Anizotropik plastik akma yüzeyine dayalı sayısal hasar modelinin geliştirilmesi ve deneysel doğrulaması
Development and experimental validation of a numerical damage model based upon an anisotropic plastic yield criterion
Yazar: TOROS ARDA AKŞEN
Danışman: PROF. DR. MEHMET FIRAT
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Tasarım ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Otomotiv, havacılık ve uzay sanayileri gibi büyük endüstriler büyük oranda sac metalden üretilen ürünlerinin seri üretimine bağlıdırlar. Dolayısıyla sac şekillendirme proseslerinde meydana gelen bir hasarın doğrudan maliyete, malzeme kaybına ve üretimde hız düşüşüne sebebiyet verdiği bilinmektedir. Bu sebeple, bu hasarların önceden tahmin edilebilmesi, bu hasarların önlenebilmesi hususunda büyük bir rol üstlenmektedir. Gerçekleştirilen bu tahminlere göre sac taslak üzerinde şekilsel optimizasyonlar, kalıp ölçülerinde geliştirmeler, pot çemberi kuvveti üzerinde optimizasyonlar vb. yapılabilmektedir.
Günümüzde ortaya çıkan bir diğer gereksinim ise, özellikle otomotiv endüstrisinde yakıt emisyonunun düşürülmesi ve buna bağlı olarak hava kirliliğinin azaltılmasıdır. Bu durum büyük oranda otomotiv sanayisinde kullanılan parçaların hafifletilmesine bağlıdır. Bu durum, yüksek mukavemete sahip ve şekillendirilebilirliği yüksek parçaların kullanılması gerekliliğinin yanında, otomobil parçalarının önceden kullanılan konvansiyonel malzemelere göre de hafif olması gerekliliği doğurmaktadır. Bu açıdan da yeni nesil çelikler ve alüminyum alaşımları öne çıkmaktadır.
Bu tez kapsamında bir malzeme modeli geliştirilmiştir ve geliştirilen bu model kullanıcı tanımlı bir malzeme alt programı vasıtasıyla implisit bir algoritmaya sahip olan Marc sonlu elemanlar yazılımına entegre edilmiştir. Mevcut malzeme modeli gelişmiş bir plastisite modelinden ve farklı sünek kırılma kriterlerinden oluşmaktadır. Geliştirilen bu modelin hasar tahmin performansı, birbirinden farklı malzemelerin Nakajima testleri, delik genişletme testleri, kare ve silindirik kap çekme işlemleri gibi şekillendirme testlerinde ve uygulamalarında incelenmiştir. Çelik malzemeler için ağırlıklı olarak yeni nesil çelikler kullanılmış olup, bunların yanında AISI304 paslanmaz çeliği de incelenmiştir. Alüminyum alaşımları için ise AA6016-O ve AA6016-T4 malzemelerinin şekillendirme işlemleri incelenmiştir.
Çalışma kapsamında kullanılan bütün sac malzemelerinin akma yüzeyinin sınırlarının belirlenmesi için dördüncü dereceden homojen polinom tipi bir akma fonksiyonu kullanılmıştır. İlk aşamada gelişmiş bir kriter olan homojen polinom tip akma fonksiyonunun, yırtılma başlangıç tahmin kabiliyeti üzerindeki etkisini değerlendirmek amacıyla genelleştirilmiş plastik iş sünek kırılma kriteri kullanılmıştır. Çalışmanın ileri aşamasında ise mevcut akma fonksiyonu, gerilme üçeksenliliğini dikkate alan VGM kriteri ve hem gerilme üçeksenliliğini hem de Lode parametresini dikkate alan DF2012 kriteri kullanılarak yırtılma başlangıç tahmin performansı üzerindeki gelişme incelenmiştir.
Plastik iş kriteri kullanılarak yürütülen çalışmalarda, kritik hasar parametreleri standart tek eksenli çekme testlerinden elde edilmiştir. Bu kriter kullanılarak yürütülen çalışmalarda tahmin performansının, boyun verme durumunun gözlemlenmesiyle artışa geçen gerilme üçeksenliliğinden olumsuz etkilendiği görülmüştür. Ancak kayda değer bir kararsızlık sergilemeyen malzemelerde polinom tipi akma fonksiyonunun plastik iş kriteri ile kullanımının başarılı sonuçlar verdiği de görülmüştür. VGM ve DF2012 kriterleri kullanılarak elde edilen sonuçlar doğrultusunda, gerilme üçeksenliliğini ve Lode parametresinin etkisini dikkate alan sünek kırılma kriterlerinin şekillendirme proseslerindeki tahmin kabiliyetini arttırdığı görülmüştür. Bunun yanında, akma fonksiyonunun yırtılma başlangıcının açısal lokasyonunun tahmininde daha baskın olduğu ve homojen polinom tipi akma fonksiyonunun bu açıdan başarılı olduğu görülmüştür.

Abstract:
Several industries, such as automotive, aerospace, and beverage, rely highly on sheet metal products manufactured from the mass production of the sheet metal forming processes. Accordingly, a failure in these processes may lead to material loss, cost, and a sudden decrease in production rate. Failure prediction in these processes has a crucial role so as to prevent the failures. Based on the failure predictions in such processes, shape optimization may be performed on the sheet blank, some dimensional decisions may be made on the die tools, and the blank holder forces may be optimized.
Other issues on which the automotive industry is especially focused are decreasing air pollution and improving fuel usage efficiency. In this regard, reducing the weight of the auto bodies is the dominant factor. This situation induces the usage of lighter materials that should also exhibit high ductility and strength, rather than conventional materials in the automotive industry. In this regard, advanced high-strength steels along with the aluminum alloys are at the forefront since their usage in the automotive industry is highly increased in recent years. Tthe advanced high-strength steels fulfill the abovementioned requirements owing to their complex microstructure. The complex microstructure of these steels provides remarkable features. However, this situation also affects the failure mechanism. As for aluminum alloys, these materials have a higher strength-to-density ratio.
The sheet metals undergo different processes, such as rolling and thermomechanical processes. Correspondingly, a deformation-induced anisotropy is developed for sheets, and this situation affects the failure behaviors of the materials. In particular, the characterization of the material's anisotropy is essential for determining the directional location of the failure. This issue brings about a proper yield locus definition and accurate plasticity modeling.
By definition, the plasticity model could not provide information on fracture strain. In order to predict the fracture strain, a fracture model is required, and these models can be categorized into different branches, including analytical models, void growth models, micromechanical models, continuum mechanic models, and empirical models. Among them, the empirical models are highly suitable for engineering applications. Owing to their simple form, these models can be incorporated into finite element solvers.
Within this scope, a material model is developed, which involves a sophisticated plasticity model along with different ductile fracture models. This model was incorporated into the Marc commercial finite element software through a user-defined material subroutine called Hypela2. The fracture prediction performance of the implemented model was tested in different forming tests and processes for different materials, including advanced high-strength steels, stainless steel, and aluminum alloys. The dual-phase, transformation-induced plasticity, the twinning-induced plasticity steels were considered as advanced high-strength steels, AISI304 steel was considered as stainless steel, and AA6016 alloys were regarded as aluminum alloys. Forming limit curve predictions from Nakajima tests, hole expansion tests with conical punch configuration, and the cup-deep drawing processes were taken into consideration as formability tests and the forming processes in this thesis.
The plasticity model employed in the fracture prediction for sheet forming tests and processes contains a fourth-order homogeneous polynomial-based yield criterion to describe the yield surface's bound between the plastic and elastic regions in stress space. Besides, the associated flow rule describes the plastic flow's direction, and the hardening rule represents the behavior of the yield surface. The aforementioned plasticity model is employed in the first stage coupled with the generalized plastic work ductile fracture model. The generalized plastic work criterion is a fundamental model and does not include the hydrostatic pressure and the Lode parameter effects. Hence, the fracture prediction performance improvement with the polynomial-based criterion was evaluated in different forming processes. The damage indicator values of the generalized plastic work criterion were obtained from the uniaxial tensile test simulations. It was noticed that the instability influenced the accuracy of the damage indicator in the uniaxial tensile test simulations, and the triaxial stresses occurring in the necking region had an adverse influence on the determined damage indicator's precision.
On the other hand, the generalized plastic work criterion in conjunction with the homogeneous polynomial-based yield criterion may provide a better agreement for the materials exhibiting ignorable instability. Moreover, the determination of the damage indicator from a physical test, in which the stress state is similar to the failure zone of the sheet in the related forming process, may lead to accurate prediction performance.
The material model adopted in the present thesis was also tested in the clearance design in a circular cup drawing process. A convenient clearance value was evaluated through the implemented model considering the force-stroke response of the punch and the plastic work distribution in the perimeter of the blank sheet.
In the second stage, the fracture prediction performance of the polynomial criterion coupled with the enhanced ductile fracture models was assessed. These models are the VGM criterion which involves only the stress triaxiality effect, and the DF2012 criterion, which involves both the stress triaxiality and Lode parameter's effects concurrently. The performances of these ductile fracture criteria were investigated in two-dimensional fracture locus, three-dimensional fracture locus, strain envelopes on the deviatoric π plane, and the forming limit curve predictions.
The prediction performances of both VGM and DF2012 criteria were tested in hole expansion tests of two dual-phase steel sheets. For both criteria, a significant enhancement was observed in punch stroke and hole expansion ratio predictions when compared to the generalized plastic work fracture model. It was also noticed that the stress triaxiality effect is more dominant than the Lode parameter effect in the conical punch configuration of hole expansion test. Nevertheless, the effect of the Lodeparameter may appear in different formability tests and forming processes such as Nakajima tests or deep drawing process.