Development of a general purpose nonlinear solid-shell element and its application to anisotropic sheet forming simulation - Sousa, Ricardo José Alves de (2006)
A utilização dos métodos computacionais na Engenharia Mecânica tem assumido cada vez mais relevância, contribuindo para uma melhor compreensão dos processos de conformação plástica em chapa, especialmente aqueles que lidam com materiais anisotrópicos, como é o caso das ligas de alumínio. Dentre estes, o método dos elementos finitos (FEM) tem progredido substancialmente nas últimas duas décadas, em parte devido ao rápido desenvolvimento da arquitectura dos computadores. Para a correcta modelação dos processos de conformação plástica em chap: o desenvolvimento de um elemento finito preciso e eficiente, vocacionado para a modelação de estruturas com parede fina, como é o caso das chapas de metal; o estudo e implementação de modelos constitutivos, considerando a anisotropia material a três dimensões. Assim, é proposto um novo elemento finito sólido-casca, suportando um número arbitrário de pontos de integração numérica ao longo da sua espessura. Devido à sua topologia sólida com oito nós físicos, esta formulação avalia naturalmente variações de espessura, contacto simultâneo em duas faces e modelos constitutivos tridimensionais, aspectos cruciais neste tipo de aplicações. Do lado constitutivo, a caracterização de materiais anisotrópicos pode ser conseguida através de funções de cedência não quadráticas ou através de modelos policristalinos. A descrição matemática da anisotropia plástica é conveniente e computacionalmente eficiente devido ao facto de utilizar parâmetros mecânicos macroscópicos como dados de entrada. Por outro lado, a descrição policristalina é baseada em aspectos físicos micro-estruturais da deformação plástica, sendo a textura cristalográfica o principal dado de entrada para estes modelos. Assim, a rotação de cada um dos grãos é acompanhada individualmente e a anisotropia material é consequentemente evolucional. No entanto, quando comparado com os modelos fenomenológicos, os modelos policristalinos são computacionalmente intensivos e não passíveis de serem usados à escala industrial, em particular na análise de conformação em chapa. Neste trabalho, as duas alternativas são analisadas, mas devido ao seu carácter inovador, ênfase será dada a um modelo multi-escala optimizado, que utiliza o conceito da interacção dos sistemas de deslizamento ao nível do grão e uma transição micro-macro baseada na hipótese de que todos os grãos sofrem o mesmo nível de deformação macroscópico. No final, os dois tópicos referidos (elemento finito e lei constitutiva) são consolidados num código de elementos finitos, sendo então validados e comparados com resultados experimentais ou numéricos, previamente publicados por outros autores.