Analysis of the ESAFORM 2021 benchmark, deep drawing of an axisymmetric cup: cross validation of numerical and experimental results, constitutive modelling of the aluminum alloy and process parameters

Abstract

O benchmark “EXACT - Experiment and Analysis of Aluminum Cup Drawing Test”, proposto pela associação ESAFORM, é o ponto de partida deste trabalho. As conferências anuais desta associação têm como principal objetivo estimular a pesquisa aplicada ao campo da conformação de materiais, disseminando informação científica e tecnológica relacionada à mesma dentro do ambiente académico e industrial. Na presente dissertação é estudado o benchmark de 2021, explorando o processo de embutidura de uma liga de alumínio AA6016-T4 através da utilização de simulação numérica, recorrendo a ferramentas de CAE. Inicialmente, é realizada uma breve apresentação do benchmark em estudo, expondo ao leitor o processo e as suas variáveis, assim como a informação experimental inserida no benchmark considerada para o presente trabalho. Seguidamente é realizada a apresentação de alguns dos fundamentos teóricos da modelação constitutiva do material, nomeadamente os critérios de plasticidade isotrópicos e anisotrópicos relevantes, assim como as leis de encruamento consideradas, sucedendo-se a identificação dos parâmetros constitutivos do material para modelos anisotrópicos. É ainda abordada a modelação 3D de elementos finitos do problema utilizando o software GiD como pré-processador, assim como a edição dos ficheiros do solver DD3Imp, permitindo a definição das condições de fronteira do processo, assim como outros aspetos. Por fim, utiliza-se novamente o GiD para o pós-processamento. Posteriormente, são apresentados os resultados das simulações realizadas considerando modelações isotrópicas e anisotrópicas do processo, respetivamente. Com base nestas, através da análise das curvas de força-deslocamento do punção e dos perfis de altura e espessura do embutido final, é possível compreender a influência tanto do modelo como do coeficiente de atrito utilizado no resultado. Nesta dissertação conclui-se que para a isotropia os diferentes materiais isotrópicos têm uma grande influência no resultado obtido e, no caso dos critérios anisotrópicos, tornou-se evidente que o critério CPB06, para o material estudado, permite uma caracterização utilizando apenas três ensaios de tração uniaxial experimentais, obtendo através desta resultados mais aproximados aos desejados.

The benchmark “EXACT - Experiment and Analysis of Aluminum Cup Drawing Test”, proposed by the ESAFORM association, is the starting point for this work. The main aim of this association's annual conferences is to stimulate applied research in the field of material forming, disseminating scientific and technological information related to it within the academic and industrial environment. In this dissertation, the 2021 benchmark is studied, exploring the process of deep drawing an AA6016-T4 aluminum alloy through the use of numerical simulation, utilizing CAE tools. Initially, a brief presentation of the benchmark under study is given, exposing the reader to the process and its variables, as well as the experimental information included in the benchmark considered for this work. This is followed by a presentation of some of the theoretical foundations of the material's constitutive modeling, namely the relevant isotropic and anisotropic plasticity yield criteria, as well as the hardening laws considered, followed by the identification of the material's constitutive parameters for anisotropic models. The 3D finite element modeling of the problem using GiD software as a preprocessor is also covered, as well as the alteration of the DD3Imp files, which acts as the solver, allowing the definition of the process’s boundary conditions, as well as other aspects. Finally, GiD is used again for post-processing Afterwards, the results of the simulations carried out considering isotropic and anisotropic modeling of the process, respectively, are presented. Based on these, by analyzing the force-displacement curves of the punch and the height and thickness profiles of the final inlay, it is possible to understand the influence of both the model and the friction coefficient used on the results of the final drawn part. This dissertation concludes that when considering isotropy, the different isotropic materials have a great influence on the results and, in the case of the anisotropic criteria, it has become clear that the CPB06 criterion, for the material studied, allows characterization using only three experimental uniaxial tensile tests, obtaining results that are closer to those desired when compared with information from seven experimental uniaxial tensile tests.