Numerical modeling of the thermo-mechanics-damage coupling in finite transformations. Application to metal forming processes
Modélisation numérique du couplage thermo-mécanique-endommagement en transformations finies. Application à la mise en forme
Résumé
This work aims to develop a fully coupled numerical methodology required for virtual sheet or bulk metal forming. Based on the “strong” thermo-elasto-visco-plastic-damage coupling, this procedure allows the ductile damage prediction during the forming of any metallic components. This gives an efficient “virtual” way to “optimize” any forming or machining processes with respect to damage occurrence. Accordingly, we are able to avoid the damage occurrence as in deep drawing, forging and so on ... or to enhance the ductile damage initiation and growth in order to simulate any metal cutting operation. A general theoretical formulation of the fully coupled thermo-elasto-visco-plastic-damage model is developed in the framework of the irreversible thermodynamics with state variables. A special care is given to the efficient numerical integration of the fully coupled constitutive equations using an iterative (fully implicit) scheme applied to a reduced number of ordinary differential equations. The global resolution of the coupled system was carried out by using both an iterative implicit scheme with the calculation of the consistent tangent matrix (mechanical and thermal terms) and an explicit dynamic scheme using user's subroutine with ABAQUS. An adaptive meshing and remeshing procedure using BL2D adaptive mesher is used in connection with ABAQUS solver in order to enhance the numerical efficiency. Some numerical examples (uniaxial tensile test, cylinder pressing, blanking, orthogonal cutting, forging) are presented in order to discuss the capability of the fully coupled thermo-elasto-visco-plastic model to predict damage initiation and growth. Results from numerical simulations are systematically discussed and compared to the available experimental results.
Ce travail a pour but la mise au point d'une méthodologie de formage virtuel qui consiste à simuler numériquement tous procédés de mise en forme de pièces minces ou massives avec la prise en compte d'un couplage thermo-mécanique-endommagement. Ceci permettra de prévoir l'apparition de l'endommagement ductile au cours du formage des pièces. On pourra ainsi agir sur les paramètres technologiques pertinents du procédé afin soit de retarder cet endommagement pour obtenir des pièces saines, soit au contraire de favoriser celui-ci afin de simuler des opérations de coupe. Une formulation théorique générale du couplage "fort" thermo-élasto-visco-plastique-endommagement est introduite, prenant en compte une loi d'évolution de l'endommagement ductile isotrope. Sur le plan numérique, un soin particulier a été apporté à l'intégration locale des équations d'évolution couplées. Pour résoudre le système global couplé, deux schémas ont été utilisés : (1) un schéma itératif statique implicite associé au calcul analytique de la matrice tangente consistante, (2) un schéma dynamique explicite associé à un contrôle automatique du pas de temps. Une procédure de remaillage adaptatif en grandes déformations a été utilisée en connexion avec le code de calcul par éléments finis ABAQUS. Après une validation sur des essais de traction, une large gamme de procédés, dont certains sont issus de l'industrie, tels que le découpage de tôle, la compression de cylindres, la coupe orthogonale par enlèvement de copeaux,... est présentée et comparée avec des essais expérimentaux quand cela est possible. La capacité de cette méthodologie de formage virtuel à prédire correctement l'initiation et la propagation de l'endommagement en mise en forme est clairement démontrée.
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