SPIF, CuZn37 brass, FE simulation, Inverse modelling, Kinematic hardening, Large strains, Anisotropy, Rupture, FLD
Abstract :
[en] This thesis aims to use the single point incremental forming (SPIF) process to identify the mechanical material parameters to feed behaviour models. Typically, the characterization of a sheet metal passes through several testing machines to determine the material behaviour occurring in a forming process. Traditional identification methods require specific equipment that are not always available in industries. This study is conducted by performing different in-plane tests (tensile, shear and reverse shear), as well as different geometries made by the SPIF process (conical shape, pyramidal shape, line, Z-shape, two-wing star and four-wing star). The finite element (FE) simulations of the different tests are computed by the Lagamine FE code developed by the MSM team since the eighties. Levenberg-Marquardt algorithm is used to calibrate the material parameters by inverse modelling based on the FE simulations. In this work, the material studied is the CuZn37 brass.
This PhD study aims to simplify the identification of the kinematic hardening, it provides an alternative to the use of specific equipment for the reverse shear test or experimental device to perform tension-compression tests. The SPIF line test is used to calibrate kinematic hardening and the identified set of parameters is validated by the Z-shape SPIF test and three reverse shear tests with different pre-strains. The numerical results show the accuracy of this new methodology to predict the Bauschinger effect.
Moreover, as the mechanical behaviour in large deformation field is poorly characterized by the tensile test, the use of the SPIF process reaching high strains to identify the hardening parameters is a good lead. Two identification procedures called “Direct Method (DM)” based on tensile and reverse shear tests and “SPIF Inverse (SI)” relying on a cone SPIF test and a tensile test are developed to identify material parameters able to model the hardening behaviour in large strain field. The two approaches are compared and validated by simulations of the different experiments: in-plane tests (shear and reverse shear tests) and SPIF geometries (pyramid, line and Z-shape). The FE simulations performed with the SI dataset are highly accurate in predicting the forming force in the SPIF tests and very efficient in terms of CPU time, but fail in modelling the reverse shear tests. The simulations with the DM dataset satisfy all the validation tests, but they have a high cost as they require mesh refinement and strict contact modelling for the cone and pyramid SPIF tests.
Finally, the conventional forming limit diagram (FLD) underestimates the failure in the SPIF process. Therefore, providing an evaluation of the formability during this process thanks to a procedure to determine the SPIF-FLD is a valuable contribution. The SPIF-FLD is determined by a mixed approach based on three SPIF geometries (70-degree pyramid, two-wing star and four-wing star) and validated by a safe cone test. [fr] Cette thèse vise à utiliser le processus de formage incrémental exploitant un seul outil (en anglais ‘Single Point Incremental Forming’, SPIF) pour identifier les paramètres mécaniques d’un matériau afin d'alimenter les modèles de comportement dans un code éléments finis ou une formule analytique. Généralement, la caractérisation d'une tôle passe par plusieurs machines afin de déterminer le comportement du matériau au cours d'un processus de formage. Les méthodes d'identification traditionnelles nécessitent des équipements spécifiques qui ne sont pas toujours disponibles dans les industries. Cette étude est réalisée en effectuant différents essais dans le plan (traction, cisaillement et cisaillement inverse), ainsi que différentes géométries fabriquées par le procédé SPIF (forme conique, forme pyramidale, ligne, forme-Z, étoile à deux ailes et étoile à quatre ailes). Les simulations par éléments finis (EF) des différents essais sont calculées par le code EF Lagamine développé par l'équipe MSM depuis 1982. L'algorithme de Levenberg-Marquardt est utilisé pour calibrer les paramètres matériaux par modélisation inverse sur la base des simulations par éléments finis. Dans ce travail, le matériau étudié est le laiton CuZn37.
Cette étude de doctorat vise à simplifier l'identification de l'écrouissage cinématique, elle offre une alternative à l'utilisation d'un équipement spécifique pour l'essai de cisaillement inverse ou d'un dispositif expérimental pour effectuer des essais de traction-compression. L'essai SPIF est utilisé pour calibrer l'écrouissage cinématique et l'ensemble des paramètres identifiés est validé par l'essai SPIF en forme-Z et trois essais de cisaillement inverse avec différentes pré-déformations. Les résultats numériques montrent la précision de cette nouvelle méthodologie pour prédire l'effet Bauschinger.
De plus, comme le comportement mécanique dans le domaine des grandes déformations est mal caractérisé par l'essai de traction, l'utilisation du procédé SPIF atteignant des déformations élevées pour identifier les paramètres d’écrouissage est une bonne piste. Deux procédures d'identification appelées "Méthode Directe (DM)" basée sur des essais de traction et de cisaillement inverse et "SPIF Inverse (SI)" reposant sur un essai SPIF conique et un essai de traction sont développées pour identifier les paramètres des matériaux capables de modéliser le comportement d’écrouissage en grandes déformations. Les deux approches sont comparées et validées par des simulations des différentes expériences : essais dans le plan (essais de cisaillement et de cisaillement inverse) et géométries SPIF (pyramide, ligne et forme-Z). L'ensemble de données SI induit dans un calcul EF est très précis dans la prédiction de la force de formage dans les essais SPIF et très efficace en termes de temps CPU, mais échoue dans la modélisation des essais de cisaillement inverse. L’utilisation de l'ensemble de données DM satisfait à tous les tests de validation, mais les simulations ont un coût élevé car elles nécessitent un raffinement du maillage et une modélisation stricte du contact pour les essais SPIF sur cône et pyramide.
Enfin, le diagramme de limite de formage conventionnel (en anglais ‘Forming Limit Diagram’, FLD) sous-estime la rupture dans le processus SPIF. Par conséquent, fournir une évaluation de la formabilité au cours de ce processus grâce à une procédure permettant de déterminer le SPIF-FLD constitue une contribution précieuse. Le SPIF-FLD est déterminé par une approche mixte basée sur trois géométries SPIF (pyramide à 70 degrés, étoile à deux ailes et étoile à quatre ailes) et validée par un essai conique non-endommagé.
Disciplines :
Mechanical engineering
Author, co-author :
Betaieb, Ehssen ; Université de Liège - ULiège > Urban and Environmental Engineering
Language :
English
Title :
Identification of material parameters using single point incremental forming
Defense date :
24 May 2023
Number of pages :
185
Institution :
ULiège - Université de Liège [Faculté des Sciences Appliquées], Liège, Belgium
Degree :
Doctor of Philosophy (PhD) in Engineering Science
Promotor :
Habraken, Anne ; Université de Liège - ULiège > Département ArGEnCo > Département Argenco : Secteur MS2F
Duchene, Laurent ; Université de Liège - ULiège > Département ArGEnCo > Analyse multi-échelles dans le domaine des matériaux et structures du génie civil
President :
Ponthot, Jean-Philippe ; Université de Liège - ULiège > Département d'aérospatiale et mécanique > LTAS-Mécanique numérique non linéaire
Jury member :
Béchet, Eric ; Université de Liège - ULiège > Département d'aérospatiale et mécanique > Conception géométrique assistée par ordinateur
Banu, Mihaela; Michigan University, USA > Mechanical Engineering Department
Alves de Sousa, Ricardo José; University of Aveiro, Portugal > Mechanical Engineering Department
