Xác định các tham số vật liệu để dự đoán đường cong biến dạng cho quá trình kéo nén vật liệu tấm SS400

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong bài viết này, đã đưa ra một phương pháp mới cho việc dự đoán chính xác đường cong chảy của vật liệu khi kéo/nén tấm kim loại SS400, phương pháp này là sự kết hợp mô hình vật liệu biến cứng đẳng hướng/động cho việc xác định các tham số vật liệu trước khi đưa vào quá trình mô phỏng bằng phần mềm phần tử hữu hạn ABAQUS/explicit 6.13.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Xác định các tham số vật liệu để dự đoán đường cong biến dạng cho quá trình kéo nén vật liệu tấm SS400

XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ VẬT LIỆU ĐỂ DỰ ĐOÁN ĐƯỜNG CONG BIẾN DẠNG CHO QUÁ TRÌNH KÉO/NÉN VẬT LIỆU TẤM SS400 Nguyễn Mạnh Hùng Khoa Công nghệ thông tin Email: hungnm@dhhp.edu.vn Vương Gia Hải Khoa Điện Cơ Email: haivg@dhhp.edu.vn Ngày nhận bài: 19/6/2020 Ngày PB đánh giá: 18/7/2020 Ngày duyệt đăng: 24/7/2020 TÓM TẮT: Trong bài báo này, đã đưa ra một phương pháp mới cho việc dự đoán chính xác đường cong chảy của vật liệu khi kéo/nén tấm kim loại SS400, phương pháp này là sự kết hợp mô hình vật liệu biến cứng đẳng hướng/động cho việc xác định các tham số vật liệu trước khi đưa vào quá trình mô phỏng bằng phần mềm phần tử hữu hạn ABAQUS/explicit 6.13. Trước tiên, các dữ liệu thực nghiệm của quá trình kéo/nén được thực hiện bằng máy kéo/nén đơn trục Hung Ta H-200kN. Hai mô hình vật liệu biến cứng đẳng hướng và biến cứng động đã được sử dụng để xác định các tham số vật liệu cho quá trình mô phỏng dựa vào dữ liệu thực nghiệm trước đó. Việc so sánh giữa các kết quả mô phỏng và thực nghiệm kéo/nén tấm kim loại SS400 đã cho thấy sự không phù hợp của hai mô hình trước đó. Cuối cùng, phương pháp mới để xác định tham số vật liệu cho quá trình kéo/nén tấm kim loại SS400 được đề xuất dựa trên mô hình vật liệu biến cứng đẳng hướng/động để cải thiện quá trình dự đoán đường cong biến dạng kéo/nén. Kết quả sau khi mô phỏng được so sánh với thực nghiệm và các mô hình vật liệu biến cứng đẳng hướng/động riêng rẽ đã cho thấy khả năng cải thiện độ chính xác một cách rõ ràng của mô hình kết hợp đã đề xuất. Từ khóa: Thử nghiệm kéo/nén, mô hình vật liệu biến cứng, SS400, phần tử hữu hạn, ABAQUS. A STUDY ON DETERMINING MATERIAL PARAMETERS TO PREDICT STRESS-STRAIN CURVES FOR TENSION/COMPRESSION TENSILE TEST OF SS400 SHEET MATERIAL ABSTRACT: This paper presents a new method to predict the stress-strain curves during tension/compression testing of `steel SS400 sheet material. Thís method is a combination of the isotropic and kinematic hardening models to determine the material parameters before inputting to the finite element (FEM) simulation software, namely ABAQUS/explicit 6.13. The tension/compression tensile test was first performed by using Hung Ta H-200kN tensile test machine. The isotropic and kinematic hardening models were then used to determine material parameters for FEM simulation utilizing experimental data. After that, a comparison between tension/compression experiment and simulation results of SS400 sheet 134 | TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
material showed inappropriateness of previous models. Finally, a new method to obtain the new material parameters of tension/compression test for SS400 sheet material was proposed based on the combined isotropic/kinematic hardening model in order to improve the quality of prediction during tension/compression test. The final simulation results which were also compared with experiments and isotropic/ kinematic hardening models separately proved the good prediction of the proposed model. Keywords: Tension/compression test, Hardening models of material, SS400, FEM, ABAQUS 1. ĐẶT VẤN ĐỀ rồi nén (σn’) tấm kim loại so với giới Hiện nay, cùng với sự cạnh tranh hạn đàn hồi trong trường hợp kéo và của thị trường ngày càng lớn, xu hướng nén một cách riêng biệt (σk= σn). Bởi vì các sản phẩm tạo hình gia công biến hiện tượng này sẽ gây ra các hiện tượng dạng từ thép tấm ngày càng khó, với đàn hồi ngược sau khi tạo hình biến hình dạng tạo hình ngày càng phức tạp, dạng dẻo kim loại tấm. nhiều cấu trúc thiết kế tự do, đòi hỏi độ chính xác cao và nhiều loại vật liệu mới với giới hạn bền kéo tối đa cao hơn và hệ quả các thuộc tính khả năng tạo hình thấp hơn [7]. Nhưng các sản phẩm này thường gặp một số vấn đề như: các vết nứt sớm, khả năng đàn hồi ngược cao, biến dạng quá mức của các bộ phận, chất lượng cuối cùng của bề mặt bị Hình 1. Hiệu ứng Bauschinger [2] hỏng. Tất cả những thay đổi kể trên chính là tiền đề cần thiết cho quá trình Trong nghiên cứu này. Để dự đoán mô phỏng số phát triển và trở thành một chính xác hiện tượng Baushinger trong công cụ không thể thiếu cho việc dự quá trình kéo nén vật liệu tấm, mô hình đoán và tối ưu hóa các tham số đầu vào cứng hóa đẳng hướng/động học đã được khác nhau như vật liệu, hình học, công đề xuất đối với tấm kim loại SS400 đây nghệ [3], [4], [5] [7]. Nhưng các kết quả là vật liệu thép cán nguội được dùng phân tích mô phỏng số phải được kiểm trong ngành điện, y tế, máy tính và chứng bằng việc so sánh với các kết quả trong ngành công nghiệp chế tạo khung thực nghiệm. Trong công nghệ tạo hình vỏ ôtô. Trước tiên, các mẫu vật kéo tấm kim loại thì hiện tượng ảnh hưởng SS400 được cắt từ tấm kim loại theo Baushinger (Hình 1) của chu trình biến phương song song với hướng cán và dạng dẻo là một yếu tố quan trọng đối tiến hành thực hiện các thí nghiệm kéo với độ chính xác sau khi tạo hình của đơn trục. Để mô tả các dữ liệu thử kim loại tấm. Hiệu ứng Baushinger nghiệm thông qua các phương trình liên được thể hiện thông qua sự khác biệt tục của vật liệu, đường cong ứng suất giữa giới hạn đàn hồi sau khi kéo (σk’) biến dạng được cứng hóa theo luật TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 42, tháng 9 năm 2020| 135
Voce's [8]. Các hằng số vật liệu của suất ngược. hàm chảy dẻo sau đó được xác định  j  S j  j (3) thông qua công cụ tính toán Maple 16 Tenxơ trạng thái ứng suất lệch: dựa trên các dữ liệu thí nghiệm và S j   j  m I (4) phương pháp tương thích bình phương bé nhất. Phần mềm phân tích phần tử Trong đó σj, σm và I là tenxơ trạng hữu hạn ABAQUS cuối cùng được sử thái ứng suất hiện hành, tenxơ trạng thái dụng mô tả quá trình kéo/nén tấm kim ứng suất trung bình và tenxơ trạng thái loại SS400, đưa ra dự đoán các đường ứng suất đơn vị một cách tương ứng. cong ứng suất-biến dạng dựa trên các Đối với mô hình biến cứng đẳng mô hình biến cứng vật liệu khác nhau hướng, phương trình (2) được viết lại và chứng minh rằng phương pháp đề theo phương trình (5). 1 1 (5) xuất để xác định tham số vật liệu theo f ( )  S j : S j   2 2 3 mô hình kết hợp động học/đẳng hướng Đối với mô hình biến cứng động học cho kết quả là phù hợp hơn cả so với dữ bề mặt dẻo được thể hiện qua phương liệu thí nghiệm. trình (6). 2. MÔ HÌNH VẬT LIỆU f ( )  1  j :  j  0 (6) Luật cứng hóa của Voce’s [8] 2 phương trình (1) biểu diễn đường cong Sự tiến triển theo mô hình biến cứng ứng suất biến dạng như sau: động học được mô tả thông qua lượng    Y  A(1  exp(B eqpl )) (1) gia tăng ứng suất ngược theo hàm số của biến dạng dẻo tương đương. Với A và B là các hệ số dẻo. C  , eqpl và  Y là ứng suất tương đương, d j  ( j   j )d  eqpl  ij d  eqpl  (7) biến dạng tương đương, và giới hạn đàn Trong đó ứng suất ngược α được mô hồi kéo, tương ứng. tả từ luật biến cứng động học theo Mô hình biến cứng kết hợp, được phương trình hàm số mũ. phát triển bởi Amstrong – Frederick[1] C pl  eq  (1  e ) (8) và sau đó Chaboche [6]. Đối với mô  hình biến cứng kết hợp, các bề mặt dẻo Von-Mises vừa dịch chuyển (động học), Với C và γ là các tham số của vật vừa mở rộng (đẳng hướng) và định liệu cần được xác định theo luật biến nghĩa là như trong phương trình. (2) cứng động học. 1 1 2 2.1 Vật liệu và thiết lập thí nghiệm f ( )   j :  j   iso (2) 2.1.1 Vật liệu 2 3 Vật liệu được sử dụng cho nghiên cứu Trong đó  iso là ứng suất chảy tương này là thép tấm SS400, theo tiêu chuẩn đương, ξ là tenxơ trạng thái ứng suất đo JISG 3101 có thành phần hóa học như từ trung tâm của mặt dẻo, như thể hiện Bảng 1 trong biểu thức (3) và α là tenxơ ứng . 136 | TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
Bảng 1 Thành phần hóa học thép SS400 C Si Mn P S Cr 0.19 -0.21 0.05-0.17 0.4 – 0.6 0.04 0.05 ≤0.3 Các mẫu thử kéo được gia công giáp. Kích thước mẫu thử kéo theo tiêu bằng máy cắt dây CNC theo hướng cán chuẩn của nhà nước TCVN 197-85(197- của tấm thép dầy 6mm. Sau khi cắt dây 2000), mẫu có kích thước và hình dạng mẫu thử kéo được xử lý qua bằng giấy như Hình 2. Hình 2. Mẫu thử kéo được thiết kế (a) gia công trên máy cắt dây (b) và sau khi xử lý bề mặt (c) (a) (b) Hình 3. Máy kéo/nén đơn trục Hung Ta H-200kN (a), gá đặt mẫu thử kéo (b). 2.1.2. Thiết lập thí nghiệm Hình 3. Các kết quả kéo/nén được thể Thí nghiệm kéo/nén đơn trục cũng hiện trong Hình 4, cơ tính của vật liệu được thực hiện bằng cách sử dụng máy được trình bày trong Bảng 2. kéo/nén đơn trục Hung Ta H-200kN TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 42, tháng 9 năm 2020| 137
(a) (b) Hình 4. Đường cong ứng suất biến dạng thí nghiệm kéo a) và kéo nén b) vật mẫu SS400 Bảng 2. Cơ tính của vật liệu mẫu SS400 Hệ số modul đàn hồi (GPa) 213 Giới hạn chảy (MPa) 348 Hệ số possion’s 0.3 Khối lượng riêng, (  , kg/m3) 7850 Giới hạn chảy, (  y , MPa) 348 Giới hạn bền , (  b , MPa) 528 các giá trị tương ứng lần lượt của σY, A, 2.2 Xác định các thông số vật liệu và B là 348 (MPa), 188.86 (MPa) và Mô hình biến cứng đẳng hướng. 28.3293. Trong trường hợp biến cứng đẳng Mô hình biến cứng động học hướng thuần túy, chỉ có tiến triển mở Để mô tả hiệu ứng Bauschinger trong rộng kích thước của bề mặt chảy dẻo quá trình dự đoán đường cong ứng suất khi đó α trong phương trình (8) là bằng biến dạng khi kéo nén tấm kim loại không và phương trình (5) được sử SS400, các thông số vật liệu của mô hình dụng cho hàm chảy dẻo của vật liệu. biến cứng động học C và γ trong phương Khi mô hình biến cứng đẳng hướng trình (8) được xác định thông qua đường được sử dụng để mô phỏng dự đoán cong quan hệ giữa α và ε, trong đó dữ liệu đường cong ứng suất biến dạng trong α được lấy bằng việc dịch chuyển đường quá trình kéo/nén đơn trục thì chỉ cần cong ứng suất-biến dạng kéo một lượng xác định các thông số σY, A, và B trong bằng đúng giới hạn chảy (σY) (Hình 5). phương trình (1) như là các dữ liệu đầu Bằng công cụ tính toán Excel, dùng vào cho quá trình mô phỏng. Bằng việc phương pháp hồi quy phi tuyến ta có thể sử dụng phương trình (1) kết hợp với dữ tìm được lần lượt C và γ là 5350.272 MPa liệu thí nghiệm trong hình 4a và sử và 28.3293. dụng phương pháp bình phương bé nhất của phần mềm Excel sẽ xác định được 138 | TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
Hình 5. Mô hình biến cứng động học để xác định α Hình 6. Kết quả mô phỏng FE cho kiểm tra kéo/nén 3. MÔ PHỎNG DỰ ĐOÁN của vật liệu và các tham số vật liệu σY, ĐƯỜNG CONG KÉO-NÉN A, B đã xác định được từ phương trình Để kiểm tra khả năng dự đoán đường (1) lần lượt là 348 (MPa), 188.86 (MPa) cong ứng suất-biến dạng trong quá trình và 28.3293. Đường cong ứng suất kéo- kéo và nén vật liệu tấm SS400 của các nén sau đó được dự đoán thông qua các mô hình biến cứng khác nhau, các dữ liệu phần tử lưới của mô hình và so sánh với thu được từ kết quả thí nghiệm và tính dữ liệu thực nghiệm như trong Hình 7 toán trong phần 2.2 được lấy làm đầu vào (a). Đối với mô hình biến cứng động cho quá trình mô phỏng số bằng phương học ngoài các tham số đầu vào như mô pháp phần tử hữu hạn qua phần mềm hình biến cứng đẳng hướng còn phải (ABAQUS/Explicit). Ở đây, mô hình vật đưa thêm vào các hệ số C, γ lần lượt là mẫu kiểm tra kéo/nén đơn trục được mô 5350.272 MPa và 28.3293 để kể đến phỏng bằng các phần tử lưới dạng vỏ ảnh hưởng của hiệu ứng Bauschinger. (S4R). Kết quả mô phỏng kéo/nén vật Kết quả của việc dự đoán đường cong mẫu được thể hiện trong Hình 7. kéo nén khi sử dụng mô hình biến cứng Đối với mô hình biến cứng đẳng đẳng hướng so với kết quả dữ liệu thực hướng các thông số đầu vào gồm có nghiệm được thể hiện trong Hình 7 (b). khối lượng riêng  , mô dun đàn hồi E a) b) Hình 7. Dự đoán cho những đường cong ứng suất biến dạng sử dụng mô hình biến cứng đẳng hướng (a) và biến cứng động học (b) TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 42, tháng 9 năm 2020| 139
Từ kết quả mô phỏng dự đoán đường của công cụ tính toán Excel để xác định cong ứng suất kéo-nén sử dụng các mô các tham số vật liệu C1 và γ1 theo công hình biến cứng động học khác nhau nhận thức (8) tương ứng là 3035.14 MPa và xét thấy mô hình biến cứng đẳng hướng 33.527 khi đó phương trình hàm chảy không đánh giá được hiệu ứng dẻo tương đương theo giá trị biến dạng Bauschinger và kết quả là đường cong tương đương phải được tính toán lại nén của mô hình dự đoán là lớn hơn so bằng phương trình (10) và Hình 8. với dữ liệu thực nghiệm, còn mô hình iso (eqpl )   (eqpl )  (eqpl ) (10) biến cứng động học cho kết quả đánh giá được hiệu ứng Bauschinger nhưng giá trị lại thấp hơn so với dữ liệu thí nghiệm. 4. ĐỀ XUẤT XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ VẬT LIỆU BẰNG MÔ HÌNH KẾT HỢP Từ kết quả mô phỏng ở phần 3 ta thấy, cả hai mô hình biến cứng động Hình 8. Các thông số xác định biến học và đẳng hướng đều không dự đoán cứng kết hợp dựa trên dữ liệu thực nghiệm chính xác được sự tiến triển của ứng Những dữ liệu từ phương trình chảy suất-biến dạng trong quá trình kéo/nén dẻo tương đương này sẽ được sử dụng vật liệu SS400. Do vậy nghiên cứu này để xác định các thông số biến cứng mới đề xuất mô hình biến cứng kết hợp giữa A1 và B1 theo phương trình (11) bằng động học và đẳng hướng để xác định công cụ tính toán Excel tương ứng là các tham số của vật liệu. Khi đó, dữ liệu 90.5283 Mpa và 33.527. Các dữ liệu thử nghiệm trong quá trình kéo và nén của tham số vật liệu mới A1, B1, C1 và đồng thời được sử dụng để xác định giá γ1 sẽ được đưa vào quá trình mô phỏng trị của (α) phụ thuộc vào (ε như sau: tại để dự đoán đường cong ứng suất- biến mỗi vị trí biến dạng (ε) cho trước sẽ tính dạng trong quá trình kéo nén tấm kim toán điểm giá trị của (α) tương ứng theo loại SS400 như trong hình 9. So sánh phương trình (9). kết quả dự đoán của mô hình biến cứng  i ( kéo)   i ( nén) kết hợp giữa động học và đẳng hướng i  (9) 2 Hình 9 được đề xuất trong nghiên cứu Trong đó: i (kéo) và  i ( nén) tương ứng là này với các mô hình trước đó Hình 7 (a, các giá trị ứng suất trong trạng thái kéo b) để thấy khả năng dự đoán chính xác và nén tại một vị trí biến dạng bất kỳ. đường cong ứng suất-biến dạng trong Từ dữ liệu xác định của α phụ thuộc quá trình kéo nén vật liệu tấm SS400. vào (ε) theo phương trình (9) và tận dụng phương pháp hồi quy phi tuyến  iso  Y  A1 (1 exp(B1 eqpl )) (11) 140 | TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
a) b) Hình 9. Dự đoán cho những đường cong ứng suất biến-dạng khi kéo/nén bằng mô hình biến cứng kết hợp đẳng hướng/động học 5. KẾT LUẬN đoán chính xác hiện tượng đàn hồi Bài báo đã đưa ra một phương ngược sau khi tạo hình biến dạng dẻo pháp mới để xác định các tham số vật tấm SS400 trong quá trình gia công liệu cho việc dự đoán chính xác hiệu tạo hình các chi tiết phức tạp, đặc biệt ứng Bauschinger, mô hình biến cứng là bù và tối ưu hóa kích thước chày và kết hợp giữa động học và đẳng hướng cối khi tạo hình các sản phẩm có hình để xác định các tham số của vật liệu. dạng chữ U hoặc V từ thép tấm SS400 Đây sẽ là tiền đề để áp dụng và dự trong các nghiên cứu tiếp theo. TÀI LIỆU THAM KHẢO 5. D. T. Nguyen, J. G. Park, and Y. S. 1. C. O. Armstrong, P. J. and Kim (2016), ‘A Study on Yield Function for Frederick (1966), ‘A Mathematical Ti–6Al–4V Titanium Alloy Sheets at Elevated Representation of the Multiaxial Bauschinger Temperatures’, Transactions of the Indian Effect’, G. E. G. B. Report, vol. RD/B/N 731. Institute of Metals, vol. 69, no. 7, pp. 1343– 2. Nguyễn Trọng Giảng (2004), Thuộc 1350, doi: 10.1007/s12666-015-0687-5. tính cơ học của vật rắn. NXB Khoa học và Kỹ 6. M. C. Oliveira, J. L. Alves, B. M. thuật Hà Nội. Chaparro, and L. F. Menezes (2007), ‘Study 3. V. Gia Hai, N. Thi Hong Minh, and on the influence of work-hardening modeling D. T. Nguyen (2020), ‘A study on experiment in springback prediction’, International Journal and simulation to predict the spring-back of of Plasticity, vol. 23, no. 3, pp. 516–543, doi: SS400 steel sheet in large radius of V-bending 10.1016/j.ijplas.2006.07.003. process’, Materials Research Express, vol. 7, 7. N. Duc-toan, K. Young-suk, and J. D. no. 1, p. 016562, doi: 10.1088/2053- Won (2012), ‘Coupled Thermomechanical 1591/ab67f5. Finite Element Analysis to Improve Press 4. D. Nguyen, Y. Kim, and D. Jung Formability for Camera Shape Using (2012), ‘Finite Element Method Study to AZ31B Magnesium Alloy Sheet’, vol. 18, Predict Spring-back in Roll-Bending of Pre- no. 4, doi: 10.1007/s12540-012-4025-8. Coated Material and Select Bending 8. E. Voce (1948), ‘The relationship Parameters’, vol. 13, no. 8, pp. 1425–1432, between stress and strain for homogeneous doi: 10.1007/s12541-012-0187-z. deformation’, J Inst Met. TẠP CHÍ KHOA HỌC, Số 42, tháng 9 năm 2020| 141