Advanced numerical framework to simulate incremental forming processes

Abstract

The framework of the present work supports the numerical analysis of the Single Point Incremental Forming (SPIF) process resorting to a numerical tool based on adaptive remeshing procedure based on the FEM. Mainly, this analysis concerns the computation time reduction from the implicit scheme and the adaptation of a solid-shell finite element type chosen, in particular the Reduced Enhanced Solid Shell (RESS). The main focus of its choice was given to the element formulation due to its distinct feature based on arbitrary number of integration points through the thickness direction. As well as the use of only one Enhanced Assumed Strain (EAS) mode. Additionally, the advantages include the use of full constitutive laws and automatic consideration of doublesided contact, once it contains eighth physical nodes. Initially, a comprehensive literature review of the Incremental Sheet Forming (ISF) processes was performed. This review is focused on original contributions regarding recent developments, explanations for the increased formability and on the state of the art in finite elements simulations of SPIF. Following, a description of the numerical formulation behind the numerical tools used throughout this research is presented, summarizing non-linear mechanics topics related with finite element in-house code named LAGAMINE, the elements formulation and constitutive laws. The main purpose of the present work is given to the application of an adaptive remeshing method combined with a solid-shell finite element type in order to improve the computational efficiency using the implicit scheme. The adaptive remeshing strategy is based on the dynamic refinement of the mesh locally in the tool vicinity and following its motion. This request is needed due to the necessity of very refined meshes to simulate accurately the SPIF simulations. An initially mesh refinement solution requires huge computation time and coarse mesh leads to an inconsistent results due to contact issues. Doing so, the adaptive remeshing avoids the initially refinement and subsequently the CPU time can be reduced. The numerical tests carried out are based on benchmark proposals and experiments purposely performed in University of Aveiro, Department of Mechanical engineering, resorting to an innovative prototype SPIF machine. As well, all simulations performed were validated resorting to experimental measurements in order to assess the level of accuracy between the numerical prediction and the experimental measurements. In general, the accuracy and computational efficiency of the results are achieved.

O presente trabalho assenta na análise numérica do processo de Estampagem Incremental por Único Ponto (SPIF) recorrendo ao refinamento adaptativo da malha através do Método dos Elementos Finitos (FEM). Nomeadamente, a atenção é dada à redução do tempo de cálculo baseado no esquema de integração implícito em combinação com um elemento finito do tipo “sólidocasca” predefinido. O principal motivo da escolha do tipo de elemento finito deve-se à sua formulação possibilitar a atribuição de um número arbitrário de pontos de integração na direção da espessura combinado com a utilização de um único modo de deformação acrescentada e integração reduzida no plano. Além disso, as vantagens incluem a utilização de leis constitutivas tridimensionais, análise automática de contacto em dupla face e espessura, uma vez que é um elemento hexaédrico de 8 nós. Inicialmente, uma revisão da literatura relacionada com o processo de estampagem incremental (ISF) é apresentada evidenciando as contribuições recentemente desenvolvidas, explicações do aumento da formabilidade do material em ISF e com maior ênfase o estado-de-arte das simulações numéricas pelo FEM do processo SPIF. Seguidamente, é apresentado a descrição dos conceitos teóricos que suportam e foram utilizados ao longo desta pesquisa, resumindo tópicos de mecânica não-linear relacionada com o código LAGAMINE, formulação de elementos finitos e leis constitutivas. O principal objetivo do presente trabalho é a aplicação do método de refinamento adaptativo combinado com um elemento finito sólido-casca, a fim de melhorar a eficiência computacional usando o esquema de integração implícito. A estratégia de refinamento adaptativo é baseada no refinamento dinâmico da malha localmente na proximidade da ferramenta e acompanhando o seu movimento. Este requisito é devido à necessidade de malhas muito refinadas para simular com precisão as simulações SPIF. A malha inicialmente refinada requer enorme tempo de cálculo e uma malha grosseira leva a resultados inconsistentes devido a problemas de contato. Neste sentido, o refinamento adaptativo evita o refinamento inicial total da malha e consequentemente melhora a performance computacional da simulação. Os testes numéricos realizados são baseados em casos estudo e em testes experimentais realizados na Universidade de Aveiro, Departamento de Engenharia Mecânica, recorrendo a uma máquina protótipo inovadora construída propositadamente para SPIF. Todas as simulações realizadas são validadas recorrendo às medições experimentais, de modo a avaliar o nível de precisão entre a previsão numérica e as medições experimentais. Em geral, a precisão e a eficiência computacional dos resultados são alcançados.