Exploring the capabilities of Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) in the simulation of manufacturing processes

Abstract

Challenging problems of computational mechanics may often be characterized by large deformations that are common in manufacturing processes such as friction stir welding. The finite element method faces difficulties in simulating large deformations, due to severe mesh distortion. Over the last few, years, meshfree methods have been an alternative applied to the studies, pointing a new generation of more effective computational methods for solving more complex problems such as Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). The present work focus on the application of the SPH method on the numerical simulation of the friction welding process, using the Abaqus numerical simulation software. However, Abaqus presents some limitations, since it includes the SPH formulation but with a reduced functionality, not allowing to analyze temperature variations throughout the process. In order to overcome these limitations, several numerical simulations were performed with changes in the material properties according to the analysis temperature, and in the friction coefficient between the work material and the tool

Problemas desafiadores da mecânica computacional podem muitas vezes ser caracterizados por grandes deformações em processos de manufactura, tais como a soldadura por fricção, mais conhecido por ”friction stir welding” (FSW). Os métodos mais comuns, como o método de elementos finitos apresentam grande dificuldade na simulação de grandes deformações, devido à severa distorção presente na malha. Nos últimos anos, métodos que não envolvam malha têm sido uma alternativa aplicada a este tipo de problemas, apontando uma nova geração de métodos computacionais mais eficazes para resolver problemas mais complexos, tais como o método ”Smoothed Particle Hydrodynamics” (SPH). O presente trabalho centra-se na aplicação do método SPH na simulação numérica do processo de soldadura por fricção, com resurso ao software de simulação numérica Abaqus. Contudo o Abaqus apresenta algumas limitações, uma vez que inclui a formulação SPH mas com uma funcionalidade reduzida, não permitindo analisar variações de temperaturas ao longo do processo. De maneira a superar estas limitações foram realizadas várias simulações numéricas com alterações das propriedades do material consoante a temperatura de análise, e do coeficiente de atrito entre o material de trabalho e a ferramenta.