two-layer aluminum/brass sheets considering the incremental forming process. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials Design and Applications: 2022; 236(2): 361-373. doi: 10.1177/14644207211045212
[9] Xue L, Wierzbicki T. Ductile fracture initiation and propagation modeling using damage plasticity theory. Engineering Fracture Mechanics: 2008; 75(11): 3276-3293. doi: 10.1016/j.engfracmech.2007.08.012
[10] Hill R. A theory of the yielding and plastic flow of anisotropic metals. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences: 1948 May 27;193(1033):281-97. doi: 10.1098/rspa.1948.0045
[11] Xue L. Stress based fracture envelope for damage plastic solids. Engineering Fracture Mechanics: 2009 Feb 1;76(3):419-38. doi: 10.1016/j.engfracmech.2008.11.010
[12] Zahedi A, Mollaei Dariani B, Mirnia M. 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: 2019; 153: 358-413. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2019.02.002