Modelling and control of twist springback in lightweight automotive structures with complex cross-sectional shape

Abstract

Este trabalho é dedicado à investigação dos mecanismos / fontes de retorno elástico torsional em estruturas automóveis leves e à identificação de formas de controlar este problema. Em primeiro lugar, para garantir uma correta modelação do retorno elástico torsional, foram utlizados os resultados de vários ensaios do material, incluindo diferentes solicitações de carga/descarga, assim como a utilização de modelos constitutivos adequados. O comportamento mecânico dos materiais submetidos a trajetórias simples e complexas de carga é descrito utilizando leis de encruamento e critérios de plasticidade anisotrópicos. Foi desenvolvido um novo dispositivo de ensaios de corte para os aços DP para realização de ensaios de inversão de carga. Foram realizados testes cíclicos de carga-descarga-carga de tração uniaxial e biaxial assim como testes de dobragem em três pontos em material pré -deformado com vista à determinação da degradação do módulo de elasticidade com o aumento de deformação plástica. O efeito da trajetória de deformação na determinação do valor inicial do módulo de elasticidade e a sua degradação foram registados e analisados. Em segundo lugar, foram selecionados como casos de estudo dois processos clássicos de deformação plástica de metais, nomeadamente embutidura de chapas de aço DP e dobragem por matriz rotativa de tubos de alumínio de parede fina e secção assimétrica, devido ao seu evidente efeito de retorno elástico torsional. Foi proposta uma definição melhorada de retorno elástico torsional baseada nos eixos principais de inércia da secção transversal. A relação entre o momento de torção e ângulo de torção foi introduzida para explicar a ocorrência de retorno elástico torsional. Para melhorar a robustez dos modelos numéricos, foram realizadas várias técnicas de modelação, incluindo a identificação de coeficiente de atrito, a restrição de acoplamento da superfície para mandril flexível utilizando um elemento conector articulado, e a correlação de imagens digitais. O mecanismo de retorno elástico torsional foi analisado tendo em conta a evolução de estado plano de tensão e a trajetória de deformação nos componentes após a enformação por deformação plástica. Em terceiro lugar, foi analisada e discutida a sensibilidade dos modelos constitutivos de materiais no que diz respeito à precisão da previsão do retorno elástico torsional. Além disso, foi investigada a influência dos parâmetros do processo de embutidura profunda (direção de material, “blank-piercing” e lubrificação) e dos parâmetros numéricos do processo de dobragem de tubos (restrição dos limites do mandril flexível e atrito nas zonas de contacto) no retorno elástico torsional. Finalmente, foram propostas duas estratégias de controlo para o processo de embutidura profunda, com base no raio da curvatura da matriz variável e na posição dos freios, para reduzir o retorno elástico torsional de duas peças “Cchannel” e “P-channel”, respetivamente. No caso de dobragem de tubos, o controlo do retorno elástico torsional foi alcançado pela otimização da função do mandril e inclusão de um assistente de impulso de carga. Estas estratégias de controlo, baseadas em FEA, apresentam-se como métodos alternativos para a redução do momento torsor e do retorno elástico torsional em termos de aplicações específicas.

This work is devoted to the investigation of the mechanism/source of twist springback in lightweight automotive structures and to the identification of ways to control this problem. Firstly, to ensure accurate twist springback modelling, a reliable test data of material behaviours under various loading /unloading conditions as well as appropriate constitutive models are necessary. The anisotropic yield criteria and hardening models were adopted to characterize the material behaviours under monotonic and complex strain paths. An enhanced simple shear device was developed to obtain the stress-strain behaviour under reversal loading of DP steels. Uniaxial and biaxial loadingunloading- loading cycle tests and the proposed three-point bend test with prestrained sheets, were conducted to determine the elastic modulus degradation with the increase of plastic strain. A significant effect of the loading strategy on the determination of the initial and the degradation of elastic modulus was observed and discussed. Secondly, two typical metal forming processes, namely deep drawing of DP steel sheets and mandrel rotary draw bending of asymmetric thin-walled aluminium alloy tube, were selected as case studies due to their evident twist springback. A more reasonable definition of twist springback with respect to the principal inertia axes of the cross-sections was proposed. The relationship between torsion moment and twist angle was introduced to explain the occurrence of twist springback. Several key modelling techniques including the friction coefficient identification, surface-based coupling constraint for flexible mandrel using HINGE connector element and digital image correlation were performed for improving the robustness of the numerical models. The mechanism of twist springback was analysed from the evolution of in-plane stress and deformation history in the components after forming. Thirdly, the sensitivities of material constitutive models to the accuracy of twist springback prediction were analysed and discussed. The influence of deep drawing process parameters (material direction, blank piercing and lubrication) and numerical parameters of tube bending (boundary constraint for flexible mandrel and interfacial friction) on twist springback are provided. Finally, two control strategies for deep drawing process, based on variable die radius and partial draw bead design, were proposed to reduce the twist springback of the C-channel and the P-channel, respectively. In case of tube bending, the control of twist springback was reached by the optimization of mandrel nose placement and inclusion of push assistant loading. These FEAbased control strategies appear to be alternative methods to reduce the unbalance torsion moment and the twist springback in terms of particular case.